Die zeitabhängige Durchströmung von Dämmen

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1 Wechselwirkung Bauwerk Grundwasser Die zeitabhängige Durchströmung von Dämmen Einleitung Dr.-Ing. H. Montenegro, BAW Karlsruhe Dämme und Deiche stellen Erdbauwerke dar, die so dimensioniert werden müssen, dass sie Standsicherheitskriterien für eine Reihe unterschiedlicher Lastfälle genügen. Der Beitrag aus der hydraulischen Belastung stellt hierbei eine wesentliche Komponente dar. In der Regel wird der Endzustand einer vollständigen Durchströmung als der ungünstigste und daher geotechnisch maßgebende Lastfall angesehen. Wenn die Einwirkungen den Widerstand, den das Erdbauwerk und gegebenenfalls der Untergrund bieten, überschreiten, kann es zum Versagen des Bauwerks hinsichtlich seiner Gebrauchstauglichkeit oder gar Tragfähigkeit kommen. Zeitliche Entwicklung einer Durchströmung Es gibt Belastungssituationen in Erdbauwerken, bei denen der zeitliche Verlauf von Aufsättigung und Durchströmung eine fundiertere Beurteilung der Belastungsbildung ermöglicht. So kann ein rasches Fallen des Wasserstands erhebliche hydraulische Gradienten auf der wasserseitigen Böschung bewirken, wie in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1: Hydraulische Belastung und Ausbreitung der Aufsättigung Einen weiteren Lastfall, der in der Beratungspraxis häufig auftritt, stellt der Ausfall eines Dichtungselementes dar. Hier stellen sich Fragen nach den Auswirkungen auf die Grenzzustände (Tragfähigkeit oder Gebrauchstauglichkeit), der Kontrolle der zusickernden Wassermengen sowie nach der Ortung solcher Lecks. Modellierung teilgesättigter Strömungen Die Untersuchung von Fließprozessen in teilgesättigten Erdbauwerken stellt sich außerordentlich komplex dar, da die Durchlässigkeits- und Speichereigenschaften der eingesetzten Erdmaterialien sich im Verlauf einer Aufsättigung erheblich ändern. Eine detaillierte Beschreibung dieser Fließprozesse kann derzeit nur auf Grundlage numerischer Modelle durchgeführt werden.

2 Wechselwirkung Bauwerk Grundwasser Seite 2 Will man sich mit der zeitlichen Entwicklung von Aufsättigung und Durchströmung in Erdbauwerken detaillierter befassen, dann ist man gezwungen, sich mit einer Reihe Fragen hinsichtlich der Zuverlässigkeit von Modellberechnungen auseinander zu setzen. Charakterisierung bodenhydraulischer Eigenschaften Problematisch stellt sich die Charakterisierung der bodenhydraulischen Eigenschaften dar. Die Speicher- und Durchlässigkeitseigenschaften können sich je nach Boden in einem sehr großen Bereich mit dem Sättigungsgrad ändern. Auch ist der Einfluss des Spannungszustandes auf die bodenhydraulischen Eigenschaften derzeit noch kaum bekannt. Zusammen mit dem IBF, Uni Karlsruhe wurde ein Versuchstand (s. Abbildung 2) konzipiert, der eine rasche Bestimmung der bodenhydraulischen Parameter für unterschiedliche Spannungszustände ermöglicht. Abbildung 2: Versuchstand zur Bestimmung Bodenhydraulischer Parameter Maßstabsübergang In der Grundwasserhydraulik stellt sich ein grundsätzliches Problem bei der Übertragung von Laborwerten (Stechzylinderprobe) auf den für ein Bauwerk relevanten Maßstab. Zur detaillierten Prozessuntersuchung wurden auf dem Gelände der BAW aufwendige Großversuche (s. Abbildung 3) durchgeführt. Hierbei wurden die Wasserstände, die Temperaturverteilung sowie die Setzungen im Dammkörper räumlich und zeitlich hoch aufgelöst aufgezeichnet. Die hierbei gewonnenen Daten stellen eine fundierte Grundlage dar, um numerische Berechnungen zur zeitlich verän-

