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ZusammenfassungDie Vorhersage und Interpretation von Verformungsmessungen zur Bewertung der Sicherheit von Talsperren auf der Grundlage von früheren Überwachungsdaten ist heute eine der häufigsten Aufgaben von Talsperrenverantwortlichen. Zur Lösung dieser Aufgaben werden deterministische und statistische Ansätze verwendet. Finite-Elemente-Modelle bieten die Möglichkeit, das Verhalten von Talsperren sehr detailliert zu untersuchen, wenn sowohl mechanische Parameter als auch geotechnische und geologische Informationen verfügbar sind. Im Vergleich zu statistischen Modellen mangelt es ihnen jedoch häufig an Vorhersagegenauigkeit aufgrund des zeitabhängigen Verhaltens der Rheologie und eingeschränkter Informationen über die geologischen Bedingungen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn nur begrenzte Daten zur Kalibrierung von Materialmodellen und Kontaktbedingungen, z. B. zwischen den einzelnen Blöcken, zur Verfügung stehen. Die hybride Modellierung kombiniert die Vorteile beider Ansätze. Das ICOLD Technical Committee on Computational Aspects of Analysis and Design of Dams rief zu einem Workshop über das Verhalten und die prädiktive Analyse einer doppelt gekrümmten Bogenmauer auf. Für die gestellte Aufgabe wird ein Finite-Elemente-Modell erstellt und anhand verfügbarer Überwachungsdaten kalibriert. Anschließend wird ein rekurrentes neuronales Netz mit denselben Daten und den Ergebnissen der Finite-Elemente-Analyse trainiert, um dessen mangelnde Vorhersagegenauigkeit zu kompensieren. Es wird gezeigt, dass dieses Verfahren nicht nur die Qualität der Modellierung verbessert, sondern auch Unzulänglichkeiten des mechanischen Modells aufdeckt. Darüber hinaus werden aus neuronalen Netzen mit Quantilsregression Vorhersageintervalle abgeleitet, um Warnstufen zu definieren und Anomalien in den Überwachungsdaten zu erkennen.

ZusammenfassungEine hydraulische Optimierung von Ausleitungskraftwerken mit Triebwasserstollen bietet sowohl wirtschaftliche, als auch ökologische Vorteile hinsichtlich Schwall-Sunk-Ausgleich, durch Auslegung als Speicherstollen mit differentiellen Wasserschlössern. Dies erhöht die Flexibilität und ermöglicht die Speicherbewirtschaftung des Triebwasserstollens.

ZusammenfassungAufgrund des Klimawandels treten immer häufiger Starkregenereignisse auf, die im urbanen und im ländlichen Raum durch Überflutungen Schäden verursachen. Um das Gefahrenpotenzial für die bestehende Bebauung und Infrastruktur zu reduzieren, sind Maßnahmen, wie z. B. der flächige Rückhalt von Niederschlagswasser, erforderlich.In Österreich werden rund 32 % der Gesamtfläche landwirtschaftlich genutzt. Landwirtschaftliche Flächen können damit maßgebend zur Entstehung, aber auch zur Reduktion von pluvialen Überflutungen beitragen. Durch Maßnahmen, wie z. B. die Änderung der Bodenbearbeitung oder der Kulturpflanzen, kann die Infiltrationsrate des Bodens und damit das Ausmaß von Überflutungen und die Grundwasseranreicherung beeinflusst werden. Es besteht jedoch noch Quantifizierungsbedarf, wie stark durch welche landwirtschaftlichen Maßnahmen der oberflächliche Abfluss reduziert werden kann.Der vorliegende Beitrag diskutiert die Auswirkungen von zwei unterschiedlichen landwirtschaftlichen Nutzungen (konventioneller Maisacker und regenerativ bewirtschaftetes Grünland) auf den Oberflächenabfluss mittels einer numerischen Niederschlags-Abflussmodellierungen von drei unterschiedlichen Starkregenszenarien (1-, 30- und 100-jährlich) basierend auf innerhalb eines Untersuchungsgebiets durch Labor- und Felduntersuchungen ermittelten physikalischen Bodenparameter.Die Ergebnisse zeigen, dass im Untersuchungsgebiet, durch eine vollflächige Bewirtschaftung als Grünland anstatt Ackerland, das Abflussvolumen, insbesondere bei häufig wiederkehrenden Starkregenereignissen, signifikant (bis zu 87 %) reduziert werden kann.Eine standortangepasste landwirtschaftliche Nutzung kann damit das Gefahrenpotenzial für angrenzende Siedlungsgebiete potenziell wesentlich reduzieren. Auch bei der Planung und Dimensionierung von technischen Hochwasserschutzmaßnahmen kann die Einbeziehung der Landnutzungsplanung im Einzugsgebiet zielführend sein, um in Summe die Kosten für den Hochwasserschutz (bspw. durch Reduktion des erforderlichen Retentionsvolumens) zu reduzieren.

