Wasserwirtschaftliche Betrachtung Straßenbau im Überschwemmungsgebiet

Wasserwirtschaftliche Betrachtung

Straßenbau im Überschwemmungsgebiet

Infos

1. Bautechnische Betrachtung

1.1 Bodenmechanische/geotechnische Betrachtung mit Fokus Wassereinfluss:

Der Boden bildet als Untergrund nicht nur das Fundament für das Bauwerk Straße. Er ist zugleich auch Baustoff. Der Abtrag im Einschnitt und die Auffüllung im Damm unterliegen den bodenmechanischen und geotechnischen Bedingungen.

Der größte Teil der Arbeit wird maschinell durchgeführt. Trotzdem muss die Baudurchführung den Boden- und Witterungsbedingungen angepasst werden. Während bei sandigem und kiesigem Boden das Niederschlagswasser meist rasch absickert, muss man bei bindigen Bodenarten verhindern, dass sich während der Bauzeit Wasser auf dem Bauplanum sammelt. Bei den Böden ist darauf zu achten, dass bei ihrer Verdichtung nicht zu viel Wasser im Boden vorhanden ist. Ebenso darf durch die Verdichtung, besonders beim Einsatz von Rüttelgeräten, kein Grundwasser nach oben gezogen werden. Wassergesättigter Boden hat keine ausreichende Tragfähigkeit.

Ist die Witterungslage unbeständig, muss ständig für ein ebenes Planum gesorgt werden. Hier lohnt es sich einen Grader einzusetzen, dessen Aufgabe darin besteht, die Fahrtrasse der Baufahrzeuge im bindigen Boden ständig von Fahrspuren der Baufahrzeuge frei zu halten. Dabei soll gleichzeitig das Planum mit mindestens 4,0% Querneigung zum Rand ausgebildet werden. Dorthin muss Oberflächenwasser abfließen können. Das bedeutet aber, dass an den Rändern während der Bauzeit eine Entwässerungsmöglichkeit vorhanden sein muss. Eine behelfsmäßige Mulde mit Gefälle muss deshalb rechtzeitig angelegt werden, die solange in Betrieb bleibt, bis die endgültigen Entwässerungseinrichtungen eingebaut sind. Es ist deshalb sinnvoll, den Erdeinschnitt so anzulegen, dass man vom Tiefpunkt aus den Abtrag beginnt und auch die Gräben für die Entwässerungsleitungen vom Tiefpunkt zum Hochpunkt anlegt. So kann bei Gewittergüssen das Wasser immer abfließen.

Während des Regens ist der Fahrbetrieb auf bindigem Planum einzustellen, damit der Boden nicht mit Wasser angereichert wird und als nicht brauchbar später abtransportiert werden muss. Nach dem Regen ist eine angemessene Zeit mit dem Beginn des Befahrens zu warten.

Verschiedene Böden sind bei Neigung m = 1 : 1,5 nicht standfest, wenn Oberflächenwasser eintritt und damit die innere Reibung verringert wird. Hier kann man Abhilfe schaffen, indem man entweder die im Abschnitt Entwässerung beschrieben Sickerscheiben oder -schichten einbaut oder durch die Herstellung von Rigolen das Wasser ableitet. Werden die Rigolen aus Geflecht von Weidenzweigen hergestellt, bilden diese Reiser nach einiger Zeit Wurzeln und entwickeln ein Strauchwerk, das dem Boden auf natürliche Weise Wasser entzieht.

1.2 Planungsgrundsätze:

1.2.1 Allgemeine Planungsgrundsätze:

Wasser stellt eine Gefahr für die Lebensdauer der Straße und ihrer Bauwerke dar und beeinträchtigt die Sicherheit der Verkehrsteilnehmer. Bei der Planung von Straßen sind darüber hinaus die Einwirkungen des Bauwerks und der dafür erforderlichen Arbeiten auf Gewässer und Grundwasser zu berücksichtigen. Daneben sind die schädlichen Einflüsse des Wassers auf den Straßenbestand gering zu halten. Beim Entwurf von Straßen sind deshalb auch die klimatischen Verhältnisse zu ermitteln, denn die Menge der örtlichen Regenspende, deren Dauer und die Verzögerung, mit der das Wasser die Entwässerungseinrichtungen der Straße erreicht, haben Einfluss auf die Bemessung der Rohrleitungen und Schächte.

