Einsatz von Beton für Schutzbauwerke gegen Wildbachgefahren

BETO
Z EMENT
Einsatz von Beton für Schutzbauwerke
gegen Wildbachgefahren
6
DDI Jürgen Suda, Institut für konstruktiven Ingenieurbau,
Department für Bautechnik und Naturgefahren, Universität für Bodenkultur
DI Christoph Skolaut, Forsttechnischer Dienst für Wildbach und Lawinenverbauung,
Sektion Salzburg
o. Univ.-Prof. DI Dr. techn. Dr. phil. Konrad Bergmeister, Institut für konstruktiven Ingenieurbau,
Department für Bautechnik und Naturgefahren, Universität für Bodenkultur
DI Dr. Florian Rudolf-Miklau, Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft,
Umwelt und Wasserwirtschaft, Abteilung IV/5, Wildbach- und Lawinenverbauung
a. o. Univ-Prof. DI Dr. Johannes Hübl, Institut für alpine Naturgefahren,
Department für Bautechnik und Naturgefahren, Universität für Bodenkultur
1 Einleitung
Der Schutz von Siedlungsraum und Infra­
struktur vor Naturgefahren ist eine komplexe Aufgabe. Am besten kann ein optimaler Schutzgrad durch ein integrales
Schutzsystem erreicht werden (Tab. 1).
Dieses System besteht aus passiven
Schutzmaßnahmen (präventive Raumpla­
nung, Gefahrenzonenplanung, Gebäudeschutz, …) und aktiven Schutzmaßnahmen (Bewirtschaftung der Einzugsgebiete,
forstlich-biologische Maßnahmen, technische Schutzmaßnahmen). Wildbachsperren aus Beton sind ein Teil der technischen Schutzmaßnahmen.
Die äußere Form von Wildbachsperren
wird primär von deren Funktionen, 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 (Rückhaltesper­
ren) und zur Dosierung (Dosiersperren)
von Wasser und Geschiebe sowie zum
Tab. 1: Systematik der Schutzmaßnahmen gegen Wildbachgefahren nach ONR 24800; aus [1], S. 93
Permanente Wirkung
Aktive Schutzmaßnahmen
vorbeugende
Wirkung
Ereignisdisposition
beeinflussend
Bewirtschaftung der Einzuggebiete
forstlich-biologische Maßnahmen
ingenieurbiologische Maßnahmen
technische Schutzmaßnahmen
direkt auf den
Prozess einwirkend
technische Schutzmaßnahmen
Reaktion auf das Ereignis
Passive Schutzmaßnahmen
vorbeugende Wirkung
Reaktion auf das Ereignis
Temporäre Wirkung
Sofortmaßnahmen
(im Ereignisfall)
Gefahrenzonenplan
gefahrenangepasste Raumplanung
und Landnutzung
Gebäudeschutz (Objektschutz)
Katastrophenschutzpläne
Information
Warnung
Alarmierung
Sperre
Evakuierung
Katastrophenmanagement
Brechen und Bremsen von Muren (Murbrecher) eingesetzt. In den letzten Jahrzehnten hat sich Stahl­beton als der geeignetste und dauerhafteste Baustoff für
diese Bauwerke herausgestellt.
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 (Schad­
holz) eine wesentliche Rolle.
Bei den Verlagerungsprozessen kommen
zu den in Flüssen bekannten fluviatilen
Verlagerungsarten die murartigen Ver­
lagerungen hinzu. Man unterscheidet
somit die Verlagerungsarten Hochwasser,
fluviatiler Feststofftransport, murartiger
Feststofftransport und Murgang (Tab. 2).
