4. Elemente von Entwässerungssystemen

Zusammenfassung von

V03-2 GWA1-Siedlungshydrologie2006-07.pdf

4. Elemente von Entwässerungssystemen

Ziele:

• Bezeichnung und Unterscheidung de Elemente von Entwässerungssystemen
• Aussehen und Konstruktion der Elemente
• Funktion der Elemente
• Anordnung der Elemte

Elemente

1) Grundstücksentwässerung

• behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser
• nicht behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser
• Schmutzwasser

2) Kanalnetz

• Straßenabläufe

Nassablauf (Aufsatz direkt neben Bordstein)
Trockenablauf

• Haltungen

• Sonderbauwerke
  

Absturz-
Kreuzung-
Überlauf-
Auslaufbauwerke

3) Pumpwerke

4) Regenbecken

• Mischsysteme
• Trennsystem

5) Versickerungsanlagen

6) Abwasserreinigungsanlagen /Klärwerke


Leitungen

Abwasserableitung

• geschlossen, selten Gräben
• Freigefälle, selten Druckleitungen

Querschnittsformen/profile

• Kreis

hydraulisch sehr günstig
leicht (kostengünstig) herstellbar
Ablagerungen bei niedriger Wasserführung

• Ei

bei geringen Wassermengen vorteilhaft
große Baugrubentiefe
teuer
Betonfertigteile, Kanalklinker

• Maul

bei geringer Bauhöhe
hydraulisch nicht günstig

• Rechteck

Rohrwerkstoffe und ihre Verteilung DN<> 800

• Steinzeug (langlebiger und beständiger als Beton, aber höhere Investionskosten)
  
• Beton/Stahlbeton
• Faserzement
  
• Kanalklinker /Mauerwerk
  
• Kunststoffrohre
• Guss/Stahl
  
• Sonstige

Kanalführung

• auf kürzestem Wege
• in Richtung des Straßengefälles
• in bebauten Gebieten in jeder Straße
• Haltungslänge möglichst kleiner als 100m
• Gefälle so, dass mögllichst wenig Ablagerungen
• Durchmesserwechsel nur an Schächten
• keine Verengung in Fließrichtung
• Durchmesserwechsel mit sohlen- oder scheitelgleichem Anschluss
• Rückstauebene ist Straßenoberkante

• Abwasserkanäle in Straßenmitte

mögliche Ausnahmen
Hautpverkehrsstraßen
sehr schmale Straßen
einseitig bebaute Straßen
besonders breite Straßen

• frostsichere Lage des Kanals (Frage: wie tief werden die Rohre in Sibirien gelegt ?)

• Abwasserkanal ist tiefste Lage

Wasserversorgungsleitungen über Abwasserkanal
Trennsystem: Schmutzwasserkanal unter Regenwasserkanal

Regelquerschnitt im Mischsystem genau anschauen !

• die Skizze scheint Mindestabstände und -tiefen wiedergeben zu wollen

• symmetrische Anordnung, von einem Grundstück über Bürgersteig (=Gehweg) zur Straßenmitte, dann wieder zum gegenüberliegenden Grundstück
  

• lateral:Vorgarten mit Mauer oder Zaun
  

Hausschlussanleitung DUB 1230 (führt in den Mischwassersammler)

• Bürgersteig:

Elektrizität (0,9)
Gasleitung DIN 2420 (>1m)
Post-, Feuerwehr- u. Polizeikabel (1,35m)
Wasserleitung DIN 2420 (Mindesttiefe 1,5m)

• Straße:

Straßenablauf aus Betonformstücken DIN 4052 (führt in den Mischwassersammler)
Fernheizung (1m)
Hauptgasleitung (1m)
Hauptwasserleitung (1,5m)

• Straßenmitte:

Mischwassersammler DIN 4052 (keine Mindestiefe angegeben, außer, dass er der tiefste Punkt im Kanalsystem sein muss !!!)

