hochwasserschutz für die gemeinde kesten, mosel€¦ · hochwasserschutz für die gemeinde kesten,...

12
Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 1 Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel Barbara Tönnis Abstract The 1.100 m long and up to 3 m high flood protection system is designed for a 15-year flood event. It dykes and flood-protection walls were made with patch mobile flood protection elements. At a length of about 340 m the concrete wall is founded on a top bar on bore piles. The sealing of the subsoil and of the dykes is realized by sheet pil- ing. The internal drainage is via a pumping plant, whose construction pit shoring of an over cut piles received, which is part of the building. Zusammenfassung Die ca. 1100 m lange und bis zu 3 m hohe Hochwasserschutzanlage ist für ein ca. 15- jährliches Hochwasserereignis ausgelegt. Es wurden Deiche und Hochwasserschutz- wände mit aufgesetzten mobilen Hochwasserschutzelementen hergestellt. Auf einer Länge von ca. 340 m wird die Betonwand über einen Kopfbalken auf einem Zwillings- bohrpfahlsystem gegründet. Die Dichtung des Untergrundes und der Deiche wird durch Spundwände realisiert. Die Binnenentwässerung erfolgt über ein Pumpwerk, dessen Baugrube einen Verbau aus überschnittenen Bohrpfählen erhielt, der Bestandteil des Gebäudes ist. 1 Beschreibung der Gesamtmaßnahme Bei den Hochwasserereignissen vor dem Jahr 2010 traten in Kesten, Landkreis Bern- kastel-Wittlich, ab einem 2-jährlichen Hochwasserereignis immer wieder Schäden an Gebäuden und Anlagen auf. Bei dem Dezemberhochwasser 1993, das in etwa einem 50-jährlichen Hochwasserereignis entsprach, stand fast der gesamte Ort bis zu 3,20 m unter Wasser. Es waren ca. 140 Wohngebäude, 60 Nebengebäude und 70 Wirt- schaftsgebäude betroffen. Auch die Hochwasserereignisse der Jahre 1995, 1997 und 2003 überfluteten Kesten in weiten Bereichen und führten jeweils zu hohen wirtschaftli- chen Schäden (s. Abb. 1).

Upload: doannhi

Post on 05-Jun-2018

219 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 1

Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel

Barbara Tönnis

Abstract

The 1.100 m long and up to 3 m high flood protection system is designed for a 15-year

flood event. It dykes and flood-protection walls were made with patch mobile flood

protection elements. At a length of about 340 m the concrete wall is founded on a top

bar on bore piles. The sealing of the subsoil and of the dykes is realized by sheet pil-

ing. The internal drainage is via a pumping plant, whose construction pit shoring of an

over cut piles received, which is part of the building.

Zusammenfassung

Die ca. 1100 m lange und bis zu 3 m hohe Hochwasserschutzanlage ist für ein ca. 15-

jährliches Hochwasserereignis ausgelegt. Es wurden Deiche und Hochwasserschutz-

wände mit aufgesetzten mobilen Hochwasserschutzelementen hergestellt. Auf einer

Länge von ca. 340 m wird die Betonwand über einen Kopfbalken auf einem Zwillings-

bohrpfahlsystem gegründet. Die Dichtung des Untergrundes und der Deiche wird durch

Spundwände realisiert. Die Binnenentwässerung erfolgt über ein Pumpwerk, dessen

Baugrube einen Verbau aus überschnittenen Bohrpfählen erhielt, der Bestandteil des

Gebäudes ist.

1 Beschreibung der Gesamtmaßnahme

Bei den Hochwasserereignissen vor dem Jahr 2010 traten in Kesten, Landkreis Bern-

kastel-Wittlich, ab einem 2-jährlichen Hochwasserereignis immer wieder Schäden an

Gebäuden und Anlagen auf. Bei dem Dezemberhochwasser 1993, das in etwa einem

50-jährlichen Hochwasserereignis entsprach, stand fast der gesamte Ort bis zu 3,20 m

unter Wasser. Es waren ca. 140 Wohngebäude, 60 Nebengebäude und 70 Wirt-

schaftsgebäude betroffen. Auch die Hochwasserereignisse der Jahre 1995, 1997 und

2003 überfluteten Kesten in weiten Bereichen und führten jeweils zu hohen wirtschaftli-

chen Schäden (s. Abb. 1).

