Kommissionsverlag:
F. Flück-Wirth, Internat. Buchhandlung für Botanik und Naturwissenschaften, CH-9053 Teufen
Jürg Zeller Jürg Trümpler
Hinweise zur Bemessung
steiler Entwässerungsgräben
Herausgeber:
Dr. W. Bosshard, Direktor Eidgenössische Anstalt
für das forstliche Versuchswesen CH 8903 Birmensdorf
April 1984
Oxf.: 385.1 : 384.1 DK: 626.86 : 624.131.31
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Zum Inhalt . . . 5
1.1 R utschungsentwässerungen - einige grundsätzliche Bemerkungen . . . 5
1.2 Rutschungsentwässerungen und ihre Problematik . . . 11
1.3 Gegenstand der Publikation . . . 13
2 Der Dimensionierungsabfluß . . . 15
2.1 Die Wasserspende . . . .. ... . .. ." . . . . 18
2.2 Bestimmung des Zusammenhanges Niederschlag/Abfluß in Funktion der Wiederkehr- periode für die Kleinsteinzugsgebiete von Entwässerungen . . . 19
2.2.1 Bestimmung der Starkregenintensität iT . . . 20
2.2.2 Das Prinzip der Laufzeitmethode . . . 21
2.2.3 Bestimmung der Laufzeit . . . 21
2.2.4 Ergebnisse der Hochwasserberechnung für die Entwässerungen der Gamser Wildbäche . . . . . . . . . . . 23
2.3 Wie groß ist das Dimensionierungs-Hochwasser OHO anzunehmen? . . . 24
2.3.1 Grabendichtigkeit . . . 24
2.3.2 Grabenerosionsfestigkeit . . . 25
2.3.3 Ausreichendes Schluckvermögen des Entwässerungsgrabens . . . 25
2.3.4 In Kauf zu nehmendes Zerstörungsrisiko für die Entwässerungsanlage . . . 26
2.3.5 Zusammenfassung . . . . . . . 28
3 Aus bodenmechanischer Sicht zulässige Böschungsneigung der Entwässerungsgräben . . . 31
4 Hinweise zum Abfluß in steilen Gerinnen . . . . . . . 40
4.1 Fließarten . . . 40
4.2 Hilfsmittel zur Berechnung von Wassertiefe, Fließgeschwindigkeit und Froudescher Zahl . . . 44
4.3 Abfluß in Kurven . . . . . 50
4.4 Hydraulisch günstige Formgebung von Kurven . . . 51
Känneleinbau in Kurven für schießenden Abfluß . . . 54
Spezialeinbauten zur Verhinderung des Übersehwappens in Kännel kurven . ... . .. . Dimensionierungs-Hochwasser und Freibord . . . .. . . . Weitere Hinweise .... .. .. . .. . . ... .. . ... . . .... .... .... . Wellen bei schießendem Abfluß ... . . ... .. . . .. .... ... . ... . 4.4 .1 Rollwellen . . . ... . .... . . . Schäden durch Rollwellen . . . . Hydraulisches . . . ... .. . 56 57 58 58 61 62 63 Literatur . . . 64
Hinweis für die Praxis . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.2 Stoßwellen infolge Richtungsänderung, Verengung oder Erweiterung des Gerinnes . . . . . . . 64
Stoßwelle bei Gerinneverengungen . . . . 67
Stoßwellen bE_Ji Gerinneerweiterungen . . . 69
Stoßwellen in Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.3 Wellen als Folge von Abstürzen bei schießendem Abfluß. . . 72
Inhaltsverzeichnis
4.4.4 „Pendelwellen" im Anschluß an Richtungsänderungen . . . 76 .
4.4.5 Wassersprung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Wassersprung im Rechteckgerinne . . . . . . . . . . . 80
Wassersprung im Trapezgerinne . . . . . . . . . . . 81
Wassersprunglänge . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Praktische Bedeutung für die Entwässerungen . . . . . . . 82
4.4.6 Schwallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.5 Luftaufnahme . . . . . . . . . . . . . 84
5 Der Kännelstoß . . . . . . . 89
6 Problematik von Fl ießgeschwindigkeit und Gefälle . . . 93
6.1 Hydraulische Beanspruchung des Gerinnes . . . . . . . . . . . 93
6 .2 Selbstreinigung der Kännel beziehungsweise das minimal erforderliche Kännelgefälle . 96 6.3 Verankerung der Kännel . . . . . . . . . . . 97
6.4 Maximal zulässige Fließgeschwindigkeiten beziehungsweise Schleppspannungen in Känneln und Gräben . . . . . . . . . . . . 9 8 6.4.1 Maximal zulässige Schleppspannungen in unbewachsenen Gerinnen . . . . . 99
6.4.2 Maximal zulässige Schleppspannungen bewachsener Böschungen . . . 100
Grasböschungen . . . . . . . 100
Mit Lebendverbau verstärkte Böschungen . . . . . . . 102
Mit Drahtnetzen verstärkte Grasböschungen . . . . . . . . . . 103
6.4.3 Maximal zulässige Schleppspannungen für Blockwürfe beziehungsweise deren erforderliche Blockgrößen . . . 104
6.4.4 Maximal zulässige Schleppspannungen in Känneln . . . 105
6.4.5 Abschließende Bemerkungen . . . . . . . 106
6.5 Verstärkung der Grabenböschungen als Schutz gegen große hydraulische Beanspruchung, einige konstruktive Angaben . . . . . . . 107
6.6 Maßnahmen zur Reduktion der Fließgeschwindigkeit . . . . . . . 111
6.6.1 Reduktion des Gefälles mit Hilfe von Abtreppungen . . . 111
6.6.2 Energievernichtung im Tosbecken . . . . . . . 112
6.6.3 Energievernichtung mit Hilfe einer Prallwand . . . . 116
6.6.4 Energievernichtung mit Hilf e einer Einschnürung des Gerinnes . . . 119
6.6.5 Energievernichtung mit Hilfe einer Böschungsbebuschung . . . 120
6.6.6 Energievern ichtung mit Hilf e von „ Rauhgerinnen" . . . 120
6.6.7 Energievernichtung im Wirbelfallschacht . . . . . . . . . 122
7 Zuleitungen und Zusammenführungen . . . .. . . . .. .. . . .. . . .. .. . . . 123
7.1 Grabenzuleitungen und Grabenzusammenführungen . . .. .. .. ... . .. . ... . . . . 123
Konstruktives zum Typ A . . . ... . . .. . . .... . . 124
Konstruktives zum Typ B . . . ... . . . 125
Konstruktives zum Typ C . . . .. . . .. . .... .. . 128
Bemerkungen zum Typ D . . .. . . .. . . ... .. . .... . . . 130
7.2 Einleitungen in den Vorfluter . . . .. .. . .. . . ... . . 130
See als Vorfluter . . ... .. . . .. . .... . . .. . . .. . . ... . ... . .. . 130
Fluß als Vorfluter .. ... ... . . .... . .... . .. ... . .. .. . . . .. .. .. . . . .. . 130
Bach als Vorfluter ... . . .. . . ... . . .. . . .. .. .... . . 131
Verbauter Wildbach als Vorfluter . . . .. ... .. ... . . ... .. . . .. . 133
Unverbaute Wildbäche als Vorfluter . . . .. .. . . .. . 133
7.3 Auswirkungen von Entwässerungen auf den Vorfluter . . . . .. . .. . . .. .. . 135
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Inhaltsverzeichnis 3
8 Spezialkonstruktionen . . . . . . . . . . . 140
8.1 Fassen von Quellen . . . . . . . 140
Fassen von Quellen in wenig geneigtem Gelände . . . . . . . 140
Fassen von Quellen in steilem Gelände . . . .. . . 141
Fassen von diffusen Wasseraufstößen . . . 142
8.2 Hangtraversierung . . . . .. . . 143
Typ A: Entwässerungsgräben mit bergseitigem Stützwerk . . . 143
Typ B: Hangtraversierung mit Hilfe einer Rohrleitung . . . 144
8.3 Durchlässe. . . . . . . 146
Rohrdurchlässe . . . 147
Brückendurchlässe . . . 148
8.4 Kies- und Geschwemmselabscheider . . . 150
Gesch iebeauffangbecken . . . 150
liegender Rechen oder „Tiroler Wehr" . . . . . . . . . 152
9 Gamser Entwässerungen: einige allgemeine Bemerkungen sowie Angaben über Bau und Betrieb . . . 153
9.1 1 m Versuchsgebiet verwendete oder erwogene Kännel typen . . . 153
Holz-V-Kännel oder Dreieckskännel Typ 20/4 . . . 153
Kantholzkännel Typ 30/6 . . . . . . . . . . . 154
Rechteckkännel aus Holz Typ 40/30 . . . 155
Trapezkännel aus Holz Typ 42/30. . . . . . . 155
Rundholz-Rechteckkännel Typ 40/25 . . . 157
Rundholz-Trapezkännel Typ 40/50 . . . 157
Rundholz-Rechteckkännel Typ 40/25 und 33 mit Böschungsschutz aus „Beton-Fahrbahnplatten". . . . . . . 157
Polyäthylenkännel Typ 20/10 . . . 158
Beton-Bachschalen Typen 28/10, 38/15, 48/20 . . . 158
Aluminiumkännel Typen 30/15 und 40/20 . . . 159
Wellblech-Halbkreiskännel Typen K 300, K400, K 500 und größere. . . 159
9.2 Gegenüberstellung der verwendeten Känneltypen . . . 160
9.3 Einige Ergebnisse der Einbauversuche und die Bauerfahrungen der ersten 6 Baujahre . 164 9.3.1 Arbeitsablauf und Hinweise zum Einbau der Rundholz-Rechteckkännel Typ 40/25 beziehungsweise 40/20 . . . 165
9 .3.2 Arbeitsablauf und Hinweise zum Einbau des V-Kännels Typ 20/4. . . 166
9 .3.3 Böschungsbegrünung . . . 167
9.4 Arbeitsorganisation und Öffentlichkeitsarbeit . . . 167
10 Unterhalt der Entwässerungen . . . 169
11 Bemessung von Gräben und Känneln für Normalabflußverhältnisse. . . 171
11.
