Gestaltungskriterien und hydraulische Bemessungsgrundlagen für Streichwehre

Einleitung

Geschichtlicher Hintergrund

Streichwehr bei Hannoversch Münden an der Werra

Streichwehr bei Hannoversch Münden an der Fulda

Streichwehre werden bereits seit dem Mittelalter genutzt, um Gewässer aufzustauen und die daraus resultierende Fallhöhe beispielsweise zum Betrieb einer Mühle zu nutzen. Nach Lüger (1910) hat die längere Krone beim vollkommenen Überfall eine geringere Überfallhöhe zur Folge, woraus sich zwei Vorteile ergeben: Die hydraulische Belastung auf den Wehrrücken ist geringer und die Schwankungen des Oberwasserspiegels kleiner, wenn der Ableitungskanal nicht mehr die ganze Abflussmenge aufnehmen kann oder darf, um z.B. Ausuferungen zu vermeiden. Im 19. Jahrhundert wurden die Wasserräder durch leistungsfähigere Turbinen ersetzt. Die ersten beweglichen Stahlverschlüsse erlaubten größere Stauhöhen und gleichzeitig eine vollständige Freigabe des Abflussquerschnittes bei Hochwasser. Zum Vergleich beweglicher und fester Wehre stellte bereits Aichel (1910) fest: „Die beweglichen Wehre erfordern indessen eine ständige Überwachung, verursachen oft hohe Bau- und Ausbesserungskosten und sind nicht besonders widerstandsfähig. Ist daher eine so sorgfältige Regelung des Oberwassers nicht nötig und sprechen nicht andere gewichtige Gründe dagegen, so wird man zur Anlage eines durchweg festen Wehres schreiten, bei dem ein übermäßiger Stau bei Abgang des Hochwassers dadurch vermieden wird, dass man eine größere für den Abfluss des Wassers wirksame Länge wählt. Man erzielt diese Vermehrung der Wehrlänge durch Wahl eines entsprechenden Grundrisses“. In Deutschland gibt es zahlreiche Streichwehre, die ihre Aufgabe bis heute erfüllen. Bild 1 zeigt beispielhaft das aus dem 11. Jahrhundert stammende obere Streichwehr in Wetzlar an der Lahn. Geographisch befindet sich das Streichwehr westlich von Gießen bei Lahn-km 11,500. Das sogenannte Hausertorwehr wurde in einem flachen Winkel von etwa 25° zur Hauptströmungsrichtung angeordnet und besitzt eine Gesamtlänge von 290 m. Der Wehrkörper besteht aus einer Steinschüttung, zwei Holzpfahlreihen, die zur Stabilisierung der Wehrkrone und als Fußsicherung dienen, sowie einem Deckwerk aus gepflasterten Steinen. Der Querschnitt weist im Oberwasser eine Böschungsneigung von etwa 1:2 und im Unterwasser eine Neigung von etwa 1:4 auf.

Bild 1: Hausertorwehr in Wetzlar an der Lahn (Bj. 1050): Draufsicht (links) und Querschnitt (rechts) des Streichwehrs (Quelle: WSA Koblenz, Grunddaten zur Wehranlage oberes Wehr Wetzlar)

Definition

Streichwehre stellen neben Schachtüberfällen und Heberwehren eine Sonderform der festen Wehre dar und werden unter anderem als Entnahme- oder Entlastungsbauwerke oder zur Hochwasserentlastung eingesetzt. In der Regel ist die Überfallkante parallel oder nahezu parallel zur Hauptströmungsrichtung in der Gerinneberandung angeordnet, über die ein Teil des Gesamtzuflusses abgeschlagen wird (siehe Bilder in Tabelle 1). In der Literatur wird zwischen geraden und schiefen Streichwehren unterschieden: Bei den geraden Streichwehren ist die Breite des Gewässers vor und unmittelbar nach dem Streichwehr konstant, bei den schiefen Streichwehren nimmt die Breite in Fließrichtung ab (Schmidt, 1954). In der Praxis ist das oft schwer zu unterscheiden. Bild 2 zeigt Beispiele für ein gerades und für ein schiefes Streichwehr. Naudascher (1987) bezeichnet den Sonderfall, dass der Gesamtzufluss über das Streichwehr abgeführt wird, als paralleles Wehr und würde übertragen auf eine Wasserstraße einem Streichwehr mit anschließender Schleuse entsprechen. Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird aber im Folgenden auf diesen Begriff verzichtet.

