BUN DES A N STA L T F Ü R WAS SER B A U ( BAW )
B e r i c h t
Ausführungsformen von Uferschutzdeckwerken an Binnenschiffahrtskanälen
und ihre Langzeitbeständigkeit Modellversuche im MaBstab 1 : 1
Teil II
Versuchsergebnisse
•
BQNDESANSTALT
FOR. WASSER.BAU'
(BAW),
.
J i" ' j . " , '_f .;' j I ,.
! , I 11. I .. ,/ i B e r i c h t" . rungsformen von Uferschutzdeckwerken
'an Binnenschiffahrtskanäl~n d ihre Langzeitbeständigkeit / I .,
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~. c, ·1 im MaBstab, 1 I 1 ,, , j" I J , Teil 1:1 .' , Versuchaergebnisse I' ", . ,"
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11: " Auftrag roml. . , Auftrags';'Nr.'I . '. lt:~r· '~".'.Au:f'geatellt, vonl , ~; . BAW 11 ,330 "f • '",Abt. Allgemeine Tecl#ïieche:Entwioklui
"im Wasserbau
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4. 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.:3 :~.f.' 4.1.4 4.1.5 4.2 l, 4.:3 /, 4.4' 5. 6. ~ .' " ' ,' I,)
11 1nhaltsverzeichnis11. Verzeichnis der Anl.sen
MeBergebnisse
;1
-D~pkverteilungen
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Druckverteilung unter einem~~lliggeschlossenen Deckwerk
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lJ~~~kverteilungunter geschlossener
~~~Jte und o:f:fenerSohle
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QTUckverteilung bei Variation der
~röBe einer Druckentlastungsö:f:fnung
Druckverteilung bei Variation der
Lage einer Druckentlastungsö:f:fnung
Druckverteilung bei Kombination
mehrerer Ö:f:fnungengleicher GröBe
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~~E~~~!§!!~~~!~~!§~!!~_!~_!!!~!~:
und' Drainschicht
Diskussion der MeBergebnisse
Beurteilung der Langzeitbeständigkeit
Mögliche Verbesserungen im Deckwe,
rks-bau Literaturhinveis. , . Of " ,, ., ,.' I
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, ,III _,verzeic~tll,_ler Anlagen • ..,'~~ I.=--'_ Anlage Nr;_ ~ ~j Läng8sc~itt durch das Versuchs~.1d,
Modetlaufbau und Lage der MeBpunkte .
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'Druckve,tei1ungen unter gesch10ssener Decke,
und 9~~ener Sohle (Versuchsreihen 1 - 4) 8
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Druckvert~ilungen bei Variation der Gr8Be
eine;"~:ruckentlastungsö~~nung .~~ (vers,~l~reihen 5 - 8) '(~~wLf I I GröBe - 1,5) a,:~):\~~,
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Druckvert~i1ung bei gesch10ssener Decke,', i.» I ,»
'f' 'und SoJ?1e (KontrollJ;llessungzur
der St;nd~estigkeit, Versuchsreihe 16)
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Druckverlau~ an den MeBpunkten
Senk- und Hebephase des
Wasserspiegels
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an den_MèBpunkten
Lagen einer Ö~~nuDg nnd
versc44edenen Ö~~nungskombinationen
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4. MeBergebnisse I.
4.1.•1 Die Druckverteilung unter einem völlig ge-schlossenen Deckwerk als j' , Bei
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-.Nach den Empfehlungen der Deutschen GeseUschaft fUr Erd~ und Grundbau 14 kann ein Asphaltbe-lag mit einem Porenvolumen von höchstens 3 ,
dicht angesehen werden.
diesem geringen Porenvolumen ist nach 1S .
Str.uktur des Asphaltbetons 50 beschaffen ,
labormä.Bige k-Wert- Bestimmungen kaum mehr möglich sInd , d , h , er ist 'nach DARCY ein un- I
.durchströmbarer Kërper (siehe auch 16 ).
"
Der Grundwasserstand hinter ~iner geschlossenen
,
Decke kann demzufolge durch die kurzfristige F
Absunkmulde einer Schiffsdurchfahrt nicht be-einfluBt werden. Die Druck-Zeitkurve während der Durchfahrt eines Schiffes (Abb. 2Sa-d) is~
eine horizontale Gerade.
Liegen Kanalwasser-spdegeI und Grundwasserlinie im Böschungsbereich auf gleicher Höhe, 50 wird
unter den beschriebenen Bedingungen. d.h. bei einer Absenkungsmulde von 40 cm Tiefe, nach Be-endigung des Sunkvorganges, also nach ca. ~O
Se-'kunden, der dem hydrostatischen Druckverlust entsprechende ,Porenwasserüberdruck von 400 kp/m2
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Schfrnask izzen zur Wirk ung von 'GrundwQsserüberdr~c kj i '
auf::- dichte Böschungsdeckwerke
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"'":F ,;~.' ,, a) Resultierender Grund-'wasserGberdruc~ auf die Deckwerksunt~r~ s eite bei p Lët a- =: 1icher Absenkung ;'des Normal wasser-I,./
spiegels umö h , I' ,", -_"r~i ~, . '-..::~ " ..~'.. "
Wasserspiegelver-änderung bei
simu-lierter
Schif':fs-durchf'ahrt und
Porenwasaerdruck-Kurve unter,dichtem
Deckwerk ,' T ", t', '.' c) Tatsächliche
Be-las tune eines dich-ten Dccltwerkes durch
Grundwasaer-Uberdruck auf' seine, , '
Unterseite während ,einer Schif':f'sdurch~' f'ahrt • , > ft " " , _.. , -p .J " ~".. ~ " , ,I. ," t'" <:"'<i, ,_ .'. I-,: .. : "d) -. )~imalbelastung,
eines dichten
Deck-werkas im Kal'lal-I "querschni tt ' I ti{.!; 'I,O,r1'!;1 j t.':l:: ':~'l"r:~ , "'-. '. ,:!"I)~il.\jI('l~; .lj!,1Ij 11/' 4 •I .~_.~" ~~\, _. Sohl • :~.
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praktisch auf die gesamte vom Grundwasser be-
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netzte Deckwerksfläche gleichmäBig wirksam.
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.'(Abb, 2Sc) I' ;1,
..:Unter einer dichten Decke ist eine Filter~ j
IJ t~~...· .
schicht nicht erforderlich.
r' Druckverteilung unter gescht cssener Decke
und offener Sohle
GemäB Abb. 26 wurde die Sohle in der gesamten
Breite des mittleren Versuchsfeldes
CD
2t79 ~),schicht 'lag. Durch eine 0tS m tiefe
Beton-platte - die strömungsmechanisch etwa eine~
Betonwiderlager am BöschungsfuB einer
natUr-lichen WasserstraBe entspricht - wurden die
, ,
Deckwerksschichten von der Sonlenöffnung
ab-getrennt. " J
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, 10cm Asphaltbeton 10cm Bitumen - Split 10cm KiufiU" 3 - 5 mm " S tütz körper Sond clso.USrnm Schnitt M. 1:100 --~ ..- --.
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.\, .Abb. 26:,Schemaskizze der ge seht , Deckeim~t '
offener Kanalsohle
Der'BetonabschluB reicht etwa 10 cm in
." körper hinein.·
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• ., '"ol. ',' I" den StUtz· ,j ,1, ,'J : t· , r.j{ " , f' . , .J ,,_ ., ,. ~,1..._..Da zu vermuten war. daB durch Heben und Senken
des Verdrängungskötpers der Wellenmaschine eine
dynamische Sog- und Druckkomponente entstehtj
~~ sich besonders stark im Sohlenbereich in
~ .' I
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or.in
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stark turbulenter Strömungen auswirken muB,.wurden zusätzlich 2 Druckaufnehmer Ca und b) im
" ., Abstand von j eweils 0.75 m zur Feldachse in
,~:'",,der Mitt'e der Sohlenöffnung und mit der Oberf,läche
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ilte~seh~,,~,~bse~ i eBen~d,.._~~gebau~ ~Abb.r J . I '
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"'! 54 r . .\ , I ,Abb. 27: Aufsicht der Kanalsohle (Mittelfeld)
, .L 1.25 ~ I~ ... " I I~ ~ •Aufaicht M. 1:50
®
La,e de' zUlÖtzlichen Druclcaufneb",e, ,I
1..,-I
f . '/ / /, 1. Versuchsreihe " . ,Sqhlenöffnung .. 279 cm.x 125 cm • 34 875 am2.', Absenkung des Wassersp~egels (- Tiefe d.
