Bedeutung begrenzter Dichtungslecks in Staudämmen mit synthetischen Dichtungen

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1 Bedeutung begrenzter Dichtungslecks in Staudämmen mit synthetischen Dichtungen Von Josef Brauns und Ulrich Saucke Auch in der Neufassung der Stauanlagennorm DIN [1] ist der Lastfall Leck in der Dichtung als nach dem neuen Sicherheitskonzept anzusetzende Tragwiderstandsbedingung beim Nachweis des Absperrbauwerkes einer Talsperre zu betrachten. Im Anschluss an betreffende grundlegende Überlegungen, wie sie in dem vorangehenden Beitrag zu diesem Thema angestellt wurden [4], werden im vorliegenden Beitrag die hydraulischen Bedingungen als Folge örtlich begrenzter Dichtungslecks anhand konkreter Systembedingungen erläutert. Im Ergebnis zeigt sich, dass die aus örtlichen Lecks resultierenden Dammdurchströmungen von erheblichem Ausmaß sind und auch hierfür ein an hydraulischen Sicherheitselementen redundanter Querschnittsaufbau zur Gewährleistung der Sicherheit eines Absperrbauwerkes wesentlich ist. Der Sicherheitsnachweis unter der Annahme Ausfall der Dichtung sollte deshalb bei allen Dämmen mit dünnen, i. d. R. synthetischen Dichtungen als Bemessungs- bzw. Auslegungsgrundlage betrachtet werden. 1 Einführung Der Lastfall Leck in der Dichtung ist in der neugefassten DIN [1] als Tragwiderstandsbedingung von Absperrdämmen in das System der Sicherheitsbetrachtungen integriert. Es wird dort in die Bedingungen Ausfall der Dichtung und eingeschränkte Wirkung der Dichtung unterschieden. In einem vorangehenden Beitrag [4] wurde auf grundsätzliche Überlegungen zu diesem Thema einge- Bild 1: Homogener Damm mit Oberflächendichtung auf Dränschicht und schmalem, längslaufenden Leckspalt in der Dichtung (Schema); 1.) Dammkörper aus gemischtem Felsschüttmaterial F (0/600mm); 2.) Oberflächendichtung 0,1 m dick; 3.) Dränschicht Dr für Sickerwasser 2/55mm, 0,25 m dick; 4.) Kontrollgang mit Einlässen für Sickerwasser (verschließbar); 5.) Zugangsbauwerk mit Ableitung von Sickerwasser; 6.) Injektionsschleier; 7.) längslaufernder Leckspalt in 1m Tiefe unter der Wasseroberfläche, Spaltweite = 1cm gangen, und die hydraulischen Konsequenzen eines Ausfalls der Dichtung wurden an einem konkreten Beispiel dargestellt. Sie lassen sich am wirkungsvollsten durch einen an hydraulischen Sicherungselementen redundanten Dammaufbau konkret durch die Einplanung eines hinreichend leistungsfähigen luftseitigen Sickerfußes beherrschen. Bei bestehenden Stauanlagen ohne redundanten Aufbau des Dammquerschnittes kann sich beim Sicherheitsnachweis nach heutigen Anforderungen die Frage stellen, ob die Annahme des gänzlichen Ausfalles der Dichtung im Katastrophenfall wirklich zwingend ist bzw. ob nicht sinnvolle Eingrenzungen für vernünftigerweise anzunehmende Leckkonfigurationen getroffen werden können. Leckkonfigurationen (Größe, Sitz, Verteilung) sind in großer Vielfalt möglich; Festlegungen für konkrete Fälle erscheinen eher willkürlich und insoweit kaum sachgerecht. Im Abschnitt Eingrenzungen von Dichtungslecks nach Lage und Größe unseres vorangehenden Beitrages sind allgemeine Überlegungen zur Orientierung angestellt worden. Daraus wird deutlich, dass die Annahme von z. B. offenen Spalten oder örtlich begrenzten Lecks bestimmter Größe je nach den in Betracht gezogenen auslösenden Ereignissen sozusagen Mindestbedingungen darstellen, die bei Sicherheitsüberlegungen ins Auge gefasst werden sollten. Zur beispielhaften Demonstration der Auswirkungen von derartigen Mindestbedingungen von anzunehmenden Leckagen auf das hydraulische Geschehen in realen 28 WaWi