• Die Kanalnetzberechnung erfolgt auf der Grundlage verschiedener Arbeitsblätter der "Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall"

• (ATV-DVWK; seit Sommer 2004: DWA)

A110
A111
A112
A118
A128

Maßgebliche Abflussgrößen

Schmutzwasserkanal

• Q(ges) = Q(T,max) + Q(R,Tr)

• Q(T,max) = Spitzentrockenwetterabfluss

• Q(R,Tr) = unvermeidbarer Regenabfluss im Schmutzwasserkanal von Trenngebieten (= 0,2 - 0,7 l/(s*ha)

Regenwasserkanal

• Q(ges) = Q(R)

• Q(R) = Regenwetterabfluss

Mischsystem

• Q(ges) = Q(T,max) + Q(R)

• Der Abfluss lässt sich wegen der Verlegungsgenauigkeiten, Schächten usw. nicht exakt berechnen

• Die Ableitung erfolgt meist im Freispiegelabfluss

• Druckleitungen nur in Sonderfällen

Mengenverhältnisse

• Q(R) : QT = 100 : 1

Fließgeschwindigkeiten

• im Mittel 2Q(S) + Q(F) => v(Mittel) = 1,0 - 2,5 m/s

• Q(T) => v(T) = 0,5 - 0,6 m/s

• bei Q(R) => v(R) = 6.8 m/s

(Vgl. ein Weltklasse-100m-Sprinter => v(max, Mensch) = 10 m/s)


Grundlagen der Rohrhydraulik

Kontinuitätsgleichung: v = Q/A

• v = mittlere Geschwindigkeit in Fließrichtung [m/s]

• Q = Durchfluss [m³/s]

• A = durchflossener Querschnitt [m²]

... jetzt kommt eigentlich das, was ich mir unter einem Ingenieursstudium vorgestellt habe: eine schon leicht komplexe Angelegenheit so besprechen, dass man Grundprinzipien der Physik, Chemie und Biologie ingenieursmäßig umsetzen kann:

Hydraulische Verhältnisse bei Rohrleitungen mit Vollfüllung

• Skizze

• I(s) = I(E)

Gesamtenergiehöhe H(E) teilt sich auf in

• Reibungsverlusthöhe hR

• Geschwindigkeitshöhe v²/2g = const

• Wasserspiegelhöhe Hgeod + P/y

Reibungsverlusthöhe hR entspricht

• Energielinie J=hr/L' [-]

Geschwindigkeitshöhe v²/2g = const entspricht

• Wasserspiegellinie J? = JP

• Drucklinie

Wasserspiegelhöhe Hgeod + P/y entspricht

• Rohrscheitel
• Geschwindigkeit v
• Neigungswinkel
• Rohrsohle Js = tg alpha [-]

Reibungsverluste (nach WEISBACH => Formelsammlung)

• hv = λ * L/D * v²/2g

hv = Energieverlusthöhe
λ = dimensionloser Widerstandsbeiwert
L = Rohrlänge
D = Rohrdurchmesser
v = Fließgeschwindigkeit
g = Erdbeschleunigung

Widerstandsbeiwert (PRANDTL & Colebrook)

• 1/sqr(λ) = -2 * lg [ 2,51/Re*sqr(λ) + 1/3,71 * k/D]

k= hydraulisch wirsame Rauheit der Rohrinnenwandung

• für nicht kreisförmige Profile gelten erweiterte Formeln
• die Ergebnisse können aus Graphiken abgelesen werden.

Betriebliche Rauhheit k(b)

• Pauschalwerte für genormte Rohre

k(b) = 1,5

• Sammelkanäle und -leitungen mit Sonderbauwerken,
• Mauerwerkskanäle,
  
• Ortbetonkanäle,
• Kanäle aus nicht genormten Rohren ohne besonderen Nachweis der Wandrauheit

k(b) = 0,75

• Sammelkanäle und -leitungen mit Schächten (bis DN 1000)
  
• oder mit angeformten Schächten gem. (ATV A 157, für alle DN)
• Transportkanäle mit Sonderschächten bzw. mit angeformten Schächten (für alle DN)

k(b) = 0,5

• Transportkanäle mit Schächten gem. (A157)

k(b) = 0,25

• Druckrohrleitungen
• Drosselstrecken
• Düker und Reliningstrecken ohne Schächte

Frage: nach welchen Anforderungen orientiert sich die Wahl der Rauheit ?