Ein Wasserfilm auf der Fahrbahn vermindert die Verkehrssicherheit. deshalb dürfen Flächen außerhalb der Fahrbahn kein Wasser auf die Fahrbahn leiten. Ausnahmen bilden Rad- und Gehwege in bebauten Gebieten. Wasser muss schadlos zum Vorfluter abgeleitet werden. Die Leistungsfähigkeit vorhandener Kanalleitungen ist zu überprüfen! Die Trasse führt man am besten so, dass Wassergewinnungsgebiete nicht berührt werden.

Die Unterkante des Straßenaufbaus soll Grundwasser nicht anschneiden.

Es ist darauf zu achten, dass stets das Wasser auf kurzem Wege den Entwässerungseinrichtungen zugeführt wird. Entwässerungseinrichtungen sollen leicht zu warten sein. Oberirdische Ableitungen sind deshalb besser als unterirdische. Außerorts strebt man die Versickerung des Oberflächenwassers an. Sonst muss es dem Vorfluter zugeleitet werden. Sind Verunreinigungen des Wassers zu erwarten, müssen diese durch Rückhalte- und Klärbecken aufgefangen werden. Auf eine landschaftsgerechte, naturnahe Ausgestaltung ist zu achten. Auf Brücken ist besonders sorgfältig zu entwässern, da im Winter erhöhte Glatteisgefahr besteht. Außerdem darf kein Wasser ins Bauwerk eindringen. Anfallendes Wasser ist durch Brückeneinläufe vor dem Überbauende zu sammeln. Um stauende Nässe hinter den Widerlagern zu vermeiden, ist hinter diesen eine Kiesschüttung von mindestens 1,00 m einzubauen. Das anfallende Sickerwasser ist abzuleiten.

1.2.3 Ableitung von Wasser und Entwässerungseinrichtungen:

Wasser fällt auf der Straßenoberfläche und im Straßenkörper an.

1.2.3.1 Oberflächenwasser auf Fahrbahn und Böschung:

Fahrbahnen werden meist nach einer Seite geneigt. Um eine rasche seitliche Abführung des Oberflächenwassers zu erzielen, ist die Mindestquerneigung auf 2,5% festgelegt: Querneigung der Fahrbahn und des Seitenstreifens bzw. Hochbord + Straßeneinlaufschächte, Mulde mit Längsleitung und Muldeneinlaufschächten sowie Sammelleitung. Des weiteren ggf. Abdeckung mit bindigem Boden und Mutterbodenauftrag.

1.2.3.2 Kapillarwasser:

Erdplanum (Querneigung > = 2,5 % bzw. 4% bei wasserempfindlichen Böden, Ebenheit +/- 3 cm; evtl. Versiegelung) + Filter- und Dränfunktion der „Unteren Tragschicht“ (FS-Schicht)

1.2.3.3 Hangwasser:

Tiefensickerung (Dränmaterail + Dränrohrleitung)

Zum Sammeln von aus der Umgebung zufließenden Wassers dienen Fanggräben oberhalb von Einschnitten, Böschungsrinne sowie Hanggräben zum Schutz von Dämmen. Das Entwässern von Böschungen und Hängen kann über Sickerstränge und Sickerstützscheiben erfolgen, die in der Böschung angelegt werden. Das Entwässern von tiefgründigem, weichem Boden kann über Vertikaldräns erfolgen.

1.2.3.4 Schichtwasser:

Besondere Dränmaßnahmen, Sickerschlitz, liegende Dränschicht mit Anschluss an das Entwässerungssystem: Wenn im Bereich eines Straßenkörpers Bodenwasser auftritt, muss es mit Sickereinrichtungen aufgefangen und abgeleitet werden, um Schäden an der Straße zu verhindern. Die Ableitung erfolgt über Sickerschichten, wie z. B. über die Frostschutzschicht, sowie über Sickerstränge.

Sickereinrichtungen bestehen im Straßenbau aus einem Filterkörper:

linienförmig als Sickerstrang

flächenförmig als Sickerschicht, die bis in die Tiefe reichen soll.

