1:1 Feldversuche für flexible Schutznetze gegen Murgang Versuche, Bemessung, Anwendungen

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1 1:1 Feldversuche für flexible Schutznetze gegen Murgang Versuche, Bemessung, Anwendungen M. DENK & A. ROTH Geobrugg AG Schutzsysteme, Romanshorn, Schweiz C. WENDELER & A. VOLKWEIN Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf, Schweiz Zusammenfassung Flexible Ringnetzbarrieren aus hochfestem Stahldraht zum Schutz vor Murgängen stellen eine effiziente und kostengünstige Alternative zu Betonschwellen dar. Um das Systemverhalten solcher Murgangbarrieren genauer zu studieren, werden im Illgraben (Schweiz) seit dem Jahr :1 Feldversuche durchgeführt. Die Versuche haben gezeigt, dass eine flexible Murgangbarriere den bei Erstfüllung und Überfliessen entstehenden Kräften standhält. Somit sind auch mehrstufige Murgangbarrieren möglich. Die Messinstrumente der Barriere sowie Laborversuche auf einer Rutsche lieferten Messdaten, mit welchem eine Grundlage zur Dimensionierung mittels FE-Programm gelegt wurde. Im vorliegenden Bericht werden die Resultate aus dem Jahr 2006 diskutiert und erste Resultate mit dem numerischen Modell gezeigt. 1 Einführung Murgänge werden meist durch Starkniederschläge in Bergregionen ausgelöst, bei welchen das Wasser schnell in den Boden infiltriert und damit Erdmaterial loslösen kann. Die so entstehenden Gemische aus Wasser und Feststoffen fliessen mehrheitlich in Gerinnen talwärts und können dabei grössere Steine und Blöcke transportieren. Bricht ein solcher Murgang aus dem Gerinne aus, können grosse Zerstörungen von Infrastrukturen und Kulturland die Folge sein. Bekannte Schutzmassnahmen gegen Murgänge sind Konstruktionen aus Stahlbeton als Rückhalt oder Dämme zum Umlenken des Murstroms in weniger gefährdete Gebiete. Diese sind meist für sehr grosse Murgänge (> 100'000 m 3 ) oder kleinere, aber häufig auftretende Ereignisse ausgelegt und bedingen massive bauliche Massnahmen. Als Alternative für Murgänge mit Volumina zwischen 1'000 m 3 25'000 m 3 bieten sich flexible Murgangsperren aus hochfestem Stahldrahtringnetzen (Abb. 1) an, welche mit Stahldrahtseilen (versehen mit Bremselementen) quer über das Gerinne gespannt werden. Die so gebildete Barrieren können durch die flexible Verformung des Netzes und der Bremselemente die Front des Murgangs abbremsen. Durch den Siebeffekt werden die Feststoffe hinter der Barriere abgelagert. Die Verformbarkeit der Barriere und die langen Bremswege gewährleisten eine optimale Kraftverteilung und reduzieren die maximal auftretenden Kräfte in den Ankern erheblich. Flexible Ringnetzsperren sind leicht und können einfach installiert werden. Ein grosser Vorteil von solchen Ringnetzsperren sind die einfache Verankerung in den Flanken des Gerinnes mittels Spiralseilankern und die schnelle Montage von Seilen und Netzen. Dazu sind nur eine leichte Bohrlafette und bei Bedarf ein Bagger nötig. Alles Material kann wenn nötig auch mit dem Helikopter zur Einbaustelle geflogen werden, was vor allem bei schwer zugänglichen Baustellen ein grosser Vorteil sein kann. Flexible Ringnetzsperren bewähren sich seit Jahrzehnten als Schutznetze gegen Steinschlag. Zur Untersuchung der Lasteinwirkungen von Murgängen auf Ringnetze wurde ein Forschungprojekt in Zusammenarbeit der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL initiiert.