Tabelle 1: Definitionen zur Lage eines Streichwehres

Gerades Streichwehr	Schiefes Streichwehr
Parallele Anströmung	Schräge Anströmung
Q = Qo - Qu	Q = Qo - Qu
α = 0°	0° < α < 90°

Bild 2: Beispiele für ein gerades Streichwehr (links: Kleines Wehr Böllberg an der Saale) und für ein schiefes Streichwehr (rechts: Villmar an der Lahn)

Anordnung im Gewässer und konstruktiver Aufbau

An den staugeregelten Flüssen in Deutschland gibt es zahlreiche Streichwehre, die sich in Lage, Querschnitt und Aufbau unterscheiden. Bild 3 (links) zeigt beispielsweise das 210 m lange und nahezu parallel zur Fließrichtung angeordnete Streichwehr in Würzburg. Der Wehrrücken besteht in wesentlichen Teilen aus einer Mauer aus Stahlbeton und Steinen sowie einer Steinschüttung aus Wasserbausteinen im Unterwasser, die als Kolkschutz dient. Das Streichwehr in Weilburg (Bild 3, Mitte) besteht im Bereich der Wehrkrone aus geklammerten Kronensteinen und einem Wehrrücken aus Bruchsteinen, während das Streichwehr in Gochsen (Bild 3, rechts) einen Wehrrücken aus Stahlbeton besitzt.

Bild 3: Streichwehre in Würzburg am Main (links), Weilburg an der Lahn (Mitte) und Gochsen am Kocher (rechts)

Staustufentypen

Nach DIN 19700 zählen Staustufen neben Talsperren und Hochwasserrückhaltebecken zu den Stauanlagen und bestehen aus einem Wehr mit Stauhaltungsdämmen, Kraftwerk, Schiffsschleuse und der Stauhaltung selbst. Zur besseren Verständlichkeit bei der Diskussion über Standortkriterien für Streichwehre ist es hilfreich, zwischen einachsigen und mehrachsigen Staustufen zu unterscheiden.

Bild 4: Systemskizzen einer einachsigen (links) und einer mehrachsigen (rechts) Staustufe

Einachsig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Wehr, Schleuse und Kraftwerk in einer Achse angeordnet sind, baulich aneinander angrenzen und sich in einem Flussarm befinden (Bild 4, links), während bei einer mehrachsigen Staustufe das Kraftwerk oder die Schleuse räumlich vom Wehr abgesetzt ist. Bei mehrachsigen Anlagen ist häufig die sogenannte Schlingenlösung zu finden, bei der der Schifffahrtsweg abwechselnd im alten Gewässerbett und in einem Kanal verläuft, der die Schlinge durchsticht (Bild 4, rechts). Die Schleuse befindet sich dann im Durchstich, während das Kraftwerk neben der Schleuse oder dem Wehr angeordnet ist. In der Praxis finden sich auch Mischformen oder Kombinationen von ein- und mehrachsigen Staustufen, die aber eher die Ausnahme bilden.

Analyse bestehender Anlagen

Obwohl Streichwehre mit zu den ältesten Wehrtypen zählen, wurden in den vergangenen Jahren sehr wenige Anlagen gebaut. Daher finden sich in der einschlägigen Literatur entsprechend wenige Empfehlungen zur Anordnung und zur Querschnittsgestaltung. Aus diesem Grund wurde eine Bestandsaufnahme vorhandener Anlagen durchgeführt. Im Zustän-digkeitsbereich der Wasserstraßen- und Schifffahrtsämter (WSÄ) Koblenz, Magdeburg, Hannoversch Münden und Schweinfurt gibt es annähernd 50 Streichwehre, die eine gute Basis für eine Analyse von Streichwehren in Querschnitt, Lage und Aufbau darstellen.

Mit Hilfe von Bestandsplänen und technischen Kenndaten wurden die Fallhöhe, der Anströmwinkel sowie die Böschungsneigungen im Ober- und Unterwasser ausgewertet. Hier zeigte sich, dass die Streichwehre eine mittlere Fallhöhe von etwa 2,0 m aufweisen. Das Streichwehr mit der größten Fallhöhe von etwa 3,6 m befindet sich in Alsleben an der Saale. Die mittlere Böschungsneigung im Oberwasser beträgt etwa 1:2,5 und im Unterwasser 1:4,0. Häufig befindet sich am Ende des Wehrrückens eine negative Stufe von etwa 0,5 m.

Anordnung im Gewässer

Im Hinblick auf die Anordnung eines Streichwehres im Gewässer wurden neben Lageplänen auch Luftbilder analysiert. Hier zeigt sich, dass der Anströmwinkel α im Mittel etwa 30° beträgt, die Lage und damit die Überfalllänge aber wesentlich von den örtlichen Gegebenheiten bestimmt wird.

