Geotechnische Besonderheiten beim Bau von “Öko-Bermen” auf weichen Flusssedimenten

Einleitung

Viele Stauhaltungsdämme an Flußkraftwerken wurden vor mehreren Jahrzehnten errichtet und müssen inzwischen ertüchtigt sowie aufgrund der verstärkten Anforderungen an die Hochwassersicherheit erhöht werden. Üblicherweise wird zur Dammerhöhung ein Stauhaltungsdamm auf seiner Luftseite verbreitert, was in vielen Fällen einen vergleichsweise hohen Flächenverbrauch und einen Eingriff in den luftseitigen Auwald (häufig FFH-Gebiete) erfordert. Insgesamt hat dies aufwendige Genehmigungsverfahren und vergleichsweise hohe Kosten zur Folge.

Vor diesem Hintergrund wurde unter der Federführung der Lechwerke Wasserkraft GmbH (vormals Bayerische Elektrizitätswerke GmbH, BEW) mit dem von der Europäischen Kommission im Rahmen des LIFE+ Programmes geförderten Projekts INADAR, ein innovativer Ansatz zur ökologischen wasserseitigen Dammertüchtigung untersucht. Die geotechnische Begleitung des Projekts erfolgte durch das Zentrum Geotechnik der Technischen Universität München.

Im Mittelpunkt des Projekts steht die sogenannte „Öko-Berme“, die mit dem Einbau eines zusätzlichen Dichtungselements zur allgemeinen Dammstandsicherheit beiträgt und die Basis für eine wasserseitige Dammerverbreiterung bzw. -erhöhung bietet. Zusätzlich wird durch das Einbringen von Strukturelementen wie Totholz, Buhnen oder Inseln die ökologische Situation in den Uferzonen erheblich verbessert.

Der Bau von Öko-Bermen an Stauhaltungsdämmen eignet sich für alle Flussabschnitte, in denen der Abflussquerschnitt des Gewässers für den Hochwasserschutz keine entscheidende Rolle spielt, wie z. B. im Bereich von Staubecken im Oberwasser von Kraftwerken.

Aus geotechnischer Sicht stellen solche wasserseitigen Dammverbreiterungen eine Besonderheit dar, wenn sie in Verlandungsbereichen der Staubecken auf weichen Flusssedimenten aufgelagert werden sollen. Um für diesen Fall die technische Ausführbarkeit, Standsicherheit und ökologische Wirksamkeit der Bauweise „Öko-Berme“ zu untersuchen, wurde nach positiven Erfahrungen an ersten kleinen Versuchsfeldern (jeweils ca. 20 m im Stauraum der Donau-Staustufe Günzburg) im Rahmen des oben genannten Forschungsprojekts in den Stauräumen der Donau-Staustufen Oberelchingen (Bau Nov. 2016) und Offingen (Bau April 2017) jeweils eine 500 m lange Versuchsstrecke ausgeführt (siehe Abbildung 1 und Abbildung 2).

Abb. 1: Lage der Donau-Staustufen Oberelchingen und Offingen mit Versuchsstrecken zur Erprobung der Bauweise “Öko-Berme”

Abb. 2: Lage der Versuchsstrecke zur Erprobung der Bauweise “Öko-Berme” im Stauraum der Donau-Staustufe Offingen

Aufbau der „Öko-Berme“ und geotechnische Fragestellungen

Die bestehenden Stauhaltungsdämme der Staustufen an der Donau und am Lech (siehe Abbildung 3) besitzen überwiegend eine vergleichsweise moderate Höhe von ca. 2,5 m bis ca. 6 m und sind wasserseitig mit Böschungsbetonplatten (1. Dichtungselement) abgedichtet.

Abb. 3: Beispiel für einen Bestandsdamm

Häufig weisen weite Bereiche der oben genannten Stauräume Verlandungen aus breiigweichen Flusssedimenten auf, die sich im Laufe der vergangenen Jahrzehnte abgelagert haben (siehe Abbildung 4). In Abbildung 4 ist ebenfalls der Aufbau der in den Versuchsstrecken untersuchten Bauweise „Öko-Berme“ (Bentonit-Sand-Matte, Geogitter über Filtervlies, Schotter / Wasserbausteine) auf den breiig-weichen Flusssedimenten dargestellt.

