354 Verteilte Filtergeschwindigkeitsmessung in Staudämmen Distributed Flow Velocity Measurement in Embankment Dams Sebastian Perzlmaier, Markus Aufleger Abstract In the scope of a DFG-funded (Deutsche Forschungsgemeinschaft) research project the active temperature method has been developed for distributed flow velocity and degree of saturation measurements at the Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering in the last years. A large number of test has been performed to know about the calibration. The fundamental relationship between temperature response in the heat-up cables and the parameters flow velocity an degree of saturation could be described empirically as well as analytically. The new method allows for a large number of improved applications referring to the monitoring of embankment dam stability related to seepage like slope stability and internal erosion. Zusammenfassung Im Rahmen eines von der DFG geförderten Forschungsprojektes am Lehrstuhl und der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München ist es in den vergangenen Jahren gelungen, die Aufheizmethode unter Durchführung umfangreicher experimenteller Untersuchungen und durch Anwendung analytische Methoden derart weiterzuentwickeln, dass heute erstmals sowohl die Filtergeschwindigkeit als auch der Sättigungsgrad in Böden verteilt, also räumlich aufgelöst, gemessen werden können [1]. Daraus erwachsen vielfältige wasserbauliche Anwendungen bei der Bewertung der Standsicherheit durchströmter Dämme oder der Überwachung von Dichtungselementen. 1 Verteilte faseroptische Leckageortung mit der Aufheizmethode Leckageortung Die verteilte faseroptische Leckageortung bedient sich der verteilten faseroptischen Temperaturmessung, die mit so genannten DTS Geräten die räumliche Temperaturverteilung und die zeitliche Temperaturentwicklung entlang von Glasfaserkabeln örtlich hoch auflösend messen kann. Bei der Aufheizmethode als einer möglichen Variante werden die Kabel durch Anlegen einer elektrischen Spannung an integrierte Kupferadern aufgeheizt. Die durch das Heizen erzeugte Temperaturdifferenz erlaubt Rückschlüsse auf Wassergehalt und Wasserbewegung in der Kabelumgebung. Verteilten Filtergeschwindigkeitsmessung Die verteilte Filtergeschwindigkeitsmessung basiert auf dem für erzwungene Konvektion typischen Zusammenhang zwischen Wärmeübergangskoeffizient und Filtergeschwindigkeit, der ab Filtergeschwindigkeiten 10-5 m/s maßgeblich die im Kabelinneren gemessene Temperaturdifferenz beeinflusst. Die Übertragung der Temperaturdifferenzen in Filtergeschwindigkeiten erfordert Kalibrierfunktionen, welche durch zahlreiche Aufheizversuche in Wasser und
355 durchströmten Böden bei Variation der Geschwindigkeit beschrieben werden konnten. Diese Versuche bestätigen die theoretischen thermodynamischen Zusammenhänge. Die Kalibrierfunktionen können, abgesehen von der Bestimmung des Kabeleinflusses, also auch auf analytischem Weg aus den Bodenparametern abgeleitet werden. Der Messbereich der Filtergeschwindigkeit 10-5 w f 10-3 bis 10-2 m/s liegt in einem für wasserbauliche Fragestellungen relevanten Bereich. Der Winkel zwischen Kabel und Anströmung hat keinen wesentlichen Einfluss auf die dt/w f Funktion, solange er weniger als ± 30 von der Senkrechten abweicht. Die Orientierung der Strömung gegen die Schwerkraft spielt keine Rolle, wenn der Durchlässigkeitsbeiwert der Umgebung kleiner 10-2 m/s ist und sich keine freie Konvektion ausbildet. In (Bild 1) ist der Temperaturunterschied dt U zwischen Kabelwand und Umgebung für verschiedene Kabel in Sand mit und ohne Vliesstoffummantelung über die Filtergeschwindigkeit wf dargestellt. Die in Versuchen gemessenen Punkte lassen sich gut durch die analytisch berechneten Kurven abbilden. Bild 1: Kalibrierfunktionen verschiedener Kabel in Sand mit und ohne Vliesstoff, D: Kabeldurchmesser, q l : Heizleistung Die Messgenauigkeit der verteilten Filtergeschwindigkeitsmessung hängt von der Heizleistung, vom Kabeldurchmesser und -aufbau, von der Messgenauigkeit der verteilten Temperaturdifferenzmessung und von der Kabelumgebung ab [1] [2]. Verteilte Bestimmung des Sättigungsgrades Neben der Filtergeschwindigkeitsmessung kann die entwickelte Methode auch zur verteilten Bestimmung des Sättigungsgrades verwendet werden, was auf der Theorie zur instationären Wärmeleitung um einen Heizzylinder basiert. Der durch das Heizen verursachte Temperaturanstieg im Kabelinneren hängt von der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Kabelumgebung ab. Insbesondere die Steigung der Aufheizkurve im logarithmischen Zeitmaßstab erlaubt nach ausreichender Heizzeit einen direkten Rückschluss auf die Wärmeleitfähigkeit. Aufheizversuche in verschiedenen granularen Stoffen und Böden unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit haben, verglichen mit konventionell experimentell und analytisch bestimmten Wärmeleitfähigkeiten, die Eignung der Aufheizmethode zur verteilten Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit in einem Messbereich von 0,05 W/(m K) λ eff 2,5 W/(m K) bewiesen.
