BESONDERHEITEN DES STAUANLAGENTYPS "SEDIMENTATIONSBECKEN" Karl Kast, Ettlingen 1 EINFÜHRUNG Sedimentationsbecken stellen eine Sonderform innerhalb der Klasse der Stauanlagen dar. Sie dienen gewöhnlich ausschließlich dem Rückhalt absetzbarer, in Wasser suspendierter Schwebstoffe. Es handelt sich dabei um Anlagen, zur meist dauernden Entsorgung von Rückständen, die im Zusammenhang mit der Gewinnung von Rohstoffen oder bei anderen technischen Prozessen (z. B. der Kohleverbrennung) in großen Mengen und über längere Zeiträume anfallen. Sedimentationsbecken sind Begleiterscheinungen verschiedener produktiver Aktivitäten in einer industriell geprägten Wirtschaft. Diese betreffende Aktivitäten sind speziell in Deutschland aufgrund der weltwirtschaftlichen Entwicklungen - besonders auf dem Sektor Rohstoffe - in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Bedingt durch die Art ihres Aufbaus und ihrer Betriebsweise sowie durch die Beschaffenheit der abgelagerten Sedimente können Sedimentationsbecken eine Gefahr für die Umwelt darstellen. Entsprechend ihrem Verwendungszweck sind die Sedimentationsbecken im Allgemeinen einem ständigen Wandel (Betrieb, Außerbetriebnahme, Verwahrung) unterworfen. Insbesondere ältere Anlagen sind in ihrer Konstruktion oft stark individuell geprägt und sehr heterogen aufgebaut. In bezug auf den Anlagenbestand in Deutschland wird heute ein großer Bedarf an Überprüfungen gesehen, woraus sich - wie die Erfahrungen zeigen - i.a. Erfordernisse für Ertüchtigungen, bei nicht mehr in Betrieb befindlichen Anlagen auch für Maßnahmen zur dauerhaft gefahrlosen Eingliederung in die Umwelt ergeben. Jedes Sedimentationsbecken strebt letztlich dem Zustand eines Reliktes aus einer Aktivität zu, die in einer zurückliegenden Periode einmal relevant gewesen ist. Eine angemessen sichere und umweltverträgliche Wiedereingliederung in unsere dicht besiedelte Lebenswelt erscheint ein selbstverständliches Erfordernis. 2 BESONDERHEITEN 2.1 Hydrologische Bemessung 2.1.1 Allgemeines Bei Sedimentationsbecken mit hohem Gefahrenpotenzial oder einem hohen Gefährdungspotenzial für die Unterlieger sollte neben der Ermittlung extremer Hochwasserabflüsse nach DIN 19700-11 auch eine Abschätzung bezüglich maximaler Gebietsniederschläge durchgeführt werden (vgl. z.b. DWA, 1990 bzw. 1997). Neben den Bemessungsfällen aus Starkregen und Hochwasserabfluss muss bei Sedimentationsbecken je nach örtlichen und technischen Gegebenheiten und Zustandsphase der Anlage auch durch Bilanzbetrachtungen des Wasserhaushalts überprüft und sichergestellt DWA 2005, Hennef Seite 1/1
werden, dass keine die Tragsicherheit beeinträchtigenden Anstiege von Beckenwasserständen, Sickerlinien oder Porenwasserüberdrücken auftreten können. Der Freiwasserabzug darf beim Nachweis der Hochwasserableitung nicht berücksichtigt werden. Im Hinblick auf die Tragsicherheit kann ein außerplanmäßiger Überstau des Spülstrandes ohne weiteren Nachweis nicht zugelassen werden. Diese Einschränkung gilt nicht, wenn Bedingungen mit Klarwasser am Absperrbauwerk vorliegen (der Spülstrand liegt dann nicht im Bereich des Absperrbauwerks, dieses ist nach DIN 19700-11 zu konzipieren). 2.1.2 Sedimentationsbecken ohne natürliche Zuflüsse Bei Sedimentationsbecken ohne natürliche Zuflüsse aus einem Einzugsgebiet richtet sich die Bemessung des Freiwasserabzuges: nach der Niederschlagsspende aus Starkregen auf die Beckenfläche und auf gegebenenfalls vorhandene Rand- und Böschungsbereiche (lokales Einzugsgebiet) und nach dem Spültrübezufluss. 