Absunk-~<~'
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mulde) 40 cm "Fahrt" '40/40; Anlage 8 zeigt, die.' f./, ...
.,,/,.~\'Veränderung der Porenwasserdrücke 'an den MeBpunkten,
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~.~.' , ;. t., I • ,I • .J.':.:' ' i ! t I " ; .... f ; i ( , , 1 I' " n;~ -,',-Die Lage der Meapunkte (MP) ist auf Anlage 1
dar-gestellt. Die Druckkurven der entsprechenden
Mea-, " punkt e in Drain- und Filterschicht sind fast
gleich. Da sie während der gesarnten Dauer der
Untersuchungen prakt isch identisch bl ieben (s i.ehe'
die Anlage der übrigen Versuchsreihen). entsprechen
sich Drain- und Filterschicht in ihrer hydraulische~
. und mechanischen Fi lterwirksamkeit. Hinsicht 1ich ' ,
ihrer Durchströmbarkeit bilden beide Schichten', f
also einen homogenen.Kërper , (Auf die konst-rukt ive
Bedeutung dieser Feststellupg wird unter 6.
ein-gegangen. )
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Die kurzfristig verlaufenden plötzlichen
Wasser-spiegelabsenkungen mit Absunkgeschwindigkeiten
bis zu 1S cm/s bewirken im wassergesättigten Unter
-grund einen relativen Porenwasserüberdruck. der
auf die untere Fläche der AsphaIt dec ke wirkt und
im folgenden al 5
"Q!2~r2rYS~"
bezeichnet wird.schnellen Anstiegsgeschwindigkeiten
t:
durchfahrt tiefer abgefallen ist. Gegenüber dem
sehr schnell wieder angestiegenen Kanalwasser-!
spiegel bleibt das Niveau des Grundwassers
zu-rück. Während des Wasserspiegelanstieges
~nt-steht also in Filter- und Drainschicht sowie in'
,den Schichten des Untergrundes ein Porenwasser-:
druck , der ger inger ist a15 der "äuf3ere" hydro- .
statische Druck des KanaIwas s er s , Die üruc
k-~ -~ f
,differenz ist, die Belastungsgröf3e. die auf die
, Oberfläche der Asphaltdecke wirkt. Sie wird
S6
,im folgenden als "relativer Unterdrtick"
--~--~---bezeichnet [17].
Die Druckhöhen im Böschungsquerschnitt nehmen zur Wasserlinie hin stetig zu, Im unteren
Bëschung sbereIch , an den MeBpunkten',S, 11 und'·j""
12 entsteht ein !.'Oberdruck"von 27 -'32 kp/m2• Die Druckschwankungen gleichen sich hier schnell wieder aus. Dagegen wächst im,oberen Bereich 'der "Ilbe'rdruc k" bei MP 8 auf 280, der "Unt
er-druck" (bei Wiederanstieg des Wasserspiegels) auf 195 kp/m2• Da die obersten ~iel3punkte(1, 7, '
und 2) zeitweise über der Sickerlinie lagen, wurden sie in dieser Versuchsreihe nicht abge-fragt. Es ist aber anzunehmen,' daf3der
"Ober-.',\ 'druck" bei MP 1 fast auf 400 kp/m2 ansteigt.
\ \'
" "\ entsprechend der vollen. hydrostatischen
üruck-\differenz des Ab sunks, Der Druckverlauf am
obersten MeBpunkt der I. MeBebene im Stützkörper (MP 232) erreicht diesen W~rt. Aber. obwohl die
-ser MeBpunkt nur 50 cm unter der Filterschicht liegt. wird die "üruckausg Ieächskurv e" infolge des kleineren k-Wertes~wesentlich flacher: in
50 sec wird nur ein Druck , der ·10 cm WS ent-I
spr Icht , ab g ebaut, _
'I ~
",.
Beim Ve,rgleich mit der Druckverteilung unter einem völlig gesch~ossenen Deckwerk fällt auf.
,daB im oberen Bereich der Wasserwechselzone zu-nächst der gesamte hydrostatis~he Druck wirksam wird. Trot z der gro13en Sohlenöf:&nungvon fast'
/'
3;S'm2 und ~rotz guter Durchlässigkeit von Filter-, und Drainschicht setzt • als Folge der wirksam
, ; '1 ! ~• ~J L
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',. '" ..,._ .~. \ .-,, , , .< • ,I. '" - 57werdenden Trägheitskräfte - eine spÜrbare
I
Druckent lastung erst nach ca. 5 Sekunden eLn,'
1
Die fast,gleichen MeBwerte der Mp a und b zeigen deutlich einen dynamischen EinfluB der Verdrängerbewegung:
'Durch den Sunkvorgang (- Hub des
Verdrängungs-körpers) entsteht an der Oberfläche der offenen
;Känarso~e ein Strömungsunterdruck von 50 kp/m2 und beim Absenken des Verdrängungskörpers ein
,
gleichgroBer Oberdruck. Während der "natUrlichen Durchfahrt" eines Schiffes entstehen mit
Sicher-. ~~
heit ebenfalls dynamisch erzeugte Druck- und .
Sog~räft e. D'ie in [3] u nd [
4]
-veröf fent lic~ten MeBwerte sowie die Strömungsmessungen der BAW,in der Stauhaitung Kriegenbrunn (RMD-Kanal)
be-\ we lsen , daB die in der Natur -auf tretenden dynaz.
mischen Belastungskomponenten gröBenordnungsmäBig den Modellwerten entsprec~en.
,.
2. Versuchsreihe
Sohlenöffnung - 34 875 cm2
Absenkung des Wasserspiegels - 60 cm .
Fahrt 40/40: -An lage 9
Der Ablauf der Druckverteilung ist prinzipiell
.g leich dem der 1. Versuchsreihe. Der tief eren Absenkung - und damit dem gröBeren Druckgefälle ent sprechend , verlaufen die Druckkurven - sowohl im "Oberdruck" - als auch im "Unterdruckber,eich"
/'
'etwas steiler: d , h ,'die Strömungsgeschwindigkeite: sind in den Filterschichten und in .der obersten Stützk6rperschicht deutlich gr6Ber,
,,'
1 ,
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. " ; 0'I \.)
..~' , ." " .' .~ - 58 .. .\
. ,B:emerkenswert ist der relativ hohe üruc k, den MP 4 und 10 anzeigen. Die wirksame Druckentlastung
der quasi offenen Sohle reicht demzufolge nur .
noch bis in die Mitte des 'Deckwerkes (MP 5 und 11) •
Die stärkste Deckenbelastung entsteht bei einer A1rsenku-n~on 60 cm 15 sec nach Beginn des Ab~'
senkungsvorganges (Oberdruck) bzw. nach 6S sec
.(Unterdruck) • 3. Versuchsreihe Sohlenöffnung 34 875 cm2 Absenkung des Wasserspiegels Fahrt 40/80; Anlage 10 / • 60 cm
" Die Druckkurven der 3. Versuchsreihe sind im
wesentlichen dieselben wie bei der Fahrt 40/40 (Anlage 9). Die Verlängerung des zeitlichen Ab-sta~des zwischen 2 Schiffsdurchgängen von 40 auf 80 Sekunden ist demnach ohne EinfluB auf die Druckverteilung in den Filterschichten, da hier der Druckausgleich relativ schnell erfolgt. Die geringe Differenz von 30 - 40 kp/m2 bei MP 232 zeigt jedoch, daB ~ trotz der Nähe der
Filterschicht - während des 80 Sekunden dauernden Ruhewasserstandes ke~n vollständiger
Druckaus-,.,. gleic~ - dem viel'kleineren kWert entsprechend -, ) ~-,::.:;~i:;-.--.stattfindenkann,' : :;;-_,,1,7':" ',' ~ [.