Breiig-weiche Flusssedimente weisen bereits bei vergleichsweise geringen Lasten eine große Zusammendrückbarkeit und eine geringe Scherfestigkeit auf, woraus sich für den Bau der „Öko-Berme“ auf weichen Flusssedimenten die nachfolgend aufgezählten, in Abbildung 5 bis Abbildung 7 erläuterten, geotechnischen Fragestellungen / Herausforderungen ergeben:

Ist die „Öko-Berme“ auf den breiig-weichen Flusssedimenten baubar bzw. reicht die Anfangsstandsicherheit im undränierten Zustand der Flusssedimente aus, um die Schüttungen herstellen zu können?

Kommen die in den breiig-weichen Flusssedimenten zu erwartenden großen Verformungen zur Ruhe oder stellt sich ein unerwünschtes Setzungskriechen ein? (siehe Abbildung 5)

Ist der Querschnitt „Öko-Berme“ auf den breiig-weichen Flusssedimenten dauerhaft standsicher? (siehe Abbildung 6) Ist die Gleitsicherheit des 2. Dichtungselements auf den Böschungsbetonplatten ausreichend und ist das 2. Dichtungselement auch bei großen Verformungen dauerhaft wirksam? (siehe Abbildung 7)

Abb. 4: Ausgangsquerschnitt und Aufbau der “Öko-Berme”

Abb. 5: Geotechnische Herausforderung: große Setzungen / Verformungen in den Flusssedimenten infolge der Last aus der neuen Schüttung (Konsolidationssetzungen und Setzungskriechen)”

Abb. 6: Geotechnische Herausforderung: heikle Standsicherheit (Geländebruch unter der wasserseitigen neuen Schüttung im undränierten Anfangs- und dränierten Endzustand)

Abb. 7: Geotechnische Herausforderung: Lagesicherheit und dauerhafte Dichtwirkung des 2. Dichtungselements auch bei großen Verformungen im Flusssediment, Gleitsicherheit des neuen 2. Dichtungselements auf der Böschungsbetonplatte

Vorbereitende Untersuchungen

Die bodenmechanischen Eigenschaften der breiig-weichen Flusssedimente, als wichtige Grundlage für Verformungs- und Standsicherheitsberechnungen, wurden vorab an den jeweiligen Standorten für die Versuchsstrecken in situ und an entnommenen Bodenproben im bodenmechanischen Labor der TU München untersucht.

Neben klassifizierenden Versuchen (Korngrößenverteilung, Plastizitätsgrenzen, Wassergehalt), Bestimmung der org. Bestandteile und Dichtebestimmungen wurden auch Kompressionsversuche zur Untersuchung des Verformungs- und Kriechverhaltens, Rahmenscherversuche zur Untersuchung der Scherfestigkeit im Endzustand und Versuche zur Untersuchung der Durchlässigkeit sowie in situ Flügelschersondierungen zur Untersuchung der undränierten Scherfestigkeit der Flusssedimente im unkonsolidierten Anfangszustand durchgeführt.

Als weiteren für das System wesentlichen Gesichtspunkt wurde vorab das Kontaktreibungsverhalten zwischen dem eingesetzten Dichtungselement (kombinierte Bentonit-Sand-Matte, Bentofix BZ 13-B der Firma NAUE GmbH & Co. KG) und den Böschungsbetonplatten mittels zahlreicher Schiefe-Ebene-Versuche nach DIN EN ISO 12957-2 untersucht. Solchen Versuchen kommt bei dem hier betrachteten System eine besondere Bedeutung zu, da das Kontaktreibungsverhalten je nach eingesetztem Produkt des Dichtungselements und der Oberfläche der Böschungsbetonplatten stark variieren kann. Da bei der hier angewendeten Bauweise die Dichtungsbahn mit Schottermaterial überschüttet wurde und deshalb ein besonderer Schutz der Dichtungsbahn vor dem groben Schüttmaterial erforderlich war, ist die vorgenannte kombinierte Bentonit-Sand-Matte ausgewählt worden.