J
Bemessung gerader Strecken . . . . . . . 17111.2 Bemessung nicht gerader Strecken und Sonderfälle . . . 172
Kurvenstrecken . . . 172
Gefäl lsänderungen . . . . . . . . . . . 173
Rauh igkeitsänderungen . . . 173
Strecken mit Uferschutz . . . 173
Überprüfen der Böschungsbeanspruchung . . . 173
Überprüfen der Selbstreinigung . . . 174
11.3 Sicherheitszuschläge für das gerade Gerinne mit Normalabfluß . . . 174
11.4 Bemessungstabellen für die Abschätzung der erforderlichen Kännel- und Grabengrößen . . . 175
11.5 Ausführ! iches Berechnungsbeispiel einer Kännel- und Grabendimensionierung . . . 183
Nachwort . . . 187
Anhang. . . 189
A 1 Literaturverzeichnis . . . . . . . 191
A2 Stichwortverzeichnis, Symbole sowie Umrechnung der alten metrischen in SI-Einheiten . . . 196
A2.1 Stichwortverzeichnis . . . 196
A2.2 Symbole . . . 200
A2.3 Umrechnung der alten metrischen in SI-Einheiten .... ... . . .. . . . 204
A3 Diagramme für Wassertiefe, Fließgeschwindigkeit, Froudesche Zahl - Diagramme für Durchflußquerschnitte . . . 205
A3.1 Dreieck- oder V-Kännel aus Holz, Typen 15/4, 20/4, 25/4 . . . 207
A3.2 Rundholz-Rechteckkännel Typ 40/20 . . . .. . . '. . . 209
A3.3 Rundholz-Trapezkännel Typ 40/40 . . . . . . . . . . 211
A3.4 Kantholzkännel Typ 30/6 . . . 213
A3.5 Trapezkännel aus Holz Typ 42/30 . . . . . . . 215
A3.6 Beton-Bachschale Typ 28/10 . . . 217
A3.7 Beton-Bachschale Typ 38/15 . .. . .. . . .. . . ... ... .. .. .. 219
A3.8 Beton-Bachschale Typ 48/20 . . . 221
A3.9 Wellblech-Halbkreiskännel Typ D34 . . . 223
A3.10 Wellblech-Halbkreiskännel Typ D44 . . . . . . . . . 225
A3.11 Wellblech -Halbkreiskännel Typ D60 .... . . .. . ... . . .. .. . .. . . 227
A3.12 Wellblech-Halbkreiskännel Typ DBO . . . ... .. . .. . . .. . .... 229
A3.13 Wellblech-Halbkreiskännel Typ 0100 . . . . . . . . 231
A3.14 Wellblech-Halbkreiskännel Typ D 120 . . . 233
A3.15 Wellblech-Trapezkännel Typ Sp400. . . 235
A3.16 Wellblech-Trapezkännel Typ Sp600 . . . . . . . 237
A3.17 Wellblech-Trapezkännel Typ Sp800. . . 239
A3.18 Wellblech-Trapezkännel Typ Sp1000 . . . . . 241
A3.19 Kännel - und Grabenquerschnitte in Funktion der Höhe h für Holzkännel und Betonschalen mit einer Böschungsneigung 1: 1,5 . . . 243
A3.20 Kännel- und Grabenquerschnitte in Funktion der Höhe h fürWellblechkännel mit einer Böschungsneigung 1: 1,5 . .. ... . . 244
A4 Berechnungsbeispiele zu den Kapiteln 4.1 und 4.2. . . . . . . 245
A5 Bestimmung der Länge der Übergangsstrecke für den Gefällsknick bei Gefällsvergrößerung . 248 A6 Hilfen für die Kurvenabsteckung . . . . . . . 257
A6.1 Elemente für die Absteckung eines Kreisbogens . . . . . . . 257
A6 .2 Elemente für die Absteckung einer Kurve mit Übergangsbogen (Korbbogen) .. .. . 258
A6.3 ,,Vieleckmethode" . . . 259
A 7 Tabelle der Regenintensitäten . . . . . . . 261
AB Anleitung für den Bau der Entwässerungen zuhanden der Bauequipe . . . 275
5. 84 900 A 25 765
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Zum Inhalt 5
1
Zum Inhalt
1.1
Rutschungsentwässerungen -
einige grundsätzliche Bemerkungen
Veranlaßt wurde die vorliegende Studie durch verschiedene, erhebliche Schäden an Rutschungsentwässerungsanlagen, welche durch starke Hochwasser entstanden waren.
Da außerdem in den letzten Jahren große forstliche Entwässerungsarbeiten eingeleitet wurden, erschien es angebracht, für den Forstdienst einige grundsätzliche Angaben über den Bau von Entwässerungsanlagen zusammenzustellen. Die Arbeit basiert vor allem auf den Bauerfahrungen von Gams SG und weiteren Entwässerungsarbeiten in den Kantonen St. Gallen, Schwyz, Luzern, Nid- und Obwalden. Es handelt sich hierbei hauptsächlich um Flyschgebiete, welche extremen Starkregen ausgesetzt sind.
Eine Vielzahl von Rutschungen kann in Land- und Forstwirtschaftsgebieten nur saniert werden, wenn dafür gesorgt wird, daß durch Wasserentzug die Scherfestigkeit des Bodens erhöht wird. Nebst dem durch Vegetation und natürlichen Oberflächen- abfluß dem Boden entzogenen oder ferngehaltenen Wasser kann dieses Ziel durch eine wesentliche Erleichterung des Abflusses mit Hilfe von Entwässerungen wenigstens teilweise erreicht werden. Mit Entwässerungsgräben, ja mit einem ganzen Entwässe- rungssystem gelingt es, den Wasserhaushalt im Boden zu beeinflussen. Abgesehen von der Sickerwasserableitung, sollen Entwässerungen insbesondere während der Frühjahres- schneeschmelze (wenn die Evapotranspiration sehr gering ist), während Dauerregen oder während extremer Starkregen wirksam sein. Die Entwässerungen werden häufig in Form offener Gräben angelegt, haben je nach Gelände meist mittelgroßes bis großes Gefälle und erreichen zum Teil beachtliche Grabentiefen. Aus bodenmechanischer Sicht sollten die Gräben grundsätzlich bis unter die Gleitfläche reichen. Dies ist aber oft nicht möglich, sei es, daß die Gleitfläche zu tief liegt (nicht erreichbar ist), oder sei es, daß - wie in vielen Kriechgebieten - eigentliche Gleitflächen nur begrenzt vorhanden oder aber nicht zu erkennen oder aufzufinden sind. Sehr oft muß man sich damit begnügen, das frei fließende Wasser abzuleiten.
Um den zu behandelnden Stoff etwas zu konkretisieren, diene die schematische Darstellung in den Abbildungen 1.1 und 1.2. Grundsätzlich ist bei solchen Entwässerun- gen dafür zu sorgen, daß
- von darüberliegendem Gelände kein Wasser ins Rutschgebiet gelangen kann, - möglichst sämtliche Quellen, Naßstellen und Tümpel angezapft werden („einmal
an die Oberfläche ausgetretenes Wasser darf nicht wieder versickern"),
- in den Gräben kein Wasser verloren geht („Gräben dürfen nicht streckenweise als Bewässerungen wirken"),
- das gefaßte Wasser auf kürzestem Weg in den Vorfluter abgeleitet wird („das Wasser nicht spazieren führen").
Abbildung 1.1
Schematische Darstellung eines vernäßten Rutschgebietes mit Tümpel, Naßstellen, Quel- len, Versickerungsstelle und kleinen Wasser- läufen.