Sickerstränge verlaufen längs neben der Fahrbahn und nehmen das Sickerwasser aus der Frostschutzschicht sowie das Bodenwasser auf und leiten es in das Gelände bzw. in einem Vorfluter, z. B. einen Kanal. Sie bestehen aus Filterkörper und haben meist eine Sickerrohrleitung. Die Filterkörper der Sickerstränge sind aus wasserdurchlässigen, verwitterungsbeständigen und filterstabilen Baustoffen, wie z. B. Filterkies. Der Filterkörper kann einstufig oder mehrstufig aufgebaut sein. Einstufige Filterkörper haben die gleiche Kornzusammensetzung, während mehrstufige Filter Mineralstoffe unterschiedlicher Kornzusammensetzungen haben. Sickerstränge können entweder als Sickergraben, als keilförmiger Sickerschlitz oder zusammen mit der Sammelleitung für das Oberflächenwasser angelegt werden.

Sickerschichten sind notwendig, wenn Bodenwasser flächig auftritt.

Es gibt fünf verschiedene Sickerschichten: Frostschutzschicht, Auflastsickerschicht, Böschungssickerschicht, Tiefensickerschicht und Sickerschutzscheibe.

Die Frostschutzschicht ist die bekannteste Sickerschicht. Sie zählt zum Oberbau und zu der horizontal angelegten Sickerschicht. Sie verhindert, dass Bodenwasser aus dem Untergrund aufgestiegen in den Oberbau eindringt. Sie bewirkt, dass von oben eindringendes Wasser auf dem Planum abfließen kann. Dazu muss ein Mindestgefälle von 2,5 % eingehalten werden. Das abfließende Wasser wird im parallel zur Straße liegenden Sickerstrang gesammelt oder in den Seitengraben abgeleitet.

Die Auflastsickerschicht kann in Einschnitten oder Dämmen notwendig werden, wenn das Planum oder das Dammauflager vorübergehend oder ständig im Grundwasser liegt. Die Auflastsickerschicht hat die Aufgabe, unter dem Oberbau den Grundwasserspiegel abzusenken. Dazu müssen beiderseits der Sickerschicht Sickerstränge zur Ableitung des Grundwassers angelegt werden.

Mit der Böschungssickerschicht wird das in den Böschungen an verschiedenen Stellen austretende Schichtwasser aufgefangen. Es wird in den am Böschungsfuß angelegten Sickerstrang abgeführt. Dadurch werden Rutschungen an der Böschung vermieden und der Bestand der Straße gesichert.

Quer zur Straßenachse fließendes Bodenwasser in tiefen Lagen wird mit der Tiefensickerschicht aufgefangen. Sie wird parallel zur Straße am Böschungsfuß angeordnet, sichert ihn und verhindert das Eindringen von Wasser in den Straßenkörper.

Die Sickerstützscheibe ist eine Tiefensickerschicht, die senkrecht zur Böschung angeordnet wird. Mit ihr werden tiefer in der Böschung liegende Wasserführungen erfasst, die die Standfestigkeit der Böschung gefährden könnte. Das Wasser wird an der Sohle in einem Sickerrohr gesammelt und in den Sickerstrang am Böschungsfuß eingeleitet. Um eine stützende Wirkung zu erzielen, werden mehrere Scheiben je im Abstand von 10–20 m gebaut. Sie werden aus Einkornbeton oder Schotter erstellt.

Tiefenentwässerungen sind geschlossene, unterirdische Entwässerungs-anlagen. Sie sollen neben der Entwässerung des umgebenden Bodens auch Sicker- und Schichtwasser fassen und ableiten. Sie dienen auch der Absenkung bzw. Haltung des Grundwasserspiegels. Für die Entwässerung des Bodens und zur Absenkung des Grundwasserspiegels werden Vollsickerrohre, für die Fassung und Ableitung von Sicker- und Schichtwasser werden Teilsickerrohre verwendet. Sickerrohre der Tiefenentwässerung sollen mindestens 0,60 m unter dem Planum verlegt werden. Die Rohre werden nach Aushub des Grabens auf einer Ausgleichsschicht verlegt. Die Gräben sollen baldmöglich wieder aufgefülltwerden.

