Überströmungssicherung von Deichen und Böschungen - acqua alta

Kurzfassung
Überströmungssicherung von Deichen und Böschungen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Norbert Meyer
Dr.-Ing. Ansgar Emersleben
Dipl.-Ing. Daniel Gröger
Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, Technische Universität Clausthal
Inhalt - Eine der Hauptursachen für Deichschäden, dass zeigen die Erfahrungen der Vergangenheit,
ist die Überströmung von Deichanlagen bei Hochwasser und die dadurch verursachte Erosion
des Deiches. Gleichzeitig werden wegen der zunehmenden Wasserpegel und Strömungsgeschwindigkeiten
bei Hochwasser immer häufiger gezielte Hochwasserentlastungen mittels Deichüberströmung
in sogenannte Polderflächen durchgeführt. Das setzt jedoch voraus, dass entsprechende
Deichabschnitte als erosionsstabile Überlaufstrecken ausgebildet werden. Mögliche bautechnische
Lösungen zur Herstellung entsprechender Überströmungskorridore umfassen unter
anderem Steinschüttungen, Steinpflaster, Geokunststoffe, Bodenverfestigungen und Verbundbauweisen.
Nicht alle bestehenden Überströmungssysteme weisen die erforderlichen Eigenschaften
der Erosionsstabilität und Standsicherheit auf und sind daher in Ihrer praktischen Anwendung
eingeschränkt und haben daher im Hochwasserfall unter Umständen ein hohes Schadenspotenzial.
Neben der Abdichtung der landseitigen Böschungsflächen der Deiche bei Anwendung bestimmter
Systeme kann es zudem zu einem Wasser- bzw. Sickerstau im Deich unterhalb der Überströmungssicherung
kommen, was eine Schädigung bis hin zur Zerstörung des Deiches zur Folge
haben kann. Neben der Vorstellung und Beurteilung existierender Überströmungssicherungssysteme
wird ein neuartiges „ideales“ Sicherungssystem vorgestellt. Vorrangiges Ziel ist dabei die
Entwicklung eines erosionssicheren, dränfähigen Systems zur Sicherung von Deichen und Dämmen
gegen Erosion, welches neben ökologischen und ökonomischen Vorteilen auch konstruktive
Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Systemen bietet. Neben der Überströmungssicherung
kann das System zudem zur Stabilisierung von Deichverteidigungswegen eingesetzt werden und
erfüllt damit mehrere Funktionen gleichzeitig.
Keywords: Hochwasserschutz, Überströmungssicherung, Ertüchtigung von Deichen
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Einführung
Infolge der erwarteten, langfristigen Klimaschwankungen und -änderungen ist mit einer zunehmenden
Belastung der Deiche und Böschungen in Flussbereichen in Folge ansteigender Wasserpegel
und zunehmender Strömungsgeschwindigkeiten zu rechnen. Diese Erscheinungen werden
zukünftig zu einer zunehmenden Häufigkeit und Größe von Hochwasserereignissen führen,
wodurch die Anforderungen an Flussdeiche und Böschungen stetig steigen werden. Insbesondere
Deiche und Böschungen mit erosionsstabilen Überlaufstrecken und ausgewiesenen Polderflächen
werden in naher Zukunft verstärkt an Bedeutung im Bereich des Hochwasserschutzes gewinnen.
Durch die Hochwasser der letzten Jahre hat sich gezeigt, dass das Versagen bei Deichbrüchen,
insbesondere im Überströmungsfall, vorwiegend von der luftseitigen Böschung ausgeht (Werth et
al., 2007). Im Fall einer langanhaltenden oder wiederkehrenden Überströmung der nicht überströmungssicher
ausgebildeten Deiche kann die zusätzliche Belastung aus den Sohlschubspannungen
des überströmenden Wassers zu einer Oberflächenerosion der luftseitigen Deichböschung
führen. Bietet sich nicht die Gelegenheit einer Instandsetzung der Böschung, so kann eine anhaltende
Überströmung zu Deichbrüchen führen, wodurch sich ein erhebliches Gefahrenpotentzial
durch das unkontrollierte Abfließen der Wassermassen ergibt.
