Stabilität von Steinen im Wasserbau

(2007)


Flach geneigte Rampen werden zum Schutz der Sohle von Fließgewässern vor (weiterer) Eintiefung eingesetzt. Die Verwendung solcher Bauwerke anstelle von Abstürzen erfreut sich zunehmender Beliebtheit. Dies liegt insbesondere daran, dass Riegelrampen für Gewässerorganismen in und gegen die Fließrichtung passierbar gestaltet werden können. Seit der Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie in nationales Recht (BGBl I 2003/82) ist die longitudinale Konnektivität auch rechtlich verbindlich vorgeschrieben.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es einen Bemessungsansatz für das Bauwerk und Vorschläge zur Ausführung von Nachbett- und Uferschutz zu entwickeln, die sowohl ökologisch als auch ökonomisch sinnvoll sind.

Die Untersuchungen sind in drei Teile gegliedert:

Zunächst wurden Versuche durchgeführt mit dem Ziel den inneren Reibungswinkel von Steinriegeln, bestehend aus drei eng aneinander liegend Steinreihen, zu bestimmen. Von besonderem Interesse ist die Spannweite der Reibungswinkel, da der Wert des Reibungswinkels in zahlreichen Bemessungsverfahren direkt in die Berechnung des, für eine ausreichende Stabilität benötigten, äquivalenten Kugeldurchmessers der Riegelsteine eingeht. Zur Bestimmung dieses Reibungswinkels wurde eine Kippvorrichtung gebaut, bestehend aus einem, nach oben hin offenem Quader, wie in Abbildung 1 ersichtlich ist. Der Quader war an einer Kante gelenkig gelagert und konnte daher mittels eines Motors langsam an einer Seite angehoben werden. An einem handelsüblichen Winkelmesser konnte der Reibungswinkel abgelesen werden.


                                       Kippvorrichtung zur Bestimmung des Reibungswinkel (seitlich)


Kippvorrichtung zur Bestimmung des Reibungswinkel (von vorne gesehen)

Gegenstand der Untersuchungen waren verschiedene Kombinationen von Steinformen, Schlichtungsarten der Steine und dem Untergrundmaterial der Steinriegel. Es konnte nachgewiesen werden, dass der in der Literatur (zum Beispiel: Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg, 2000) häufig standardmäßig verwendete Reibungswinkel von 35° sowohl eine Über- als auch eine Unterschätzung des tatsächlichen Wertes darstellen kann. Die Ergebnisse der in Summe 36 verschiedenen Parameter-Kombinationen sind in der nächsten Grafik dargestellt.


aus den Versuchen ermittelte Reibungswinkel (Grafik)

Basierend auf den gewonnenen Daten wurden Schnitt-Modellversuche durchgeführt. Im Zuge derer wurden Riegelrampen aufgebaut und verschiedene Steinformen und Schlichtungen unterschiedlichen Strömungsbelastungen ausgesetzt wurden (siehe nächste 2 Bilder). Zahlreiche Parameter mit Einfluss auf die Stabilität der Konstruktion wurden variiert, wie beispielsweise das Rampengefälle und die Rampenlänge.


Schnittmodell von Rampen (seitlich)


                                                                                           Schnittmodell von Rampen

Aufgrund der ermittelten Messdaten konnte eine neue Bemessungsformel für das benötigte Steingewicht von Riegelsteinen flach geneigter Riegelrampen aufgestellt werden. Vorraussetzung war insbesondere eine einfache Handhabung der Formel, was durch die Notwendigkeit von nur fünf, üblicherweise bekannten, Eingabe-Parametern auch gelungen ist.

Darstellung einer Gleichung

In der empirisch abgeleiteten Formel bezeichnet G das benötigte Gewicht der Riegelsteine, ρs die Dichte des Steinmaterials, g die Erdbeschleunigung, q den spezifischen Durchfluss und Ir das Rampengefälle. Eine Besonderheit dieser Formel ist der neue Parameter des sogenannten Toleranzgrades Ω mit Hilfe dessen insbesondere der Wirtschaftlichkeit eines Projekts Rechnung getragen wird. Ein Toleranzgrad von 0,03 bedeutet, dass sich beim Bemessungsereignis 3 % der Steine bewegen dürfen.

Im dritten und letzten Teil der Untersuchungen lag das Hauptaugenmerk auf der Ausführung des Ufer- und Nachbettschutzes von Rampen. Auch in diesem Fall wurde ein Schnittmodell einer Rampe aufgebaut. Im Unterschied zu dem vorherigen Modell wurden hier einseitig die Böschung, sowie das Nachbett nachgebildet (siehe nächste 2 Bilder). Mehrere in der Praxis übliche Ausführungen von Böschung, Böschungsfuß und Nachbettsicherungen wurden auf deren Stabilität und Widerstand gegen Auskolkung überprüft.


                                                            Schnittmodell mit Böschung und Nachbett (seitlich)


Schnittmodell mit Böschung und Nachbett

Das überraschende Ergebnis zeigte, dass viele der gängigen Maßnahmen deutlich überdimensioniert sind. Anhand der ermittelten Daten wurden Empfehlungen zur wirtschaftlichen Ausführung des Unterwasserbereichs von Rampen erstellt. Beispielsweise zeigte sich, dass eine 1-lagige Böschungssicherung einen ausreichenden Schutz darstellt, obwohl diese in der Praxis häufig mehrlagig ausgeführt wird. Die Nachbettsicherung betreffend konnte ermittelt werden, dass eine Belegung der Gewässersohle mit relativ leichtem Steinmaterial und einer Dichte von 50 % einen geeigneten Widerstand gegen Auskolkung bietet.

Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen einer Dissertation an der Universität für Bodenkultur durchgeführt und veröffentlicht. Zusätzlich wurde die gesamte Arbeit auch in der Schriftenreihe des Bundesamtes für Wasserwirtschaft, Band 28 publiziert.

Veröffentlicht am 30.11.2007, IWB - Institut für Wasserbau und hydrometrische Prüfung