Das Entwässern der Dränleitungen und Dränschichten erfolgt in Hanglage und bei tiefliegendem Abwasserkanal über Freigefälle zur Vorflut. Ist bei (zeitweise) hohem Grundwasserstand kein Gefälle zur Vorflut gegeben, so muss das in der Dränage anfallende Wasser einem Senkschacht zugeleitet und von dort über eine Hebeanlage der Vorflut zugeführt werden. Die Dränanlage für Bauwerke ist in solchen Fällen als Ringdränage zu erstellen.

1.2.3.5 Sonderfall Knotenpunkte (Anm.: übergeordnete/untergeordnete Straße):

Die Entwässerung (Anm.: im Kontenpunkt) ist durch genaue Untersuchung der Querneigungen im Knotenpunkt am besten durch Pläne mit Höhenschichtlinien zu überprüfen. Diese Linien - in engen Höhendifferenzen - erhält man aus der Fahrbahndeckenhöhen-Berechnung, die man im Knotenpunktsbereich in engen Abständen mit der elektronischen Datenverarbeitung ermittelt. Interaktive graphische Bearbeitung mit geeigneter CAD-Software zeigt die Punkte auf, an denen das Wasser stehen bleiben könnte. Damit erkennt man, wo Entwässerungseinrichtungen nötig werden. Durch die Übersicht über die Fließrichtung senkrecht zu den Höhenlinien kann man auch erkennen, ob das Oberflächenwasser auf kürzestem Wege dem Fahrbahnrand zugeführt wird.

Beim Entwurf ist grundsätzlich auf folgendes zu achten:

Wird aus entwässerungstechnischen Gründen eine Querneigung erforderlich, die den fahrdynamischen Forderungen entgegensteht („falsche Querneigung“), so hat die Entwässerung Vorrang. Im Knotenpunkt kann davon ausgegangen werden, dass Ein- und Abbiegevorgänge mit geringen Geschwindigkeiten ausgeführt werden.

Die Querneigung der übergeordneten Straße wird beibehalten, die untergeordnete Straße wird an den durchgehenden Fahrbahnrand angepasst.

Auf der untergeordneten Straße anfallendes Oberflächenwasser muss schon dort den Entwässerungseinrichtungen zugeführt werden. Es darf nicht über die übergeordnete Straße laufen. So kann unvermutet auftretendes Glatteis im Knotenpunkt verhindert werden.

1.2.4 Massnahmen des Objektschutzes bei Überschwemmungs-gefährdung:

1.2.4.1 Mechanische Beanspruchung:

Überschwemmungen wirken auf Objekte durch hydrostatische und hydrodynamische Kräfte, durch Kolkbildung, durch die Stosskraft mitgeführter Feststoffe und durch Kräfte infolge Feststoffablagerungen. Diese Beanspruchungen sind im Überschwemmungsgebiet unbedingt zu berücksichtigen.

Hydrostatische Kräfte:

Der hydrostatische Druck (γW * hW) wirkt senkrecht zur betroffenen Fläche und ist besonders für geschlossene, wasserdichte Räume zu berücksichtigen. Die resultierende Druckkraft greift im Schwerpunkt des erzeugten Druckfeldes an und berechnet sich folgendermassen:

Es bedeuten γW das Raumgewicht des Wasser -Feststoffgemisches, hW die Wassertiefe und A die betroffene Fläche. Nach COSTA (1984) beträgt das Raumgewicht bei Hochwasser mit wenig Feststoffen ca. 10 - 13 kN/m3 und bei solchen mit hohem Feststoffanteil 13 - 18 kN/m3 .

Die resultierende hydrostatische Auftriebskraft eines Körpers beträgt:

Dabei bedeutet VO das vom Wasser umschlossene Körpervolumen.

Hydrodynamische Kräfte:

Bei Überschwemmungen mit hohen Fliessgeschwindigkeiten sind auch hydro-dynamische Kräfte zu berücksichtigen. Die resultierende hydrodynamische Druckkraft ist:

Dabei bedeutet cd ein Formwiderstandsbeiwert, A die zur Strömungsrichtung senkrecht projizierte Fläche, ρW die Dichte des Wasser- Feststoffgemisches und v die mittlere Fliessgeschwindigkeit.

Bis heute wenig erforscht sind die Grössen lokaler Druck- und Sogkräfte, sowie der hydrodynamische Auftrieb.