Bild 1 zeigt einen Deichbruch bei Laußig infolge des Hochwassers von 2002 in Sachsen. Eine
Schadensanalyse der TU Dresden hat gezeigt, dass bei dem Hochwasserereignis von 2002 ca.
60% der Deichbrüche durch Überströmungen der Deiche verursacht wurden (Heyer und Horlacher,
2007).
Bild 1: Deichbruch an der Vereinigten Mulde bei
Laußig (Hochwasser 2002) aus (Heyer, 2007)
Zusätzlich zu den Belastungen aus der Überströmung ergeben sich weitere Belastungskomponenten
aus der zeitgleichen Durchströmung des Deichkörpers. Die Durchströmung des
Deichkörpers resultiert zum einen aus einer Durchsickerung von der Wasser- zur Luftseite infolge
des Lastfalles „Einstau“ und zum anderen aus einer Infiltration des überströmenden Wassers in
die Deichkrone und die luftseitige Böschung. Diese zusätzlichen Belastungen erhöhen die Versagenswahrscheinlichkeit
in Bezug auf einen Böschungsbruch und eine mögliche Rutschung des
Deckwerks im Bereich des Oberbodens (Steuernagel, 2008). Die unterschiedlichen Belastungen
im Überströmungsfall stellen hohe Anforderungen an die meist nachträglich installierten Sicherungssyteme.
Die Überströmungssicherungen müssen neben der Verhinderung einer tiefreichenden
Oberflächenerosion der luftseitigen Böschung zeitgleich eine ausreichende hydraulische
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Wirksamkeit und Erosionsstabilität besitzen, um die Gefahren eines Oberflächenabtrags, eines
Böschungsbruches oder als letzte Konsequenz eines Deichbruches zu minimieren.
Bestehende Überströmungssicherungen weisen nur bedingt die geforderten Eigenschaften auf
oder sind wegen des hohen Kosten- und Arbeitsaufwandes keine optimale Lösung, weshalb hier
ein neuartiges, sich derzeit in Entwicklung befindliches Sicherungssystem vorgestellt wird.
Bestehende Überströmungssicherungen
Nach dem heutigen Stand der Technik existieren eine Vielzahl von Überströmungssicherungen,
die sich aus den unterschiedlichsten Materialien zusammensetzen. Nachfolgend werden die wichtigsten,
gängigen Sicherungssysteme mit ihren Anwendungsgrenzen, mit den möglichen Versagensmechanismen
sowie ihren Vor- und Nachteilen beschrieben:
1) Steinpflaster [Bild 2a)]:
Die Anordnung von ungebundenen Steinpflastern ist in der Regel nur für Neigungen der
luftseitigen Böschung von i ≤ 1:6 und einer maximalen Hochwasserabflussbelastung von
1,0 m³/s zulässig. Aufgrund der geringen Verbundwirkung zwischen den einzelnen Steinen
können im Überströmungsfall einzelne Steine aus dem Pflaster herausgelöst werden,
wodurch ein Versagen des gesamten Deckwerks verursacht werden kann. Bei gebundenen
Steinpflastern können auch steilere Böschungsneigungen hergestellt werden. Die Installation
der Steinpflaster ist aufwendig und gestaltet sich teilweise als sehr schwierig. Weiterhin
können bei gebundenen Steinpflastern, hervorgerufen durch fehlende Plastizität bei
Setzungen und auftretenden Horizontalkräften, Hohllagen bzw. Sickerfehlstellen auftreten,
die wiederrum zu einer erhöhten Erosion in diesen Bereichen führen können. Zusätzlich
kann sich das relativ dichte, gebundene Deckwerk nachteilig auf die Auftriebssicherheit
im Durchsickerungsfall auswirken.
2) Steinschüttung [Bild 2b)]:
Die zulässige Böschungsneigung bei der Sicherung mit Steinschüttung ist größer als bei
Steinpflastern und sollte eine Neigung von i = 1:4 nicht überschreiten. Die Hochwasserabflussleistung
liegt erfahrungsgemäß bei 1,0 m³/s, wobei die minimal erforderlichen
Schüttdicke stets gewährleistet sein muss und aus dem Größtkorndurchmesser d100 der
verwendeten Steinschüttung mit der Formel min db = 1,5 · d100 abgeleitet werden kann.