2 B. Tönnis

Abb. 1: Kesten, 1986 und 2003 [1]

Am 26. Januar 2009 fand in Kesten der Spatenstich für die Maßnahme „Hochwasser-

schutz (HWS) Kesten“ statt, die folgende Bauwerke umfasst (s. Abb. 2):

Das Hochwasser-Pumpwerk mit der Entlastungsleitung in die Mosel,

zwei Drainagesammelleitungen landseitig der Hochwasserschutztrasse,

die Hochwasserschutzmauern (Betonwände) mit aufgesetzten mobilen Hochwas-

serschutzwänden,

die Deiche mit einer Spundwand als Innendichtung,

Sieben Durchfahrten mit hochwassersicheren Verschlüssen durch mobile Hoch-

wasserschutzwände,

die Untergrundabdichtung mittels Spundwand in der gesamten Trasse,

drei Druckrohrleitungen zur Entwässerung der Außengebiete und

die Lagerhalle für die Anlagenteile der mobilen Hochwasserschutzwände.

Die HWS-Anlagen sind auf das Bemessungshochwasser ausgelegt.

Zeitgleich zu den Bauarbeiten des Hochwasserschutzes, die ca. im Frühjahr 2010

abgeschlossen sind, wurden bis zum Frühjahr 2011 die Regen- und Schmutzwasserlei-

tungen als Trennsystem und die Wasserversorgungsleitungen neu verlegt. Sämtliche

anfallenden Schmutzwassermengen der Gemeinde Kesten werden in das Schmutz-

wasser-Pumpwerk geleitet und von dort über den vorhandenen Moseldüker in ein

Klärwerk gepumpt. Das Schmutzwasserpumpwerk ist in das Gebäude des Hochwas-

ser-Pumpwerkes integriert.

Im Folgenden sollen die Baugrundverhältnisse und die ausgeführten Maßnahmen für

die Baugrube des Pumpwerkes, die Gründung der HWS-Wand sowie die Untergrund-

abdichtung beschrieben werden. Detaillierte Beschreibungen dieser Baumaßnahme

sind den Literaturstellen [5] und [6] zu entnehmen.

Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 3

2 Geologie

Das Untersuchungsgebiet liegt im Südwesten des Rheinischen Schiefergebirges. In

den Jahren 2001, 2002 und 2007 wurden geotechnische Untersuchungen im Projekt-

gebiet durchgeführt [2], [3]. Die Untergrundverhältnisse wurden durch Bohrkern- und

Rammsondierungen sowie Schürfe erkundet und anhand von Korngrößenverteilungen

ausgewertet. Zusammengefasst lässt sich der Schichtenverlauf im Untersuchungsge-

biet wie folgt beschreiben:

Bis in eine Tiefe von ca. 4 m unter der Geländeoberfläche befinden sich kiesig-sandige

zum Teil schluffige Auffüllungen. In moselnahen Lagen sind die Auffüllungen bis zu

6 m tief. Die darunter liegenden quartären Schichten setzen sich in den oberen Berei-

chen überwiegend aus Sanden und Schluffen (Deckboden) zusammen. Das untere

Quartär besteht aus Kiesen, in einzelnen Abschnitten auch aus Tonschieferschutt

(Hangschutt). Ca. 9 m unter der Geländeoberfläche befindet sich die Schichtgrenze

zwischen Quartär und dem Fels des Unterdevons. Der hier vorhandene Tonschiefer ist

größtenteils verwittert bis zersetzt und abschnittsweise klüftig.

Die variierenden Baugrundverhältnisse entlang der HWS-Trasse sind in den Tabellen 1

bis 3 beschrieben, zugeordnet zu den Bereichen HWS-Wand sowie Deichbereich I

(Deich entlang der Mosel) und Deichbereich II (Deich entlang von innerörtlichen We-

gen und durch Weinberge) (s. Abb. 2).

