Vorlesung 2 + 3

Question 1

Welche Arten von Staudämmen gibt es?

Answer 1

• Erdschüttdämme
➡️ Homogener Damm
➡️ Zonendamm

• Steinschüttdämme
➡️ Lehmkerndichtung
➡️ Asphaltbetondichtung

Question 2

Was sind die Vorteile von Staudämmen?

Answer 2

• 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 ins Landschaftsbild; Begrünung auf der Außeinseifte ist möglich!)
• Schleichendes Versagen! (Ankündigung durch Durchsickerung und Dammbewegungen, Katastrophenschutzmaßnahmen sind möglich!)

Question 3

Was sind die Nachteile von Staudämmen?

Answer 3

• Große Massen (viel Baumaterial)
• Hohe Sorgfalt bei Auswahl und Einbringung der Dammstoffe
• Erosionsempfindlichkeit bei Überströmung
• Aufwändige Überwachung

Question 4

Wie sind Staudämme zu konstruieren und zu bemessen?

Answer 4

▪ Art und Menge der verfügbaren Staudammbaustoffe
▪ Beschaffenheit des Untergrunds
▪ morphologischen Gegebenheiten
▪ Geschwindigkeiten von Wasserspiegelschwankungen
▪ klimatischen und seismischen Gegebenheiten
▪ boden- und felsmechanischen Kennwerten
▪ hydrodynamischen Erfordernissen

Question 5

Welche Anforderungen werden an Dammbaustoffe gestellt?

Answer 5

▪ 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

Question 6

Was ist der Unterschied zwischen Außen- und Innendichtung?

Answer 6

Bei den Dämmen mit Außendichtung wirkt der gesamte Dammkörper als Stützkörper. Bei Dämmen mit Innendichtung wirkt nur der luftseitig liegende Teil des Dammes als Stützkörper.

Question 7

Definition Homogene Dämme

Answer 7

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 Drainagekeil oder eine Auflast zu sichern. Eine Alternative stellt der Einsatz eines Kaminfilters dar.

Question 8

Definition Zonendämme

Answer 8

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.

Question 9

Was ist die Aufgabe von Dichtungen?

Answer 9

Dichtungen reduzieren die Strömungsbelastung im Deichkörper und erhöhen damit die Sicherheit gegen Erosion, Suffosion und die Standsicherheit!

Question 10

Welche Versagensmechanismen gibt es?

Answer 10

• Piping
• Böschungsinstabilität
• Überströmung
• Rutschungen

Question 11

Wie lautet die geometrische Sperrbedingung?

Answer 11

D15/d85 < 4 (Sicherheit gegen Kontakterosion)

Question 12

Wie lautet die Bedingung für die Gewährleistung des Durchflusses? (Durchlässigkeitsregel)

Answer 12

D15/d15 > 4

Question 13

Welche Bedingung muss der Nachweis der Filterstabilität noch erfüllen?

Answer 13

Kornverteilung der feineren Schicht (d) muss parallel zur Kornverteilung der gröberen Schicht (D) verlaufen

Question 14

Nenne die Vorteile von Kontrollgängen in Staudämmen

Answer 14

− Verbindung von Dichtungselement und Untergrundabdichtung
− Beschleunigung des Bauablaufes durch Entkopplung von Untergrund- Abdichtung und Dammschüttung
− Sickerwasserableitung, Zugänglichkeit zur Messtechnik, Deformationsmessung

Question 15

Nenne die Nachteile von Kontrollgängen in Staudämmen

Answer 15

− 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

Question 16

Auf welche Aspekte muss beim Entwurf und bei der Konstruktion von Staudämmen geachtet werden?

Answer 16

▪ 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
▪ Eigenlast
▪ Verkehrs- und Auflasten
▪ Wasserdruck, Strömungsdruck und Auftrieb
▪ Erddruck aus Sedimenten
▪ Temperaturschwankungen
▪ Bauwerksschwingungen
▪ Eisdruck
▪ Wind
▪ Bau- und Reparaturlasten
▪ Erdbeben
▪ Dauerstau

Question 17

Was sind künstliche Dichtungen?

Answer 17

• Asphaltbeton
• Tonbeton
• Dichtwandmasse
• Beton
• Stahlbeton
• Stahl
• Kunststoffdichtungsbahnen

Question 18

Was sind natürliche Dichtungen?

Answer 18

• Erdstoffe
• Fels
• Kies
• Geröll
• Sand

Question 19

Was sind die Vorteile von Staumauern?

Answer 19

• Staumauern können bei extremen Hochwasserereignissen überströmt, ohne zu versagen
• die Hochwasserentlastung kann in die Staumauer integriert werden, es entfallen die Kosten für eine separate Anlage
• Entnahmeleitungen können problemlos durch die Staumauer geführt werden

Question 20

Was sind die Nachteile von Staumauern?

Answer 20

• Hohe Anforderungen an den Bauuntergrund
• plötzliches Versagen

Question 21

Wie funktionieren Gewichtsstaumauern?

Answer 21

Gewichtsstaumauern halten das Wasser aufgrund ihres Eigengewichts zurück. Die Kräfte (Wasserdruck, Eigengewicht) werden über die Sohle in den Untergrund übertragen. Hierbei ist darauf zu achten, dass auch bei maximal Einstau noch Druckspannung auf den Untergrund am wasserseitigen Mauerfuß vorhanden sein müssen. Die Berechnung der Standsicherheitsnachweise erfolgt heutzutage überwiegend mit FEM-Modellen.