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Absenkung des Wasserspiegels • 60 cm Fahrt 80/40; Anlage 11
.' .Bei der extrem langen Absunkzeit von 80 sec
wird deutlich, daB die offene Sohle im unteren
,Bereich der Böschung zu einer voLlständigen Druck-'
entLaStUn~ührt. Dagegen bleibt im mittleren und oberen Böschungsbereich ein praktisch konstanter Restdruck bestehen, der in den Filterschichten bei
100 kp/m2p in der obersten Stützkörperschicht (MP 232) um 400 kp/m2 liegt. In 40 Sekunden (zwi-schen 55 und 95 sec nach Bugdurchgang) wird bei MP 232 nur ein Druck von 4,5 cm WS abgebaut , Die Druckmaxima der MP a und b traten zur Zeit der gröBten Hub- bzw. Sunk-Geschwindigkeit des
, ,.7:, •Verdrängungskörpers auf , Der Strömungsdruck
er-" ,'t .. , 2
,:~;~ reicht in allen Versuchsreihen Werte um 50 kp/m •
,Die Versuchsreihen 1 bis 4 beweisen. daB die durch
.~,:~.~~
den Schiffsverkehr verursachte BelastungsgröBe
. '} ,.;-..: '>.'
.. " 1.
"I'; 1
einer instationären und kurzfristigen Wasserspiegel·
~,·.veränderungdurch eine offene Kanalsohle alleine weder wesentlich vermindert noch gleichmäBig über die gesamte Böschungsfläche verteilt werden kann •.
t
,
Druckverteilung bei Variation der GröBe einer
.Druckent Ia stung söffnung "
AG vûrgeschlagene W~rkung einer sohlennahen
, I I I I, I ,,',
:"t· ~," 1 r 1 .1 ,
.
~ ,. " ..
" ... .\, ,. 'f"..
; "i,
60' I .; Druckentlastungsöffnung untersuchen.Hierzu wurde zunächst - wie auf S. 22 be-schrieben - in der geschlessenen Decke eine öffnung ausgespart. deren Lage Arilage 1 zeigt
(öffnung E).
',Um die Aus.sagekraft der Versuche zu erwe Ltern, "
wurde die GröBe der öffnung entsprechend
felgen-«: ~l~ verllndert:
,
r
,·4 ., öff?ung E· ' Breite Höhe x cm "J:'
I·; . J ,. 5. Versuchsreihe ','6. Versuchsreihe ,."'.'.'7. Versuchsreihe 8. Versuchsreihe
.
• 'f •• .,. \ 1\' ..,T ~ ... • , " 1,' . ....-...,; .. ,', 'j' f, ; i f ,J • , Lt e» 100 100 50 15,8 ~ 50 25 25x in der Böschungsebene gemessen
, 'Sämtliche MeBpunkte in Filter- und Drainschicht '
,wurden abgefragta II .
5. Versuchsreihe
öffnung E : Br~ite 100 cm, Höhe • 50 cm
• 5000 cm2
Absenkung des Wasserspiegels • 40 cm Fahrt 40/40. Anlage 12
Im Ilberdruck-Max imum (·10 Sekunden nach Bugdurch-gang) sind bei MP 1 und 7 Werte von 370 bzw ,
360 kp/m2 vorhanden. Dagegen verlaufen die Druc~-kurven der sohlennahen MeBpunkte längs der Null-Linie. Die in Nähe der Entlastungsöffnung liegen-den _MeBpunkte 6 und 12 zeigen durch ,ihren
gegen-I I
,
,,' .
" i
.
' 1 I r ...I .' • I f ' 'I ~~ " ~:.. I , ~. 1',. • t :, ., , '.j ~ ,. i ". j i l 61läufigen Druckanstieg bei SS sec auf SS bzw.
50 kp/m2, daf3 die durch den Verdrängungsk6rper'!
verursacht~ dynamische Komponente noch in die'
Filterschichten hinein ~irksam wird.
Die Gr6Be der EntlastungsBffnung zur offenen.
Sohle verhält sich wie 1 : 7. Die dadurch
ver-;":'~minderte Druckentlastung zeigt sich im
Ver-gl~ich mit Versuchsreihe 1 (Anlage 8): Die Dru.
ck-kur~n der Anlage 12 verlaufen generell etwas
flache~ d.h. die StrBmungsgesèhwindigkeiten wer-·
.•. t'
"
.;\ ,den kleiner. und die Druckwerte der mittleren
.:;,\ MeBpunkte (2 bis 4 und 8 bis 10) liegen deut Hc h
• _•• , \ . . I
h~her. Dagegen sind die Druckwerte der
6ffnungs-\ nahen MeBpunkte 5, 6 und 11, 12) etwas' güns~iger
al s bei der off enen.Soh Ie.. ! ,
""
)
. ' " .,._ ..-,. ~ '.' ,: . t:~ " ~ .. ~. I'. tL " .'; , ,'. 6. Versuchsreiheöffnung E : Breite'" 100 cm, Höhe , 2S cm
... 2500 cm2
Absenkung des Wasserspiegels • 40 cm
Fahrt 40/40; Anlage 13
I.
i
Die Druckkurven decken sich im wesentlichen mit
den Kurven der Anlage 12.
Die Reduzierung der öffnungsf Läche von 5000 ,cm2
auf 2500 cm2 ist also praktisch ohne EinfluB
auf die Druckverteilung Ln der Böschungsachs e ,
.;
7. Versuchsreihe
öffnung E : Breite" 50 cm, Höhe • 2S cm
• 1250 cm2
I . !,
Absenkung des Wasserspiegels • 40 cm
'Fahrt 40/40,. Anlage 14,
'-. '
,
, ,
.1 l " I I .
--..
'/
.j - 62-Die weitere Verkleinerung der öffnung von
, ·2500 cm2 auf 1250 cm2 verursacht nur ~inen
geringen Anstieg des maximalen Druckverlaufs
an allen MeBpunkten urn 10 bis 20 kp/m2 gegenüber
Versuchsreihe 6.
. !
Die Druckentlastung im unteren Btlschungsbereich
. 'ist trct z der kleinen öffnungsfläche dieselbe
;.:~.., . e ddie der offenen 'SohLe '(öffnungsverhältnis
:":.' ~~"~8); etwa 20 sec nach Bugdurchgang ist bei,
.' MPS; 6 und 11; 12 üruc kausg Ie Ich hergestellt."
'- I , î-. , " ."{
..
r' , " ~..., .' . 8. Versuchsreihe öffnung E ': Durchmes se r • 15,8 cm • 200 cm2 r .Absenkung des Wasserspiegels ~ 40 cm
Fahrt 40/40p Anlage 15
"
Im Gegensatz zu den Versuchsreihen 5, 6 und 7,
wo sich die Druckverteilungen nicht wesentlich
'von
der
einander unterscheiden, sind die Druckkurven
8. Versuchsreihe durch die starke Reduzierung
öffnungsgrtlBe auf nur 200 cm2 deut lich
be-der
einf luBt:
Der Durchgapg der Druckkurven durch die Null~
I'
I
! I /
?\
17'
;:
,linie', der bislang nach 50 bis' 54 sec eintrat, r :'û
,
..
"'''.'f liegt jet:t ,zwischen 57 und 58 Sekund en , Dieser"Staueffekt" der zu kleirlen Druckent Iastung
s-öffnung wird aber besonders durch die Kurven der
~,
.
, . J "",..