Abbildung 1.2
Dasselbe Rutschgebiet wie in Abbildung 1.1 mit schematisch eingetragenen Entwässerungen (Haupt- und Nebengräben).
Dies wird erreicht durch eine selektive und, wo erforderlich, durch weitere örtliche flächenhafte Entwässerungen.
Wie die Anordnung eines Entwässerungssystems in der Praxis aussehen kann , zeigen die Abbildungen 1.3 und 1.4. Es handelt sich bei Abbildung 1.4 um ein ausge- dehntes Kriech- und Rutschgebiet, dessen Talwärtsbewegung in Richtung Siedlungs- raum Gams SG möglichst verzögert beziehungsweise gebremst und die Murganggefahr durch die Wildbäche stark vermindert werden soll.
Dem Bau von Entwässerungen hat eine sorgfältige Projektierung vorauszugehen, die sich insbesondere bei ausgedehnten und gefährlichen Kriech- und Rutschgebieten auf eine möglichst umfassende Analyse der Bewegungsabläufe und -vorgänge abstützt.
Die Kartierung1 von Gewässern und der Rutschungsmorphologie sowie gute Kenntnisse der örtlichen Geologie sind hierbei wertvolle Hilfen.
1 Es handelt sich um Kartierungen im Maßstab 1: 5000 oder größer. Die Gewässerkartierung enthält: Bäche, Bächlein, Rinnsale (nur sporadisch bis ständig Wasser führend), Tümpel, Naßstellen, Sümpfe, Moore, Quellen, Versickerungsstellen, Wasserverlustangaben von Fließgewässern usw. Die rutschungsmorphologische Kartierung gibt andererseits sämtliche den Rutschungsvorgang und -ablauf charakterisierenden Elemente wieder wie: Bodenformen, Risse, Anbrüche, Stauchungen, Überschie- bungen, Bewegungsrichtungen und -geschwindigkeiten, Rutschungsränder, standfeste und nicht stand- feste Gebiete usw. Sie dient der Abklärung des Rutschungsmechanismus und zusammen mit der Gewässerkarte der Festlegung der grundsätzlichen Anordnung des Entwässerungssystems.
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Zum Inhalt 7
Abbildung 1.3
Nietenbach/Schwyz: Ausschnitt des Kriechgebietes mit Flächenentwässerung. Die Aufforstung fehlt noch. Im Bild rechts oben liegt Schwyz, links oben (dunkler Wald) befindet sich der NW-Abhang des
Kleinen Mythen. Photo EAFV, 1970
Es ist darauf hinzuweisen, daß die nachfolgenden Angaben für permanente oder doch längere Zeit wirksame Entwässerungen gedacht sind. Hat man es mit neuen oder sich sehr stark bewegenden Rutschgebieten zu tun, so sind vorerst provisorische, das heißt nicht permanente, Entwässerungen einzubauen. Es sind dies Entwässerungen, die durch oftmaliges Verlegen dauernd den Geländeänderungen angepaßt werden können (offen verlegte Kännel, Schläuche usw.). Erst wenn die Rutschungsbewegungen erheb- lich abgeklungen sind, ist es ratsam, mit dem Einbau von permanenten Entwässerungen zu beginnen. Sollten später die Entwässerungen als Ergebnis der Bemühungen zu einer weitgehenden Stabilisierung des Geländes geführt haben und hat man es zum Beispiel aufgeforstet, kann geprüft werden, inwieweit die Vegetation (Wald) Entwässerungs- funktionen übernehmen kann und wie dicht dann das verbleibende Entwässerungs- system noch zu sein hat. Man lasse sich bei diesem Entscheid nicht durch die günstige Wirkung mehrerer Trockenjahre verieiten, die Situation zu optimistisch einzuschätzen und zum Beispiel die Entwässerungen eingehen zu lassen. In diese Zeitphase fällt auch die angepaßte pflegliche Bewirtschaftung des Waldes, wobei flächenhaftes Entfernen von Bäumen meist zu einer Reaktivierung der alten Bodenbewegungen führt. Ein echtes „Gesunden" von Rutschgebieten ist aus bodenmechanischen Gründen nur in Ausnahmefällen möglich, weil einmal entstandene Gleitflächen nicht verheilen, also eine materialtechnische Schwächung immer vorhanden bleibt. Hinzu kommt noch die Bodenverwitterung, die mit der Zeit zu einer Scherfestigkeitsreduktion oberflächen- naher Schichten führt.
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Zum Inhalt 9 forstliches Entwässerungs- und Bachverbauprojekt
Abbildung 1.4
Gamser Wildbäche, Stand 1980
Situationsplan 1: 5000
_ _ ,,,,,,,..os;..._ Entwässerungs- und Sickergräben
,- _,_ Vorflutgerinne
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Bachverbau (Ergänzungen zum vorhandenen Verbau) Einzugsgebietsgrenzen(
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Zum Inhalt 11
1.2
Rutschungsentwässerungen und ihre Problemat.ik
Probleme und offene Fragen bestehen im Zusammenhang mit Entwässerungen in großer Zahl. Da wäre einmal die Frage nach der Gestaltung des Entwässerungssystems, um eine optimale Wirkung zu erzielen. Da ist die wichtige Frage nach der Wirksamkeit bezie- hungsweise nach dem Wirkungsgrad von Entwässerungen. Dann bestehen Probleme der Bemessung von Entwässerungsanlagen und der technischen Ausführung, so daß auch Geländebewegungen schadlos, das heißt ohne Versickerungsverluste, überstanden wer- den können . Eine weitere Frage gilt der Wirkung der Vegetation, insbesondere des Waldes, hinsichtlich deren lnterzeption und Transpiration. Es sind dies Fragen und Pro- bleme, die nur zum Teil oder auch gar nicht beantwortet werden können, die deshalb viel Verständnis, Erfahrung und Intuition erfordern. Diese Erfahrung ist oft entschei- dend für Erfolg oder Mißerfolg von Entwässerungsarbeiten. - Neben diesen mehr grundsätzlichen Problemen sind genügend andere Fragen rein technischer Art vor- handen, zum Beispiel:
- Darf das gesamte Entwässerungsgebiet in einem einzigen Hauptsammelgraben eingeleitet werden, oder ist das Gebiet in Teilgebiete zu gliedern?
- Hat man offenen oder zugedeckten Entwässerungen den Vorzug zu geben?
- Auf welche Abflußmengen sind die Entwässerungen zu bemessen?
- Sind Gräben mit Känneln zu versehen oder nicht?
- Vermag der Vorfluter der Mehrbelastung durch die Entwässerungen stand- zuhalten, oder wird er erodieren? Und so weiter.
Dieser Fragenkatalog kann beinahe belieb ig erweitert werden. - Zwei der obgenannten Fragen sollen gleich vorweg genommen, andere später behandelt werden . Viele bleiben aber unbeantwortet.
Zur Frage der offenen oder gedeckten Entwässerungen
Erfahrungen aus Rutschgebieten in der Schweiz zeigen, daß offene Gräben den ge- deckten Entwässerungen meist vorgezogen werden, falls dies technisch lösbar ist und keine anderweitigen triftigen Gründe dagegen sprechen . Solche Gräben sind auf ihrer ganzen Länge leicht auf Funktionstüchtigkeit und Unterhalt kontrollierbar. Sie sind wartungsfreundlich, den negativen Folgen von Bodenbewegungen kann man am richti- gen Ort wirksam begegnen, und ausnahmsweise einmal auftretende, extreme Abfluß- mengen können abgeführt werden.
Nachteilig können die Gräben für die Waldarbeit wirken, den Wildwechsel, die Viehweide oder die intensive landwirtschaftliche Nutzung. Technische Probleme können sein: sehr große Grabentiefe, Längsgräben am Hang, die sich infolge Kriechens mit der Zeit schließen oder gar den Hang veranlassen zu rutschen.
Der Entscheid, welche Art der Entwässerung zu wählen ist, benötigt ein sorg- fältiges Abwägen aller Vor- und Nachteile. Grundsätzlich sollte aber mögl ichst dem offenen Graben der Vorzug gegeben werden.
Zur Frage der Gräben mit oder ohne Känne/einbau
Entwässerungsgräben ohne Kännel sind vor allem billig im Bau und lassen sich leicht ins Gelände einpassen . In geneigtem Gelände benötigen sie aber in der Regel eine Ero- sionssicherung. Im Bereich nicht vernäßter Strecken, die durchquert werden, sowie in
Abbildung 1.5
Durch Erosion zerstörter Entwässerungsgraben im Lehm. Die früher ebene Grabensohle hat sich in eine Vielzahl von Abstürzen und Kolke aufgelöst (Kolke mit Pfeilen markiert) . Diese für Lehmböden mit wenig Grobanteil sehr typische Erosionsform hat auch bei Trockenwetter langdauernde Infiltra- tionen aus den Kolkwannen zur Folge. Ist der Lehmboden tiefgründig, so entstehen mit der Zeit
schluchtartige Gerinne mit Uferanbrüchen. Photo EAFV
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Zum Inhalt 13
Rutschungsstrecken mit kleinsten bis großen Rissen wirken sie beispielsweise als
„ Bewässerungen''.