Abb. 2: Kesten, Juli 2009 [1]

4 B. Tönnis

Tab. 1: Bodenaufbau im Bereich der HWS-Wand, südwestlicher Abschnitt [3]

Tab. 2: Bodenaufbau im Bereich der HWS-Wand, nordöstlicher Abschnitt [3]

In den beiden Deichtrassen liegen relativ einheitliche Baugrundverhältnisse vor.

Tab. 3: Bodenaufbau im Bereich der Deiche [3]

Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 5

Die Durchlässigkeitsbeiwerte variieren sowohl in den einzelnen Bodenschichten als

auch entlang der HWS-Trasse relativ stark. Im Wesentlichen werden sie durch die

Kiese und Sande bestimmt, die die maßgebenden Grundwasserleiter bilden. Die Ta-

belle 4 gibt die Durchlässigkeitsbeiwerte der jeweiligen Schichten im Mittel an.

Tab. 4: Durchlässigkeitsbeiwerte (nach [2])

Schichtenbezeichnung Durchlässigkeitswert kf [m/s]

Auffüllung 1*10-3–1*10-5

Deckboden 1*10-4–1*10-7

Kies 1*10-3–1*10-5

Tonschiefer 1*10-4–1*10-6

Den Tragsicherheitsberechnungen liegen die folgenden Kennwerte zugrunde:

Tab. 5: Boden- und felsmechanische Kennwerte [3]

Bodenart / Konsistenz bzw. Lagerung

Wichte k

[kN/m³]

Wichte u.A. ´k

[kN/m³]

Reibungs-bungs-winkel ´k [°]

Kohäsion c´k

[kN/m²]

Steife-modul

ES [MN/m²]

Auffüllung / locker

18 8 30 0 30

Schluff / Ton 20 10 27,5 5 8

Sand 18 10 30 0 40

Terrassen-kies

19 11 35 0 100

Hangschutt 20 12 27,5 5 20

Fels (Ton-schiefer)

22 12 20 15 20–100

Zusätzlich zu den Baugrundaufschlüssen wurden umwelttechnische Bodenuntersu-

chungen durchgeführt.

6 B. Tönnis

Tab. 6: Bemessungsannahmen für die Gründungspfähle [4]

Schichtenbe-zeichnung

τmf [kN/m²]

σsf [MN/m²]

Es [MN/m2]

Kies 100 - 80

Tonschiefer-schutt

80 - 60

Tonschiefer, verwittert bis stark verwittert

120 1,5 100–200

Tonschiefer 200 4,0 > 200

3 Bauausführung

3.1 Baugrube Pumpwerk

Die Länge der Baugrube betrug ca. 32 m. Auf der halben Länge betrug die Breite der

Baugrube ca. 21 m, auf der verbleibenden Länge ca. 10 m. Die Aushubtiefe lag im

Bereich Pumpenkammer bei ca. 8,5 m und im Bereich Sammelschacht bei ca. 6 m.

Nach erfolgter Freimachung des Baufeldes und Kampfmittelsondierung begannen die

Aushubarbeiten für die Baugrube des Pumpwerkes. Von dem geschaffenen Bohrpla-

num aus wurden die Bohrpfähle für die Baugrubenwand, die als überschnittene Bohr-

pfahlwand ausgeführt wurde, hergestellt (s. Abb. 3). Die Bohrpfähle sind 9,20 m lang

und haben einen Durchmesser von 90 cm. Sie binden ca. 2 m in den anstehenden Fels

ein.

Gemäß dem Geotechnischen Bericht Nr. 2 [3] waren die Pfahlbohrungen verrohrt aus-

zuführen, wobei die Verrohrung dem Aushub stetig vorauseilen muss. In den Berei-

chen unterhalb des Grundwasserspiegels war mit einem Wasserüberdruck im Bohrloch

zu arbeiten, um Sohlaufbrüche in der Pfahlsohle und somit Auflockerungen entlang des

Pfahlschaftes zu vermeiden. Der Wasserüberdruck war auch während des Betonierens

zu gewährleisten.

Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 7

Abb. 3: Bohrpfahlarbeiten für die Baugrube Pumpwerk

Nach Fertigstellung des Kopfbalkens wurden die Anker gebohrt, dreifach verpresst und

angespannt. Anschließend erfolgte der Baugrubenaushub bis auf die Gründungssohle.

Für die Wasserhaltung wurden eine 50 cm dicke Dränageschicht eingebaut und vier

Brunnenringe gesetzt.

Zum Erreichen der Auftriebssicherheit war es erforderlich, dass das Pumpwerk über

eine kraftschlüssige Verbindung an die Baugrubenwand angeschlossen wird. Dies

erfolgte über Nischen, die aus den unbewehrten Bohrpfählen auf Höhe der Bauwerks-

sohle ausgestemmt wurden (s. Abb. 4).

Abb. 4: Blick in die Baugrube Pumpwerk

8 B. Tönnis

Im Zuge der Bauausführung musste bei den Bohrpfählen aufgrund der örtlichen geolo-

gischen Verhältnisse nicht immer mit Wasserauflast gebohrt werden. Durch die Um-

stellung auf ein stärkeres Bohrgerät konnte das Rohr einfacher „durchgedrückt“ wer-

den. Nach Aushub der Baugrube zeigte sich, dass es kaum Überprofile bei den Bohr-

pfählen gab.

3.2 Gründung der Hochwasserschutzwand

Auf einer Länge von ca. 340 m ist eine massive Hochwasserschutzwand aus Stahlbe-

ton über einen Kopfbalken auf einem Zwillingsbohrpfahlsystem gegründet. Der Ab-

stand der Zwillingsbohrpfähle beträgt in der Regel 10 m. Auf der Hochwasserschutz-

wand wird im Hochwasserfall ein mobiles HWS-System ohne Rückabstützung errichtet.

Die Zwillingsbohrpfähle (s. Abb. 5) haben einen Durchmesser von 60 cm und sind ca.

11 m lang. Sie binden ca. 2 m in den Fels ein. Die Bohrpfähle schließen mit einem

Kopfbalken ab, an den wasserseitig eine Spundwand (L = ca. 7 m) als Untergrundab-

dichtung, anschließt.

Bei der Bauausführung zeigte es sich, dass die Bohrpfähle aufgrund der örtlichen geo-

logischen Verhältnisse bereichsweise mit Wasserauflast hergestellt werden mussten.

Bei der Anordnung der Pfahlpaare wurde die Lage vorhandener Leitungen in die Mosel

berücksichtigt. Dennoch wurden einige Leitungen angebohrt, wobei der Beton in die

Leitung gefüllt wurde. Hier mussten Nacharbeiten (Aufgrabung, Umschluss der Leitun-

gen, Verfüllung, Pfahlherstellung) ausgeführt werden.

Da die Zwillingsbohrpfähle im unmittelbaren Bereich von den Kreisstraßen (K 53,

K 134) angeordnet sind, wurden erhöhte Anforderungen an die Verkehrssicherung und

die Straßenreinigung gestellt.

Die Stahlbetonwand (d = 50 cm) wurde abschnittsweise mit Natursteinen verblendet.

Die Gesamtdicke der Wand beträgt 80 cm. Die Wand ist in der Regel 1,65 m und an

den Bauenden ca. 2,25 m hoch.

3.3 Untergrundabdichtung

Im Bereich der HWS-Wand dient ab dem Kopfbalken, in Höhe 112,20 m ü. NN, eine

Spundwand (Kanaldiele) als Untergrundabdichtung wasserseitig vor den Bohrpfählen.

Die Länge der Spundwand ist von der Lage der Felsoberkante (Tonschiefer) abhängig.

Um den Grundwasserstrom nicht wesentlich zu beeinträchtigen, endet die Spundwand

ca. 1,0 bis 1,5 m über dem Felshorizont. Es ergibt sich im Bereich der Bohrpfähle eine

Spundwandlänge von ca. 7 m.

