Teil Partie

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Mitteilungen des Eidgenössischen Institutes für Schnee-t.nd Lawinenforschung

Mai 1987

Internationales Symposium über die Bildung, Bewegung und Wirkungen von Lawinen

Symposium international sur la formation, le movement et les effets des avalanches

Davos, September 1986

Praxisbezogener Teil Partie pratique

f,. 87 500 AJB797

Nr. 43

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Herausgeber:

(IAHS Publikation Nr. 162 und Mitteilung EISLF Nr. 43)

Vorsitz B. Salm (Schweiz) H. Gubler (Schweiz)

Mitglieder A. Boshinskiy (USSR) G. Brugnot (France)

s. Colbeck (USA)

s. Ferguson (USA)

E. Hanausek (Oesterreich) C. Jaccard (Schweiz) D. McClung (Canada) T. Nakamura (Japan) H. Norem (Norwegen)

Inhaltsverzeichnis Table des matieres

Vorwort

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C. Jaccard Beobachtungen an Katastrophenlawinen der Jahre 1981, 1984 und 1986 sowie Ergebnisse von Nachrechnungen der Lawinenwirkungen

5

G. Hagen und H. Hufnagl 7

Fundation im Lawinenverbau

M. Heimgartner 19

Die Praxis der Sprengfundierung in der Lawinenverbauung

F. Dragosi ts 29

Pare neige ou pare sable auto orientable

J.-M. Taillandier 37

Waldlawinen: Eigenarten, Vorkommen, Beziehungsgefüge; erste Erkenntnisse

M. Meyer-Grass 43

Die Lawinenschutzwirkung des Waldes

H. Imbeck 57

Temporäre Schutzmassnahmen und Aufforstungsprobleme in Lawinen- und Gleitschnee-Gebieten

F. Leuenberger und W. Frey 69

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Vorwort

Seit vielen Jahren ist man der Rolle bewusst, die der Schnee und die Lawinen für die Wirtschaft der Berggebiete spielen: Entwicklung des Wintertourismus, Sicherheit der Siedlungen und der Verkehrswege sowie der Anlagen zur Energieproduktion und -transport. Die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiete von Schnee und Lawinen hat seit den Fünfzigerjahren einen ausgeprägten Aufschwung erfahren, und es wurden mehrere Kongresse organisiert, um die internationale Zusammenarbeit zu fördern. Drei Kongresse fanden in der Schweiz während der letzten zwanzig Jahre statt: 1965 über die wissenschaftlichen Aspekte der Lawinen, 1974 über Schneemechanik und 1978 über Bergwälder und Lawinen.

Da 1986 fünfzig Jahre seit dem Beginn der Schnee- und Lawinenforschung auf Weissfluhjoch verstrichen waren, wurde beschlossen, diesen Anlass in Davos durch einen internationalen, der Lawinenbildung, -bewegung und -Wir- kungen gewidmeten Kongress zu feiern. Er sollte sich nicht nur auf die wissenschaftlichen Aspekte begrenzen, sondern ebenfalls den Kontakt zwischen Forschern und Praktikern fördern. Die Organisation wurde von den Mitarbeitern des Eidgenössischen Instituts für Schnee- und Lawinenforschung (EISLF) übernommen. Neben einem schweizerischen Patronatskomitee wurde ein internationa- les wissenschaftliches Komitee mit elf Mitgliedern gebildet. Das wissenschaftliche Patronat übernahmen die Internationale Glaziologische Gesellschaft und die Inter- nationale Kommission für Schnee und Eis (Association int.des sciences hydrologiques, AISH). Der Anlass hat dank der finanziellen Unterstützung des Eidg. Departe- ments des Innern und zahlreicher öffentlicher und pri- vater Institutionen durchgeführt werden können.

Mehr als 150 Teilnehmer aus 12 Ländern haben sich in Davos getroffen und 72 Arbeiten wurden in Plenar- oder Postersessionen vorgestellt. Diese Beiträge wurden durch das wissenschaftliche Komitee vor ihrer Annahme zur Veröffentlichung in den Abhandlungen begutachtet. Deren wissenschaftlicher Teil erscheint auf Englisch und Französisch als Sonderausgabe in der Reihe der AISH (Publikation No.162), und die eher der Praxis gewidmeten Arbeiten erscheinen in dieser Mitteilung des EISLF. Nach dem Kongress haben zwei technische und kulturelle Exkursionen etwa zwanzig Teilnehmer in die Region von Davos und in die Kantone Graubünden und Tessin geführt.

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Diese Mitteilung enthält die neueren Arbeiten über die Wirkungen von katastrophalen Lawinen, über verschiedene neue Verfahren für die Fundierung der Stützwerke und die Wechselwirkung zwischen Lawinen und Wäldern, sowie über Schutzmassnahmen und Aufforstungsprobleme.

Abschliessend möchte ich allen danken, die zum Erfolg dieses Kongresses beigetragen haben, sei es durch ihre Anwesenheit, die vorgestellten Arbeiten, ihre finanzielle Unterstützung, sowie durch ihre Tätigkeit im Rahmen des wissenschaftlichen und Organisationskomitees.

C. Jaccard EISLF

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Beobachtungen an Katastrophenlawinen der Jahre 1981, 1984 und 1986 sowie Ergebnisse von Nach- rechnungen der Lawinenwirkungen.

GOTTFRIED HAGEN

Forsttechnischer Dienst für Wildbach- und Lawinenverbauung, Gebietsbauleitung Oberes Inntal, Langgasse 64, A-646O Imst/Tirol/

Österreich HANSJÖRG HUFNAGL

Diplomand an der Universität für Bodenkultur, Institut für Wildbach- und Lawinenverbauung, Peter-Jordan-Straße 82, A-119O Wien/Österreich ABSTRACT In the years 1981, 1984 und 1986 catastrophic powder avalanches happened in the Tyrol. Seme of these events were observed, so that exact dates about the thickness of the crown surface, about the avalanche path and about the runout zone could be gathered.

