Ringdammabdichtung mittels Mixed-in-Place-Verfahren

  • 16.08.2018
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Dogern, Deutschland – Vor 40 Jahren wurde bei Dogern das Aubecken am Rhein in Betrieb genommen. Wegen Undichtigkeiten im Ringdamm des Pumpspeicher-Ausgleichsbeckens entschloss sich die Schluchseewerk AG, diesen wieder instand zu setzen. Die BAUER Spezialtiefbau GmbH stellte hierfür in geotechnisch anspruchsvollen Bodenverhältnissen auf einer Länge von 980 m rund 13.500 m² Dichtwand im Mixed-in-Place-Verfahren (MIP) her. Das Verfahren bot eine deutliche Zeit- und Kostenersparnis gegenüber alternativen Bauverfahren.

 

Die Schluchseewerk AG betreibt fünf Pumpspeicherkraftwerke im Südschwarzwald mit einer Gesamtleistung von etwa 1.800 MW, was rund ein Viertel der in Deutschland installierten Pumpspeicherleistung entspricht. Das Aubecken wurde von 1975 bis 1978 am Hochrhein auf der sogenannten Auinsel, unterstrom des Stauwehres Dogern errichtet. Mit einem Nutzinhalt von 2,2 Mio. m³ dient es als wasserwirtschaftliches Ausgleichsbecken für die Pumpspeicherkraftwerke. Für die Herstellung des Beckens wurde das ursprüngliche Gelände durchschnittlich um rd. 7 m abgetragen. Auf der Rheinseite wurde entlang der ursprünglichen Uferlinie ein Erddamm errichtet. Auf der Werkkanalseite wurde der bestehende Kanaldamm durch eine aubeckenseitige Anschüttung (= Trenn­damm) ergänzt. Der dadurch entstandene Ringdamm verfügt über eine kombiniertes Dichtungssystem: Der obere Teil der Böschung ist mittels Asphaltbetonoberflächendichtung abgedichtet; eine vertikale Schlitzwand, die bis in den Fels einbindet, bildet den unteren Bereich der Dichtung. Verbunden sind diese beiden Elemente durch einen bewehrten Kopfbalken.

 

Veranlassung der Sanierung

 

Seit Inbetriebnahme zeigen die Sickerwassermessungen in der Ringdrainage deutliche Defizite am Dichtungssystem auf. Teilsanierungen in den 1980er und 90er Jahren im Bereich der Schlitzwandfugen und in Form von Untergrundinjektionen brachten keine nachhaltigen Erfolge. Insbesondere in den Wintermonaten traten bei hohen Beckenwasserständen außergewöhnlich hohe Sickerwasserabflüsse auf, die teilweise sogar zu Druckabflüssen in den Drainageleitungen führten. Daneben wurden bei regelmäßigen Kontrollen der Sickerwasserschächte der Ringdrainage Sandablagerungen festgestellt. Auch die regelmäßigen Feinvermessungen des Ringdamms zeigten insbesondere im Bereich des Trenndamms ein fortschreitendes Setzungsverhalten. Daraus wurde gefolgert, dass die ausgeprägten Strömungsbedingungen im Untergrund bzw. im Dammkörper zu Materialumlagerungen führten.

 

Umfangreiche Messkampagnen und Gutachten zeigten auf, dass die Durchsickerungen insbesondere im Bereich der Schlitzwandfugen und im Untergrundanschluss der Schlitzwand in den Fels stattfanden. Die langfristige Sicherstellung der Dauerhaftigkeit des Trenndamms ohne betriebliche Einschränkungen konnte somit nicht mehr gewährleistet werden und eine umfangreiche Sanierung der Beckenabdichtung im Bereich des Trenndamms wurde beschlossen. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde als Zielvariante eine neue, von der Dammkrone bis in den Fels reichende Innendichtung festgelegt. Gegenüber den Alternativen zeichnete sich diese vergleichsweise aufwendige Lösung durch die qualitativ beste Dichtungsfunktion, eine Minimierung der erforderlichen Beckeneinschränkung während der Sanierung sowie geringere künftige Unterhaltskosten aus.