In der Phase der Vorplanung wurden mehrere Varianten für die Gründung und Unter-

grundabdichtung diskutiert. Bei der gewählten Variante waren im Vergleich zur Varian-

te „statisch wirksame Spundwand“ geringere Erschütterungen beim Einbau zu erwar-

Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 9

ten (Spundwand/Kanaldiele, Bohrungen für Bohrpfähle). Der erschütterungsarme Ein-

bau war bei der vorhandenen alten Bebauung, die bereichsweise unmittelbar am Bau-

feld liegt, als ein wesentliches Kriterium zu berücksichtigen. Die ausgeführte Variante

stellte gegenüber einer überschnittenen Bohrpfahlwand eine wirtschaftlichere Variante

dar.

Für die Einbringung der Spundwandbohlen wurden in dem Geotechnischen Bericht

Nr. 2 [3] zusätzliche Einbringhilfen (Vorbohren, Einspülen, usw.) gefordert, da insbe-

sondere in den Hangschuttmassen und den Auffüllungen lokale Rammhindernisse zu

erwarten waren.

Abb. 5: Einbringen der Spundwandbohlen im Bereich der HWS-Wand

Abb. 6: Gründungspfähle und Untergrundabdichtung im Bereich der HWS-Wand

10 B. Tönnis

Abb. 7: Vorbohren für das Einbringen der Spundwandbohlen im Bereich der Deiche

3.4 Deiche

Moselseitig der K 134 befindet sich der ca. 325 m lange Hauptdeich (Deich I) mit einer

Höhe von ca. 3,2 m. Der Kronenweg des Hauptdeiches ist befahrbar mit einer wasser-

gebundenen Deckschicht ausgebildet. Die Kronenbreite beträgt 3,5 m und die Bö-

schungsneigung 1:2,6. Am Deichanfang und -ende wurden zwei befestigte Auffahrts-

rampen auf die Deichkrone hergestellt.

Landseitig der K 134 schließt bei Station ca. 0+346 der im Ortsbereich auf einer Länge

von ca. 400 m verlaufende Deich (Deich II) an. Am Anfang beträgt die Deichhöhe ca.

2,2 m und nimmt dann auf Grund des ansteigenden Geländes in Richtung Nordwesten

deutlich ab. Die Deichhöhe beträgt im Mittel 1,3 m. Die Kronenbreite von 3 m ergibt

sich aus der geringen Deichhöhe. Die Böschungsneigungen betragen 1:2,5. Die

Deichkrone ist nicht befahrbar ausgebildet. Am landseitigen Deichfuß ist ein Dränage-

system angeordnet.

Sämtliche HWS-Deiche wurden mit einer Spundwand als Innendichtung versehen.

Im Rahmen der Planung wurden hydraulische Berechnungen für den Moselabschnitt

durchgeführt. Aufgrund der Versprünge und „Knicke“ in der HWS-Trasse treten Wirbel

auf, die insbesondere die Deichköpfe stärker belasten. In diesen Bereichen wurden

anstelle der Rasenansaat Wasserbausteine vorgesehen.

Damit die HWS-Anlagen bei einer Überströmung keinen Schaden erleiden, ist eine

kontrollierte Flutung erforderlich. Diese wird mittels einer ca. 30 m langen Überlauf-

schwelle im Bereich des Deiches im Ortsgebiet sichergestellt. Die Böschungen wurden

mit in Beton verlegtem Wasserbaupflaster gesichert.

Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten, Mosel 11

Die Einwohner in Kesten hatten in den vergangenen Jahrzehnten wichtige Erfahrungen

aus den Hochwasserereignissen gewonnen. Sie konnten anhand des Pegelstandes in

Trier einschätzen, welche Straßen und Gebäude in Kesten überschwemmt werden.

Durch die Hochwasserschutzanlage und die Überlaufschwelle haben sich die Verhält-

nisse grundlegend verändert. Daher wurden im Rahmen der Planung Überflutungsplä-

ne für die Situation erstellt, dass Wasser über die Überlaufschwelle in den Ort läuft. In

den Plänen sind die überschwemmten Flächen und die entsprechenden Wassertiefen

im Stundenabstand dargestellt. Die Entleerung des Ortes erfolgt über das Hochwasser-

Pumpwerk.