2.1.3 Sedimentationsbecken mit Vorbeileitung natürlicher Zuflüsse Vorbeileitungen von natürlichen Zuflüssen sind grundsätzlich in Form offener Gerinne vorzusehen, da geschlossene Verdolungen in der Betriebsphase und besonders für die Nachbetriebsphase ein hohes Gefährdungspotenzial darstellen. Bei Vorbeileitungen ist die Frage der Wirksamkeit auch unter extremen Abflussbedingungen zu bewerten. Bei einem Versagen der Vorbeileitung mit der Folge des Übertritts der Abflüsse in den Stauraum muss eine Gefährdung der Tragsicherheit des Absperrbauwerkes auch bei Extremhochwasser (BHQ 2) ausgeschlossen sein. 2.1.4 Sedimentationsbecken mit natürlichen Zuflüssen Bei Sedimentationsbecken mit natürlichen Zuflüssen aus oberhalb liegenden Einzugsgebieten, die wie Talsperren den ganzen Talquerschnitt oder wesentliche Teile davon absperren, muss durch die Wahl eines entsprechenden Bemessungshochwassers und durch die Bemessung der erforderlichen Hochwasserentlastungsanlage und des Freibords ein Versagen infolge hydrologischer Ereignisse mit hoher Zuverlässigkeit ausgeschlossen werden. Bezüglich der Gefahr eines Spülstrandüberstaus sind dabei betrieblich besonders die in Abschnitt 7 gegebenen Hinweise beachten. Im übrigen sind die Grundsätze nach DIN 19700-11 : 2004-.., 4.3 anzuwenden. 3 UNTERGRUND Bei Sedimentationsbecken entstehen durch physikalische und chemische Wechselwirkungen zwischen Spültrübe bzw. Sediment einerseits und dem Untergrund sowie dem Grundwasser andererseits Belastungen, deren Art und Größe zu ermitteln und zu beurteilen sind. Untersuchungen zur Tragsicherheit und hydraulischen Sicherheit des Untergrundes sind erforderlich. Die Dichtheit des Untergrundes sowie gegebenenfalls auch von Talhängen im Bereich des Sedimentationsbeckens ist erforderlich und nachzuweisen, wenn eine Verunreinigung des Grundwassers nicht auszuschließen ist, DWA 2005, Hennef Seite 2/2
unkontrollierte Wasserabflüsse Schäden verursachen können (z. B. in Karst- oder Bergbaugebieten), Tragsicherheitsprobleme infolge Sickerwasserströmung entstehen können, das Wasser möglichst vollständig dem betrieblichen Wasserkreislauf wieder zugeführt werden soll. 4 BAUSTOFFE UND SEDIMENT Die Eigenschaften der Sedimente können sich verändern: während der Dauer der Ablagerung, durch Änderung der Produktionsweise bei Entstehung der Spültrübe, durch Änderung der Betriebsweise der Anlage (u.a. Einspültechnologie, Freiwasserabzug). Bei Eignung kann das Sediment als Dammbaustoff verwendet werden. Soll der Sedimentkörper selbst als Teil (z. B. Auflager) des Absperrbauwerks verwendet werden, so sind für die Eignung die bei der Ablagerung erreichte Dichte, die Festigkeit gegebenenfalls mit Porenwasserdruckentwicklung sowie das Verformungsverhalten entscheidend. Für eine Eignungsprüfung der Sedimente als Baustoff oder als Teil des Absperrbauwerks sind maßgebend und daher zu untersuchen: die bodenphysikalischen Kennwerte des Sedimentes (Kornzusammensetzung, Scherfestigkeit, Durchlässigkeit, Verformungsverhalten, Erosionsfestigkeit, Verfestigungsvermögen, Verwitterungsbeständigkeit, Löslichkeit), die Art und Zusammensetzung der Spültrübe (chemische Eigenschaften), das Absetzverhalten der Feststoffe der Spültrübe. Die bei den Eignungsnachweisen festgestellten Eigenschaften der verwendeten Baustoffe sind in den einzelnen nachfolgenden Stadien des Sedimentationsbeckens (Betrieb, gegebenenfalls