ZusammenfassungIm Talsperrenbau wird die Auslegung und Überwachung von Talsperren durch numerische Modelle unterstützt. Aufgrund der komplexen geometrischen und mechanischen Zusammenhänge ist es der Stand der Technik, dass die Finite-Elemente-Methode zum Einsatz kommt. In frühen Projektstadien oder zur überschlägigen Berechnung im Betrieb lassen sich die grundlegenden Standsicherheitsnachweise von Gewichtsstaumauern mit der frei verfügbaren Software CADAM2D unter Berücksichtigung der einschlägigen Richtlinien im Talsperrenwesen durchführen. Anhand der im englischsprachigen Raum bekannten „Gravity Method“ wird die Spannungsverteilung der Aufstandsfläche bzw. der Arbeitsfugen des Sperrenkörpers unter Berücksichtigung der Balkentheorie berechnet. Dabei kann bei Überschreiten der Zugfestigkeit auch ein Öffnen der Fugen zugelassen werden. Aufbauend auf dieser Berechnung gibt CADAM2D die Sicherheitsfaktoren wie z. B. Gleiten oder Kippen aus. Im Erdbebenlastfall werden die Trägheitskräfte durch Anwendung quasi-statischer Ansätze berechnet und in weiterer Folge mit den statischen Lasten kombiniert. Weitere Programmmodule ermöglichen probabilistische Sicherheitsberechnungen oder auch Sensitivitätsanalysen, welche die meist komplexe Beurteilung der Bauwerkssicherheit unterstützen. Die flache Lernkurve bei der Bedienung und die vielseitigen Funktionen stellen, zusammen mit der freien Verfügbarkeit des Programms, ein attraktives Paket vor allem im Ausbildungsbereich dar.

Exponential growth of computational power in the past decade on one hand and the success of numerical models in studying hydro-environmental flows on the other hand lead to an increasing usage of this technique in hydraulic engineering problems. In particular, three-dimensional numerical models are becoming the industry standard, especially in problems where capturing three-dimensional flow characteristics are important. Additionally, with availability of open-source computational fluid dynamic (CFD) codes, this type of modelling is more accessible. Among these codes, OpenFOAM (Open Source Field Operation and Manipulation) is a state-of-the-art CFD code with an extensive range of features for engineering and scientific applications. In this paper, selected studies are presented which the authors carried out using OpenFOAM. These studies include a wide range of applications from implementation of the new algorithms to modelling a practical application in hydraulic engineering.

ZusammenfassungPumpspeicherkraftwerke sind ein effizientes und langlebiges Nonplusultra für ausgeglichene und stabile elektrische Energiesysteme. Unterirdische Pumpspeicherkraftwerke werden zum vielversprechenden Ansatz zur Bewältigung verschiedener Herausforderungen und ermöglichen zudem vollkommen neue und in mehrfacher Weise einsetzbare Anlagenkonzepte. Thermische Pumpspeicherkraftwerke als mechanisch und thermisch kombinierte Energiespeicher bilden die innovative technologische Evolution für eine universelle und ressourceneffiziente, regenerative Energieversorgung.

Relevance. At present the application of numerical analyses to real problems of dam engineering has suffered at times from the gaps between the specialists of mathematical modeling and dam engineers and managers. The first group usually includes information system specialists because they are able to develop the computer models to their full potential. The professionals belonging to the second group often prefer to revert to traditional methods of calculation and empirical methods based on their proven experience. The aim of the work - based on recommendations of International workshops seminars, organized by the ICOLD Committee on Computational Aspects of Dam Analysis and Design, help dam engineers to interact with mathematical modeling specialists and to work with them without language barriers or gaps in knowledge. In this relation the assessment of reliability and applicability of numerical analyses of dams allows engineers to develop the optimal dam design. Methods. Assessment of the reliability of numerical methods of analyses of dam behavior was based on data of 10 International benchmark-workshop seminars, organized by the Committee in Italy (1991 and 1992), France (1994 and 2009), Spain (1996), USA (1999), Austria (2001), Romania (2003), China (2005), Russia (2007), in which specialists of these countries also took part.

Unlined pressure tunnels in sound rock, combined with pressurized sand traps at the downstream end, allow for low-cost construction of hydropower tunnel systems. This design concept is utilized in hydropower plants across the world. Currently, many such power plants are being upgraded with higher installed capacity, which may result in challenges with the sand trap efficiency. A physical scale model test, accompanied by 3D CFD simulations of a case study pressurized sand trap, has been studied for economic retrofitting. The geometric model scale is 1:36.67 while the velocity scale and sediment scale are 1:1 (same average flow velocity and sediment size in model and prototype). This is currently an uncommon scaling approach but with several advantages, as presented in this paper. Various options for retrofitting were investigated. A combined structure of ramp and ribs was found to significantly improve the sediment trap efficiency. The main novelties from this work are the proposed design of the combined ramp and rib structure. Secondary results include an efficient setup for physical scale models of pressurized sand traps and a methodology that combines the benefits of 3D CFD simulations with physical scale models testing for sand trap engineering and design.