Bau der Versuchsstrecken und Einbau der Messeinrichtungen

Für die Herstellung der „Öko-Berme“ wurde in den Staustufen Oberelchingen und Offingen der Stauspiegel um ca. 1 m abgesenkt, so dass die Oberfläche der Flusssedimente sichtbar wurde und die Baumaßnahmen „im Trockenen“ ausgeführt werden konnten. Nach Aushub des ca. 0,5 m tiefen Einbindegrabens für die Bentonit-Sand-Matte und der groben Säuberung der Böschungsbetonplatten wurden die Bentonit-Sand-Matten beginnend von Unterstrom in Richtung Oberstrom mit einer Überlappung von ca. 0,7 m auf die Böschungsbetonplatten aufgelegt. Anschließend wurden der Einbindegraben mit Sediment wiederverfüllt, das geotextile Vlies und das zur Fußstabilisierung der neuen Schüttung erforderliche Geogitter verlegt sowie die erste Schüttlage des Schotters aufgebracht (siehe Abbildung 8).

Zur Untersuchung der unter Ziffer 2 beschriebenen Fragestellungen wurden in den beiden Versuchsstrecken an den Staustufen Oberelchingen und Offingen an zahlreichen Stellen 3 Typen von Messeinrichtungen vorgesehen und im Zuge der Herstellung der „Öko-Berme“ eingebaut.

Abb. 8: Bau der Versuchsstrecken in den Abschnitten ohne Messeinrichtungen

4.1 Messeinrichtung „SP“:

Setzungsmesspegel zur Messung von Setzungen in den Sohlflächen der Schüttungen

Zur Messung der infolge Überschüttung in den Sedimenten auftretenden Setzungen wurden in den Versuchsstrecken an 10 Stellen (Offingen) bzw. an 6 Stellen (Oberelchingen) Setzungsmesspegel eingebaut. Die Setzungsmesspegel waren aus Stahlprofilen gefertigt, die für eine Überschüttung mit Schottermaterial eine ausreichende Stabilität besitzen. Abbildung 9 zeigt die Ausbildung, Lage und Auflagerung eines dieser Setzungsmesspegel. Die Messungen erfolgten ab Schüttbeginn geodätisch durch einen Vermessungsingenieur.

Abb. 9: Einbau von Setzungsmesspegeln zur Messung der Setzungen der neuen Schüttung

Messeinrichtung „MS“: Messstangen zur Messung von Relativverschiebungen zwischen Böschungsbetonplatten und Bentonit-Sand-Matte

Zur Messung der infolge Überschüttung zwischen Böschungsbetonplatten und Bentonit-Sand-Matte auftretenden Relativverschiebungen wurden in den Versuchsstrecken an jeweils 4 Stellen spezielle Messeinrichtungen eingebaut. Diese bestehen aus einer in ein Hüllrohr eingeschobenen glatten Metallstange (Messstange = Metallstange + Hüllrohr) und zwei in den Böschungsbeton eingebohrten Metallstangen (siehe beispielhafte Systemskizzen in Abbildung 10 und Abbildung 11 sowie Fotomontage in Abbildung 12).

Abb. 10: Schemaskizze (Grundriss): Ausbildung und Anordnung der Messeinrichtung zur Messung von Relativverschiebungen zwischen Böschungsbetonplatten und Bentonit-Sand-Matte (Messstangen)

Abb. 11: Schemaskizze (Schnitt in Falllinie): Ausbildung der Messeinrichtung zur Messung von Relativverschiebungen zwischen Böschungsbetonplatten und Bentonit-Sand-Matte

Die Messstangenlängen wurden in der Versuchsstrecke je nach örtlicher Gegebenheit angepasst. Die Nagelplatten waren auf der über der Bentonit-Sand-Matte liegenden Sandmatte verankert. Der unmittelbare Bereich um die Messstangen und die Nagelplatten wurde zum Schutz mit Betonsand Körnung 0/4 mm abgedeckt.