2 Dämmen werden am konkreten Beispiel eines homogenen Dammes hier die vereinfachten Fälle durchgehender Leckspalt von 1 cm Weite in Längsrichtung des Dammes und örtliches Leck von 1 m 2 Größe in der Nähe des Stauspiegels untersucht. Auch diese stark schematisierenden Annahmen sind selbstverständlich willkürlich, sie sollen aber auch nur beispielhaft naheliegende Fälle ersatzweise repräsentieren und als Grundlage für verallgemeinernde Schlussfolgerungen dienen. 2 Hydraulische Vorgänge bei begrenzten Dichtungslecks 2.1 Vorbemerkung Hydraulisch gesehen stellen Dämme mit leckbehafteten Oberflächendichtungen und irgendwie gegliedertem Querschnittsaufbau jeweils ein System von hintereinander geschalteten Fließwiderständen dar, die zusammenwirken und gemeinsam den Abbau des Staupotenzials vom Becken ins Unterwasser bewirken. Dabei ist es zumeist ein Element der Widerstandskette, das den Hauptanteil des Potenzialabbaus übernimmt und also das hydraulische Geschehen im Wesentlichen kontrolliert. 2.2 Oberflächendichtung mit längs durchlaufendem Leckspalt Einige wesentliche quantitative Zusammenhänge seien an dem einfachen schematisierten Querschnittsbeispiel nach Bild 1 diskutiert. Die Annahme eines Lecks in der Nähe des Stauspiegels wird hier getroffen, weil der nicht vom Wasserdruck belastete Teil eines oberflächengedichteten Dammes am ehesten z. B. durch Erdbebenschäden befallen wird. Für die quantitative Abschätzung der sickerhydraulischen Vorgänge greifen wir auf Materialdaten zurück, wie sie uns aus konkreten Projektbearbeitungen vorliegen: Die im Dammquerschnitt beteiligten Materialien seien (Bild 2): ein im Sand-Kies-Steine-Bereich gemischtkörniges Felsschüttmaterial F (0/600 mm), k F m/s die Dränschicht Dr unter der Dichtung mit einer Körnung im Kiesbereich (2/55 mm), k Dr 10-1 m/s WaWi Bild 2: Kornverteilungslinien und Kenngrößen der Materialien im Damm gemäß Bild 1 Im Falle des Auftretens eines streifenförmigen, längslaufenden Leckspaltes unterhalb des Wasserspiegels laufen die nachfolgend beschriebenen Prozesse ab. Die zur Analyse durchgeführten numerischen Simulationsrechnungen wurden mit der Software SPRING der Firma delta h, Bochum, durchgeführt: Beckenwasser tritt durch den Leckspalt in die zunächst wasserfreie Dränschicht unter der Oberflächendichtung ein. Zur groben mengenmäßigen Abschätzung kann man auf folgende Zusammenhänge zurückgreifen: q Spalt = v _ s = spezifischer Ausfluss v _ = mittlere Ausflussgeschwindigkeit = α 2 g h, (α = Ausflussbeiwert, z. B. α = 0,5) q Spalt = 0,5 2 g l 0,01 = 0,022 m 3 /(s m) = 22 l/(s m) Das Wasser sickert aufgrund der großen Durchlässigkeit des Dränmaterials zunächst vorzugsweise in Richtung Kontrollgang ab. Sofern es durch die dort befindlichen Auslassöffnungen ungehindert austreten kann, ist der mögliche Abfluss in der geneigten Dränschicht durch deren Durchlässigkeit und Schichtdicke sowie durch das aus der Neigung resultierende geodätische Gefälle begrenzt (Bild 1): k Drän 10-1 m/s (Bild 2) i = sin β = 0,47 (β = 28, Bild 1) a = 0,25 m 2 /m (Bild 1) q Drän = k i a = ,47 0,25 = 0,0118 m 3 /(s m) 12 l/(s m) Wie der Vergleich q Drän mit q Spalt zeigt, ist die Dränschicht das limitierende Element (nicht etwa der Leckspalt). Es ist also zu erwarten, dass es in der Dränschicht zum gesättigten Abfluss kommt. Bei den unter obigen Annahmen zustande kommenden Abflussmengen ist allerdings kaum zu erwarten, dass die in aller Regel nur in gewissen Abständen vorliegenden Auslassöffnungen in den Kontrollgang einen druckfreien Abfluss gestatten. Eher werden diese zum abflussregulierenden Element mit der Folge, dass sich in der Dränschicht Druck aufbaut. Dies gilt besonders dann, wenn die Auslassöffnungen wegen der großen ankommenden Wasserflüsse gedrosselt oder ganz geschlossen werden sollten. In diesem Falle baut sich in der Dränschicht das volle Staupotenzial auf, d. h. der Dammkörper wird voll eingestaut. Infolgedessen setzt eine Wasserinfiltration in den Dammkörper ein, die 29

