Staudämme Flashcards
Vor- und Nachteile von Staudämmen
Vorteile
- Verwendung von Locker- und Festgesteinen
- Verwendung von lokal vorhandenem Baumaterial
- wenig Fremdstoffe (Zement, Bitumen)
- Unempfindlichkeit gegenüber Erdbeben und Setzungen
- können auch bei schlechtem Untergrund eingesetzt werden
- einfache Anpassung an lokale geologische und topographische Gegebenheiten
- kann nachträglich relativ einfach und sicher erhöht werden
- geringe Kosten im Vergleich zu Betonbauwerken
- 85% aller Sperrwerke sind Dämme (Erfahrung!)
- Ästhetik (passen besser ins Landschaftsbild; Begrünung auf der Außenseite ist möglich!)
- schleichendes Versagen! (Ankündigung durch Durchsickerung und
Dammbewegungen, Katastrophenschutzmaßnahmen sind möglich!)
Vor- und Nachteile von Staudämmen
Nachteile
- Große Massen (viel Baumaterial)
- hohe Sorgfalt bei der Auswahl und Einbringung der Dammbaustoffe
- Erosionsempfindlichkeit bei Überströmung
- Aufwändige Überwachung
Staudämme sind zu konstruieren und zu bemessen nach
- Art und Menge der verfügbaren Staudammbaustoffe
- Beschaffenheit des Untergrunds
- morphologischen Gegebenheiten
- Geschwindigkeiten von Wasserspiegelschwankungen
- klimatischen und seismischen Gegebenheiten
- boden- und felsmechanischen Kennwerten
- hydrodynamischen Erfordernissen
Anforderungen an Dammbaustoffe
- Verwendung von Locker- und Festgesteinen
- keine organischen Bestandteile
- witterungsbeständiges Material
- Böschungsneigungen = f(Baumaterial)
- hohe Scherfestigkeit
- hohe Verformbarkeit
- gute Verdichtbarkeit
- hohe Tragfähigkeit
- geringe Wasserdurchlässigkeit
- hohe Filterbeständigkeit
- geringe Frostveränderlichkeit
- gute Befahrbarkeit
Erddämme
Material: Lockergesteine (Ton, Sand, Schluff, Kies) Scherfestigkeit: phi <= 35° c ≥ 0 KN/m2 Verformbarkeit: E <= 50 MN/m2 Durchlässigkeit: k = 10-3 bis 10-12 m/s
Steindämme
Material: gebrochenes Felsgestein (Kieskorn, Gesteine, Geröll) Scherfestigkeit: phi > 35° c 0 KN/m2 Verformbarkeit: E ≥ 100 MN/m2 Durchlässigkeit: k ≥ 10 m/s
Aus dem verwendeten Schüttmaterial ergeben sich auch die maximalen Einbauhöhen
Steine : 1,0 m
Kies : 0,6 m
Sand : 0,4 m
Schluff, Ton : 0,2 m bis 0,3 m
Böschungsneigung
- begehbare Dämme mit Außendichtung: 1:n = 1:1,5
- bei Begrünung: flacher als 1:n = 1:1,5 bis 1,75
- Felsschüttdämme in trockenen Gebieten können auch 1:n = 1:1,3 oder steiler sein
Dichtungen
Außendichtung
Bei den Dämmen mit
Außendichtung wirkt der
gesamte Dammkörper als
Stützkörper.
Dichtungen
Innendichtung
Bei Dämmen mit
Innendichtung wirkt nur der
luftseitig liegende Teil des
Dammes als Stützkörper.
Dichtungen
Künstliche
Dichtung
Asphaltbeton Tonbeton Dichtwandmassen Beton Stahlbeton Stahl Kunststoffdichtungsbahnen Bituminöse Stoffe
Dichtungen
Natürliche
Dichtung
Erdstoffe Fels Kies Geröll Steine
Künstliche
Dichtung
Stahlbetonaußenböschungen
bestehen aus 20 cm bis 30 cm dicken Platten, die den
Bewegungen des Dammes folgen müssen (Fugen!). Da insbesondere bei starken
Temperaturschwankungen zahlreiche Fugen erforderlich sind, haben sich
Außendichtungen aus Asphaltbeton durchgesetzt. Asphaltbetonböschungen bestehen aus
mehreren 4 bis 10 cm dicken Lagen Asphaltbeton, die in einzelnen Bahnen aufgebracht
werden, um durchgehende Fugen zu vermeiden.
Künstliche
Dichtung
Lockergesteine
als Dichtungsmaterialien wie z.B. Lehm und Ton müssen folgende
Eigenschaften aufweisen, wenn sie als Dichtung verwendet werden sollen:
- dicht
- erosionsfest
- verformbar
Ist ausreichend Material verfügbar, kann der Damm als homogener Damm ausgeführt
werden. Ist nicht ausreichend Material verfügbar, so wir das Dichtungsmaterial für den
Dichtungskern bzw. als wasserseitig schrägliegender Dichtungsteil ausgeführt.