Es wurden die Relativverschiebungen zwischen den an der Stirnseite der Böschungsbetonplatte eingebohrten Metallstangenenden und dem Ende der an den Nagelplatten angeschweißten Metallstange von einem Vermessungsingenieur gemessen (siehe Abbildung 12).

Abb. 12: Einbau von Messstangen zur Messung der Verschiebungen zwischen der Bentonit-Sand-Matte und der Böschungsbetonplatte

Messeinrichtung „SÜ“ bzw. „SM“ zur Sickerwassermessung

Zur Überprüfung der System-Dichtigkeit (Durchsickerung, Hintersickerung) des neu eingebauten 2. Dichtungselements (Bentonit-Sand-Matte) wurden in den Versuchsstrecken an 6 Stellen (Offingen) bzw. an 5 Stellen (Oberelchingen) Messeinrichtungen zur Sickerwassermessung eingebaut. Diese Messeinrichtungen wurden sowohl im Überlappungsbereich zweier Dichtungsbahnen „SÜ“ als auch in der Mitte einer Dichtungsbahn „SM“ angeordnet. Die Messstellen wurden so gelegt, dass im Filtersandbereich möglichst keine hydraulische Verbindung zu einer der meist undichten Betonplattenfugen bestand.

Die Messeinrichtung besteht aus Filtersand / Feinkies mit hydraulischer Verbindung zu 2 Filterrohren, die auf die Böschungsbetonplatten aufgelegt wurden, noch bevor die Dichtungsbahn eingebaut wurde (siehe hierzu Abbildung 13 und Abbildung 14). Zur Dichtigkeitsmessung wird in einem der Filterrohre ein Datenlogger zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs des Sickerwasseranstiegs im Dränsystem installiert. Das zweite Filterrohr dient zum Leerpumpen des Dränsystems als Start für die Messung.

Zur definierten Abgrenzung des Messstellenbereichs war dieser seitlich durch je einen Streifen aus Bentonitpaste zwischen Böschungsbetonplatte und Tondichtungsbahn abgedichtet. Zur Untersuchung, ob eine zusätzliche Abdichtung des unteren Endes der Dichtungsbahn mittels Bentonitpaste eine erhebliche Verbesserung der Dichtwirkung mit sich bringt, wurden 2 Varianten der Messeinrichtung (mit und ohne Bentonitpaste am unteren Rand) ausgeführt.

Abb. 13: Schemaskizze (Grundriss): Ausbildung der Messeinrichtung zur Sickerwassermessung (Dichtigkeitskontrolle) im Überlappungsbereich von zwei Tondichtungsbahnen (Variante „oB“ ohne Bentonitpaste bzw. „mB“ mit Bentonitpaste am unteren Rand der Tondichtungsbahn)

Abb. 14: Schemaskizze (Schnitt höhenlinienparallel): Ausbildung der Messeinrichtung zur Sickerwassermessung (Dichtigkeitskontrolle) im Überlappungsbereich von zwei Tondichtungsbahnen mit seitlicher Abdichtung mittels Bentonitpaste

Die Fotos der Abbildung 15 und Abbildung 16 zeigen den Einbau der Messeinrichtung zur Sickerwassermessung.

Abb. 15: Einbau von Messeinrichtungen zur Messung der Durch- bzw. Hintersickerung der Bentonit-Sand-Matte (2. Dichtungselement) auf den Böschungsbetonplatten

Abb. 16: Einbau von Messeinrichtungen zur Messung der Durch- bzw. Hintersickerung der Bentonit-Sand-Matte (2. Dichtungselement) auf den Böschungsbetonplatten

Nach dem Einbau der Messstellen wurde die Versuchsstrecke fertiggestellt (siehe Abbildung 17).