3 nach Maßgabe der Durchlässigkeit des Dammschüttmaterials, seiner Porosität und der bereits vor dem Schadensereignis vorliegenden Vorsättigung (S r 0) in den Dammkörper voranschreitet. In Bild 3 sind die Sickerfronten zu bestimmten Zeiten nach plötzlichem Aufbringen des Staupotenzials dargestellt, wie sie (2-dimensional) durch FE-Berechnungen für das Querschnittsbeispiel in Bild 1 ermittelt wurden. Für eine Vorsättigung von S r 0 = 10 % dauert es unter den Kennwerten nach Bild 1 bis zum Erstaustritt von Wasser am luftseitigen Dammfuß etwa t aus = 8,0h, bis zum Erreichen der stationären Dammdurchsickerung etwa t stat = 13 h (bei Vorsättigung S r 0 > 10% sind die betreffenden Zeiten naturgemäß geringer). Der spezifische Durchfluss durch den Damm im stationären Zustand resultiert im betrachteten Beispiel zu q Damm 4,3 l/(s m) Dieser Wert ist nun wieder beträchtlich geringer als der obige Wert q Drän, da nun offensichtlich der Dammkörper mit seiner geringeren Durchlässigkeit und seinem größeren Volumen das die Durchsickerung limitierende Element ist. Verhindern lässt sich das Eintreten der Dammdurchsickerung ggf. nur durch rechtzeitige Senkung des Stauspiegels unter das Niveau des Lecks in der Dichtung. Sollten allerdings klaffende Dichtungsrisse z. B. infolge von dynamischen Dehnungen während eines Erdbebens [4] über die Böschungsoberfläche verteilt, also auch im unteren Dammbereich auftreten, so wäre eine beträchtliche Wasserinfiltration in den Dammkörper kaum mehr zu unterbinden, es sei denn, das Staubecken könnte tatsächlich in kürzester Zeit geleert werden. Dass ein Durchsickerungszustand, wie er in Bild 3 in seiner Entwicklung dargestellt ist, den Damm am Ende in die Gefahr des Versagens der luftseitigen Böschung bringt, versteht sich und sei deshalb hier nur vollständigkeitshalber noch erwähnt. 2.3 Oberflächendichtung mit örtlich begrenztem Leck Aus dem Vorstehenden ist deutlich geworden, dass die unter einer Oberflächendichtung gewöhnlich vorhandene Dränschicht, mit der im Normalzustand einer betreffenden Stauanlage kleine Leckagen erkannt und ein Wasserdruckaufbau hier wirksam verhindert werden soll, im Fall gravierender Lecks den ungünstigen Effekt einer relativ widerstandsfreien Ausbreitung des Leckwassers mit sich bringt. Dies gilt naturgemäß nicht nur für den im Vorstehenden betrachteten, längs durchlaufenden Leckspalt, sondern im Prinzip auch für ein örtlich begrenztes Leck. Allerdings muss sich das Leckwasser dann quasi von einem Leckpunkt unter der Dichtung in alle Richtungen verteilen. So könnte sich die Frage stellen, ob bei einem örtlichen Leck nicht womöglich doch der Effekt des nur lokalen Wassereintrittes zu insgesamt hydraulisch erheblich günstigeren Ergebnissen führt. Um Anhaltspunkte zur Beantwortung dieser Frage zu gewinnen, ist im Rahmen dieser Studie der in Bild 4 skizzierte Fall exemplarisch mit einer dreidimensionalen numerischen Berechnung nachvollzogen worden. Bild 3: Instationäre Durchsickerung des Dammes nach Bild 1 bei mangelnder Vorflut