 

Gesamtkonzept und Randbedingungen


Der Machbarkeitsstudie weitgehend folgend, sah die Ausschreibungsplanung vor, den gesamten Trenndamm zwischen dem Übergang zum Ringdamm im Westen und dem Ein- und Auslaufbauwerk im Osten des Beckens mittels einer rd. 980 m langen und zwischen rd. 12 bis 20 m tief reichenden Innendichtung zu sanieren. Aus Kostengründen sollte auf einen Rückbau der wasserseitigen Asphaltbetondichtung und der Neuerrichtung einer Böschungssicherung mit Wasserbausteinen verzichtet werden. Des Weiteren sollte die Dichtwand im oberen Bereich eine lastabtragende Wirkung bekommen, damit mögliche Böschungsrutschungen keinen Einfluss auf die Standsicherheit des Dammes nehmen.

 

 

Ein geotechnisches Gutachten ergab folgende Untergründe:

 

Die Dammschüttung besteht aus Grobkies mit steinigen Formationen:

  • Junge Flussablagerungen: sandig bis schluffig
  • Rheinkiese: Grobkies, teils blockig
  • Fels: Tonstein mit Verwitterungshorizont von wenigen Dezimetern

 

Im Übergangsbereich vom alten Werkkanaldamm und der später aufgebrachten Aufschüttung des Trenndamms wurde eine Auflage aus Wasserbausteinen angetroffen, die im Rahmen der geotechnischen Untersuchungen so nicht erkannt worden war.

 

Grundsätzlich konnten die Maßnahmen von West nach Ost in drei Hauptabschnitte eingeteilt werden:

  • Westen: Anschluss Innendichtung an bestehende Dichtwand mit Kopfbalken
  • Dichtwand mit Anschluss an den schwer rammbaren, dichten Fels
  • Osten: Durchfahren der Anker aus der Bauzeit des Beckens und Anschluss an das Ein- und Auslaufbauwerk

 

Innendichtung


Aufgrund der steinigen und blockigen Bodenverhältnisse war hier eine Abdichtung mit Spundwänden nicht möglich. Daher entschloss man sich zu einer Ausschreibung von Bohrungen mit einem Durchmesser von 880 mm, welche mit Sand-Kies-Material der Körnung 0,06/8 mm verfüllt werden sollten. Ziel der Austauschbohrungen war es, die mit Steinen durchsetzten Kiese auszuräumen sowie Erkenntnisse über die Tiefe des anstehenden Fels- bzw. Verwitterungshorizontes zu gewinnen. Außerdem sollten so Informationen über die notwendigen Spundwandlängen gesammelt und das problemlose Einbringen der Spundbohlen sichergestellt werden. Die auszutauschenden Mengen an Bodenmaterial wurden so zu insgesamt rd. 13.500 m³ ermittelt.


 

Anschluss West: Die dichte Verbindung zwischen Spundwand im Bereich der Dammkrone und bestehender Schlitzwand mit Kopfbalken auf einer Länge entlang der Falllinie der Böschung von rd. 10 m sollte am westlichen Anschluss über eine Düsenstrahlwand, welche durch die Asphaltbetondichtung des Aubeckens hindurch hergestellt wird, gewährleistet werden. Eine Mindestwandstärke von 1 m wurde dabei gefordert. Andere Injektionsformen wurden im Vorfeld durch die Gutachter ausgeschlossen.

 


Anschluss Ost: Analog zum Trenndamm sollte auch hier das Bohrgut ausgetauscht werden. Der Anschluss an das Ein- und Auslaufbauwerk selbst sollte durch zwei Düsenstrahlsäulen – eine auf der Luft-, eine auf der Wasserseite – erfolgen.

 

Mehrere Sondervorschläge und Varianten zu den ausgeschriebenen Maßnahmen wurden im Rahmen der Angebotsauswertung vorgestellt. Nach ausgiebigen Gesprächen und Einschätzungen von Gutachtern, entschied man sich für die Vergabe an die BAUER Spezialtiefbau GmbH mit dem Mixed-in-Place-Verfahren (MIP). Folgende Maßnahmen wurden angeboten und entsprechend ausgeführt:

 

  • Dichtwand: MIP-Wand ohne Vorbohrung mit Anschluss an den Fels durch Durchfahren der Verwitterungsschicht.
  • Anschluss West: durch ein Stahltragwerk gestützte temporäre Vorschüttung auf der Böschung und Ausführen eines 3-reihigen Schleiers mittels Düsenstrahlverfahren von der Vorschüttung aus
  • Anschluss Ost: Vorbohren mit Bohrpfahlgerät. Entfernen von Stahlteilen und groben Steinen und Wiederverfüllen der Bohrung. Herstellung der Dichtwand mittels MIP-Gerät. Anschluss an das Ein- und Auslaufbauwerk mittels zweier Düsenstrahlsäulen.

