DVWK-Merkblatt 242/1996 Berechnungsverfahren für - DWA Shop

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DVWK-Merkblatt 242/1996
Berechnungsverfahren für Gewichtsstaumauern -
Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Untergrund
ISBN 3--935067-88-7
bearbeitet vom DVWK-Fachausschuß „Talsperren“,
gemeinsamer Fachausschuß mit der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V. (DGGT)
und dem Deutschen TalsperrenKomitee (DTK)
Die Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) hat das Vorhaben finanziell gefördert.
Benutzerhinweis für die „DVWK-Merkblätter zur
Wasserwirtschaft“
Die „DVWK-Merkblätter zur Wasserwirtschaft“ sind das fachgerechte Ergebnis
ehrenamtlicher technisch-wissenschaftlicher Gemeinschaftsarbeit und stehen jedermann
zur Anwendung frei. Die in den Merkblättern veröffentlichten Empfehlungen stellen einen
Maßstab für einwandfreies technisches Verhalten dar und sind somit eine wichtige
Erkenntnisquelle für fachgerechtes Verhalten im Normalfall. Die Merkblätter können jedoch
nicht alle Sonderfälle erfassen, in denen weitergehende oder einschränkende Maßnahmen
geboten sein können. Durch das Anwenden der „DVWK-Merkblätter zur Wasserwirtschaft“
entzieht sich niemand der Verantwortung für eigenes Handeln. Jeder handelt insofern auf
eigene Gefahr.
Vorwort
Talsperren sind Bauwerke, die mit großer Sorgfalt und einem hohen
Verantwortungsbewußtsein errichtet und betrieben werden müssen. Insbesondere die
Anfang des Jahrhunderts gebauten Gewichtsstaumauern bedürfen aufgrund ihres Alters
und ihres dadurch bedingten Zustandes einer Überprüfung der Standsicherheit.
Ziel des vorliegenden Markblättes ist es, diesem Handlungsbedarf Rechnung zu tragen.
Durch die Zusammenstellung von Erfahrungen sollen dine Hilfestellung für die Überprüfung
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der Standsicherheit alter Staumauern und eine Grundlage zur Durchführung von Sanierung
für die Überprüfung der Standsicherheit alter Staumauern und eine Grundlage zur
Durchführung von Sanierungsmaßnahmen gegeben werden. Hierbei beschränken sich die
Ausführungen auf den Bereich der Gewichtsstaumauern, da in Deutschland die
Bogenstaumauern daum Verbreitung gefunden haben. Eine Beachtung der Ausführungen
des Merkblattes bei der Durchführung von Standsicherheitsuntersuchungen für
Staumauern, die sich n der Planung befinden, wird empfohlen.
Mit dem Abschluß der Arbeiten an diesem Merkblatt setzt der Arbeitskreis
„Berechnungsverfahren - Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Untergrund“ seine
Tätigkeit fort und widmet sich dem im Rahmen des vorliegenden Merkblattes nicht
behandelten Themenbereich „Staudämme“.
Dieses Merkblatt wurde unter der Mitwirkung folgender Mitglieder des Arbeitskreises
„Berechnungsverfahren - Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Untergrund“ des
Fachausschusses „Talsperren“ erarbeitet:
GREB, H. Dipl.-Ing., Bauerochse und Winzen, Gesellschaft Beratender
Ingenieure mbH, Köln
IDEL, K.H. Prof. Dr.-Ing., Essen
JÄGER, W. Dr.-Ing., Geschäftsbereichsleiter/Prokurist, Ingenieurgesellchaft
Wasser- und Tiefbau mbH IWT, Cossebaude/Dresden
KÖNGETER, J. Univ. Prof. Dr.-Ing., Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft,
RWTH Aachen
LAMPE, G. Dipl.-Ing., RBD, Bezirksregierung Köln
LINSE, D. Dr.-Ing., Ingenieursbüro Förster, Sennewald + Linse, München
RISSLER, P. Prof. Dr.-Ing., Ruhrverband, Hauptabteilung Talsperrenwesen, Essen
SCHETELIG, K. Univ. Prof. Dr., Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie,
RWTH Aachen
SCHMIEDER, G. Dipl.-Ing., Hydroprojekt Ingenieurgesellschaft mbH, Erfurt
Stroh, D. Dr.-Ing., Direktor, Hochtief AG, Essen
WEBER, P. Dr., Geologisches Landesamt Nordrhein-Westfalen, Krefeld
WITTKE, W. Univ. Prof. Dr.-Ing., Institut für Grundbau, Bodenmechanik,
Felsmechanik und Verkehrswasserbau, RWTH Aachen (Obmann)
Der Arbeitskreis bedankt sich für die Anregungen und Unterstützung des
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DVWK-Fachausschusses 2.2 „Talsperren“.
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Aachen, im April 1996 Walter Wittke
1 Veranlassung
In der DIN 19700 Teil 11 Absatz 6 ist ein Standsicherheitsnachweis für Staumauern
gefordert, bei dem das Zusammenwirken von Bauwerk und Baugrund zu berücksichtigen
ist. Die Autoren des Merkblattes haben sich die Aufgabe gestellt, die Forderungen der DIN
19700 zu verdeutlichen und Hinweise sowie Hintergrundwissen für die Anwender zu geben.