ZEMENT + BETON
7
Tab. 2: Eigenschaften unterschiedlicher Verlagerungsprozesse in einem Wildbach nach ONR 24800; aus [1], S. 107
Verlagerungstyp
Verlagerungsart
Terminus
Prozesstyp
Fließverhalten
Hochwasser
Mure
fluviatil
murartig
Hochwasser
fluviatiler Feststofftransport
Reinwasserabfluss
schwach
murartiger Feststofftransport
Feststofftransport
stark
Murgang
Murgang
newtonisch
newtonisch
annähernd newtonisch
nicht newtonisch
Promillebereich
0 – 20 %
20 – 40 %
> 40 %
mm – cm
– dm
–m
–m
1.000 kg/m³
< 1.300 kg/m³
1.300 – 1.700 kg/m³
>1.700 kg/m³
maßgeblich wirkende Kräfte
Turbulenz, Schleppspannung
Turbulenz, Schleppspannung
Auftrieb, Turbulenz, Schleppspannung, dispersiver Druck
Auftrieb, dispersiver Druck,
viskose und friktionale Kräfte
Verteilung der Feststoffe im
Querschnitt
Feststoffe sohlennah (rollend,
hüpfend, springend) und
Schweb verteilt im Querschnitt
Feststoffe sohlennah (rollend,
hüpfend, springend) und
Schweb verteilt im Querschnitt
Feststoffe und Schweb verteilt
im Querschnitt
Feststoffe verteilt im Querschnitt
Wasser und Schweb
Wasser, Schweb und Geschiebe
Feststoffe und Wasser
Feststoffe (und Wasser)
Vol.-Feststoffkonzentration
(ca. Bereich)
Größtkorn
Dichte (ca. Bereich)
Schaden durch
3 Bautypen von Wildbachsperren
3.1 Allgemein
Wildbachsperren werden quer zur Bach­
achse (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 bau­
lichen 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 (Längs­
bauwerke) und Querbauwerken mit sohlstabilisierender Wirkung besteht (Abb. 1 A).
Ihre Funktion ist die Ableitung 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).
Abb. 1: Beispiele für Bauwerksverbände der Wildbachverbauung: (A) Regulierung; (B) Funktionskette; (C) Staffelung;
aus [1], S. 119
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8
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 eingeteilt
werden.
Abb. 2: 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]
Neben der Leitfunktion lassen sich Wildbachsperren noch nach der Konstruk­
tionsart und dem statischen System unterteilen (Tab. 4).
Der für die Funktion wesentlichste Unterschied in der Konstruktionsart ist, ob die
Sperre Öffnungen besitzt (offene Sperre)
oder nicht (geschlossene Sperre). Die Ein­
teilung der offenen Sperren erfolgt nach
dem Kriterium des Vorhandenseins einer
durchgehenden oder unterbrochenen
Sperrenkrone: Es werden kronengeschlos­
sene und kronenoffene Sperren unterschieden. Neben diesen Bautypen in
Massivbauweise gibt es die Gruppe der
Gittersperren, Netzsperren und Seilsperren (Abb. 2).
Tab. 3: Funktionstypen von Wildbachsperren nach ONR 24800; aus [1], S. 115
Funktionstyp
Beeinflusste Prozesse
Anwendungsbereich
Wirkungsprinzip
Ausmaß der Wirkung
Stabilisierung
Reinwasserabfluss
fluviatiler Feststofftransport
gesamter Wildbach
der Prozesswirkung vorbeugend
volle Wirkung für Bemessungshochwasser,
teilweise Wirkung für Hangstabilität
Konsolidierung
Reinwasserabfluss
fluviatiler Feststofftransport
murartiger Feststofftransport
Murgang
Ober- und Mittellauf
der Prozesswirkung vorbeugend
volle Wirkung für Bemessungshochwasser
ohne Beanspruchung durch vorangegangene
Ereignisse und Hangprozesse
Retention
Reinwasserabfluss
fluviatiler Feststofftransport
(fallweise auch Murgänge)
Mittel- und Unterlauf
direkt auf den Prozess einwirkend
volle Wirkung für Bemessungshochwasser
ohne Beanspruchung durch vorangegangene
Ereignisse
Dosierung
Reinwasserabfluss
fluviatiler Feststofftransport
Mittel- und Unterlauf
direkt auf den Prozess einwirkend
teilweise bis volle Wirkung für Bemessungshochwasser ohne Beanspruchung durch
voran­gegangene Ereignisse
Filterung
fluviatiler Feststofftransport
murartiger Feststofftransport
Murgang
Wildholz
Mittel- und Unterlauf
direkt auf den Prozess einwirkend
teilweise bis volle Wirkung für Bemessungshochwasser ohne Beanspruchung durch
vorangegangene Ereignisse
Energieumwandlung
murartiger Feststofftransport
Murgang
Mittel- und Unterlauf
direkt auf den Prozess einwirkend
teilweise bis volle Wirkung für Bemessungshochwasser ohne Beanspruchung durch
vorangegangene Ereignisse
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Stabilisierung
Konsolidierung
Retention
(Rückhalt)
Dosierung
Filterung
Energieumwandlung
Konsolidierungssperre
Grundschwellen
Sohlgurten
Rampen
Retentionssperre
Dosiersperre
Filtersperre
WasserGeschiebeMurenretentionssperre
WasserGeschiebedosiersperre
GrobgeschiebeWildholzfiltersperre
Murbrecher
Absturzbauwerk
Bremsbauwerk
Vollwandsperre
(Geschlossene Sperre)
einfache Vollwandsperre
mehrfache Vollwandsperre (Kaskadensperre)
Offene Sperre
kronengeschlossene Sperre
kronenoffene Sperre
kleindolige Sperre
großdolige Sperre
Schlitzsperre
Gewichtssperre
Gewölbesperre
(Bogensperre)
Plattensperre
einfache
Plattensperre
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. 5) unter Berücksichtigung der Eignung dienen. In einem
zweiten Schritt kann die Eignung des
statischen Systems (Tragwerkstyp) in
der Konstruktions-Tragwerks-Matrix abgelesen werden (Tab. 6).