Welche Vor- und Nachteile bringt demgegenüber der Einbau von Känneln in die Entwässerungsgräben?
Vorteile:
- klein halten bis vermeiden von Wasserverlusten durch Versickerung, ein äußerst wichtiges Postulat der Rutschungsentwässerung
- Schutz gegen Sohlenerosion
- zulassen größerer Fließgeschwindigkeiten - gute Selbstreinigung
- Vermeiden von Verkrautung im eigentlichen Gerinne - Reduktion oder doch Erleichterung des Unterhaltes
- bessere Kontrollmöglichkeit der Gräben (unter anderem sofortiges Erkennen von Bodenbewegungen und was für Schäden wo und wie zu beheben sind) - selteneres Erneuern (dafür größere Kosten)
Nachteile:
- größerer Bauaufwand (anspruchsvollere Arbeiten, schlechtere Anpassungs- fähigkeit ans Gelände, vermehrte Bauaufsicht)
- läßt sich weniger leicht an örtliche Geländebewegungen anpassen
- zeigt unter Umständen gewisse hydraulische Nachteile (stark schießender Ab- fluß), macht sorgfältigere Linienführung, größeres Freibord usw. notwendig.
Diese Bilanz, obwohl noch recht unvollständig, zeigt, daß aus der Sicht der Rutschungs- stabilisierung der Einbau von Känneln insgesamt mehr Vorteile als Nachteile bringt, abgesehen von der nur mit Känneln erfüllbaren wichtigen Forderung nach guter Dich- tigkeit beziehungsweise geringsten Wasserverlusten. Es zeichnet sich deshalb in der Entwässerungspraxis ganz allgemein die Tendenz ab, Entwässerungsgräben mit Känneln den Vorzug zu geben. (Die Entwässerungen in Abb. 1.4 sind praktisch alle mit Känneln ausgerüstet.) Wesentlich ist weiter, daß der Känneltyp sorgfältig ausgewählt wird und dessen Vor- und Nachteile im Detail bekannt sind.
1.3
Gegenstand der Publikation
Für die Projektierung von Grabenentwässerungen benötigt man Kenntnisse über:
- die abzuführenden Wassermengen (bereits erwähnt) - die mechanischen Eigenschaften des Bodens - die Anforderungen an die Grabendichtigkeit - die Erosionsfestigkeit von Sohle und Böschungen
- die zu erwartenden örtlichen Deformationen des Untergrundes infolge Krie- chens und Rutschens
- die hydraulischen Vorgänge usw.
Außerdem sind das Entwässerungssystem und die Grabentypen so zu wählen, daß sie nicht nur obigen „Anforderungen" genügen, sondern auch
- niedrige Baukosten - leichte Pflege - geringen Unterhalt - lange Lebensdauer
bei guter Wirksamkeit gewährleisten. Tritt man dann an die Detailprojektierung heran, so werden unter anderem Fragen folgender Art aktuell:
- Welches ist der erforderliche Grabenquerschnitt beziehungsweise auf welchen Abfluß ist der Graben zu dimensionieren?
- Welche Neigung der Gr.abenböschung ist stabil?
- Mit welchen Wassertiefen und Fließgeschwindigkeiten ist zu rechnen? Werden zulässige Werte überschritten, und welches sind diese zulässigen Werte?
- Könnten eventuell gewisse hydraulische Vorgänge Schwierigkeiten bereiten?
- Was kann bei den Gräben und Känneln konstruktiv vorgekehrt werden gegen Schäden infolge Bodenbewegungen oder spezieller hydraulischer Vorgänge?
Diese Vielzahl von Fragen, denen man gegenüber steht, ve rlangt ein Eintreten auf die grundsätzlichen Probleme vor allem aus den Bereichen Hydrologie, Hydraulik und Bodenmechanik. Dies führt zu folgendem Publikationsinhalt:
1. Einführung in einzelne Bereiche der Entwässerungshydrologie mit dem Ziel, den Dimensionierungsabfluß abzuschätzen.
2. Einführung in einige hydratJlische Vorgänge steiler Gerinne mit dem Ziel, Hin- weise für die konstruktive Gestaltung und die erforderlichen Gerinneabmessun- gen zu erhalten.
3. Aufzeigen von konstruktiven Möglichkeiten und Vermitteln einiger Bauerfah- rungen mit dem Ziel, optimale Lösungen anzustreben.
Es wäre zusätzlich der Wunsch, auch
4 . das „Gespür" für die hydraulischen Vorgänge zu fördern und 5 . die Grenzen des „Machbaren" aufzuzeigen.
Diese letzten beiden Punkte können aber nur zu einem kleinen Teil vermittelt werden.
Der andere, weitaus größere Teil ist vom Leser selber zu leisten: Gute Grundlagenkennt- nisse, eigene praktische Arbeit und ein nachhaltiges Sichvertiefen bauen diese Erfah- rungen langsam auf und aus.
Aus verschiedensten Gründen ist es nicht möglich, auf alle Probleme der Ent- wässerungen einzutreten. Es wurde deshalb aus der Sicht der Erfahrungen der letzten Jahre eine Auswahl getroffen. Der dargebotene Stoff wurde so dargestellt, daß er dank wesentlicher Vereinfachungen (Simplifizierungen) leichter lesbar und vor allem dem Praktiker gute Einstiegsmöglichkeiten und Hilfen bieten sollte. Daß dadurch Unge- nauigkeiten in Ausdruck, Inhalt und Ergebnis entstanden, war nicht zu umgehen. Doch wird dies auf die Qualität eines Entwässerungsprojektes kaum Auswirkungen haben .
Da in dieser Publikation nicht auf Entwässerungen im Sinne der Grundwasser- absenkung in flachem Gelände und auch nicht auf solche der forstlichen oder landwirt- schaftlichen Bodenverbesserung eingetreten wird, sei auf die Fachliteratur (1.1-1.4) verwiesen.
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Dimensionierungsabf!uß 15
2
Der Dimensionierungsabfluß
War man bis anhin mehrheitlich der Auffassung, daß Entwässerungsgräben in Rutsch- gebieten das anfallende Wasser problemlos abzuführen vermögen, so bewiesen die
Ereignisse der letzten Jahre das Gegenteil. Starke Erosionswirkungen infolge großer Hochwasserabflüsse führten, wie erwähnt, zu erheblichen Schäden an den Entwässe- rungsgräben. Diese Schäden reichten vom Wegreißen einiger Grasmotten aus der Gra- benböschung bis zur vollständigen Zerstörung des Entwässerungsgrabens. Die größten Schäden entstanden mehrheitlich in den Hauptgräben. Dem „Dimensionierungshoch- wasser" kommt offenbar nicht nur bei Bächen und Flüssen, sondern auch bei den Ent- wässerungen wesentliche Bedeutung zu (Abb. 2.1 und 2.2).
Um die Abflußverhältnisse von Rutschungsentwässerungen etwas zu klären, wird nachfolgend überschlägig untersucht, welcher Art und von welcher Größen- ordnung die Abflüsse sein können. Insbesondere ist festzustellen, welches der größte Wasserspender ist. Hierauf soll gezeigt werden, wie die Größtabflüsse berechnet werden können, und zwar in Abhängigkeit ihrer „Jährlichkeit''. Schließlich ist festzulegen, auf welche Jährlichkeit die Gräben zu bemessen sind. Die Jährlichkeit ist hierbei die Zeit- periode, innerhalb welcher ein Ereignis einer bestimmten Größe im Durchschnitt einmal erreicht oder überschritten wird .
Abbildung 2.1
Entwässerung, die anläßlich eines extremen Unwetters durch Erosion der Kännelbettung, Böschungs-
rutschungen und Bodenbewegungen zerstört wurde. Photo EAFV
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Dimensionierungsabf/uß 17
Abbildung 2.2
Durch extremes Unwetter zerstörter Entwässerungsgraben; Geröll und schwere Betonschalen (Ge- wicht etwa 120 kg) wurden als Geschiebe abtransportiert und in Flach strecken abgelagert.
Photo EAFV
2.1
Die Wasserspende
Als Wasserspender sind zu nennen: der Sickerwasserzufluß, die Schneeschmelze, ins- besondere die Frühjahresschneeschmelze, und der Regen.
Sickerwasser
Eine Überschlagsrechnung bestätigt die Erfahrung, daß der Sickerwasseranfall auch bei relativ großer Bodendurchlässigkeit und großem Sickergefälle im Verhältnis zum Was- seranfall von starkem Regen klein ist. Abgesehen von Quellen kann deshalb auf eine Berücksichtigung des Sickerwassers bei der Festlegung des Dimensionierungs-Hochwas- sers verzichtet werden .