Since 1991 the Committee on Computational Aspects of Analysis and Design of Dams within the International Commission on Large Dams (ICOLD) organizes the bi-annual held Benchmark Workshops. The 15th Benchmark Workshop, held in Milan (Italy) is dedicated to three formulated themes as well as an open theme. Numerical studies on the seismic response of the highest monolith of Pine Flat Dam are defined in Theme A, which the present paper is focused on. Several numerical studies are part of Theme A, like modal analyses and transient seismic analyses in which the mass of the foundation is respected. Generally, 2D finite element models with plain strain formulation are used. To simulate a far field solution of the given problem, infinite elements are used for static and dynamic load cases. Furthermore, linear elastic material behavior is assumed together with the so-called concrete damaged plasticity model, a non-linear material model, which is applied to the dam body. To account for hydrodynamic effects due to seismic loading acoustic elements are coupled to the solid structural parts to enable the fluid-structure-interaction.

Um den sicheren Betrieb von Talsperren unter den verschiedenen betrieblichen Anforderungen und Umwelteinflussen zu gewahrleisten, ist es notwendig, das Bauwerksverhalten bereits in der Planungsphase zu simulieren. Dafur werden numerische Modelle sowohl fur die Bauphasen als auch fur den Endzustand der Talsperre, unter der Berucksichtigung verschiedener Belastungszustande sowie deren Kombinationen erstellt und die Ergebnisse ausgewertet und interpretiert. Die Interpretation einerseits und die Modellierung andererseits erfolgen basierend auf der praktischen Erfahrung aus dem Betrieb bereits bestehender Talsperren und unter der Annahme von bekannten sowie moglichen Versagensmechanismen. Deshalb ist ein Austausch dieser Erfahrungen innerhalb der Gruppe von IngenieurInnen, die mit dieser verantwortungsvollen Aufgabe betraut sind, von groser Bedeutung. Aus diesem Grund werden seit 1991 vom Technical Committee on Numerical Analysis and Design of Dams der International Commission On Large Dams (ICOLD) sogenannte Benchmark Workshops abgehalten. Deren Ergebnisse und die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden in Tagungsbanden sowie in speziellen ICOLD Bulletins veroffentlicht. Das Verstandnis uber die Interpretation der Ergebnisse numerischer Berechnungsmodelle spielt im Netzwerk der ICOLD eine wichtige Rolle und stellt den zuverlassigen Betrieb von Talsperren sicher.

Fish migrating downstream may face an increased risk of injury when passing through hydropower turbines. The overall influence on fish populations remains unknown. Still, it is undoubtedly linked to the damage potential of the turbines, the stage of maturity and the size of the migrating individuals as well as the proportion of migrating fish in relation to the total population. The sources of injury are usually the contact to the turbine blade and the rapid pressure drop in the turbine as well as shear forces, and large-scale turbulence. The authors investigated the conditions experienced by fish migrating through a 5-bladed vertical Kaplan turbine, each of the two units with a nominal power of 45 MW. Therefore, so-called “Barotrauma Detection Sensors (BDS)” were applied to determine the physical parameters during the turbine passages. Additionally, live fish, fitted externally with Barotrauma Detection Sensors, were introduced.

In 1988 the Tonstad power plant (Norway) was upgraded from 640 to 960 MW. The headrace system to the reservoirs was not upgraded except for an additional pressure shaft, surge tank and an additional sand trap. Even with about 50 % higher discharge in the main tunnel, the sand traps worked adequately after the commissioning. However, in recent years, higher flexibility of demand is challenging the power plant and has resulted in events with flushing of sediments to the turbines. Higher flexibility demands also challenge the current surge tank design. During one event, free surface flow is believed to have occurred in the sand trap since severe damage to two of the turbines was observed. This contribution presents the background of the power system situation at the Tonstad power plant and the current flexibility demands of the power market and its challenges for the hydraulic system, as well as the proposals to solve the sand trap issues and the oscillation demands for the surge tank. The paper discusses the possibility of utilizing a model predictive controller with real-time flow simulations to solve the challenges without structural reconstruction, and possible options should structural reconstruction be necessary. The contribution compares analysed options for improving the efficiency of sand traps. Finally, an outlook is offered to future demands for flexibility in hydropower plants with increasing supply of renewable power sources.

The Wavenumber approach was initially introduced as an ideal substitute for the rigorous type of analysis which had been the basis of extensive studies in seismic analysis of concrete gravity dams. The former technique is formulated in the context of pure finite element programming, while the latter relies heavily on a two-dimensional semi-infinite fluid element (i.e., hyper-element). Recently, a variation of Wavenumber method was proposed which was referred to as Wavenumber-TD approach. The approximation to the original technique improves its realm of application and allows it to be carried out in time domain as well as frequency domain. In that study, the formulation was examined for harmonic type of excitation which proved to be promising. Herein, this will be evaluated for its real intended application, which is transient analysis of dam-reservoir systems. For this aim, the prepared special purpose finite element program is modified and the analysis of Pine Flat dam is considered as a typical example. Several models are considered with different values of normalized reservoir length. In each case, the reservoir truncation surface is treated by Wavenumber-TD and the extensively utilized Sommerfeld conditions. The dynamic loading considered is the S69E component of Taft earthquake record. Furthermore, two types of reservoir bottom condition of full reflective as well as absorptive, are adopted. Overall, this will allow for a thorough examination and evaluation of Wavenumber-TD approach in regard to its effectiveness.

