Einsatz von Beton für Schutzbauwerke gegen Wildbachgefahren

Publiziert in: Zement und Beton 3/2008
Einsatz von Beton für Schutzbauwerke gegen Wildbachgefahren
Jürgen Suda1), Christoph Skolaut2), Konrad Bergmeister1), Florian Rudolf-Miklau3), Johannes Hübl4)
1) Institut für konstruktiven Ingenieurbau, Department für Bautechnik und Naturgefahren, Universität für Bodenkultur
2) Forsttechnischer Dienst für Wildbach und Lawinenverbauung, Sektion Salzburg
3) Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Abteilung IV/5, Wildbach- und Lawinenverbauung
4) Institut für alpine Naturgefahren, Department für Bautechnik und Naturgefahren, Universität für Bodenkultur
1
Einleitung
Der Schutz von Siedlungsraum und Infrastruktur vor Naturgefahren ist eine komplexe Aufgabe. Am
besten kann ein optimaler Schutzgrad durch ein integrales Schutzsystem erreicht werden (Tab.
1.1). Dieses System besteht aus passiven Schutzmaßnahmen (präventive Raumplabnung,
Gefahrenzonenplanung, Gebäudeschutz,…) und aktiven Schutzmaßnahmen (Bewirtschaftung der
Einzugsgebiete,
forstlich
biologische
Maßnahmen,
technische
Schutzmaßnahmen).
Wildbachsperren aus Beton sind ein Teil der technischen Schutzmaßnahmen.
Tab. 1.1:
Systematik der Schutzmaßnahmen gegen Wildbachgefahren nach ONR 24800; aus [1], S.93
Passive
Schutzmaßnahmen
Aktive
Schutzmaßnahme
n
Permanente Wirkung
vorbeugende
Wirkung
Temporäre Wirkung
Ereignisdisposition
beeinflussend
Bewirtschaftung der Einzuggebiete
Forstlich-biologische Maßnahmen
Ingenieurbiologische Maßnahmen
Technische Schutzmaßnahmen
direkt auf den Prozess
einwirkend
Technische Schutzmaßnahmen
Reaktion auf das Ereignis
Gefahrenzonenplan
gefahrenangepasste Raumplanung und
Landnutzung
Gebäudeschutz (Objektschutz)
Katastrophenschutzpläne
vorbeugende Wirkung
Reaktion auf das Ereignis
Sofortmaßnahmen (im
Ereignisfall)
Information
Warnung
Alarmierung
Sperre
Evakuierung
Katastrophenmanagement
Die äußere Form von Wildbachsperren wird primär von deren Funktion, die sie entsprechend des
Schutzzieles
und der
maßgeblichen
Prozesse im
Wildbach erfüllen sollen,
bestimmt.
Geschlossene (öffnungsfreie) Bauwerke werden hauptsächlich als Sperrenstaffelungen für die
Stabilisierung und Konsolidierung der Bachsohle und der umliegenden Hänge eingesetzt. Offene
Bauwerke (Bauwerke mit Öffnungen oder Schlitzen) sind in der Lage komplexere Funktionen zu
erfüllen. Sie werden zum Rückhalt (Rückhaltesperren) und der Dosierung (Dosiersperren) von
Wasser und Geschiebe sowie zum Brechen und Bremsen von Muren (Murbrecher) eingesetzt.
In den letzten Jahrzehnten hat sich Stahlbeton als der geeignetste und dauerhafteste Baustoff für
diese Bauwerke herausgestellt.
Seite 1
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2
Wildbachprozesse
Schutzbauwerke
im
Wildbach
werden
durch
Wildbachprozesse
beansprucht.
Nach
ONR 24800 [13] werden unter dem Begriff „Wildbachprozesse“ Gerinneprozesse, die im Wildbach
ablaufen, zusammengefasst. Diese Prozesse können in die Abtrags- (Mobilisierung), die
Transport- (Verlagerung) und die Ablagerungsprozesse (Sedimentation) eingeteilt werden.
Charakteristisch für Wildbachprozesse sind die kurze Anlaufzeit, die kurze Gesamtdauer und
deren
unmittelbarer
Zusammenhang
mit
vorangehenden
exzessiven
meteorologischen
Ereignissen (Starkregen, Dauerregen). Neben den Feststoffen in Form von Geschiebe spielt in
Wildbächen auch das Wildholz (Schadholz) eine wesentliche Rolle.
Bei
den
Verlagerungsprozessen
kommen
zu
den
in
Flüssen
bekannten
fluviatilen
Verlagerungsarten die murartigen Verlagerungsarten hinzu. Man unterscheidet somit die
Verlagerungsarten Hochwasser, fluviatiler Feststofftransport, murartiger Feststofftransport und
Murgang (Tab. 2.1).