durch das Dränagesystem Die Ergebnisse der Berechnung in Form der Sickerlinien und des Durchflusses sind in einem Querschnittsprofil in Bild 5 wiedergegeben, nämlich simultan für das Profil in Damm-Mitte und für die Profile an den Damm-Enden. Im Vergleich zu dem Fall mit längs durchlaufendem Leckspalt von 1 cm Weite ergibt sich in der Tat eine abgeminderte Durchsickerung nach mittlerer Höhe der Sickerlinie und nach dem Gesamtdurchfluss (vgl. oben): Q örtliches Leck = 0,13 m 3 /s < Q Leckschlitz = 150 q Damm = 150 0,0043 0,65 m 3 /s (Bild 3) Gleichwohl ist auch in diesem Fall von einer beträchtlichen Durchsickerung des gesamten Dammes auszugehen. Bild 4: Damm nach Bild 1, 150 m langer Abschnitt (zwischen vertikalen Flanken), quadratförmiges Leck mit 1 m 2 Öffnungsfläche in Oberflächendichtung bei 1m unter Stauspiegel Von einer (sehr aufwändigen) instationären Berechnung der zeitlichen Entwicklung der Durchsickerung des Dammes nach Auftreten des betrachteten zentralen 30 WaWi

4 Lecks in Wasserspiegelnähe ist wegen der Ähnlichkeit dieses Ergebnisses mit dem früheren abgesehen worden. Naturgemäß benötigt die Aufsättigung hier etwas mehr Zeit als beim durchlaufenden Leckspalt; der Unterschied ist allerdings nicht beträchtlich, da für den Antrieb der Durchsickerung auch hier das gesamte Staupotenzial (30 m) zur Verfügung steht. Zum Vergleich ist noch eine ähnliche Berechnung für ein unten in der Nähe des Kontrollganges liegendes Leck durchgeführt worden. Im vorliegenden Rahmen mag die Anmerkung genügen, dass wie nun schon zu erwarten dafür ähnliche Ergebnisse wie in Bild 5 dargestellt erhalten wurden, selbstverständlich ohne den Leckwassereintrag von oben, wie er sich dort für das hochliegende Leck im Mittelbereich des Dammes ergeben hat. Was Gegenwehrmaßnahmen im Auftretensfalle solcher Lecks betrifft, so können diese wieder im Absenken des Beckenspiegels bzw. in der schnellen Beckenentleerung gesehen werden (mit den im vorangehenden Beitrag genannten Einschränkungen). Je nach Durchlässigkeit des Dammmaterials steht dafür allerdings nicht viel Zeit zur Verfügung. Bei einem örtlich hoch liegenden Leck mag noch die Begrenzung der Wasserinfiltration mittels Aufbringen eines Lecksegels oder dergleichen in Frage kommen. Je nach den im Einzelfall vorliegenden Gegebenheiten mag zu entscheiden sein, ob man sich angesichts der gravierenden hydraulischen Konsequenzen für die Sicherheit eines Dammes auf derartige Notwehrmaßnahmen verlassen will. 2.4 Geringfügige Lecks bei großer Dammdurchlässigkeit Aus dem Vorstehenden könnte der Eindruck entstehen, dass es bei Dichtungslecks vollkommen unabhängig von deren Größe und von der Durchlässigkeit des Dammmaterials stets zu einer beträchtlichen Dammdurchsickerung bzw. Dammaufsättigung kommen muss, wenn der Einstau nicht rechtzeitig abgefahren werden kann. So ist es in der Tat nicht, kommt es doch auf die relativen Verhältnisse von Leckgröße und Dammdurchlässigkeit an (Reihenschaltung der Fließwiderstände, vgl. oben). Zur Veranschaulichung sei ein (allerdings außergewöhnliches) Beispiel aus Japan angeführt, ein Concrete Faced Rockfill Dam (CFRD), der bereits um die 1960er Jahre WaWi Bild 5: Ergebnisse der 3-D-Berechnungen (stationärer Zustand) für ein örtliches Leck in der Oberflächendichtung eines 150m langen Dammes gebaut worden ist [2]. Ein vereinfachter Querschnitt nach der erwähnten Veröffentlichung ist in Bild 6 wiedergegeben. Danach ist unter der Oberflächendichtung aus bewehrtem Beton eine Zone von gesetzten Felsblöcken angeordnet; der