Schneeschmelze
Am Beispiel von Gams kann gezeigt werden, daß dort durch die Schneeschmelze im Extremfalle rund 650-700 mm Wasseräquivalent innerhalb eines Monats abgebaut werden, das heißt rund 20-25 mm/Tag, und im Normalfalle etwa rund 10-15 mm/Tag.
(Diese Daten gelten der Größenordnung nach auch für mittlere Höhenlagen der nörd- lichen Voralpen .} Auch wenn man noch einen Frühjahresregen hinzurechnet, liegt der Gesamtbetrag immer noch unter demjenigen eines extremen Starkregens.
Stark regen
Starkregen können außerordentlich große Abflüsse verursachen. Sie sind in der Regel eine ganze Größenordnung größer als die andern Wasserspenden, auch wenn Sicker- wasser plus Schneeschmelze mit ihren Größtwerten gemeinsam auftreten.
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6 10 20 30 60 Stunden 1 2 3 456 10 Minuten 2 4 6 8 12 18 24 Tage
• Dauer• des Ereignisses
Abbildung 2.3
Größenordnungen der „Abflüsse" aus Sicker- wasser, aus Schneeschmelze und aus Stark- regen am Beispiel der Gamser Wildbäche SG . Die Abflüsse sind in niederschlagsäquivalen- ten Werten (mm/h) dargestellt. Angegeben sind die Bereiche mit ihren oberen Begren- zungen in Funktion der Zeitdauer des Ereignisses .
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Dimensionierungsabfluß 19
Abbildung 2.3 zeigt die Wasserspenden von Starkregen, Schneeschmelze und Sicker- wasser im Vergleich, und zwar in Form eines Niederschlags-Intensitäts-Diagrammes.
Als „Niederschlagsintensität" wurden dort verwendet: die eigentliche Regenintensität des Regens, die Wasserwertabnahme der Schneedecke, ausgedrückt in Wasseräquivalent, sowie der spezifische Sickerwasserabfluß, ebenfalls ausgedrückt in Wasseräquivalent.
In dieser Betrachtung nicht berücksichtigt sind alle jene Vorgänge, die den Abfluß nur ausnahmsweise vergrößern, wie zum Beispiel der Ausbruch unterirdischer Wassertaschen, durch Rutschungsbewegungen verursachter Aufstau mit nachfolgendem Durchbruch und anderes mehr. Solche außerordentlichen Vorgänge, falls erwartbar, sind gesondert zu berücksichtigen.
Bei der Bestimmung des Dimensionierungs-Hochwassers reduziert sich nunmehr die Aufgabe auf die Abschätzung des Hochwasserabflusses aus Starkregen.
2.2 Bestimmung des Zusammenhanges Niederschlag/ Abfluß in Funktion der Wiederkehrperiode
für die Kleinsteinzugsgebiete von Entwässerungen
Als ersten Hauptschritt bei der Abschätzung des Dimensionierungshochwassers (OHO) hat man den Zusammenhang Niederschlag/Abfluß herzustellen, das heißt, aus dem Starkregen den Abfluß 0 zu berechnen. Da die Einzugsgebiete sehr klein sind, ist zum Beispiel die aus dem Wildbachverbau bekannte Beziehung
Q = ex • 1/1 • E'h
ex =Gebietskoeffizient 1/1 = Abflußkoeffizient E =Einzugsgebiet (km2)
2.1
nicht anwendbar. Sie ist nur für Einzugsgebiete E
>
0,5 km 2 einsetzbar und weist auch sonst verschiedene Mängel auf. Dagegen ist die sogenannte „Laufzeitmethode" aussage- kräftiger. Der Abfluß wird mit Hilfe von Gleichung 2.2 berechnet.OT = Abfluß der Jährlichkeit T (m3/s) a = Umrechnungsfaktor= 0,278 E =Einzugsgebiet (km2)
C =Wasserverlustkoeffizient etwa :s;;;; 0,60 'T = Regenintensität der Jährlichkeit T (mm/h)
2.2
Der Ausdruck (C • iT) wird manchmal auch effektiver Niederschlag genannt, das heißt, es ist der Anteil des Niederschlages, der nach Abzug aller Verluste (Haftwasser, Mulden- rückhalt, Infiltration usw.) effektiv als Oberflächenabfluß zur Verfügung steht.
2.2.1 Bestimmung der Starkregenintensität iT
Mit Hilfe der publizierten Starkregenanalysen für den schweizerischen Alpenraum und dessen Randgebiete (2.1 und 2.2) kann eine Abschätzung von iT in der Regel durch
1 nterpolation zwischen mehreren Meßstationen der Schweizerischen Meteorologischen Anstalt (SMA) erhalten werden. Man kann nun zwischen der Regenintensität i, deren Dauert und der Jährlichkeit T einen Zusammenhang in Form eines Regenintensitäts- d iagrammes herstellen. Als Beispiel diene Abbildung 2.4, welche für die Gamser Wild- bäche ausgearbeitet wurde. Die Abbildung zeigt, daß bei gleicher Jährlichkeit die
Regenintensität mit wachsender Regendauer abnimmt, oder daß ein Regen mit einer bestimmten Intensität mit zunehmender Regendauer immer seltener auftritt.
10-1.-..._ ... ... ...._ ... _.__ ... _ 6 10152030 60 Stunden 1 2 3 4 6 10
Minuten 1 2 3 4 6 8 121824 Tage Regendauer
Anmerkung:
Abbildung 2.4
Niederschlags-1 ntensitäts-Diagramm für das Gebiet der Gamser Wildbäche, ermittelt aus Daten verschiedener benachbarter Regen- rneßstationen der SMA für die Periode 1901 bis 1970. Als Hinweis für den „maximal mög- lichen Niederschlag" diene die Weltrekord- grenze nach R. D. Fletcher.
Beispiel:
Ein Regen einer Dauer von t = 10 h und einer Jährlichkeit von T = 100 Jahren ergibt eine mittlere Regenintensität von iioo = 16 mm/h oder total 160 mm.
Um die Abschätzung der Regenintensitäten zu erleichtern, wurde versucht, eine Schweizerkarte mit Flächen gleicher Regenintensitäten zu entwerfen. Das entstandene Bild war jedoch derart heterogen, daß es für den Benützer keine Hilfe gewesen wäre.
Auf deren Wiedergabe wurde deshalb verzichtet. Hingegen befindet sich im Anhang A7 eine Tabelle mit Angabe der 10-, 15- und 20-Minuten-lntensitäten der Jährlichkeit 2,3, 10 und 30 Jahre der Regenmeßstationen des schweizerischen Alpen- und Alpenrand- gebietes, Auszug aus den Unterlagen von (2.1) .
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Dimensionierungsabfluß 21
2.2.2
Das Prinzip der LaufzeitmethodeMan kann annehmen, daß in einem Einzugsgebiet dann der Höchstabfluß entsteht, wenn die Regendauer (dieser hohen Intensität) solange andauert, bis auch das entfern- teste Gebiet an die Meßstelle Wasser 1 iefert. Anders ausgedrückt, hat die Regendauer gerade so groß zu sein wie die Zeit, die das Wasser braucht, um aus dem entferntesten Gebiet A die Meßstelle B zu erreichen (Abb. 2.5). Diese Fließ- oder Laufzeit hat man demzufolge zu bestimmen.
Abbildung 2.5
Bach mit seinem Einzugsgebiet und eingezeichnetem, ent- ferntestem Punkt A der Fläche und der Meßstelle B am untern Ende des Einzugsgebietes.
Die Berechnung geht so vor sich, daß man für verschiedene Regenintensitäten iT die Laufzeit bestimmt und versucht, iT derart zu wählen, daß
tRegen = tlaufzeit 2.3
wird. Diese Beziehung kann mit Hilfe eines Iterations- oder eines halbgraphischen Ver- fahrens gelöst werden (2.2).