To accurately simulate the mechanical properties of rockfill materials under triaxial stress using the discrete element method (DEM), the microparameters of the rockfill material DEM model are calibrated based on the macroparameters of a constitutive model. For the calibration model, a refined 3-D numerical triaxial test is established to obtain the deformation curves of the rockfill under different confining pressures. Deformation curves with different microparameters in the contact model are then calculated by numerical triaxial tests to determine the macroparameters of the constitutive model. Then, a nonlinear relationship between the macroparameters of the E-B model and the microparameters of the contact bond model is built by a relevance vector machine. A memetic algorithm is employed to calibrate the microparameters of the rockfill, thereby establishing a calibration model based on a relevance vector machine and a memetic algorithm. Afterwards, a numerical triaxial test example of rockfill materials is used to verify the feasibility of this calibration model, and then the fabric microparameters under different confining pressures are analysed. In addition, to determine the influence region, a failure process of a rockfill slope is simulated with the calibrated microparameters of the DEM model. In summary, this calibration method substantially improves the numerical results, thereby enhancing the ability to determine the mechanical properties of construction materials and solve various problems in engineering.

Verlandungsprozesse, die durch die Reduktion der Fliesgeschwindigkeiten in Stauraumen hervorgerufen werden, bewirken oft unerwunschte Effekte sowohl im Bereich des Stauraumes als auch im Unterwasser. Neben moglichen Hochwasserproblemen im Stauwurzelbereich durch das Anheben der Sohle konnen Verlandungen in Wehrnahe unerwunschte Zustromsituationen hervorrufen. Im Unterwasser sind Kolmationsprozesse, das Fehlen von mobilen Grobsedimenten und Probleme bei Stauraumspulungen (z. B. zu hohe Schwebstoffkonzentrationen) direkte Folgen dieser Verlandungsproblematik. Der vorliegende Beitrag behandelt als Beispiel die Optimierung der Spulstrategie fur den Stauraum des Kraftwerkes Leoben, der durch seine geringe Grose gekennzeichnet ist. Im Stauwurzelbereich kommt es zu kontinuierlichen Anlandungen, welche die Hochwassersicherheit in diesem Bereich reduzieren. Der Betrieb wahrend der ersten Jahre hat gezeigt, dass Stauraumspulungen notwendig sind. Um eine optimale Stauraumbewirtschaftung zu erreichen, wurden Naturmessungen sowie numerische Untersuchungen durchgefuhrt. Das vorliegende Beispiel zeigt, dass damit eine erhebliche Verbesserung der ursprunglich vorgesehenen Spulstrategie zu erreichen ist. Somit sind wirtschaftliche, aber vor allem okologisch vertragliche Verbesserungen zu erreichen, die eine nachhaltige Nutzung des Stauraumes ermoglichen.

Das Institut fur Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universitat Graz und das Amt der Steiermarkischen Landesregierung haben bei verschiedenen Projekten zum Thema Hochwasserschutz zusammengearbeitet. Die Projekte HORST und SUFRI behandeln beide das Risikomanagement und die Minimierung der Gefahr, HORST auf nationaler und SUFRI (Sustainable strategies of urban flood risk management) auf internationaler Ebene. Der Hochwasserrisikokreislauf und das Steirische Strategiekonzept mit dem 10-Punkte-Masnahmenprogramm HORST sind in Zusammenarbeit mit zahlreichen Vertretern aller mit der Hochwasserthematik betroffenen Institutionen entwickelt worden. Sie spiegeln die Haupthandlungsfelder im Umgang mit der Gefahr „Hochwasser“ gut wider und dienen damit gemeinsam mit den Hochwasserrisikomanagementplanen gemas EU-Hochwasserrichtlinie (RL 2007/60/EG) der Minimierung der Hochwassergefahr. und die jeweiligen Masnahmen effizient umgesetzt, konnen die Schaden zukunftiger Hochwasserereignisse bestmoglich reduziert werden. Die in SUFRI entwickelten Methoden zur Burgerbeteiligung und Risikobewertung konnen hierbei einen wesentlichen Beitrag zur Umsetzung der Strategien beitragen, insbesondere in Bezug auf bauliche und nicht-bauliche Masnahmen.