3 Wechselwirkung Bauwerk Grundwasser Seite 3 derlichen Aufsättigung sowie zum Transport von Wasser und Wärme (s. Abbildung 4) im relevanten Maßstab durchzuführen. Abbildung 3: Erstellung des Modelldamms Abbildung 4: Geschwindigkeitsfeld und Temperaturverteilung bei Leckdurchströmung Räumliche Strömungsprozesse Es gibt eine Reihe Belastungssituationen, die zu einer räumlichen, dreidimensionalen Strömung führen. In der geotechnischen Praxis stellt jedoch der Einsatz dreidimensionaler Strömungsmodelle (siehe Abbildung 5) eher die Ausnahme dar. Berechnungen erfolgen allenfalls zweidimensionaleben, so dass die konkrete 3D-Belastung in Form Ersatzmodellen abgeschätzt werden müssen. Allerdings ist nicht immer eindeutig klar, ob die gewählten Ersatzsysteme auf der sicheren Seite liegende Ergebnisse liefern und darüber hinaus wäre eine Quantifizierung der Sicherheitsreserven von Interesse. Im Rahmen numerischer Studien sollten an einem konkreten Beispiel die Effekte herausgearbeitet werden, die sich aus der Verwendung unterschiedlicher Dimensionalität

4 Wechselwirkung Bauwerk Grundwasser Seite 4 Abbildung 5: 3D-Modell zur Untersuchung einer räumlicher Dammdurchsickerung Leck Abbildung 6: Vergleich 2D-3D Berechnungen anhand der Potentialverteilung zu Beginn der Infiltration ergeben (2D-vertikal-ebene Betrachtung gegenüber 3D, s. Abbildung 6). Hierzu wurde das Szenario einer Fehlstelle in einem gedichteten Kanaldamm vorgegeben. Der Kanaldamm wird zudem von einem Dükerbauwerk unterquert, unter dem eine hydraulisch wirksame Schicht angenommen wird. Bei dieser aus der Praxis der Wasserschifffahrtsverwaltung stammenden Bauwerkskonfiguration ist eine rasche Infiltration sowie Ausbreitung des hydraulischen Potentials entlang der Fuge zu erwarten.

5 Wechselwirkung Bauwerk Grundwasser Seite 5 Lufteinschlüsse und Druckausbreitungsdynamik Schließlich ist zu überprüfen, ob das eingesetzte numerische Instrumentarium die maßgebenden Prozesse tatsächlich abbildet. So haben Feldbeobachtungen sowie zahlreiche Laboruntersuchungen durch das Referat G4, Erdbau und Uferschutz nachgewiesen, dass in Deckwerken, Dämmen oder Böschungen aufgrund der wechselnden hydraulischen Belastung geringe Mengen an Luft im Porenraum eingeschlossen werden können. Je nach Durchlässigkeitseigenschaften und hydraulischen Randbedingungen (z. B. plötzlicher Abstau) kann die eingeschlossene Bodenluft die Ausbreitungsdynamik von Druckänderungen erheblich dämpfen. Es ist gelungen durch eine physikalisch fundierte Parametrisierung die Auswirkungen von Lufteinschlüssen auf die Ausbreitungsdynamik von Druckänderungen im Kontext eines gesättigt-ungesättigten Modells abzubilden. Mit diesem Modell lassen sich nun diese Effekte für komplexere Geometrien systematisch untersuchen. Zusammenfassung und Ausblick Im Beitrag werden Fragestellungen aus der Beratungspraxis und deren Untersuchung im Kontext numerischer Verfahren vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die Beschreibung der Aufsättigung und Durchströmung in ihrer zeitlichen Entwicklung aufgrund der erforderlichen Eingangsdaten (Parameter, Anfangs- und Randbedingungen) her anspruchsvoll ist. Auf der anderen Seite können instationäre Betrachtungen ein detaillierteres Bild des Belastungsverlaufes zugänglich machen. Manche Fragestellungen erfordern eine eingehendere Untersuchung im Rahmen von Forschungsund Entwicklungsvorhaben. Diese betreffen vor Allem Fragen einer raschen Parameterbestimmung sowie der geeigneten Abbildung räumlich komplexer Infiltrationsprozesse mit vereinfachten Modellen. Auf Grundlage der bei der instationären Berechnung teilgesättigter Strömungen gewonnenen Erfahrungen konnte ein Ansatz formuliert werden, mit dem sich Effekte aus Lufteinschlüssen unterhalb des Grundwasserspiegels abbilden lassen.