2 Seit 2005 werden im Illgraben (Schweiz) 1:1 Feldversuche mit flexiblen Ringnetzbarrieren durchgeführt. In Laborversuchen mit einer Rutsche werden ausserdem die Fliesseigenschaften von Material aus dem Illgraben und anderen Murganggerinnen untersucht. Die Daten dienen zur Kalibrierung eines numerischen Modells (FE-Programm FARO [9]). der Energie absorbiert (Abb. 3). Kräfte bis zu 400 kn können auf die Anker abgetragen werden. Abb. 3: Vergleich zwischen nicht-deformiertem (links) sowie deformiertem Bremsring (rechts) Abb. 1: Murgangablagerungen vor einem Haus und gefüllte Ringnetzbarriere 2 Murgangsperren aus flexiblen Ringnetzbarrieren Es gibt zwei verschiedene Grundtypen von Sperrenaufbauten (Abb. 2). Für weitere, U-förmigie Gerinne werden sogenannte UX-Ringnetzbarrieren mit Stützen eingesetzt. Für schmalere, bis m breite Gerinne können Ringnetzsperren ohne Stützen (Typ VX) verwendet werden. Standardhöhen für solche Werke liegen zwischen 3 6 m. 3 Murgangbeobachtungsstation Illgraben, Schweiz Der Illgraben in Susten b. Leuk (Kanton Wallis) ist eines der aktivsten Murgangerinne der Schweiz. Im Durchschnitt ereignen sich 6 8 Murgänge in Jahr, welche jedes Mal mehrere 10'000 m 3 Material transportieren. Der Illgraben wird seit dem Jahr 2000 von der WSL mit verschiedenen Messinstrumenten und Videokameras überwacht. Zu den Messeinrichtungen gehören Geophone und Lasermessgeräte zur Messung der Frontgeschwindigkeit bzw. Fliesshöhe des Murgangs sowie eine Murgangwaage zur Bestimmung von Gewicht und Dichte des Murgangs [5]. 3.1 Testbarriere Illgraben Seit 2005 wird jedes Jahr im untersten Teil des Illgrabens nahe der Mündung in die Rhone eine flexible Murgangbarriere aus Ringnetzen zu Testzwecken eingebaut (Abb. 4). An und um die Murgangbarriere wurden verschieden Messinstrumente installiert, um die Interaktion zwischen Murgang und flexibler Barriere zu untersuchen. Abb. 2: UX-Murgangbarriere mit Stützen (oben) sowie VX-System ohne Stützen (unten) Bei beiden Systeme wird das Ringnetz an horizontal gespannten Stahldrahtseilen aufgehängt, welche mit Spiralseilankern in den Flanken des Gerinnes verankert sind. Das Netz hat die Aufgabe, die auftretenden Flächenlasten auf die Seile und die dort integrierten Bremselemente zu übertragen. Durch das Zusammenziehen der ringförmigen Bremselemente wird ein Teil Abb. 4: Gefüllte Ringnetzbarriere im Illgraben 2006 Oberhalb der Barriere misst ein Lasermessgerät die Füllhöhe der Barriere. Auf der orographisch rechten Seite des Gerinnes ist eine Videokamera positioniert. Ein Flutlicht sorgt nachts oder bei schlechtem Wetter für genügen Beleuchtung. Ausserdem wurden zur Kräftemessung 6 Kraftmesszellen (Messbereich bis zu 500 kn) in den Tragseilen integriert (Abb. 5).

3 Aus den gemessenen Daten wurde ersichtlich, dass die Front beim Füllereignis mit ca. 2.9 m/s auf die Barriere auftraf. Aufgrund des relativ flüssigen Murgangs (Dichte zwischen 1'600 1'800 kg/m 3 ) war die Auffüllzeit mit über 1 Minute vergleichsweise lang. Die hohe Dichte des Schlammstroms ermöglichte aber dennoch den Transport von grösseren Steinen und Blöcken. Das hinter der Barriere zurückgehaltene Volumen wurde mittels 3-D Vermessung vor und nach dem Ereignis bestimmt und betrug ca m 3 (Abb. 7). Abb. 7: 3D-Vermessung des Illgrabens an der Testsperrenstelle bevor und nach Füllung Abb. 5: Lasermessgerät (oben links), Kraftmesszelle (unten links), Videokamera sowie Beleuchtung (rechts) Alle Messungen werden durch Geophone weiter oberstrom ausgelöst. Die Daten werden via Modem direkt an die WSL gesendet. Im Jahr 2005 konnten so mehrere Murgänge, welche die Testbarriere überflossen, beobachtet werden. Im April 2006 wurde eine neu entwickelte Testbarriere innerhalb von nur einer Woche eingebaut (Abb. 6). Im Vergleich zur Testbarriere von 2005 wurden nur 2 anstatt 3 Tragseilpaare verwendet [1]. Die Barriere wurde während des Jahres 2006 nochmals von 5 grossen Murgängen und insgesamt von über 200'000 m 3 Murgangmaterial überströmt, ohne dabei Schaden zu nehmen. Die grössten Murgänge im Bezug auf das Volumen traten im Juni und Anfang Juli auf (Tabelle 1). Datum Volumen Dichte Fliesshöhe Frontgeschw. Front m 3 kg/m 3 m m/s 18. Mai 15' wässrig 24. Juni 50' granular 27. Juni 70' (~1800) wässrig & granular 18. Juli 50' wässrig 28. Juli 10' granular 3. Okt. 10' granular Tabelle 1: Murgangereignisse Illgraben 2006 [6] Die in den Tragseilen gemessenen Kräfte während des Füllerprozesses sind in Abbildung 8 dargestellt. Die maximalen Kräfte in jedem der unteren Tragseile betragen 240 kn, jedes der oberen Tragseile ist mit maximal 150 kn belastet. Abb. 6: Sperrenaufbau Resultate Vier Wochen nach Aufbau der Sperre wurde diese am 18. Mai 2006 durch einen grossen Murgang gefüllt und danach überströmt. Alle Messinstrumente wurden erfolgreich aktiviert und die Messungen gespeichert. Somit konnte die Barriere unter realen Bedingungen getestet werden. Abb. 8: Seilkräfte und Füllhöhen Ereignis 18.Mai 2007 Diese Werte können mit den Werten aus dem Jahr 2005 und Laborexperimenten verglichen werden ([1], [2], [10]) und erlauben eine tiefer gehende Analyse und Vergleiche.

