Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern mit Feld und Waldwegen

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1 Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern mit Feld und Waldwegen

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung 2. Allgemeines 3. Hydraulische Berechnung 4. Einbauempfehlungen 5. Ökologische Anforderungen an Kreuzungsbauwerke 6. Fotobeispiele Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 1

3 Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 2

4 Einführung In den letzten Jahrhunderten wurden viele Gewässer zur Schaffung von Agrarflächen, zur Nutzung der Wasserkraft und zur Schiffbarmachung begradigt, verlegt, mit Ufersicherungen versehen und aufgestaut. Dies hat zu einer erheblichen Verarmung des aquatischen und des amphibischen Lebensraumes (wechselfeuchter Uferbereich) geführt. Insbesondere die natürliche Vernetzung der Fließgewässer wurde durch eine große Anzahl von Querbauwerken so stark beeinträchtigt, dass die notwendige Wanderung vieler Arten der Fischfauna und der aquatischen Wirbellosen nicht oder nur noch eingeschränkt möglich ist. Aber nicht nur die Herstellung von Wehren und Stauanlagen haben die Wanderung im aquatischen Lebensraum unterbunden. Jeder Durchlass und jede Verdolung eines Gewässers kann besonders bei kleinen Gewässern zu einer Unterbrechung der Gewässerdurchgängigkeit führen Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 3

5 Allgemeines Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 4

6 Kreuzungsbauwerke Definition Durchlässe sind Kreuzungsbauwerke, die eine erhebliche Einengung im offenen Gewässer verursachen. (DIN 19661, Teil 1) Kreuzungsbauwerke sind Anlagen zur Überwindung eines Hindernisses, die eine besondere konstruktive Ausbildung erfordern. Die häufigsten Kreuzungsbauwerke sind Durchlässe, in denen das Gewässer - meist - durch einen Straßen- oder Bahndamm hindurchgeleitet wird Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 5

7 Kreuzungsbauwerke Kreuzungsbauwerke mit einer lichten Weite unter zwei Meter werden als Durchlass, größer zwei Meter als Brücken (DIN 1076) bezeichnet. Durchlässe werden aus vorgefertigten Rohren (unterschiedlicher Materialien), Spundwänden mit Stahlbetonplatten, am häufigsten jedoch aus Stahlbetonrohren oder gewellten Stahlblechprofilen oder Betonfertigteilen erstellt. Weiterhin gibt es verschiedene Arten von Durchlässen. So zum Beispiel Rohrdurchlässe, die aus vorgefertigten Rohren aus Beton, Steinzeug oder Kunststoff hergestellt werden. Dabei wird meist der Kreisquerschnitt verwendet, da dieser das günstigste Profil aus Sicht der Statik und Hydraulik darstellt Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 6

8 Hydraulische Bemessungsgrundlagen Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 7

9 Bemessungsgrundsätze Kreuzungsbauwerke Kreuzungsbauwerke sind Brücken, Durchlässe und Düker. Um ein Kreuzungsbauwerk planen und hydraulisch bemessen zu können, benötigt man für das zu kreuzende Gewässer folgende Angaben: Längsschnitt Querprofile oder Regelprofile Gefälle Bemessungsdurchfluss Abflusstiefe beim Bemessungsdurchfluss Fließgeschwindigkeit beim Bemessungsdurchfluss Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 8

10 Bemessungsgrundsätze 1. Eine wichtige Größe für die Bemessung ist weiterhin der zulässige Aufstau. 2. Bei dicht hintereinander liegenden Bauwerken ist zu prüfen, ob sich die Aufstaue überlagern. 3. Der zulässige Aufstau ist im Zusammenhang mit der Häufigkeit des Bemessungshochwassers zu sehen und richtet sich nach der Schadensempfindlichkeit oberhalb des Kreuzungsbauwerkes. 4. Maßgebend für die Stauweite ist u. a. das Gefälle eines Gewässers Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 9