Rohrtabellen

Bsp: betriebliche Rauheit k(b) = 0,75
z.B. für Sammelkanäle

Fragen:

was bedeuten die Promillenangaben ?

was bedeuten die Verhältnisse 1:278 bis 1:250 ?

in welcher Beziehung stehen Q(v)=[l/s] und v(v)=[m/s] ?

Grundsätze / Lastfälle

Berechnung für maximale Wassermengen
Gewährleistung einer minimalen Fließgeschwindigkeit bzw. Schleppkraft
Bemessungsabfluss mit freiem Wasserspiegel, Ausnahmen: Düker, Drosselstrecken, Druckleitungen
Bei stationär gleichförmigem Abfluss können Teilfüllungskurven verwendet werden

Teilfüllungen von Kreisrohren (Diagramm)

Ordinate:

• Teilfüllungsgrad h(teil) / D

Abzisse:

• Q(teil) / Q(voll)
• V(teil) / V(voll)

Vorgehensweise:

• ich berechne / erhalte den Teilfüllungsquotienten

• wandere senkrecht zur blauen Durchflusskurve hoch und ermittle den Teilfüllungsgrad (0-1)

• wandere waagerecht nach rechts zur roten Fließgeschwindigkeitskurve und ermittle somit die Fließgeschwindigkeit

Schächte

erforderlich für

• Be- und Entlüftung der Kanalisation
• Kontrolle und Revision
• Reinigung der Kanäle

Anordnung

• bei Änderung

der Richtung (bei nicht begehbaren Kanälen)
des Querschnitts
des Materials
des Gefälles

• bei Einmündung von weiteren Kanälen

• als Zwischenschacht bei geraden Kanalstrecken je nach Durchmesser alle 50 bis 70 m(DN kleiner 1.200) bzw. alle 70 bis 100m (ab DN 1.200)

Einstiegsschacht (Grundriss)
für Rohrnennweiten kleiner 500mm (DN 500)

• Wände (Beton, Mauerwerk mit Schutzanstrich außen, quadratisch<1m²)

• Schachtring (D>1m)

• Schachthals = Eingang (D=0,625m)

• Glockenmuffe stülpt sich über das nächste Rohr => Dichtung besteht aus Bitumen oder Textil

von oben nach unten (Schnitt A-A und B-B)

• Schmutzfänger / Schachtabdeckung

• Schachthals (Einstieg)

• Schachtringe + Steighilfe

• Anschluss (Rohre) oder Gerinne (Auftritt, Neigung<1:20)

Foto: Stauraumkanal DN 2500 (Handwerker bei Reparaturarbeiten)

Vereinigungsschacht
(für Querschnitte ab DN 600)

• Vereinigung von Kanälen gleicher Größe mit ggf. unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten

• Schacht muss den Strömungsimpuls aufnehmen können (hydraulische Berechnung)

• Rückstau in in Zulaufkanälen soll vermieden werden

• Q1,v1 + Q2,v2 => Q3,v3

• Einstieg im Kreuzungspunkt

wenn rechter Winkel:

• Rechtwinkelige Einmündung eines Kanals mit geringer Nennweite (90°-Verbindung bis ca. DN 500, darüber 45°-Verbindungen)

• Einführungen immer senkrecht zur Schachtwand

• Radius des R des Zulaufkanals > (2-3) * DN

• Q1,v1 + Q2,v2 => Q3,v3

Kurvenbauwerk

• ab DN 600 nur 45°-Winkel

• ab DN 1.200 mit Kurvenradien>15m (Reinigung, Inspektion)

• Q1,v1 => Q1,v1

Regenbecken

Einteilung

• Regenüberlaufbecken (RÜB) im Mischsystem

Speicherraum und Entlastung
ggf. mechanische Mischwasserbehandlung

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• Stauraumkanäle (SK) im Mischsystem

Speicherraum und Entlastung

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• Regenklärbecken (RKB) im Trennsystem

