Staudämme: Definition, Klassifizierung und Überwachung

Staudämme

Definition

Staudämme sind Wasserreservoirs zur Wasserspeicherung. Ihre Funktionen umfassen:

• Versorgung mit Wasser für den Verbrauch
• Flussregulierung zur Vermeidung von Überschwemmungen
• Nutzung von Wasser zur Umwandlung in andere Energieformen (elektrisch, mechanisch usw.)

Klassifizierung von Dämmen

Dammtypen nach ihrer Struktur

• Gewichtsstaumauern
• Hohle Gewichtsstaumauern (Strebepfeilerdämme)
• Bogenstaumauern

Dammtypen nach Materialart

• Massivdämme
• Schüttdämme

Dammtypen nach Anwendungsbereich

• Filterdämme
• Speicherdämme
• Flussregulierungsdämme
• Ableitungsdämme
• Energiegewinnungsdämme

Dammtypen nach ihrer Struktur im Detail

Gewichtsstaumauern

Sie haben ein annähernd gleichschenkliges Dreiecksprofil. Die Basis ist breiter, da sie dem höheren Wasserdruck standhalten muss. Das Eigengewicht des Materials ist dafür verantwortlich, den Staudruck aufzunehmen. Der Schub des Stausees wird auf den Untergrund übertragen. Der Untergrund muss das Gewicht des Stausees und der Talsperre tragen.

Wirkende Kräfte:

1. Eigengewicht
2. Hydrostatischer Druck
3. Auftrieb (Subpression)
4. Schub durch Sedimente oder Schlick
5. Seismische Kräfte
6. Gewicht des Wassers auf der wasserseitigen Böschung
7. Negativer Druck zwischen der Dammwand und dem Wasser auf der luftseitigen Böschung
8. Reibung durch Wasserabfluss an der Böschung
9. Stoß durch Wellen und schwimmende Körper
10. Eisdruck
11. Auswirkungen von Erdbeben

Vorteile:

• Sie sind die häufigsten.
• Höhere Lebensdauer.
• Geringerer Wartungsaufwand.

Nachteile:

• Große Materialmenge für den Bau.
• Begrenzte Bauhöhe.

Hohle Gewichtsstaumauern (Strebepfeilerdämme)

Strebepfeiler werden verwendet, um die Dammachse zu stützen, die die Betonplatten verbindet, welche das Wasser zurückhalten. Der Wasserdruck wird auf die Strebepfeiler übertragen, die ihn wiederum auf das Fundament des Dammes ableiten. Hohlräume werden verwendet, um das Gewicht des Betons zu reduzieren. Der Wasserdruck überträgt sich auf diese Strukturen.

Vorteile:

• Weniger Material.
• Ideal für Standorte mit wenig Baumaterial.

Nachteile:

• Hohe Projektkosten (erfordert Fachkräfte).
• Benötigt ein stabiles Felsfundament.
• Kompliziertes Dehnungs- und thermisches Verhalten im Kronenbereich.

Bogenstaumauern

Diese Dämme sind gebogene und dünne Strukturen, oft mit Bewehrungsstahl oder Stahlseilen verstärkt. Die Kräfte werden nicht nur auf das Fundament, sondern auch auf die Flanken übertragen. Sie werden in der Regel in tiefen und engen Schluchten gebaut.

Typen von Bogenstaumauern:

• Bogenstaumauern mit konstantem Radius: Häufig haben sie eine vertikale, wasserseitige Fläche mit einem konstanten Krümmungsradius.
• Bogenstaumauern mit variablem Radius (Kuppel- oder Gewölbedämme): Die Krümmungsradien variieren von oben nach unten und nehmen systematisch mit der Tiefe ab.

Vorteile von Bogenstaumauern:

• Sie benötigen am wenigsten Beton.
• Ideal für hohe und enge Schluchten.