Erweiterung, Sanierung, Rückbau, Verwahrung, Rekultivierung) zu überprüfen. Über die allgemeinen Anforderungen an Baustoffe, beispielsweise für Absperrbauwerke, Dränagen, Betriebseinrichtungen und Überwachungseinrichtungen hinaus, müssen diese gegenüber der Spültrübe, dem Sediment und den Sickerwässern beständig sein. 5 ABSPERRBAUWERK UND SEDIMENTKÖRPER Bei Bauweisen mit Nutzung der abgelagerten Sedimente im Bereich des Absperrbauwerks lassen sich Absperrbauwerk und Stauraum nicht eindeutig gegeneinander abgrenzen. Die für die Ablagerung der Trübefeststoffe entwickelten Bau- und Betriebsweisen zielen auf eine Nutzung der gröberen Sedimente als Bestandteil des Absperrbauwerkes unter Verwendung von möglichst wenig Fremdmaterial ab (Bild 1). Das Absperrbauwerk besteht gegebenenfalls ausschließlich aus Sediment (siehe hierzu z. B. VICK (1983) oder ICOLD/CIGB, 1982). Die Wahl einer Bauweise mit Sediment als Bestandteil des Absperrbauwerkes setzt Kenntnisse über das Verhalten der einzubringenden oder vergleichbarer Spültrüben voraus. Die erforderliche Betriebsweise (z. B. Einspültechnologie, Freiwasserabzug, gegebenenfalls Anzahl der Becken, Ruhephasen, Überwachungssteuerung) ist festzulegen. DWA 2005, Hennef Seite 3/3
Der luftseitige Dammfuß des Absperrbauwerks ist mit einem in seiner Leistungsfähigkeit und Erosionsbeständigkeit nachgewiesenen Dränagesystem zu versehen. (Sickerlinien schematisch dargestellt; sie können sehr unterschiedliche Lagen einnehmen) Legende: Dammachse: a) zur Luftseite verschoben, b) feststehend, c) zur Wasserseite verschoben Bild 1 Bauweisen für Absperrbauwerke bei Sedimentationsbecken Sind Bauwerke und Leitungen im Absperrbauwerk und im Sediment unumgänglich, gilt neben den für Staudämme festgelegten Planungs- und Baugrundsätzen, dass bei der statischen Bemessung auch der zunächst flüssige Zustand des Sedimentes berücksichtigt werden muss. Bei der Ermittlung der Scheitellasten ist die mit der Konsolidierung der Sedimente oder der Setzung des Schüttmaterials des Absperrbauwerkes verknüpfte Lastkonzentration zu beachten. Bei vorgesehenem stufenweisem Ausbau ist zu beachten, dass alle stationären Betriebseinrichtungen für den Endzustand zu bemessen sind. Besonders zu beachten ist auch das Erfordernis der Herstellung eines ausreichenden Sicherheitszustandes nach Stillegung und Verwahrung der Anlagen. Abzugsleitungen für das Freiwasser sind mit Rücksicht auf Inkrustationen oder Ablagerungen so zu planen und auszuführen, dass sie kontrolliert und gereinigt werden können. 6 GEFAHRENPOTENZIALE UND SICHERHEITSNACHWEISE 6.1 Gefahrenpotenziale Grundsatz ist, daß eine unmittelbare Gefährdung aus einer Sedimentationsanlage durch Maßnahmen wie zuverlässige Dimensionierung aller Anlagenteile, Überwachung und Kontrolle sowie Instandhaltung u. dgl. ausgeschlossen werden muss (vgl. DWA, 2001). Andererseits ist aus Gründen wie Undefinierbarkeit seltener extremer Belastungseinwirkungen Veränderungen aus nicht oder nur schwer einschätzbaren schleichenden Vorgängen unvermeidlich ein gewisses vorerwähntes Restrisiko vorhanden. Dabei sind sowohl technische Risiken als auch die stofflichen Austauschintensitäten mit dem Umfeld in den unterschiedlichen Zustandsphasen derartiger Anlagen durchaus verschieden und jeweils zu bewerten. Insbesondere bei der Planung der Endverwahrung einer Anlage sind langfristige Veränderungen mit ins Kalkül zu nehmen. DWA 2005, Hennef Seite 4/4