Die Funktions-Konstruktions-Matrix (Tab. 5)
zeigt, dass geschlossene Sperren (Vollwandsperren) und Sperren mit kleineren
Öffnungen primär für die Funktionen der
Konsolidierung und Retention eingesetzt
werden. Darin kommt eines der wichtig­s­
ten Planungskriterien für Wildbachsperren zum Ausdruck, die Durchgängigkeit
des Bauwerks für Feststoffe und Wasser:
aufgelöste
Sperre
Gittersperre
Netzsperre
Seilsperre
aufgelöste Tragwerke
Pfeilerplattensperre
Winkelstützmauer
massenaktive Tragwerke
vektoraktive Tragwerke
Grobfilter
Murbrecher
Gittersperre
(biegesteif)
Je größer der Anteil der Öffnungen an der
gesamten Sperrenfläche ist, desto größer
ist die Durchgängigkeit und desto mehr
verschiebt sich die Funktion vom Rückhalt in Richtung Dosierung und Filterung
grober Feststoffkomponenten.
Netzsperre
(biegeweich)
Bei Schlitz­sperren und großdoligen
Sperren tritt durch die rückschreitende
Erosion bei ablaufendem Hochwasser
eine zeitversetzte (Teil-)Entleerung des
Verlandungsraumes nach dem Hochwasser ein.
Tab. 5: Einordnung von Sperrentypen im Zusammenhang mit Funktionstyp und Konstruktionstyp
(Funktions-Konstruktions-Matrix); aus [1], S. 121
(dunkelgrün: ungeeignet, mittelgrün: bedingt geeignet, hellgrün: prinzipiell geeignet)
Konstruktionstyp
Offene Sperre
Geschlossene
Sperre (Vollwandsperre)
Dolensperre
kleindolig
Konsolidierung
Retention
Aufgelöste
Sperre
Gittersperre
Netzsperre
Seilsperre
großdolig
Geschieberetentionssperre
(Wasserretentionssperre)
Geschiebedosiersperre
Filterung
Energieumwandlung
Schlitzsperre
Konsolidierungssperre
Dosierung
Funktionstyp
Statisches System
Konstruktionsart
Leitfunktion
Tab. 4: Grundlegende Klassifikation für Wildbachsperren nach ONR 24800; aus [1], S. 120
(Grob-)Geschiebefiltersperre
Wildholzfiltersperre
Absturzsperre
Murbrecher
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Tab. 6: Einordnung von Sperrentypen im Zusammenhang mit dem statischem System und dem Konstruktionstyp (Konstruktions-Tragwerksmatrix); aus [1], S. 122
Konstruktionstyp
Offene Sperre
Geschlossene Sperre
(Vollwandsperre)
Dolensperre
kleindolig
Gewichtssperre
Schlitzsperre
großdolig
Gittersperre
Netzsperre
Seilsperre
Geschiebedosiersperre
Geschiebefiltersperre
Wildholzfiltersperre
Konsolidierungssperre
Geschieberetentionssperre
Absturzsperre
Gewölbesperren
Statisches System
Aufgelöste
Sperre
Murbrecher
Geschiebedosiersperre
Plattensperren
reine Plattensperren
Pfeilerplattensperren
Konsolidierungssperre
Geschieberetentionssperre
Absturzsperre
Geschiebedosiersperre
Winkelstützmauer
Geschiebefilter
Wildholzfilter
Murbrecher
Aufgelöste Tragwerke
massenaktive Tragwerke
Geschiebefilter
Wildholzfilter
vektoraktive Tragwerke
Geschiebefilter
Wildholzfilter
3.2.1 Stabilisierung und Konsolidierung
(samt den Einhängen) in der vorherrschen­
den Lage zu sichern und gegen Seitenund Tiefenerosion zu schützen. Die Konsolidierung umfasst Maßnahmen, die der
Unterstützung der Hänge oberhalb des
Bauwerks durch eine Hebung der Gerinne­
sohle dienen. Konsolidierungsmaßnahmen
bewirken eine maßgebliche Reduktion des
Sohlgefälles, eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit, die Ausbildung von freien
Überfällen (Abstürzen) und eine Umwand­
lung der Energie des Fließprozesses. Damit
verbunden ist eine Reduktion der Geschie­
betransportkapazität, die entweder zu
einer Verringerung der Erosionsleistung
oder zur temporären Ablagerung (Sedimentation) transportierter Feststoffe führt.