The destruction of some objects in the runout zones enabled us to calculate the impact forces and allows to get some conclusions in the view of the theory of Voellmy.

Observations des avalanches catastrophales dans les annees 1981, 1984 et 1986 et les resultats des calculations des effets des avalanches.

RESUME Dans les annees 1981, 1984 et 1986 lors des avalanches catastrophales en Tyrol on a pu faire des recherches plus exactes en ce qui coocerne l'epaisseur de la neige an point de rupture, le passage de l'avalanche et les zones d'effet de la partie de poudre et la partie coulante de l'avalanche.

La destruction de certains objets dans ces zones a permis de calculer la violence des avalanches de poudre et d'en prendre des con- clusions pour l'evaluation des zones exposees an danger d'avalanche d'apres la theorie de Voellmy.

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EINLEITUNG

Im Sinne von Laatsch (1980) sowie Buser & Frutiger (1980), welche die Datensammlung und den Vergleich mit den verschiedenen Lawinenmodellvorstellungen gefordert haben, haben wir uns bemüht, vor allem auf Grund der zahlreichen katastrophalen Lawinenabgänge des Jahres 1984 solche Daten zu sammeln und Vergleiche mit den vorhandenen Modellvorstellungen anzustreben. Bereits im Jahre 1981 hat Hagen auf Grund des Trockenschneelawinenabganges vom 6. 1. 1981 in der Gidis- und Portrinner-Lawine/Galtür/Bezirk Landeck Aufnahmen durchgeführt. Diese bezogen sich vor allem auf den Versuch der fotographischen Bestimmung der mittleren Anrißmächtigkeit aus der einfachen Beziehung m = E/f.v (E =

Schrägentfernung in m, v = Vergrößerung Dia-Foto, f = Brenn- weite in m, m = Bildmaßstab).

Am 9. 2. 1984 ereigneten sich in den Bezirken Imst und Landeck nach großen Schneefällen bei niederen Temperaturen 164 Trocken- schneelawinenabgänge mit zum Teil katastrophalem Ausmaß. Unmittel- bar nach dem Ereignis wurden von der Gebietsbauleitung Oberes Inn- tal, unterstützt durch die Sektion Tirol, genaue Geländeaufnahmen durchgeführt und Fotographien der Anrißgebiete erstellt. Um eine genauere Auswertung dieser Aufnahmen zu ermöglichen, wurde die Universität für Bodenkultur von der Sektion Tirol ersucht, bei der Auswertung und Nachrechnung der erhobenen Daten mitzuwirken.

Dies geschah im Rahmen einer Diplomarbeit am Institut für Wild- bach- und Lawinenverbauung unter Mitwirkung von HR Prof. Dr.

Aulitzky und Dr. Birami. Für diese Arbeit wurden vier Lawinen ausgewählt, bei denen die aussagekräftigsten Daten vorhanden waren. Es waren dies die Moosbach-Lawine, Gemeinde Kappl, Bezirk Landeck, die Madlein-Lawine, Gemeinde Ischgl, Bezirk Landeck, die Knotental-Lawine, Gemeinde Ischgl, Bezirk Landeck, sowie die Schilti-Lawine, Gemeinde Fiss, Bezirk Landeck. In diesen Lawinen- strichen wurden die Aufnahmen der Gebietsbauleitung noch durch sehr detaillierte Geländeerhebungen, insbesondere in der Sturz- bahn unter anderem durch Interpretationsprofile ergänzt.

Weiters konnte am 26. 4. 1984 um 14.00 Uhr in der Schildbach- Lawine, Gemeinde Jerzens, Bezirk Imst, eine vom Amt der Tiroler Landesregierung, Abteilung Lawinenwarndienst (Ing. Siegfried Felber) künstlich ausgelöste Naßschneelawine mit Dia- und Gelände- aufnahmen dokumentiert werden. Ein Super-Acht-Film wurde von Ferdinand Wohlfarter (Schuldirektor i.R., Jerzens) gedreht.

Gleichzeitig wurden von Tschom (1984) die aufgetretenen Drücke an beschädigten Gebäuden in der Moosbach-, Madlein- und Schilti- Lawine untersucht. Birami (1984) und Böck (1986) haben im Rahmen der Diplomarbeit von Hufnagl (1986) die aufgetretenen Kräfte an einer zerstörten Brücke in der Moosbach-Lawine und Hufnagl (1986) an einem abgerissenen Spannseil eines Liftes in der Madlein-Lawine nachgerechnet.

Gleichzeitig wurde mit Unterstützung des Bundesministeriums für Land- und Forstwirtschaft durch Otepka (1984) anhand der mittels terrestrischer Photogrammetrie aufgenommenen Bilder in der Knoten- tal-Lawine, Gemeinde Ischgl, Bezirk Landeck, die Möglichkeit der fotographischen Bestimmung der Anrißmächtigkeit näher untersucht.

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Mit Hilfe mathematischer Bündelblockausgleichung durch das Pro- gramm Orient konnte ein "Mittlerer Fehler" von 13 cm für die An- rißmächtigkeit d

0 in der Knotental-Lawine gefunden werden.

Im weiteren Verlauf haben Hagen und Otepka zusammen mit Agerer (1984) und Hufnagl ein Näherungsverfahren entwickelt, welches die Bestimmung der Anrißmächtigkeit auf fotographischem Wege auch aus normalen Amateurfotos erlaubt. Diese photogrammetrischen Arbeiten werden zur Zeit von Hagen und Otepka in einem eigenen Bericht zusammengefaßt.

Hufnagl hat in seiner umfangreichen Diplomarbeit die aus den Schäden sowie aus Interpretationsprofilen, Lawinenauslauflängen und Stoppuhrmessungen ermittelten Geschwindigkeiten den sich aus den Modellrechnungen nach Voellmy (1955), Buser & Frutiger (1980) der Staublawinenformel nach Voellmy (1955) und nach Laatsch (1977) ergebenden Geschwindigkeiten gegenübergestellt.