2.2.3
Bestimmung der LaufzeitDas Regenwasser fließt vorerst ungeordnet über die Bodenoberfläche ab und erreicht dann ein Kleingerinne, worauf es mit der Zeit in das Hauptgerinne gelangt. Man unter- scheidet deshalb in der Berechnung einen sogenannten „Oberflächenabfluß" und einen
„Gerinneabfluß" mit den dazugehörigen Laufzeiten.
ttota le Laufzeit = toberfläche
+
tGerinneBei den in der Regel kleinflächigen Entwässerungseinzugsgebieten, insbesondere wenn die Entwässerungsgräben mit Känneln ausgelegt sind, wird tGerinne sehr klein, so daß auf diesen Anteil der Laufzeit verzichtet werden kann und man vereinfacht annehmen darf
tlaufzeit = t oberflächenabfluß 2
Diese Oberflächenabfluß-Laufzeit kann berechnet werden mit der Gleichung
Beispiel:
_ 527 • c • L0b1;.
tob - Job i;. • (C • iT)2;.
tob = Laufzeit des Oberflächenabflusses (Minuten) c = Abflußkoeffizient,;;;;;; 0,10 (2 .2).
für Rutschgebiete etwa 0,03,;;;;;; c,;;;;;; 0,08 C =Wasserverlustkoeff izient,;;;;;; 0,60 (2.2).
für Rutschgebiete etwa 0,30,;;;;;; C,;;;;;; 0,60
L0b= zurückgelegter Weg bis zum Erreichen des nächstgelegenen Gerinnes, hangparallel in der Fallinie gemessen (m)
J0b =mittleres Gefälle entlang Lob (Absolutwert)
IT = Regenintensität der Jährlichkeit T und der dazugehörigen Regendauer t (mm/h)
2.4
Für die Entwässerung im Risiloch/Gamser Wildbäche findet man Lob= 35 m, J0b = 30% = 0,30, E = 0,0243 km2 (2,43 ha). Laut Abbildung 2.4 ist für eine Jährlich- keit von T= 20 Jahre und eine Regendauer von t = 1 Stunde die dazugehörige Regen- intensität i20 =39 mm/h . Für die Laufzeit findet man hierauf mit Hilfe von Glei- chung 2.4 und den Koeffizienten c = 0,10 und C = 0,60 eine Laufzeit von tob= 31,4 Mi- nuten. Im Vergleich zur dazugehörigen Regendauer von t = 1 Stunde ist
das heißt tRegen ist beim nächsten Rechenschritt kürzer anzunehmen und die Rechnung so lange fortzusetzen bis tob= tRegen wird .
2 Für Einzugsgebiete größer als-etwa 0,3 km2 (30 ha), ausnahmsweise 0,5 km2 (50 ha). die in einen Hauptstrang entwässert werden, sollte die Gerinnelaufzeit berücksichtigt werden.
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Dimensionierungsabfluß
2.2.4 Ergebnisse der Hochwasserberechnung für die Entwässerungen der Gamser Wildbäche
23
Die errechneten Abflüsse für das Gebiet „Risiloch" (Hauptgraben H) sind in Abb i l- dung 2.6 in Diagrammform dargestellt, wobei aus praktischen Gründen anstelle von 0 der spezifische Abfluß
q = -Q (m3/s • km2)
E
2.5gewählt wurde. Die Berechnung erfolgte unter der Annahme von C
=
0,60 (Lehm - böden) und c = 0,10 (stark unebenes, hydraulisch rauhes Gelände mit dichter Klein- vegetation). Diese Annahmen dürften etwas zu ungünstig sein. Als weitere, ebenfalls für Flyschgebiete mehr oder weniger akzeptable Annahme gelte für die Jährlichkeit:2.6 In dieser Berechnung sind, wie früher erwähnt, Quellenergüsse und außergewöhnliche Ereignisse nicht enthalten. Sie sind, falls notwendig, zusätzlich zu berücksichtigen.
5 10 20 40 60 80 100
Jährlichkeit T in Jahren
Abbildung 2.6
Für den Hauptgraben H der Gamser Wildbäche berechnete spezifische Abflüsse q mit dazugehöriger Regendauer beziehungsweise Laufzeit t in Abhängigkeit von der Jährlichkeit T.
Beispiel :
Bei einer Jährlichkeit von T = 20 Jahren beträgt der Abfluß q 20 = 10,8 m3/s • km2. Falls das Einzugs- gebiet E = 10 ha beträgt, das heißt 0,1 ·wäre 020 = 1,08 m3/s. Die dazugehörige Regendauer be- ziehungsweise die Laufzeit beträgt t 24 Minuten. (Bei der Bestimmung von 0 aus E • q ist zu be- achten, daß E nicht beliebig groß sein kann, weil sonst die Berechnungsannahme [Gerinnelaufzeit tG = O] nicht mehr zutrifft. E sollte deshalb, wie erwähnt, 0,3 km2 nicht überschreiten.)
24
2.3 Wie groß ist das Dimensionierungs-Hochwasser DHQ anzunehmen?
In Abbildung 2.6 ist es gelungen, den erwartbaren Hochwasserabfluß in Abhängigkeit von der Jährlichkeit darzustellen. Um das OHO festlegen zu können , sollte man sich auf eine bestimmte Jährlichkeit einigen. Diese Frage läßt sich nicht schlüssig beant- worten, da die Kenntnisse in verschiedensten Richtungen ungenügend sind. Man kann aber dennoch versuchen, das Problem „einzugabeln'; um derart dem gewünschten Ziel näherzukommen.
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Ein Weg könnte darin bestehen, mit Hilfe einer Kosten-Nutzen-Analyse zu operieren, das heißt Aufwand und Restrisiko einander gegenüberzustellen . Dieser Weg ist aus dem Wildbachverbau bekannt. Bei den Rutschungen ist es aber sehr schwierig , in Funktion des Entwässerungsaufwandes die dazugehörige Größe der noch zu er- wartenden Rutschungsschäden , das heißt den Wirkungsgrad der Entwässerungen, quantitativ zu bestimmen . Dieser Weg ist deshalb aus Kenntnismangel und wegen des großen Aufwandes nicht beschreitbar.
Ein anderer Weg besteht im Festlegen der Anforderungen, die an die Entwässe- · ( rungen zu stellen sind, Anforderungen, die zu erfüllen sind, wenn die Entwässerungen
bei akzeptabler „ Lebensdauer" gut funktionieren sollen. Demzufolge handelt es sich um einen Entscheid aufgrund von Funktionskriterien. Folgende 4 Fragen sind deshalb zu beantworten :
1. Falls eine Abdichtung der Gräben vorgesehen ist :
bis zu welchem maximalen Q hat der Kännel dicht zu sein?
2. Falls die Gräben erosionsgefährdet sind:
bis zu welchem maximalen 0 haben sie erosionsfest zu sein?
3. Falls die Grabentiefe begrenzt werden soll :
welches maximale Q sollen die Gräben bei randvoller Füllung schlucken können?
4. Falls eine Zerstörung durch Hochwasser möglich ist:
welches Zerstörungsrisiko soll in Kauf genommen werden?
Für Sammelgräben können folgende Antworten gegeben werden:
2.3.1 Grabendichtigkeit
Rutschungsentwässerungsgräben sollten grundsätzlich keine Wasserverluste aufweisen!
Diese Forderung muß aber nicht für jedes extreme Hochwasser erfüllt sein, insbeson- dere dann nicht, wenn ein sehr intensiver Regen das Rutschgebiet sowieso vernäßt. Es wäre deshalb vertretbar, wenn das durchschnittliche alljährliche Hochwasser ohne Ver- luste abgeführt werden könnte. Das Ergebnis ist noch sicherer, wenn 02,3 zugrunde- gelegt würde, das heißt das langjährige Mittel der Jahresgrößthochwasser. Man könnte auch der Forderung einer Erhöhung auf 05 oder gar auf 010 Verständnis entgegen- bringen. Im Falle der Gamser Wildbäche hat man sich auf 02,3 beziehungsweise auf den spezifischen Abfluß
q2,3 = 2,6 m3/s • km2 festgelegt.
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Dimensionierungsabfluß 25
2.3.2 Grabenerosionsfestigkeit
Die Gräben sollten so erosionsfest wie möglich sein, um größere Schäden bei Hoch- wasser an den Entwässerungsanlagen zu vermeiden. Es geht hierbei nicht nur um die unmittelbaren Schäden an den Böschungen, sondern auch um den dadurch entstehen- den Feststofftransport. Bei Gräben mit kleinem Gefälle ist die Forderung nach Ero- sionsfestigkeit leicht zu erfüllen. Bei großen Grabengefällen, wie sie bei Rutschungs- entwässerungen oft vorkommen, kann diese Forderung erhebliche technische Probleme und große Kosten verursachen. Grundsätzlich geht es darum, die Gräben über mög- lichst viele Jahre mit geringem Unterhalt durchzuhalten. Mit zunehmendem Bewuchs nimmt die Erosionsgefahr besonders bei den obern Böschungspartien der Gräben ab.
Weiter kann man berücksichtigen, daß die zu erwartende Lebensdauer von Entwässe- rungen nur etwa 10-20 Jahre, in seltenen Fällen 30 Jahre beträgt und in aktiven Rutschgebieten jedoch 10 Jahre nicht oder kaum erreicht. Aus dieser Sicht erscheint es angemessen, eine vollständige Erosionsfestigkeit für ein maximales Hochwasser einer Jährlichkeit von 10 und mehr Jahren zu verlangen. Für die Gamser Wildbäche wurde 010 beziehungsweise
q 10 = 6,6
m
3/s ·
km2gewählt. In Extremfällen, das heißt bei sehr ungünstigen Erosionseigenschaften von Grabenböschungen, ungünstigen ökologischen Verhältnissen oder speziell großen Si- cherheitsanforderungen, sollte 0 größer gewählt werden. Als obere Grenze ist das Schluckvermögen des Grabens anzunehmen.