356 Da sich die Wärmeleitfähigkeiten von Wasser und Luft stark unterscheiden, kann aus der effektiven Wärmeleitfähigkeit poröser Medien auf deren Wassergehalt bzw. auf deren Sättigungsgrad geschlossen werden. Die zur Übertragung der gemessenen Temperaturdifferenzen dt i in Sättigungsgrade S erforderlichen Kalibrierfunktionen ist in (Bild 2) exemplarisch für Sand durch mehreren Aufheizversuche (Punkte) bei unterschiedlichen Sättigungsgraden dargestellt, wobei die Anwendbarkeit der einfach zu handhabenden Näherungslösungen für die instationäre Wärmeleitung (Linie) bestätigt wird. Auch wenn die Messgenauigkeit der verteilten Bestimmung des Sättigungsgrades mit der Aufheizmethode kleiner ist als mit herkömmlichen punktuellen Messgeräten (z. B. TDR Sonde), so zeichnet auch sie sich durch die hohe Informationsdichte der räumlich aufgelösten Messung aus. Bei Anwendung in nicht bindigen Böden ist vor allem eine zuverlässige Unterscheidung restfeuchter und gesättigter Bereiche von Bedeutung, welche die Aufheizmethode leisten kann. Die Zuverlässigkeit dieser Unterscheidung nimmt durch Verwendung künstlicher Kabelumgebungen hoher Porosität und geringer effektiver Wärmeleitfähigkeit zu. Bild 2: Zusammenhang zwischen Temperaturdifferenz im Kabel dt i und Sättigungsgrad S in der Kabelumgebung, H: Kontaktleitwert 2 Relevanz für praktische Anwendungen Durchströmung und Standsicherheit von Dämmen Die Standsicherheit von Dämmen wird durch hydraulische, geohydraulische oder statische Versagensmechanismen bestimmt. Hydraulisches Versagen fasst alle Prozesse der Oberflächenerosion durch strömendes Wasser zusammen. Geohydraulischen Versagensmechanismen beschreibt die schadhaften Einwirkungen des im Boden strömenden Wassers auf die Bodenstruktur, wie den hydraulischen Grundbruch oder die hydrodynamische Bodendeformation. Dabei ist die Geschwindigkeit des Sickerwassers maßgebend. Die statischen Versagensmechanismen beschreiben die möglichen Versagensformen des Erdkörpers als statisches System. Damit werden vorrangig übermäßige Verformungen wie beim Abscheren eines Teiles der Dammböschung entlang einer Gleitfuge erfasst. Die Lage der Sickerlinie und somit im weiteren Sinne die Verteilung des Wassergehaltes ist hierfür von Bedeutung. Mit der verteilten Filtergeschwindigkeitsmessung und der verteilten Bestimmung des Sättigungsgrades verbinden sich zwei aussagekräftige, für wasserbauliche Fragestellungen
357 relevante Messmethoden zu einem neuen leistungsfähigen Messsystem. Die verteilten Informationen über Filtergeschwindigkeit und Sättigungsgrad erschließen vielfältige Anwendungen bei der Überwachung der erdstatischen und geohydraulischen Standsicherheit von Dämmen sowie bei der Überwachung der Funktionalität von Dichtungselementen und Fugenkonstruktionen [3]. Überwachung hydrodynamischer Bodendeformation Zur Beurteilung der Gefahr der hydrodynamischen Bodendeformation werden in der Regel hydraulische Gradienten betrachtet, obwohl die Strömungsgeschwindigkeit die hydraulische Belastung besser charakterisiert. Mit der verteilten Filtergeschwindigkeitsmessung steht nun eine Methode zur Verfügung, die diesen, für den Transport von Partikeln in oder aus einem Erdstoff maßgebenden, Parameter räumlich aufgelöst, messen kann. Der Messbereich der verteilten Filtergeschwindigkeitsmessung zwischen 10-5 und 10-2 m/s entspricht einer Porengeschwindigkeit zwischen 4 bis 8 10-5 und 4 bis 8 10-2 m/s. Verglichen mit den kritischen Geschwindigkeiten für Partikeltransport nach [4] in (Bild 3) lassen sich somit Aussagen über die Gefahr der hydrodynamischen Bodendeformation (v.a. Suffosion, rückschreitende Erosion und Kontakterosion) in körnigen Erdstoffen mit transportierten Partikelgrößen bis zu einigen Millimetern machen. Bild 3: Kritische Porengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Korngröße nach [4] in [1] Die hydrodynamische Bodendeformation von bindigen Erdstoffen, wie im Erdkern eines Zonendammes, wird vor allem durch konzentrierte Leckagen ausgelöst. Zur Beurteilung der Erosionsgefahr betrachtet man klassischerweise den Druckabbau im Kern sowie die Phasenverschiebung zwischen Porenwasserdruck und Seewasserspiegel. Die Porenwasserdrücke im Kern werden in der Regel punktuell mit Porenwasserdruckgebern aufgezeichnet, was immer die Gefahr birgt, Zonen erhöhter Durchlässigkeit nicht zu erfassen. Zusätzlich stehen