.
or. • .... ~ • ... "r r : ~ I' • .,t · , 63
-Me~punkte 6 und 12 angezeigt. die bei 20 Se-kunden ein Druckminimum haben. Bis zum Beginn der Wasserspiegelanhebung (bei 50 sec) steigt der "Dberdruck" in der Kiesfilterschicht lang- "I
sam bis aut 58 kp/m2 an. Der plötzliche, weitere Anst ieg des "Oberdruckes" in der Drainschicht '; 'bis auf 130 kp/m2 und in der Filterschicht bis
-,
au~ 100 kp/m2 entsteht durch die Oberlagerung ,
mehjerer dynamischer EinflUsse, die in unmittel~ bar r Nähe der kleinen öffnung, und hier be-' ,
son ers in der obenliegenden Drainschicht, am '
wirksamsten werden.
, .
Bemerkenswert ist ein weiterer Vorgang, dessen Auswirkung urn50 stärker wird , je kleiner die I
öffnung ist und je näher sie am Böschung sfuü liegt, d. h. je länger die während des
Druck-'.ausgleiches durchströmte Strecke innerhalb von Drain- und Filterschicht wird. ~1itdem Ende eines
Bewegungsvorganges ·(Sunk oder Hub) entsteht bei der beschriebenen Versuchseinrichtung in Filter~
.und Drainschicht eine zeitlich exakt Uberein-stimmende Druckschwingung von,4,S Hz. (Siehe·
Abbildung 28) Die Druckschwingung, die in Ver- .
suchsreihe 8 ~ei MP 6 und 12 zunächst eine Amplitude von ca. 100kp/ni2hat , wird LnnerhaIb.
von Filter- und Drainschicht stark gedämpft. Bei MP 8 ist sie nicht mehr zu'erkennen~
".
· "~'~"Dieser Vorgang. der als l~asserschlo(3schwingung\
,:"',
\u
de~ten ist. unterstr~icht die nahe Beziehung... ' , der hLer auftretenden.Fl.lterströmungzur Rohr...
I" <,' hydraulik. !
I
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l " I, I .', ,.
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1( ", :\. . -! 14 E " ,; ""'"
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ot -. ;-..; -\.J
Abb:
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l§.
WassersehloBsehwingung 'inFilter-:
I
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0 0 und Orainsehieht, " 'l' .' o , ! ,> , " , 1 '0 -11 .! r ....,: ~_ ~",-r f I, .. ," , I I, - 64 -I, "Es sei betont. daB die Untersuehungen der
8. Versuehsreihe nur theoretisehen Zweeken
.
'diente. Eine tatsäehliehe Oeekwerksbauweise
d Ièsar Art. d , h , eine Oieke mit nur einer
, kreintm Oruekentlastungsöffnung in Nähe0des
'.' " BösehungsfuBes, dürfte sIch von selbst
ver-bieten. /
/ ./
"'.- Vermutlieh treten d Le se WassersehloB sehwin-,gungen in der, Natur selbst bei ung, Unst igsten
.
' I ~ 1;- •.
..' '" • J ~ JO , i,,. t i ~ . . j , " >
.
, 1 l(L , , ~-...1 . ~ " '." ! t v -~ , : ."( 65Verhältnissen - nicht auf. Denn anders als ~eim Modell mit der geringen Breite des
Ver-{ ,
suchsfeldes, werden DruckstöBe von der quasi
unendlichen Naturdecke viel besser aufgenommen, ',
da sie dort in Längs- und Querschwingungen zer-legt werden •
I
,{
~s'ist aber nicht zu ilberblicken, wie weit Druck~
,',' \
schwingungen, die von verschiedenen
Entlastung~-•
öffnungen zu verschiedenen Zeiten ausgehen, sióp
.•gegenseitig beeinflussen und,durch Interferenz
. "
die ~igenschwingung der Asphaltdecke anregen können. :
, l
Druckverteilung bei Variat ion der Lage einer Druckentlastungsöffnung
9~ Versuchsreihe
öffnung C Durchmesser· 15,8 Cm
• 200 cm2
r
Absenkung des Wasserspiegels 40 cm ~ahrt 40/40; Anlage 16
,~ Gegenilber der 8. Versuchsreihe bewiikt die Ver-lagerung der Bnt lastungsöffnung zur Mitte der Böschung eine Verminderung der Druckwerte bei den
I
nahe gelegenen MeBpunkteh 4, 10 und S, 11. Die
•.'Kurven der MeBpunkte 4 und 10 liegen 25 bis
,35 kp/m2 tiefer als bei der 8. Versuchsreihe. Die Verminderung der ohnehin geringen Druckwerte bei den MeBpunkten 5 und 11 beträgt nur ca.
10 kp/mZ,"die Druckkurven sind jetzt aber'praktisch
"
, ,
" ,
, r -, '.' "~... , " • " ~ f /' I " - 66
-'.identisch mit den Kurven der'MeBpunkte 6 und 12: Mit einem Maximum bei 10 Sekt von
etwa 100 kp/m2 verlaufen sie zwischen 30 und SS Sekt in Nähe der Null-Linie. Im oberen Teil ~er Bösch~ng (MeBpunkte 1 bis 3 bzw. 7 bis 9)
bewirkt die Verlagerung der Entlastungsöffnung'
!
Sn die Mitte der Decke keine wesentlich
ver-'.
~esserte Douckentlastung. Lediglich die Druck-;pitzen der MeBpunkte 2 und 8 liege,n'urn10 kp/m2. '
.:
,/
, {, ... tiefer. 10. Versuchsreihe öffnung B : Durchmesser • 15.8 cm • 200 cm2 , ;, , .' IAbsenkung des Wasserspiegels 40 cm Fahrt 40/40; Anlage 17
Im Vergleich m,'1'tden Versuchsreihen 8 und 9
be-' ( .
wirkt die we.~·~e Verlagerung der öffnung nach oben auf ca. 'i'~~5m unterhalb der Ruhewa sserLinde
(AnI. 1) eine deutliche Druckverminderung. vor
allem im .stark beanspruchten oberen Teil der Bö schung Das Druckmaximum der MeBpunkte 1 und 7 sowie 2 und '
8 sinkt urn,50 bis 60 kp/m2• Die Druckkurven von MP 3 und MP 9 liegen urn30 kp/m2 tiefer als bei Versuchsreihe 9. Die Werte der etwa 2 m von der öffnung entfernten MeBpunkte 4 und 10 sind rd.
100 kp/m2 geringer. ote unteren MeBpunkte 5 und 11 "
...r. sowie 6 und 12 zeigen nur noch sehr geringe
Druck-.',; " ,
::$chwankungen ani Das Maximum im,"Oberdruckbereich" jiegt bei iS'·kp/m2 und 'im"ünt erdruckbereIch" bei
'
25
kp/mZ.:· ~.
~
. -
.(
I
.
,ij . ,I ...I
\
" \'.1 , '
.
, . - 67 -, ' • " .Die Versuchsreihe 10 zeigt, daB schon durch eine kleine Ent lastungsöffnung von nur 200 cm2 eine deut liche Druckverminderung erreicht werden kann , :
wenn die Entlastungsöffnung möglichst nahe der l'iasserwechselzone liegt und dadurch die dur eh-strömte Strecke innerhalb der Filterschicht mög-lichst kurz wird.
"
.
< !
4.1.5 Druckverteilung bei Kombination méhrerer
',gl eicher GröBe_ " ,I :\11. Versuchsreihe " öffnungen, t.
, I.
l: .'·~tfnUngen .' \ _ , \ . \ \ A F A + B; Durchmesser je 15,8 cm ..400 cm2senkung des Wasserspiegels • 40 cm2 hrt 40/40; Anlage 18,
..~"
/
D rch Kombination der 'beiden, am höchsten liegenden ffnungen A und B läBt sich, verglichen mit
Ver-I
suchsreihe 10, eine geringe weitere Druckverminderung erreichen.
"T ' In der Wasserwechselzone (MeBpunkte 1 und 2 sowie
. 7 ':1nd 8) beträgt die zusät zliche Ent lastung nur 10 bi s,15 kp/m2.,
.
/~ Deutlicher wird sie be1 den MeBpunkten 3 und 9,'wo
~:: das Öruckmaximum 50 kp/m2 gOnstiger'als bei
Ver-, '.,'suchsreihe 10 liegt. Die K~rven der MeBpunkte ,4 und
·10p dicht bei der öffnurtgA;' verlaufen mit einem
''-~: -i : D'ruckmaximum von nur 55 bzw. 35 kp/m2 schon nach
" , \ , ';. ,', :' 1 t': ,., ," '.,. -I' . \ : t
.
