Experimentelle großmaßstäbliche Untersuchungen sowie analytische und numerische Berechnungen zur Quantifizierung von Sickerwässern aus Entlastungsdrainagen

Abstract

Im Hochwasserschutz sind Dämme die wichtigsten Baumaßnahmen zum Schutz des Lebens und der Güter von Menschen. Sie verhindern Überschwemmungen, die die Folge des steigenden Hochwasserpegels in einem Gewässer sind. Die Stabilität muss jederzeit gewährleistet sein und darf auch im Fall eines lang anhaltenden Hochwassers nicht verloren gehen.<br />Ebenso ist der Untergrund als Teil des Bauwerks für die Sicherheit gegen Versagen zuständig. Besteht dieser aus einem durchlässigen Boden, kann der Damm unterströmt werden. Sickerwässer sind durch Erosionsprozesse in der Lage, diesen strukturell zu schwächen und im ungünstigsten Fall das Versagen des Hochwasserschutzdammes zu induzieren. Ist der Untergrund zweischichtig aufgebaut, sodass eine bindige und gering durchlässige Deckschicht auf einem sehr durchlässigen Grundwasserleiter liegt, bewirken diese Sickerwässer eine aufwärtsgerichtete Belastung auf die Deckschicht. Wird der vom Hochwasserpegel induzierte Druck im Grundwasser auf dessen Weg unter dem Damm nicht genügend abgebaut, kann die Deckschicht aufgrund der Auftriebskraft im Anschluss an den luftseitigen Dammfuß versagen. Der Prozess des Aufschwimmens ist ebenso gefährlich wie das Versagen infolge eines hydraulischen Grundbruchs.<br />Beide Mechanismen können zu Beschädigungen am Damm bzw. zu dessen Versagen führen. Bauliche Gegenmaßnahmen sind eine Auflastschüttung, die als Gegengewicht zur Auftriebskraft dient, oder die Entspannung des Grundwassers mit Hilfe von Entlastungsdrainagen. Als solche kommen Kiessäulen, Sickerschlitze sowie Sickergräben zur Anwendung. Das unter Druck stehende Grundwasser kommt in Form von Sickerwasser zu Tage und muss abgeleitet werden, damit keine Gefährdung für den Damm oder das Hinterland besteht. Die Wirkung der Entlastungsdrainage ist von mehreren Faktoren abhängig und führt zu einer Belastungsreduktion auf die Deckschicht im Grundwasserleiter. Da diese nur durch starke Vereinfachung analytisch bestimmbar ist, ruht die Bemessung meistens auf Erfahrungswerten und Abschätzungen. Aufgrund der komplexen Strömungsvorgänge im Grundwasser werden experimentelle Untersuchungen oder numerische Verfahren für deren Bestimmung benötigt.

Dykes are the most important flood protection measures to safe life and goods of human beings. The stability of dams has to be guaranteed anytime, even in cases of a long term flood. Furthermore, the subsoil, as a part of the structure, is responsible for protection against ground failure. In case of a permeable soil, seepage processes under a dam can be the undesired result. Seepage water may cause erosion processes, which lead to failures in the soil structure and induce damages on flood protection dams. If the subsoil has a two layer profile, a cohesive and low permeable soil layer is situated in most cases above a high permeable aquifer. The drag of percolating water leads to a high uplift pressure on the surface layer in times of high water levels. The pressure in the ground water system has to be decreased on the water way in subsoil under the dam. If there is not enough reduction of the hydraulic uplift force next to the embankment slope, it can break. This process is called hydraulic uplift of a cohesive soil and is as dangerous as the hydraulic failure process. Those processes can cause damages of the whole dyke.<br />Possible measures are counter weights against the strong hydraulic uplift force, or relief drainages for the decompression of the water pressure in the local permeable soil layer. Such drainages are stone columns, drainage pits and ditches. The effect of the relief drainage reduces the uplift force under the surface layer and depends on many parameters.