übrige Dammkörper besteht aus außergewöhnlich grober Felsschüttung, für die die im Bild 6 dargestellte Kornverteilung angegeben wird. Eine Leckwasserkontrolldränschicht wie in den vorangehend betrachteten Fällen kommt unter solchen Umständen nicht infrage. Die gesetzte Blockschicht wird im wesentlichen der Schaffung einer ausreichend ebenen Oberfläche für die Aufbringung der Betondichtung gedient haben. Sie mag in hydraulischer Hinsicht eher eine gewisse bremsende Wirkung im Vergleich zum übrigen Dammkörper haben. Beim Schüttmaterial handelt es sich um eine veritable Blockschüttung im Körnungsbereich von Schotter bis zu Blöcken mit Meter-Abmessungen, durch die allfälliges Leckwasser selbst in sehr großen Mengen widerstandsfrei durchfällt und zur Luftseite fließen kann. Dem entsprachen auch die Beobachtungen zu den Sickerwasserdurchtritten. In der Folge der ersten Beckenfüllung traten Verformungen der Oberflächendichtung (Senkungen, Verschiebungen) im Dezimeterbereich auf; Fugen öffneten sich teilweise, und zwar bereichsweise bis zu fast 3 cm. Der überwiegende Teil der Fugen der Oberflächendichtung wurde allerdings aufgrund der Gesamtverformung des Dammkörpers eher zusammengepresst. Insgesamt resultierten zunächst Sickerwasserdurchtritte durch den in einem engen Tal mit steilen Flanken stehenden Damm in Höhe von 220 l/s (bei Vollstau). Für den Dammkörper erwiesen sich solche Durchflüsse als unproblematisch. In der Folgezeit (1963 bis 1975) war der Damm vier bemerkenswerten Erdbeben The Signifiance of Limited Sealing Leaks in Dams with Synthetic Sealing by Josef Brauns and Ulrich Saucke In the new version of the norm for dam construction (German Industrial Norm DIN 19700) the load condition leak in the sealing should also be regarded as structural resistance condition to be estimated according to the new safety concept, when verifying the safety of a water retaining dam. Following the relevant fundamental observations made in the previous contribution on this subject [4], in this contribution the hydraulic conditions as a result of locally limited sealing leaks will be illustrated based on the specific system conditions. As a result, it can be seen that the dam seepage resulting even from local leaks is quite extensive and that also for this purpose a profile redundant of hydraulic safety elements to ensure the safety of an embankment dam is fundamental. The verification of safety under the assumption that there is a sealing failure should therefore be regarded as the assessment basis or construction basis for all dams with thin seals, which are as a rule synthetic. 31

5 ausgesetzt, die zu erneuten Deformationen führten. Relativ unabhängig davon entwickelten sich durch fortlaufende Verschlechterung des Zustandes von Dichtungsfugen die Sickerwasserdurchtritte stetig weiter und erreichten 1980 schließlich 420 l/s. Man hat sich dann zu einer vollständigen, sehr aufwändigen Grundsanierung der Oberflächendichtung entschlossen. An diesem Beispiel ist zu erkennen, dass es bei außerordentlich großer Durchlässigkeit des Dammmaterials den Fall geringfügiger Lecks in dünnen Dammdichtungen tatsächlich geben kann. In diesen Fällen wird hydraulisch gesehen das Staupotenzial im wesentlichen im Leckbereich selbst abgebaut, und die Durchflüsse fließen in dem sehr offenen Porengefüge des Dammschüttmaterials mehr oder minder zwangsfrei ab. Hier könnte man um auf die Terminologie der neu gefassten DIN zurückzukommen in der Tat von eingeschränkter Wirkung der Dichtung sprechen, wie sie dort unter