.
.
"" ~~,':"';. i ,' .. ~. •~ " '0' ... .'" .'.",~'. ;--: '\ ~ v: :',',)·1 I' r , I r -, < 68 -" ,~. Versuchsreihe ~Ifnungen B + Di Durchmesser je 15,8 cm ~.~,,: • 400 cm2 " '
~"bsenkung des Wasserspiegels • 40 cm
,
~ahrt 40/40; Anlage 19
Die Druckverteilung dieser Versuchsreihe entspricht im oberen Teil der Böschung (bis zu den MeBpunkten 4 und 10) etwa der Versuchsreihe 10 (öffnung B aileine, AnI. 17).
Die Druckverminderung auf den arn stärksten
bean-, ,
" spruchten Böschungsteil - im wesentlichen die Wasser
,-wechselzone - wird in diesem Versuch praktisch nur I
durch die öffnung B erreIcht , Die öffnung D macht ' sich erst im mitt leren und unt eren Bereich (bei den MeBpunkten 5 und 11 sowie 6 und 12 durch eine geringe Verminderung der ohnehin kleinen Druck-schwankungen bemerkbar.
,,
ZusätzIich macht der Vergleich mit der Versuchs-reihe 11 (öffnungen A + B) deutlich, daB ,eine , öffnung, die etwa an der Bais des Wasserwechsel,'" bereiches angeordnet ist, ausreicht, urn das ge-,' fährdete obere Drittel 'einer Asphalt-Decke ge-nügend zu ent lasten.
,
, I
- Auf eine weitere öffnung ,im mittleren bzw. unte- ,
. ' ren Böschungsbereich, ka~n, ,wie Versuchsreihe 121
'"~,zeigt, verzichtet werden.,""" ',.,
',lt,. ' \, ; , \:, ' ' • tÓ:t:'" '. I ...""'t : ,' ,I 1. t " r , , " , , I
'1 I 1
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, . , r ,. f, " , • ,1 !. I , .. •J, 69 ,.' 13. Versuchsreihe öffnungen 0 + E; Durchmesser je 15.8 cm - 400 cm2 . IAbsenkung des Wasserspiegels - 40 cm '
Fahrt 40/40; Aniage 20
Die "Verlagerung" der öffnung B nach E hat gegen- '
fiber Versuchsreihe 12 lediglich eine Verminderung . der ohnehin geringen Dru~kschwankungen im unteren Böschungsbereich zur PoIge, Die Druckkurven der'
MP 5 und 6 sowie 11 und 12 verlaufen praktisch während der gesamt en Absunkdauer in Nähe der ,i Null-Linie. ~14. Versuchsreihe ,~~~~nungen A + C + \ \ \ II I E; Durchmesser je 15.8 cm .. 600 cm2 I • ,
)
"A senkung des Wasserspiegels ,- 40 cmF hrt 40/40; Anlage 21
.I
T otz gröBerer öffnungsfläche ist die
Druckent-/ '
, ;iastung durch die drei öffnungen A. C und E deu't«
lich geringer als die der beiden öffnungen A und B (Ani. 18). Der Unterschied der obersten MeBpunkte beträgt im Druckmaximum 50 kp/m2• Bei den MeBpunkten
4 und 10 macht sich die fehlende öffnung B durch .:-eme Druckerhöhung von 100 bis 130 kp/m2 bemerkbar •
.~
'~egenüber Versuchsreihe 12 mit den öffrtungen B und
'0
ist die Druckentlastung besond ers 'im oberen Bö-~chungsbereich gUnstiger. wo die Druckkurven 20 bis
.
se
kp/m2 niedriger liegen. '.:'
" . ! • ;. - 70 -15. Versuchsreihe öffnungen A + B + C + 0 + E; Durchmesser • 1000 cm2 Absenkung des Wasserspiegels • 40 cm Fahrt 40/40; Anlage 22
je 1S, 8 cm
I
I
.t
Die Druckwerte der 15. Versuchsreihe gleichen
wèit-gehend denen der 5. Versuchsreihe (öffnung E • 5000 cm2) mit Ausnahme der Kurven der MeBpunkte 1 bis 3, die trotz der wesentlich kleineren Gesamtöffnung im Druckmaximum
..um 50 kp/m2 tiefer liegen.
Der Vergleich mit den Druckkurven der Versuchsreihe
l4 (öffnungen A + C + E) zeigt, daB die beiden zu~
, I
sätzlichen öffnungen B + D eine geringe'
Druckvermin-derung von 15 bis 2S kp/m2 veru rsachen, . f
16. Versuchsreihe
Kontrollmessung zur OberprUfung der Standfestigkeit Decke und schte "geschlossen"
Absenkung des Wasserspiegels • 40 cm Fahrt 40/40; Anlage 23
'Nach AbschluB der MeBfahrten folgte die
Dauerbe-Last.ung der Deckwerke durch 40'000 simulierte Vorbei- /
f~hrten verschiedener Schiffstypen. AnschlieBend
wur-den die Ent lastungsöffnungen der Asphaltbetondecke I
du
r
ch MastixverguB geschlossen und zur Oberprüfung'.d~, ,Standfestigkeit Kontrollmessungen der
Druckver-.t~llung unter der geschlossenen Decke durchgeführt. Hierbei zeigten sieh erhebliche Abweichungen von
',' ,, ,# "'/; ; . l II
.
' .~,'" ""\'."·1 , ,_. "'1 .
"
./ .- 71dem auf S. 51 und SZ beschriebenen Ausgangszustand.
Anstatt der naeh dem Sunkvorgang zu erwartenden
I
.
'
I'
paraLleI zur Null-Linie verlaufenden Kurvenschar .
j-s, "
ergaben die MeBwerte sämtlicher MeBpunkte ein Druck-' i
verteilungsbild, in dem die Druckkurven nur gering-fUgig höher als bei Versuchsreihe 8 (öffnung E •
15~8 cm ~) lagen.
,,
Die OberprUfung der MeBwerte ergab, daB sich trotz der Druckentlastungsöffnungen während der Dauer-belastung des Deckwerkes Spalten am Obergang zur
j<" -, Schüttsteindecke geöffnet hatten, Die Spalten, deren it, .... Lage durch Farbversuche bestimmt werden konnte ,
fan-den sich nur am linken Rand des Deckwerkes zwischen den MeBpunkten 3 und 4 und vor allem dicht unterhalb
.von MeBpunkt 5. Das Bild der Druckverteilung auf .1
Anlage Z3 wird durch die Lage dieser Spa lten erklärt •.
!
\
.
}r \ \ ' :. . I .' t. ~ ..t' .
.
\Der unterschiedliche Druckverlauf in Drain- und
Filterschicht einerseits und den Stützkörper-Schich-ten andererseits wird durch das Auftragen der maxima- I
len üruc kwer-te im.Böschungsq.uerschnitt deut lich (siehe
Anlage Z4).
:
I
Am Ende der Absenkung des Wasserspiegels (Abb. 19),
.etwa .10 Sekunden nach Bugdurchgang , zeigen alle MeB-punkte den höchsten Oberdruck an. Dieses Druckmaximum liegt bei MP.1 und 7 bei 365 kp/mZ• bei MP 4 und 10 nur noch bei 185 kp/m2 und erreicht bei MP 6 und lZ 80 kp/m2~ In der Stützkörper-MeBebene I, 50 cm unter der Filter-schicht, verläuft die entsprechende Kurve der Maxima!-Drücke wesentlich flacher: Im MP 232 (siehe AnI. 1) mit
400 kp/~i beginnend, sinkt sie unt er MP''6 und 12 a~f
.
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r ',j .I!-' .., , 1 " I I ,, 1 or" s-" IJ.; l I , , " \ l .' ,f . 1 " .,,1."• .: .' • ~.. j"~'''' ; " !, I.