Am besten entsprechen in Bezug auf die Geschwindigkeiten in der Sturzbahn die sich nach Laatsch (1977) ergebenden Werte. Dies zeigte sich am deutlichsten bei der Knotental-Lawine. Bei Lawinen mit Gegensteigungen (Moosbach-Lawine und Madlein-Lawine) stößt dieses Verfahren auf Schwierigkeiten und kann nur durch eine Umrechnung bedingt vergleichbar gemacht werden.

Bei allen vier Lawinen scheidet das Voellmy Modell mit

f

f

Bei den Trockenschneelawinen hat es sich eindeutig gezeigt, daß sowohl die beschleunigten Kräfte als auch die Bremskräfte bisher unterschätzt wurden. Es treten also wesentlich höhere Geschwndigkeiten auf, die aber auch durch höhere Bremskräfte im Auslauf schnell wieder abnehmen, sodaß sich die nach der Chro- nik und der Voellmy-Formel

f

(Fließanteil) von Trockenschneelawinen auf der Grundlage des Voellmy-Modelles zu finden, welche allen Ergebnissen am besten entspricht. Dies geschah vor allem auch unter Verwendung der Erkenntnisse von Schaerer (1975), die zeigen, daßµ geschwindig- keitsabhängig ist.

Wegen der gebotenen Kürze kann im folgenden nicht auf alle Aus- wertungen im Detail eingegangen werden, sondern es wird anhand des Beispieles der Moosbach-Lawine, Gemeinde Kappl, Bezirk Landeck, ein Vergleich zwischen den einzelnen Modellen und der nunmehr vorgeschlagenen modifizierten Modellrechnung auf der Grundlage von Voellmy (1955) erläutert.

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BEOBACHTUNGEN UND GERECHNETE DRUCKWIRKUNGEN SOWIE VERSUCH EINER MODIFIZIERUNG DES MODELLES VON VOELLMY DARGESTELLT ANHAND DES BEISPIELES DER MOOSBACH-LAWINE

Moosbach-Lawine, Gemeinde Kappl, Bezirk Landeck, Tirol

Die Moosbach-Lawine liegt im äußersten Bereich des Paznauntales und kann als eine ausgesprochen kanalisierte Lawine bezeichnet werden. Hier ereignete sich am 9. 2. 1984 um ca. 19.30 Uhr ein katastrophaler Lawinenabgang. Diesem Lawinenabgang sind groß- flächig Niederschläge in ganz Tirol, welche vier Tage an- dauerten, vorausgegangen. In der Station Galtür, SH 1583 m, betrug die Summe der Neuschneehöhen an diesen vier Tagen 116 cm. Die Temperaturen lagen zwischen - 0,4° und - 0,8°, Den intensiven Schneefällen vorausgegangen war eine etwa 14 Tage anhaltende Schönwetterperiode, sodaß sich insbesondere an Südhängen eine starke Festigung der Schneedecke einstellte.

Das Anbruchgebiet liegt zwischen 1700 und 2400 m Seehöhe.

Der größte Teil des Anbruchgebietes hat eine Exposition von S bis SW. Die mittlere Neigung beträgt 28° und steigt nur im obersten Teil bis auf 39°. Es stellt einen großen unbewaldeten Kessel dar, welcher mit Zwergstrauchheiden bedeckt ist. Beim Lawinenabgang 1984 betrug die obere zusammenhängende Breite des Anbruchgebietes 680 m und die untere Breite des Anbruches 400 m. Es trat also schon im Anbruchgebiet eine Konzentration auf.

Mit Hilfe des eingangs erwähnten 'Näherungsverfahren wurde die mittlere Anrißmächtigkeit d₀ als gewichtetes Mittel von 33 foto- graphischen Messungen mit 0,8 m ermittelt. Naheres zu diesem Ver- fahren in der Arbeit Hagen, Utepka (1987).

Die Sturzbahn beginnt in einer Seehöne von 1700 m durch eine starke Verengung des Anbruchgebietes, welches in einem tiefen Graben endet. In diesem Graben konnten bei der SH 1420 m und SH 1370 m zwei Interpretationsprofile aufgenommen werden. In diesen Profilen wurden auf Grund von Schürfwunden, transpor- tierten Baumstämmen, demolierten Bäumen etc. die Ränder der Lawi- nenwirkung aufgenommen und die Kurvenüberhöhungen des Lawinen- stromes bestimmt. Beide Profile befinden sich nämlich in charakte- ristischen Kurven. Haiden entwickelte 1925 die Formel:

v' = !!...&.:.!.

s

Darin bedeuten: h den Höhenunterschied zwischen den beiden Pro- filsrändern, g die Erdbeschleunigung, r den mittleren Kurvenradius und s den horizontalen Abstand der Profilsränder.

Aus dieser Formel ergab sich beim oberen Profil eine Geschwin- digkeit von 39 m/s und beim unteren eine Geschwindigkeit von 43 m/s. Im weiteren Verlauf des Grabens befand sich unterhalb eines Steilstückes in 1230 m Seehöhe eine Stahlbetonfertigteil- brücke. Diese Güterwegbrücke wurde von der Lawine glatt abge- schlagen. Die Mindestkraft, welche erforderlich war, um die Brücke zu zerstören, wurde mit 163 kN/m' ermittelt. Nimmt man nach Schaerer ein spez. Gewicht für den fließenden Lawinenschnee von 750 N/m' an, ergibt sich eine Mindestgeschwindigkeit von

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48 m/s. Bei einer Annahme von

f

Im beiliegenden Übersichtslängenschnitt (Abb. 1) sind die Vergleiche der einzelnen Verfahren sowie die aus den Schäden ermittelten Werte zusammengefaßt dargestellt.

Versuch einer Modifizierung des Modells von Voellmy auf Grund der erzielten Ergebnisse

Das Modell von Voellmy erßibt in der bisher verwendeten Form nach De Quervain (1977) f = 500 m/s' undµ= 0,15 bis 0,25 am Ende des Anbruchgebietes schon zu geringe Geschwindigkeiten.

