Projekte

Die Gründung des Laboratorium^3D ist mit dem Projekt der Sanierung der Rampe in Lodrino verbunden. Das Ingenieurbüro beffa tognacca GmbH wurde für das Variantenstudium und das Bauprojekt der Sanierung der Rampe in Lodrino beauftragt. Das Hauptziel bestand, neben einer höheren Stabilität der Struktur und einer Verbesserung der Hochwassersicherheit, in der Wiederherstellung der Fischdurchgängigkeit für die Äsche. Die heutige Rampe wurde als Sohlenfixpunkt am Mittellauf des Ticino in den 1970-er Jahren realisiert und sie bildet seitdem, mit einem Gefälle von rund 8%, ein unpassierbares Hindernis für die relativ schwimmschwache Fischart dar. Der heutige Höhenunterschied von rund 5 m soll neu mit einer eigendynamischen Rampe überwunden werden. Zur Gewährleistung der Fischwanderung soll das Endgefälle der Rampe zwischen 2% und 3% liegen. Das Grundgedanke der dynamischen Rampe besteht darin, dem Fluss Material mit einer breiten Kornzusammensetzung zur Verfügung zu stellen (für die Rampe in Lodrino mit einem äquivalenten Durchmesser zwischen 0 und 2.0 m). Infolge von Hochwasserereignissen wird die Flusssohle schrittweise strukturiert, was mit einer Reduktion des Gefälles und einer Stabilisierung der Struktur einhergeht. Das Spektrum des für den Bau der Rampe verwendeten Materials führt schon bei relativ häufigen Hochwasser zu einer reichen und vielfältigen Morphologie. Der ökologische Wert der Rampe nimmt demzufolge zu, insbesondere im Hinblick auf die Fischwanderung sowie in Bezug auf die landschaftlichen Bedürfnisse.
Die physikalischen Experimente der Rampe Lodrino begannen im vergangenen Herbst und sind derzeit in vollem Gange. Die Strukturierungsprozesse und die Stabilität der Rampe werden auf unterschiedliche Anfangsgefälle (zwischen 3.0 und 4.5%) und unterschiedliche Strukturtypen hinsichtlich Größe, Dichte und Anordnung der Blöcke, aus denen die Rampe besteht, analysiert. Die Belastung der Struktur erfolgt mit steigendem Abfluss zwischen HQ₂ = 530 m³/s und EHQ = 1’693 m³/s. Jede Situation wird systematisch analysiert, indem die Abflussbedingungen und die Geometrie des Flussbettes dokumentiert werden, sobald der Gleichgewichtszustand erreicht ist.
Für die im Bezug auf Fischwanderung relevanten Abflüsse, welche von mittleren Abflusstiefen im Modell im Bereich von rund 1 bis 4 cm charakterisiert sind, sind die Massstabseffekte im Modell 1:30 relevant. Folglich soll die Fragestellung der Wandermöglichkeiten anhand von numerischen 3D-Simulationen in Naturmassstab untersucht werden. Die numerischen 3D-Simulationen werden mit der Open-Source Software OpenFOAM durchgeführt. Die Grundlage für das numerische Modell bilden die im Millimeterbereich hochaufgelösten photogrammetrischen Aufnahmen der Rampentopographie des physikalischen Modells, welche auf den Naturmassstab geometrisch skaliert werden.
Der Nachweis eines Wanderkorridors zwischen dem Fuss und dem Kopf der Rampe gilt als erbracht, falls eine Kontinuität von Bereichen gibt, wo die Abflussbedingungen (maximale Abflussgeschwindigkeit und minimale Wassertiefe) den in der Fachliteratur angegebenen Kriterien zur Schwimmfähigkeit der Äsche entsprechen. Die für einige Anfangsgeometrien durchgeführten Analysen zeigen, wie dank der hohen Strukturierung der Rampe (welche schon bei relativ kleinen Hochwassern erfolgt), die für die Wanderung der Äsche günstige Bedingungen geschaffen werden. Ziel ist es, eine Geometrie der Rampe zu finden, welche die ökologischen Ziele erreicht und gleichzeitig die hydraulische Sicherheit gewährleistet.
Die Ergebnisse der ersten Versuche zeigen bei der stufenartigen progressiven Erhöhung des Abflusses bis zum EHQ eine graduelle Anpassung des Gefälles und Strukturierung der Morphologie. Bei den durchgeführten Versuchen wurde auch bei maximaler hydraulischen Belastung kein Versagen der Struktur beobachtet. Ausgehend von der vordefinierten Einbaugeometrie erfolgt eine erste, oberflächliche Strukturierung auf der steilen Rampe schon bei kleinen Abflüssen (< 100 m³/s = ca. Q₃₆). Eine weitere, tiefgründigere Strukturierung der eigen­dynamischen Rampe mit ersten Anzeichen einer Rotationserosion erfolgt später, aber immer bei relativ häufigen Ereignissen (ca. HQ₂). In den nächsten Phasen der Analyse werden die Prozesse noch näher untersucht und die aufgestellten Hypothesen werden kritisch hinterfragt und weiterentwickelt. Die bei der stufenweisen Steigerung der hydraulischen Belastung entstehenden Strukturen werden statistisch untersucht und zusammen mit den rein geometrischen Sohleneigenschaften in Beziehung mit dem Stabilitätsverhalten der Rampe gesetzt.