J
72 -nur 185 kp/m2 abtIn Her StUtzkörper-Mef3ebene 11, die 100 cm unt e r der fil~erschicht liegt. verläuft der maximale Druck ,
i 4..- ;
:'-0,-ij
~~
~
sehr;
,
f lache Gerade, die von O. K~ Böschung bis: ! .1 " ZU'lJ'" BöschungsfuB nul' urn 40 kp/mZ absinkt • UnterI\if
f
J1Z beträgt der Wert des Maximal-Druckes noch ~ ~'( 't~~Q~kp/mZ•
.\'1' .
'~i, .
! ,,
lp
den StUtzkörper-MeBebenen 111 und IV, also ,in 4en Schichten. die tiefel' als 100 cm unter derF~lterschicht liegen, ist 10 Sekt nach Bugdurchgang noch keine Druckverminderung festzustellen. Der Por en-wasserdruck entspricht in diesel' Tiefe noch der vollen hyd rostat ischen Druckdiff erenz von 40 cm Wassersäu ~e. '
Die Maximaldruckwerte sämtlicher MeBpunkte liegen bei 400kp/mZ•
Die gröBten "Unterdruck"-Werte entstehen in Filter-und Drainschicht am Ende des Hubvor'gang s , et wa 60 Sekt nach Bugdurchgang. Bei MP 1 und 7 erreicht der Unter- '
druck Z60 kp/mZ. bei MP 4 und 10 etwa 155 kp/m2 und sinkt bei MP 6 und lZ auf 75 kp/mZ'ab.
Zu diesel' Zeit ist in der Stützkörper-Mef3ebene I 50 on unter MP 7 ein Unt erd ruck von 100 kp/mZ vor-handen. Zur Böschungsmitte hin steigt der Unterdruck bis auf ZOOkp/mZ an , nimmt dann stetig ab und liegt un~er MP 12 bei 70 kp/m2•
.
,Di~ \Jnterdr..lckkurve der StQtzkörper-MeBebene 11
ver-,läu~t\ mit flacher Neigung vom'oberen Teil der Böschung
/
(4
:
,
\
P1Dh
\lis sum BÖSCh~n$SfUB mit ca. 200 kp/m2•'"
"
,.
/
i,
I
! I'
;
/ , ," , , 1-, I ., 'I ' - 73 - " " , \ \ \In tieferen MeBebenen 111 und IV hat sich im
!
ober n Teil der Böschung, 60 Sek. nach
Bugdurch-gan", noch keine Druckverminderung bemerkbar
ge-~aé~~. Unter MP 10 erreicht der Unterdruck in der III;~eBebene 50 kp/m2, in der IV. 30 kp/m2• Zum BöscjlungsfuB hin steigen dLe beiden Druckkurven, fJ,~~(parallel v er Iauf end , auf 175 kp/m2 (111.,) bZ\jJ 150 kp/m2, (IV.). ,{" i - ~ I ,-,-.' ,; / ~fi
w
i
e
unter 2.2.5 beschrieben, wurde die Böschungs-oberfläche der Versuchsfelder von O.K~ Böschung biszum Verdrängungskörper mit einem Nivellier-Netz ver";' sehen. Der horizontale Abstand der parallel zur Kanal-achse angeordneten Nivellierlinien betrug 1,00 m.' Die ' senkrecht 'hierzu verlaufenden MeBlinien wurden auf den j.eweiligen Längsachsen der Versuchsfelder angecrdnet, Für die Lagebest immungen der üeckwer ke wurde das Wasser
,in der Modellgrube abgelassen, 50 daB Deckwerke und
StUtzkörper trocken fielen.
,
'Die häufig wiederholten Feinnivellements ergaben, daB die vergossenen Schüttsteindecken in den beiden Sei-tenfeldern durch die Langzeitbelastung keine
Lagever-änderung .erfuh ren, Auch die Asphaltbetondecke im
Mittel-,feld zeigte zunächst keine Beeinflussung. Nach 32 000 Schiffsdurchgängen setzm eine leichte A~senkung im oberen Teil der Böschung, bis einschlielHich MP 4, eLn, Das Maximumder Absenkung lag an der Basis der W asser-wechselzone, et'wa"bei MP 2. Im mittleren Teil der
~:;
Bösèhung war, eLne leichte Anhebung der Decke fest zu'" stel,;len., Diese Bewegungstendenz hielt bis Versuchsende ani {~ie absctut e Lageveränderung gegenüber der
Aus-r.,~ ;'" : 'I ! ,I I, ,I I .! " .ti . ~..:-' .
I
I
74-/
gangsmessung nach dem ersten Fluten der Böschungs-grube ergab naeh ca. 45 500 Sehiffsdurchglngen
. i. .~( oberhalb MP 1 + 0 mm , . ' r
-b~t.';, MP 1 1 mm ~~i~ :," MP '2 4 mm MP 3-
3 mm / MP 4 1 mm // zwisçhen MP 4 und MP 5 + 10mm MP 5 + 1 mm unterhalb MP 5 + 0 mm ;~-.
" 'f..
'r ·1 • ',' t 'r-':" ~.. (',,<I '" -'rf.. ~ ~ ~ ~ •• ..a.; •t ~F • >_;~ t, .. "":"'~ t,") 'r ;.. . I',.-
..' , .j ," , ."l' , , " lVermutlich. stehen diese Lageveränderungen in
Zusammen-hang mit den etwa gleichzeitig entstandenen Zerrungs-
.
spalten am Rand des mittleren Teils der
Asphaltbeton-decke (siehe S. 71).
Wie die Druckmessungen zeigten, .s Lnd die
Geschwindig-keiten der Filterströmungen in ~iesfilterschicht und
Asphaltsplittschicht gleich groB. Mit der auf S. 43
beschriebenen Einrichtung wurden die tatsächlichen
Strömungsgeschwindigkeiten, die während einer
Wasser-spiegelabsenkung im oberen Bereich beider Filter-schichten auftrete~, gemessen. ~s sei jedoch darauf
hi~gewiesen, daB die gemessenen,Geschwindigkeiten
Durchschnittsgeschwindigkeiten liberdie gesamte
Lauf-zeit der Geschwindigkeitsmessung sind. Etwa 10 bis
1S"Sekunden nach Beginn der Absenkung treten kurz-fristig sicher wesentl~ch höhere Str8mungsgeschwindig-keIren auf , Auch die Strömungen. die in unmittelbarer
Nähè der Ent !ast~ngsöffnungen a4ftreten, sind _ Wiê /
die;\terllnd'etungender Äquipotentiallinien in der
Zeit-einheit beweisen'_'mit Sicherheit bedeutend hëher,:
,ij Diese Tat-"
.
.. '1 " .- .....-:»:» j..' '. J ."ij .,. ,,;!)¬ u:v•.)s::;..) ....;e..i:'F\iS-tfV1:,"i"',;:;::?RH\ ",eli.;.; 1"Jtîî'! '.f J. ,..t. ' .. ,I ~! I " ,#/ s ~~ I .. ' i ,... ,~ '..r: " .. ' . -,
.
. 'r, ~_L,; •'l.. .. ...,.-, ... ; ,, rl' .,. • ,.I, 01', L ,I 7S-sache verdient hinsicht lich der Filterstabilität
,der entsprechenden Filterschichten 'besondere
-.Bea chtu ng ,
!.
.Versuchsdurchfilhrung:
. I. öffnung A (F • 200 cm2) + offene Sohle (F :I 34 875 cm2)
, Wasserspiegelabsenkung
Ah
ws • 60,cm in 1-3 Se-, .kunden. Der Grundwasserspiegel im Ausgleichs~
•
gefäB (AnI. S) wurde \'lährend der gesamten ...';",.. :,'
Mes'sung konstant auf ! 0,00 gehalten. '1 I
,
. I'
r
-:
...•,j •
Länge der Filterstrecke s • Abstand Einfüll- ,
öffnung - öffnung A • 320 cm
"Laufzeit" der Leitfähigkeitsmessung t
..