Tab. 2.1:
Eigenschaften unterschiedlicher Verlagerungsprozesse in einem Wildbach nach ONR 24800; aus [1], S.107
Verlagerungstyp
Hochwasser
Mure
fluviatil
murartig
Verlagerungsart
Terminus
Hochwasser
Prozesstyp
Fließverhalten
Vol. Feststoffkonzentration (ca. Bereich)
Größtkorn
Dichte (ca. Bereich)
Reinwasserabfluss
newtonisch
Maßgeblich wirkende
Kräfte
Fluviatiler
Murartiger
Feststofftransport
Feststofftransport
schwach
Feststofftransport
stark
newtonisch
annähernd newtonisch
Murgang
Murgang
nicht newtonisch
Promillebereich
0-20 %
20-40 %
>40%
mm-cm
1000 kg/m³
-dm
<1300 kg/m³
-m
>1700 kg/m³
Turbulenz,
Schleppspannung
Turbulenz,
Schleppspannung
-m
1300-1700 kg/m³
Auftrieb, Turbulenz,
Schleppspannung,
dispersiver Druck
Verteilung der
Feststoffe im
Querschnitt
Feststoffe sohlennah
(rollend, hüpfend,
springend) und
Schweb verteilt im
Querschnitt
Schaden durch
Wasser und Schweb
Feststoffe sohlennah
(rollend, hüpfend,
springend) und
Schweb verteilt im
Querschnitt
Wasser, Schweb und
Geschiebe
3
3.1
Auftrieb, dispersiver Druck,
viskose und friktionale Kräfte
Feststoffe und Schweb
verteilt im Querschnitt
Feststoffe verteilt im
Querschnitt
Feststoffe und Wasser
Feststoffe (und Wasser)
Bautypen von Wildbachsperren
Allgemein
Wildbachsperren werden quer zur Bachachse (Prozessrichtung) angeordnet und zählen somit zu
den Querbauwerken. In der Regel wirken sie als Bauwerksverband auf die Prozesse ein. Diese
Bauwerksverbände stellen eine Kombination von Längs- und Querbauwerken sowie baulichen
Schutzmaßnahmen mit Flächenwirkung dar. Die Bauwerksverbände der Wildbachverbauung kann
man in Regulierungen, Staffelungen und Funktionsketten einteilen (Abb. 1).
Eine Regulierung ist eine geschlossene Verbauung eines Bachlaufes, die aus einer Kombination
von
nicht
unterbrochenen,
beidseitigen
Uferschutzbauwerken
(Längsbauwerke)
und
Querbauwerken mit sohlstabilisierender Wirkung besteht (Abb. 1 A). Ihre Funktion ist die Ableitung
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von Fließprozessen (Hochwasser, Muren), die Stabilisierung des Gerinnes und der Schutz der
Ufer gegen Erosion.
Eine Staffelung (Sperrenstaffel) ist eine Serie von mehreren aufeinander folgenden Sperren oder
Grundschwellen ähnlicher Bauart und Funktion in einem Abstand, der dem geplanten Gefälle der
Bachsohle (Verbauungsgefälle) entspricht (Abb. 1 C). Die Funktionen sind Konsolidierung des
Baches, Geschieberückhalt und Energieumwandlung.
Eine Funktionskette ist eine Serie von mehreren aufeinander folgenden Schutzbauwerken
unterschiedlicher Bauart und Funktion, deren Wirkung in Kombination Schutz vor einem oder
mehreren Wildbachprozessen bietet. (Abb. 1 B)
B
C
A
2
1
2
6
3
4
7
5
1
Murbrecher
2
Staffel aus Konsolidierungssperren
4
Retentionsbecken
6
Ufermauer
3
Absturzbauwerk
5
Dosiersperre
7
Grundschwellen
Abb. 1:
Beispiele für Bauwerksverbände der Wildbachverbauung: (A) Regulierung; (B) Funktionskette; (C)
Staffelung; aus [1], S.119
Mit spezialisierten Schutzbauwerken können Entstehungsprozesse, Verlagerungsprozesse oder
Ablagerungsprozesse beeinflusst werden. Je nach Art der Wirkung von Wildbachsperren auf den
Prozess (Leitfunktion) können die Bauwerke in Funktionstypen nach Tab. 3.1 eingeteilt werden.
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Tab. 3.1:
Funktionstypen von Wildbachsperren nach ONR 24800; aus [1], S.115
Funktionstyp
Beeinflusste Prozesse
Anwendungsbereich
Wirkungsprinzip
Stabilisierung
Reinwasserabfluss
fluviatiler Feststofftransport
gesamter Wildbach
der Prozesswirkung
vorbeugend
Konsolidierung
Reinwasserabfluss
fluviatiler Feststofftransport
murartiger
Feststofftransport
Murgang
Ober- und Mittellauf
der Prozesswirkung
vorbeugend
Retention
Reinwasserabfluss
fluviatiler Feststofftransport
(fallweise auch Murgänge)
Mittel- und Unterlauf
direkt auf den Prozess
einwirkend
Dosierung
Reinwasserabfluss
fluviatiler Feststofftransport
Mittel- und Unterlauf
direkt auf den Prozess
einwirkend
Filterung
fluviatiler Feststofftransport
murartiger
Feststofftransport
Murgang
Wildholz
Mittel- und Unterlauf
direkt auf den Prozess
einwirkend
Energieumwandlung
murartiger
Feststofftransport
Murgang
Mittel- und Unterlauf
direkt auf den Prozess
einwirkend
Ausmaß der Wirkung
volle Wirkung für
Bemessungshochwasser,
teilweise Wirkung für
Hangstabilität
volle Wirkung für
Bemessungshochwasser
ohne Beanspruchung
durch vorangegangene
Ereignisse und
Hangprozesse
volle Wirkung für
Bemessungshochwasser
ohne Beanspruchung
durch vorangegangene
Ereignisse
teilweise bis volle Wirkung
für
Bemessungshochwasser
ohne Beanspruchung
durch vorangegangene
Ereignisse
teilweise bis volle Wirkung
für
Bemessungshochwasser
ohne Beanspruchung
durch vorangegangene
Ereignisse
teilweise bis volle Wirkung
für
Bemessungshochwasser
ohne Beanspruchung
durch vorangegangene
Ereignisse
Neben der Leitfunktion lassen sich Wildbachsperren noch nach der Konstruktionsart und dem
statischen System unterteilen (Tab. 3.2).