Die Verbundwirkung der Steinschüttung ist herstellungsbedingt nochmals geringer als die
der Steinpflaster. Dadurch können im Überströmungsfall einzelne Steine oder sogar ganze
Steinformationen aus der Schüttung herausgelöst werden. Vorteilhaft wirkt sich die einfache
Bauweise auf eine schnell herzustellende Überströmungssicherung aus. Vom Standpunkt
der Dauerhaftigkeit aus gesehen, stellt die Steinschüttung nur eine bedingt geeignete
Alternative dar, da sich durch geringe Abflussänderungen und Durchströmungen Lageänderungen
der einzelnen Steine und folglich die Ausbildungen von Erosionsrinnen ergeben
können.
3) Geogitter [Bild 2c)]:
Die Verwendung von böschungsparallel verlegten Geogittern als Sicherungssystem ist wie
bei Steinpflastern auf eine maximale Böschungsneigung von i = 1:6 beschränkt. Dabei
liegt die Abflussleistung bei der ein schadloses Überströmen möglich ist bei maximal 1,0
m³/s. Der häufigste Versagensmechanismus ist ein Abgleiten des gesamten Deckwerkes.
Die hohe Langzeitbeständigkeit und eine hohe Stabilität gegenüber mobilisierten Zugkräften
aus den Sohlschubspannungen des überströmenden Wassers stellen die wesentlichen
Vorteile dieser Sicherungsvariante dar. Hingegen sind die Sicherstellung einer ausrei-
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chend dicken Überdeckung der Geogitter gegen die festigkeitsverringernde UV-Strahlung,
die teilweise nicht vorhandene Filterstabilität und die dadurch verursachten hohen Zusatzkosten
die größten Nachteile.
4) Mastixschotter [Bild 2d)]:
Bei dieser Überströmungssicherung beträgt die Mindestschichtdicke 13 cm. Dabei ist die
zulässige Böschungsneigung auf i = 1:6 beschränkt und der Hochwasserabfluss sollte 1,0
m³/s nicht überschreiten. Bei zu hoher Abflussbelastung besteht ein mögliches Versagensrisiko
im Abgleiten der Filterschicht bzw. im Abgleiten mit dem Filter. Durch die Überströmungssicherung
aus Mastixschotter wird eine starke Verbundwirkung mit dem angebundenen
Deckwerk erreicht, welche den Belastungen widerstehen kann. Weiterhin
zeichnet sich die Mastixschotterbauweise durch die dränfähigen und kohärenten Eigenschaften
des Materials aus. Nachteilig sind die hohen Materialkosten bei Herstellung von
größeren Einbaudicken und die relativ dichten Eigenschaften der Sicherung, wodurch die
Gefahr des Auftriebes bei Durchsickerung erhöht wird.
5) Bodenverfestigung [Bild 2e)]:
Die wesentlichen Einschränkungen einer konventionelle Bodenverfestigung ergeben sich
aus einer notwendigen Mindestverfestigungsdicke von 1 m bzw. aus einer mehrlagigen
Verdichtung (DVWK, 1991), einer zulässigen Böschungsneigung von i ≤ 1:4 und der Beschränkung
des Abflusses auf maximal 1,0 m³/s. Bei der Herstellung der verfestigten Böschung
können z.B. aufgrund von unterschiedlichen Untergrundsituationen Bereiche unterschiedlicher
Verfestigungsqualität entstehen. Infolgedessen kann sich ein erhöhtes Risiko
in Bezug auf lokale Ausbrüche oder ein Abgleiten ergeben. Durch die Steigerung der
Festigkeitseigenschaften infolge der erhöhten Lagerungsdichte wird die Erosionsbeständigkeit
wesentlich verbessert. Hingegen wirkt sich nachteilig die Empfindlichkeit des stabilisierten
Bodenmaterials gegen äußere Witterungseinflüsse aus.
