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Dämme sind häufigste Typ von Absperrbauwerken, um im Wasserbau den Wasserkörper zurückzuhalten. Der Zweck reicht von der Wasserversorgung, der Wasserkraft, der Schifffahrt zum Hochwasserschutz. Letztlich dreht sich allerdings auch die Geopolitik rund um Ressourcen und Dammprojekte.

Alternativen zu Staudämmen stellen Pfeilerstaumauern, Bogenstaumauern und Gewichtsmauern aus Beton dar.

Dammbauwerke werden durch alle Boden- und Felsarten hergestellt, insofern diese standfest verdichtbar und wasserbeständig sowie erosionssicher sind. Eine Ausnahme bilden organische Böden, die nicht als Dammbaustoff geeignet sind. Organische Beimengungen sind bedingt einsetzbar.

Homogene Dämme aus einheitlichen feinkörnigen Erdstoffen werden nur für geringe Stauhöhen bis zu 30 Meter verwendet. Aufgrund der Feinkörnigkeit ist die Durchlässigkeit gering (kf ≤ 10^-7 m/s). Allerdings ist auch die Scherfestigkeit gering, sodass nur flache Dämme ausführbar sind, woraus auch der hohe Materialbedarf resultiert.

Gegliederte Dämme aus gemischtkörnigen, nichtbindigen oder gebrochenen Lockergesteinen bestehen aus verwitterungsbeständigem Stützkörpermaterial mit einer hohen Scherfestigkeit, einer geringen Zusammendrückbarkeit sowie einer entsprechend höheren Durchlässigkeit (kf ≥ 10^-5 m/s). Daraus folgt, dass eine Dichtung einzubauen ist, die entweder an der wasserseitigen Oberfläche oder mit Innendichtung auszuführen ist.

Hohe Dämme mit Dichtkern werden wasser- und luftseitig in mehreren Zonen mit unterschiedlicher Körnung gebaut. Die Korngrößen nehmen von innen nach außen zu. Der Dichtungskörper wird aus bindigen Erdstoffen hergestellt, die sich ausreichend verdichten lassen, erosionsfest sind und über die notwendige Durchlässigkeit verfügen (kf < 10^-7 m/s). Luft- und wasserseitig werden abgestufte Filter eingebaut, die vor Erosion schützen.

Alternativen zu bindigen Dichtungskernen stellen künstliche Innendichtungen aus Asphaltbeton, Tonbeton, Zementbeton oder durch eine Dichtungswand zur Verfügung.

Oberflächendichtungen, die aus Asphaltbeton, aber auch aus natürlichen Erdbaustoffen (sind in der Regel nicht ausreichend und werden durch künstliche Abdichtungen ergänzt) und verbesserten Erdbaustoffen sowie aus Kunststoffdichtungsbahnen bestehen, schützen den Damm oberflächlich, sodass die Anforderungen an das Dammmaterial entsprechend geringer sind. Die Dammdichtung wird in der Regel auf dichtem Untergrund gegründet.

Dämme sind in der Regel nur relativ dicht, weil natürliche Dichtungsmaterialien über eine bestimmte Durchlässigkeit verfügen, weil aber auch künstliche Dichtungen über Fehlstellen verfügen, sodass eine bestimmte Durchsickerung stattfindet. Infolgedessen sind Entspannungsmaßnahmen zu setzen, um Sickerwasser über Dränagen und Filter abzuführen. Filter werden in der Regel mit Kunststoffvliesen eingebaut.

Neben der Durchsickerung ist die Unterströmung wesentlich, um Erosionskanäle zu verhindern. In der Regel wird luftseitig ein Flächenfilter oder ein Entspannungsgraben (mit Entspannungsbrunnen) angeordnet werden, um Unterströmungen mit Erosionskanälen zu verhindern.

Untergrundabdichtungen werden mittels Dichtungswänden oder Injektionsschleier ausgeführt. Dichtungswände bestehen aus Schlitzwänden, Hochdruck-Düsenstrahlwänden, Stahlspundwänden, Bohrpfahlwänden oder werden im Bodenmischverfahren (Cutter Soil Mixing CSM, Deep Soil Mixing DSM) hergestellt.

