2 BEOBACHTUNGSMETHODEN UND ZIELSETZUNGEN

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1 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER BEOBACHTUNGSMETHODE BEI LABILEN GEBIRGSVERHÄLTNISSEN E. Krauter, R. Katzenbach, M. Lauterbach 1 EINLEITUNG Die Beobachtungsmethode ist nach der E DIN 1054: eine Kombination der üblichen geotechnischen Untersuchungen und Prognosen mit der laufenden messtechnischen Kontrolle des Bauwerks während dessen Herstellung und gegebenenfalls auch während dessen Nutzung. Die Beobachtungsmethode sollte angewendet werden in Fällen, in denen eine Prognose des Baugrundverhaltens allein aufgrund von vorab durchgeführten Untersuchungen und rechnerischen Nachweisen nicht mit ausreichender Zuverlässigkeit möglich ist. Darüberhinaus wird die Beobachtungsmethode auch bei schon eingetretenen Schäden, wie Hang- und Böschungsdeformationen sowie Rissbildungen an Bauwerken angewendet. Mit den Messungen sollen kritische Situationen rechtzeitig erkannt und durch die Anwendung vorbereiteter technischer Maßnahmen beherrscht (KUNTSCHE, 1996) oder durch sicherheitsrelevante Maßnahmen dem Gefahrenund Risikopotenzial entgegengewirkt werden. An Fallbeispielen werden die Möglichkeiten und Grenzen der Beobachtungsmethode bei labilen Gebirgsverhältnissen in Hängen und Böschungen aufgezeigt und eine neue Erkundungsmethode vorgestellt. 2 BEOBACHTUNGSMETHODEN UND ZIELSETZUNGEN Bei Hang- und Böschungsdeformationen wird zunächst ein bestimmtes Phänomen beobachtet. Im allgemeinen handelt es sich dabei um Schäden an Infrastrukturen oder sonstigen Bauwerken. Als erster Schritt wird versucht, das Phänomen mit Hilfe von Hypothesen und Modellen zu erklären. Mittels Beobachtungsmethoden werden im nächsten Schritt die Hypothesen und Modelle überprüft, d.h. bestätigt oder widerlegt. Mess- und Überwachungsmöglichkeiten zeigt beispielhaft Abb. 1.

2 1: Extensometer 2: Wetterstation (Windmesser, Niederschläge, Temperatur und Luftdruck) 3: Inklinometer 4: Grundwassermeßstelle mit Wasserdruckgeber 5: Grundwassermeßstelle 6: Extensometer 7: Gleitmikrometer 8: Geodätische Meßpunkte 9: Extensometer 10: Ankerkraftmessung 11: Setzungsgeber 12: Spion (Fissurometer) 13: Grundwassermeßstelle 14: Inklinometer 15: Stützbauwerk (gegebenenfalls mit Erddruck- oder Wasserdruckaufnehmern) 16: Satellitenvermessung (oder Luftbild) 17: Geodätische automatische Meßstation Abb. 1: Auswahl messtechnischer Möglichkeiten (KUNTSCHE, 1996). Zu den geotechnischen Untersuchungen im Rahmen der Beobachtungsmethode gehören auch Erkundungen im Feld und darüber hinaus Luft- und Satellitenbildauswertungen. Schichtgrenzen, Trennflächengefüge und Kenngrößen des Gebirges sowie Grundwasserverhältnisse müssen ausreichend bekannt sein. Die Zielsetzungen der Beobachtungsmethoden sind die Entwicklung hinreichend genauer geotechnischer Modelle, Eingangswerte für rechnerische Nachweise der Gebrauchstauglichkeit zu erhalten und bei Deformationen eine Gefahren- und Risikoabschätzung zu ermöglichen sowie Sicherungs- und Stabilisierungsmaßnahmen zu planen. Die durch die Beobachtungsmethode erhaltenen Daten können in Rechenverfahren Eingang finden. Unter labilen Gebirgsverhältnissen wird ein Gebirge verstanden, das bei Eingriffen oder Veränderungen in den herrschenden Spannungszustand, z.b. durch Geländean- und -einschnitte durch Auflasten, also manipulierte Änderungen natürlicher Gegebenheiten, oder durch Veränderungen der hydrogeologischen Situation infolge extremer Klimaereignisse mit Deformationen reagiert. 2.1 Fallbeispiel Pünderich Die Bahnstrecke an der Mosel zwischen Reil und Pünderich im Rheinischen Schiefergebirge ist auf einer Länge von ca. 200 m durch Hangdeformationen gefährdet. Schon beim Bau der Bahnstrecke Ende des 19. Jahrhunderts war das Rutschareal mit einer Kubatur von 1,6 Mio. m³ bekannt, und es wurde aufgrund der starken

