Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel

Transkript

1 Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 1 Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel Barbara Tönnis Abstract The m long and up to 3 m high flood protection system is designed for a 15-year flood event. It dykes and flood-protection walls were made with patch mobile flood protection elements. At a length of about 340 m the concrete wall is founded on a top bar on bore piles. The sealing of the subsoil and of the dykes is realized by sheet piling. The internal drainage is via a pumping plant, whose construction pit shoring of an over cut piles received, which is part of the building. Zusammenfassung Die ca m lange und bis zu 3 m hohe Hochwasserschutzanlage ist für ein ca. 15- jährliches Hochwasserereignis ausgelegt. Es wurden Deiche und Hochwasserschutzwände mit aufgesetzten mobilen Hochwasserschutzelementen hergestellt. Auf einer Länge von ca. 340 m wird die Betonwand über einen Kopfbalken auf einem Zwillingsbohrpfahlsystem gegründet. Die Dichtung des Untergrundes und der Deiche wird durch Spundwände realisiert. Die Binnenentwässerung erfolgt über ein Pumpwerk, dessen Baugrube einen Verbau aus überschnittenen Bohrpfählen erhielt, der Bestandteil des Gebäudes ist. 1 Beschreibung der Gesamtmaßnahme Bei den Hochwasserereignissen vor dem Jahr 2010 traten in Kesten, Landkreis Bernkastel-Wittlich, ab einem 2-jährlichen Hochwasserereignis immer wieder Schäden an Gebäuden und Anlagen auf. Bei dem Dezemberhochwasser 1993, das in etwa einem 50-jährlichen Hochwasserereignis entsprach, stand fast der gesamte Ort bis zu 3,20 m unter Wasser. Es waren ca. 140 Wohngebäude, 60 Nebengebäude und 70 Wirtschaftsgebäude betroffen. Auch die Hochwasserereignisse der Jahre 1995, 1997 und 2003 überfluteten Kesten in weiten Bereichen und führten jeweils zu hohen wirtschaftlichen Schäden (s. Abb. 1).

2 2 B. Tönnis Abb. 1: Kesten, 1986 und 2003 [1] Am 26. Januar 2009 fand in Kesten der Spatenstich für die Maßnahme Hochwasserschutz (HWS) Kesten statt, die folgende Bauwerke umfasst (s. Abb. 2): Das Hochwasser-Pumpwerk mit der Entlastungsleitung in die Mosel, zwei Drainagesammelleitungen landseitig der Hochwasserschutztrasse, die Hochwasserschutzmauern (Betonwände) mit aufgesetzten mobilen Hochwasserschutzwänden, die Deiche mit einer Spundwand als Innendichtung, Sieben Durchfahrten mit hochwassersicheren Verschlüssen durch mobile Hochwasserschutzwände, die Untergrundabdichtung mittels Spundwand in der gesamten Trasse, drei Druckrohrleitungen zur Entwässerung der Außengebiete und die Lagerhalle für die Anlagenteile der mobilen Hochwasserschutzwände. Die HWS-Anlagen sind auf das Bemessungshochwasser ausgelegt. Zeitgleich zu den Bauarbeiten des Hochwasserschutzes, die ca. im Frühjahr 2010 abgeschlossen sind, wurden bis zum Frühjahr 2011 die Regen- und Schmutzwasserleitungen als Trennsystem und die Wasserversorgungsleitungen neu verlegt. Sämtliche anfallenden Schmutzwassermengen der Gemeinde Kesten werden in das Schmutzwasser-Pumpwerk geleitet und von dort über den vorhandenen Moseldüker in ein Klärwerk gepumpt. Das Schmutzwasserpumpwerk ist in das Gebäude des Hochwasser-Pumpwerkes integriert. Im Folgenden sollen die Baugrundverhältnisse und die ausgeführten Maßnahmen für die Baugrube des Pumpwerkes, die Gründung der HWS-Wand sowie die Untergrundabdichtung beschrieben werden. Detaillierte Beschreibungen dieser Baumaßnahme sind den Literaturstellen [5] und [6] zu entnehmen.