Die Wirkungsweise einer Konsolidierungs­
staffel ist in Abb. 3 dargestellt.
Die Stabilisierung umfasst alle Maßnahmen,
die dazu dienen, die Sohle und die Ufer
Zur Stabilisierung/Konsolidierung können
Sohlgurte, Grundschwellen, Vollwand-
3.2 Beschreibung der Funktionstypen
Von den unterschiedlichen Entwurfsparametern für die Form einer Wildbachsperre
ist die zugeordnete Leitfunktion (Funktions­
typ) der wesentlichste, daher werden die
Bautypen nach Funktionstyp geordnet
vorgestellt. Dabei beschränken sich die
Ausführungen auf Bautypen in Beton/
Stahlbeton-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].
1
Eine natürliche Spülung des Stauraums findet nur in Wildbächen mit hohem Basisabfluss oder hoher Frequenz
kleinerer Hochwasserereignisse in zufrieden stellendem Ausmaß statt.
sperren und Rampen eingesetzt werden.
Hinweise zur Bemessung und Konstruktion von Konsolidierungssperren finden
sich in [1], [5] und [7].
3.2.2 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 künst­
lichen (maschinellen) Räumung oder einer
künstlich eingeleiteten Spülung des Stau­
raums, um die ursprünglich vorhandene
Rückhaltekapazität wiederherzustellen1.
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11
Zur Retention von Hochwasser (Wasserretentionssperre) werden geschlossene
Sperren eingesetzt (Abb. 5). Als Betriebs­
organ 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 ebenso wie 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.
3.2.3 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.
Abb. 3: Abfluss in einer Sperrenstaffelung, aus [1], S. 125
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 werden Feststoffe abgelagert. Das
temporär zurückgehaltene Wasser wird
zeitverzögert in den Unterlauf abgegeben.
Bei Hochwasser abgelagertes Geschiebe
wird dosiert mit der ablaufenden Hochwas­
serwelle 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 Fest-
Abb. 4: 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
Alle Bilder: © Universität für Bodenkultur
Abb. 5: Wasserretention: (A) und (C) Ansicht von der Luftseite; (B) und (D) Ansicht von der Wasserseite mit vorgesetztem Wild holzfliter (senkrechter Rechen)
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Abb. 6: Dosierung und Filterung – (A) Schlitzsperre; (B) Kombinierte Dosier- und Filtersperre
mit Vorsperre; (C) Wildholzfiltersperre; (D) Dosiersperre mit Balken
3.2.4 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 redu­
ziert, die Eigenschaft des transportierten
Mediums verändert und der Verlagerungs­
prozess transformiert. Da es bei einer
Reduktion des Energieniveaus des Prozesses zu einer Ablagerung von Material
kommt, sind diese Bauwerke zumeist mit
einem Rückhalteraum kombiniert.
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.
stoffkomponenten (Wildholz, Blöcke) aus
einem Fließprozess. Dadurch soll ver­hin­
dert werden, dass diese Komponenten
im Unterlauf zur Verklausung oder Blockade des Abflussprofils führen.
Als Dosier- und Filtersperre in Massivbauweise können Schlitzsperren, groß­
dolige Sperren oder aufgelöste Sperren
eingesetzt werden (Abb. 6). 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
finden sich in [1], [4] und [6].