Nachteile:

• Höhere Komplexität bei Berechnung und Konstruktion.
• Sie benötigen sehr harte und stabile Widerlager und Felsformationen.
• Schwierigkeiten bei der Ausführung und Platzierung des Materials.

Dammtypen nach Materialart im Detail

Massivdämme

• Aus Beton: Ein kompaktes Material, das sich leicht verdichten lässt, hohe Druckfestigkeit besitzt und heute am häufigsten verwendet wird. Sie sind teurer und langsamer im Bau, erfordern Fachkräfte und Spezialmaschinen. Sie haben eine geringe Zugfestigkeit, daher muss die Biegung beim Betonbau berücksichtigt werden.

Sie können jede Art von Struktur bilden:

• Gewichtsstaumauern
• Bogenstaumauern
• Gewölbestaumauern
• Pfeilerstaumauern
• Strebepfeilerstaumauern

• Aus Mauerwerk oder Ziegeln: Die Materialien werden Schicht für Schicht übereinandergelegt. Mörtel wird zur Abdichtung verwendet. Sie sind billiger als Beton und weniger komplex im Aufbau. Kleine Staudämme, die meist vor dem 19. Jahrhundert gebaut wurden, sind sehr langlebig. Probleme mit Überschwemmungen und Unfälle haben jedoch dazu geführt, dass viele dieser Dämme heute als unsicher gelten.

Schüttdämme

Schüttdämme bestehen aus natürlichen Materialien, die keinen chemischen Prozess durchlaufen. Sie werden durch Verdichtung eingebracht. Sie werden mit verschiedenen Arten von durchlässigen und undurchlässigen Materialien entsprechend der Zonierung gebaut.

• Erddämme: Bestehen zu über 50 % aus Erde oder einer Mischung aus Kies und Sand.
• Steinschüttdämme: Bestehen aus grobem Stein.
• Erd- und Steinschüttdämme: Sie sind eine Kombination aus beidem, mit einem undurchlässigen Kern in der Mitte und durchlässigen Materialien, die den Kern umgeben.

Vorteile:

• Sie sind billiger.
• Einfache Konstruktion aufgrund der Materialien.
• Sie benötigen kein hochqualifiziertes Personal für den Bau.
• Elastischere Fundamente sind besser konsolidiert.

Nachteile:

• Sie sind relativ klein (in Bezug auf Bauhöhe).
• Haben eine geringere Widerstandsfähigkeit.
• Sie sind sehr gefährlich, wenn das Wasser die Dammkrone überströmt.

Gemischte Dämme

Bestehen aus Betonschutt, Füllmaterial, Erde, Lehm. Sie werden bei großen Gewichtsstaumauern mit niedrigen Wänden eingesetzt. Sie sind relativ schnell und kostengünstig zu bauen. Sicher, solange das Wasser die Krone nicht übersteigt. Sie sind sehr gefährlich, wenn das Wasser über den Dammkamm überläuft.

Dammtypen nach Anwendungsbereich im Detail

Filterdämme

Sind Dämme, deren Funktion es ist, Feststoffe (von feinem bis grobem Material), die durch Hochwasser in Bergregionen transportiert werden, zurückzuhalten, aber den Durchgang von Wasser zu ermöglichen. Es sind kleine Dämme in den oberen und mittleren Flussläufen, die vor größeren Staudämmen errichtet werden, um deren Verlandung zu verhindern. Sie dienen der Erosionskontrolle.

Hochwasserschutzdämme

Sind Dämme, deren Zweck es ist, den Abfluss bei sintflutartigen Überschwemmungen zu regulieren, um Schäden an den stromabwärts gelegenen Grundstücken bei schweren Ereignissen zu verhindern. Sie können eine Sekundärfunktion haben (z. B. Stromerzeugung, Bewässerungswasser).