2.3.3 Ausreichendes Schluckvermögen des Entwässerungsgrabens
Diese Forderung nach ausreichendem Schluckvermögen ist auf befriedigende Weise schwierig zu erfüllen. An sich wäre es erwünscht, wie bei den Wildbächen der Dimen- sionierung das Höchsthochwasser oder doch ein 0100 zugrundezulegen. Leider wären solche Gräben in vielen Fällen aus finanziellen, dann aber auch oft aus landschaft- lichen Gründen nicht tragbar. Auch wäre der Vorfluter auf eine entsprechende Wasser- führung auszubauen. Betrachtet man die Richtwerte von 0 anderer Länder (Tab. 2.1), so dürften die Rutschungsentwässerungen im Bereich landwirtschaftlicher und forst- licher „lntensivkulturen" mit 010_25 (Deutschland) beziehungsweise 015--:D (Öster- reich) eingereiht werden. Es geht ja um eine Rutschung, die zu sanieren beziehungs- weise am Weiterrutschen zu hindern ist, das heißt, es ist ein triftiger Grund vorhanden, . der einen veranlaßt, einzugreifen. Je nach der Gefährdung, insbesondere von Unter-
liegern (Siedlungen, Verkehrswege usw.), ist 0 zu wählen. Bei großem Schadenrisiko und voraussichtlich großen Schadenkosten sollte deshalb eine Jährlichkeit von 30 bis 50 Jahren, eventuell noch größer, angenommen werden. Andererseits kann es durchaus sinnvoll sein, zum Beispiel nur ein 010 zu wählen und in Kauf zu nehmen, daß das Rutschgebiet während des Ereignisses überschwemmt wird, vorausgesetzt, daß sich die dadurch zu erwartenden, verstärkten Bodenbewegungen in tragbarem Rahmen halten, das heißt zu keinen Schäden an Entwässerungen und sonstigen Anlagen führen.
26
Im Falle der Gamser Entwässerungen legte man sich auf beziehungsweise q:D 15,1 m3/s • km2
fest. Bei-diesem Entscheid, der nicht willkürlich erfolgte, wurde das „Zerstörungsrisiko"
mrtberucksichtigt.
Tabelle 2.1
Andernorts verwendete Dimensionierungs-Hochwasser
Verwendungszweck Wiederkehr- Bemerkungen
periodenT (in Jahren)
große Entwässerungsanlagen. (Überläufe, Graskanäle usw.) 5- 10 USA (2.3)
kleine Staubecken, Wassersammler usw. 10- 50 USA (2.3)
große Staubecken (der Kulturtechnik) 50-100 USA (2.4)
Landwirtschaftsgebiete (Schutz vor Überschwemmung) etwa 5 USA (2.3)
überbaute Gebiete, wichtige Verkehrsanlagen 50-100 BRD (2.5)
Einzelbauten, nicht dauernd bewohnte Siedlungen 25- 50 BRD (2.5)
1 andw irtschaftl iche 1 ntensivku ltu ren 10- 25 BRD (2.5)
Ackerflächen 5- 10 BRD (2.5)
Siedlungen, bedeutende Wirtschaftsanlagen, regional
bedeutende Verkehrsanlagen 100 A (2.5)
untergeordnete örtliche Verkehrsverbindungen 30 A (2.5)
intensive land- und forstwirtschaftliche Nutzung aller Art 15- 30 A (2.5)
Wildbäche, Flüsse 100 CH (2.6)
2.3.4 In Kauf zu nehmendes Zerstörungsrisiko für die Entwässerungsanlage
Wenn Q größer wird als das Q, für das zum Beispiel Erosionssicherheit geschaffen wurde, besteht die Gefahr von Erosionsschäden, die bis zur völligen Zerstörung der Anlage führen können. Das Zerstörungsrisiko wird aber auch beeinflußt durch die Zweckmäßigkeit der Entwässerungsanlagen, die Wahl der Gräben und Kännel, des Lebendverbaues, der Qualität der Arbeit und des Unterhaltes. Was man tun kann, ist festzustellen, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, daß während der Lebensdauer des Bauwerkes das Dimensionierungs-Hochwasser DHQ überschritten wird. Abbildung 2.7 stellt den Zusammenhang her zwischen der Jährlichkeit T von DHQ (x-Achse), der Bauwerkslebensdauer n (y-Achse) und der Wahrscheinl ichkeit P des Überschreitens (Parameter). Man kann die angegebenen Wahrscheinlichkeiten etwa wie folgt inter- pretieren:
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Dimensionierungsabf/uß 27
p Wahrscheinlichkeit für Bemerkungen Eintreffen Nicht-
eintreffen
(%) (%) (%)
1 1 99 „äußerst" geringe Wahrscheinlich keit für Eintreffen 10 10 90 geringe Wahrscheinlichkeit für Eintreffen
50 50 50 die Wahrscheinlichkeit für Eintreffen beziehungsweise Nicht- eintreffen ist gleich groß
99 99 1 das Ereignis trifft mit „Sicherheit" ein
Bei der 2. Forderung ( Erosionssicherheit) wurde ein 010 gewählt. Bei einer Lebens- dauer der Entwässerung von n = 15 Jahre (Mittel aus 10-20 Jahren), ist somit die Überschreitungswahrscheinlichkeit während der 15 Jahre nahezu 82 Prozent, das heißt, wir müssen unbedingt annehmen, daß noch größere Hochwasser auftreten. Bei nur wenig größeren Hochwassern als 010 ist allerdings nur mit geringen Schäden zu rechnen. Für ein doppelt so großes 0, welches nach Abbildung 2.6 einem 026 ent- spricht, wäre P
=
44% und für ein viermal so großes 0, welches nach Abb.ildung 2.6Abbildung 2.7
Risiko in %, bzw. Wahrscheinlichkeit P des Auftretens eines Hochwassers grösser als OHO
,2\0 ['\o ,2\0
<$' 05' Cl)<;) ,,_.,
5 10 50 100 . 500 1000
Wiederkehrintervall T (in Jahren) der Projektwassermenge
rt\o
5000 10000
Überschreitungswahrscheinlichkeit in Funktion der Lebensdauer des Bauwerkes und der Wiederkehr- periode des OHO (gültig für „erstmalige" Ereignisse), (2. 7, 2.8).
Beispiel :
Gewählt wurde für ein Bauwerk der Lebensdauer n = 10 Jahre ein OHO= 0 20 . Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, daß während der Lebensdauer des Bauwerkes, das heißt in den ersten 10 Jahren nach Fertigstellung, ein 0
>
020 auftritt? - Die Wahrscheinlichkeit ist 42%, das heißt, die Möglich- keit des Eintreffens eines größeren Ereignisses als OHO beziehungsweise des Nichteintreffens ist nahe bei 1: 1, was einem ziemlich großen Risiko entspricht.einem 057 entspricht, wäre P = 24%. Das heißt, es ist ziemlich riskant, die Erosions- sicherheit nur auf 010 abzustützen. Es ist wahrscheinlich, daß während der Lebens- dauer von n = 15 Jahren mit Schäden durch Hochwasser zu rechnen ist.
Bei der Forderung nach Überflutungs- und Ausbruchssicherheit mit 03J und n = 15 Jahren beträgt nach Abbildung 2.7 die Eintreffenswahrscheinlichkeit P = 39%.
Ein doppelt so großes 0 entspricht nach Abbildung 2.6 einem 064 mit einem P = 21%
(Abb. 2.7). Die Gefahr, daß ein kräftiges Überfluten stattfindet, ist in der Regel für solche Anlagen gerade noch tolerierbar.
2.3.5 Zusammenfassung
Für die Sammelgräben der Gamser Entwässerungen wurden gewählt : - keine Wasserverluste 0 = 02.3
- volle Erosionsfestigkeit 0 = 010 - Überfluten zulässig für 0
>
030Hierbei wurde in Kauf genommen, daß für Q
>
010 mit teilweisen Zerstörungen oder doch Schäden an den Anlagen zu rechnen ist.Aus heutiger Sicht sind die folgenden Dimensionierungs-Hochwasser OHO vertretbar (Tabe! le 2.2).
Tabelle 2.2
Dichtigkeit Erosions- Überfluten festigkeit
Hauptsammelgräben (große Sicherheit) 02.3 bis 05 0 10 bis030* 030bis 050 Zweitrangige Sammelgräben (mittelgroße Sicherheit) 02,3 010* 030 Drittrangige Entwässerungsgräben (kleineSicherheit) 02,3 05 -
* Wegen der großen Schw ierigkeiten, Naturböschungen einigermaßen erosionsfest zu bauen, läuft die Bedingung für Erosionsfestigkeit oft darauf hinaus. die K ännel so groß zu wäh len, daß 010 vollständig innerhalb des Känne ls abfließen kann. Das heißt, daß die Kännel auf 010 zu bemessen sind und daß für 0 > 010 noch ein teilweiser b is voller Böschungsschutz, entsprechend Kapitel 6, vorzusehen ist.