Dies ist durch die relativ genaue Ermittlung der mittleren An- rißmächtigkeit besonders kraß zum Ausdruck gekommen. Bisher wurden diese Anrißmächtigkeiten eher überschätzt und damit der Fehler des Voellmy-Modelles zum Teil ausgeglichen.

In der vorliegenden Arbeit wird vorgeschlagen, nicht die mittlere Neigung des Anbruchgebietes zu verwenden, sondern die größte Nei- gung und die Konzentration im Bereich des Anbruchgebietes durch das Verhältnis der obersten Breite zur untersten Breite des An- bruchgebietes zu berücksichtigen. Begründet ist die Verwendung der größten Neigung dadurch, daß schon nach ganz kurzer Anlauf- strecke (kürzer als 100 m) die maximale Lawinengeschwindigkeit erreicht wird und die meisten Anbruchgebiete nach oben hin steiler werden. Es darf angenommen werden, daß diese steileren Anbruchgebiete zuerst brechen und dann die flacheren mitaus- lösen. Dies führt zwangsläufig in den flacheren Gebieten zur Erhöhung der Fließhöhe, was aber wieder die Geschwindigkeit er- höht, sodaß auf den flacheren Gebieten sicherlich keine Re- duktion der Geschwindigkeit eintritt.

Weiters wird vorgeschlagen, gleich vom Anbeginn anµ nach Schaerer (1975) zu berechnen und dies auch bis zur Auslauf- strecke fortzusetzen. Dies bedeutet, daßµ= 5/v iterativ zu besti11111en ist. Für die Auslaufstrecke bedeutet dies unter der Annahme der linearen Veränderung der Geschwindigkeit vom Anbe- ginn der Auslaufstrecke weg, daß die Besti11111ung vonµ mit der

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Hälfte der Geschwindigkeit am Beginn der Auslaufstrecke zu er- folgen hat, da ja v am Ende der Auslaufstrecke O ist. Dies er- gibtµ= (5 x 2)/v.

Weiters erscheint es uns wesentlich, eventuelle Erweiterungen (Schwemmkegel zu Beginn der Auslaufstrecke), auch wenn sie rela- tiv kurz sind, zu berücksichtigen. Nach Salm (1984) ist die Über- gangsstrecke für das Erreichen einer geringeren Geschwindigkeit xÜ = 0, 7 x d x

1

"Nachfolgend soll dieser Vorschlag anhand der Werte bei der Moos- bach-Lawine demonstriert werden, wobei in Anlehnung von Buser &

Frutiger (1980)

f

Moosbach-Lawine, Gemeinde Kappl, Bezirk Landeck.

Anbruch: y

O = 80 % ~ 38,7° (größte Neigung), B

01 = 680 m, B 0 2 = 400 m,

f

0/B

02 ⁼ 1,36 m, µ = 5/v

0

cos y 0) m'/s'

5/29,5 = 0,17

V 0

V 0 Unterster

"/'p = 31

Runse Fläche

f .

y

1300. 1,36. 0,49 870

29,5 m/s Qo = Bo2" do • vo 16.048 m'/s Sturzbahnabschnitt: QP l bei hm 2,1 (200 m

der zerstörten Brücke)

% ~ 17°

Q = v.F d p R F

r

r

m m m m s m/s m s

12,0 6,8 408 1502 38,7 15.816

5,3 530 895 29,9 15.861

unterhalb

Die Runse ist zuerst ca. 60 m breit (bei der Volksschule) und erweitert sich dann ca. 50 m vor dem Talboden auf im Mittel 100 m (Schwemmkegel). Die Übergangsstrecke beträgt nach Salm (1984): xü = 0,7 .

..f .

Da die vorhandene Ubergangsstrecke nur 50 m lang ist, das sind rd. 10 % von 482 m, beträgt bei konstanter Geschwindig- keitsabnahme diese auch nur 10 %. Die reduzierte G~schwindig- keit vpR ergibt sich dann mit 37,8 m/s v;R = 1429 m/s?

Auslaufstrecke: "f'u - 18,4° (Gegensteigung)

s=vpR'/ (2g(µ cosyu-sin"f'u)+vpR'/f2dJ!:.127m s gemessen 121 m ^A 127 m.

Eine Übersicht über die weiteren untersuchten Lawinen wird in der Tabelle l im Anschluß dieser Arbeit gegeben.

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SCHLUSSFOLGERUNGEN

(a) Die Anrißmächtigkeiten der untersuchten Lawinen waren eher geringer als bisher angenonmen.

(b) Staublawinen sind am ehesten mit einem Druckluftstrahl ("jet stream") zu vergleichen. Wenn Anbruchgebiet und Sturz- bahn eher flächenhaft sind, treten nur im bodennahen Bereich, insbesondere bei Umlenkungen größere Dichten auf, und es sind nur geringe Ablagerungshöhen von Schnee (bis etwa 1 m) fest- zustellen. Bei den Beobachtungen und in Chroniken wird wohl in den meisten Fällen der Altschnee zu den abgelagerten Schneemassen hinzugezählt, was als Folge des oft eintretenden Schockzustandes nach solchen Ereignissen verständlich ist (Galtür 1981, Obergurgl 1986).

(c) In Runsen und Tälern war bei den beobachteten Trocken- schneelawinen eine derart hohe Konzentration gegeben, daß ein wesentlich höheres spez. Gewicht zur Ablagerung eines deutlich feststellbaren Fließanteiles führte (Moosbach-Lawine, Madlein- Lawine, Knotental-Lawine).

(d) Buser & Frutiger (1980) haben nach unserer Meinung wahr- scheinlich bei ihrer Ermittlung von

f

Gewichtes (zwischen 50 und 100 N/m') nur mehr Drücke unter 20 kN/m' erzeugt.

(e) Durch die Form von Staublawinen in der Art eines Druck- luftstrahles kommt es nach Dämmen oder Geländekanten zu parabel- förmigen Flugbahnen. Beim Auftreffen dieser Druckluft auf flacheres Gelände (bis etwa 15°) kommt es zum Auseinander- spritzen dieser Druckluft. Dabei treten Lawinenwirkungen in jeder Richtung auf. Durch Zerstäubung kommt es letztlich zur Energievernichtung. Bei der Schilti-Lawine wurden unterhalb eines Dammes, der übersprungen wurde, letzte Lawinenwirkungen 240 m unterhalb des Auftreffpunktes, welcher 100 munter der Dammkrone lag, festgestellt.