Gewichtsstaumauern werden in der Regel aus einzelnen Betonblöcken gebaut, die jeweils die Kräfte in den Untergrund ableiten. Die einzelnen Betonblöcke werden untereinander verdübelt.

Question 22

Was sind die Standsicherheitsnachweise für Gewichtsmauern?

Answer 22

• keine Zugspannungen in der Staumauer sowie zwischen Sohle und Mauer
• keine Überschreitung der zulässigen Druckspannungen
• keine Überschreitung der zulässigen Bodenpressungen
• Standsicherheitsnachweis gegen Gleiten
• Standsicherheitsnachweise gegen Kippen

Question 23

Wie ist eine Zylindermauer aufgebaut?

Answer 23

Die Zylindermauer hat einen kreisförmigen Radius r in allen Höhenlagen und eine üblicherweise senkrechte Wand über die gesamte Bauwerkshöhe. Die Berechnung der erforderlichen Bauwerksdicke d wird anhand der Ringformel durchgeführt.

Question 24

Wie ist der Gleichwinkeltyp aufgebaut?

Answer 24

Beim Gleichwinkeltyp handelt es sich um eine Bogenstaumauer mit gleichen Öffnungswinkeln, aber verschiedenen Radien. Dieser Typ ist insbesondere für Täler mit schmalen Sohlen und steilen Hängen geeignet.

Question 25

Wie sind Pfeilerstaumauern aufgebaut?

Answer 25

Pfeilerstaumauern wirken hinsichtlich der Tragwirkung wie Gewichtsmauern, d.h. die wasserseitige Stauwand überträgt die wirkenden Kräfte in den Untergrund. Um das geringe Eigengewicht auszugleichen, wird eine Pfeilerstaumauer zur Wasserseite leicht geneigt gebaut. Dadurch kann der Betonbedarf bei erhöhtem Schalungsaufwand reduziert werden. Zwischen den Pfeilern ist eine Dichtung vorzusehen, wobei Verformungen und Verschiebungen zu berücksichtigen sind, um die Dichtigkeit zu gewährleisten. Der hydrostatische Auftrieb auf die Sohle der Pfeilerstaumauer ist aufgrund der geringeren Breiten im Vergleich zu Gewichtsstaumauer reduziert. Daraus ergeben sich erhöhte Anforderungen an den Untergrund hinsichtlich Dichtigkeit und Erosionsbeständigkeit.

Question 26

Thermische Beanspruchung von Staumauern

Answer 26

Beim Bau von Staumauern werden große Mengen Beton verbaut. Hierbei kommt es zu chemischen Reaktionen zwischen Wasser und Zement, bei denen Hydratationswärme entsteht. Bei der langsamen Abkühlung kommt es zu Spannungs- und damit verbunden zu Verformungsänderungen. Große Temperaturschwankungen und –gradienten führen daher zur Bildung von Rissen, die unter Umständen die Stabilität und Funktionsfähigkeit des Bauwerks einschränken bzw. gefährden.

Question 27

Phasen der Temperaturentwicklung bei Talsperren

Answer 27

Phase I:
Temperatur bleibt konstant bei T0 vor Beginn des Abbindeprozesses
Phase II:
Die Hydratation des Betons bewirkt einen Anstieg der Temperatur. Aufgrund der Plastizität des Betons entstehen keine Spannungen.
Phase III:
Die Temperatur nimmt zu, dadurch will sich der Beton ausdehnen, dies wird behindert, wodurch Druckspannungen entstehen.
Phase IV:
Der Beton kühlt ab.
Phase V:
Aufgrund weiterer Abkühlung entstehen Zugspannungen. Hierdurch können Risse im Beton entstehen.

Question 28

Untergrundabdichtung

Answer 28

Bei wasserdurchlässigem Untergrund kann es erforderlich sein, eine Untergrundabdichtung z.B. in Form eines Injektionsschleiers (Zementinjektion) einzubringen. Dadurch wird der Sickerweg verlängert und der hydraulische Gradient reduziert. Dies führt zu einer erhöhten Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch.

Question 29

Welchen Einwirkungen sind Staudämme ausgesetzt?

Answer 29

• Erddruck aus Sedimenten
• Eisdruck
• Wind
• Erdbeben
• Eigenlast
• Verkehrs- und Auflasten
• Wasserdruck
• Strömungsdruck und Auftrieb
• Bauwerksschwingungen
• Temperaturschwankungen
• Bau- und Reperaturlasten

Question 30

Wie übertragen Erddämme den hydrostatischen Wasserdruck auf die Bauwerkssohle?

Answer 30

Übertragen die Kräfte und Drücke über Kohäsion und Reibung auf die Gründungssohle

Question 31

Wie übertragen Steinschüttdämme hydrostatische Kräfte auf die Gründungssohle?

Answer 31

Übertragen Kräfte und Drücke über die Reibung der Steine untereinander

Question 32

Aus welchem Material bestehen Erdschüttdämme üblicherweise?

Answer 32

• Lockergesteine wie Ton, Sand, Schluff und Kies

Question 33

Aus welchen Materialien bestehen Steinschüttdämme üblicherweise?

Answer 33

• Gebrochenes Felsgestein wie Kieskorn, Steine und Geröll

Question 34

Welche Bedingungen müssen erfüllt sein um den Nachweis der Filterstabilität nach Terzaghi zu erbringen?

Answer 34

• geometrische Sperrbedingung durch D_15/d_85 < 4 (Sicherheit gegen Kontakterosion)
• Gewährleistung des Durchflusses durch D_15/d_15 > 4
• Kornverteilung der feineren Schicht (d) muss parallel zur Kornverteilung der gröberen Schicht (D) verlaufen