4 5 Diskussion 5.1 Seilkräfte Eine wichtige Beobachtung während des Füllprozesses ist, dass die unteren Tragseile stärker als die oberen Tragseile belastet werden. Während des Überfliessens ist das Verhältnis genau umgekehrt: Aufgrund des überfliessenden Murgangmaterials sind die oberen Tragseile dann stärker belastet. Dies wird auch durch die Resultate aus dem Jahr 2005 bestätigt [1]. In jeder Lastkurve in Abb. 8 kann ein- oder mehrmals das plötzliche Abfallen der Kraft in den Tragseilen beobachtet werden. Dies kann auf die Längung der Bremsringe zurückgeführt werden. 5.2 Lastansatz Erste Richtlinien für die Bemessung von flexiblen Ringnetzbarrieren wurden von Roth et al. [8] basierend auf empirischen Bemessungsansätzen von Rickenmann [7] formuliert. Mit den dort verwendeten Formeln wird, basierend auf dem Massenerhaltungsatz, ein Abfluss sowie eine mitwirkende Masse bestimmt. Dieser Ansatz ist als obere Grenze für granulare Murgänge anzusehen und liegt auf der sicheren Seite. Da das Füllereignis im Jahr 2006 aber vergleichsweise flüssig war und die oben genannten Ansätze die auftretenden Lasten tendenziell überschätzen, musste ein neuer Lastansatz definiert werden. In einem ersten Ansatz wird angenommen, dass ein solcher Murgang mit einem turbulenten Hochwasserereignis verglichen werden kann. Somit machen das durchströmende Wasser sowie die grossen Blöcke, welche mittransportiert werden, die hauptsächlichen Lasten auf das Netz aus. Der Druck, welcher auf die Barriere wirkt, ist demnach abhängig von der der Fläche und der Form des Hindernisses, der Viskosität und der Dichte sowie von der Durchflussgeschwindigkeit. Eine Übersicht über die berechneten Drücke wird in Tabelle 2 gezeigt. Der statische Druck wurde als aktiver Erddruck hinter der Barriere angesetzt [4]. Die Dichte des verdichteten Materials hinter der Barriere wurde dabei mit 2'300 kg/m 3 angenommen und ein Reibungswinkel von 33 angesetzt. Messwerte für den basalen Reibungswinkel sind [5] angegeben. Geschw. Querschnitt umströmt Stat. Druck Max. Druck m/s m 2 kn/m 2 kn/m 2 Energieerhaltung (Rickenmann) Rückrechnung von gem. Seilkräften Dyn. Faktor = 2.2 (Labortests) Tabelle 2: Berechnung der maximal wirkenden Drücke auf die flexible Murgangbarriere Die Tabelle zeigt die oben erwähnte obere Grenze, welche sich durch die Berechnung mit der von Roth et al. [4] formulierten Methode ergibt. In diesem speziellen Fall ergibt die lange Auffüllzeit einen unrealistisch hohen Druck auf das Netz. In der zweiten Zeile wurde der dynamische Druck auf das Netz iterativ von den gemessenen Seilkräften zurückgerechnet. Dabei wurde die Näherungslängung der Seilgleichung durch newtonsche Iteration bestimmt. Der daraus resultierende dynamische Druck beträgt ca. 74 kn/m 2. Ähnliche Grössenordnungen ergeben sich unter Verwendung eines dynamischen Überhöhungsfaktors P dyn /P stat = 2.2, welcher mittels Laborversuchen auf der Rutsche bestimmt wurde [10]. 5.3 Numerische Modellierung Mit dem so erhaltenen Lastansatz können numerische Simulationen durchgeführt werden, um verschiedene Barrieren-Typen zu berechnen. Die Simulationen werden mit der Finite Elemente Software FARO [9] basierend auf einer Formulierung mit diskreten Elementen durchgeführt. Die Software wurde für die Simulation von flexiblen Steinschlagbarrieren aus Ringnetzen entwickelt, bei welchen die hohen dynamischen Kräfte der einschlagenden Steinblöcke grosse Deformationen im System verursachen. Dies muss mit nicht-linearen Formulierungen der Materialgesetze sowie grossen zulässigen Deformationen auf Verbauungsseite in der Simulation berücksichtigt werden. Mit den Resultaten aus den 1:1 Feldversuchen im Illgraben konnte die Software auf die für Murgang typischen Flächenlasten angepasst werden. Abb. 9 zeigt eine so simulierte Barriere zusammen mit der gefüllten Barriere im Illgraben. Die Kräfte wurden dabei quasi-statisch aufgebracht.