Bodenmischverfahren verwenden den anstehenden Boden als Baumaterial. Dadurch können Abdichtungsmaßnahmen effizient durchgeführt werden. Beim Mixed-In-Place-Verfahren (MIP) werden Boden und Zementsuspension durch eine Bohrschnecke mechanisch vermischt. Der Boden wird aufgelockert und durchmischt. MIP-Wände können grundsätzlich bis zu 25 Meter Tiefe ausgeführt werden. Beim Cutter-Soil-Mixing-Verfahren (CSM) werden spezielle Fräsen eingesetzt, die kontinuierlich eine Zementsuspension beimischen.

Dichtungswände sind in ihrer Tiefe begrenzt. Tiefer reichende Dichtungen werden als Injektionsschleier ausgeführt. Die Wahl des Injektionsmittels richtet sich nach der Durchlässigkeit des Untergrundes. In der Regel wird eine Zementsuspension eingesetzt.

Bezugnehmend auf die Erosion wirken in Dämmen zwei Mechanismen:

• Korntransport im Inneren: Suffosion, innere Erosion, Kontakterosion oder Fugenerosion
• Äußere Erosion: Anströmung der Bodenoberfläche und Kolkbildung.

Der Erosionsgrundbruch oder Piping ist hingegen eine rückschreitende Erosion und kommt in vorhandenen Lockerzonen, in Sandadern in schwach bindigen Bodenschichten (welche eine Durchströmung ermöglichen) sowie in Hohlräumen, die durch Bohrungen entstehen, vor. Das Bodenmaterial wird im Zuge des Erosionsgrundbruchs ausgespült. Damit es zum Piping kommt, der vom Austrittspunkt ausgeht, muss das hydraulische Gefälle entsprechend hoch sein. Das Piping ist eine Sonderform der Suffosion an Böschungsfüßen.

Der Dammbau ist infolgedessen ein komplexes und technisch anspruchsvolles Feld, das eine Vielzahl von Ingenieurdisziplinen und sorgfältige Planung erfordert, um sicherzustellen, dass die Bauwerke sicher und effektiv sind.

Sehr gut durchlässige Böden (kf > 10^-2 m/s): Blöcke, Steine, Grobkies. Wasser wird sehr schnell aufgenommen und abgegeben. Solche Bodenarten eignen sich als Wellenbrecher sowie als Drän- und Filtermaterial.

Gut durchlässige Böden (kf < 10^-2 m/s): Kies und Sand. Wasser wird schnell aufgenommen und abgegeben. Die Versickerung von Regen- und Fremdwasser erfolgt rasch. Solche Bodenarten eignen sich als Drän- und Filtermaterial beim Brunnenbau und als Dränagen.

Durchlässige Böden (kf < 10^-4 m/s): Feinsand, schluffiger Sand, Mutterboden. Die Versickerung von Regenwasser erfolgt langsam. Solche Bodenarten eignen sich als Dammschüttmaterial im Wasserbau.

Feinkörnigere Böden sind anfällig für Frostempfindlichkeit sowie Pfützenbildung. Die Durchlässigkeit kf < 10^-4 m/s bildet die Grenze.

Schwach durchlässige Böden (kf < 10^-6 m/s): Lehm, Schluff, tonig-schluffige Mischböden. Es findet keine sichtbare Versickerung statt, es bilden sich Pfützen. Solche Bodenarten eignen sich für Dichtzecke im Wasserbau.

Sehr schwach durchlässige Böden (kf < 10^-8 m/s): Ton und Tonstein. Es findet keine sichtbare Versickerung statt. Die Filtergeschwindigkeit beträgt Zentimeter bis Millimeter im Jahresbereich. Solche Bodenarten eignen sich für Dichtzecke im Deponiebau.

Dammbau und Dammbruch

Hydraulische Instabilität: Innere und äußere Erosion

Literatur:

[1] Karl Josef Witt: „Grundbau-Taschenbuch – Teil 2, Geotechnische Verfahren“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2018

[2] Conrad Boley: „Handbuch Geotechnik – Grundlagen, Anwendungen, Praxiserfahrungen“, Vieweg Teubner, Wiesbaden 2012

[3] Helmut Prinz und Roland Strauß: „Ingenieurgeologie“, Springer Spektrum, Berlin 2017

[4] Wolfgang Dachroth: „Handbuch der Baugeologie und Geotechnik“, Springer Verlag, Berlin 2017