(f) Selbst geringe Bodenerhebungen in der Höhe von 2 m, wie die Straßenböschung beim Gasthof Gemsspitze, vermögen ein solches Auseinanderspritzen der Druckluft zu bewirken und können direkt senkrecht zur Stoßrichtung Schäden wie eine zerstörte Fensterscheibe und das Vollpressen eines Zimmers mit Schnee verursachen (Gidis- und Portrinner-Lawine 1984).

(g) Es hat sich gezeigt, daß die eingangs erwähnte Daten- sammlung eine verbesserte Anwendung der vorhandenen Modellvor- stellungen von Lawinen möglich macht, und daß sofortige Auf- nahmen nach großen Lawinenabgängen dafür eine Voraussetzung sind. Hiezu schlag ich folgende Aufnahmen im Gelände vor:

- Anbruchgebiet:

d : Bestimmung am besten durch terrestrische Photogrammetrie

0 mittels Näherung durch einfache Fotos oder direkte Messung.

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Anrißlinie: Bestinunung durch terrestrische Photogrammetrie oder durch geschätzte Eintragung in einen Schichtenplan.

~ : Messung mit Meßzylinder und Federwaage, wenn möglich im I ^O Anbruch selbst oder in dessen Nähe. Näherung durch nächst-

gelegene Station des hydrographischen Dienstes.

}';= Wasserwert/Neuschneehöhe - Sturzbahn:

Geschwindigkeit v und Durchflußmenge: Diese können durch Durchflußquerprofile mit Kurvenüberhöhung (Haiden 1925) besti11111t werden.

Kraftrichtungen: Sind durch Spuren an der Vegetation und an geworfenen Bäumen erkennbar. Angepreßter Schnee und ge- brochene Äste weisen auf die Lawinenhöhe in flächenhaften Sturzbahnen hin.

- Wirkungsbereich:

Fläche der Ablagerung: Eintragung in einen Schichtenplan, Orthofoto etc. (Mindestmaßstab 1 : 10.000). Sondierung eines Querprofiles zur Bestinunung der mittleren Ablage- rungshöhe (Abziehen der vorhandenen Schneehöhe nicht vergessen). Bestinunung der frisch abgelagerten Kubatur.

des abgelagerten Schnees: Messung mit Meßzylinder und Federwaage möglichst bald nach dem Ereignis.

Aufnahme von Schäden an Objekten: Nachrechnung der aufgetre- tenen Schäden durch einen Baustatiker.

Lawinenspuren: Kraftrichtung etc. wie in der Sturzbahn.

- Gesamte Lawinenbahn:

Bestimmung der Gesamtzeit des Lawinenabganges mittels Stoppuhr oder Filmen bei künstlicher Auslösung sowie bei natürlichem Abgang durch Befragung von Augenzeugen.

Eine verbesserte Auswertung für Projektszwecke und Zonenplanung ist bereits möglich, wenn bei jedem Abgang neben den Witterungs- umständen die Anrißmächtigkeit d , die Anrißlinie, Querprofile in der Sturzbahn und die Ablager8ng bestimmt werden.

Wenn es uns gelingen würde, jährlich nur zwei oder drei große Lawinenabgänge in der oben beschriebenen Art aufzunehmen und aus- zuwerten, könnten wir Praktiker im Sinne von Laatsch 1980 wesent- lich dazu beitragen, vorhandene Modellvorstellungen von Lawinen schrittweise zu verbessern.

DANK

Herrn Hofrat Univ. Prof. Dr. Herbert Aulitzky von der Universität für Bodenkultur in Wien danken wir herzlich für die kritische Durchsicht dieser Arbeit, die zu einer Neubearbeitung in metho- discher Hinsicht geführt hat.

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LITERATUR

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f .

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Voellmy A. (1955) Über die Zerstörungskraft von Lawinen, Schweizer Bauzeitung, Zürich.

ÜBERSICHT ÜBER DIE WEITEREN UNTERSUCHTEN LAWINEN Geschwindig-

Name Lawinen Mittl. spez. keit aus

art Anriß- Gewicht Prof.Schäden

höhe (o ^V

Gidis--Port- Trockar- ca. 1 m rinner--law. schnee,

Galtür 1981 flächen- lBft

II - 1984 ^II

-

Knotental- Trockar- 0,9 m Zeit 21 s

l.aw./~ ochneel. ^mittl.Ge-

1984 Runse sdM.63 m/s

M3dleinlaw. Trockar- !.Teil 0,9 m 47 m/s

~/1984 ochneelaw. 2.Teil 0,65 m 51 m/s

Graben Haiden

Schilti- flächen- l.aw./Fiss lBft/

1984 trocken Überspr.

I..aw.Jlmn

Ver.al.1.- Trockar- ^{0,8 m 1100} l.aw. /Sölden ochneelaw. ^N/m'

11.Bi

._.,

..

Schildooch- Naßs:hnee-- ^{1,15 m Leit CDs}

I..aw. hw. mittl.Gesch.

kiinstl. ^{16 m/s}

~-,

Fließ- Ermittl.Druck- höhen, kräfte

Sturz Sturzb. Auslauf bahn

8 kN/m!.

14 kN/m'

17 kN/m' Staoor.

2,2 kN/m'

123 kN/m' 9 kN/m' 470 N/m'

7,2 kN/m' 11,6 kN/m' 16,8 kN/m'

5,5 m 19,2 kN/m'

(llallll- spiren)

Tabelle 1

Auslauf Ablage

spez.Gew.' Auslaufl .rungs- Fließant. höhe d 1

4:D) N/m' ca.

1,5 m

475mganessa1 526 m gerechnet (Voellmy-¾xl. ) l«J m gemessen 124 m gerechnet (VC2llrnv-M;xi.)

filX.l N/m' 00 m gen.