3 Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 3 2 Geologie Das Untersuchungsgebiet liegt im Südwesten des Rheinischen Schiefergebirges. In den Jahren 2001, 2002 und 2007 wurden geotechnische Untersuchungen im Projektgebiet durchgeführt [2], [3]. Die Untergrundverhältnisse wurden durch Bohrkern- und Rammsondierungen sowie Schürfe erkundet und anhand von Korngrößenverteilungen ausgewertet. Zusammengefasst lässt sich der Schichtenverlauf im Untersuchungsgebiet wie folgt beschreiben: Bis in eine Tiefe von ca. 4 m unter der Geländeoberfläche befinden sich kiesig-sandige zum Teil schluffige Auffüllungen. In moselnahen Lagen sind die Auffüllungen bis zu 6 m tief. Die darunter liegenden quartären Schichten setzen sich in den oberen Bereichen überwiegend aus Sanden und Schluffen (Deckboden) zusammen. Das untere Quartär besteht aus Kiesen, in einzelnen Abschnitten auch aus Tonschieferschutt (Hangschutt). Ca. 9 m unter der Geländeoberfläche befindet sich die Schichtgrenze zwischen Quartär und dem Fels des Unterdevons. Der hier vorhandene Tonschiefer ist größtenteils verwittert bis zersetzt und abschnittsweise klüftig. Die variierenden Baugrundverhältnisse entlang der HWS-Trasse sind in den Tabellen 1 bis 3 beschrieben, zugeordnet zu den Bereichen HWS-Wand sowie Deichbereich I (Deich entlang der Mosel) und Deichbereich II (Deich entlang von innerörtlichen Wegen und durch Weinberge) (s. Abb. 2). Abb. 2: Kesten, Juli 2009 [1]

4 4 B. Tönnis Tab. 1: Bodenaufbau im Bereich der HWS-Wand, südwestlicher Abschnitt [3] Tab. 2: Bodenaufbau im Bereich der HWS-Wand, nordöstlicher Abschnitt [3] In den beiden Deichtrassen liegen relativ einheitliche Baugrundverhältnisse vor. Tab. 3: Bodenaufbau im Bereich der Deiche [3]

5 Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 5 Die Durchlässigkeitsbeiwerte variieren sowohl in den einzelnen Bodenschichten als auch entlang der HWS-Trasse relativ stark. Im Wesentlichen werden sie durch die Kiese und Sande bestimmt, die die maßgebenden Grundwasserleiter bilden. Die Tabelle 4 gibt die Durchlässigkeitsbeiwerte der jeweiligen Schichten im Mittel an. Tab. 4: Durchlässigkeitsbeiwerte (nach [2]) Schichtenbezeichnung Durchlässigkeitswert k f [m/s] Auffüllung 1*10-3 1*10-5 Deckboden 1*10-4 1*10-7 Kies 1*10-3 1*10-5 Tonschiefer 1*10-4 1*10-6 Den Tragsicherheitsberechnungen liegen die folgenden Kennwerte zugrunde: Tab. 5: Boden- und felsmechanische Kennwerte [3] Bodenart / Konsistenz bzw. Lagerung Wichte k [kn/m³] Wichte u.a. k [kn/m³] k [ ] Kohäsion c k [kn/m²] Reibungsbungswinkel Steifemodul ES [MN/m²] Auffüllung / locker Schluff / Ton ,5 5 8 Sand Terrassenkies Hangschutt , Fels (Tonschiefer) Zusätzlich zu den Baugrundaufschlüssen wurden umwelttechnische Bodenuntersuchungen durchgeführt.