3 Wasserführung versucht, mittels Drainagen die Hangverformungen zu minimieren, so dass eine Gebrauchstauglichkeit gegeben war. In den 1980er Jahren beschleunigten sich die Verformungen. Es erfolgte daraufhin eine geodätische Kontrolle der Deformationen. Seit 1985 hat sich der Gleiskörper einschließlich der Oberleitungsmasten im Dezi-meterbereich talwärts verschoben. Die geodätischen Messungen, die von 1994 bis 2000 durchgeführt wurden, ergaben Verschiebungen von horizontal 92 mm und vertikal 37 mm. Die Messungen erfolgten periodisch in Zeitabständen zwischen einem Monat und 20 Monaten. Selbst bei diesen Zeitabständen war eine kinematische Modellbildung möglich (Abb. 2). Die späteren Untersuchungen wie Bohrungen, Inklinometer- und Extensometermessungen zeigten, dass das Modell realistisch war. Bei periodischen Messungen in Zeitabständen, die Wochen überschreiten, ist jedoch eine Korrelation der Messdaten der Verformungen mit Einflussfaktoren, wie Niederschläge oder Wasserständen nicht möglich. Auch der unmittelbare Gefahrenzustand und das Risiko ist nicht abzuschätzen. E S E M o sel Bohrstrecke Inklinometerm essstelle (Z e ic h n u ng sm aß sta b) Bohrstrecke Extensom eterm essstelle 2 (Z e ic h n u ng sm aß sta b) L ein p fad D B -T rasse W irtsc h afts w e g 3 8 W irtsc h aftsw eg R utschkörper verm utete G leitfläche W irtschaftsweg H o ch s p an n u n g s le itu n g W irts ch aftsw e g W N W m Abb. 2: Profil mit kinematischer Modellbildung anhand von Felduntersuchungen und periodischer geodätischer Messungen sowie der Bohrungen und Lage der Messvorrichtungen. Die Verformungen ließen auf eine zunehmende Gefährdung der Bahnstrecke schließen, so dass zeitweise eine Langsamfahrstrecke eingerichtet wurde. Um das Gefahrenausmaß zu erfassen, wurde im Herbst 2000 eine automatische Anlage zur Kontrolle und Überwachung der Hangdeformation installiert. Es wurden dafür bergseitig des Gleiskörpers drei Messstellen mit dreifach und vierfach Exten-

4 sometern für permanente Messungen eingerichtet. Die Datenübermittlung erfolgt online. Bei Überschreitung eines Grenzwertes wird Alarm per Funk ausgelöst, und festgelegte Sicherungsmaßnahmen treten automatisch in Kraft. Eine permanente geodätische Messeinrichtung war wegen der Sichtverhältnisse und Entfernungen sowie der Kosten nicht möglich. Die Korrelation der permanenten Extensometermessungen mit den Niederschlägen und dem Wasserstand der Mosel ergab, dass der Einfluss des Moselwasserstandes auf die Verformungsgeschwindigkeit dominiert. Diese Erkenntnis hat Einfluss auf in Erwägung gezogene Entwässerungsmaßnahmen bergseitig des Bahnkörpers. Durch die jetzt erkannten Zusammenhänge würden Entlastungsbrunnen talseitig des Bahnkörpers infrage kommen, die den Einfluss auf die Verformungsgeschwindigkeit sowohl durch den Moselwasserstand als auch durch die Niederschläge verringern würden. Die erste Grenzwertfestlegung erfolgte anhand von Erfahrungswerten an vergleichbaren Hang- und Böschungsdeformationen. Anhand der Ergebnisse der permanenten Beobachtungsmethode in Kombination mit der Inaugenscheinnahme vor Ort wurde der Grenzwert mehrmals korrigiert. Der Grenzwert war anhand der geodätischen Messungen wegen der Zeitspanne zwischen den einzelnen Messepochen nicht festzulegen. Mit dieser permanenten Beobachtungsmethode sind also Verformungsgeschwindigkeit, räumliche Geometrie und Kinematik einer Rutschung zu erfassen sowie eine Gefahren- und Risikoabschätzung möglich. Periodische Messungen lassen eine unmittelbare Gefahren- und Risikoabschätzung im Sinne einer Warnung und für das Auslösen von Sofortmaßnahmen nicht zu. Mit den periodischen Inklinometermessungen war jedoch die Bewegungsrate und die Tiefenlage der Gleitfläche festzulegen. Die geodätischen Messungen ergaben nur die Bewegungsrate oberflächennaher Verformungen. Eine neue Beobachtungsmethode zur Erkundung der flächigen Geometrie von Rutschkörpern mittels elektromagnetischer Spannungsmessungen wurde im Rahmen einer Testreihe angewendet. In Rutscharealen ist im Vergleich zum Umfeld ein erhöhtes Spannungsfeld zu messen, so dass eine Abgrenzung möglich ist (Abb. 6). Dieses Verfahren eignet sich vor allem im Rahmen von Voruntersuchungen kombiniert mit Felduntersuchungen und Luft- und Satellitenbildinterpretation. Nach VYBIRAL et al. (1995) ist in Bohrlöchern auch die Kinematik einer Rutschung und die Tiefenlage von Gleitflächen bestimmbar. Der Vorteil dieses inzwischen ausreichend getesteten Verfahrens besteht darin, dass auch ohne aktive Deformationen die räumliche Geometrie und Kinematik zu ermitteln ist. Die bisher üblichen Beob-