Kolkbildung:

Die Kolkbildung beim Umströmen von gefährdeten Objekten wurde bis heute kaum näher untersucht. Es liegen Resultate über die Kolkbildung bei Brückenpfeilern vor, welche für die hier interessierende Fragestellung jedoch nur beschränkt aussagekräftig sind, da das Verhältnis von wirksamer Breite in Fliessrichtung zu Abflusshöhe bei Brückenpfeilern in der Regel 0,1 - 2 beträgt. Kolkbildung bei einer Eckenumströmung führt zu vollständiger Freilegung der Eckenfundation.

Stosskraft mitgeführter Feststoffe:

Mitgeführte Feststoffe (z.B. Geschiebe, Holz, u.a.) führen bei gefährdeten Objekten zu erheblicher Belastung durch die Stosskraft beim Aufprall. Eine grobe Abschätzung der auftretenden Kräfte ist möglich, wenn der Deformationsweg s oder die Deformationszeit t bekannt sind. Wird angenommen, dass die maximale Verzögerung während des Aufpralls den doppelten Wert der mittleren Verzögerung erreicht, so ist:

wobei m die Masse des bewegten Objektes, v die Geschwindigkeit vor dem Aufprall, t die Deformationszeit und s den Deformationsweg darstellen. Detaillierte Ansätze zur Berechnung solcher Stösse mit Kontaktdeformation sind bei Brach (1991) zusammengestellt.

Kräfte infolge Feststoffablagerung:

Durch die Ablagerung von Feststoffen entstehen vertikale und horizontale Erdkräfte. Diese müssen berücksichtigt werden, wenn diese nicht bereits bei den hydrostatischen Kräften durch ein erhöhtes Raumgewicht geschieht. Die resultierende vertikale Erdkraft beträgt:

wobei γF das Raumgewicht und hF die Mächtigkeit der Feststoffe ist. γF beträgt ohne Wassersättigung ca. 19 - 21 kN/m3 und mit Wassersättigung γF ` = γF - 10 kN/m3 infolge Auftrieb.

1.2.4.2 Beanspruchung durch Nässe und Schmutz:

Vernässung und Schmutzeinlagerung führen zu teilweisen bis vollständigem Wertverlust an Objekten. Die Gebrauchstauglichkeit, Funktionstüchtigkeit oder äussere Gestalt werden geschädigt. Der Einflussbereich der Vernässung ist in der Regel größer als die maximale Überschwemmungstiefe. Es können durch die Saugspannung und durch das Verdunsten von Wasser auch Bereiche oberhalb der Überschwemmungskote betroffen sein. Als „Schmutz“ wirken alle mitgeführten löslichen und nicht löslichen Stoffe im Wasser.

1.2.4.3 Fundation/Verankerung:

Die Fundation bedarf bei Bauwerken, welche gegen Auftrieb geschützt werden müssen, besonderer Verankerungen. Es können die üblichen Methoden der Untergrundverankerung angewandt werden, wenn das Bauwerk nicht durch eine Erhöhung des Eigengewichts oder durch Abschirmung diesem Lastfall angepasst wird. Als weiter Möglichkeit zur Reduktion des Auftriebs können Drainagen oder Druckreduzierventile vorgesehen werden. Ist das Bauwerk durch Kolkbildung gefährdet, so können als Kolkschutz grobe Blöcke entlang der Fundation verlegt werden oder das Fundament ist als Kragkonstruktion auszubilden. Dadurch werden die senkrecht nach unten wirkenden Wirbel von der Fundation weggeleitet.

1.2.4.4 Spezielle Maßnahmen an Infrastrukturanlagen:

Verkehrsanlagen:

Steil abfallende Strassen sind bei Überschwemmungen besonders durch die hydrdynamische Schleppkraft und durch Kolkbildungen beim Übergang von Strassenbelag zu umliegendem Terrain gefährdet. Als Objektschutz kann die erosionsfeste Ausbildung von Strassenabschlüssen vorgenommen werden.

Um nachteilige Auswirkungen für benachbarte Gebäude zu vermeiden, sollten großflächige Aufschüttungen vermieden werden, die den Abfluss behindern könnten.