 

Mixed-in-Place-Verfahren


 

Das patentierte MIP-Verfahren wird von Bauer seit über 25 Jahren erfolgreich im Hoch­wasser­schutz, aber auch für Bau­gruben­um­schließungen und Gründungsmaßnahmen ausgeführt. Hauptmerkmal ist die In-situ-Vermischung des anstehenden Bodens mit einer Suspension aus Zement und Bentonit. Mittels Dreifachschnecke wird der anstehende Boden aufgebrochen und die Bindemittelsuspension eingearbeitet. Die Dreifachschnecke wird unter Suspensionszugabe auf Endtiefe abgebohrt. Während des anschließenden Homogenisierungs­vor­gangs wird die Drehrichtung der einzelnen Schnecken so variiert, dass ein vertikaler Materialkreislauf im MIP-Stich entsteht.

 

Zur Sicherstellung einer durchgehenden, fugenlosen Wand wurden die MIP-Wände im doppelten Pilgerschrittverfahren ausgeführt, das gewährleistet, dass jedes Wandelement mindestens zweimal von der Dreifachschnecke durchfahren und bearbeitet wird.

 

Vorteile des MIP-Verfahrens sind unter anderem:

 

  • Durch Einsatz der Dreifachschnecke mit durchgehender Wendel werden heterogene, geschichtete Bodenstrukturen homogenisiert und zu einem gleichmäßigen Bodenmörtel mit konstanter Materialgüte verarbeitet.
  • Dank der Verwendung des anstehenden Bodens als Bau- bzw. Zuschlagstoff werden Ressourcen geschont; aufwendige Transporte von Bohrgut oder Beton für die Pfahlherstellung entfallen. Im Vergleich zur ausgeschriebenen Spundwand ergab sich ein deutlich geringerer CO2-Ausstoß bereits aus der weniger energieintensiven Herstellung der Ausgangsstoffe.
  • Die MIP-Technik ist im Sinne einer ganzheitlichen Ökobilanz im Vergleich mit konventionellen Spezialtiefbauverfahren deutlich im Vorteil.
  • Die erschütterungsarme Wandherstellung durch Drehbohren schont vorgeschädigte Dämme. Zudem werden die Lärmemissionen auf ein Minimum reduziert.
  • Eine hohe Produktivität führt zu einer kurzen Bauzeit – so konnte beim vorliegenden Projekt die Ausführzeit im Vergleich zum ursprünglich geplanten Verfahren, das Austauschbohrungen und das Einbringen einer Spundwand vorsah, in etwa halbiert werden.

 

 

Insgesamt stellte Bauer 13.500 m² Dichtwand mit einer Breite von 550 mm auf einer Länge von 980 m her. Die Bohrtiefen reichten dabei von 12,5 m am Einlaufbauwerk im Osten bis 20,4 m am westlichen Endpunkt des zu sanierenden Trenndamms. Ausgeführt wurden die MIP-Arbeiten von Anfang Oktober bis Anfang Dezember 2016 in Tag- und Nachtschichten. Zum Einsatz kamen eine RG 25 der RTG Rammtechnik mit Dreifachschnecke sowie ein BAUER BG 24 H Drehbohrgerät, mit dem in Teilbereichen Austauschbohrungen durchgeführt wurden. Weiterhin erfolgte der Lückenschluss zur bestehenden Dichtung mittels Hochdruckinjektion (HDI).

 

Herausforderungen im Bauablauf


Mit einer Kronenbreite von nur 8,15 m war die Arbeitsfläche auf dem Trenndamm stark eingeschränkt, Ausweichflächen waren nicht vorhanden. Weiter kam erschwerend hinzu, dass der Baustellenbereich – quasi eine Sackgasse – nur von einer Seite her zugänglich war. Auch die schwierige, äußerst heterogene Untergrundbeschaffenheit stellte eine Herausforderung dar. Speziell die anthropogenen Dammschüttungen mit Wasserbausteinen, welche z. T. mit Austauschbohrungen beseitigt werden mussten, sowie die Einbindung in den anstehenden Fels, der teilweise von Nagelfluhbänken überlagert war, stellten besondere Anforderungen an das eingesetzte Gerät und Werkzeug und erweiterten die bisherigen Einsatzgrenzen des MIP-Verfahrens deutlich. Mittels der patentierten on-line-Vertikalitätsmessung in den Schnecken konnten Abweichungen im Bereich sehr großer Steine sofort erkannt und Zusatzstiche angeordnet werden. Auf Grund der in der Nähe der Bohrachse befindlichen 110-KV Leitungen war eine Umfahrung des kritischen Bereiches mit weiteren MIP-Stichen nicht möglich. Daher wurde hier der Lückenschluss durch die Erstellung von HDI-Säulen geschaffen.