statisches
System
Konstruktionsart
Leitfunktion
Tab. 3.2:
Grundlegende Klassifikation für Wildbachsperren nach ONR 24800; aus [1], S.120
Stabilisierung
Konsolidierung
Retention
(Rückhalt)
Konsolidierungssperre
Grundschwellen
Sohlgurten
Rampen
Retentionssperre
WasserGeschiebeMurenretentionssperre
Vollwandsperre
(Geschlossene Sperre)
Einfache Vollwandsperre
Mehrfache Vollwandsperre (Kaskadensperre)
Kronengeschlossene Sperre
Kronenoffene Sperre
Kleindolige Sperre
Großdolige Sperre
Schlitzsperre
Offene Sperre
Dosierung
Filterung
Dosiersperre
Filtersperre
WasserGeschiebedosiersperre
GrobgeschiebeWildholzfiltersperre
Plattensperre
Gewichtssperre
Gewölbeperre
(Bogensperre)
Einfache
Plattensperre
Energieumwandlung
Murbrecher
Absturzbauwerk
Bremsbauwerk
Aufgelöste
Sperre
Gittersperre
Netzsperre
Seilsperre
Aufgelöste Tragwerke
Pfeilerplattensperre
Seite 4
Winkelstützmauer
Massenaktive
Tragwerke
Vektoraktive Tragwerke
Grobfilter
Murbrecher
Gittersperre
(biegesteif)
Netzsperre
(biegeweich)
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Der für die Funktion wesentlichste Unterschied in der Konstruktionsart ist, ob die Sperre Öffnungen
besitzt (offene Sperre) oder nicht (geschlossene Sperre). Die Einteilung der offenen Sperren
erfolgt nach dem Kriterium des Vorhandenseins einer durchgehenden oder unterbrochenen
Sperrenkrone: es werden kronengeschlossene und kronenoffene Sperren unterschieden. Neben
diesen Bautypen in Massivbauweise gibt es die Gruppe der Gittersperren, Netzsperren und
Seilsperren (Abb. 2).
A
B
C
D
E
F
G
H
I
Abb. 2:
J
Beispiele für Typen von Wildbachsperren klassifiziert nach der Konstruktionsart (Ansicht von der Luftseite
der Sperren): (A) Vollwandsperre; (B) kronengeschlossene kleindolige Sperre; (C) kronengeschlossene
großdolige Sperre; (D) kronengeschlossene Sperre mit Schlitzdolen; (E) – (G) Schlitzsperren; (H) Aufgelöste
Sperre; (I) Netzsperre; (J) Gittersperre; nach [8]
Die Form des Bauwerkes muss auf den jeweiligen Einzelfall abgestimmt werden. Grundsätzliche
Aussagen über die Eignung von bestimmten Bautypen sind bei einer Darstellung der
Zusammenhänge
zwischen
Funktionstyp,
Konstruktionstyp
und
statischem
System
der
Sperrenbauwerke möglich. Als Entscheidungshilfe für den Planer bei der Wahl eines geeigneten
Bautyps kann die Einordnung der Sperrentypen in die Funktions-Konstruktions-Matrix (Tab. 3.3)
unter Berücksichtigung der Eignung dienen. In einem zweiten Schritt kann die Eignung des
statischen Systems (Tragwerkstyp) in der Konstruktions-Tragwerks-Matrix abgelesen werden (Tab.
3.4).
Die
Funktions-Konstruktions-Matrix
(Tab.
3.3)
zeigt,
dass
geschlossene
Sperren
(Vollwandsperren) und Sperren mit kleineren Öffnungen primär für die Funktionen der
Konsolidierung und Retention eingesetzt werden. Darin kommt
eines der wichtigsten
Planungskriterien für Wildbachsperren zum Ausdruck, die Durchgängigkeit des Bauwerks für
Feststoffe und Wasser: Je größer der Anteil der Öffnungen an der gesamten Sperrenfläche ist,
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desto größer die Durchgängigkeit und desto mehr verschiebt sich die Funktion vom Rückhalt in
Richtung Dosierung und Filterung grober Feststoffkomponenten. Bei Schlitzsperren und
großdoligen Sperren tritt durch die rückschreitende Erosion bei ablaufendem Hochwasser eine
zeitversetzte (Teil-)Entleerung des Verlandungsraumes nach dem Hochwasser ein.