Bezüglich der Erosionssicherheit reicht allerdings diese ausschließlich wahrscheiniich- keitstheoretische Überlegung nicht unbedingt aus. Gesetzt der Fall, das Schluck- vermögen des Grabens sei aus irgendwelchen Gründen über eine längere Strecke wesentlich größer als 03'.J, das heißt es ist möglich, daß ein größeres Q als 03J im Gra- ben abfließt, dann wird die hydraulische Beanspruchung wesentlich größer als geplant.
Die Dimensionierung auf 010 für Erosionsfestigkeit reicht dann keinesfalls mehr aus und müßte auf ein größeres Q bemessen werden. Im Kapitel 6 wird auf die hydraulische Beanspruchung der Gräben und deren technische Handhabung eingetreten .
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Dimensionierungsabfluß
29
Je nach der Bedeutung der Rutschungsentwässerungen und der möglichen Scha- denfolgen sind die Sicherheiten höher oder, falls begründet, eventuell auch niedriger anzunehmen . Des weitem ist das voraussichtliche Funktionsalter (vorgesehene Lebens- dauer) zu berücksichtigen. Hat die Entwässerung nur solange zu funktionieren, bis zum Beispiel die Aufforstung einen wesentlichen Teil der Entwässerungswirkung übernehmen kann, sind geringere Sicherheiten erforderlich, als wenn es sich um permanente Bau- werke handelt, deren Funktionieren ständig sicherzustellen ist und bei denen ein
Nichtfunktionieren für die Unterlieger schlimme Folgen haben könnte.
Abbildung 3.1
Grabenrutschung: Die Böschung rechts im Bild rutschte ab, verstopfte den Kännel und verursachte ein Ausweichen des Abflusses auf die Gegenseite, was dort zu weiteren Erosions- und Rutschungs- schäden führte. Daraus resultierte grabenabwärts die Erosion der Känneleinbettung. (Entwässerung Pfiffegg/Wägital nach dem katastrophalen Unwetter von 1978.) Photo EAFV
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Zulässige Böschungsneigung
3
Aus bodenmechanischer Sicht zulässige
Böschungsneigung der Entwässerungsgräben
Die zulässige Böschungsneigung eines Entw ässerungsgrabens hängt ab von - den Bodeneigenschaften,
- der Grabentiefe bzw. der Böschungshöhe, - der Sickerströmung zum Graben,
- der allgemeinen Hangneigung.
31
Es hand elt sich demnach um nichts anderes als um das Problem der Rutschungs- stabilität einer Böschung. In der Regel wird diese Stabilität durch die Vegetation (Was- serentzug, Durchwurze lung) verbessert und durch das im Graben fließende Wasser (Schubkräfte auf die Ufer) verschlech t ert . Der ungünstigste Fall tritt hinsichtlich Sta- bilität meist dann auf, wenn der Entwässerungsgraben nur wenig oder prakt isch kein Wasser führt, dagegen die Böschungen nahezu oder gänzlich mit Wasser gesättigt sind . In Abbi ldung 3.2 wäre dann die Sickerl inie etwa mit der Bodenoberfl äche identisch . Dies ist zum Beispiel im Anschluß an einen Starkregen denkbar. Im Falle von Gams tritt dieser Zustand etwa bei einem 10j ährlichen oder se lteneren Starkregen ein3. Für
Hangquelle
Abbildung 3.2
Graben mit festem Kännel: Eingetragen ist die maßgebende Gleitfläche, welche meist direkt über dem Kännel die Grabenböschung erreicht. Die Sickerlinie, als Grenze zwischen gesättigtem und ungesättig- tem Boden, trifft die Böschung bei der sogenannten #Hangquelle': Von dort an abwärts tritt Wasser an die Böschungsoberfläche aus. H ist die für die Rutschung maßgebende Böschungshöhe.
3 Diese A ussage basiert auf: koarcy.;;;; 10- 3 cm/s, Böschu ngshöhe.;;;; 4,0 m. Bei einem koarcy = 10-2 cm/s wäre sinngemäß ein etwa 20 jährlicher Starkregen erforderlich, um Sättigung zu erreichen. Sind im Boden Grobporen vorhanden (Wurzelkanäle , Maus- und Wurmlöcher usw.), so wäre noch mit größeren erforderlichen Regenintensitäten zu rechnen, um volle Sättigung zu erhalten.
die mittlere Bodendurchlässigkeit von koarcv.;;;;; 10-3 cm/s wurde das Diagramm in Abbildung 3.3 erstellt, aus dem die zulässige Böschungsneigung für gesättigten Boden in Abhängigkeit von der Scherfestigkeit (Kohäsion c' und Winkel der innern Rei- bung <P'), der Böschungshöhe H und dem Raumgewicht bei Sättigung 'Yg mit einer Sicherheit von F = 1,0 ermittelt werden kann. Es ist die Meinung, daß ein Sicherheits- grad F = 1,1 bis 1,3, in der Regel 1,2 eingeführt wird, um die Heterogenität des Bodens und die Schwierigkeit in der Schätzung der Bodenkennziffern abzudecken. Der Sicher- heitsgrad F wird in Abbildung 3.3 derart berücksichtigt, daß man anstelle von tg <P' die Größe+· tg <P' und anstelle von c' die Größe
f ·
c' einführt. Es ist festzuhalten, daß dieses Diagramm weder den früher erwähnten Einfluß der Vegetation noch den Einfluß der im Graben vorhandenen Hochwasserschubkräfte berücksichtigt, in der Annahme, daß sich beide Effekte etwa aufheben werden. Dies bedeutet unter anderem, daß für vegetationsfrei verbleibende Böschungen ein Sicherheitsgrad von mindestens F 1,2c' 'Yg. H
0,25 +----t---+----+=""""...::
0 0, 10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 tg <I>'
200 250 300 35o 380 <!>' (0 )
Abbildung 3.3
Zulässige Böschungsneigung a bei einem Sicherheitsgrad F = 1,0 für vollständig gesättigten Boden, berechnet nach der Methode von Janbu für Kreisgleitflächen.
Beispiel:
gegeben:
gesucht:
Vorgehen:
Lösung:
toniger Sand SC-CH, 'Yg = 1,86 t/m3 (18,6 kN/m3)4, c' = 1,0 t/m2 (10 kN/m2), <I> =
H = 3,5 m
Böschungsneigung a bei einem Sicherheitsgrad F = 1,3 auf der Ordinate: c'/-y9 • H = 0,154
mit F = 1,3 wird (c'h9 • H) • 1/F = 0,154/1,3 = 0,119
auf der Abszisse: tg <I>' = 0,510
mit F = 1,3 wird tg <l>'/F = 0,510/1,3 = 0,392
Aus dem Diagramm erhält man tg a = 0,87, das heißt a = 41°
4 Umrechnung in SI-Einheiten siehe Anhang A2.
(
c
(
(
(
(_
Zulässige Böschungsneigung 33
anzunehmen ist. Auch ist aus dieser Sicht der Bauzustand und die ersten Jahre danach eine stabilitätsmäßig heikle Zeitphase, auch wenn die Böschungen begrünt wurden. Dies dauert solange an, bis die Vegetation voll wirksam geworden ist. - Stark vernäßte Böschungen (Quellen, massive Exfiltrationen usw.) verlangen einen zusätzlichen Bö- schungsschutz (siehe zum Beispiel Abb. 8.4).
Das praktische Vorgehen zur Bestimmung der zulässigen Böschungsneigung ist wie folgt:
- Man stelle im Gelände fest, mit welcher Bodenart man es zu tun hat. Man be- stimme mit Hilfe der Bodenklassifikation (Feldmethode nach SNV 70010 und Tabelle 3.1) die Bodenkennziffern. Das in Tabelle 3.1 angegebene, nicht gesät- tigte Raumgewicht 'Y ist mit Hilfe von Tabelle 3.2 in d.as gesättigte Raum- gewicht 'Yg umzurechnen und dieses einzusetzen.
- Man bestimme H unter Abzug der Kännelhöhe (falls die Kännel genügend Sei- tensteifigkeit aufweisen).
- Man ermittle c'h9 • H • F beziehungsweise tg <l>'/F und greife aus Abbildung 3.2 den dazugehörenden Winkel ex heraus (siehe auch das Ablesebeispiel in Abbil- dung 3.3).
0 ,9
Rutschungen
c:
"' 0,8
"' E
"' z
.!: 0,7
0,6
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
tg a, berechnet nach Abbildung 3.3, für F = 1,0
Abbildung 3.4
Gegenüberstellung von berechneten und gemessenen Böschungsneigungen tg a am Beispiel der Ent- wässerungen von Gams. Eingetragen sind die ursprünglich eingebauten Böschungen und diejenigen, die sich nach erfolgter Rutschung einstellten. Die 45°-Gerade gibt den Ort exakter Übereinstimmung zwischen tg agemessen und tg %erechnet an. (Die Untersuchungen werden fortgesetzt.)