Abb. 7: Dosierung und Filterung: (A) einfache Schlitzsperre mit Balken; (B) Dosiersperre mit Balken; (C) Filterbauwerk (Schrägrechen) vor einer großdoligen Dosiersperre; (D) großdolige Dosiersperre; (E) Wildholzfilter
Abb. 7 B,E,D © Universität für Bodenkultur; A,D: © die.wildbach- und lawinenverbauung
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13
Abb. 8: (A) Wirkungsprinzip eines Murbrechers; (B) Wirkungsprinzip von Absturzsperre
Dabei wird der grobe Teil des Murmaterials
(Murkopf) abgelagert und die Fließge­
schwin­digkeit des restlichen Prozesses
verringert (Abb. 8 A).
Da Murbrecher auf den vollen Murdruck
bemessen werden, ist meistens der Kipp­
nachweis 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 Konsolidierungsstaffeln gebaut. Die Bereiche
zwischen den Bauwerken sind als Retentionsbecken ausgebildet. Die Energieumwandlung findet an den künstlichen Übe­r­
fällen statt (Abb. 8 B und Abb. 9 C, D).
Näheres zur Anwendung und Konstruk­tion
von Absturzbauwerken findet sich in [10].
4 Betontechnologie und konstruktive
Durchbildung in der Praxis der WLV
Stahlbeton hat sich aufgrund der hohen
Beanspruchung der Bauwerke durch die
Wildbachprozesse als dauerhafter Baustoff bewährt. Wesentlich sind die hohe
Widerstandsfähigkeit gegen den Wechsel
von Feuchtigkeit und Trockenheit bei
stark schwankender Wasserführung und
Temperaturextremen in den weitgehend
exponierten Lagen sowie die Widerstands­
fähigkeit gegen den stetigen Abrieb durch
Geschiebe. Als Bewehrungsstahl wird
üblicherweise ein 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
Abb. 9: 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 Absturzbauwerkes (Quelle C, D: [10])
Abb. 9: A, C, D: © die.wildbach- und lawinenverbauung;
B: © Universität für Bodenkultur
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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
Alle Bilder © die.wildbach- und lawinenverbauung
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
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) Angriffs­
arten oder beides möglich. Die Zusam­
men­setzung 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. Weiters gilt
es zu beachten, dass chemische Angriffe
auf Sperrenbauwerke den Hydroabrasivverschleiß verstärken (Komplexbeanspruchung).
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15
4.3 Hydroabrasivverschleiß
4.5 Eingesetzte Konstruktionsbetone
Wildbachsperren sind bei 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 Betondruck­
festigkeit, der Geschiebefracht, der Inten­
sität 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 werden 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 aufgeschweiß­
ten Kopfbolzen im Betonkörper verankert.
Der eingesetzte Konstruktionsbeton muss
den Vorschriften der ÖNORM B 4710-1
unter Berücksichtigung der Anmerkungen
unter 4.1, 4.2 und 4.3 entsprechen. Da
Wildbachsperren in der Regel aus wasser­
beaufschlagten 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. 7 sind gebräuchliche Betonsorten und in Tab. 8 ein gebräuchliches
Betonrezept auf Baustellen der WLV enthalten.
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 Mauerwerk
in den Betonierfugen meist ein Fugenband einzubauen ist, wird die Betondeckung dort mit 10 cm festgelegt.
5 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 öster­
reichweit tätigen Bautrupps der Wildbachund Lawinenverbauung auf diesem Spezialarbeitsgebiet aus.
Nicht immer ist die Lkw-Befahrbarkeit auf
Forststraßen bis zur Baustelle gegeben.
