- Technische Universität Dresden

- Institut für Wasserbau und THM

- Prof.Dr.-Ing.habil. Detlef Aigner

Kaskaden und Treppen sind hintereinander angeordnete Abstürze, die der Überwindung großer Gefälle oder Geländesprünge dienen. Die stufenartigen Übergänge ermöglichen eine starke Belüftung des Wassers. Es kann zur Bildung einer Wasser-Luft-Gemischströmung kommen. Kaskaden und Treppen bieten die Möglichkeit einer effizienten Energieumwandlung. Ihr Vorteil liegt in einem stufenartigen Abbau der Bewegungsenergie des Wassers und ihrer Umwandlung in Wärme, so dass am Ende der Kaskade oder Treppe das übliche Tosbecken eingespart oder minimiert werden kann. Vorzugsweise werden diese Bauwerke zur Hochwasserentlastung von Talsperren (Möhre TS), bei Dämmen oder anderen Anlagen (Regenableitung, z.B. Freiberger Mulde) zur schadfreien Ableitung von Wasser über große Höhen angewendet. Treppen werden oft im Anschluss an den Hochwasserüberlauf von Dämmen eingesetzt (stepped spillway am Porto Primavara und Xingo Dam in Brasilien, am Lower Towaliga und Big Haynes Dam in Gergia-USA, El Paso Dam in Texas-USA, New Victoria und Joe Sippel weir in Murgon (Australien, Foto von H. Chanson) oder am Wolwedans RCC Dam in Südafrika). Sie werden auch zur Gestaltung von Parkanlagen (Wasserspiele) oder zum naturnahen Ausbau von Flüssen genutzt.
Für eine optimale Energieumwandlung muß jede Stufe einer Kaskade als Tosbecken bemessen sein (Bild 1a). Bei Treppen kann es bei kleineren Abflüssen und geringeren Stufenneigungen auch zu einer effektiven Energieumwandlung kommen, wenn das Wasser von Stufe zu Stufe abstürzt und sich evtl. sogar ein Wechselsprung ausbildet (Bild 1b). Sind die Treppen steiler oder wird der Abfluss größer, dann stellt sich ein sogenannter schwebender Abfluss ein, bei dem die Stufen als Rauhigkeitselemente fungieren und das Wasser stark mit Luft angereichert wird (Bild 1c). Der Übergang vom stufenförmigen (nappe flow) zum schwebenden Abfluss (skimming flow) ist von vielen Autoren untersucht worden (Klassifizierung der Strömungszustände, siehe Literaturhinweise z. B. Chanson, H. (1994)).
Die Berechnung der Mindestabmessung von Kaskaden (volle Energieumwandlung) unter Berücksichtigung eines Sicherheitszuschlages von 5% für die konjugierte Wassertiefe und der Mindestlänge einer Kaskadenstufe (Wurflänge des Strahles plus Wechselsprunglänge) zeigt die dimensionslose Darstellung im Bild2.
Press (1954) schrieb in seinem Buch, dass der Bau von Kaskaden wegen der Beanspruchung durch Eis und Verwitterung immer mehr zurückgeht. Neuere Veröffentlichungen und der Internationale Workshop in Zürich (März 2000, Hydraulics of Stepped Spillways) zeigen, dass die Anwendung von Treppen wieder zugenommen hat.
 

Literaturhinweise:

• Aigner, Detlef: Hydraulic Design of Pooled Step Cascades.(Info) , XXIX IAHR-Congress, Beijing, China 16.-21.09.2001, Proceedings S.635
• Chanson, H.: Comparison of energy dissipation between nappa and skimming flow regimes on stepped chutes. Journal of Hydraulic Research 32 (1994), S. 213-218 and Hydraulics of skimming flow over stepped channels and spillways. S. 445-460
• Christodoulou, G.C.: Energy dissipation on stepped spillways. Hydraulic Engineering ASCE 119(5) S. 644-650
• Iguacel, Cristobal Mateos; Garcia, Victor Elviro: Initiation of aeration in stepped spillways. Proceedings of Theme D, ASCE XXVII IAHR Congress San Francisco 1997, California, USA
• Merlein, J.; Kleinschroth, A.: Studie zur Erarbeitung hydraulischer Auswahlkriterien für Absturzbauwerke in der Abwasserkanalisation. in Mitteilungen Nr.64 des Lehrstuhles für Hydraulik und Gewässerkunde der TU München 1998
• Ohtsu, Iwao; Yasuda, Youichi: Characteristics of flow conditions an stepped channels. Proceedings of Theme D, ASCE XXVII IAHR Congress San Francisco 1997, California, USA
• Pravdivets, Y.P.; Bramley, M.E.: Stepped protection blocks for dam spillways. Water Power & Dam Construction, Juli 1989
• Press, H.: Stauanlagen und Wasserkraft. II Teil: Wehre. Verlag von Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin 1954
• Rice, Carles E.; Kadavy, Kem C.: Model Study of a Roller Compacted Concrete Stepped Spillway. Journal of hydraulics engineering, Juni 1996
• Wahrheit-Lensing, A.: Selbstbelüftung und Energieumwandlung beim Abfluss über treppenförmige Entlastungsanlagen. Dissertation an der TH Karlsruhe 1996

Dresden, den 22.06.2000