Ableitungsdämme

Ihr Ziel ist es, den Wasserspiegel anzuheben, um eine Ableitung zu ermöglichen, und die Sedimentation im Kanal zu kontrollieren, um die Wasserzufuhr nicht zu behindern. Die Wasserspeicherung ist zweitrangig. Sie können für Bewässerungszwecke, Wasserentnahmen oder zur Energieerzeugung genutzt werden. Sie sind im Allgemeinen niedrig gebaut.

Energiegewinnungsdämme

Das Ziel dieser Dämme ist es, Wasser auf eine bestimmte Höhe anzuheben und genügend Wasser zu speichern, um die Versorgung der Turbinen sicherzustellen.

Abhängig von der Fallhöhe können folgende Turbinentypen verwendet werden:

• Hohe Fallhöhe und geringer Durchfluss: Pelton-Turbinen.
• Hoher Durchfluss und geringe Fallhöhe: Francis- oder Kaplan-Turbinen.

Teile eines Staudamms oder Reservoirs

• Stausee: Das durch den Damm gestaute Wasservolumen.
• Stauseebecken: Der Teil des Tals, der vom Damm überflutet wird.
• Engstelle: Der spezifische Punkt, an dem der Damm gebaut wird.

Dammbauteile

1. Böschungen: Zwei mehr oder weniger senkrechte Flächen: die innere (wasserseitig) und die äußere (luftseitig).
2. Dammkrone: Die obere Begrenzung des Dammes. Sie ist in der Regel ein Weg oder eine Straße, die von einem Ende zum anderen führt.
3. Widerlager: Die seitliche Abstützung des Dammes, sehr wichtige Elemente bei Bogenstaumauern.
4. Fundament: Das Fundament oder der Untergrund der Staumauer.
5. Hochwasserentlastung (Überlauf): Eine Entwässerungsrinne, die einen freien oder kontrollierten Wasserabfluss in den Fluss gewährleistet.
6. Hydraulische Entnahmen: Je nach ihrer Lage zur Hauptstruktur können sie als Oberflächenentnahmen oder Tiefenentnahmen ausgeführt sein.

Arten von Überläufen

• Zur Kontrolle des Abflusses:
  • Ungesteuerte Überläufe.
  • Gesteuerte Überläufe.

Arten von Verschlüssen (Toren)

• Mit vertikaler Achse.
• Mit horizontaler Achse.

Spezifische Tor-Typen:

1. Zylinder-Schütze.
2. Block-Schütze.
3. Eidechsen-Schütze.
4. Sektor-Schütze.
5. Segment-Schütze.
6. Lager-Schütze.
7. Ebene Schütze für die automatische Wasserregulierung.
8. Stoney-Schütze.
9. Trommel-Schütze.
10. Dach-Schütze.
11. Schütze mit Flossen.

Schieber-Tore

Diese Art von Toren hat den Vorteil, dass sie die Schifffahrt nicht behindern und den Wasserdurchfluss effizient regulieren.

Automatische Tore

Sie werden für Flussregulierung, Bewässerung, Entwässerung und Bodenschutzprojekte eingesetzt. Ihre Verwendung ist nützlich für geringe Höhen und kleine Durchflüsse.

Gesteuerte Überlauftore

Sie werden verwendet, um eine präzise Kontrolle der Abflüsse in Talsperren zu ermöglichen und können in zwei Richtungen eingesetzt werden, um den Durchfluss zu regulieren.

Arten von Toren:

• Wagen-Schütze.
• Hauben-Schütze.
• Dammbalken-Schütze.

Tore zur automatischen Niveauregulierung:

• AMIS-Tore (wasserseitig).
• AVIS-Tore (luftseitig).

Arten von Überläufen nach Querschnitt:

1. Rechteckig.
2. Trapezförmig.
3. Dreieckig.
4. Kreisförmig.
5. Linear (bei denen die Abflussmenge eine lineare Funktion der Wassertiefe auf dem Überlaufkamm ist).

