Ein Überflutungsnachweis erfordert mitunter auch die Leistungsbewertung der Rohrhydraulik

Die Abbildung 1 dient dem grundlegenden Verständnis der Druck- und Energielinie in einem hydraulischen Längsschnitt.

Es ist üblich und zweckmäßig, die Energieformen[2] bei hydraulischen Betrachtungen in [m Wassersäule; m WS][3] zu berechnen, weil diese Ergebnisse dann keiner weiteren Umrechnung bedürfen und weil die Wasserstände sofort ablesbar sind. Bei den Fließvorgängen in Rohrleitungen ist es so, dass die potentielle Energie, auch Lageenergie genannt, der Lage des Wasserspiegels entspricht, den dieser z. B. in Glasrohren einnehmen würde, wenn die Rohrleitung Löcher hätte und in diesen Glasröhren[4] stecken würden.

Die Verbindung der Wasserspiegel in den Glasrohren wird auch Drucklinie genannt. Bis zu dieser Drucklinie hoch würde auch das Wasser aus einer senkrechten Undichtigkeit (z. B. Schacht auf dem Grundstück der Klägerin, siehe folgender Abschnitt) wie eine Fontäne spritzen abzüglich der durch die Strömung vor und in dem Schacht verursachten Reibungsverluste. Werden nun die Piezometerrohre etwas in die Rohrleitung hineingeführt und so abgewinkelt, dass ihre Öffnung von dem Wasser gerade angeströmt wird, so steigt der Wasserspiegel in diesen andersgearteten Piezometerrohren etwas höher und – sofern das Wasser fließt – auf jeden Fall über den Wasserspiegel der Drucklinie an der betreffenden Stelle.

Diese zusätzliche Wasserspiegelerhöhung in den Piezometerrohren wird durch den Staudruck verursacht.

Über der Drucklinie liegt also im Abstand des Staudruckes von

die Energielinie.

Die Höhe der Energielinie an einem bestimmten Leitungsabschnitt entspricht der an diesem Punkt noch vorhandenen Gesamtenergie[5].

Nimmt die Geschwindigkeit z. B. wegen einer Reduzierung oder einer Einengung zu, dann steigt der Staudruck und um dieses Maß senkt sich der Wasserspiegel [6] also die Drucklinie.

Siehe auch: Bernoullische Energiegleichung

Fallbeispiel

(Auszug aus einem Gerichtsgutachten)

Abbildung 2: Druck- und Energielinie in einem Fallbeispiel

Zur Situation und Überflutungsnachweis

In einer Kleinstadt in Sachsen gab es eine Überflutung durch einen Bach. Der Bach fließt durch eine Verrohrung, in der sich ein Damm mit bestimmten Abmessungen befand. Im Zuge von Baumaßnahmen war dieser Damm erforderlich. Er wurde aber nach den Bauarbeiten nicht vollständig entfernt und stellte so ein Abflusshindernis dar. Bei einem Starkregen kam es zur Überflutung eines Grundstückes. Die wahrscheinlichen Ursachen waren zu beweisen.

Vorgeschaltet war eine Abflusskalkulation des Instituts für Wasserwirtschaft Halbach mit konsultativer Mitwirkung durch Herrn Dr. rer. nat. Robert Schwarze der TU Dresden.

Hydrologische Niederschlags-Abfluss-Modelle (N-A-Modelle) beschreiben die kausalen Zusammenhänge zwischen Niederschlag und Abfluss mathematisch und dienen zur Ermittlung der Abflüsse aus Einzugsgebieten.

Neben der Betrachtung von Fragestellungen zum Hochwasserschutz, wie der Bemessung von Hochwasserrückhaltebecken oder der Ermittlung von Bemessungshochwasserabflüssen, werden mit N-A-Modellen auch folgende Sachverhalte untersucht:

• Ermittlung von Abflüssen und Abflussganglinien für natürliche Einzugsgebiete
• Niederschlagssimulation als Modellregen aus örtlichen Regenstatistiken
• Niederschlagssimulation aus langjährigen Niederschlags-Zeitreihen und Temperaturverläufen
• Simulation der wesentlichsten Elemente des hydrologischen Kreislaufes für die Abflussbildung und Abflusskonzentration.