Tab. 3.3:
Einordnung von Sperrentypen im Zusammenhang mit Funktionstyp und Konstruktionstyp (FunktionsKonstruktions-Matrix); aus [1], S.121
Konstruktionstyp
Offene Sperre
Dolensperre
SchlitzAufgelöste
geschlossene Sperre
(Vollwandsperre)
Funktionstyp
Konsolidierung
Retention
kleindolig
großdolig
Sperre
Gittersperre
Netzsperre
Seilsperre
Konsolidierungssperre
Geschieberetentionssperre
(Wasserretentionssperre)
Dosierung
Geschiebedosiersperre
(Grob-) Geschiebefiltersperre
Wildholzfiltersperre
Filterung
Energieumwandlung
Tab. 3.4:
sperre
Absturzsperre
Murbrecher
Einordnung von Sperrentypen im Zusammenhang mit dem statischem System und dem Konstruktionstyp
(Konstruktions-Tragwerksmatrix); aus [1], S.122
geschlossene
Sperre
(Vollwandsperre)
Konstruktionstyp
Offene Sperre
Dolensperre
SchlitzAufgelöste
kleindolig
großdolig
sperre
Sperre
Gittersperre
Netzsperre
Seilsperre
Geschiebedosiersperre
Statisches System
Gewichtssperre
Geschiebefiltersperre
Wildholzfiltersperre
Konsolidierungssperre
Geschieberetentionssperre
Absturzsperre
Murbrecher
Geschiebedosiersperre
Gewölbesperren
Plattensperren
Reine Plattensperren
Pfeilerplattensperren
Winkelstützmauer
Konsolidierungssperre
Geschieberetentionssperre
Absturzsperre
Geschiebedosiersperre
Geschiebefilter
Wildholzfilter
Murbrecher
Aufgelöste Tragwerke
Geschiebefilter
Wildholzfilter
Massenaktive Tragwerke
Geschiebefilter
Wildholzfilter
Vektoraktive Tragwerke
3.2
Beschreibung der Funktionstypen
Von den unterschiedlichen Entwurfsparametern für die Form einer Wildbachsperre ist die
zugeordnete Leitfunktion (Funktionstyp) der wesentlichste, daher werden die Bautypen nach
Funktionstyp geordnet vorgestellt. Dabei beschränken sich die Ausführungen auf Bautypen in
Massivbauweise. Die Bauwerke müssen sowohl hydraulisch als auch statisch bemessen werden.
Auf diese Punkte wird in diesem Beitrag nicht eingegangen. Ausführungen dazu finden sich in [1]
[14] und [15] bzw. teilweise in älteren Veröffentlichungen wie [2] [3] und [5].
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Publiziert in: Zement und Beton 3/2008
3.2.1
Stabilisierung und Konsolidierung
Die Stabilisierung umfasst alle Maßnahmen, die dazu dienen, die Sohle und die Ufer (samt den
Einhängen) in der vorherrschenden Lage zu sichern und gegen Seiten- und Tiefenerosion zu
schützen. Die Konsolidierung umfasst Maßnahmen, die der Unterstützung der Hänge oberhalb des
Bauwerks durch eine Hebung der Gerinnesohle dienen. Konsolidierungsmaßnahmen bewirken
eine maßgebliche Reduktion des Sohlgefälles, eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit, die
Ausbildung von freien Überfällen (Abstürzen) und eine Umwandlung der Energie des
Fließprozesses. Damit verbunden ist eine Reduktion der Geschiebetransportkapazität, die
entweder zu einer Verringerung der Erosionsleistung oder zur temporären Ablagerung
(Sedimentation) transportierter Feststoffe führt. Die Wirkungsweise einer Konsolidierungsstaffel ist
in Abb. 3 dargestellt.
ursprüngliches Gefälle
2 mittleres Verlandungsgefälle
1
7
3
5
1
Kolk
Energieumwandlung
6
4
2
Horizontalniveau
>IN
3
7
6
5
Iv
LK
Hs
4
3
ϕ
ϕ'
L
4
Wall
5
Sperre oder Grundschwelle
Abb. 3:
6
6
Verlandungsraum
7
Überfall
Abfluss in einer Sperrenstaffelung, aus [1], S.125
Zur Stabilisierung/Konsolidierung können Sohlgurte, Grundschwellen, Vollwandsperren und
Rampen
eingesetzt
werden.
Hinweise
zur
Konsolidierungssperren findet sich in [1] [5] und [7].
Seite 7
Bemessung
und
Konstruktion
von
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Abb. 4:
3.2.2
Stabilisierung/Konsolidierung: (A) Staffel aus Konsolidierungssperren mit Kronen aus Kalkstein; (B)
Konsolidierungssperre mit Konsole und Stahlpanzer; (C) Konsolidierungssperre mit Doppeltrapezprofil in der
Abflusssektion; (D) Konsolidierungssperre mit Niederwasserrinne
Retention
Die Retention umfasst den Rückhalt von Wasser oder Feststoffen. Die Retention (der Rückhalt)
von Wasser dient der Verringerung des Scheitelabflusses. Sie erfolgt durch Rückhaltebecken
(stehende Retention) oder durch Aktivierung von Überflutungsflächen (-räumen) (fließende
Retention). Die Retention von Geschiebe geschieht durch den Stauraum einer Sperre oder eines
Ablagerungsbeckens. Retentiertes Geschiebe bedarf meist einer künstlichen (maschinellen)
Räumung oder einer künstlich eingeleiteten Spülung des Stauraums, um die ursprünglich
vorhandene Rückhaltekapazität wieder herzustellen1.
Zur Retention von Hochwasser (Wasserretentionssperre) werden geschlossene Sperren
eingesetzt (Abb. 5). Als Betriebsorgan dient meistens ein ungesteuerter Durchlass (Grundablass).