Abb. 17: Fertigstellung der Versuchsstrecke durch lageweisen Einbau des Schottermaterials

Messergebnisse

In Abbildung 18 bis Abbildung 20 sind beispielhaft die Ergebnisse von Messungen mit den unter Ziffer 4 beschriebenen Messeinrichtungen dargestellt.

In der Versuchsstrecke Offingen (siehe Abbildung 18) mit unter den neuen Schüttungen anstehenden Sedimentdicken von ca. 1,0 m bis ca. 1,3 m sind an den Setzungsmesspegeln „SP“ während der Schüttarbeiten in den Flusssedimenten Sofortsetzungen von ca. 2 cm bis 20 cm gemessen worden.

Im Zuge der Konsolidationssetzungen (Primärsetzungen) haben sich die Setzungen innerhalb von ca. 100 Tagen auf Werte von ca. 3 cm bis ca. 23 cm weiter vergrößert. Die ökologische Ufergestaltung, ca. 100 Tage nach dem Bau der neuen Schüttungen, hat durch weitere Lasten erneut Konsolidationssetzungen in einer Größenordnung von ca. 0,5 cm bis 3,0 cm ausgelöst (siehe Abbildung 18). Unter Einbeziehung von Kriechverformungen sind dann im Laufe der Zeit (letzte Messung bislang nach ca. 510 Tagen) die Setzungen auf ca. 5 cm bis ca. 29 cm angewachsen. Mit erneuten Messungen im Frühjahr 2019 sollen ggf. auftretende Kriechsetzungen genauer ermittelt werden.

Abb. 18: Versuchsstrecke Offingen – mittels 10 Setzungsmesspegeln „SP“ gemessene Setzungen der neuen Schüttungen

Abbildung 19 zeigt die in der Versuchsstrecke Oberelchingen mit 4 Messstangen „MS“ gemessenen Relativverschiebungen in Böschungsfallinie zwischen der Bentonit-Sand-Matte und dem Böschungsbeton. Insgesamt sind Differenzverschiebungen von ca. 3,5 mm bis ca. 11 mm gemessen worden, was für die planmäßige Funktionstüchtigkeit der Dichtungsmatte als unschädlich angesehen wird.

Abb. 19: Versuchsstrecke Oberelchingen – mittels 4 Messstangen „MS“ gemessene Relativverschiebungen zwischen den Böschungsbetonplatten und der Bentonit-Sand-Matte

In Abbildung 20 ist der nach Entleerung der Messeinrichtung zur Dichtigkeitsmessung („SÜ“ bzw. „SM“) gemessene zeitliche Wiederanstieg des Sickerwassers zusammen mit dem Stauwasserspiegel im Stauraum dargestellt (Versuchsstrecke Oberelchingen).

Es zeigt sich, dass die Messstellen ohne untere Randabdichtung (oB) unabhängig davon, ob diese im Überlappungsbereich zweier Dichtungsbahnen oder in der Mitte der Dichtungsbahn liegen, einen signifikant schnelleren Anstieg des Sickerwassers in der Messeinrichtung aufweisen. Bei vorhandener unterer Randabdichtung mit Bentonitpaste (mB) weist der langsame Sickerwasseranstieg von ca. 0,50 m bzw. ca. 0,70 m in ca. 2 Tagen auf eine gute abdichtende Wirkung des auf den Böschungsbetonplatten liegenden 2. Dichtungselements hin.

Abb. 20: Versuchsstrecke Oberelchingen – zeitlicher Wiederanstieg des Sickerwassers in den Messeinrichtungen zur Dichtigkeitsprüfung des 2. Dichtungselements (Bentonit-Sand-Matte) nach Entleerung (SÜ = Messeinrichtung liegt im Überlappungsbereich zweier Dichtungsbahnen, SM = Messeinrichtung liegt in der Mitte einer Dichtungsbahn, kein hydr. Kontakt zum Überlappungsbereich)

Ergebnisse aus Finite-Element-Berechnungen

Um die Ausführbarkeit der „Öko-Berme“ auf breiig-weichen Flusssedimenten auch für Schüttungen einschätzen zu können, die höher und breiter als in den Versuchsstrecken sind, wurden Finite-Element-Berechnungen mit dem Rechenprogramm Plaxis unter Verwendung des Stoffmodells „Soft-Soil“ durchgeführt. Das Berechnungsmodell ist in Abbildung 21 dargestellt.