11 Abflussvorgänge an Durchlässen Der Durchlass läuft nicht voll. Es tritt kein Fließwechsel ein. Rückstau ist möglich Der Durchlass läuft nicht voll. Es tritt Fließwechsel auf. Die Deckwalze verhindert die Auswirkung des Rückstaus Der Durchlass läuft nicht voll. Tritt nach dem Durchlass Fließwechsel auf, so kann sich der Rückstau nicht auswirken. Der Durchlass läuft voll. Es tritt kein Fließwechsel ein. Rückstau wirkt sich voll aus Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 10

12 Bemessung von Rohrdurchlässen nach der RAS-Ew Aufstauberechnung nach der DIN Z = (1,5 x Reibungszahl x L/D) x v²/2g (I x L) Reibungszahl bei kb = 1,5 mm > 0,0179 Bemessung von Brücken Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 11

13 Bemessungsgrundsätze Berechnungsbeispiel Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 12

14 Rauigkeitsbeiwerte nach Manning Strickler Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 13

15 Rauigkeitsbeiwerte nach Sandrauigkeit Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 14

16 Schleppspannung Die Schleppspannung, griechischer Formelbuchstabe "Tau", ist eine in hydraulischen Versuchen ermittelte Größe. Die Schleppspannung bezeichnet die Kraft des fließenden Wassers je Flächeneinheit der Gewässersohle, mit der es auf die Sohle wirkt und dort Geschiebe vorwärts bewegt. Anders formuliert, ist sie ein Maß für die Erosionsbeständigkeit von Wassserlaufsohlen. Die kritische Schleppspannung, d.h. die Schleppspannung, bei der das Korn im Gewässerbett sich zu bewegen beginnt, ist abhängig von der Dichte des Korns, dessen Größe und Form sowie von der Art, wie das Korn gelagert und in den Kornverband eingebunden ist. Sie wird, ebenso wie die damit zusammenhängende Größe des Geschiebetriebes, empirisch bestimmt Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 15

17 Schleppspannung Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 16

18 Schleppspannung Zum Beispiel: Schneider Bautabellen Sohlenmaterial feiner Kies kolloidaler Lehm und Ton Kies Durchmesser d = 5-10 mm Kies Durchmesser d = 15 mm Geröll Durchmesser d = 50 mm Geröll Durchmesser d = mm grobe Blöcke Tau crit in N/m² Schubspannung 8-10 N/m² Schubspannung 10 bis 12,5 N/m² Schubspannung 12,5 N/m² Schubspannung N/m² Schubspannung N/m² Schubspannung N/m² Schubspannung 240 N/m² Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 17

19 Einbauempfehlungen Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 18

20 Einbaugrundsätze Rohrdurchlass gemäß RAS - EW Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 19

21 Formen von Durchlässen Rohrdurchlass Geschlossener Rahmendurchlass Maulprofile z.b. Stahlwellprofil Offener Rahmendurchlass Durchlass mit Halbprofilen Grafik: W. Gleim Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 20

22 Grundsätze zur Gestaltung von Durchlässen Ras EW Durchlässe sind grundsätzlich so zu dimensionieren und auszugestalten, dass Tierbewegungen entlang des Gewässerrandes, z. B. durch eine beidseitige Uferrandgestaltung (Trockenberme), möglich bleiben Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 21

23 Einbau von Rohrdurchlässen Substrat Grafik: W. Gleim Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 22

24 Einbau von Rechteckprofilen Größere und unterschiedliche Wassertiefe Auflager Lückensystem Sohlsubstrat Grafik: W. Gleim Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 23

25 Durchlass Schnitt Gründungssohle Sohlschwellen zur Schubsicherung Sohlsubstrat Sohlschwelle Grafik: W. Gleim Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 24

26 Abflussvorgänge an Kreuzungsbauwerken Erosion der Substratauflage Fließwechsel mit hoher Schleppspannung an der Gewässersohle W Wassertiefe! Sohlerosion! Wassertiefe Wassertiefe Kst 35 < V Geringe Schleppspannung Kst 75 > V Hohe Schleppspannung Kst 35 < V Geringe Schleppspannung Grafik: W. Gleim Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 25