Gefahren für Sedimentationsbecken entstehen durch: extreme Niederschläge und Wasserzuflüsse Frosteinwirkungen Eingriffe durch bauliche Tätigkeiten im Becken selbst, aber auch im Umfeld chemische Lösungsvorgänge Aktivität von Tieren und Pflanzen Massenbewegungen (Felsstürze, Rutschungen, Muren) Erdbeben prinzipiell auch gewalttätige Eingriffe 6.2 Sicherheitsnachweise Die in DIN 19700-10 und DIN 19700-11 genannten erforderlichen Sicherheitsnachweise gelten für Sedimentationsbecken in gleicher Weise. Dies gilt auch für alle Zwischenbauzustände bzw. Stadien der Anlage (Bau, Betrieb, Aufhöhung bzw. Erweiterung, Rückbau, Verwahrung, Kultivierung). Beim Nachweis der Tragsicherheit sind bedeutsame Eingangsgrößen: und der Porenwasserdruck als Folge nicht abgeschlossener Konsolidierung im Sediment, die Lage der Sickerlinie die Möglichkeit einer Verflüssigung bei dynamischer Beanspruchung, insbesondere aus Erdbebeneinwirkungen. Die Standsicherheitsberechnungen selbst sind nach den einschlägigen bekannten Verfahren durchzuführen, wobei der Betrachtung anhand effektiver Spannungen und Scherparameter unter Ansatz der Porendrücke in den Gleitflächen wegen der Übersichtlichkeit dieser Herangehensweise der Vorzug gegeben werden sollte. Selbstverständlich gilt, daß der Standsicherheitsnachweis wie üblich - alle denkbaren Möglichkeiten des erdstatischen Versagens umfassen muss.(a) Standsicherheit gegen Abschieben des gesamten Absperrbauwerkes (Gleitfläche im Auflager), (b) Standsicherheit des Dammkörpers gegen Böschungsrutschungen (Gleitfläche im Damm-körper), (c) Standsicherheit des Dammkörpers gegen Grundbruch (Gleitfläche mit Erfassung des Untergrundes), (d) Standsicherheit des Dammkörpers gegen Spreizen in der Aufstandsfläche (örtliche Standsicherheit am Böschungsfuß). Als Besonderheit bei Sedimentationsanlagen ist weiter zu nennen:standsicherheit der Erhöhungsstufen (Randdämme), soweit sie bei entsprechenden Bauweisen auf den jungen Sedimenten des Spülstrandes aufgesetzt werden. Schließlich ist auf eine Besonderheit bei Sedimentationsbecken auf geneigtem Gelände (an Hängen) hinzuweisen: (f) Je nach den Untergrundverhältnissen, den hydrogeologischen Gegebenheiten (jahreszeitlich wechselnder Grund- bzw. Bergwasserspiegel) und der Wasserinfiltration aus dem künstlichen Becken selbst kann es zu gespannten Grundwasserverhältnissen kommen, woraus ein Verlust der Standsicherheit des gesamten Absperrdammes auf seiner Decklehmunterlage resultieren kann (vgl. Unglück von Stava, BRAUNS, 1992 ). DWA 2005, Hennef Seite 5/5
Bei Außerbetriebnahme einer Sedimentationsanlage entfällt die Einleitung von Trübe, was eine beträchtliche Verringerung der hydraulischen Belastung bedeutet. Andererseits entfällt oder verringert sich die betriebliche Überwachung der Anlage, was besonders bei Einrichtungen wie Mönche, Abzugsvorrichtungen, Dränagen usw. kritisch zu bewerten ist. 7 BETRIEB UND INSTANDHALTUNG Bei einem kontinuierlichen Betrieb des Sedimentationsbeckens ist sicherzustellen, dass das die Stauanlage täglich kontrolliert wird. Der Einspülprozess ist so zu steuern, dass der planmäßige weitere Aufbau der Spülstrände und des Absperrbauwerks durch die eingebrachten Sedimente sichergestellt wird. Bei Sedimentationsbecken mit Talsperrencharakter (Klarwasser am Absperrbauwerk) ist bei der Einstellung des Freiwasserabzugs der volle Freibord nach DIN 19700-11 einzuhalten. Bei Sedimentationsbecken mit Spülstrandausbildung am Absperrbauwerk kann ein außerplanmäßiger