PDF herunterladen (in Bearbeitung)

Das vom Büro beffa tognacca GmbH erarbeitete Bauprojekt sieht die Stabilisierung des Flussbettes der Maira in Promontogno durch ein Stufen-Becken System vor. Die Massnahme ist mit einer Anhebung des Flussbettes zur Absicherung der Ufern kombiniert, und soll den Anforderungen der Fischwanderung genügen. Die benötigten Blöcke resultieren aus dem angrenzenden Rückhalteraum von Bondo. Leider erwiesen sich die Blöcke kleiner als ursprünglich angenommen, was zu einer Neubewertung des Konstruktionsprinzips der Blockschwellen führte. Mit den verfügbaren Blöcke war die Stabilitätsgarantie nicht a priori gegeben, bzw. sie konnte durch empirische oder analytische Formeln nicht mit ausreichender Zuverlässigkeit definiert werden. Das Fehlen von robuster empirischer und analytischer Dimensionierungsansätze hat dazu geführt, das Projekt anhand einer physikalischen Modellierung zu optimieren. Das Modell wurde in unsere zweite Versuchsrinne eingerichtet, dessen Gefälle bis zu 25% verstellt werden kann.

Die Projektstrecke weist ein durchschnittliches Gefälle von 8%, eine Breite zwischen 10 und 15 m und Abflüsse von 280 m³/s für HQ₁₀₀ auf. Die Projektgeometrie der Maira ist in Massstab 1:30 nachgebildet; die Modellierung basiert auf dem Gesetz der Froude’schen Ähnlichkeit. Insgesamt wurden 4 verschiedene Geometrien analysiert, in denen die Strukturen basierend auf den Ergebnissen der vorherigen Versuche in Bezug auf die beobachteten erosiven Prozesse und Versagenmechanismen schrittweise verbessert wurden.

Die Laborversuche erwiesen sich von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung einer Bauweise, welche die Bewältigung der sich aus den hohen hydraulischen Belastungen ergebenden Kräfte ermöglicht. Das physikalische Modell erlaubte auch die Definition klarer Konstruktionsprinzipien, die eine korrekte Umsetzung der Interventionen in voller Übereinstimmung mit dem dank der Beobachtung der Prozesse im Labor erworbenen Wissen gewährleisten. Die Geometrie des Traversensystems ermöglicht nach einer ersten Analyse, die ökologischen Bedürfnisse in Bezug auf die Fischwanderung zu berücksichtigen.

Im Allgemeinen unterstreichen die an der Maira durchgeführten physikalischen Versuche die hoe Flexibilität und Einsatzbereitschaft unseres Labors. Insbesondere kann die Effizienz von Flussbauprojekten in den vom Kunden angegebenen, manchmal kurzen Zeiten auf robuste und zuverlässige Weise bewertet werden und eine Optimierung der Projekte kann erreicht werden.