Abb. 21: Querschnitt der Versuchsstrecke Offingen – Berechnungsmodell für die FEM-Berechnung mit dem Programm Plaxis, Stoffmodell „Soft-Soil“

Die FEM-Berechnungen mit Variation der Breite der neuen Schüttungen zeigen für vergleichsweise schmale Schüttungen (z.B. < 2,0 m) rechnerisch nur in den Flusssedimenten plastifizierte Bodenzonen und auf den Fußbereich der neuen Schüttung begrenzte Verformungen (siehe Abbildung 22 oben).

Für breite Schüttungen (z.B. 3,5 m) werden in den FEM-Berechnungen überproportional größere Verformungen berechnet und die plastifizierten Bodenzonen erfassen bereits bei vergleichsweise kleinen Schütthöhen große Teile der neuen Schüttung. Mit einem Böschungsgrundbruch muss hier gerechnet werden (siehe Abbildung 22 unten).

Abb. 22: Querschnitt der Versuchsstrecke Offingen – Ergebnisse aus FEM-Berechnungen mit Variation der Breite und Höhe der neuen Schüttung

Schlussfolgerungen

Aus den Erfahrungen und Messergebnissen der Versuchsstrecken in den Stauräumen der Donau-Staustufen Oberelchingen und Offingen sowie den Ergebnissen aus FEM-Berechnungen können für den Bau von „Öko-Bermen“ auf breiig weichen Flusssedimenten aktuell folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:

• Die wichtigste Voraussetzung für den Bau von „Öko-Bermen“ auf breiig weichen Flusssedimenten ist die dauerhafte Lagestabilität der Flusssedimente. Erosionen führen unmittelbar zu einer Gefährdung der Lagestabilität.
• „Öko-Bermen“ sind auf weichen / breiigen Flusssedimenten baubar.
• Bislang liegen positive Erfahrungen vor für Sedimentdicken unter den neuen Schüttungen bis ca. 1 m sowie Schüttbreiten von ca. 2,0 m und Schütthöhen bis ca. 2,5 m.
• Für die vorgenannten Geometrien wurde trotz großer Verformungen kein Versagen der neuen Schüttungen beobachtet.
• Für den Fall deutlich größerer Sedimentdicken, größerer Schüttbreiten oder größerer Schütthöhen muss gemäß den bislang durchgeführten Berechnungen damit gerechnet werden, dass infolge großer Verformungen in den breiig-weichen Flusssedimenten unter den neuen Schüttungen ein Böschungsgrundbruch auftritt.
• Das auf den Böschungsbetonplatten (1. Dichtungselement) eingebaute, zusätzliche 2. Dichtungselement (Bentonit-Sand-Matte) ist wirksam, so dass im hier untersuchten Fall der gemäß DIN 19700 Teil 13 vorgesehene Lastfall LF3 „Dichtung defekt“ als äußerst unwahrscheinlich eingestuft werden kann und deshalb der Verzicht auf diesen rechnerischen Nachweis möglich ist.
• Bei ausreichendem Kontaktreibungsverhalten zwischen den Böschungsbetonplatten und den eingesetzten Dichtungsbahnen (muss produktabhängig untersucht werden) bleibt die Dichtigkeit des 2. Dichtungselements auch bei großen Verformungen der neuen Schüttungen erhalten. Eine Abdichtung mit Bentonitpaste am unteren Rand der Dichtungsbahn vermindert wirksam eine Hinterläufigkeit des 2. Dichtungselements.
• Mit den in 2019 weiter geplanten Verformungsmessungen werden zusätzliche Erkenntnisse zu den Langzeitverformungen dieser Bauweise aufgrund von Kriechen in den Flusssedimenten gewonnen. Darüber hinaus besteht diesbezüglich noch ergänzender Forschungsbedarf.