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Dam break analysis under uncertainty

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[Quelle: https://ethz.ch]

Erddämme werden weltweit seit Jahrtausenden zu verschiedenen Zwecken gebaut. Im Falle eines Dammbruchs kann das aufgestaute Wasser unkontrolliert abfliessen, wobei Personen, Eigentum und die Umwelt unterhalb des Dammes gefährdet sind. Die Landesbehörden wollen gut auf eine solch ausserordentliche Situation vorbereitet sein. Um geeignete Vorsichtsmassnahmen zu treffen, Frühwarnsysteme zu installieren und Evakuierungspläne aufzustellen, sind Kenntnisse über die Auswirkungen eines Dammversagens unumgänglich. Diesbezügliche Untersuchungen werden Dammbruch-Analyse genannt. Dammbruchmodelle werden gewöhnlich für die Voraussage des Ausflusshydrographen eines hypothetisch brechenden Dammes eingesetzt. Sie sind ein zentraler Bestandteil bei der Evaluierung des Risikos einer Flutwelle. Es herrscht weitgehend Übereinstimmung, dass die Dammbruchmodelle grosse Unsicherheiten aus mehreren Gründen beinhalten: ungenügende Kenntnis der physikalischen Dammbruchprozesse, mindere Datenqualität bei der Kalibrierung der Modelle, die Einzigartigkeit der Dammbauwerke und die von Natur aus unterschiedliche Erodierbarkeit des Dammmaterials. In dieser Arbeit wird eine probabilistische Modellierungsumgebung eingeführt, welche zuverlässige Prognosen von Dammbruchhydrographen homogener Schüttdämme zulassen. Weiter werden die vom Dammbruchmodell herrührenden Unsicherheiten in das unterliegende Überflutungsgebiet übertragen. Letztlich erlauben die stochastisch definierten Überflutungsvariablen eine auf dem Stand der Technik und risikobasierte Folgenabschätzung. Es wurde ein vereinfachtes und physikalisch basiertes Dammbruchmodell entwickelt. Die Prozesse eines brechenden Schüttdammes werden dabei in Form der Breschenentwicklung beschrieben. Die kleine Anzahl an Modellparametern und die gleichzeitige Mitberücksichtigung der physikalischen Verhaltensweise hat die Wahl dieses Modellierungsansatzes geprägt. Die Erosionsrate des Dammmaterials ist dabei durch empirische Sedimenttransportformeln beschrieben. Durch die Einbindung des Modells in eine mehrstufige Bayesianische Umbegung ist eine quantitative Analyse von Unsicherheiten unterschiedlicher Kategorien möglich. Dazu wurden Daten von beobachteten Spitzenabflüssen und Breschen-Endgrössen historischer Dammbruchereignisse aus der Literatur herangezogen. Die Modellinversion ist durch die Markov Chain Monte Carlo Methode vorgenommen. Die resultierenden A-posteriori Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Modellparameter zeigen, dass die epistemisch definierte Erosionsrate der grösste Unsicherheitsfaktor ist. Das Prognoseintervall des Spitzenabflusses und der Breschen-Endgrösse ist vergleichbar mit Daten aus der Literatur. Schlussendlich sagt das vorgeschlagene Dammbruchmodell den Ausflusshydrograph in einer vollständig probabilistischen Art und Weise voraus. Die im prognostizierten Hydrograph enthaltene stochastische Information wird mit der Monte Carlo Methode ins Überflutungsgebiet verbreitet. Die dazu benötigten tausenden Modellevaluationen sind durch ein leistungsstarkes Werkzeug zur Berechnung der Flutwellenfortpflanzung erfolgt, welches die Flachwassergleichungen auf exakte Weise auf unstrukturierten Gitter löst. Unter der Verwendung von massiver Parallelisierung durch Grafikprozessoren und Open-Source Bibliothek OP2 konnte die Rechenzeit einer Modellevaluation bis um zwei Grössenordnungen reduziert werden. Die entwickelte Modellierungsumgebung wurde erfolgreich auf eine Fallstudie angewendet. Die resultierenden probabilistischen Überflutungskarten stellen die Grundlage für eine risikobasierte Beurteilung dar und haben das Potential zur Verbesserung eines angemessenen Risiko-Managements.

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Bücher, Broschüren

DWA-Themen T3/2019, Juli 2019. Dokumente für kleine Talsperren und kleine Hochwasserrückhaltebecken - Handreichung für Betreiber, ergänzend zu Merkblatt DWA-M 522
DWA-Themen, Band T3/2019
2019, 78 S., 6 Abb., Tab.,

 

 