Kalkulatorisch war dann im Ergebnis der Berechungen u.a. zu bestimmen, welche hydraulischen Konsequenzen der gegebene Damm bei einem Durchfluss von 5,5 m³/s in der Verrohrung hatte.

Abbildung 3: Abschnitt der Bachverrohrung

Ergebnis

Der Längsschnitt in der Abbildung 2 veranschaulicht die vom Damm verursachte Lage der Druck- und Energielinie bei einem Abfluss von 5,5 m³/s:

• Dem Längsschnitt liegt eine Überflutung des **weges im Bereich der beginnenden Bachverrohrung zu Grunde. Diese bestimmt den Energiehorizont.
• Der Energiehorizont wurde danach in einer Höhe von 353,17 m ü.N.N. nach Abwägung festgelegt.
• Die relevante niedrigste Höhe der Straßenoberfläche im Bereich der **brücke wurde nach Kanalbestandsplänen [14] unter Berücksichtigung von zwei in der Nähe liegenden Schachtdeckelhöhen kalkuliert und dann mit einer Circa-Höhe von 352,85 m ü.N.N. angenommen.
• Bedingt durch einen Einlaufverlust von 6 cm beginnt die Energielinie in der Verrohrung bei 353,11 m ü.N.N.
• Aus der kinetischen Energie (0,12 m) für das Fließen des Wassers in der Verrohrung mit einer Geschwindigkeit von v = 1,56 m/s folgt der Beginn der Drucklinie in der Bachverrohrung in Höhe von 352,99 m ü.N.N.
• Daraus folgt zum Schadensereignis eine Überflutungshöhe an diesem Punkt der Straße von 14 cm. Bei einer anderen Annahme der Überflutungshöhe als von 14 cm ändern sich die Höhen im Längsschnitt in gewissen Grenzen entsprechend dem Verhältnis 1 : 1.
• Bis zum Damm weisen Druck- und Energielinie reibungsbedingt ein Gefälle von 0,13 % auf und verlaufen parallel zueinander. Dabei wurden vorhandene Querschnittsänderungen vernachlässigt.
• Im Damm befanden sich zudem zwei Rohre DN 400 und DN 200, die bei der resultierenden Drucklinie zu einer hydraulischen Leistung von 1,5 m³/s führten .
• Am Damm bestand ein verbleibender freier Querschnitt von 0,77 m² durch den sich der Abfluss von ca. 4 m³/s „quetschen“ musste.
• Daraus resultierte in Beachtung des Kontinuitätsprinzips eine notwendige Geschwindigkeit von v = 5,2 m/s, die einen Energieverbrauch von 1,38 m verursachte. Das entspricht einer Absenkung der Energielinie um diesen Betrag.
• Einzelverluste wurden nach BOLLRICH, (Technische Hydromechanik 1)

• Nach dem Damm wurde ein ungestörter freier Abfluss mit einer Wasserstandshöhe von ca. 0,8 m und einer Fließgeschwindigkeit von 2,5 m/s angenommen. Die Energielinie liegt ab hier unter dem Rohrscheitel.

• Die Fontäne, die über dem Schacht auf dem Grundstück der Kläger (Anlage K3, Blatt 1 der Prozessakte [1]) entstand, hatte somit wahrscheinlich eine Höhe von max. ca. 40 cm.

• Dieser Wasserdruck genügte sehr wahrscheinlich selbst relativ schwere Schachtdeckel anzuheben (siehe hierzu den Punkt 5 in Anlage 7).

(Die Abbildungen und die Erklärungen dürfen bei Angabe der Quelle – Institut für Wasserwirtschaft Halbach – beliebig genutzt werden.)

Erste Fassung Mai 2013, ergänzt im März 2019

Überflutungsnachweis