In letzter Zeit wurden auch gesteuerte Hochwasserrückhaltebecken errichtet. Hinweise dazu finden
sich beispielsweise in [6]. Zur Geschieberetention werden auch kleindolige Dolensperren
eingesetzt und die unter 3.2.3 vorgestellten Bautypen. Grundsätzlich findet eine Retention von
Feststoffen an allen Bauwerken zur Dosierung und Filterung statt, da sich durch die Unterbrechung
im Fließkontinuum und die dadurch reduzierte Fließgeschwindigkeit Material ablagert.
1
Eine natürliche Spülung des Stauraums findet nur in Wildbächen mit hohem Basisabfluss oder hoher Frequenz
kleinerer Hochwasserereignisse in zufrieden stellendem Ausmaß statt.
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Abb. 5:
3.2.3
Wasserretention: (A) und (C) Ansicht von der Luftseite; (B) und (D) Ansicht von der Wasserseite mit
vorgesetztem Wilholzfliter (senkrechter Rechen)
Dosierung und Filterung
Bautypen, die zur Dosierung und Filterung eingesetzt werden, sind sehr ähnlich, da sich diese
beiden Prozesse schwer voneinander trennen lassen. Bei diesen Bautypen sind in den Öffnungen
oder davor oft Verschlusselemente wie Rechen oder Balken angeordnet.
Bei der Dosierung kommt es durch die Wirkung des Bauwerkes zu einem Rückstaueffekt hinter
dem Bauwerk. Dadurch wird Wasser zurückgehalten und durch die Verringerung der
Fließgeschwindigkeit Feststoffe abgelagert. Das temporär zurückgehaltene Wasser wird
zeitverzögert in den Unterlauf abgegeben. Bei Hochwasser abgelagertes Geschiebe wird dosiert
mit der ablaufenden Hochwasserwelle oder bei Mittelwasser abtransportiert (Spülung). Bauwerke
zur Dosierung weisen in der Regel einen höheren Fließwiderstand als Filterbauwerke auf.
Filterbauwerke besitzen große Öffnungen und erzeugen im Optimalfall wenig Rückstau. Die
Filterung findet an den funktionalen Sperrenteilen wie Rechen oder Balken statt. Das Ziel einer
Filterung ist der selektive Rückhalt von groben Feststoffkomponenten (Wildholz, Blöcke) aus
einem Fließprozess. Dadurch soll verhindert werden, dass diese Komponenten im Unterlauf zur
Verklausung oder Blockade des Abflussprofils führen.
Seite 9
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8
8
1
7
3
7
2
4
5
8
7
6
7
1
Schlitz
2
Großdolen
3
Rechen
5
Scheiben
6
Balken
7
Ablagerung von Material
Abb. 6:
4
8
Schlanke Pfeiler
8
Retentionsbecken
(A) Schlitzsperre; (B) Kombinierte Dosier- und Filtersperre mit Vorsperre; (C) Wildholzfiltersperre; (D)
Dosiersperre mit Balken
Als Dosier- und Filtersperre in Massivbauweise können Schlitzperren, großdolige Sperren oder
aufgelöste Sperren eingesetzt werden. Wenn an großdoligen Sperren eine Filterwirkung erwünscht
ist, z.B. Filterung von Wildholz, wird dieser ein Filterbauwerk (z.B. Schrägrechen) vorgesetzt (Abb.
7 C,D). Die hydraulische Bemessung dieser Bauwerke erfordert praktische Erfahrung und wird
häufig durch Modellversuche unterstützt um die gewünschte Wirkung im Prozess zu erzielen.
Hinweise zur Bemessung und Konstruktion dieser Bauwerke findet sich in [1] [4] und [6].
Seite 10
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Abb. 7:
3.2.4
Dosierung und Filterung: (A) einfache Schlitzsperre mit Balken; (B) Dosiersperre mit Balken; (C)
Filterbauwerk (Schrägrechen) vor einer großdoligen Dosiersperre; (D) großdolige Dosiersperre; (E)
Wildholzfilter
Energieumwandlung
Eine Energieumwandlung umfasst die Reduktion der Energie eines Fließvorganges durch die
Bremswirkung eines Bauwerks (Murbrecher) oder durch Absturz (Absturzbauwerke). Durch diese
Maßnahme wird die Fließgeschwindigkeit reduziert, die Eigenschaft des transportierten Mediums
verändert und der Verlagerungsprozess transformiert. Da es bei einer Reduktion des
Energieniveaus des Prozesses zu einer Ablagerung von Material kommt, sind diese Bauwerke
zumeist mit einem Rüchhalteraum kombiniert.
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Publiziert in: Zement und Beton 3/2008
ho
h
e
M
u
re
kin
et
isc
he
En
e
Abb. 8:
rg
ie
(A) Wirkungsprinzip eines Murbrechers; (B) Wirkungsprinzip von Absturzsperren
Als Murbrecher werden in der Regel aufgelöste Sperren eingesetzt. Die Energieumwandlung findet
durch das geringere Gefälle im Retentionsbecken und beim Auftreffen der Mure auf das Bauwerk
statt.
Dabei
wird
der
grobe
Teil
des
Murmaterials
(Murkopf)
abgelagert
und
die
Fließgeschwindigkeit des restlichen Prozesses verringert (Abb. 8 A).