High head hydropower plants can generate high electrical power at very short notice, or if equipped with pumps can also draw electricity from the distribution grid and store its energy very efficiently. In this way, hydropower plants can make an indispensable contribution to regulating the grid and the use of regenerative energy sources. Physically, this requires reservoirs at various altitudes connected through headraces. In order to be able to use high head hydropower plants with longer headrace tunnels for the generation of electricity, surge tanks are needed to compensate the kinetic energy. A surge tank thus represents an interface between civil, mechanical and electrical engineering. The construction of new high head plants and particularly of pumped storage schemes, exploiting ever greater quantities of water and with increasingly stringent demands for flexibility, leads to additional criteria and requirements, which are explained in this article. The article describes also some specific designs of surge tanks in Austria. Hochdruckwasserkraftanlagen konnen hohe elektrische Leistungen in kurzester Zeit bereitstellen oder bei zusatzlichen Pumpanlagen aus dem Netz abziehen und diese damit sehr effizient speicherbar machen. Damit leisten diese Anlagen einen unverzichtbaren Beitrag zur Netzregelung und Nutzung der regenerativen Energiequellen. Physikalisch sind dazu Speicher auf unterschiedlichen Hohen verbunden durch Triebwasserwege erforderlich. Um nun Hochdruckwasserkraftanlagen mit langeren Stollen fur die Erzeugung von elektrischem Strom betreiben zu konnen, sind zum Ausgleich der kinetischen Energie Wasserschlosser notwendig. Das Wasserschloss stellt dabei eine Schnittstelle zwischen Bauingenieurwesen, Maschinenbau und Elektrotechnik dar. Durch den Bau von neuen Hochdruckanlagen und insbesondere von Pumpspeicherkraftwerken mit steigenden Ausbauwassermengen und steigenden Anforderungen an die Anlagenflexibilitat ergeben sich auch fur die hydraulische Auslegung von Wasserschlossern zusatzliche Kriterien und Anforderungen, die in diesem Beitrag erortert werden. Auch werden in diesem Artikel zusammenfassend spezifische Wasserschlossdesigns in Osterreich dargestellt.

To reduce the natural hazard risks—due to, e.g., earthquake excitation—seismic safety assessments are carried out. Especially under severe loading, due to maximum credible or the so-called safety evaluation earthquake, critical infrastructure, as these are high dams, must not fail. However, under high loading local failure might be allowed as long as the entire structure does not collapse. Hence, for a dam, the loss of sliding stability during a short time period might be acceptable if the cumulative displacements after an event are below an acceptable value. This performance is not only valid for gravity dams but also for rock blocks as sliding is even more imminent in zones with higher seismic activity. Sliding modes cannot only occur in the dam-foundation contact, but also in sliding planes formed due to geological conditions. This work compares the qualitative possible and critical displacements for two methods, the well-known Newmark’s sliding block analysis and a Fluid-Foundation-Structure Interaction simulation with the finite elements method. The results comparison of the maximum displacements at the end of the seismic event of the two methods depicts that for high friction angles, they are fairly close. For low friction angles, the results are differing more. The conclusion is that the commonly used Newmark’s sliding block analysis and the finite elements simulation are only comparable for high friction angles, where this factor dominates the behaviour of the structure. Worth to mention is that the proposed simulation methods are also applicable to dynamic rock wedge problems and not only to dams.

Each dam and each reservoir is an individual facility, since their foundation conditions are rarely similar. Due to their location, their height and their storage capacity, dams and reservoirs can hold a considerable hazard potential, which is why they are designed conservatively; projects are examined meticulously (e.g. by the Austrian Commission on Dams) and monitored comprehensively during the construction phase and during operation. To guarantee their continuous safety, dams and reservoirs are monitored with great care by the operating company with the help of trained staff and the latest measuring equipment. The most important measurement data are acquired continuously so as to gain an up-to-date impression of the load-bearing behaviour of the dam and its foundation and to be able to react swiftly and efficiently should any changes occur. On an international level, the state of the technology concerning dam safety is updated in the bulletins published by ICOLD. Austria takes part in the work of the various committees and has built up a renowned high standing worldwide for guaranteeing dam safety. In training courses and seminars for junior engineers, it is mainly the basics of dam monitoring and safety checks that are imparted, later reinforced by practical work. This approach should also keep the facilities safe in the future. Talsperren und Speicher sind vor allem aufgrund der jeweiligen Untergrundverhaltnisse – jedes Bauwerk hat einen anderen, nur selten ahnlichen Untergrund – individuelle Anlagen. Sie konnen aufgrund ihrer Lage, ihrer Bauwerkshohe bzw. ihres Staurauminhalts ein erhebliches Gefahrdungspotenzial aufweisen. Sie werden daher konservativ geplant, die Projekte sorgfaltig gepruft (u. a. Staubeckenkommission des Bundes) und im Zuge der Bauausfuhrung sowie des spateren Betriebs umfassend kontrolliert. Um die Sicherheit fortlaufend zu gewahrleisten, werden diese Bauwerke seitens der Betreiber durch geschultes Personal und modernste Messausstattung sorgfaltig uberwacht. Die wesentlichsten Messwerte werden permanent erfasst, um so standig ein aktuelles Bild uber das Tragwerksverhalten von Sperre und Untergrund verfugbar zu haben und bei Veranderungen rasch und effizient reagieren zu konnen. International wird auf dem Gebiet der Talsperrensicherheit der Stand der Technik mit den Bulletins der ICOLD fortgeschrieben. Osterreich arbeitet in den Gremien mit und hat einen weltweit anerkannt hohen Stand fur die Gewahrleistung der Talsperrensicherheit aufgebaut. In Kursen und Seminaren fur die Ausbildung junger Ingenieurinnen und Ingenieure werden insbesondere die Grundalgen fur die Talsperrenuberwachung und Sicherheitsuberprufung vermittelt und in praktischen Ubungen vertieft, um so auch in Zukunft Anlagen sicher zu betreiben.

