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ELLNER ARTNER

UND

B E R A T E N D E I N G E N I E U R E m b B

INGENIEURBAU · WASSER · INFRASTRUKTUR

Hydraulische Berechnung

für den

Blankentalgrabenbrücke, L1003

in Lengenfeld unterm Stein

ASB-Nr. 4727 501

- Gewässer: Blankentalgraben -

Oktober 2025

Projekt-Nr.: 2k-22-530-0888 Seite 1 EB-Hydraulische_Berechnung_2024-07

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KELLNER UND PARTNER | Beratende Ingenieure mbB | Ingenieurbau · Wasser · Infrastruktur Tel.-Nr.: 036 01/ 41 99-0 Fax: /41 99-10 Hydraulische Berechnung, Blankentalgrabenbrücke in Lengenfeld unterm Stein

Auftraggeber für das hydrologische Gutachten

Thüringer Landesamt für Bau und Verkehr Referat 43 | Region Nord Siemensstraße 12 37327 Leinefelde-Worbis

Auftraggeber für die hydraulischen Berechnungen

Thüringer Landesamt für Bau und Verkehr Referat 43 | Region Nord Siemensstraße 12 37327 Leinefelde-Worbis

Planungsbüro/ Hydrologie/ Hydraulik

KELLNER und PARTNER Beratende Ingenieure mbB Lindenbühl 5 99974 Mühlhausen

Aufgabenstellung und grundlegende Abstimmungen/ Quellenverzeichnis

Ziel der angestellten Betrachtungen ist die Ermittlung eines hydraulisch ausreichenden und wirtschaftlich realisierbaren Brückenquerschnitt mit einem Schutzgrad gegenüber einem Hochwasserereignis mit einer 100-jährlichen Wiederkehrwahrscheinlichkeit (HQ ). Gemäß den 100 a.a.R.d.T. ist ein Freibord von 50 cm gegenüber dem Bemessungshochwassers zu gewährleisten.

Beschreibung der vorhandenen Situation und Grundlagen

5.1. Örtliche Gegebenheiten

Das Betrachtungsgebiet erstreckt sich im Norden fast von Effelder zum Rainberg (516,7müNN) zwischen Effelder und Rodeberg im Nordosten und weiter in südwestlicher Richtung über den Walperbiel im Nordwesten und den Kälberberg im Süden bis zum Bezugspunkt Brücke L1003 am Ostrand von Lengenfeld unterm Stein. Es gehört naturräumlich zum größten Teil zum Werrabergland-Hörselberge, das durch ein ausgeprägtes Relief und abwechslungsreiche Nutzung geprägt ist und nur im äußersten Nordosten zum Hainich-Dün-Hainleite. Es ist zu ca. 53,5 % bewaldet. Höhenmäßig liegt es zwischen 516,7 m.ü.NN an der Wasserscheide (Rainberg) und 269m.ü.NN am Bezugspunkt. Hydrogeologisch ist das Betrachtungsgebiet größtenteils durch Wechsellagerung von Kalksteinen, Dolomiten, Kalkschiefern, Mergeln und Schiefertonen, örtlich Gips, häufig verkarstet mit guter bis stellenweise sehr guter Grundwasserführung geprägt. Entlang des Blankentales steht Lockergesteinsbedeckung an und daran anschließend zu beiden Seiten Sandsteine - Gesteine des mittleren Buntsandsteins mit sehr guter Grundwasserführung und Gesteine des unteren und oberen Buntsandsteins mit nur stellenweise mittelmäßiger Grundwasserführung. Der mittlere Jahresniederschlag beträgt 850 mm.

Projekt-Nr.: 2k-22-530-0888 Seite 2 EB-Hydraulische_Berechnung_2025-03

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Die Berechnungen für den Blankentalgraben erfolgten mit dem Niederschlags-Abfluß-Modell des IWG Karlsruhe. Die Starkniederschlagshöhen wurden mit dem KOSTRA-Atlas des DWD – „KOSTRA 2020“ ermittelt.

5.2 Hydrologische Eingangsdaten

Ort : Lengenfeld unterm Stein

Bezugspunkt : Straßenbrücke L1003 Ostrand Lengenfeld unterm Stein

Einzugsgebiet : Gewässer: Blankentalgraben Vorfluter: Frieda; Werra…

Messtischblatt- Nr. : 4727 Küllstedt

Hochwert : 56.76.780 bzw. UTM Nord 56.74.417

Rechtswert : 43.76.434 bzw. UTM Ost 585.183

Oberirdisches Einzugsgebiet : A = 4,37 km² E

Niedrigwasserbereich : MNQ = 0,0 l/s

Mittelwasserbereich : MQ = 45,0 l/s

Hochwasserbereich: untere Hüllwerte mittlere Hüllwerte obere Hüllwerte (m³/s) (m³/s) (m³/s)