6) Verbundbauweise aus Geokunststoffen [Bild 2f)]:
Die Verbundbauweise beschreibt eine bewehrte Erde Konstruktion, bei der im Deichkörper
lagenweise Geokunststoffe (Geogitter, Gewebe) als Bewehrungselemente für das
Deichmaterial eingebaut werden. Durch die Aufnahme von Zugkräften und eine Stabilisierung
des zwischen den einzelnen Lagen befindlichen Bodens wird die Festigkeit des
Deichkörpers signifikant erhöht. Ein weiterer Umschlag der Geokunststoffe bewirkt eine
zusätzliche Lagestabilität des Deichmaterials im Böschungsbereich. Je nach Bauweise
sind bei der Überströmungssicherung mit der Verbundbauweise unterschiedliche Böschungsneigungen
zulässig. Die erhöhte Belastung der Überlaufstrecke im Fall der Überströmung
kann zum Herauslösen einzelner Geokunststofflagen oder ganzer Segmente führen
[siehe Bild 2f)], wodurch sich eine erhebliche Standsicherheitsverminderung ergeben
kann. Der Vorteil in der Verwendung der Verbundbauweise liegt in der Variabilität der
Deich- und Böschungsquerschnitte, da die luftseitige Böschung unter entsprechenden
konstruktiven Randbedingungen auch sehr steil abgeböscht werden kann. Der wesentliche
Nachteil besteht darin, dass die Verbundbauweise nur bei Neubauten von Deichen angewendet
werden kann und daher mit vergleichsweise hohen Baukosten verbunden ist
(LfU BW, 2004).
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a) Steinpflaster b) Steinschüttung
c) Geogitter d) Mastixschotter
e) Bodenverfestigung f) Verbundbauweise
Bild 2: a) – f) Überströmungssicherungen, LfU BW (2004)
Die oben beschriebenen Sicherungssyteme zur Herstellung von Überlaufstrecken dienen als Alternative
zu einer konventionellen Böschungsabflachung, bei der hauptsächlich die Grasnarbe zur
Lagestabilisierung des Deichmaterials verwendet wird. Neben dieser konventionellen Variante
und den erwähnten, teilweise durchlässigen Sicherungssytemen werden auch undurchlässige Abdichtungen
als Überströmungssicherung (z.B. Kunststoffdichtungsbahnen) verwendet. Jedoch
bergen diese ein hohes Risiko, da sie zu einem Anstau des Sickerwassers unterhalb der Abdichtung
führen. Die daraus resultierenden Auftriebskräfte können ein lokales oder gesamtheitliches
Versagen der luftseitigen Böschung bewirken (Akkerman et al., 2007).
Ebenfalls nachteilig kann sich die Anwendung von Geovliesen zur Überströmungssicherung erweisen.
Anhand von Überströmungsversuchen im technischen Maßstab konnte beobachtet werden,
dass, selbst bei sachgerechter Installation der Vliese, der Deichkörper unterhalb der bewehrten
Deckschicht erodiert wird (Werth et al., 2007), wodurch ein Versagen der kompletten Deckschicht
ausgelöst werden kann.
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Überströmungssicherung mit Geozellen
Ein neuartiges Sicherungssystem soll sich durch eine Kombinationsbauweise aus dem Einbau
eines erosionssicheren, dränfähigen Materials in ein System aus Geozellen auszeichnen. Dadurch
soll ein schnell herzustellendes, kostengünstiges Sicherungssystem entstehen, das ohne die Nachteile
der aufgeführten Sicherungssysteme als Überströmungssicherung verwendet werden soll.
Geozellen
Geozellen bestehen aus einzelnen, dreidimensionalen Kunststoffzellen, die durch unterschiedliche
Herstellungsverfahren zu einem zusammenhängenden, wabenförmigen Tragsystem verbunden
werden. Diese Tragsysteme werden am Einsatzort aufgespannt und mit Füllmaterial verfüllt (siehe
Bild 3).