27 Sohlgestaltung Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 26

28 Prinzip der aktiven Sohlerhöhung Grafik: W. Gleim Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 27

29 Folgen der Erosion Durch Hochwasser zerstörte Brücken und Widerlager Fotos: W. Gleim Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 28

30 Ökologische Anforderungen an Kreuzungsbauwerke Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 29

31 Durchgängigkeit von Fließgewässern Der Wiederherstellung der biologischen Durchgängigkeit von Fließgewässern kommt eine herausragende Bedeutung zur Erhaltung und Wiederentwicklung von artenreichen und gewässertypischen Lebensgemeinschaften zu. Auch die im Jahr 2000 in Kraft getretene Wasserrahmenrichtlinie berücksichtigt den Stellenwert der Durchgängigkeit für die Fließgewässer. Eine der Qualitätskomponenten für die Einstufung des ökologischen Zustandes der Fließgewässer bildet die Durchgängigkeit Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 30

32 Grundsätze zur Herstellung von Kreuzungsbauwerken Durchlässe sind so zu gestalten, dass der Eingriff in das Gewässer möglichst gering bleibt. Sie sind daher so zu planen, dass das Gewässer die Straße auf möglichst kurzem Wege kreuzt. Dabei sind hydraulisch nachteilige Verschwenkungen des zu kreuzenden Gewässers nach Möglichkeit zu vermeiden. Im Regelfall ist das Profil für das Mittelwasser ungehindert durchzuführen. Der Durchlass soll eine dem Gewässer hydraulisch und ökologisch entsprechende Sohlausbildung aus gleichartigem Sohlsubstrat der angrenzenden Gewässerabschnitte erhalten. Durchlässe sind grundsätzlich so zu dimensionieren und auszugestalten, dass Tierbewegungen entlang des Gewässerrandes, z. B. durch eine beidseitige Uferrandgestaltung (Trockenberme), möglich bleiben. Eine Erweiterung des Abflussquerschnittes im Bauwerksbereich ist zu vermeiden (Ablagerungsgefahr). Durchlässe sind im Gefälle des Gewässers zu verlegen. Um eine Belegung mit Sohlsubstrat zu ermöglichen, ist die Sohle von Durchlässen mindestens 10 cm unter die Beckensohle zu legen. Ein- und Auslauf von Durchlässen sind in geeigneter Weise, z. B. durch Steinschüttungen, zu sichern Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 31

33 Durchgängigkeit von Fließgewässern Ausbreitung der Fischfauna Im Verlauf eines Fließgewässers verändern sich die ökologischen Bedingungen hinsichtlich u. a. Fließgeschwindigkeit, Temperatur, Sauerstoffgehalt fortwährend. Die Wanderbewegungen vieler Fische und Wirbellosen werden wesentlich von diesen unterschiedlichen Lebensbedingungen im Längsverlauf der Gewässer beeinflusst. Viele Fischarten suchen zum Laichen die Gewässeroberläufe oder Nebenarme auf Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 32

34 Durchgängigkeit von Fließgewässern Ausbreitung wirbelloser Fließgewässerorganismen Ein Großteil der Organismen des aquatischen Raumes besiedelt die Gewässersohle (Benthal), also das Sohlsubstrat und den sohlnahen Wasserbereich. Den Hauptbestand unter ihnen stellen Insekten dar (z. B. Libellen, Eintagsfliegen, Köcherfliegen), die als Larven ihr Leben im Wasser verbringen. Weitere typische Besiedler der Gewässersohle sind Muscheln, Schnecken, Krebstiere und Egel. Ein entscheidender Faktor für die benthale Besiedlung ist die Strukturvielfalt der Gewässersohle. Sie bietet den wirbellosen Fließgewässerorganismen (Zoobenthos) neben strömungsarmen Bereichen ein Lückensystem aus Sohlsubstrat und Gehölzwurzeln, das als Schutzraum wirkt Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 33