358 meist Messungen des Sickerwasserabflusses zu Verfügung, die aber nur integrale Werte liefern. Die vorgestellten Weiterentwicklungen der Aufheizmethode ergeben bereits mit einem einzigen Kabel im Sickerwassersammler am Fuß der luftseitigen Filter- und Drainageschicht eine deutlich verbesserte örtliche Auflösung der Informationen über die Durchsickerung. Darüber hinaus ermöglicht ein Vergleich kritischer Geschwindigkeiten für Erosionsbeginn mit Filtergeschwindigkeiten, die idealer Weise in verschiedenen Höhenlagen direkt hinter dem Kern verteilt gemessen werden, eine Abschätzung von Risikopotentialen der hydrodynamischen Bodendeformation. Limitiert wird die Aussagekraft einer derartigen Installation durch die beschränkte Ortsauflösung der verteilten Filtergeschwindigkeitsmessung und durch den Abstand der Kabelhorizonte. Beim Bau neuer Dämme bietet es sich an, die preiswerten Kabel hinter dem Kern zu verlegen, auch wenn regelmäßige Messungen erst dann begonnen werden, wenn zum Beispiel die Sickerwassermessung auf Unregelmäßigkeiten hindeutet. Eine derartige Instrumentierung bestehender Dämme gestaltet sich schwierig, auch wenn eine Positionierung der Kabel in Bohrungen im Filter grundsätzlich möglich aber riskant erscheint. 3 Fazit Natürlich kann kein Glasfaserkabel verhindern, dass ein Damm, der durch wie auch immer geartete Umstände seinen Grenzzustand der Tragfähigkeit erreicht hat, versagt. Die vorgestellten verteilten faseroptischen Messmethode stellen jedoch ein leistungsfähiges Werkzeug zur Verfügung, das helfen kann, Veränderungen bei der Durchsickerung von Dämmen derart rechtzeitig zu erkennen, dass ein mögliches resultierendes Versagen durch geeignete Maßnahmen abgewendet werden kann. Dabei liefern die Methoden im Vergleich zu konventionellen Überwachungskonzepten nicht nur eine große räumliche Auslösung, sondern auch quantitative Informationen über die Parameter Sättigungsgrad und Filtergeschwindigkeit, die neben einer bloßen Ortung einer Leckage auch eine Bewertung der Relevanz einer Leckage bezüglich der Standsicherheit zulassen. Literatur [4] Perzlmaier, S.: Verteilte Filtergeschwindigkeitsmessung in Staudämmen. Berichte des Lehrstuhls und der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft, Technische Universität München, Heft 109, 2007. [2] Goltz, M.; Perzlmaier, S.; Aufleger, M.; Schramm, V.: Optimierte Glasfaserkabel zur Leckageortung und Filtergeschwindigkeitsmessung. Tagungsband 14. Deutsches Talsperrensymposium, September 2007. [3] Aufleger, M.; Dornstädter, J.; Strobl, T.; Conrad, M.; Perzlmaier, S.; Goltz, M.: 10 Jahre verteilte faseroptische Temperaturmessungen im Wasserbau. Tagungsband 14. Deutsches Talsperrensymposium, September 2007. [4] Muckenthaler, P.: Hydraulische Sicherheit von Staudämmen. Berichte des Lehrstuhls und der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft, Technische Universität München, Heft 61, 1989.
359 Anschrift der Verfasser Dr.-Ing. Sebastian Perzlmaier TIWAG-Tiroler Wasserkraft AG Bereich Engineering Services Eduard-Wallnöfer-Platz 2 A-6020 Innsbruck sebastian.perzlmaier@tiwag.at Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Aufleger Arbeitsbereich Wasserbau Leopold-Franzens-Universität Innsbruck Technikerstraße 13 A-6020 Innsbruck markus.aufleger@uibk.ac.at