Da Murbrecher auf den vollen Murdruck bemessen werden ist meistens der Kippnachweis des
gesamten Bauwerkes der entscheidende Nachweis. Zur Sicherstellung einer ausreichenden
Dauerhaftigkeit werden die von Muren beaufschlagten Bauwerksbereiche mit Stahlblechen
(t = 8 bis 20 mm) gepanzert (Abb. 9 A). Näheres zur Bemessung, Anwendung und Konstruktion
von Murbrechern findet sich in [1] [7] [9] und [11].
Murabsturzbauwerke sind ähnlich Konsoliderungsstaffeln gebaut. Die Bereiche zwischen den
Bauwerken sind als Retentionsbecken ausgebildet. Die Energieumwandlung finden an den
künstlichen Überfällen statt (Abb. 8 B und Abb. 9 B). Näheres zur Anwendung und Konstruktion
von Absturzbauwerken findet sich in [10].
Seite 12
Publiziert in: Zement und Beton 3/2008
Abb. 9:
4
Energieumwandlung: (A) Ansicht eines Murbrechers mit gepanzerten Scheiben von der Wasserseite; (B)
Ansicht eines Murbrechers von der Luftseite; (C) Staffel aus Absturzbauwerken; (D) Detailansicht eines
Abstrurzbauwerkes (Quelle C,D: [10])
Betontechnologie und konstruktive Durchbildung in der Praxis der WLV
Stahlbeton
hat
Wildbachprozesse
sich
als
aufgrund
der
dauerhafter
hohen
Beanspruchung
Baustoff
bewährt.
der
Bauwerke
Wesentlich
sind
durch
die
die
hohe
Widerstandsfähigkeit gegen den Wechsel von Feuchtigkeit und Trockenheit bei stark
schwankender Wasserführung und Temperaturextremen in den weitgehend exponierten Lagen
sowie die Widerstandsfähigkeit gegen den stetigen Abrieb durch Geschiebe. Als Bewehrungsstahl
wird üblicherweise ein BSt 500 oder BSt 550 verwendet.
4.1
Expositionsklassen
Für Schutzbauwerke sind in der Regel die Expositionsklassen XC, XF und XM nach
ÖNORM B 4710-1 relevant. In den häufigsten Fällen ist für den Sperrenkörper die Klasse XC3
(Wasserdruckhöhe 2 - 10 m), selten XC4 (Wasserdruckhöhe > 10 m) erforderlich. Für kleinere
Bauwerke (z.B. Grundschwellen, Grobsteinschlichtungen in Beton) kann auch XC2 ausreichend
sein. Als Kriterium für den Frost sollte bei häufig eingestauten Bauwerken von XF3 ausgegangen
werden. In Bächen in denen während der Frostperiode keine Wasserführung bzw. kein Einstau
des Bauwerkes zu erwarten ist, ist XF1 ausreichend. Ist ein Schutzbauwerk im direkten
Einzugsbereich einer Straße errichtet ist zusätzlich die Relevanz der XD-Klassen und XF2 sowie
XF4 zu untersuchen. Diese Klassen können für Ufermauern, die eine Straße stützen und
Seite 13
Publiziert in: Zement und Beton 3/2008
Kombinationsbauwerke (z.B. Sperre – Straßenbrücke) relevant sein. Zur Sicherstellung eines
ausreichenden Widerstandes des Betons und einer ausreichenden Dauerhaftigkeit der Bewehrung
sind die Anforderungen an die Mindestbetondeckung in ÖNORM B 1992-1-1 und die
Betonzusammensetzungen und -eigenschaften nach ÖNORM B 4710-1 einzuhalten.
4.2
Chemischer Angriff
Die Anforderungen an einen chemischen Angriff (Expositionsklassen XA) durch Hang- und
Bachwasser können nicht generalisiert werden. Im Einzelfall sind lösende (L) oder treibende (T)
Angriffsarten oder beides möglich. Die Zusammensetzung des Bachwassers ist von den
geologischen und biologischen Charakteristika des Einzugsgebietes abhängig. Gebirgs- und
Quellwasser ist oft chemisch rein, kann jedoch kalkaggressive Kohlensäure enthalten. Moorwasser
enthält oft kalkaggressive Kohlensäure, Schwefelwasserstoff und Sulfate sowie organische Säuren
(z.B. Huminsäuren). Sulfathältige Oberflächenabflüsse treten in Gebieten mit gipsführenden
geologischen Schichten auf. Huminsäuren sind in Gewässern aus bewaldeten Gebieten mit einem
hohen Grundumsatz an Biomasse (Verrottung) enthalten. Weites gilt es zu beachten, dass
chemische
Angriffe
auf
Sperrenbauwerke
den
Hydroabrasivverschleiß
verstärken
(Komplexbeanspruchung).
