Naturmaßstäblicher Modellversuch zur Untersuchung der Unterströmung von Hochwasserschutzdämmen

Abstract

Unterströmung von Hochwasserschutzdämmen stellt bei einem entsprechenden hydraulischen Gefälle aufgrund von eintretenden Erosionsprozessen in der Bodenstruktur eine erhöhte Gefahr für den Stabilitätsverlust des Bauwerkes dar. Besteht zudem das Bodenprofil aus einem zweischichtigen Untergrundaufbau, so baut sich während eines Hochwassers unter der oberflächennahen, gering durchlässigen Deckschicht ein Überdruck auf, welcher ein Aufbrechen (Aufschwimmen) dieser Schicht verursachen und ein Dammversagen zur Folge haben kann.<br />Eine technische Maßnahme hierzu stellt eine Druckentlastung mithilfe von Drainagen, wie Sickerschlitze, Gräben oder Kiessäulen, dar. Die Dimensionierung derartiger Entlastungsmaßnahmen beruht derzeit auf Erfahrungswerten sowie auf Annahmen und Vereinfachungen für numerische Berechnungsmodelle. Um die Wirkungsweise und daraus ableitend die Grundlagen für die Bemessung von Entlastungssäulen zu untersuchen, werden im Rahmen der gegenständlichen Arbeit naturmaßstäbliche Modellversuche beschrieben und durchgeführt.<br />Als Grundlage für die Herstellung eines Damm-Modells im Maßstab 1:1 behandelt der theoretische Teil dieser Arbeit den Aufbau von Hochwasserschutzdämmen sowie die für die Standsicherheit eines Dammes maßgebenden Lastfälle und Versagensformen. Darüber hinaus wird auf die hydrodynamischen Prozesse im Boden näher eingegangen. Hierzu werden die geometrischen und hydraulischen Kriterien erläutert.<br />Der praktische Teil baut auf den theoretischen Grundlagen auf und beschreibt den Ablauf der Vorbereitungs- und Erdbauarbeiten sowie den Vorversuch. Zu Beginn werden Forschungsprojekte der letzten Jahrzehnte diskutiert, bei denen naturmaßstäbliche Damm-Modelle zum Einsatz gekommen sind. Darüber hinaus werden die Versuchsanlage und das naturmaßstäbliche Modell sowie die verwendeten Modellböden genauer betrachtet. Den Schwerpunkt der Vorbereitungsarbeiten für den Modellversuch stellt neben der Kalibrierung der Messtechnik der Bau des Modelldammes dar. Die Standsicherheit des Modells wird mithilfe von erdstatischen Untersuchungen bestimmt. Abschließend werden der Vorversuch beschrieben und die daraus gewonnenen Erkenntnisse diskutiert.<br />

Erosion processes in the soil structure induced by a respective hydraulic gradient can increase the risk of failure of dykes during the underseepage of such structures. If the subsoil has a two layer profile, a high uplift pressure arises and affects the near surface low permeable soil layer during a flood. This hydrostatic uplift force can cause a static hydraulic failure of this soil layer. Consequently the dyke can be consistently damaged.<br />Relief drainages as drainage pits, ditches or stone columns are common technical measures to prevent the hydraulic failure and to relief high pressures. The design of such relief measures is mainly based on experiences and empirical data as well as on assumptions and simplifications of numerical models. In the scope of this thesis large scale tests are described and carried out with the goal to investigate the physical behaviour and to provide a basis for setting up new design methods for the described relief drainages.<br />The theoretical chapters of this thesis deal with the construction of flood protection dams and its elements as well as with the loading conditions. This part represents the basic knowledge for the construction of the large-scale dyke test. In addition to the failure mechanisms of dykes the hydrodynamic flow processes in the soil structure are discussed. The focus is on the geometric and hydraulic criteria.<br />The practical chapters of this thesis are based on the theoretical background discussed before and describe the preliminary works, the earth works during the constructions of the large-scale model, and the preliminary test. Similar large-scale model test projects are briefly presented at the beginning. Furthermore, the geometry of the testfield, the model, and the used soils are described. The main goal of the preliminary works comprises the calibration of measuring devices and the sensors and also the construction of the large-scale model. The stability of the model was analyzed in the scope of static calculations.<br />Finally, the preliminary model test is described and the new findings based on the test results are discussed.<br />