6 6 B. Tönnis Tab. 6: Bemessungsannahmen für die Gründungspfähle [4] Schichtenbezeichnung τ mf [kn/m²] σ sf [MN/m²] E s [MN/m2] Kies Tonschieferschutt Tonschiefer, verwittert bis stark verwittert , Tonschiefer 200 4,0 > Bauausführung 3.1 Baugrube Pumpwerk Die Länge der Baugrube betrug ca. 32 m. Auf der halben Länge betrug die Breite der Baugrube ca. 21 m, auf der verbleibenden Länge ca. 10 m. Die Aushubtiefe lag im Bereich Pumpenkammer bei ca. 8,5 m und im Bereich Sammelschacht bei ca. 6 m. Nach erfolgter Freimachung des Baufeldes und Kampfmittelsondierung begannen die Aushubarbeiten für die Baugrube des Pumpwerkes. Von dem geschaffenen Bohrplanum aus wurden die Bohrpfähle für die Baugrubenwand, die als überschnittene Bohrpfahlwand ausgeführt wurde, hergestellt (s. Abb. 3). Die Bohrpfähle sind 9,20 m lang und haben einen Durchmesser von 90 cm. Sie binden ca. 2 m in den anstehenden Fels ein. Gemäß dem Geotechnischen Bericht Nr. 2 [3] waren die Pfahlbohrungen verrohrt auszuführen, wobei die Verrohrung dem Aushub stetig vorauseilen muss. In den Bereichen unterhalb des Grundwasserspiegels war mit einem Wasserüberdruck im Bohrloch zu arbeiten, um Sohlaufbrüche in der Pfahlsohle und somit Auflockerungen entlang des Pfahlschaftes zu vermeiden. Der Wasserüberdruck war auch während des Betonierens zu gewährleisten.

7 Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 7 Abb. 3: Bohrpfahlarbeiten für die Baugrube Pumpwerk Nach Fertigstellung des Kopfbalkens wurden die Anker gebohrt, dreifach verpresst und angespannt. Anschließend erfolgte der Baugrubenaushub bis auf die Gründungssohle. Für die Wasserhaltung wurden eine 50 cm dicke Dränageschicht eingebaut und vier Brunnenringe gesetzt. Zum Erreichen der Auftriebssicherheit war es erforderlich, dass das Pumpwerk über eine kraftschlüssige Verbindung an die Baugrubenwand angeschlossen wird. Dies erfolgte über Nischen, die aus den unbewehrten Bohrpfählen auf Höhe der Bauwerkssohle ausgestemmt wurden (s. Abb. 4). Abb. 4: Blick in die Baugrube Pumpwerk

8 8 B. Tönnis Im Zuge der Bauausführung musste bei den Bohrpfählen aufgrund der örtlichen geologischen Verhältnisse nicht immer mit Wasserauflast gebohrt werden. Durch die Umstellung auf ein stärkeres Bohrgerät konnte das Rohr einfacher durchgedrückt werden. Nach Aushub der Baugrube zeigte sich, dass es kaum Überprofile bei den Bohrpfählen gab. 3.2 Gründung der Hochwasserschutzwand Auf einer Länge von ca. 340 m ist eine massive Hochwasserschutzwand aus Stahlbeton über einen Kopfbalken auf einem Zwillingsbohrpfahlsystem gegründet. Der Abstand der Zwillingsbohrpfähle beträgt in der Regel 10 m. Auf der Hochwasserschutzwand wird im Hochwasserfall ein mobiles HWS-System ohne Rückabstützung errichtet. Die Zwillingsbohrpfähle (s. Abb. 5) haben einen Durchmesser von 60 cm und sind ca. 11 m lang. Sie binden ca. 2 m in den Fels ein. Die Bohrpfähle schließen mit einem Kopfbalken ab, an den wasserseitig eine Spundwand (L = ca. 7 m) als Untergrundabdichtung, anschließt. Bei der Bauausführung zeigte es sich, dass die Bohrpfähle aufgrund der örtlichen geologischen Verhältnisse bereichsweise mit Wasserauflast hergestellt werden mussten. Bei der Anordnung der Pfahlpaare wurde die Lage vorhandener Leitungen in die Mosel berücksichtigt. Dennoch wurden einige Leitungen angebohrt, wobei der Beton in die Leitung gefüllt wurde. Hier mussten Nacharbeiten (Aufgrabung, Umschluss der Leitungen, Verfüllung, Pfahlherstellung) ausgeführt werden. Da die Zwillingsbohrpfähle im unmittelbaren Bereich von den Kreisstraßen (K 53, K 134) angeordnet sind, wurden erhöhte Anforderungen an die Verkehrssicherung und die Straßenreinigung gestellt. Die Stahlbetonwand (d = 50 cm) wurde abschnittsweise mit Natursteinen verblendet. Die Gesamtdicke der Wand beträgt 80 cm. Die Wand ist in der Regel 1,65 m und an den Bauenden ca. 2,25 m hoch. 3.3 Untergrundabdichtung Im Bereich der HWS-Wand dient ab dem Kopfbalken, in Höhe 112,20 m ü. NN, eine Spundwand (Kanaldiele) als Untergrundabdichtung wasserseitig vor den Bohrpfählen. Die Länge der Spundwand ist von der Lage der Felsoberkante (Tonschiefer) abhängig. Um den Grundwasserstrom nicht wesentlich zu beeinträchtigen, endet die Spundwand ca. 1,0 bis 1,5 m über dem Felshorizont. Es ergibt sich im Bereich der Bohrpfähle eine Spundwandlänge von ca. 7 m. In der Phase der Vorplanung wurden mehrere Varianten für die Gründung und Untergrundabdichtung diskutiert. Bei der gewählten Variante waren im Vergleich zur Variante statisch wirksame Spundwand geringere Erschütterungen beim Einbau zu erwar-