3.5 Öffnungen in der Hochwasserschutztrasse

In die stationären HWS-Anlagen sind sieben Öffnungen integriert, um bestehende

Wegeverbindungen nicht dauerhaft zu unterbrechen.

Im Bereich der HWS-Wand sind in den drei Durchfahrten daher mobile HWS-Elemente

mit Rückabstützungen vorgesehen, die eine Höhe von bis zu 2,25 m erreichen. Im

Bereich der HWS-Deiche sind vier Deichscharten vorgesehen, die mit mobilen HWS-

Elementen, teilweise mit Rückabstützungen, verschlossen werden.

In den Durchfahrten in der HWS-Wand wird der Schutz der „Verteidigungsebene“ bis

zum Bemessungshochwasserstand durch wasserseitig angeordnete „Opfersysteme“

gewährleistet. Diese „Opfersysteme“ wurden aus den gleichen mobilen HWS-

Elementen hergestellt, müssen aber nicht den Anforderungen an die Dichtigkeit der

mobilen HWS-Elemente der Verteidigungsebene genügen. Der verbleibende Raum

zwischen dem „Opfersystem“ und dem Verschlusssystem der Durchfahrten wird somit

bereits geflutet, bevor die Überlaufschwelle anspringt.

In den Durchfahrten im Deich sind zwei Einbauebenen aus mobilen HWS-Elementen

vorgesehen, wobei jede Ebene den Anforderungen hinsichtlich Dichtigkeit und Tragsi-

cherheit genügt.

4 Erfahrungen während der Gewährleistungsfrist

Nach ca. 1,5 Jahren Bauzeit wurden die Hochwasserschutzanlagen 2010 an die Ver-

bandsgemeinde Bernkastel-Kues übergeben.

Die erste Bewährungsprobe erfolgte bereits zum Jahreswechsel 2010/2011. Die Mosel

erreichte in Kesten einen Wasserstand von ca. 112 m ü. NN, so dass die Kreisstraße

und der Ort ohne die Hochwasserschutzanlagen bereits überflutet worden wären.

Im Dezember 2015 erfolgte gemeinsam mit der Struktur- und Genehmigungsdirektion

Nord, Trier, der Verbandsgemeinde Bernkastel-Kues und der Gemeinde Kesten die

Gewährleistungsabnahme der Hochwasserschutzanlagen, bei der keine wesentlichen

Mängel festgestellt wurden.

12 B. Tönnis

Trotz der HWS-Anlagen hat man von dem gegenüberliegenden Moselufer aus auch

heute einen reizvollen Blick auf die Ortsgemeinde Kesten.

5 Literatur

[1]Struktur- und Genehmigungsdirektion Nord, Regionalstelle Wasserwirtschaft, Ab-

fallwirtschaft, Bodenschutz Trier, Luftbilder 1986 und 2003

[2]Grundbaulabor Trier, Baugrunduntersuchung Nr. 11660 mit Ergänzung der Boden-

kennwerte vom 12.10.2004, Trier Februar 2002 und Oktober 2004

[3]geopartner GmbH, Geotechnischer Bericht Nr. 2, Hochwasserschutz Kesten, Hoch-

wasserschutzbauwerke, Traben-Trabach Januar 2008

[4]Lastenheft für die Standsicherheitsnachweise, Hydroprojekt Ingenieurgesellschaft

mbH, Weimar November 2004, aktualisiert November 2007

[5]Tönnis, B. (2008): Hochwasserschutz für die Gemeinde Kesten. Bautechnik Heft 12,

2008.

[6]Tönnis, B., Griebel, P. (2009): Hochwasserschutz an der Mosel - Schutzmaßnahme

für die Gemeinde Kesten. Beratende Ingenieure, Heft 7/8, 2009.

[7]Hydroprojekt Ingenieurgesellschaft mbH, Projektunterlage zum Hochwasserschutz

für die Gemeinde Kesten, München, Mai 2002

Anschrift der Verfasser

Dr.-Ing. Barbara Tönnis

Lahmeyer Hydroprojekt GmbH

Rießnerstraße 18

99427 Weimar