5 achtungsmethoden setzen für eine Interpretation im Messzeitraum Deformationen voraus. 2.2 Fallbeispiel Quirnbach Entlang der BAB A 62 Landstuhl-Trier im Bereich der Ortslage Quirnbach sind Verformungen der Autobahn entstanden. Die Autobahn liegt auf einer Anschüttung auf einem Hangbereich. Am Fuß des Hanges befindet sich ein Friedhof und talwärts davon eine Landesstraße, wo ebenfalls Schäden durch Verschiebungen aufgetreten sind. Die derzeitigen Deformationen liegen im cm-bereich je Jahr. Geologisch baut sich der Hang aus flach talwärts einfallenden Sand- und Schluffsteinen des Unterrotliegenden auf. Bereits Ende der 1960er Jahre wurden Inklinometer- und geodätische Messungen durchgeführt. Die periodisch durchgeführten geodätischen Messungen zeigten Verformungen an, ließen jedoch wegen der in großen Zeitabständen erfolgten Messepochen keine Gefahren- oder Risikoabschätzung zu. Die Inklinometermessungen erbrachten keine verwertbaren Ergebnisse in Bezug auf Kinematik und Tiefenlage der Gleitfläche sowie der Deformationsrate. Dies lag daran, dass für das zugrunde gelegte kinematische Modell nur Verformungen in der Aufschüttung angenommen wurden, und die Bohrungen für die Inklinometermessungen daher zu kurz waren, da die Gleitfläche in den anstehenden Sand- und Schluffsteinen liegt (Abb. 3). Abb. 3: Aufbau und kinematisches Modell des Rutschhanges. Aufgrund der zunehmenden Deformation der Fahrbahn der Autobahn und der Schäden auf dem Landwirtschaftsweg und der Straße sowie am Friedhof wurden 1998

6 Felduntersuchungen durchgeführt und neue Bohrungen entsprechend dem überarbeiteten kinematischen Modell abgeteuft. Die Bohrergebnisse bestätigten die Annahme im überarbeiteten Modell. Unmittelbar talseits der Autobahntrasse und im Hang wurden sechs Bohrungen zu Trivec-Messstellen ausgebaut. Das Ziel der periodisch ausgeführten Trivec-Messungen war Aussagen über Geschwindigkeit und Kinematik des Rutschareals zu erhalten. Nach vier Messepochen in 16 Monaten waren die Trivec-Messungen praktisch noch nicht interpretierbar (Abb. 4), obwohl geodätische Messungen in dieser Zeitspanne eindeutig Deformationen im cm-bereich ergaben. Differenz zur Nullmessung in cm Meßpegel I/2 1 0 Abb. 4: Messergebnisse der Trivec- Sonde mit Ausreißer. Tiefe in m u. POK Differentielle Verschiebung (Nullmessung 25./ ) A -Achse A -Achse A -Achse A -Achse Da eine Stabilisierung des Rutschareals technisch äußerst schwierig und extrem kostenintensiv ist, wird zur Zeit ein Kontroll- und Überwachungssystem der Hang- und Böschungsdeformationen vorbereitet. Es handelt sich dabei um das GOCA-System (GPS-based Online Control and Alarm System) (Abb. 5). Die Zeitintervalle der Messung können wie bei den Extensometern in Pünderich beliebig festgelegt werden. Abb. 4: Funktionsprinzip des GOCA-Systems anhand der permanenten Überwachung einer Staumauer (JÄGER et al. 2001).