...

2~~0•

22!l0•·

1000•

19ro,

1600,

1,00.

1200.

•hb, 1 :

ZtrSl Brlicb BtKh, Schulhaus

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L a w i n e M

Geschwindigkeiten und

(ll11fnagl l9A6)

Gnrhv\n~I q~el I sv,r 11uf

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Diskussion H. Frutiger

- 18 -

Die Berechnung der "mitt 1 eren Anri ssmächt i gkei t" ( d ) ist in den meisten Fällen nicht möglich. ijas wir messen, ist diS mittlere An- rissmächtigkeit~Anrissstirne. Es gibt noch andere Methoden zur Bestimmung einer möglichst genauen Anrissmächtigkeit.

G. Hagen

Das ist richtig. Durch die Verwendung der oberen Anrissmächtigkeit im Verhältnis zur unteren wird dem auch näherungsweise entsprochen.

Ich kenne diese Methoden nicht und wäre daran interessiert.

H. Frutiger

Es ko1T111t recht oft vor, dass ich eine Lawine "nachrechnen" möchte, von der ich zwar die Topographie des Geländes kenne, auch deren Aus 1 auf strecke und eventue 11 sogar das Vo 1 umen des abge 1 agerten Schnees. Aber ich kenne die mittlere Anrisshöhe nicht. - Als Ersatz kommen dann in Frage:

1. eine Analyse der Niederschlagsgeschichte von Beginn des Win- ters bis zum Datum des Lawinenganges ( Ni edersch 1 ags-, Tempe- ratur- und eventuell Windmessungen auf benachbarten Messsta- tionen)

2. Vergl ei eh von Schneeprofi 1 en am Anriss der Lawine und auf einem benachbarten Hang mit möglichst ähnlichem "Standort".

B. Lackinger

Wie erklären Sie die starke Zunahme der Geschwindigkeit im unteren Bereich der Moosbach-Lawine? (Längsprofil)

G. Hagen

Durch die Erhöhung des Gefälles von ca. 18 0 auf ca. 28° und vor allem durch die starke Konzentration auf ca. 60 m Breite.

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Fundation im Lawinenverbau MICHEL HEIMGARTNER

Eidg. Institut für Schnee- und Lawinenforschung Weissfluhjoch/Davos, Schweiz

Foundation of avalanche defense structures

ABSTRACT This report summarizes the experiences we made in Switzerland in the last 10 years with founda- tions of snow bridges that consist of short earth anchors. The charges transmitted to the soil are indi- cated for the 3 current snow bridge types. Same dis- advantages of the conventional foundations - concrete socles and bed-plates - are listed. The development of the explosed anchor technique is reviewed and the load capacity of such anchors under tension and compression is described. Finally explosed anchors are compared to pure friction anchors (net anchors).

Fondations dans le genie paravalanche

RESUME Ce rapport commente les experiences faites en Suisse pendant les 10 ans passes dans le domaine de la fondation de claies

a

a

1. EINLEITUNG

Vor rund 10 Jahren haben wir an unserem Institut begonnen, Spreng- anker auf ihre Tauglichkeit zur Fundierung von Schneebrücken zu untersuchen. Dieser Bericht fasst die Erfahrungen zusammen, die wir seither auf diesem Gebiet gesammelt haben. Er gilt somit in erster Linie für den Anrissverbau, kann aber ohne weiteres auf andere Sparten des forstlichen Bauwesens übertragen werden (Windverbau, Wegbau usw.).

2. ANFORDERUNGEN AN DIE WERKE

Als Dimensionierungsgrundlage für den staatlich subventionierten Lawinenverbau gelten die Richtlinien für den Lawinenverbau im An- bruchgebiet (1968). Diese geben die aufzunehmenden Lasten in Funk- tion verschiedener Parameter an, deren wichtigste die Werkhöhe D, die Hangneigung, und der Gleitfaktor N sind. Daraus errechnen s i ~ die aufzunehmenden Fundamentlasten entsprechend den geometrischen

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Abmessungen eines Werktyps.

Da Betrag und Richtung des angreifenden Schneedrucks sich im Ver- lauf eines Winters ändern, braucht ein Stützwerk mindestens drei Auflagerkomponenten, um die Kräfte statisch einwandfrei aufzunehmen und in den Boden weiterzuleiten.

Für die gegenwärtig gebräuchlichsten drei statischen Systeme sind in der folgenden Tabelle die Lasten zusammengestellt, die sich in den Fundamenten aus einem Norm-Schneedruck ergeben:

Werkhöhe OK in rmJ 1

- - - __________ I

statisches System Kraft 1 3.0 1 3.5 1 4.0 1

---~[~k_Nl"--_ I _ _

I ___ I

p. ₁

^,

_ _ _ _ _ _ _ _ _ I _ _ I _ _ I _ _ I

1 Zug 1 93 1 124 j 156 1 2 Zug 1 31 1 38 54 1 3 Druck 1 196 I 265 338 1

___ 3__.__2_' ________ : _ _ : _ _ : _ _ :

1 Zug

1

1 1

1

2 Druck 1 133 1 1 235 1 3 Druck 1 109 1 1 194 1

1 1 1 1

3 2

1

- - - ~ - - - 1 _ _ 1 _ _ 1 _ _ 1

FIG.l Richtwerte der Fundamentlasten einer halben Schneebrücke in kN für die drei gebräuchlichen statischen Systeme. (Totale Werklänge 4 m, Rand- lasten für 2 m Werkzwischenräume).

o " f 1

Parameter: v = ^{45 , N} = 2. 5, Hohenfaktor C = 1.

Die jeweiligen Maxima sind unterstrichen.

Damit erhalten wir den Rahmen für die Bemessung unserer Fundamente: Zugkräfte bis zu 200 kN (= 20 Tonnen) und Druckkräfte bis zu 340 kN (= 34 Tonnen), zumeist beide kombiniert, die jeweils in einem Ab- stand von rund drei Metern entlang einer Niveaulinie in den Boden zu übertragen sind.