HQ2 = 0,541 0,838 1,19

HQ5 = 0,864 1,39 2,03

HQ10 = 1,18 1,93 2,86

HQ20 = 1,54 2,59 3,88

HQ25 = 1,69 2,85 4,26

HQ50 = 2,18 3,74 5,64

HQ100 = 2,82 4,80 6,99

= Bemessungshochwasser

Projekt-Nr.: 2k-22-530-0888 Seite 3 EB-Hydraulische_Berechnung_2025-03

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Hydraulische Wasserspiegellagenberechnungen

6.1. Berechnungsverfahren und Berechnungsprogramm

Die 1D-Wasserspiegellagenberechnungen wurden mit dem Programm HEC-RAS, Version 6.1.0 der „Hydrologic Engineering Center´s - River Analysis System“ als stationär, eindimensionale Fließge- wässerberechnung/ Wasserspiegellagenberechnung durchgeführt. Die Eingangsdaten, Bemess- ungsdaten und Ergebniswerte können den jeweiligen Berechnungsausdrucken entnommen werden (Anlagen 2.1 bis 2.2). Die Software wird durch das US Army Corps of Engeneers am Institut for Water Recources in Davis/ USA betrieben. Um ein hydraulisches Abflussmodell zu erstellen, werden Geometriedaten (Querprofile) des Gerinnes benötigt. Diese Daten werden manuell eingegeben oder alternativ als Punktdatei importiert. Die Krümmung des Gewässers wird durch das Eingeben von Profilabständen am linken und rechten Rand des Vorlandes, sowie der Mitte des Gerinnes gewährleistet. Brücken, Durchlässe sowie Quer- und Längsbauwerke werden durch die Angaben von Lage, Geometrie und anderer spezifischer Parameter ebenfalls aufgenommen und berechnet. Unterschiedliche Oberflächenrauhigkeiten werden durch verschiedene Rauhigkeitsbeiwerte innerhalb der Querprofile berücksichtigt. Die eigentlichen Abflussbeziehungen basieren auf der Fließformel nach GAUCKLER-MANNING-STRICKLER, allerdings wird der STRICKLERBEIWERT als reziproker Wert (n = 1/kst) eingegeben. Diesen Wert bezeichnet man als MANNINGWERT. Nach der Angabe von weiteren Randbedingungen, wie zum Beispiel der Wasserspiegel im Ober- oder Unterwasser, ist es möglich mehrere Hochwasserbereiche gleichzeitig zu betrachten. Wenn die Berechnung erfolgreich durchgeführt worden ist, können die Ergebnisse in verschiedenen Tabellen, im Längsschnitt, in Querschnitten oder einer dreidimensionalen Ansicht angezeigt bzw. aufbereitet werden.

6.2. Grundlegende Bemessungsansätze

Aus den Daten des hydrologischen Gutachtens werden die Angaben der mittleren Hüllkurve zum Ansatz gebracht. Der Ansatz wird dem realen Gefahrenpotential gerecht. Das Bemessungshochwasser ist ein Abflussereignis mit einer 100-jährlichen Wiederkehrwahr- scheinlichkeit (HQ ). Als Freibordmaß gegenüber der perspektivischen Konstruktionsunterkante 100 des neu zu errichtenden Querbauwerkes wird ein Betrag von 50 cm angestrebt.

Die rechnerischen Nachweisführungen werden gegenüber nachfolgenden Abflusszuständen für den IST- und die PLAN-Zustand erbracht/ geführt: HQ = 4.80 m³/s mittlerer Hüllwert 100 Der Abfluss HQ gilt hierbei, wie beschrieben, als Bemessungsabfluss. 100

Gemäß Aufgabenstellung (siehe Abschnitt 4) ist das Ziel der angestellten Betrachtungen die Ermittlung eines hydraulisch erforderlichen und wirtschaftlichen sinnvollen Durchflussquer- schnitts für ein neues Brückenbauwerk gegenüber dem Abflussereignis HQ = 4,80 m³/s 100 Berechnungshochwasser unter Berücksichtigung eines Freibordbetrags von ≥ 50 cm.

Projekt-Nr.: 2k-22-530-0888 Seite 4 EB-Hydraulische_Berechnung_2025-03

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6.3. Nachweisführungen im IST-Zustand

Für die gegenwärtig bestehende Situation, den IST-Zustand, wurden die Wasserspiegellagen für die Abflüsse HQ berechnet. Die Berechnungsergebnisse liegen unter Anlage 2.1 der 100 Dokumentation bei. Gemäß den vorliegenden Bestandsunterlagen [2] taucht das Bauwerk 44 cm ein. Der bestehende Abflussquerschnitt ist damit aus hydraulischen Gesichtspunkten nicht ausreichend.