35 Durchgängigkeit von Fließgewässern Die Ausbreitung der Wirbellosen kann - mit Ausnahme der geflügelten Insekten, die über den Luftweg neue Lebensräume erschließen können als Drift oder als Wanderung erfolgen. Bei der Drift werden die Bodentiere mit der Strömung fluss- bzw. bachabwärts getrieben. Der Prozess der Wanderung ist demgegenüber vorwiegend stromaufwärts gerichtet und liefert damit einen wichtigen Beitrag zur Driftkompensation. Die Fortbewegung findet im Lückensystem oder an der Oberfläche des Substrates statt. Einige Arten nutzen auch den strömungsarmen, sohlnahen Bereich, um sich schwimmend fortzubewegen. Jede Unterbrechung des Lückensystems der Gewässersohle ist als Grenze für die aufwärts gerichtete Wanderung der Wirbellosen zu sehen Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 34

36 Grundsätze zur Herstellung von Rohrdurchlässen Durchwanderbare Durchlässe Rohrdurchlässe sind prinzipiell als nachteilig bezüglich der Durchgängigkeit für Fische und Wirbellose zu beurteilen. Sie sollten demzufolge vermieden und gegebenenfalls durch Brücken ersetzt werden. Sind in Gewässern mit ständiger Wasserführung dennoch Rohrdurchlässe nötig, ist auf die Einhaltung wichtiger Ausführungsgrundsätze zu achten: Der Durchlass sollte möglichst weit gewählt werden (Mindestdurchmesser 800 mm). Das Verhältnis von Breite zu Länge des Rohres sollte bei langen Durchlässen 1:10 nicht unterschreiten. Die Fließgeschwindigkeit nimmt im Allgemeinen aufgrund der glatten Rohrwände im Durchlass zu. Abhilfe kann geschaffen werden, indem das Rohr mit einem nur geringen Gefälle verlegt wird. Es ist auf eine durchgehende Substratauflage zuachten, d. h. das Rohr muss cm unter der Gewässersohle liegen Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 35

37 Beispiele von Kreuzungsbauwerken Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 36

38 Kreuzungsbauwerke mit Straßen Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 37

39 Durchlässe Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 38

40 Brückenbauwerke Wasserbausteine offen fugig in Beton mit Nachbettsicherung im Unterwasser terrestrische Durchgängigkeit gegeben Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 39

41 Kreuzungsbauwerke - Brücken Durch die glatte Sohle kommt es zu keiner Sedimentablagerung Mittelwasserrinne Wasserbausteine vollständig mit Beton verfugt. Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 40

42 Brückenbauwerke Fehlende terrestrische Durchgängigkeit Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 41

43 Kastenprofil Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 42

44 Kastenprofil Einbau von Störsteinen. Der Einbau wird bei geringen Abmessungen des Profils bautechnisch schwierig Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 43

45 Kastenprofil Fotos: W. Gleim und H. Diehl Sohlschwellen Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 44

46 Kreuzungsbauwerke Unsachgemäß verlegte Rohrdurchlässe Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 45

47 Kreuzungsbauwerke Doppeldurchlässe neigen zur Verlandung Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 46

48 Rohrdurchlass mit Substratauflage Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 47

49 Nachbettsicherung bei Durchlässen Rechteckprofil mit nicht ausreichender Nachbettsicherung Rohrdurchlass mit anschließender Sohlerosion Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 48

50 Stahlwellprofile Nicht fachgerecht eingebauter Durchlass Mit ausreichender Substratauflage Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 49

51 Stahlwellprofile Einbau von Stahlwellprofilen im Zuge der Renaturierung des Lückenbaches Abschnitt Rohrwiese Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 50

52 Einbau von Stahlwellprofilen Hamco Dinslaken Bausysteme GmbH Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 51

53 Gewässerkreuzungen Überfahrt als Furt Maulprofil in Betonbauweise Fotos: LUBW Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 52

54 Gewässerverrohrungen Fotos: W. Gleim und H. Diehl Ende eines Baches Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 53