- 21 -

3. BAUGRUND

Verbauungswürdig sind Lawinenanrissgebiete mit Hangneigungen zwi- schen 30 und etwa 45 Grad. Typische Baugrunde sind locker gelagerte Blockschutte mit wechselnden Anteilen an feinkörnigen Materialien.

Die Fundamente kommen in oberflächennahen und somit wenig belaste- ten Schichten von Steilhängen zu stehen, deren Neigung ungefähr dem inneren Reibungswinkel ~' des Materials entspricht. Deshalb wird die Scherfestigkeit 'rf des Bodens massgeblich durch die Kohäsion c' bestimmt, die erfahrungsgemäss in weiten Grenzen streut. Daher sind in unsern Gebirgsböden vernünftige Aussagen über ihre Tragfähigkeit ohne spezifische Versuche kaum möglich.

4. ENTWICKLUNG DER SPRENGANltERTECHNIK

Die herkömmlichen Fundamente bestanden entweder aus Betonsockeln, die an Ort vergossen wurden oder aus stählernen Grundplatten, wel- che man im Boden vergrub. Für beide Typen gelten die Dimensionie- rungsvorschriften in den Richtlinien (1968). Beide zeigen gewich- tige Nachteile:

- Betonwerke brauchen viel teuren Beton und einen ankerfähigen Felsen, der die ankommenden Zugkräfte aufnehmen kann. Probleme ergeben sich in Böden, die zum Kriechen neigen, weil das starre Fundament die Bewegung des umliegenden Bodens nicht mitmacht und sich somit Spalten öffnen können, die die Erosion beschleunigen.

- Zum Verlegen der Grundplatten müssen einige Kubikmeter Erde be- wegt werden. Dadurch wird oft die Vegetationsschicht so nachhal- tig verletzt, dass Jahrzehnte vergehen, bis die Wunden vernarbt sind, vor allem bei maschinellem Aushub. Auch hier ist erhöhte Erosionsgefahr die Folge.

- Aus statischen Gründen sind die beiden Werktypen schlecht kombi- nierbar, was häufig Probleme bei der Lagerhaltung mit sich bringt.

Um diesem Uebel abzuhelfen, versuchten wir zuerst, die im Ausland (Oesterreich, Italien) weit verbreitete Fundierung mittels geramm- ten Schienen zu übernehmen. In enger Zusammenarbeit mit dem Insti- tut für Grundbau und Bodenmechanik (IGB) der ETH Zürich wurden diese Rammpfähle während rund zwei Jahren getestet. Die Resultate hat Perucchi (1976) dargestellt. Sie zeigen, dass

- viele unserer Gebirgsböden mit einfachen Mitteln kaum rammbar und - die erreichten Bodenbruchlasten sehr bescheiden sind.

Das Verfahren wurde deshalb nicht weiter verfolgt. In der Folge ha- ben Versuche in einer Verbaufläche auf der italienischen Seite des Brennerpasses unsere Ergebnisse bestätigt.

1977, anlässlich einer Exkursion ins Lechtal zu B. Eliskases, beka- men wir in der Lawinenverbauung Kaisers die ersten Sprenganker zu sehen, die mit dem von Dragosits (1986) beschriebenen Verfahren hergestellt wurden. Zusammen mit unseren österreichischen Kollegen prüften wir noch im gleichen Jahr solche Anker mit einer behelfs- mässig zusammengeschusterten Zugvorrichtung. Die Resultate dieser Versuche (Heimgartner 1978) waren so vielversprechend, dass wir am

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IGB verschiedene Ankervarianten im Modellversuch prüfen und ein Konzept für Zugversuche in der Natur entwickeln liessen (Buol, 1978). Wir prüften in der Folge gegen hundert Anker in den ver- schiedensten Böden im In- und Ausland, machten Dauerstands- und Lastwechselversuche und fanden schliesslich die Dimensionierungs- vorschriften von Heimgartner (1979) und (1981), nach denen heute in der Schweiz die Sprenganker bemessen werden. Versuche, die 1983 im Birrfeld mit Seilankern durchgeführt wurden, ermöglichten es, die Dimensionierungsparabel bis auf eine Ankertiefe von 5 m durch Mes- sungen abzusichern.

Wir mussten bald feststellen, dass das Einbringen der Hüllrohre von Hand, wie wir es bei unseren Versuchen praktizierten, für grössere Serien nicht durchführbar war. Daher kamen wir auf die Idee, die Ankerlöcher mit Imlochhämmern zu bohren. Heute wird ausschliesslich gebohrt; dort, wo es das Gelände erlaubt, mit bis zu 1,5 Tonnen schweren Bohrschlitten, aber in zunehmendem Masse auch mit leich- ten, zerlegbaren Bohrgeräten mit einem Gewicht von etwa 100 bis 200 kg.

5. TRAGVERBALTEN DER SPRENGAHICER

Unsere Sprenganker zeigen in kiesig bis sandigen Böden die gleichen Bruchbilder wie die von Müller und Haefeli ( 1954) beschriebenen Mastfundamente. Daher ist es naheliegend, auch den gleichen Bruch- mechanismus anzunehmen: einen progressiven Scherbruch, der von der Ankerzwiebel ausgeht und sich trichterförmig bis zur Bodenober- fläche fortpflanzt. Die grösstmögliche Zugkraft am Anker wird somit bestimmt durch die Scherfestigkeit des Bodens. Tatsächlich nimmt der Ankerzug nach Ueberwindung des Scherwiderstandes bis auf einen Wert ab, der dem Gewicht des gehobenen Erdkörpers entspricht. Die Erfahrungen zeigen, dass die Grösse der Ankerzwiebel einen geringen Einfluss auf die Traglast eines Sprengankers hat, weil sie die Lage der Scherflächen und ihre Form nicht verändert. Deswegen sind grös- sere Sprengladungen kein Mittel, um die Traglast eines Ankers zu steigern; sie erhöhen nur die Gefahr der Bodenauflockerung.