Überstau des Spülstrandes zu einer Gefährdung der Stabilität des Dammkörpers führen (vgl. Bild 3). Ein Überstau von Spülstrandbereichen ist daher ohne vorherigen Nachweis der schadlosen Auswirkungen hinsichtlich der aus dem Überstau folgenden hydraulischen Belastungen nicht zulässig. Bild 3: Gegen Wasserspiegelanstieg empfindliche Bauweise Der von einem Überstau in jedem Fall freizuhaltende Spülstrandbereich ist erdstatisch anhand der zuzulassenden höchsten Sickerlinienlage festzulegen. Entsprechend sind der Freiwasserabzug und gegebenenfalls die Entlastungsanlage zu betreiben. Es muss sichergestellt werden, dass ausreichend Rückhalteraum zur Vermeidung einer Inanspruchnahme des freizuhaltenden Spülstrandbereiches für die nach Maßgabe des Abschnitts 2 zu ermittelnden Bemessungsgrößen vorgehalten wird. Andernfalls müssen entsprechende Entlastungsanlagen vorhanden sein, die einen Überstau sicher ausschließen. DWA 2005, Hennef Seite 6/6
8 AUßERBETRIEBNAHME, RÜCKBAU, VERWAHRUNG Für die Stillegung eines Sedimentationsbeckens bedarf es einer qualifizierten Fachplanung unter Einschaltung eines entsprechend versierten Geotechnikers. In der Planung sind u. a. die folgenden Punkte zu berücksichtigen: Darstellung des Endzustandes der Böschungen und des Spülstrandes sowie gegebenenfalls der verbleibenden Bauwerke der Anlage mit dem Nachweis der Sicherheit auch in Bezug auf die Langzeitentwicklung, Angaben und Nachweis zur sicheren Verwahrung des Restspülsees und gegebenenfalls zum Rückbau der Entnahmeeinrichtungen, Nachweis der schadlosen Abführung des Niederschlags- und Hangwassers sowie unter Umständen eines möglichen Hochwasserabflusses aus dem Einzugsgebiet, verbleibende Mess- und Kontrolleinrichtungen zur weiteren Überwachung der Anlage, Plan zur späteren Nutzung der Flächen mit Angaben zur landschaftlichen Gestaltung (landschaftspflegerischen Begleitplan), Darstellung der Technologie zum Rückbau des Sedimentationsbeckens. Ein endgültig verwahrtes Sedimentationsbecken verliert die Eigenschaft als Stauanlage, wenn nachgewiesen werden kann, dass von der Anlage keine fortgesetzten Gefahren z. B. bezüglich der Fließfähigkeit der Sedimente ausgehen können. Literatur BRAUNS, J. (1992): Anmerkungen zum Bruch der Sedimentationsbecken von Stava/Oberitalien. In: Mitt. Abt. Erddammbau u. Deponiebau, Inst. Bodenmech. u. Felsmech., H. 5. Univ. Karlsruhe 1992. DGEB (2000): Deutsche Gesellschaft für Erdbeben-Ingenieurwesen und Baudynamik: Erdbebensituation in Deutschland - Gefährdung, Risiko, Forschungs- und Handlungsbedarf. Geotechnik 23 (2000), Nr. 2. DIN 4149 T. 1 A 1 (12/1992): Bauten in deutschen Erdbebengebieten; Lastannahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten, Änderung 1, Karte der Erdbebenzonen (Zuordnung von Verwaltungsgebieten zu den Erdbebenzonen). DWA (1990): DVWK-Schriften, Heft 97 (1990): Bericht der Projektgruppe Koordinierte Starkregenauswertung (KOSTRA). Verlag Paul Parey, Hamburg/Berlin. DWA (1997): DVWK Mitteilungen Heft 29: Maximierte Gebietsniederschlagshöhen für Deutschland. DWA (2001): ATV/DVWK Merkblatt M 503: Grundlagen zur Überprüfung und Ertüchtigung von Sedimentationsbecken. ICOLD/CIGB (1982) Bulletin 45: Manual on Tailings Dams and Dumps. Com. Int. des Grands Barrages, Paris. VICK, S.G. (1983): Reclamation of Tailings Impoundments. In: Planning, Desing and Analysis of Tailings Dams. Ed. W. Lambe, R. Whitman. J. Wiley & Sons, New York. pp. 324-342. DWA 2005, Hennef Seite 7/7