Bild 3: Beispiel eines aufgespannten Zellensystems ohne
Füllmaterial auf einem Deichkörper
Die Zellenwände umschließen dabei das Füllmaterial und verhindern bei vertikaler Belastung ein
seitliches Ausdehnen des Bodens, wodurch insbesondere das Kraft-Verformungsverhalten und
somit auch die Tragfähigkeit des Bodens verbessert werden. Während die Geozellen zunächst
entsprechend ihrer Entwicklung hauptsächlich zur Stabilisierung von ungebundenen Tragschichten
unter Fahrbahnen und Eisenbahnlinien eingesetzt wurden, ergeben sich heute als wesentliche
Einsatzgebiete der Geozellen:
• Stabilisierung wenig tragfähiger Böden
• Bewehrung von Dammaufstandsflächen
• Bewehrung von Bankettbereichen im Straßenbau
• Verwendung als Facing
• Stützkonstruktionen (Schwergewichtswände)
• Erosionsschutz von Böschungen
• Schutz von Kanal- und Uferböschungen
Weltweit ist heutzutage vor allem die Anwendung der Geozellen zur Stabilisierung wenig tragfähiger
Böden in schwer zugänglichen Gebieten, wie z.B. Alaska und Sibirien, weit verbreitet. Hier
nutzen insbesondere Explorationsunternehmen die Möglichkeiten der Geozellen, um in schwer
zugängliche und klimatisch stark veränderliche Gebiete vorzustoßen. Zunehmend werden die Ge-
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ozellen jedoch auch als Erosionsschutz an Böschungen im Wasser- und Verkehrswegebau sowie
zur besseren Befahrbarkeit von Deichbauwerken eingesetzt (Meyer und Emersleben, 2009).
Der Einsatz von Geozellen zur Erhöhung des Erosionsschutzes von Böschungen im Erd- und
Wasserbau basiert im Wesentlichen auf einer Erhöhung des Widerstandes des Böschungsmaterials
gegenüber den hangabwärtsgerichteten Erosionskräften. Die Geozellen verleihen dem innerhalb
der wabenförmigen Struktur eingelagerten Erdstoff durch die Zellenwände eine zusätzliche Lagestabilität,
wodurch der Erdstoff an einer hangabwärtsgerichteten Bewegung gehindert wird. Die
dabei auftretenden Kräfte werden durch die Geozellenwände in Form von Zugkräften aufgenommen.
Zusätzlich können die Geozellen durch Verankerungsstäbe in Verbindung mit Spanndrähten
gesichert werden (siehe Bild 4).
Bild 4: Erosionsschutz mit Geozellen Bild 5: Mögliche Anbindung des Systems
Der Reibungswiderstand zwischen den Geozellenwänden und dem Füllmaterial bewirkt zudem
einen erhöhten Widerstand gegenüber vertikaler Verlagerung, verursacht durch Frost-/Tauwechsel
und Ausschwemmungen. Die Durchlässigkeit der Zellenwände z.B. in Form von Perforationen
ermöglicht einen ungehinderten Oberflächenwasserabfluss, während das Füllmaterial gleichzeitig
durch die Geozellenwände gehalten wird.
Hierbei werden die Geozellen zu etwa 2/3 mit Dränmaterial verfüllt, während im oberen Bereich
der Zellen Mutterboden eingebracht wird. Dadurch kann eine ausreichende Begrünung der Böschung
bei gleichzeitiger Lagestabilität des Mutterbodens analog dem Füllmaterial ermöglicht
werden (siehe Bild 5). Die Wurzeln können aufgrund der vorhandenen Zellperforation zellenübergreifend
wachsen, große bodenstabilisierende Wurzelsysteme bilden und somit zu mehr Stabilität
bei Wassereinwirkung beitragen. Die Perforierung begünstigt zudem durch den möglichen
zellenübergreifenden Nährstoffaustausch die natürlichen Lebensbedingungen für Flora und Fauna
(Meyer und Emersleben, 2009).
Füllmaterial
Wie bereits erwähnt werden Geozellen bereits zum Erosionsschutz angewendet, jedoch sind die
herkömmlichen Füllmaterialien für die Überströmungsbeanspruchung nur bedingt geeignet, da
diese bei Überströmung aus- bzw. unterspült werden. Überströmungsversuche mit verfüllten Geozellen
in Colorado aus dem Jahr 2006 haben gezeigt, dass die Belastung aus einer Überströmung
in einem erheblichen, erosionsbedingten Materialaustrag aus den Zellen resultiert (siehe Bild 6).