• 68Se-. .kunden •
'. "Laufzeit" des Färbungsversuches tF • 70 Sekunden
I .
Wassertemperatur in der Versuchsgrube T .. 13,6 oe,
,,' 'durchschnittliche Geschwindigkeit der Filter- I
strömung • u· s/t • 4,63,'cm/s.
(Hierbei ist u ein dreidim~nsionaler Geschwindig~· keitstensor der von Ort, Zeit und Strömungsdruck abhängig ist.)
. ·
IJ•
.
öffnung A (F • 200 cm2) + offene Sohle (F • 34 875cm: : , .. Wasserspiegelabsenkung Ahws • 40,cm in 10 sekunden,
,
"
Der Grundwasserspiegel im AusgleichsgefäB wurde '
während der gesamten Mes.sung ,konstant auf -,
+ 1S cm gehalten. s : . j ,
.
II ,,~, ,.
.'\\
.'.,1..",W4.>.'+!'.'.,I ... H'.•• -'.\. '." ,., .'t ; -. ,\3~(J , .~. t ~ , "':' jo" ç.,' 1, 1 '~, A.t .. .\ ' 1.. " 'I. , :
..
_" ï • ».» "" i, ' 1 ' , . : • Î .... I ." I"'. ,.'
,'.
.~.
_,;,~~, , "'" ), , ,. .' - 76 -"I,Länge ~er Filterstrecke s • 320,cm [
tLaufzeit" der Leitfähigkeitsmessung tL • 96 Se-i
~kunden.
~~assertemperatur T • 13,4
°c
3,33 cm/s
.;.:
II~t qffnung A (F • 200 cm~) + offene Sohle
, )
C
F •
34 875 cm2) .,) wasserspiege~anstieg
Ah
ws • 40 cm in 10 sekundep.',I
/ I
Der Gru~dwasserspiegel war zu Beginn des Versuches
" ,
án den abgesenkten Kanalwasserspiegel angeglichen. ,
Die mittlere Geschwindigkeit der Filterströmung
im Wasserwechselbereich war während des' gesamt'en!
.Jfilbv.organges 4.0' cmls , :
!
Wie die Versuche I bis 111 zeigen:, ist bei der b
e-schriebenen Versuchs'einrichtung (und wohl auch bei
I
I
entsprechenden Bëschung sd eckwerken) die St
römungsge-schwindigkeit in den grobkörnigen Filterschichten
über-wiegend abhängig von-dem Absenkungsbetrag und der
Ab-sen~ungsgeschwindigkeit und nicht, 50 sehr vom
hydrau-.. I
lis~hen Gefälle des Grundwassers. Da der k-Wert des
StUt.zkörper-Materials, wesentlich kleiner ist als der
des Filtermaterials, vermag das Grundwasser auBerhalb
der Filterschicht'en der pIöt z Hchen Absenkung nicht zu
folgen. Innerhalb der Filterschichten wirkt also nur '
der hydrostatische Druckunterschied der, AbsunkmuIde,, "
. ' \
"
,". '
,',
l" ' < .. " • '. ' ", " I, ,' , ' ,, I,' ' .,~ '7.., ~ " , { ;, l".'" r. : " I ,
)
/
/'.
,, 77 -,ISein spezifischer l'Iert,bezcgen auf die,Einheits-',
länge der Strömungslinie, ist das DruC'kgefä,lle
, 1
ip •
Die dimensionslose Verhältniszahl
i
.~
Kw
•h
T
die das hydraulische Gefälle beschreibt, gilt hier
nur dann, wenn h • Ahsenkungsbetrag des offenen Kanal- '
wassers und 1 die Borizontalprojektion der
durch-, ;
flossenen Filterstrecke darstellt. I
, t
Aus u • k h
T • k " i ergibt sich
fUr Ver such I: I' lil 0" 2
,
k • 23 cm/s, ) I
Die Art der Filterströmung läBt sich durch die
Reynold~Zahl Re lil ~d beschreiben. Mit dSo des
Kiesfilters von 0,47 cm (siehe Abb. 8) wird Re lil 2.
! •
Da j~doch 5 - 10 Sekunden nach Seginn von Absenkung
und Wiederanstieg des Wasserspiegels kurzfristig
Geschwindigkeiten Qber 20 cm/s ~ultreten, wird I,'
,Re
>
10 und die Fil'terströmung eindeutig turbulent. ," ,
"
.Dde hydraulische und mechanische Stabil ität einer '
,funktionstUchtigen Fiiters~hicht mUssen also 50
be-sein,'daB sie auf Dauer einer turbuIenten '
'standhalten. I; sc~affen , \ St.ömung
,.
.~l
.
~
\
\
"
('I,.
, ;., :4ja j: ,;,'!I}i $ ~.'t'~ ..."j,.cl>'n" ." q.'!#'"-t~·#_".JI1mFiq!\I'...w·},ri" ..tv...4, l..:;• '?,o.,\;' "...~ '\ ". '... ; , ~~'.' 78 -"~..' _ "
Di~ Druckmessungen in Deckwerk und Stützkörper zeigen, da~ der Au.g~eich der duroh die Ab.unkmu~de hervorge~
'::",:
r~~~nen wechselseitigen Druckbelastungen ganz wesentr
liè4 durch die Drain- und Filterschicht stattf'indet.··
Im Stützkörper,. in dem die FlieBgeschwindigkeit weniger
,
I
als 1 mm/s beträgt, kann sich der Grundwasserstand .~
~ '5
de~:Dlötzlich veränderten Wasserspiegel nur relativ;
lan~s~m angleichen. Das Grundwasser, das während de~.
Druçk~usgleichs in der Filterschicht f'lieBt,wird alè!Jo
~ '" ~.
im we~entlichen nur das Porenwasser der'Filterschicht
..-: !
sell?st sein, oder an~ers ausgedrUckt, die Wassermeng~,
'f"
die'ein Deckwerk. dur'chströrnenrnuB, urn den
Druckaus-gleich herzustellen, ist - infolg. von Kapillar- und
Kohäsionskräften-geringer als de~ "zugängliche"
Poren-·raum der Filterschicht innerhalb,der
Wasserwechsel-zone. Je gröBer das Porenvolumen,.um so gröBer wird die
Wasserrnenge, die das Deckwerk we,?hselseitig
durchströ-men muB. Mit zunehmender PorengröBe steigt zwar die, '
Durchlässigkeit der Filterschicht - zurneist jedoch
auf Kosten der mechanischen Filterstabilität •
.,.: .5. Diskussion der MeBergebnisse
", , \
r.
I. : .F r : '. lAP. e., J,t,1I t',Wie unter 1.1 erläutert, urnfaBt das Kräftespiel zwischen
Schiff und Böschung eine Vielzah~ von Einzelvorgängen
mit unterschiedliche·r Wirkung au~ das De ckwer-k, Mi t
der'beschriebenen Anlage wurde versucht, die
entschei-, I
denden BelastungsgröBen modellmäBig zu erf'assen. Hierzu
muBten Modellvereinf'achungen vorgenommen werden.
._,
Die'MeBdaten wurden mi t eine·mhohen 'rneBtechnischen AUf'w~rtdgewonnen und so genau wie möglich ausgewertet. Die einzelnen Versuchsergebniese sind zwar nur für di. jeweiligen'Randbedingungen streng zutre':f:fend,da~
-, \
~\
tf••Cl",i44iiZf."""'..iJ!...,...JOPi. .j!'!...~t":>;...,'r'POf""l" •~.,··,i'J?l'p'L
79
-~ich jedoch bei der groBen Anzahl von Einzelmessungen, die bei verschiedenen Versuchsbedingungen durchge~ü~t •
wurden, eine eindeutige und gemeinsame Tendenz zeigte,
\:;
4ür~ten die Versuchsergebnisse - zumindest in ihrer
"J.
áiIalitativen Aussage - allgemein übertragbar sein.'