7. Grundablass: Wasserkanäle zur Entsorgung oder Reinigung. Sie dienen der Wasserversorgung für den städtischen Verbrauch oder die Bewässerung.
8. Schleusen: Wasserdichte Abschnitte eines Kanals, die für die Schifffahrt verwendet werden, um Höhenunterschiede zu überwinden.
9. Kontrollturm.
10. Fischtreppe: Eine spezielle Struktur, die es Fischen ermöglicht, Höhenunterschiede am Damm zu überwinden, indem sie die Sprünge und Fließgeschwindigkeiten begrenzt.

• Entnahmerohre: Sind Rohre, durch die Wasser für verschiedene Zwecke entnommen wird.
• Kontrollgalerien: Sie sind ein Netzwerk von Tunneln, die sich in der Dammwand erstrecken, um die Dammelemente zu kontrollieren. Sie können trocken oder überflutet sein. Hier werden Sensoren installiert, und sie ermöglichen den Zugang zu verschiedenen Ebenen der Dammverschiebung.
• Reinigungsgalerien: Dienen der Inspektion und der Beseitigung von angesammelten Ablagerungen im Stausee.
• Drainagen: Ausgehobene Becken am Fuß des Dammes, die das Sickerwasser kanalisieren und den Abfluss hinter dem Damm ermöglichen.
• Wasserentnahmestellen: Öffnungen zur Wasserentnahme für den menschlichen Gebrauch.

Kontrollelemente

Sie sind alle Systeme, die an einem Damm zur Kontrolle der Standsicherheit eingesetzt werden.

Pendel

Direkte und inverse Pendel werden eingesetzt, um horizontale Bewegungen in Strukturen zu messen. Ihre Zuverlässigkeit, Genauigkeit und ihr stabiles Langzeitverhalten machen sie nahezu unerlässlich für die Kontrolle horizontaler Verschiebungen von Staumauern.

Deformeter

Sie messen die relative Verschiebung zwischen den Blöcken an den Schnittpunkten der Fugen, die die Galerie durchschneiden. Eingesetzt zur Kontrolle von Dehnungsfugen in Betonstrukturen, zur Überwachung von Rissen in Felsen und allgemein in Dammwänden.

Drainage-Druckmessgeräte

Drainagen werden in der Regel verwendet, um die Wirksamkeit der Drainage im Dammfundament zu kontrollieren. Sie ermöglichen es, die Wirksamkeit der Drainage und das Verhalten der Dichtwand zu beurteilen. Zur Durchführung der Messungen wird ein Manometer an der Spitze des Drainagerohrs angeschraubt, sodass der Auftrieb an diesem Punkt direkt in kg/cm² abgelesen werden kann, indem man den Schlüssel in die Leseposition dreht.

Geodätische topographische Kontrolle der Bewegung in der Dammkrone

• Festpunkt-Basisstation: Diese besteht aus einem Stahlbetonpfeiler, der auf einer quadratischen Stahlbetonplatte verankert ist.
• Mobile Basis für Kollimations- und Nivellierungsmessungen.
• Mobile und feste Kollimationsbeobachtung.
• Das Kollimationssystem basiert auf zwei Messpunkten, einem festen und einem mobilen, mit Theodoliten oder Kollimatoren zur Anzeige.

Messrinnen für Sickerwasser

Sie können angepasst werden, um den Sickerwasserfluss zu messen und eine kontinuierliche Aufzeichnung zu erhalten. Eine genaue und kontinuierliche Messung des Sickerwasserflusses, ergänzt durch häufige visuelle Inspektionen, ist ein schnelles und effizientes Mittel zur Erkennung von Anomalien im Damm.

Weitere Messgeräte sind:

• Millimeterskalen.
• Temperatursensoren.
• Umfangreiche Maßbänder.
• Schwingsaiten-Piezometer.
• Pneumatische Piezometer und Schwingsaiten-Extensometer.
• Potentiometrische Extensometer mit großer Basis.