9 Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 9 ten (Spundwand/Kanaldiele, Bohrungen für Bohrpfähle). Der erschütterungsarme Einbau war bei der vorhandenen alten Bebauung, die bereichsweise unmittelbar am Baufeld liegt, als ein wesentliches Kriterium zu berücksichtigen. Die ausgeführte Variante stellte gegenüber einer überschnittenen Bohrpfahlwand eine wirtschaftlichere Variante dar. Für die Einbringung der Spundwandbohlen wurden in dem Geotechnischen Bericht Nr. 2 [3] zusätzliche Einbringhilfen (Vorbohren, Einspülen, usw.) gefordert, da insbesondere in den Hangschuttmassen und den Auffüllungen lokale Rammhindernisse zu erwarten waren. Abb. 5: Einbringen der Spundwandbohlen im Bereich der HWS-Wand Abb. 6: Gründungspfähle und Untergrundabdichtung im Bereich der HWS-Wand

10 10 B. Tönnis Abb. 7: Vorbohren für das Einbringen der Spundwandbohlen im Bereich der Deiche 3.4 Deiche Moselseitig der K 134 befindet sich der ca. 325 m lange Hauptdeich (Deich I) mit einer Höhe von ca. 3,2 m. Der Kronenweg des Hauptdeiches ist befahrbar mit einer wassergebundenen Deckschicht ausgebildet. Die Kronenbreite beträgt 3,5 m und die Böschungsneigung 1:2,6. Am Deichanfang und -ende wurden zwei befestigte Auffahrtsrampen auf die Deichkrone hergestellt. Landseitig der K 134 schließt bei Station ca der im Ortsbereich auf einer Länge von ca. 400 m verlaufende Deich (Deich II) an. Am Anfang beträgt die Deichhöhe ca. 2,2 m und nimmt dann auf Grund des ansteigenden Geländes in Richtung Nordwesten deutlich ab. Die Deichhöhe beträgt im Mittel 1,3 m. Die Kronenbreite von 3 m ergibt sich aus der geringen Deichhöhe. Die Böschungsneigungen betragen 1:2,5. Die Deichkrone ist nicht befahrbar ausgebildet. Am landseitigen Deichfuß ist ein Dränagesystem angeordnet. Sämtliche HWS-Deiche wurden mit einer Spundwand als Innendichtung versehen. Im Rahmen der Planung wurden hydraulische Berechnungen für den Moselabschnitt durchgeführt. Aufgrund der Versprünge und Knicke in der HWS-Trasse treten Wirbel auf, die insbesondere die Deichköpfe stärker belasten. In diesen Bereichen wurden anstelle der Rasenansaat Wasserbausteine vorgesehen. Damit die HWS-Anlagen bei einer Überströmung keinen Schaden erleiden, ist eine kontrollierte Flutung erforderlich. Diese wird mittels einer ca. 30 m langen Überlaufschwelle im Bereich des Deiches im Ortsgebiet sichergestellt. Die Böschungen wurden mit in Beton verlegtem Wasserbaupflaster gesichert.