5 Die Verhältnisse im Illgraben sind ideal, um flexible Ringnetzbarrieren in 1:1 Feldversuchen unter realen Bedingungen zu testen, da pro Jahr mehrere grosse Murgänge auftreten. Die Testresultate aus den Jahren 2005 und 2006 sowie die Resultate von Laborversuchen mit verschiedenen Materialien konnten zur Kalibrierung des Finite Elemente Modell FARO herangezogen werden. Im Jahr 2008 wird eine nochmals veränderte Barrierenform getestet werden, welche die bis anhin gewonnen Testresultate vervollständigen soll. 7 Danksagung Abb. 9: Numerisches Modell und gefüllte Barriere 2006 Die maximal berechneten Kräfte (Tabelle 3) und Deformationen der Barriere stimmen gut mit den Messungen im Feld überein. Tragseile Kräfte (simuliert) Kräfte (gemessen) kn kn % Oben Abweichung Unten Tabelle 3: Simulierte und gemessene Seilkräfte 5.4 Widerstandsfähigkeit der Testbarriere / Mehrstufenbarrieren Die Testbarriere wurde im Jahr 2006 von insgesamt 200'000 m 3 Murgangmaterial überströmt, ohne dabei Schaden zu nehmen. Der speziell konzipierte Abrasionsschutz für die oberen Tragseile hat sich dabei bewährt. Da die Barriere ohne Schaden überströmt werden kann, sind mehrere Barrieren hintereinander möglich, was das mögliche Rückhaltevolumen signifikant erhöht. Abb. 11 zeigt ein Beispiel einer Mehrstufenverbauung im Merdenson/Schweiz. Abb. 11: Mehrstufenbarriere Merdenson 6 Schlussfolgerung Die Autoren möchten sich für den unermüdlichen Einsatz von Bruno Fritschi bedanken, welcher die Messtechnik im Illgraben betreut. Wir bedanken uns ebenfalls bei François Dufour, Alexandre Badoux, Christoph Graf, Andreas Gubler und Brian McArdell für ihre Mithilfe in diesem Projekt. 8 Literaturangaben [1] Wendeler C., B.W. McArdell, D. Rickenmann, A. Volkwein, A. Roth & M. Denk Testing and numerical modeling of flexible debris flow barriers, in Ng, Zhang & Wang (Eds), Physical Modeling in Geotechnics 6 th ICPMG 06, Balkema. [2] DeNatale, J. S., Fiegel, G. L., Iverson R. M., Major J. J., LaHusen, R. G., Duffy, J.D. & Fisher, G. D Response of flexible wire rope barriers to debris flows loading. 1 st International Conference on DFHM, ASCE, San Francisco, S [3] DeNatale, J. S., Iverson, R. M., Major, J. J., La- Husen R.G., Fliegel, G. L., Duffy, J. D Experimental Testing of flexible barriers for containment of debris flows, S [4] Gudehus, G Bodenmechanik. Ferdinant Enke Verlag, Stuttgart. [5] McArdell, B. W., Bartelt, P. & Kowalski, J Field observations of basal forces and fluid pore pressure in a debris flow. Geophysical Research Letters, 34 (LO7406), doi: / 2006GL [6] McArdell, B. W., Wendeler, C., Roth, A., Kalejta, J., Rorem, E Field observations of the interaction of debris flows with flexible barriers, First North American Landslide Conference, Vail. [7] Rickenmann, D Empirical relationships for debris flows. Natural Hazards. 19(1): S [8] Roth, A., Kästli, A. & Frenez, Th Debris Flow Mitigation by Means of Flexible Barriers, Proc. Int. Symp. Interpraevent. Riva del Garda, Italy. [9] Volkwein A Numerical Simulation of flexible rockfall protection systems. Computing in Civil Engineering Conference, Cancun. [10] Wendeler, C. In Bearbeitung. Murgangrückhalt in Wildbächen Grundlagen zu Planung und Berechung von flexiblen Barrieren. Dissertation, ETH-Zürich.