Um diesen Materialaustrag entgegen zu wirken, wurden oberhalb der verfüllten Geozellen Vegetationsmatten
befestigt. Die Versuche mit den Vegetationsmatten haben deutlich verbesserte Versuchsergebnisse
aufgezeigt, wobei jedoch anzumerken ist, dass dennoch in Teilbereichen der
Überlaufstrecke ein erosionsbedingter Materialaustrag nachgewiesen wurde. Die Abflussbelas-
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tung wurde bei diesen Versuchen schrittweise von Q ≈ 0,42 m 3 /s auf Q ≈ 3,07 m 3 /s gesteigert,
wobei die Belastungsdauer jeweils eine Stunde betrug (Clopper et al., 2006).
Bild 6: Überströmungsversuch, Colorado 2006
Aufgrund der relativ geringen Überströmungsdauer und der bereits auftretenden Erosionserscheinungen
ist zu vermuten, dass eine langanhaltende und/oder wiederkehrende Belastung zu verstärktem,
unkontrollierten Materialaustrag führt. Aus diesem Grund ist die Entwicklung eines
fließfähigen, selbstverdichtenden Dränmaterials vorgesehen, das in die Geozellen eingebracht
werden kann und eine dauerhafte Erosionsbeständigkeit und ausreichende Durchlässigkeit aufweist.
Infolge der Erosionsbeständigkeit und der hydraulischen Wirksamkeit des Füllmaterials
könnten dann kostengünstig Materialaustrag und Unterspülungen vermieden werden. Bedingt
durch den fließfähigen Einbau des Dränmaterials und einer Perforierung der Geozellenoberflächen
ergibt sich zusätzlich eine wesentlich verbesserte Verbundwirkung zwischen den Geozellen
und dem Dränmaterial, die zu einer erhöhten Kraftübertragung innerhalb des Gesamtsystems und
somit einer verbesserten Stabilität führt. Als Beispiel für den fließfähigen Einbau sei hier auf das
von dem Forschungsinstitut FITR entwickelte, modifizierte Tongemisch im Rahmen des EU-
Projektes „Prodicon“ hingewiesen (siehe Büchner und Kremmer, 2009). Infolge der genannten
Eigenschaften können gravierende Schädigungen des Deichkörpers und damit verbundene Instandhaltungsmaßnahmen
verringert werden.
Geozellen zur Tragfähigkeitserhöhung
Die Durch-, Über- und Unterströmung von Deichen bewirkt ein Aufweichen des Deichkörpers
und des Untergrundes im Böschungsfußbereich. Infolgedessen kann die vertikale Tragfähigkeit
dieser Bereiche entscheidend verringert werden und eine Zugänglichkeit des Geländes ist nicht
mehr gegeben. Neben der Verwendung der Geozellen als Erosionsschutz kann deshalb zusätzlich
die tragfähigkeitserhöhende Wirkung der Geozellen genutzt werden, um auch bei aufgeweichten,
destabilisierten Bodenverhältnissen die Zugänglichkeit der Deiche zu gewährleisten. Der wesentliche
Tragmechanismus der Zellen besteht hierbei darin, dass das Füllmaterial innerhalb der Geozellen
durch die Geozellenwände horizontal zusammengehalten und dadurch bei vertikaler Belastung
an seiner seitlichen Ausdehnung gehindert wird, wodurch das Kraft-Verformungs-Verhalten
des Bodens erheblich verbessert wird. Dash et al. (2001) und Emersleben und Meyer (2007, 2008)
konnten in Modellversuchen durch den Einsatz von Geozellen eine Tragfähigkeitsverbesserung
gegenüber einer nicht stabilisierten Sandschicht um den Faktor 2 bis 4 feststellen. Untersuchungen
von Bathurst et al. (1988) ergaben, dass ein mit Geozellen stabilisierter Boden ähnliche Trag-
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fähigkeiten aufweist, wie eine doppelt so mächtige Bodenschicht ohne Stabilisierungsmaßnahmen.