 

Ebenso mussten in Sachen Arbeitssicherheit spezielle Maßnahmen ergriffen werden. Da der Werkkanal eine erhebliche Strömung aufweist, war das Tragen einer Rettungsweste für das Baustellenpersonal verpflichtend. Im Arbeitsbereich wurde zudem eine Absturzsicherung platziert. Weiter  wurde die RG 25 außerdem mit einem begehbaren Steg nachgerüstet. Da auch nachts gearbeitet wurde, war eine blendfreie Beleuchtung des gesamten Baustellenbereichs selbstverständlich.

 

Nach der planmäßigen Fertigstellung der Gesamtmaßnahme im Februar 2017 zeigte sich schließlich eine nicht vorhersehbare Undichtigkeit in einem Bereich unmittelbar am Einlaufbauwerk, der außerhalb des von Bauer sanierten Dammbereichs lag. Offensichtlich gelangte Wasser aus dem Aubecken in den 1,5 m breiten und mit grobem Material verfüllten Zwischenraum zwischen nördlicher Seitenwand des Ein- und Auslaufbauwerks und ehemaliger Baugrubenumschließung. Von dort konnte es dann über die seinerzeit nicht dauerhaft gedichteten Ankerlöcher hinter die ausgeführte MIP-Wand gelangen. Diese Lücke wurde im Nachgang mittels Hochdruckinjektionen erfolgreich verschlossen.

 

Probestau


Nach dem Abschluss der Sanierungsarbeiten wurde ein Probestau durchgeführt um einerseits die Qualität der neuen Dichtungsebene im Bereich des Trenndamms bewerten zu können und um andererseits die Auftriebsverhältnisse auf den Asphaltbetonbelag im Bereich des Trenndamms zu beobachten.  Messungen zeigten, dass die Entwässerung des Dammkörpers über die vorhandenen Drainagen im Bereich des Dammfußes sehr gut funktionierte und kein Bedarf an zusätzlichen Entlastungsbohrungen im Bereich der Böschung bestand. Die Auswertung der Daten zeigte außerdem, dass durch die Maßnahme die Schwankungen des Grundwasserstands um durchschnittlich 84 % reduziert werden konnten. Insbesondere die maximalen Grundwasserstände im Trenndamm konnten um durchschnittlich rd. 2 m reduziert werden. Somit treten im Trenndamm nun keine hohen Strömungsgradienten mehr auf, die in der Vergangenheit zu internen Erosionsprozessen im Dammkörper führen konnten.

 

Fazit


Schon bei der Entscheidung für den Sondervorschlag zur Einbringung einer MIP-Wand war klar, dass sich dieses Verfahren hier in mehreren Bereichen im Grenzbereich bewegen würde. Die qualitätssichernden Maßnahmen wie die vorhandenen Pegel sowie die permanente und später grafische ausgewertete Darstellung der einzelnen MIP-Wand-Stiche im Zusammenspiel mit dem durch das MIP-Wand-Verfahren ungestört herstellbaren Anschlusses durch den verwitterten in den dichten Fels, gaben diesem Verfahren dennoch den Vorzug. Nicht zuletzt waren natürlich auch die geringeren Kosten, die kürzere Bauzeit sowie der geringere Bedarf an Materialtransporen für die Entscheidung maßgebend. Durch die Sanierungsmaßnahmen, die im Februar 2017 abgeschlossen wurden, kann nun der uneingeschränkte Weiterbetrieb des Aubeckens für viele weitere Jahrzehnte sichergestellt werden.

 

 

Autoren
Dipl.-Ing. Tobias Gebler, Schluchseewerk AG
Dr.-Ing. Roland Hoepffner, RMD-Consult GmbH
Dipl.-Ing. Daniel Sabo, BAUER Spezialtiefbau GmbH