In stark tonigen Böden verhalten sich Sprenganker wesentlich ungün- stiger: Der Boden umfliesst wahrscheinlich die Ankerzwiebel schon bei kleinen Lasten, ohne eigentliche Bruchflächen auszubilden, was die grossen Hebungen des Ankerkopfes bei intakter Bodenoberfläche erklären würde, die wir bei den Versuchen im Birrfeld beobachteten.

Im Bericht der SAE (1982) wird diese Vermutung bestätigt und ein Zusammenhang zwischen der Grösse der Ankerzwiebel und der Traglast angedeutet.

Sprenganker eignen sich wegen der grossen zu erwartenden Kriechver- schiebungen nicht für reine Tonböden. Glücklicherweise kommen sol- che Böden in unsern Steilhängen kaum vor.

Werden Sprenganker nicht in Richtung ihrer Achse gezogen, sinkt die Traglast deutlich ab und die Verschiebungen des Ankerkopfes nehmen zu.

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6. SPRENGAHICER UNTER DRUCKBELASTUNG

Sollen Schneebrücken vollständig auf Sprengankern fundiert werden, müssen diese auch Druckkräfte an den Boden weiterleiten (vgl. Kap.

4). Weil Sprenganker sehr schlank sind, stellt sich daher sofort die Frage nach ihrer Stabilität. Wir schlugen vor, das Problem durch die Verwendung von räumlich gespreizten Ankerdreibeinen zu entschärfen, welche in einem Knotenpunkt zusammenlaufen, der den Fuss für die Stützen unserer Schneebrücken bildet (vgl. Heimgart- ner, 1981). Da es aussichtslos schien, Ankerdreibeine in der Natur zu testen, führte das IGB umfangreiche Modellversuche im Labor durch, die schliesslich die Brauchbarkeit dieser LHsung bewiesen:

Die Traglast eines gedrückten Ankerdreibeines ist etwa 4mal so gross wie diejenige eines einzelnen Sprengankers gleicher Länge unter Zug. Bei etwa der halben Traglast kann die Stabilität kri- tisch werden, weil der Ankerkopf seitlich auszuweichen beginnt. Die Resultate von Meier (1981) erlaubten es deshalb, Ankerdreibeine in der Praxis nach der gleichen Kurve zu dimensionieren wie gezogene Sprenganker.

Seit 1981 wird dieses Verfahren im Schweizerischen Lawinenverbau verwendet. Bis jetzt sind kaum Schäden beobachtet worden, die auf das Versagen der Anker zurückzuführen sind. Der Einbau von Spreng- ankern ist wirtschaftlich und vermeidet die Nachteile der herkHmm- lichen Bauweisen. Wesentlich für den Erfolg ist allerdings genaues und zuverlässiges Arbeiten.

7. NETZAHICER

Grundsätzlich ist die Verwendung von Sprengstoff im Bohrloch pro- blematisch, weil man nie genau weiss, was bei der Sprengung wirk- lich vorgeht. Besonders in schlecht verfestigtem Blockschutt mit viel Hohlräumen ist der Erfolg oft fraglich, wie beispielsweise Fig. 2 zeigt.

Wir haben deshalb im März 1980 in der Kiesgrube Jenins erste Zug- versuche mit nicht gesprengten, reinen Reibungspfählen in lehmigem Kies durchgeführt und erhielten die Ankerbruchlast PB in [ kN] in Funktion der Ankerlänge t in [m] zu

1. 23

PB = 24.45 • t (1)

Weil diese Lasten weit unter denjenigen vergleichbarer Sprenganker liegen, wurde dieser Ankertyp vorläufig nicht mehr näher unter- sucht.

Schwierigkeiten mit Sprengankern traten 1983 in der Verbauung Brun- nenkHpfe (Gemeinde Engi/GL) in grobem Blockschutt auf, weil der MHrtelverbrauch weit über dem bisherigen Durchschnitt lag. Kurz- fristig angesetzte Zugversuche mit Reibungsankern, bei denen zwecks Verminderung der MHrtelverluste die Injektion in einem Hüllnetz er- Iolgte, zeigten bessere Resultate (vgl. Heimgartner, 1984).

1986 nahmen wir deshalb die unterbrochenen Versuche wieder auf und untersuchten das Tragverhalten dieses Ankertyps in zwei grundsätz- lich verschiedenen BHden genauer. (Guttannen/BE: grober Blockschutt

- 24 -

und Vallascia, Airolo/TI: feinkörniger, siltiger Kies). Die Resul- tate sind in der Figur 2 zusammengestellt.

700

500

300

100

0

□ l

Ankerbruchlast in [kN]

3

2

in rml

FIG.2 Resultate der Versuche 19B6

Sprenganker Guttannen Netzanker Guttannen Ausgleichskurve Guttannen:

, tl.37

• •

2

Sprenganker Vallascia Netzanker Vallascia Ausgleichskurve Vallascia:

p = 9.9 • t2.24 PB = 16.4

B Ausgleichskurve Sprenganker: PB • 34.6 • t1

•72

(ersetzt aus Gründen der Anschaulichkeit die ursprüngliche

Parabel PB = 7.2 • t + 26.B • t2 )

Aus statischen Gründen konnten die Versuche nur bis zu einer Last von 200 kN gefahren werden. Die über diesem Wert liegenden Mess- punkte wurden nach dem Verfahren von Christow (197B) extrapoliert.

In den Resultaten fallen die schlechten Werte für Sprenganker auf:

50 % der Messungen müssen als Ausreisser klassiert werden, was zeigt, dass sich Sprenganker für beide Böden schlecht eignen.

Die extrem hohen Messwerte der Netzanker mit Längen über 3 Meter erklären sich so, dass bei diesen Versuchen grössere Steine durch- bohrt wurden, die wie Ankerzwiebeln wirken. Tatsächlich wurden in Guttannen ähnliche Bodenhebungen beobachtet wie bei den früheren Sprengankerversuchen, was auf den gleichen Bruchvorgang hinweist.

Die Versuche in der Vallascia stehen in krassem Gegensatz dazu:

Hier war die Bohrlochwandung so glatt, dass sich der Ankermörtel