Versuche von Mhasikar et al. (1996) zeigen, dass zum Erreichen eines ähnlichen Last-
Verformungs-Verhaltens gegenüber einem mit Geozellen stabilisierten Boden eine 4-fache
Schichtmächtigkeit ohne Geozellen notwendig ist. Im Gegensatz zu horizontalen Geogittereinlagen,
deren Bewehrungsmechanismus im wesentlichen auf dem Interlock-Effekt, dem Erdwiderstand
vor den Querstreben und der Reibung auf der Gitteroberfläche mobilisiert wird, handelt es
sich bei den Geozellen um eine dreidimensionale Verbundstruktur, deren Tragmechanismus im
Wesentlichen auf den Ringzugkräften innerhalb der Geozellenwände, der seitlichen Bettung durch
die angrenzenden Zellen und der Reibung zwischen dem Füllmaterial und der Geozellenwand
basiert (Emersleben, 2010). Der beschriebene Tragmechanismus ist nochmals grafisch in Bild 7
dargestellt.
Bild 7: Tragmechanismus der Geozellen
Bei vertikaler Belastung der Geozellen werden sowohl Ringzugkräfte innerhalb der Geozellenwände
als auch eine seitliche Bettung in den angrenzenden Geozellen mobilisiert, welche dem
eingeschlossenen Füllmaterial eine zusätzliche Festigkeit verleihen. Diese zusätzliche Festigkeit
wurde von Rajagopal et al. (1999) in Triaxialversuchen mit einzelnen Geozellen untersucht. Die
dabei ermittelten Ergebnisse zeigten, dass die Geozellen im Füllmaterial eine Art scheinbare Kohäsion
mobilisieren. Durch die Mobilisierung der scheinbaren Kohäsion und das seitliche Zusammenhalten
des Füllmaterial sowie der damit verbundenen Festigkeitserhöhung weist das Verbundsystem
Geozelle-Boden im Vergleich zum nicht stabilisierten Boden eine größere Steifigkeit
und ein verbessertes Last-Verformungsverhalten auf. Insbesondere die gegenüber einem nicht
stabilisierten Boden erhöhte Steifigkeit des Verbundsystems Geozelle-Boden bewirkt, dass die
Geozellen ähnlich einer steifen Platte wirken, die Vertikalspannungen über eine größere Fläche
verteilen und die auftretenden Verformungen reduzieren (Meyer und Emersleben, 2006; Meyer
und Emersleben, 2007). Die Geozellenwände unterbrechen zusätzlich die sich bei Erreichen der
Grenzlast ausbildenden Scherflächen im Boden. Diese werden tiefer in den Boden verlagert,
wodurch die Grundbruchlast des Bodens erheblich erhöht wird (Guido et al., 1989).
Infolge der Tragfähigkeitserhöhung und durch die konstruktive Fortführung der Geozellen über
die Böschungsschulter und/oder den Böschungsfuß hinaus kann die Tragfähigkeit dauerhaft erhöht
werden, wodurch eine ständige Befahrbarkeit dieser Bereiche sichergestellt werden kann.
Gegebenfalls kann somit eine permanente Nutzung der stabilisierten Bereiche als z.B. Deichverteidigungsweg
auch im Hochwasserfall erreicht werden (siehe Bild 8).
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Bild 8: Durchweichter Böschungsfuß eines Deichkörpers
Potential der neuartigen Kombinationsbauweise
Üblicherweise erfolgt die Ertüchtigung von Binnendeichen hinsichtlich einer ausreichenden Überströmungssicherheit
durch die Erhöhung der Deichkrone und/oder durch die Abflachung der luftseitigen
Böschung. Diese Maßnahmen setzen zum einen ausreichende Platzverhältnisse und eine
ausreichende Tragfähigkeit des Untergrundes voraus, zum anderen müssen das Vorhandensein
von geeignetem Aufschüttungsmaterial und die Zugänglichkeit für Baugeräte gegeben sein. Folglich
kann die konventionelle Ertüchtigung aufgrund des hohen Materialbedarfs und des enormen
Arbeitsaufwandes bei der konventionellen Ertüchtigung zu einem Kostengleichgewicht mit der
Herstellung durch die vorgestellte Kombinationsbauweise führen (Werth et al., 2007), wobei zusätzlich
noch der Vorteil einer langfristigen Überströmungssicherung erwartet wird. Es wird zudem
erwartet, dass aufwendige Ertüchtigungsmaßnahmen, wie z.B. Gabionenmauern, kostengünstig
und mit stark verringertem Arbeitsaufwand ersetzt werden können.