55 Gewässerkreuzungen mit Hochwasserrückhaltebecken Sonderformen HRB Schwingbach HRB Kinzenbacher Straße - Heuchelheim Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 54

56 Kreuzungsbauwerke nach der RAS - EW Mindestabmessungen von Durchlässen In der DIN sind die Mindestabmessungen geregelt. Bei sehr langen Durchlässen sind größere Abmessungen erforderlich. Für den Straßenbau werden folgende Mindestabmessungen empfohlen: A.) Rohrdurchlässe: unter Wirtschaftswegen => DN 400 unter Straßen, Überführungsrampen an Bundesfernstraßen u.ä. => DN 500 längere Durchlässe unter Straßen sowie Durchlässe unter Bundesfernstraßen => DN 800 B.) Rechteckdurchlässe (Rahmendurchlässe): begehbare Durchlässe (Regelabmessung) Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 55

57 Kreuzungsbauwerke nach der RAS - EW Ho=v²/2g x 1,5 (J x L) Ho=3,34²x1,5-(0.01 x 5) Ho= Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 56

58 Einbau von Betonfertigteilen am Lückebach und Schafbau in Linden und Pohlheim Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 57

59 Die Renaturierung des Lückebachs Eine ausufernde Geschichte Ein Gewässer im Wandel der Zeit Entwicklung eines Gewässers am Beispiel des Lückenbaches Renaturierung des Lückenbaches ein Gemeinschaftsprojekt Der Städte Linden und Pohlheim Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 58

60 Umgesetzte Maßnahmen Renaturierung Lückenbach Abschnitt Forst Ausgeführt 1989 Länge:800 m; Renaturierung Lückenbach Abschnitt Dickmühle Ausgeführt 2005 Länge: 1000 m; Renaturierung Wanngraben Ausgeführt 2004 Länge: 250 m; Renaturierung Lückenbach Abschnitt Sauweide Ausgeführt 2002; Länge 700 m; Renaturierung Lückenbach Abschnitt Lückenbachschule Teil I Ausgeführt 2003/04 Länge: 270 m; Renaturierung Lückenbach Abschnitt Lückenbachschule Teil Quelle Ausgeführt 2004 Länge:220 m; Renaturierung Lückenbach Abschnitt Rohrwiese Ausgeführt 2006, Länge:890 m; Renaturierung Flachsbach Abschnitt Pappelallee Ausgeführt 2006 Länge: 400 m; Renaturierung Lückenbach Abschnitt Lückenbachschule Teil III Geplant ab 2007/08 Renaturierung Schafbach Ausgeführt 2001 Länge:450 m; Renaturierung Lückenbach Abschnitt Am Rittergurt/Rindsmühle I.BA Ausgeführt 2002 Länge: 800 m ; Renaturierung Lückenbach Abschnitt Häusermühle Teil Kannwiese Ausgeführt 2004 Länge: 200 m Kosten: Renaturierung Lückenbach Abschnitt Häusermühle Ausgeführt 2001 Länge: 250 m; Renaturierung Lückenbach Abschnitt Lückenbachschule Teil II Geplant ab 2005/06 Länge: 170 m Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 59

61 Geplanter Abschnitt Rohrwiesen in Linden Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 60

62 Übersichtplan Gewerbegebiet Watzenborn Häusermühle Grube Fernie Rindsmühle Riedwiesen Am Rittergut Sauweide Dickmühle Vorderes Loh Watzenborn Garbenteich Gewerbegebiet (Linden) Schafbach Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 61

63 Umgesetzte Maßnahmen Unterlauf Grube Fernie Rindsmühle Am Rittergut Gewerbegebiet Watzenborn Sauweide Häusermühle Dickmühle Vorderes Loh Watzenborn Oberlauf Garbenteich Gewerbegebiet (Linden) Schafbach Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 62

64 Einbau von Betonfertigteilen Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 63

65 Einbau von Betonfertigteilen Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 64

66 Einbau von Betonfertigteilen Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 65

67 Einbau von Betonfertigteilen Fotos: W. Gleim und H. Diehl Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 66

68 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Goppe Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 67