Speicherraum
mechanische Regenwasserbehandlung

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• Filteranlagen (FA) im Misch- und Trennsystem

mechanische Misch- bzw. Regenwasserbehandlung

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Foto 12

• Regenrückhalteräume (RRR) im Misch- und Trennsystem

Speicherraum

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Regenbecken

Gegenüberstellung im Lastfall

• RÜB (Regenüberlaufbecken)

besitzt einen Trockenwetterabfluss und eine Überlaufschwelle

Schmutzwasser kommt an, der größte (?) Teil gelangt in die Vorflut, der kleinere Teil wird zur Kläranlange weitergeleitet

Die Welle gleicht der Aufladungskurve eines Kondensator, wobei die aufsteigende Flanke hier linear bis zu einem folgenden Plateau ansteigt

• RRR (Regenrückhalteraum)

besitzt nur einen Trockenwetterabfluss

alles verschmutzte Regenwasser und ungeklärte Abwasser aus der Mischkanalisation wird, falls der Trockenwetterabfluss überschritten wird, an die Kläranlage weitergeleitet

die Welle sieht aus wie eine Sägezahnspannung

Kreuzungsbauwerke

Kreuzung mit

• Verkehrswegen (Tiefgarage, U-Bahn)
• Gewässer
• Leitungen und Kanäle (Trinkwasser, Abwasser)
• sonstige Versorgungsleitungen (die meisten einfach zu verlegen sind)

Lösungsansätze

Umgehungskanal (Umweg => geringeres Gefälle)
Profiländerung
Sohlhöhe des Kanals bleibt bestehen, Scheitelhöhe wird vermindert bei gleichzeitiger Erweiterung des Querschnitts
Dükerung ("Unterführung")
Pumpwerk mit Druckleitung

Düker

Wir haben einen Fluss oder ein anderes Hindernis

Der Kanal wird nun unterhalb des Flusses verlegt ("Unterführung")

Dükeroberhaupt, Einstiegsschacht und ggf. Verteilbauwerk

Freispiegelkanal ein
1:3 steiler
dadurch entsteht eine Druckleitung !

Dükerunterhaupt, Zusammenführung

Freispiegelkanal aus (tiefer als Einbau !)
1:6 flacher

Querschnitt:

• Die drei Druckrohre werden mit zunehmenden Durchfluss, nach Bedarf durch Überfälle in Betrieb genommen; dies vermindert die Sediment-Bildung

Anzahl der Dükerleitungen, Verteilung des Abwassers

Trennverfahren

eine Leitung für Schmutzwasser
zwei Leitungen für Regenwasser
Aufteilung je nach Wassermeng

Mischverfahren

eine Leitung für Trockenwetterabfluss (kleiner Strang 1)
zwei weitere Leitungen für Mischwasserabfluss (Stränge 2 +3)

Verteilung des Zuflusses durch Überfallschwellen

Sonstiges

"horizontaler" Dükerteil mit leichtem Gefälle in Fließrichtung
Entleerungsschacht mit Pumpensumpf an der tiefsten Stelle
Schieber / Absperrmöglichkeiten am Einlauf jedes Strang

Auslaufbauwerke

• Auslaufbauwerke sind die Auslaufstellen der Kanäle in oberirdische Gewässer

• Die Kanalausmündung soll in Fließrichtung mit einem Winkel von max. 45° geführt werden.

• Die Austrittsgeschwindigkeit ist möglichst gering zu halten, ggf. durch Erweiterung des Mündungsprofils

• Sohle und Böschung des Vorfluters sind gegen Unterspülung zu sichern

(... das erinnert mich ein wenig an den Reisbau in Terassenform in Indonesien ... auf einer Klassenfahrt ist mir aufgefallen, wie sanft sich das Wasser von einer höher gelegenen Trasse zur nächst niedrigeren verteilt ... allerdings müssen die Reisbauern immer wieder diese Erdvorrichtung erneuern ... Setzlinge setzen ... alle wieder umpflanzen ... => sehr anstrengende Arbeit (=Knochenarbeit) ...)

• Vor der Ausmündung des Kanals ist ein Schacht anzubringen

• Die Kanalausmündung ist durch eine Gitterkonstruktion gegen unbefugtes Betreten oder Bekriechen zu sichern

• Schnittskizze: Schacht, Kanal, Rohrglocke, Schutzgitter, Gewässer

• Grundriss

• Foto