4.3
Hydroabrasivverschleiß
Wildbachsperren sind ab einem fluviatilen Feststofftransport durch die im Wasser mitgeführten
Feststoffe einem erhöhten Hydroabrasivverschleiß ausgesetzt. Dieser Verschleiß tritt an allen vom
Bachwasser direkt angeströmten Sperrenteilen auf. Die Abtragsrate eines Betons in einem solchen
Bereich ist abhängig von der Betondruckfestigkeit, der Geschiebefracht, der Intensität der
Geschiebeführung, der Kornzusammensetzung der Feststoffe und der Form des Bauwerkes. In
der Regel ist für betroffene Oberflächen die Expositionsklasse XM3 maßgeblich. Da allerdings
diese Beanspruchung auf wenige Flächen der Sperre beschränkt ist (z.B. Abflusssektion) wird die
erforderliche Betonzusammensetzung nach 4.1 gewählt und die beanspruchten Flächen speziell
konstruktiv geschützt. Die gebräuchlichsten Konstruktiven Maßnahmen sind Kronsteine und
Panzerbleche. Dabei wird die überströmte Bauwerkskrone durch hochabriebfeste Kronensteine
(Granit, Porphyr, Basalt, harte Kalksteine) oder durch Stahlblech mit Dicken zwischen 8 und
20 mm geschützt (Abb. 4, A,B,C). Die Stahlbleche werden mit aufgeschweißten Kopfbolzen im
Betonkörper verankert.
4.4
Betondeckung
Die Betondeckung ist in Abhängigkeit der Expositionsklassen nach ÖNORM B 4710-1, festzulegen
sollte aber in keinem Querschnitt weniger als 3,5 cm betragen. In der Praxis werden für
Sperrenbauwerke generell Betondeckungen über 5,5 cm verwendet. Dies ist nicht zuletzt durch die
Vorgabe bei Betoneinbau unter Wasser oder gegen nur grob maßhaltige Flächen wie z.B. Erdreich
oder Fels von 7 cm ± 3 cm bedingt. Da im Fundamentbereich und im unteren aufgehenden
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Publiziert in: Zement und Beton 3/2008
Mauerwerk in den Betonierfugen meist ein Fugenband einzubauen ist, wird die Betondeckung dort
mit 10 cm festgelegt.
4.5
Eingesetzte Konstruktionsbetone
Der eingesetzte Konstruktionsbeton muss den Vorschriften der ÖNORM B 4710-1 entsprechen
unter Berücksichtigung der Anmerkungen unter 4.1, 4.2 und 4.3. Da Wildbachsperren in der Regel
aus wasserbeaufschlagten Bauteilen bestehen ist eine Mindestbetongüte von C 25/30 einzuhalten.
Für massige Bauteile ab einer Bauteildicke von 1,5 m darf maximal ein Beton der Güte C 30/37
verwendet werden. In Tab. 4.1 sind gebräuchliche Betonsorten und in Tab. 4.2 ein gebräuchliches
Betonrezept auf Baustellen der WLV enthalten.
Tab. 4.1:
Eingesetzte Betonsorten auf Baustellen der WLV und Anwendungsbeispiele, Bezeichnungen nach
ÖNORM B4710-1
Betonsorte
Einsatzbeispiele
C 16/20 XC1
C 20/25 XC2
für Grobsteinschlichtungen in Beton
für Grobsteinschlichtungen in Beton bei
Verwendung eines Rüttlers
für Grobsteinschlichtungen in bewehrtem Beton
Sperren allgemein, Murbrecher, Ufermauern
Wasserretentionssperren (Stauhöhe>10 m)
C 20/25 B1
C 25/30 B2
C 25/30 B4
Tab. 4.2:
XC3
XC3/XD2/XF1/XA1L/SB (A)
XC4/XD2/XF1/XA1L/SB (A)
Rezeptur für Ortbeton (C 25/30 B2); W/B Wert = 0,55
Bestandteile
Zuschlag: Betonkies 0/22 oder 0/32
Zement: CEM II B-S 42,5 N (R)
Wasser (inkl. Wasser im Zuschlag)
Fließmittel
5
abgedeckte
Expositionsklassen
XC1
XC2
Menge [kg/m³]
1930
345
190
1,1 für F45 und 2,12 für F59
Bauausführung in der Praxis der WLV
Schutzmaßnahmen in Wildbacheinzugsgebieten müssen abgestimmt auf die ablaufenden
Prozesse im Bachlauf errichtet werden. Dies sieht vielfach die Errichtung von aufwändigen
Bauwerken in schwer erreichbaren Lagen vor. Die Baustellenorganisation und –abwicklung hat
individuell darauf Rücksicht zu nehmen. Langjährige Erfahrung zeichnet dabei die österreichweit
tätigen Bautrupps der Wildbach- und Lawinenverbauung in diesem Spezialarbeitsgebiet aus.
Nicht immer ist die LKW-Befahrbarkeit auf Forststrassen bis zur Baustelle gegeben. Reichen auch
speziell angelegte Baustellenzufahrten nicht aus, erfolgt die Erschließung mittels Kurz- oder
Langstreckenseilkränen vom Lagerplatz aus.
Die Erschließung prägt wesentlich den Einsatz von Maschinen und Geräten für den Einbau von
Beton. Auf gut erschlossenen Baustellen wird bei größeren Bauwerken ausnahmslos mit
Turmdrehkränen für das Einbringen der Bewehrung und das Aufstellen der Schalung gearbeitet.