It is shown by the fact of recent earthquakes that engineered dam structures are safe structures. Just minor structures and such, which have not been designed on engineering knowledge, have been damaged. To guarantee a safe dam design, it is necessary to account for the loading in an appropriate way together with the geotechnical site conditions. Based on these, the optimum layout of the structure can be found. For the dynamic loading of the dam structure intensive site specific investigations are needed. The interaction with the abutment is in most cases approximated by means of rigid body models, e.g. Londe or Goodman. To account for the dynamic interaction a more elaborated model is investigated based on calculations and results from the ICOLD “10th Benchmark Workshop on Numerical Analysis of Dams”. For this the orographic left rock wedge in the abutment of the Luzzone Dam is discretized within a numerical arch dam model accounting for the wedge mass gravitational forces. Time histories of accelerations are applied and fluid structure interaction is accounted for with added mass approach compared with fluid elements. The investigations on the stability are carried out within the finite element model and – with the time history of the dam thrust acting onto the wedge – with the Londe method. The results of the calculations are compared with respect to different distributions of the pore water pressure in the contact between rock wedge and underlying rock. It is to conclude that more sophisticated, realistic models show higher margins to entire system failure, which anticipates, that the existing model assumptions are conservative – as it is assumed. Die verheerenden Erdbebenereignisse der letzten Zeit zeigen, dass grose Talsperren sehr sichere Bauwerke sind. Lediglich untergeordnete Bauwerke und solche, die nicht ingenieurmasig geplant wurden, haben Schaden genommen. Um die Sicherheit einer Struktur gewahrleisten zu konnen, sind alle Belastung und geologischen Randbedingungen zu berucksichtigen. Darauf basierend kann ein optimaler Entwurf gefunden werden. Fur die Standsicherheitsnachweise ist eine genaue Untersuchung des Untergrunds erforderlich. Dabei werden meist Starrkorpermethoden, zum Beispiel nach Londe oder Goodman angewendet. Zur besseren Berucksichtigung der dynamischen Interaktion bei Erdbebenbelastung wird ein aufwandigeres Modell, basierend auf dem ICOLD “10th Benchmark Workshop on Numerical Analysis of Dams”, erstellt. Hierbei wird der bei der Luzzone Talsperre orographisch rechts liegende Felskeil in einem numerischen Modell der Bogenstaumauer diskretisiert, um dessen Eigengewicht direkt berucksichtigen zu konnen. Das Erdbeben wirkt dynamisch auf das Modell; die Fluid-Struktur-Interaktion wird mit addierten Massen und Acoustics Elementen simuliert. Die Untersuchung der Felskeilstabilitat wird vergleichend mit der Finiten-Elemente-Methode und der Londe-Methode durchgefuhrt. Dabei wird die auf den Keil wirkende Sperrenbeanspruchung in Rechnung gestellt. Die Ergebnisse der beiden Berechnungen werden unter Berucksichtigung der unterschiedlichen Porenwasserdruckverteilung in den Trennflachen zwischen Gebirge und Felskeil miteinander verglichen. Es kann zusammengefasst werden, dass in diesem Fall das aufwandigere und realistischere Modell hohere Sicherheiten gegen Systemversagen ergibt. Dies bedeutet, dass die vereinfachenden Modellannahmen konservative, also auf der sicheren Seite liegende Sicherheiten ergeben.

Die EU-Hochwasserrichtlinie fordert mit der Erstellung von Hochwassermanagementplanen auch die Berucksichtigung von Vorwarnsystemen. Hochwasserprognosen fur kleine Einzugsgebiete sind jedoch aufgrund der raumlichen Auflosung mit grosen Unsicherheiten behaftet und derzeit aktueller Gegenstand der Forschung. Im Rahmen des ERA-Net CRUE Projekts SUFRI (Sustainable Strategies of Urban Flood Risk Management with non-structural measures to cope with the residual risk), das sich mit der Optimierung des Katastrophenschutzmanagements beschaftigt, wurden als ein Teil des Projekts Praxisanwendungen von Vorwarnsystemen und somit der Umgang mit den Unsicherheiten anhand von vier Fallbeispielen sowie die diesbezuglichen Bedurfnisse der Bevolkerung untersucht. In diesem Beitrag werden reprasentativ die Ergebnisse fur die Fallstudie Graz vorgestellt.