PDF herunterladen (in Bearbeitung)

Der Riale di Marolta im Bleniotal ist ein sehr aktiver Wildbach, dessen Einzugsgebiet durch einen sehr hohen Potenzial an erodierbarem Material gekennzeichnet ist. Bei starken und intensiven Regenereignissen wird das Material als Murgang oder als Hochwasser mit starker Geschiebeführung bis in die Mündung in den Talfluss Brenno transportiert. In den letzten Jahrzehnten sind mehrere große Hochwasserereignisse aufgetreten, die sowohl die Ortschaft Traversa als auch die Kantonsstrasse gefährdet haben. Das letzte Ereignis stammt aus dem Juni 2019 und führte an mehreren Stellen auf dem Schuttkegel des Wildbaches zu starken Erosionen der Flusssohle und der Böschungen. Besonders massiv wurde die Strecke stromabwärts der Kantonsstrasse durch die Erosionsprozesse betroffen.
Als Sofortmassnahmen haben sich die Verantwortlichen für die Stabilisierung einer rund 100 m langen Strecke entschieden. Unter den durch das Büro beffa tognacca GmbH bewerteten Varianten, wurde die Stabilisierung mittels „Tetrapoden“ als die beste angesehen. Trotz einer suboptimalen Landschaftseinpassung, bietet diese Lösung im Vergleich zu den klassischen Betonsperren oder zu den Blockrampen eine größere Flexibilität für den Überlastfall. Weiter ermöglicht diese Variante einen optimalen Übergang zwischen Pflasterung und natürlicher Sohle und ist wirtschaftlich günstiger.
Die physikalischen Experimente haben die hohe Flexibilität und die Robustheit des Systems für den Überlastfall hervorgehoben. Mit zunehmenden Abflüssen wird eine fortschreitende Erosion der einzelnen Tetrapoden beobachtet. Die Geometrie der Gruppierungen verändert sich, lässt sich jedoch auch bei hohen Abflüssen noch gut erkennen. Ab dem hundertjährlichen Ereignis beginnen die Gruppen der Tetrapoden allmählich auseinanderzufallen (was mit einer Verringerung der Neigung einhergeht), ohne jedoch zum Kollaps der Strukturen zu kommen. Das System findet ein neues Gleichgewicht, welches sich sukzessive von der ursprünglichen geordneten und gut erkennbaren Anordnung, zu einer spärlichen Anordnung der Tetrapoden bewegt. Die Verteilung der Tetrapoden im Flussbett wird allmählich homogener.
Im Labor wird bei jedem Belastungsschritt beim Erreichen des stationären Zustandes und der morphologischen Ruhe die Sohlentopographie photogrammetrisch hochaufgelöst aufgenommen. Dies ermöglicht die Entwicklung des Flussbettes und die Bewegung der Tetrapoden systematisch zu dokumentieren.Die Dokumentation der physikalischen Versuche an Tetrapoden wurde zwei Studenten der Eidgenössischen technischen Hochschule Lausanne (ETHL) zur Verfügung gestellt. Im Rahmen einer Semesterarbeit (Design Project 2020) beim Departement Umweltingenieurwissenschaften haben die Studenten in Zusammenarbeit mit unserem Labor die Stabilisierung von Wildbäche mit Tetrapoden untersucht.
Dank der durchgeführten physikalischen Versuche konnten die anfänglichen Hypothesen bezüglich des Gesamtverhaltens des Systems bestätigt werden. Die Labortests in Biasca zur Stabilisierung des Flussbettes mit Tetrapoden werden fortsetzen, um den Einfluss von Belegungsdichte der Tetrapoden, Neigung und Beziehung zwischen den Abmessungen der Betonelemente und der mobilen Flusssohle systematisch zu untersuchen. Ziel ist dabei eine empirische Formel für die zuverlässige Dimensionierung dieser Stabilisierungsart zu entwickeln.

PDF herunterladen (in Bearbeitung)