Reichen auch speziell angelegte Baustel­
lenzufahrten nicht aus, erfolgt die Erschlie­
ßung 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 grö ßeren
Bauwerken ausnahmslos mit Turmdreh-
Tab. 7: Eingesetzte Betonsorten auf Baustellen der WLV und Anwendungsbeispiele, Bezeichnungen nach
ÖNORM B4710-1
Betonsorte
Einsatzbeispiele
Abgedeckte Expositionsklassen
C 16/20 XC1
für Grobsteinschlichtungen in Beton
XC1
C 20/25 XC2
für Grobsteinschlichtungen in Beton bei Verwendung
eines Rüttlers
XC2
C 20/25 B1
für Grobsteinschlichtungen in bewehrtem Beton
XC3
C 25/30 B2
Sperren allgemein, Murbrecher, Ufermauern
XC3/XD2/XF1/XA1L/SB (A)
C 25/30 B4
Wasserretentionssperren (Stauhöhe >10 m)
XC4/XD2/XF1/XA1L/SB (A)
Tab. 8: Rezeptur für Ortbeton (C 25/30 B2); W/B Wert = 0,55
Bestandteile
Menge [kg/m³]
Zuschlag: Betonkies 0/22 oder 0/32
1.930
Zement: CEM II B-S 42,5 N (R)
345
Wasser (inkl. Wasser im Zuschlag)
190
Fließmittel
1,1 für F45 und 2,12 für F59
BETO
Z EMENT
16
kränen für das Einbringen der Bewehrung
und das Aufstellen der Schalung gear­
beitet. Ab Betonkubaturen von ca. 300–
400 m³ wird der Beton aus Kostengründen vor Ort in Zwangsmischern hergestellt. In Tab. 8 ist ein häufig verwendetes
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 Seil­
kränen. Geschalt wird dann mit herkömm­
lichen Schaltafeln, die aufgrund der leichteren Manipulierbarkeit den Vorzug gegen­
über Schalsystemen bekommen. Die Ein­
bringung 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.
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 Dauerhaftigkeit wichtig. Die
Nachbehandlung muss so lange 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 – der junge Beton muss
mit Wasser besprengt oder mittels dampf­
dichten 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.
7 Literatur
[1] Bergmeister, K.; Suda, J.; Hübl, J.; Rudolf-Miklau, F.
(2008): Schutzbauwerke gegen Wildbachgefahren.
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Stahlbeton – eine Studie über deren Belastung,
Konstruktion, Berechnung und Bemessung. Wien:
VÖZ
[3] Czerny, F. (1998): Wildbachsperren aus Beton und
Stahlbeton, Sonderheft Zement + Beton. Wien: VÖZ
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Dosier- und Sortierwerkes. In: Wildbach- und Lawinenverbau, Nr. 136, S. 127–131
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(1973): Dimensionierung von Wildbachsperren aus
Beton und Stahlbeton. Bern: Eigenverlag
[6] Fischer, T. (1998): Bautypen des Hochwasserrückhaltes. Wildbach- und Lawinenverbau, Heft 136,
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[8] Hübl, J.; Holzinger, G.; Wehrmann, H. (2003):
Entwicklung von Grundlagen zur Dimensionierung
kronenoffener Bauwerke für die Geschiebebewirtschaftung in Wildbächen: Klassifikation von Wildbachsperren, WLS Report 50 Band 2. Im Auftrag
des BMLFUW VC 7a (unveröffentlicht). Wien: Institut für Alpine Naturgefahren, Universität für Bodenkultur
[9] Hübl, J.; Holzinger, G. (2003): Kleinmaßstäbliche
Modellversuche zur Wirkung von Murbrechern,
WLS Report 50/Band 3, Universität für Bodenkultur
Wien (unveröffentlicht)
[10] Jenni, M.; Reiterer, A. (2002): Bewirtschaftung von
Murbächen durch Absturzbauwerke. In: Wildbachund Lawinenverbau, Nr. 148, S. 11–19
[11] Kettl, W. (1984): Vom Verbauungsziel zur Bautypenentwicklung. Wildbach- und Lawinenverbau,
48. Jg., Sonderheft, S. 61–98
[12] Lichtenhahn, C. (1973): Die Berechnung von Sperren in Beton und Eisenbeton, Kolloquium über Wild­
bachsperren, Mitteilungen der Forstlichen Bundesversuchsanstalt Wien, Heft 102, S. 91–127
[13] ON-institut (Hrsg.) (2008): ENTWURF ONR 24800 –
Schutzbauwerke der Wildbachverbauung – Begriffs­
bestimmungen und Klassifizierungen, voraussichtlicher Erscheinungstermin: Ende 2008
[14] ON-institut (Hrsg.) (2008): VORSCHLAG ONR
24801 – Schutzbauwerke der Wildbachverbauung –
Statische und dynamische Einwirkungen, voraussichtlicher Erscheinungstermin: Ende 2008
[15]ON-institut (Hrsg.) (2008): ENTWURF ONR 24802 –
Schutzbauwerke der Wildbachverbauung – Bemessung und Konstruktive Durchbildung, voraussichtlicher Erscheinungstermin: Ende 2008
[16] ON-institut (Hrsg.) (2008): ONR 24803 – Schutzbauwerke der Wildbachverbauung – Betrieb, Überwachung und Instandhaltung, Ausgabe: 2008-02-01