\1,('
ijie wechseleeitige Druckbelastung des Deckwerks
er-f
reicht zu Beginn des Druckausgleichs au~ Grund der
~Trägheit des Wasserab~lusses" den höchsten Wert, dann
,ntspricht das hydraulische Ge~älle ~ast der
Wasser-",
spiegeldi~~erenz zwi~chen Grundwasserstand und
Absunk-tie~punkt. Wie aber die Anlagen 8 bis 26 gemeinsam
er-kennen lassen, erreichen die Druckschwankungen nur im
Bereich der Wasserwechselzone kritische GröBen (siehe
auch
[23]~.
Schon50
cm unter der Basis derWasser-wechselzone beträgt selbst bei einer 60 cm tie~en
Absunkmulde der Maximaldruck nur noch 240 kp/m2
(Anlage 9, MP 4 und 10)
\ ,
,'
Im oberen Stützkörperbereich nimmt der
Porenwasser-druck während der relativ kurz:fristigen Durch~ahr't
eines Schi~~es nur gering~ügig ab (Anlagen 8 bis 11 un
24 - MeBebene I) ... ,.,
, ,
In tie~eren Bereichen des Stützkörpers (MeBebene III,
und IV) werden die Druckschwankungen sehr langsam
ausgeglichen (siehe 4.4).Während der 90 Sekunden,
.4ie ein Schi~~ ma~imal, ~ür die Durch~ahrt benötigt
~'Schubverband), ~indet hier keine wesentliche
Druck-veränderung statt. Der Porenwasserdruck verteilt sich
t
.
"h.\,,:.' .:,;
Schiohten des Stützkörpers, a1so
kurz-unter einer geschlossenen Decke (An1. 24
sich aber dieeer Porenwasserdruck -
~n~ol-I
gt der Filtersohicht - nicht au~ die eigentliohe''Decke
I if-tie~eren ~J;'istigwie ufd 25). Da ,'•• ~ l~' " , 'ii - , I I ·5! '·ft " " . =.
:._ . 1 ,
.
.
,.. ( "j
80-auswirken kann, ist er hinsichtlich der Beständigkeit
eines Böschungsdeckwerkes ohne Belang.
Die Untersuchungen über die Optimierung der Lage
der Entlastungsö~~nung (siehe Anlagen 15 bis 17)
Feigten den günstigen EinfluD der Druckverteilung bei
möglichst hochgelegener Entlastungsö~fnung. Da im
Wasserwechselbereich die höchsten Druckbelastungen au~.
treten, ist hier eine Entlastung am wirkungsvollsten.
~ie Untersuchungen der optimalen GröBe einer
Ent-lastungsö~fnung machten deutlich, daB - bei
ausrei-chender Filterwirkung - eine Böschungsfläche im Wasser.
wechselbereich von 3,3 m2 schon durch eine
Öf~nungs-2
fläche von nur 200 cm genügend entlastet werden kann,
wenn die Ö~~nung etwa an der Basis der
Wasserwechsel-zone liegt (Versuchsreihe 10, AnI. 17). Hat also
ein sonst dichtes Deckwerk etwa an der Basis der Wassel
wechselzone eine Ö~~nung von der GröBe von 1 % der
Wasserwechsel~läche, so wird bei entsprechender Filter·
wirksamkeit dieses Deckwerk gegen Druckbelastung
hin-reichend geschützt sein.
.Die Geschwindigkeitsmessungen der Strömung in der
Filterschicht beweisen, daB die hydraulischen
Vor-.gänge innerhalb dieser ~chicht bei ausreichendem
z~gänglichen Porenraum nicht mehr durch das DARCY'sche
Gisetz beschrieben wird (siehe
[18 - 21]
.
).
Schwin- .gppgsvorgänge, die mit WasserschloBschwingungen
ver-. 't$i' '}
g1pichbar flind (siehe S. 64), unterstreichen die Ähn-'
l~chkeit zur Rohrhydrauli~ [22] ~ Wie dort, treten
i~nerhalb der Filterschicht relativ groBe
Trägheits-und Reibungskräfte auf. In den Versuchsreihen 8 - 10
und 11 - 13 wurde gezeigt, daB die kritisohe
Druok-spitze. die aus der Trägheit des Wasserabflusses
I . "[. ~ ., , l • , , ;. I .,' ". '.' - 81
-~~s Druekausgleiehs dureh~lossene Filterstreeke
mijgliehst kurz gehalten wird.
DUTCh das MaB der Lageveränderung, das als augenschein.
;J.,:I;~pstesKriterium ~ür die Langzeitbeständigkeit eines
.. ,'. OT
Bq,chungsdeckwerkes gilt, konnte ..trotz Besehränkqng
?'J;~ -:
der Modellgegebenheit
..
au~ einen quasi 2-dimensional.nVersuchsablau~ - unter 4.2 gezeigt werden, daB der
untersuchte Deckwerkstyp, - also eine glatte
Asphalt-betondecke, die den in der Natur au~tretenden zusätz- ./
{f
liehen BelastungsgröBen keine Angri~~s~lächen bietet .:.
. f
der Belastung'von insgesamt 45 500 simulierten Schi~~s·
durchgängen, die einer ca. 5-jährigen Verkehrsdauer
entsprechen, standhält, und zwar trotz einer nicht
optimalen Entlastung. (Zur Zeit der maximalen
Druek-belastung au~ die Belagsunterseite betrug die Gewichts·
komponente der Decke N = G ~ cos0( im Wasserweehsel ..
bereich und im ungUnstigsten Fall nur 350 kp/m2.1 ')
[ 23, 24
J .
':
6. Beurteilung der Langzeitbeständigkeit, mögliche
Ver-besserungen im Deekwerksbau
Die Vorgänge in einer Filterschieht während des wechse:
seitigen Druckausgleichs ~ühren zu der Forderung naeh
einer Schicht, die einerseits bei geringem Porenvolumel
( =
kleine Wassermenge,) aber ausreiehender PorengröBe(= geringe Lrmer-e. Reibung) einen rasehen DruckausgleicJ
er,möglieht, an~erersei ts aber .eä,nFil tergerüst besi tzt
we~ches·in der Lage ist, den V~tergrund vor Erosion zu
sohUtzen,'ohne sieh 1ang~ristig hierbei zuzusetzen~
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Karlsruhe, den 19. April 197,2
Bundesanstalt fUr Wasserbau
I;,4 lm Auftrag ~
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~fe,Schwierigkeit bei der Planung von
Böschungsdeck-,;.;1
en besteht im Grunde im Auspendeln dieser
geg~n-~jt lichen Anforderungen, d.h. in einem den örtl~chen.
~~d ologischen Verhältnissen und dem Aufbau des ~
~utz-'UI~ ~
kö pers entsprechenden Auswägen von mechanischer pnd
\',
hldraulischer Filterstabilität.
Auch die GröBe der Entlastungsöffnung mua den lokalen$' .
hydrologischen Gegebenheiten und dem zugänglichen
Porenvolumen von Filter- und Drainschicht in der
Was-serwechselzone - d.h. der in der Filterschicht flieBen
den Wassermenge - angepaBt sein. Da bei richtig bemess
nem Filter während des Druckausgleichs Dur relativ
-:
wenig Wasser flieBt, genUgt eine verhältnismäBig klein
Öffnung.
Da die Druckspitze während de~ Absenkung aus der
Träg-hei t des Wasserabflusses entsteht, läBt sie sLch durch
Entlastu~gsöffnungen - wo auch immer sie liegen - aber
nicht befriedigend abbauen. Da die Filterstrecke, die
'durchströmt werden muB, fUr den Druckausgleich
ent-scheidend ist, werden sieh die Druckschwankungen um
so schneller ausgleichen lassen, je kUrzer die
Filter-strecke ist.
Dieses Ergebnis fUhrt zu dem S,chlua, daB die gUnstig-,
ste MaBnahme zur Druckentlastung nicht einzelne
Ent-lastungsöffnungen'sein können, sondern nur durch ein,
offenes Deckwerk im Bereich der Wasserwechselzone
erreicht wird. 'Bearbeiter (Sehr5der) RegierUngsbaudirektor (List) Diplom ...Geologe 1 ,.! i I !,
t
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84
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ANLAGE '8
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