7 Die Grenzwertfestlegung erfolgt anhand bisheriger Deformationsraten. Die Überschreitung des Grenzwertes hat eine sofortige Sperrung der Autobahnstrecke zur Folge. Die Messgenauigkeit in der Lageveränderung beträgt ca. 1 mm und in der Veränderung der Höhe ca. 1-2 mm. Es können damit nur Oberflächenverformungen, wie bei den geodätischen Beobachtungsmethoden, gemessen werden. Vorteile gegenüber anderen permanenten Beobachtungsmethoden sind der Kostenvergleich, keine Beeinflussung durch Sichtverhältnisse, Temperaturen und Entfernungen zwischen Basis- und zu kontrollierenden Objektpunkten. Die elektromagnetischen Spannungsmessungen zeigen, wie in Pünderich, einen eindeutigen Zusammenhang Energie/Rutschkörper (Abb. 6) C ERESKO P- Profil L 352 R utschareal Energie (dimensionslos) Abb. 6: Profil entlang der Landesstraße am Fuß des Rutschareals (OBERMEYER et al., 2001) Profilmeter (von NW nach SE) 3 ZUSAMMENFASSUNG Langjährige Erfahrungen über die Feststellung der Gebrauchstauglichkeit von Hängen und Böschungen in labilen Gebirgsverhältnissen mittels Beobachtungsmethoden lassen folgende Aussagen zu: Mit den in Abb. 1 gezeigten Beobachtungsmethoden sind kinematische Modelle auch bei periodischen Messungen zu entwickeln und Trends der Deformation zu erfassen. Für Überwachungssysteme zur unmittelbaren Gefahren- und Risikoabschätzung sollten permanente Beobachtungsmethoden eingesetzt werden. Solche Messmethoden erlauben durch Korrelation eine Wichtung der Einflussfaktoren auf die Deformation. Erst durch Kenntnis des Wirkungsgrades der Einflussfaktoren ist ein

8 präzise Gefahren- und Risikoabschätzung und die Planung von Maßnahmen zur Erhöhung der Gebrauchstauglichkeit möglich. Die Messgenauigkeit von 1-2 mm der Lage und Höhe ist im allgemeinen zur Bestimmung der Gebrauchstauglichkeit ausreichend und mit den aufgezeigten Messmethoden erreichbar. Bei periodischen Messungen ist eine genaue, reproduzierbare Positionierung der Objektpunkte erforderlich. Extensometer liefern nur die Verschiebungskomponente ihrer Einbaurichtung und Inklinometer nur die Verschiebungskomponente senkrecht zur Bohrlochachse. Bei permanenten Beobachtungsmethoden treten durch Spannungsabfall der Stromversorgung oder durch Stromausfall Funktionsstörungen auf. Systembedingte Messfehler sind bei der Auswertung der Messdaten zu berücksichtigen. Die Vorgabe der Grenzwerte für Alarmauslösung sind Erfahrungswerte aus vergleichbaren Hang- und Böschungsdeformationen. Durch die Beobachtungsmethode sind die Grenzwerte zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren. Die Interpretation der Ergebnisse der Beobachtungsmethode setzt Erfahrung über das Verhalten labiler Gebirgsverhältnisse voraus und bildet so die Grenze der Beobachtungsmethode. 4 AUSBLICK Infrastrukturen und sonstige Bebauungen nehmen mehr und mehr Gelände mit labilen Gebirgsverhältnissen in Anspruch. Die Ermittlung der Gebrauchstauglichkeit durch Beobachtungsmethoden solcher Gebiete gewinnt dadurch an Bedeutung. Durch die Entwicklung der Datenübermittlung und der EDV-gestützten Auswertetechniken ist die Datenfülle bei permanenten Messmethoden einfach zu bewältigen, so dass diese Methoden immer häufiger Anwendung finden werden, da auch die Aussagekraft im Vergleich zu periodischen Messverfahren wesentlich höher ist. 5 LITERATUR JÄGER, R. & KÄLBER, S.: GPS-Based Online Control and Alarm System (GOCA) A Geodetic Contribution for Hazard Prevention. International Conference on Landslides, Davos, Switzerland, 2001 KUNTSCHE, K: Empfehlungen zum Einsatz von Meß- und Überwachungssystemen für Hänge, Böschungen und Schutzbauwerke.- Geotechnik, Heft 1996/2

9 OBERMEYER, H., LAUTERBACH, M. & KRAUTER, E.: Monitoring Landslides with Natural Electromagnetic Pulse Radiation. International Conference on Landslides, Davos, Switzerland, 2001 VYBIRAL, V., KUZNETSOV, J.V. & OSYKIN, M.K.: Method of Pulsed Electromagnetic Emissions (PEE) Mapping of Slope Failures in the Carpathian Mts. EAGE 57 th Conference and Technical Exhibition, Glasgow, Scotland, 1995 KRAUTER, Edmund, Prof. Dr. geo-international und Forschungsstelle Rutschungen e.v. an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz Mombacher Str Mainz Tel.: (06131) KATZENBACH, Rolf, Prof. Dr.-Ing. Technische Universität Darmstadt Petersenstr Darmstadt Tel.: (06151) LAUTERBACH, Manuel, Dipl.-Geol. geo-international und Forschungsstelle Rutschungen e.v. an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz Mombacher Str Mainz Tel.: (06131)