Bild 5: Streichwehre in Böllberg an der Saale (links) und Meuschauer Wehr an der Saale (rechts)

Geraade Streichwehre mit einem Anströmwinkel von α = 0° sind huptsächlich bei räumlich begrenzten Fließgewässern und vorwiegend bei Schlingenlösungen (mehrachsigen Staustufen) zu finden. Bild 5 zeigt jeweils einen Standort an der Saale. Beide Streichwehre dienen als Entlastung in den Gewässeraltarm und liegen parallel zur Hauptströmungsrichtung. Während das Meuschauer Wehr im Verlauf der Uferlinie liegt, ist das Streichwehr in Böllberg etwas zurückversetzt, was vermutlich darauf zurückzuführen ist, dass sich das Wehr noch im schiffbaren Gewässerabschnitt befindet. Die Strömung im Oberwasser erfährt durch ein Streichwehr eine Umlenkung, woraus eine Querströmung in der Fahrrinne resultiert, die die Navigation vorbei fahrender Schiffe erschweren kann. Durch das zurückversetzte Streichwehr und die damit veränderte Uferführung werden der Abstand zur Fahrrinne vergrößert und Querströmungen verringert. Modelluntersuchungen der Forschungsanstalt für Schifffahrt, Wasser- und Grundbau (1963) zeigen, dass die Senkungslinie eines geraden Streichwehres bis zur Gewässermitte reichen kann, wenn das Streichwehr im Verlauf der Uferlinie angeordnet ist. Schiefe Streichwehre mit einem Anströmwinkel 0° < α < 90° sind häufig an mehrachsigen Staustufen zu finden, wobei die Linienführung im Gewässer maßgeblich von der Lage des Kraftwerkes und der Schleuse abhängt. Im Folgenden werden einige Hinweise zur Anordnung eines Streichwehres gegeben, die bei der Streichwehranalyse als wesentlich angesehen wurden.

Allgemeine Hinweise zur Anordnung

Befindet sich am betrachteten Standort ein Wasserkraftwerk, so wird das Streichwehr in der Regel zum Kraftwerk hin angeordnet (Bild 6, links). Das unterstromige Ende des Streichwehres grenzt dabei an den Zulaufbereich der Turbinen an, sodass die Strömung kontinuierlich beschleunigt und eine gute Anströmung erzielt wird.

Es gibt wenige Beispiele, bei denen das Streichwehr umgekehrt angeordnet ist, wie bei-spielsweise in Fürfurt an der Lahn (Bild 6, rechts. Hier befindet sich der Turbineneinlauf ufer-parallel und das Streichwehr verläuft in Richtung des Schifffahrtskanals, vermutlich weil die Staustufe schrittweise ausgebaut wurde. Dabei fällt auf, dass das unterstromige Ende des Streichwehres nicht direkt, sondern stromab vom Molenkopf abgesetzt ist. Möglicherweise werden mit dieser Anordnung Querströmungen vermie-den und die Einfahrtsbedingungen in den Schifffahrtskanal verbessert.

Befinden sich Kraftwerk und Schleuse nebeneinander, z.B. beim Durchstich einer Schlingenlösung, so ist das Streichwehr ebenfalls zur Schleuse bzw. zum Kraftwerk hin angeordnet.

Bild 6: Streichwehr Guxhagen an der Fulda (links) und Streichwehr Fürfurt an der Lahn (rechts)

Überlegungen zur Anordnung eines Streichwehres beim Ersatzneubau

Streichwehre bei einachsigen Staustufen

Ein Streichwehr kann einachsig ausgebildet werden, wie beispielsweise bei der Mainstaustufe Würzburg, bei der das Streichwehr nahezu parallel zur Hauptströmungsrichtung angeordnet ist und die Schleuse mit dem Klappenwehr und dem Kraftwerk verbindet. Wenn ein bestehendes, senkrecht angeströmtes Wehr in einer einachsigen Staustufe durch ein Streichwehr ersetzt wird, ergeben sich geometrische Zwangspunkte durch die Lage von Kraftwerk und Schleuse bzw. die dazwischen liegenden Trennmolen.

Bild 7: Hydraulisch günstige Anordnung (links) und hydraulisch ungünstigere Anordnung (rechts) eines Streichwehres an einer einachsigen Anlage

Unter diesen Randbedingungen sind grundsätzlich zwei Anordnungen denkbar, die in Bild 7 dargestellt sind. Bild 7 (links) zeigt eine hydraulisch günstige Anordnung für ein Streichwehr bei einem Ersatzneubau. Bei Abflüssen bis zur Ausbauwassermenge des Kraftwerkes wird die Strömung kontinuierlich beschleunigt und eine gute Anströmung im Einlaufbereich der Turbinen erzielt. Bild 7 (rechts) hingegen zeigt eine für das Kraftwerk hydraulisch ungünstigere Anordnung. Vorteile hat diese Linienführung nur, wenn es um die Auffindbarkeit einer am Kraftwerk angeordneten Fischaufstiegsanlage geht. Bei beiden Anordnungsmöglichkeiten ist zu berücksichtigen, dass sich die Beanspruchung der Trennmole im oberen und unteren Vorhafen erheblich ändert (einseitig wirkender Wasserdruck) und umfangreiche bauliche Anpassungen zur Folge haben können.