Bei der nachträglichen Herstellung von Deichverteidigungswegen oder einer Kronenerhöhung
kann die Überströmungssicherung schnell und ohne Verwendung von schweren Baugeräten installiert
werden. Die erwartete Stabilität durch die Kombinationsbauweise kann dazu genutzt werden,
Deichkronen als Verkehrsfläche zu verwenden oder bei beengten Platzverhältnissen die Deiche
steiler abzuböschen (Haselsteiner et al., 2007; Saathoff und Werth, 2003). Bei starken Belastungen
sind mit Hilfe der bestehenden Sicherungssysteme nur geringe Böschungsneigungen zulässig.
Durch die neuartige Kombinationsbauweise soll sich nicht nur bei beengten Platzverhältnissen
die Möglichkeiten ergeben, Überlaufstrecken wesentlich steiler abzuböschen. Zusätzlich
soll die erhöhte Stabilität auch eine sichere Zugänglichkeit des Geländes während und nach einer
Überströmung gewährleisten.
Im Fall der Überströmung wirken die größten Belastungen auf den luftseitigen Böschungsfuß, da
es dort zu einem Wechselsprung zwischen schießendem und strömendem Abfluss kommen kann
(Steuernagel, 2008). Durch die Fortführung der Überströmungssicherung über den Böschungsfuß
hinaus können ggf. zusätzliche Sicherungsmaßnahmen am Fuß entfallen und die Gefahr eines
Böschungsbruches oder der Kolkbildung verringert werden. Möglicherweise können dadurch
auch die notwendigen Filterschichten am luftseitigen Böschungsfuß ersetzt werden.
Weiterhin bietet die Anpassungsfähigkeit und die Flexibilität der Kombinationsbauweise die
Möglichkeit einer kosteneffizienten Anpassung an örtliche Standortanforderungen auch in unwegsamen
Deichabschnitten.
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Die Wirksamkeit des neuartigen Überströmungssicherungssystems soll demnächst im Rahmen
von klein- und großmaßstäblichen Überströmungsversuchen untersucht werden. Aufbauend auf
den Versuchsergebnissen soll ein Bemessungsmodell zur Dimensionierung des Systems entwickelt
werden. Derzeit befinden sich diese Versuche in der detaillierten Planung. Folgende Vorteile
werden von der neuartigen Bauweise erwartet:
• hohe Erosionsstabilität und Standsicherheit gegenüber dem Fall der Überströmung,
• hydraulische Wirksamkeit zur Verhinderung von wasserseitigem Wasseranstau im Deich
bei Durchströmung des Deichkörpers,
• Widerstandsfähigkeit gegen mechanischen, physikalischen und chemischen Einflüssen,
• Langzeitbeständigkeit und Dauerhaftigkeit,
• Flexibilität der Kombinationsbauweise im Hinblick auf Verformungen,
• sehr gute Verbundwirkungen der einzelnen Systemteile mit dem Deichkörper,
• einfache und kostengünstige Herstellungs- und Einbaueigenschaften,
• gleichzeitige Verbesserung der Befahrbarkeit an Deichkrone und –fuß, sowie etwaiger
Deichverteidigungswege,
• geringer Umwelteinfluss bzw. gute Umweltverträglichkeit,
• Verwendung der Geozellen zur Lagestabilität des Mutterbodens für eine mögliche Begrünung,
• Herstellung steilerer Böschungen mit wesentlich weniger Materialaufwand.
Wirtschaftliche Potentiale werden insbesondere durch einen reduzierten Sanierungsaufwand gegenüber
herkömmlichen Systemen und einer deutlich verlängerten Lebensdauer erwartet,
wodurch sich die zu erwartenden erhöhten Einbau- und Materialkosten bei Verwendung des Systems
rechtfertigen lassen. Geringe Schäden an den Deichkörpern im Fall von Hochwasser und
Überströmungsereignissen reduzieren zudem den Sanierungsaufwand an den Deichkörpern selbst,
wodurch ebenfalls Kosten eingespart werden können.
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