Im Beitrag wird die hydraulische Situation eines Bifurkators numerisch berechnet. Dieser, ausgefuhrt als Hosenrohr, wurde in einem fruheren Modellversuch im Wasserbaulabor der TU-Graz untersucht. Die Ergebnisse des Modellversuchs werden zur Kalibrierung der numerischen Berechnung verwendet. Durch die gute Ubereinstimmung des Modellversuches mit der numerischen Berechnung wird gezeigt, dass numerische Rechenprogramme ein leistungsfahiges, wichtiges Werkzeug fur hydraulische Untersuchungen darstellen.

In order to create the grout curtain for the Ermenek hydropower plant in Turkey, grouting measures were designed in karstified limestone. Based on the geological model, detailed investigations were carried out in advance of construction into the location and nature of the anchoring of the grout curtain into impermeable rock. Eventually, the water head of about 220 m will be grouted from four grouting galleries arranged vertically above one another with a separation of 70 m in each case, and connected from the lowest gallery at a maximum 250 m deep into impermeable layer. The overall height of the grout curtain will thus be about 470 m and the area approx. 680,000 m2. The design intends a single-row grout curtain with drillings spaced at 1.5 m, with denser spacing at some locations in the course of construction. In the immediate vicinity of the dam, the grout curtain is to have two rows for structural reasons, combined with a drainage curtain. Consolidation grouting in the foundation area of the arch dam will be carried out in the course of concreting. The injection pressures and the success criteria for each injection will be described. Detailed investigations into the grout were performed for the implementation of the grouting measures. The determination of the injection steps and the closer spacing of the injection pattern required in places will be discussed, also regarding the karst features encountered. The impounding of the 4,600 m m3 reservoir, which will take about 5 years, will be started while the dam is still being concreted. Fur die Herstellung des Dichtschirms des Kraftwerks Ermenek in der Turkei wurden Injektionsmasnahmen im verkarsteten Kalkgestein geplant. Basierend auf dem geologischen Modell gingen der Ausfuhrung detaillierte Untersuchungen uber die Lage und die Art der Einbindung des Dichtschirms in den undurchlassigen Untergrund voran. Schlussendlich wird die etwa 220 m hohe Wassersaule uber vier vertikal ubereinander angeordnete Injektionsstollen mit einem Abstand von jeweils 70 m injiziert und von der tiefsten Galerie maximal 250 m tief bis zum undurchlassigen Untergrund angeschlossen. Die Gesamthohe des Dichtschirms betragt somit etwa 470 m und weist eine Flache von ca. 680.000 m2 auf. Die Planung sieht einen einreihigen Dichtschirm mit Bohrungen im Abstand von 1,5 m vor, der im Zuge der Ausfuhrung ortlich verdichtet wurde. Im unmittelbaren Bereich der Talsperre ist aus Standsicherheitsgrunden der Dichtschirm in zwei Reihen vorgesehen, der mit einem Dranageschirm kombiniert ist. Konsolidierungsinjektionen in der Aufstandsflache der Bogenstaumauer werden im Zuge des Betonierens durchgefuhrt. Die zu verwendenden Injektionsdrucke und zu erzielenden Injektionserfolge werden erlautert. Fur die Ausfuhrung der Injektionsmasnahmen wurden detaillierte Untersuchungen des Injektionsguts durchgefuhrt. Die Festlegung der Injektionsschritte und die erforderliche lokale Verdichtung des Bohrrasters – auch in Hinblick auf die angetroffenen Karsterscheinungen – werden diskutiert. Mit dem Aufstau des 4.600 Mio. m3 fassenden Reservoirs, der etwa funf Jahre benotigen wird, wird wahrend der Betonierung des Sperrenbauwerks begonnen.