Streichwehre bei mehrachsigen Staustufen

Wenn bei einer mehrachsigen Staustufe (Schlingenlösung) keine Wasserkraftnutzung stattfindet, ist eine Anordnung des Streichwehres am Einlauf in den Altarm naheliegend. Findet zudem auf der Wasserstraße keine Schifffahrt mehr statt, kann das Streichwehr im Verlauf der Uferlinie angeordnet werden (Bild 8, links). Bei Aufrechterhaltung der Schifffahrt ist eine abgesetzte Linienführung mit einer Trennmole zwischen Altarm und Einfahrt in den Schleusenkanal (nicht dargestellt) zu empfehlen. Hierfür sind ggf. fahrdynamische Untersuchungen erforderlich. Alternativ dazu kann das Streichwehr natürlich auch im Bereich der bestehenden Wehranlage angeordnet werden, wenn beispielsweise vorhandene Zufahrtswege für die Unterhaltung weiter genutzt werden sollen (Bild 8, Mitte).

Bild 8: Streichwehr im Verlauf der Uferlinie (links), Streichwehr im Bereich der bestehenden Wehanlage (Mitte), Staustufe mit Wasserkraftwerk (rechts)

Wenn sich im Altarm ein Wasserkraftwerk befindet, so bieten sich zur Anordnung des Streichwehres mehrere Möglichkeiten an: Soll die Wasserkraftnutzung am Standort erhalten werden, sollte das Streichwehr als schiefes Streichwehr an die vorhandene Wasserkraftanlage anschließen. Bild 8 (rechts) zeigt eine Variante, bei der das Streichwehr zur Wasserkraftanlage hin angeordnet ist. Die Länge und der sich daraus ergebende Anströmwinkel sind abhängig von den örtlichen Randbedingungen. Falls die Wasser-kraftanlage aufgegeben wird, kann das Streichwehr als gerades Streichwehr am Einlauf in den Altarm vorgesehen werden (Bild 8, links).

Konstruktive Gestaltung

Querschnitte

Die Analyse bestehender Streichwehre zeigt, dass in der Vergangenheit unterschiedliche Querschnitte realisiert wurden, bei denen im Prinzip zwischen fünf Geometrien unterschieden werden kann. Unter den aufgeführten Querschnitten ist am häufigsten der dachförmige Querschnitt zu finden.

Mögliche Querschnittsformen eines Streichwehres Der dachförmige Querschnitt besitzt sowohl eine Böschung zum Ober- als auch zum Unterwasser hin, wobei die Unterwasserseite im Allgemeinen flacher geneigt ist. Diese Geometrie ist naheliegend und war vermutlich einfach herzustellen. Der gemischtförmige Querschnitt weist im Oberwasser eine ausgerundete und im Unterwasser eine konstant geneigte Böschung auf. Diese Geometrie ist hydraulisch günstiger, aber auch aufwändiger herzustellen. Der breitkronige Querschnitt besitzt eine sehr große Kronenbreite mit geneigten Böschungen im Ober- und Unterwasser. Über den Grund der breiten Krone kann nur spekuliert werden. Eine Nutzung als Furt bzw. die Unterhaltung des Streichwehres könnten aber bei der Gestaltung eine Rolle gespielt haben. Der ausgerundete Querschnitt ergibt sich aus zwei unterschiedlichen Ausrundungsradien für die Wehrkrone und den anschließenden Wehrrücken. Dieser Querschnitt ist hydraulisch noch günstiger als Querschnitt 2. Der abgestufte Querschnitt besteht auf dem Wehrrücken aus mehreren senkrechten Abstürzen. Ein Teil der Energiedissipation findet damit am Fuß des freien Überfalls auf einem befestigten Abschnitt im Wehrquerschnitt statt.

Bild 9: Querschnitte von Streichwehren (Quelle: WSA Koblenz)

Literatur

• Aichel, O.G. (1910): Experimentelle Untersuchungen über den Abfluß des Wassers bei vollkommenen schiefen Ueberfallwehren, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, s.l (Mitteilungen über Forschungsarbeiten auf dem Gebiete des Inge-nieurwesens, insbesondere aus den Laboratorien der technischen Hochschulen, 80).
• Lüger, O. (1910): Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Deutsche Verlagsanstalt, Stuttgart / Leipzig (8).
• Naudascher, E. (1987): Hydraulik der Gerinne und Gerinnebauwerke. 2. Aufl., Springer-Verlag, Wien.
• Schmidt, M. (1954): Zur Frage des Abflusses über Streichwehre. Eine kritische Be-trachtung der bekann-testen Berechnungsverfahren und Versuche im Zusammen-hang mit eigenen Versuchen. Techni-sche Universität Charlottenburg, Berlin (41).

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