Aufbau von Steinschüttdämmen
Ohne Skizzen
‧ Lehmkerndichtung
‧ Lehmkerndichtung mit schrägem Kern
‧ Asphaltbetonoberflächendichtung
‧ Asphaltbetonkerndichtung
Aufbau von Erddämmen
Ohne Skizzen
‧ Homogener Damm mit Drainageprisma
‧ Homogener Damm mit Kaminfilter
‧ Zonendamm mit Lehmkerndichtung
‧ Erd- oder Steinschüttdamm mit Lehmkerndichtung
Drainagen Aufgabe
Das eindringende Wasser abzuführen
Homogene Dämme
Skizze
Bei homogenen Dämmen besteht der ganze Dammkörper aus einem wenig
durchlässigen Schüttmaterial (kf 10-6 m/s). Homogene Dämme werden
überwiegend für kleine Dammhöhen < 20m eingesetzt. Der luftseitige Dammfuß
ist gegen Wasseraustritt durch einen Dränagekeil oder eine Auflast zu sichern.
Eine Alternative stellt der Einsatz eines Kaminfilters dar.
Kaminfilter, kann sich zu setzen
=> weniger zu empfehlen
Zonendämme
Skizze
Zonendämme bestehen aus zwei oder mehreren Zonen mit unterschiedlichen
Materialeigenschaften. Der Dammkern im Inneren übernimmt die
Dichtungsfunktion. Das Kernmaterial sollte eine Durchlässigkeit von kf
< 10-7 m/s
besitzen. Aufgrund der unterschiedlichen Durchlässigkeiten zwischen Kern- und
Stützkörpermaterial sind Übergangszonen zur Erfüllung der Filterstabilität zu
schaffen. Diese Übergangszonen sollen außerdem Steifigkeitsunterschiede
zwischen Kern (ES 5 MPa) und Stützkörper (ES 100 MPa) ausgleichen.
‧ weniger Durchlässig
Zonendämme
Eigenschaften
‧ Elastizität
‧ Reibungswinkel
‧ Durchlässigkeit
Kontaktzone zwischen
Tragkörper und Dichtungskörper
Zwischenschicht
• Vermeidung Materialtransport und Setzungen zwischen Zonen eines Zonendamms
Wirkung
• Übergangsschicht
• Filterschicht
• Dränageschicht
Hydraulische Wirksamkeit von
Dichtungen
Dichtungen reduzieren die Strömungsbelastung im Deichkörper und erhöhen
damit die Sicherheit gegen Erosion, Suffosion und die Standsicherheit!
Dichtungen
‧ Stationäre Sickerlinie
‧ Instationäre Sickerlinie
Konsequenzen eines Versagens
Breschenbildung resultiert in Flutwelle
Schadensgebiet
‧ Flutwellenausbreitung
‧ Überschwemmung
Versagensmechanismen
- ) Piping
- ) Böschungsinstabilität
- ) Überströmung
- ) Rutschungen
Piping
‧ Wasser beginnt durch den Körper durchzuströmen ‧ Umlagerung von Materialien ‧ Feinkorniges Material wird ausgespült ‧ Erosionsrinnen ‧ Versagen des Bauwerks -> Kappensturz
Böschungsinstabilität
‧ Hangneigung zu Groß
‧ Bauwerk rutscht in Richtung Außenböschung
Hydraulischer Grundbruch
Video
Grundwasserströmung
Darcy-Gesetz für laminare Strömungen im Boden
vf = kf * I
vf = Filtergeschwindigkeit [m/s] kf = Durchlässsigkeitskoeffizient kf I = Hydraulischer Gradient [-] = Δh/ΔL
Bestimmung der Durchlässigkeit =
Permeameter
+ Video
Bestimmung von kf durch Messung von:
• Q ( V und t)
• Δh
Konstant bleiben: ΔL and A
Windwellen
Mögliches Überlaufen der Krone
- Versagen der Innenböschung
Nachweis der Filterstabilität
Häufig wird der Nachweis der Filterstabilität nach Terzaghi angesetzt:
- geometrische Sperrbedingung: D15/d85 < 4 (Sicherheit gegen Kontakterosion)
- Gewährleistung des Durchflusses: D15/d15 > 4
- Kornverteilung der feineren Schicht (d) muss parallel zur Kornverteilung der
gröberen Schicht (D) verlaufen.