Der Ausbau von Hochdruckwasserkraftanlagen fur den Turbinen- und Pumpbetrieb erfordert eine optimierte hydraulische Auslegung des Triebwasserwegs mit der Anordnung des Wasserschlosses zur Reduktion der Druckstosbelastung. Neben den hydraulischen Anforderungen ist fur die Wahl der Linienfuhrung auf geotechnische und geohydraulische Randbedingungen besonderes Augenmerk zu legen. Zur Optimierung der Anlagenteile werden felsmechanische Grosversuche kombiniert mit Laborversuchen ausgefuhrt. Wahrend der Baudurchfuhrung werden die Annahmen verifiziert. Anhand von Messergebnissen aus den Versuchen im Zug der Inbetriebnahme kann auf das mitwirkende Tragverhalten des Gebirges ruckgeschlossen werden. Fur das in Ausfuhrung befindliche Pumpspeicherkraftwerk (PSW) Limberg II (Erweiterung Oberstufe KWG Kaprun) wurde eine Optimierung des Wasserschlosses durchgefuhrt. Dies wurde mit einer in dem Druckstollen integrierten “durchflossenen Unterkammer” sowie einem in geometrischer Verlangerung zum Schragschacht ausgefuhrten Steigschacht zur Oberwasserkammer neutralisiert. Neben der hydraulischen Optimierung erfordert die konstruktive Gestaltung mit Betonauskleidung, Stahlpanzerung und einem an die geotechnischen Verhaltnisse angepassten Injektionskonzept ein hohes Mas an Aufmerksamkeit der Ausfuhrenden. Ausgehend von den hydraulischen Untersuchungen, der Bemessung und den geotechnischen Randbedingungen wird das Gesamtkonzept des Triebwasserwegs dargestellt. Pressure tunnel – dimensioning, execution and experience in construction The upgrading of high pressure hydro power plants for turbineand pump-operation demands an optimized hydraulic design of the power channel with the configuration of the surge tank to reduce the water hammer. Aside from the hydraulic requirements special attention has to be given to the choice of alignment considering the geotechnical and the geohydraulic boundary conditions. For optimization of the plant components large scale rockmechanical tests combined with laboratory tests are executed. During the execution of the construction the assumptions are verified. On the basis of the measurement results from the tests conducted in the course of the set in operation it can be concluded on the load bearing capacity of the rock mass. For the pumped-storage scheme (PSW) under construction Limberg II (upgrading of the upper stage Kaprun) a detailed optimization of the surge tank – with an in the pressure tunnel integrated “watercarrying lower chamber”, as well as a surge shaft designed as geometrical prolongation of the inclined shaft – was conducted. Aside from the hydraulic optimization the constructive design with a concrete lining, a steel lining and an injection concept adapted to the geotechnical conditions demands a high degree of attention of its operators. Based on the hydraulic research and the geotechnical boundary conditions the entire concept of the power conduit is going to be presented.

Modern high-head hydropower plants, and especially pumped storage plants (PSP), are designed with increasing high water discharge and higher requirements to flexible operation. To improve the hydraulic performance and allow for more flexible operation, research on surge tank design is conducted in Norway and Austria. A cooperation is established, and this work presents some recent findings. Two types of surge tanks are discussed, the throttled chamber surge tanks (TCST) of Austria, and the air cushion surge tanks (ACST) of Norway. Both represent the current state-of-the-art in these countries. For the TCST, the challenges of long chambers is given special attention. This is a submitted manuscript of an article published by Springer in Wasserwirtschaft, 2015

Eine geeignete Wahl der Materialparameter ist fur die Berechnung der Standsicherheit von Sperrenbauwerken von essentieller Bedeutung. Daten aus Messungen an bestehenden Talsperren konnen als Grundlage fur eine Ruckrechnung dieser Materialparameter an einem dafur geeigneten Modell herangezogen werden. Im vorliegenden Beitrag wird exemplarisch die Bestimmung der sogenannten dynamischen E-Moduli fur Fels und Beton fur die Sperre Schlegeis mithilfe von Naturmessungen und eines Finite Elemente Modells dargestellt.

On the basis of laboratory experiments, this chapter presents the effect of different dune dimensions on flow separation. The present research assesses the quality of Reynolds-averaged Navier–Stokes turbulence model for predicting the flow over two-dimensional dunes. Three different dunes were developed with two lee-slope angles of 8° (Δ = 4&6 cm) and 38° (Δ = 4&8 cm). The length of the simulated separation zone was compared with experimental data. It is found that the numerical model provides a good overall consistency with the ADV measurements. Also the separation zone has a strong relation with the lee angle. At lee angles less than 10°, the shape of the crest or dune height has no effective impact on flow separation.

Das Kraftwerk Ermenek liegt im Suden der Turkei und ist mit einer installierten Leistung von 300 MW fur eine Jahreserzeugung von 1 000 GWh ausgebaut. Es wird von einem turkisch-Osterreichischen Konsortium errichtet. Auftraggeber ist die turkische Wasserbaubehorde DSI. Die doppelt gekrummte Bogenstaumauer hat eine Hohe von 218 m. Das Reservoir mit 4 600 Mio. m3 Speicherinhalt ist uber einen 8,0 km langen Druckstollen und einen 1,1 km langen Schragschacht mit dem Krafthaus verbunden. Die Betonierarbeiten an der Sperre wurden im Oktober 2009 fertig gestellt. Im August 2009 wurde mit dem Einstau der Sperre begonnen. Das uberwachungskonzept fur das Bauwerk wird zusammenfassend dargestellt.

A simple contact-friction interface element for two-dimensional models is developed here. This model takes nodal contact stresses instead of nodal contact forces as unknowns. The element can simulate frictional slippage, decoupling and re-bonding of two bodies initially mating at a common interface. The method is based on the Finite Element Method and load incremental theory. The geometric and static constraint conditions on contact surfaces are treated as additional conditions and are included in stiffness equations. Since the stiffness matrix is unsymmetric, symmetrizing techniques are discussed in this paper. Consequently, a symmetrical stiffness matrix of the constraint element is established. The new element has the advantages of easy implementation into standard finite element programs and high speed for convergence. As an example of its application, the excavation of a tunnel with soft media and joint interfaces is simulated. The results obtained demonstrate the feasibility of using this model to perform analyses of discontinuties in rock mass, such as faults, shear zones and joints.