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Publiziert in: Zement und Beton 3/2008
Ab Betonkubaturen von ca. 300 – 400 m³ wird der Beton aus Kostengründen vor Ort in
Zwangsmischern hergestellt. In Tab. 4.2 ist ein häufig verwendetets Betonrezept angegeben. Bei
großen Betonierabschnitten wie z.B. im Fundamentbereich wird zusätzlich Transportbeton
verarbeitet. Seit dem letzten Jahrzehnt werden zur Einbringung des vor Ort gemischten Betons
fast ausschließlich Betonpumpen verwendet. Die Einbringung mit Betonkübeln durch Kräne
(Turmdrehkran oder Seilkran) war aufgrund der langen Rotationszeiten zu kostenintensiv.
Bei schlecht erschlossenen Baustellen erfolgt die Materialzulieferung mittels Seilkränen. Geschalt
wird dann mit herkömmlichen Schaltafeln, die aufgrund der leichteren Manipulierbarkeit den
Vorzug gegenüber Schalsystemen bekommen. Die Einbringung des Betons erfolgt heute nahezu
ausschließlich über Pumpleitungen. Diese führen gesichert vom Lagerplatz durch unwegiges
Gelände zum Einbauort. Nur bei geringen Betonmengen erfolgt in einzelnen Fällen, speziell bei
Sanierungen von älteren Schutzbauwerken, der Einbau mittels Betonkübel und Hubschrauber.
Dabei können je nach Länge der Seilbahn und des verwendeten Betonkübels (0,5 m³ oder
0,75 m³) Betonmengen von 2 bis 4 m³ pro Stunde gefördert werden.
Abb. 10:
Unterschiedlicher Geräteeinsatz und hohe Flexibilität bei der Arbeitsorganisation auf Baustellen der
Wildbach- und Lawinenverbauung:, (A) Mandlingbach; (B) Angerbach; (C) Bramberger Mühlbach; (D)
Schwarzaubach
Da Schutzbauwerke in der Regel aus massigen Betonbauteilen bestehen, die im Betriebszustand
Extremeinwirkungen ausgesetzt sind, ist die Nachbehandlung des Frischbetons besonders wichtig.
Sie ist nicht nur für die Tragfähigkeit, sondern insbesondere für die Gebrauchstauglichkeit und die
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Dauerhaftigkeit wichtig. Die Nachbehandlung muss solange erfolgen, bis die Betondruckfestigkeit
des
oberflächennahen
Betons
50 %
des
charakteristischen
Wertes
der
verwendeten
Festigkeitsklasse erreicht hat. Vor allem dem Schutz vor Wasserverlust kommt große Bedeutung
zu, es muß der junge Beton mit Wasser besprengt oder mittels dampfdichten Folien abgedeckt
werden. Wird die Nachbehandlung nur unzureichend durchgeführt, entstehen Risse infolge von
Frühschwinden und Verformungen bei einseitigem Wasserverlust oder Temperaturdifferenzen.
6
Zusammenfassung
Die Form von Wildbachsperren hängt wesentlich vom notwendigen Funktionstyp ab. Beton hat
sich aufgrund der hohen Widerstandsfähigkeit gegen die Beanspruchung durch Wildbachprozesse
als optimaler Baustoff bewährt. Bei der Berücksichtigung der derzeitigen normativen Vorgaben und
zusätzlicher
konstruktiver
Maßnahmen
zur
Erhöhung
der
Dauerhaftigkeit
und
einer
entsprechenden Bauwerksüberwachung und Erhaltung [16] kann aus heutiger Sicht bei
Schutzbauwerken aus Beton von einer Lebensdauer von 100 Jahren und mehr ausgegangen
werden.
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Publiziert in: Zement und Beton 3/2008
Autoren:
DDI Jürgen Suda
Universität für Bodenkultur Wien
Department für Bautechnik und Naturgefahren
Institut für Konstruktiven Ingenieurbau
Peter Jordan Straße 82
A-1190 Wien
Tel: (+43 1) 47654 - 5256
Fax: (+43 1) 47654 - 5299
mail: [email protected]
Homepage: http://www.baunat.boku.ac.at/486.html
DI Christoph Skolaut
Forsttechnischer Dienst für Wildbach und Lawinenverbauung,
Sektion Salzburg
Bergheimerstraße 57
Salzburg
Tel.: (+43 1) 662-878153
Fax: (+43 1) 662-870215
mail: [email protected]
O.Univ.Prof. DI Dr.techn. Dr.phil. Konrad Bergmeister
Universität für Bodenkultur Wien
Department für Bautechnik und Naturgefahren
Institut für Konstruktiven Ingenieurbau
Peter Jordan Straße 82
A-1190 Wien
Tel: (+43 1) 47654 - 5250
Fax: (+43 1) 47654 - 5299
mail: [email protected]
Homepage: http://www.baunat.boku.ac.at/486.html
DI Dr. Florian Rudolf-Miklau
Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft,
Abteilung IV/5, Wildbach- und Lawinenverbauung
1030 Wien, Marxergasse 2
Tel.: (+43 1) 71 100 - 7333
Fax: (+43 1) 71 100- 7399
mail: [email protected]
Homepage : http://www.lebensministerium.at
a.o. Univ. Prof. DI Dr. Johannes Hübl
Universität für Bodenkultur Wien
Department für Bautechnik und Naturgefahren
Institut für alpine Naturgefahren
Peter Jordan Straße 82
A-1190 Wien
Tel: (+43 1) 47654 - 4352
Fax: (+43 1) 47654 - 5290
mail: [email protected]
Homepage: http://www.alpine-naturgefahren.at
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