Filterregel von Terzaghi
Sicherheit gegen Erosion
𝐷14
𝑑85
< 4
Durchlässigkeitsregel
𝐷15
𝑑15
> 4
Filterregel von Terzaghi
Vermeidung
‧ innere Suffosion ‧ äußere Erosion ‧ äußere Suffosion ‧ innere Erosion ‧ Kontaktsuffosion ‧ Kontakterosion
Kontrollgang
Definition
Ein Kontrollgang empfiehlt sich bei einer Gründung auf Fels. Allerdings wirkt er
bauzeitverlängernd. Vorteile von Kontrollgängen sind:
- Anzeige von Leakagewasser und wirksame Kontrolle des Dichtungselements
- Kontrolle des Druckabbaus im Kern und im Bereich der Untergrundabdichtung durch
Einsatz von Piezometern
- eventuell mögliche Nachinjektionen können vom Kontrollgang problemlos
ausgeführt werden, wenn eine unzureichende Untergrundabdichtung vorliegt.
- ggf. Überprüfung von Verformungen
Kontrollgang
Vorteil
Verbindung von Dichtungselement und Untergrundabdichtung Beschleunigung des Bauablaufes durch Entkopplung von UntergrundAbdichtung und Dammschüttung Sickerwasserableitung, Zugänglichkeit zur Messtechnik, Deformationsmessung
Kontrollgang
Nachteile
Kosten, Aufwand Schädigung des Felsgefüges durch die Sprengarbeiten bei der Herstellung Potentielle Schwachstelle für hohe Gradienten und Sickerwegverkürzungen Spannungsumlagerungen im Nahbereich des Betonbauwerks Potentielle Schwachstelle bei Sabotage oder Terrorakten
Hinweise für Entwurf und Konstruktion
- Vermeidung von Überströmung
- Sickerlinien dürfen nicht auf der landseitigen Böschung austreten
(Gefahr der rückschreitenden Erosion), ggf. Dränungen - Auf die Setzungsempfindlichkeit des Untergrunds ist zu achten
- Eine Unterströmung des Bauwerks ist zu vermeiden
- Talform und –morphologie
- Dammaufbau
- Ersteinstau
- Sättigungssetzung
- Dauerstau
Einwirkungen auf Staudämme
- Eigenlast
- Verkehrs- und Auflasten
- Wasserdruck, Strömungsdruck und Auftrieb
- Erddruck aus Sedimenten
- Temperaturschwankungen
- Bauwerksschwingungen
- Eisdruck
- Wind
- Bau- und Reparaturlasten
- Erdbeben
Lastfälle nach DIN 19700 - 11
Lastfälle 1
Regelkombinationen
➢ Alle maßgebenden Einwirkungen der Gruppe 1
Lastfälle nach DIN 19700 - 11
Lastfälle 2
seltene Kombinationen
➢ Alle maßgebenden Einwirkungen der Gruppe 1
➢ und je eine Einwirkung der Gruppe 2
Lastfälle nach DIN 19700 - 11
Lastfälle 3
außergewöhnliche Kombinationen
➢ Alle maßgebenden Einwirkungen der Gruppe 1
➢ Je eine Einwirkung der Gruppe 3
Lastfälle nach DIN 19700 - 11
Tragwiderstandsbedingung A
wahrscheinliche Bedingungen
➢ für gesicherte oder allgemein anerkannte Kennwerte
➢ voll wirksame bauliche Einrichtungen
Lastfälle nach DIN 19700 - 11
Tragwiderstandsbedingung B
wenig wahrscheinliche Bedingungen
➢ für ungünstige Kennwerte innerhalb gesicherter Streubereiche
➢ bei eingeschränkter Wirkung einer baulichen Einrichtung
Lastfälle nach DIN 19700 - 11
Tragwiderstandsbedingung C
unwahrscheinliche Bedingungen
➢ für ungünstige Kennwerte in Grenzbereichen
➢ bei Ausfall einer maßgeblichen baulichen Einrichtung
Bemessungssituation nach DIN 19700 - 11
Liste
Bemessungsnachweise (DIN 19700 Teil 10)
- Tragsicherheitsnachweise für Staudamm und Untergrund
- Gebrauchstauglichkeit
- Hydraulische Sicherheit gegen
- hydraulischen Grundbruch
- Erosions- und Suffosionsbeständigkeit des Staudamms und
Untergrunds - Filterwirksamkeit
- Risssicherheit
Nachweis der Setzungen
Formel
Wirkungsweise
Staudämme übertragen den hydrostatischen Wasserdruck über ihr Korngerüst
auf die Bauwerkssohle. Erddämme übertragen die Kräfte und Drücke über
Kohäsion und Reibung während Steinschüttdämme die Kräfte und Drücke über
die Reibung der Steine untereinander auf die Gründungssohle übertragen.
Gleitsicherheitsnachweis
Außendichtung
Formel
Gleitsicherheitsnachweis
Innendichtung
Formel