Abwasserentsorgung:

Das Kanalisationsnetz wird bei Überschwemmungen mit hohem Feststoffanteil durch Sediment- und Geschiebeeinlagerung beschädigt. Bei Leitungen mit hohem Gefälle verursacht das mitgeführte Geschiebe Abrasionsschäden, bei solchen mit schwachem Gefälle erhebliche Verstopfung. Durch die Reinigung solcher Leitungen entstehen weiter Schäden auf der Innenseite.

Die Verwendung von abrasionsfesten Rohrmaterialine (z.B. hochwertige Kunststoffe) kann daher als vorbeugende Objketschutzmaßnahme angesehen werden.

1.2.5 Wasserrechtliche Bewilligung:

Laut Wasserrechtsgesetz ist für die Errichtung auch eine wasserrechtliche Bewilligung einzuholen:

§ 38. (1) Zur Errichtung und Abänderung von Brücken, Stegen und von Bauten an Ufern, dann von anderen Anlagen innerhalb der Grenzen des Hochwasserabflusses fließender Gewässer sowie von Unterführungen unter Wasserläufen, schließlich von Einbauten in stehende öffentliche Gewässer, die nicht unter die Bestimmungen des § 127 fallen, ist nebst der sonst etwa erforderlichen Genehmigung auch die wasserrechtliche Bewilligung einzuholen, wenn eine solche nicht schon nach den Bestimmungen des § 9 oder § 41 dieses Bundesgesetzes erforderlich ist. Die Bewilligung kann auch zeitlich befristet erteilt werden.

(3) Als Hochwasserabflussgebiet (Abs. 1) gilt das bei 30-jährlichen Hochwässern überflutete Gebiet. Die Grenzen der Hochwasserabflussgebiete sind im Wasserbuch in geeigneter Weise ersichtlich zu machen.

Legen Sie bei der Planung von Straßen im oder in der Nähe potentieller Überschwemmungsgebiet besonderen Augenmerk auf die besonderen Planungsgrundsätze und beauftragen Sie einen Planer Ihres Vertrauens oder ziehen Sie zusätzlich einen Wasserwirtschafter zu Rate!

Kontaktieren Sie uns, wir stehen Ihnen für eine unverbindliche Erstinformation gerne zur Verfügung: energy@kr-water.com

Hotline: 0650/ 909 18 35

Straßenschäden können vermieden werden!

Schaden an einer Straße aufgrund eines Hochwassers

Wasserwirtschaftliche Betrachtung Straßenbau im Überschwemmungsgebiet:

1. Bautechnische Betrachtung

2. Wasserwirtschaftliche Betrachtung

Literatur

ATV (1995) Arbeitsgruppe 1.4.1 „Versickerung von Niederschlagswasser“: Hinweise zur Versickerung von Niederschlagsabflüssen, ATV Arbeitsberichte in: Korrespondenz Abwasser 5/1995.

DACHROTH, W. R. (2002): Handbuch der Geotechnik, Springer, Heidelberg

EGLI, T. (1996): Hochwasserschutz und Raumplanung, ORL-Bericht 100, vdf Hochschulverlag, Institut für Orts-, Regional- und Landesplanung, ETH Zürich

HABERL, R. (2004): Siedlungswasserbau und Gewässerschutz, Universität für Bodenkultur, Wien

MATTHEWS, V. (2003): Bahnbau, Vieweg + Teubner, Wiesbaden

MESCHIK M., et al. (2000): Modul „Verkehr“ im Ökoleitfaden. Bau. Forschungsbericht im Auftrag des Umweltverbands, Vorarlberger Gemeindehaus (Hrsg.), Dornbirn.

NACHTNEBEL, H.P. (2004): Wasserwirtschaftliche Planungsmethoden, Universität für Bodenkultur, Wien

NATZSCHKA, H. (2003): Straßenbau - Entwurf und Bautechnik, Vieweg + Teubner, Wiesbaden

SCHWEIGER, M. et al. (2005): Entsorgung von Oberflächenwässern, Amt der Tiroler Landesregierung/Sachgebiet Siedlungswasserwirtschaft, Innsbruck

SCHMIDT, H.-H. (2006): Grundlagen der Geotechnik, Vieweg + Teubner, Wiesbaden

SMOLTCZYK, U. (2001): Grundbau-Taschenbuch - 2. Geotechnische Verfahren, Ernst & Sohn, Berlin