der Tragwerksbedingung B angeführt ist. Derartige Verhältnisse liegen aber in der Tat nur vor, wenn die Dichtungslecks geometrisch eng begrenzt sind und gleichzeitig die Durchlässigkeit des Dammes außerordentlich groß ist. Letztere Bedingung, nämlich ein Schüttmaterial mit Korngrößen vom Schotter aufwärts, ist unserer Erfahrung nach wenn überhaupt nur in Ausnahmefällen gegeben. Auf einem anderen Blatt steht dabei noch, ob derartige Verhältnisse, dass Leckwasser unter vollem Staudruck durch Dichtungslecks schießt, hinter denen keinerlei oder nur sehr geringer Gegendruck ansteht, einer solchen Konstruktion über beträchtliche Dauer zugemutet werden kann, auch wenn der Sickerwasserdurchgang durch den Dammkörper an sich gefahrlos erfolgt. Im zitierten Fall ist man zur gegenteiligen Schlussfolgerung gekommen, indem man zu Erneuerungsmaßnahmen gegriffen hat. 3 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Die DIN [2] sieht auch in der im Jahr 2004 erschienenen Neufassung vor, dass die Bedingung Leck in der Dichtung beim Sicherheitsnachweis in Betracht zu ziehen ist. Definiert ist dies durch die in Teil 11, Abschnitt festgeschriebenen Tragwiderstandsbedingungen B eingeschränkte Wirkung bzw. C Ausfall der Dichtung. Im vorliegenden Beitrag wird unter Bezugnahme auf eine vorangehende Veröffentlichung [4] auf dieses Problem am Beispiel einiger Fälle oberflächengedichteter Dämme eingegangen. Aufbauend auf früheren Betrachtungen zum Leckageproblem bei dünnen Dammdichtungen wird aufgezeigt, dass es bei den üblicherweise vorliegenden Dammschüttstoffen (auch sogenannten Felsschüttungen) schon bei verhältnismäßig geringfügig erscheinenden Dichtungslecks zu ausgedehnten und ohne zusätzliche Sicherheitselemente nicht verträglichen Dammdurchsickerungen kommen kann. Einem an Sicherheitselementen redundanten Dammaufbau zur Abdeckung von Gefahren aus Dichtungsbeschädigungen (gleich welcher Verursachung) kommt, wie die Betrachtungen zeigen, stets eine große Bedeutung beim Schutz der Unterlieger vor etwaigen Gefährdungen aus Talsperren zu. Wo ein solcher Dammaufbau nicht gegeben ist, legen die dargestellten Untersuchungsergebnisse eine angemessene Ertüchtigung nahe. Bei Sicherheitsüberprüfungen nach heutigen Anforderungen [3] wird sich betreffendes Erfordernis zwangsläufig ergeben. Eine Unterscheidung in die erwähnten Tragwiderstandsbedingungen B und C erscheint dabei weniger sachgerecht. Sicherheitshalber sollte für außergewöhnliche Bedingungen der Nachweis unter Fortfall der Dichtungswirkung geführt werden; daraus resultiert dann zumeist zwangsläufig ein an Sicherungselementen redundanter Querschnittsaufbau des Dammes. Literatur [1] Norm DIN Stauanlagen. Normenausschuss Wasserwesen im DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Juli [2] Matsumoto, N.; Takahashi, M.; Sato, F. (1985): Repairing the Concrete Facing of Minase Rockfill Dam. In: CIGB/ICOLD 15th Congress on Large Dams, Lausanne 1985, Q. 59, R. 13. [3] DVWK (Hrsg.): Sicherheitsbericht Talsperren Leitfaden. In: DVWK-Merkblätter, Nr. 231, [4] Brauns, J.; Sucke, U.: Der Lastfall Leck in der Dichtung bei Staudämmen mit synthetischen Dichtungen. In: Wasserwirtschaft 95 (2005), Heft 11. Anschrift der Verfasser: Prof. Dr.-Ing. Josef Brauns Carl-Hofer-Straße Karlsruhe; Dr.-Ing. Ulrich Saucke Universität Karlsruhe Abteilung Erddammbau und Deponiebau, am Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik Engler-Bunte-Ring Karlsruhe ulrich.saucke@ibf.uni-karlsruhe.de Bild 6: Hauptquerschnitt des Minase-Dammes in Japan [2] 32 WaWi