6.4. Nachweisführungen im PLAN-Zustand

Bestimmung des optimierten Abflussquerschnittes: Gemäß den angestellten Wasserspiegellagenberechnungen wurden die Nachweise zum PLAN- Zustand für den Abflusszustand (HQ ; analog IST-Zustand) geführt. 100

PLAN-Zustand Für die Berechnung des PLAN-Zustands wurde das vorhandene Bauwerk entnommen. Durch die bestehende Befestigung des Gewässerprofils im Ober- und Unterwasser wurde in diesen Bereichen, sowie am Sohlgefälle im Brückenprofil, keine Anpassungen getroffen. Durch eine minimale Erhöhung der Bauwerksunterkannt von 269.20 mNHN auf 269.40 mNHN ergibt sich ein Freibord von 28cm. Der Ansatz des PLAN-Zustands erfüllt nicht die Anforderung von 50cm Freibord, stellt aber im Gegensatz zum IST-Zustand eine erhebliche Verbesserung dar.

Der Brückenquerschnitt für PLAN-Zustand hat folgende Abmessungen:

Abflussquerschnitt PLAN-Zustand (Ergebnisse der angestellten Betrachtungen)

Gerinnesohle: 268.04 mNHN
Durchflussbreite: 3,00 m
KUK, einlaufseitig: 269.40 mNHN
Durchflusshöhe (Sohle KUK): 1,08 m
Freibord 0,28 m < 0,50 m
Aufstau (vor BBW) 4,0 cm

Skizze Durchflussquerschnitt Bauwerksneubau

Projekt-Nr.: 2k-22-530-0888 Seite 5 EB-Hydraulische_Berechnung_2025-03

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Gestaltung der Gerinnesohle im Bauwerk: Mit dem Erhalt des bestehenden Sohlhöhe wird im PLAN-Zustand ein Längsgefälle von 33,5‰ erreicht.

Betrachtung der ober- und unterwasserseitig anschließenden Gerinnebereiche Die Leistungsfähigkeit des Gewässerabschnittes ist auch maßgeblich bedingt durch die Gerinneprofile der ober- und unterwasserseitig anschließenden Bereiche. Aufgrund der bestehenden Sohlbefestigung, Böschungsbefestigung und Abtreppungen soll der Bestand erhalten werden.

Nachweis der Befestigung der Sohle im Bereich des Bauwerkes

7.1. Vorbemerkungen zur Nachweisführung Sohlschleppspannungen

Die maximale Fließgeschwindigkeit des Blankentalgrabens beträgt im Bereich der Brücke 1,49 m/s, beim HQ = 4,80 m³/s. Die Fließtiefe beträgt ca. 1,08 m. Das Längsgefälle beträgt 33,5‰ 100 (Es wurden die ungünstigsten Werte aus der Tabelle 2.2.1 gewählt)

Der Schleppspannungsnachweis wird für den Hochwasserbemessungsfall HQ (d.h. 100-jähriges 100 Hochwasser = 4,80 m³/s) geführt.

7.2. Berechnung Sohlschubspannung τcr zur Kontrolle

max τo (Sohle) = ρ = 1,0; g = 9,81; h = t = 1,08; I = 33,5 ‰

max τo (Sohle) = ρ x g x h x I

max τ (Sohle) = 1,0 x 9,81 x 1,08 x 0,0335 = 0,355 kN/m² o

max τ (Sohle) = 35,5 N/m² → nach Schneider Bautabelle Geröll Ø 50 mm o

7.3. Nachweis des Steinmaterials (nach Gewässerregelung/Gewässerpflege-Paul Parey)

gewählt: Ø 10 cm

V zul = 6,235 √𝑑𝑠 m

V zul = 6,235 √0,1𝑚 m

V zul = 1,97 m/s > Vvorh. = 1,49 m/s m

7.4. Nachweis des Steinmaterials (Flussbau Bauhaus-Universität Weimar)

erf. ds = 0,04 x v²

erf. ds = 0,04 x 1,49²

erf. ds =~ 0,09 m ≈ gewählt Ø 5-15 cm

Projekt-Nr.: 2k-22-530-0888 Seite 6 EB-Hydraulische_Berechnung_2025-03

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Anmerkung

Aus der Erfahrung heraus hat sich gezeigt, dass es besser ist, den Steindurchmesser etwas größer zu wählen. Da hier der gesamte Graben befestigt ist, wird die komplette Befestigung im Bauwerksbereich entnommen. Empfohlen wird, die Sohle in diesem Bereich mit Wasserbaupflaster (Natursteinen, d=25cm) in Beton versetzt zu sichern. Die Fugen sind zurückgesetzt auszufugen.

Die Befestigung erfolgt nur unter der Brücke. Die Sicherung der Befestigungsenden im Ober- und Unterwasser erfolgt durch Pfahlreihen mit 1,5 m Gründungstiefe bzw. Herdmauern mit 1,0 m Gründungstiefe.

aufgestellt: Oktober 2025

Harald Kellner Dipl.-Ing.

Projekt-Nr.: 2k-22-530-0888 Seite 7 EB-Hydraulische_Berechnung_2025-03

6_Hydraulische Berechnung_L1003.pdf

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