Dabei bietet sich die Gelegenheit, die in DIN 19700 Teil 10 und Teil 11 bei den
Einwirkungen bzw. Kombinationsregeln vorhandenen Widersprüche und Unklarheiten
auszuräumen.
Die geotechnischen Zusammenhänge wurden vergleichsweise ausführlich dargestellt, da
die Eigenschaften des Felsuntergrundes für Berechnungsverfahren mit Berücksichtigung
der Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Untergrund besonders wichtig sind.
Andererseits besteht der Eindruck, daß gerade hierüber vielfach nur unzureichende
Kenntnisse vorhanden sind. Auf die besondere Bedeutung der DIN 4020 für die Ermittlung
der Kennwerte wird an dieser Stelle hingewiesen.
Ziel des vorliegenden Merkblattes ist es, diesem Handlungsbedarf Rechnung zu tragen.
Durch die Zusammenstellung von Erfahrungen sollen eine Hilfestellung für die Überprüfung
der Standsicherheit alter Staumauern und eine Grundlage zur Durchführung von
Sanierungsmaßnahmen gegeben werden. Hierbei beschränken sich die Ausführungen auf
den Bereich der Gewichtsstaumauern, da in Deutschland die Bogenstaumauern kaum
Verbreitung gefunden haben. Eine Beachtung der Ausführungen des Merkblattes bei der
Durchführung von Standsicherheitsuntersuchungen für Staumauern, die sich in der Planung
befinden, wird empfohlen.
Es ergibt sich aus der Zielsetzung des Merkblattes, daß das Kragträgerverfahren für einen
Standsicherheitsnachweis der vorher beschriebenen Art nur bedingt geeignet ist, da es die
Berücksichtigung des Untergrundes hinsichtlich seiner Verformbarkeit und Durchströmung
nicht oder zumindest nur unzureichend erlaubt.
Die Ermittlung der Kennwerte des Felsuntergrundes, die Durchführung von
Standsicherheitsnachweisen, bei denen das komplexe Wechselspiel zwischen Staumauer
und Untergrund berücksichtigt wird, sowie die Umsetzung der Ergebnisse in den Entwurf
erfordern umfangreiche Erfahrung und die Zusammenarbeit aller an der Bearbeitung eines
Talsperrenprojektes beteiligten Fachleute. Deshalb kann und will das vorliegende Merkblatt
keine Anweisung zur Berechnung von Talsperren sein.
Die Empfehlungen im Rahmen des Merkblattes bauen auf den Fortschritten bei der
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Erkundung der mechanischen und hydraulischen Eigenschaften von klüftigem Fels und
Bauwerk auf. Diese verbesserten Erkundungsmöglichkeiten ermöglichen es überhaupt erst,
die heute verfügbaren numerischen Berechnungsverfahren zur Durchführung von
Standsicherheitsuntersuchungen unter Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen
Bauwerk und Untergrund sowie zur Untersuchung des Einflusses von
Sanierungsmaßnahmen sinnvoll anzuwenden. Auf die Methode der Rückrechnung
vorhandener Meßwerte und den Vergleich zwischen Berechnungsergebnissen und
Messungen an Bauwerk und Untergrund wird eingegangen.
2 Eigenschaften des Felsuntergrundes
2.1 Allgemeines
Die Eigenschaften des Felsuntergrundes, vor allem dessen Zusammensetzung, das
Gefüge, die Lagerungsverhältnisse sowie seine Festigkeit, das
Spannungsdehnungsverhalten und die Grundwasserverhältnisse werden durch geologische
und felsmechanische Untersuchungen erkundet. Diese haben zum Ziel,
a) einen Überblick über das mechanische und hydraulische Verhalten des Untergrundes
zu gewinnen. Zweck dieser Untersuchungen ist es, vor allem auch kritische
Widerlagerzustände zu erkennen,
b) geologisch und mechanisch einheitliche Bereiche, sogenannte Homogenbereiche
abzugrenzen, denen jeweils einheitliche mechanische und hydraulische Kennwerte
zugeordnet werden können (Gefügemodell). Solche Homogenbereiche werden
aufgrund unterschiedlicher Gebirgsarten und/oder unterschiedlicher
Trennflächenanordnungen voneinander abgetrennt (s. Bild 2.1),
c) mögliche geologische Störungen oder andere Inhomogenitäten des Felsuntergrundes
zu ermitteln,
d) die Eingangsparameter für Berechnungen zu ermitteln bzw. abzuschätzen,
e) ein geotechnisches Modell zu entwickeln.
Bild 2.1: Beispiel für ein Gefügemodell und ein geotechnisches Modell(1)
Da die Natur in einer Berechnung nicht vollständig nachgebildet werden kann, wird als
Grundlage für felsmechanische Berechnungen zunächst ein Gefügemodell des
Felsuntergrundes entwickelt (s. Kapitel 2.2). Dieses Gefügemodell muß gegenüber der
Natur soweit vereinfacht sein, daß es berechenbar ist, aber andererseits alle wesentlichen
geotechnischen Eigenschaften und Einflußfaktoren, z.B. Störungen, berücksichtigt (s. Bild
2.1). Durch zusätzliche Erarbeitung von Felskennwerten, welche das mechanische und/oder
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