11 Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 11 Die Einwohner in Kesten hatten in den vergangenen Jahrzehnten wichtige Erfahrungen aus den Hochwasserereignissen gewonnen. Sie konnten anhand des Pegelstandes in Trier einschätzen, welche Straßen und Gebäude in Kesten überschwemmt werden. Durch die Hochwasserschutzanlage und die Überlaufschwelle haben sich die Verhältnisse grundlegend verändert. Daher wurden im Rahmen der Planung Überflutungspläne für die Situation erstellt, dass Wasser über die Überlaufschwelle in den Ort läuft. In den Plänen sind die überschwemmten Flächen und die entsprechenden Wassertiefen im Stundenabstand dargestellt. Die Entleerung des Ortes erfolgt über das Hochwasser- Pumpwerk. 3.5 Öffnungen in der Hochwasserschutztrasse In die stationären HWS-Anlagen sind sieben Öffnungen integriert, um bestehende Wegeverbindungen nicht dauerhaft zu unterbrechen. Im Bereich der HWS-Wand sind in den drei Durchfahrten daher mobile HWS-Elemente mit Rückabstützungen vorgesehen, die eine Höhe von bis zu 2,25 m erreichen. Im Bereich der HWS-Deiche sind vier Deichscharten vorgesehen, die mit mobilen HWS- Elementen, teilweise mit Rückabstützungen, verschlossen werden. In den Durchfahrten in der HWS-Wand wird der Schutz der Verteidigungsebene bis zum Bemessungshochwasserstand durch wasserseitig angeordnete Opfersysteme gewährleistet. Diese Opfersysteme wurden aus den gleichen mobilen HWS- Elementen hergestellt, müssen aber nicht den Anforderungen an die Dichtigkeit der mobilen HWS-Elemente der Verteidigungsebene genügen. Der verbleibende Raum zwischen dem Opfersystem und dem Verschlusssystem der Durchfahrten wird somit bereits geflutet, bevor die Überlaufschwelle anspringt. In den Durchfahrten im Deich sind zwei Einbauebenen aus mobilen HWS-Elementen vorgesehen, wobei jede Ebene den Anforderungen hinsichtlich Dichtigkeit und Tragsicherheit genügt. 4 Erfahrungen während der Gewährleistungsfrist Nach ca. 1,5 Jahren Bauzeit wurden die Hochwasserschutzanlagen 2010 an die Verbandsgemeinde Bernkastel-Kues übergeben. Die erste Bewährungsprobe erfolgte bereits zum Jahreswechsel 2010/2011. Die Mosel erreichte in Kesten einen Wasserstand von ca. 112 m ü. NN, so dass die Kreisstraße und der Ort ohne die Hochwasserschutzanlagen bereits überflutet worden wären. Im Dezember 2015 erfolgte gemeinsam mit der Struktur- und Genehmigungsdirektion Nord, Trier, der Verbandsgemeinde Bernkastel-Kues und der Gemeinde Kesten die Gewährleistungsabnahme der Hochwasserschutzanlagen, bei der keine wesentlichen Mängel festgestellt wurden.

12 12 B. Tönnis Trotz der HWS-Anlagen hat man von dem gegenüberliegenden Moselufer aus auch heute einen reizvollen Blick auf die Ortsgemeinde Kesten. 5 Literatur [1]Struktur- und Genehmigungsdirektion Nord, Regionalstelle Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft, Bodenschutz Trier, Luftbilder 1986 und 2003 [2]Grundbaulabor Trier, Baugrunduntersuchung Nr mit Ergänzung der Bodenkennwerte vom , Trier Februar 2002 und Oktober 2004 [3]geopartner GmbH, Geotechnischer Bericht Nr. 2, Hochwasserschutz Kesten, Hochwasserschutzbauwerke, Traben-Trabach Januar 2008 [4]Lastenheft für die Standsicherheitsnachweise, Hydroprojekt Ingenieurgesellschaft mbh, Weimar November 2004, aktualisiert November 2007 [5]Tönnis, B. (2008): Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten. Bautechnik Heft 12, [6]Tönnis, B., Griebel, P. (2009): Hochwasserschutz an der Mosel - Schutzmaßnahme für die Gemeinde Kesten. Beratende Ingenieure, Heft 7/8, [7]Hydroprojekt Ingenieurgesellschaft mbh, Projektunterlage zum Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, München, Mai 2002 Anschrift der Verfasser Dr.-Ing. Barbara Tönnis Lahmeyer Hydroprojekt GmbH Rießnerstraße Weimar