Dieser Themenband ergänzt das Merkblatt DWA-M 522 ?Kleine Talsperren und kleine Hochwasserrückhaltebecken?, welches die Regelungen der Fachnormen DIN 19700-11:2004-07 für Talsperren und DIN 19700-12:2004-07 für Hochwasserrückhaltebecken für kleine Anlagen untersetzt. Es gibt Empfehlungen zur Planung, zum Bau, zum Betrieb und zur Überwachung dieser Stauanlagen unter Beachtung von Sicherheitsaspekten und Wirtschaftlichkeit. Eine sinngemäße Übertragbarkeit auf andere kleine Stauanlagen, z. B. kleine Wehranlagen ist möglich. Für den sicheren Betrieb einer kleinen Talsperre und eines kleinen Hochwasserrückhaltebeckens sind nach DIN und Merkblatt DWA-M 522 Dokumente zu erstellen und fortzuschreiben, die in der Norm und im Merkblatt meist nur benannt sind. Die Ausgestaltung erfolgt in der Regel anhand der Anforderungen der individuellen Anlage in Abstimmung zwischen Betreiber, Planer und Aufsichtsbehörde. Die Anwendung dieses Themenbands setzt die Kenntnis des Merkblatts DWA-M 522 ?Kleine Talsperren und kleine Hochwasserrückhaltebecken? und der DIN 19700:2004-07 voraus. Fachliche Zusammenhänge und Notwendigkeiten ergeben sich aus dem Merkblatt. Die Arbeitsgruppe WW-4.5 ?Kleine Stauanlagen? im Fachausschuss WW-4 ?Talsperren und Flusssperren? möchte mit diesem Themenband Eigentümer und Betreiber der Anlagen, Wasserwirtschaftsverbände, Hochwasserschutz- Zweckverbände sowie beratende Ingenieurbüros und Aufsichtsbehörden der Kommunen und Länder in Ihrer Arbeit unterstützen.

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DWA-Themen T 2/2014, Juni 2014. Anpassungsstrategien für Stauanlagen an den Klimawandel
DWA-Themen, Band T 2/2014
DWA-Themen WW 4.6 - T 2/2014 - Juni 2014.
2014, 84 S.,
Selbstverlag

 

 

Stauanlagen sind ein bedeutsamer Bestandteil der wasserwirtschaftlichen Infrastruktur. Sie werden aufgrund ihrer vielfältigen Nutzungs- und Steuerungsmöglichkeiten zukünftig gerade für Gebiete mit angespanntem Wasserhaushalt stärker an Bedeutung gewinnen. Der neue Themenband fasst dazu die aktuellen Erkenntnisse zum Klimawandel gebietsbezogen zusammen, zeigt die daraus folgenden Anpassungserfordernisse und -möglichkeiten für Stauanlagen und gibt konkrete Hinweise und Handlungsempfehlungen für die Praxis. Schwerpunkte bilden dabei Bemessungsansätze und -größen für Stauanlagen, technisch konstruktive Vorsorgemaßnahmen und Maßnahmen zur Optimierung und Anpassung der Stauanlagenbewirtschaftung bis hin zu Fragen der Erweiterung oder des Neubaus.

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Forschungsberichte

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Matthias Nimmesgern, Rainer Blum
Auswirkungen dynamischer Belastungen bei einem geogitterbewehrten Steilwall und einem Regeldamm
1993, 54 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Durch lagenweises Einlegen von Geokunststoffen in eine Schüttung kann durch den Verbund Boden-Kunststoff eine Stützkonstruktion erstellt werden, die eine hohe Tragfähigkeit aufweist. Bisher wurde nur eine bauaufsichtliche Zulassung für vorwiegend ruhende Belastung erteilt. Da durch die zunehmende Akzeptanz der Bauweise der Einsatz im Einflußbereich dynamischer Lasten nicht ausgeschlossen werden kann, ist die Kenntnis über das Verhalten derartiger Konstruktionen unter dynamischer Belastung von großem Interesse. In einem besonders gelagerten Anwendungsfall wird eine mit Geogittern bewehrte, 4,9 m hohe Steilwand mit Eisenbahnverkehr belastet. Es soll untersucht werden, wie weit und in welchem Umfang sich der dynamische Einfluß erstreckt. Die Messungen sollen an einer Regelböschung und an der Steilwand durchgeführt werden, so daß ein Vergleich möglich ist. Bei jeder der beiden Dammarten wurden selbstgebaute Schwingungsaufnehmer in horizontale Bohrlöcher eingebaut, um die Auswirkungen von Zugüberfahrten bei Geschwindigkeiten von 100 km/h zu messen. Über eine Fourier-Transformation wurden aus den Schwinggeschwindigkeiten die dazugehörigen Spektren ermittelt und verglichen. Die Meßergebnisse bestätigten ein auf der Basis der Gleis- und Zuggeometrie entwickeltes einfaches theoretisches Modell. Es wurde festgestellt, daß die Dämpfung bei dem geogitterbewehrten Steilwall größer ist als bei dem Regeldamm.

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Peter Rissler
Sicherheitsuntersuchungen auf probalistischer Grundlage fuer Staudaemme. Grundlagenband Teil VIII. Auswirkungen von Meß- und Kontrolleinrichtungen auf die Zuverlaessigkeit von Daemmen. Abschlußbericht
Titel des Kurzberichts: Auswirkungen von Meß- und Kontrolleinrichtungen auf die Zuverlässigkeit von Dämmen.
Bauforschung, Band T 2098
1988, 104 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Erarbeitung und Untersuchungen von Grundlagen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Staudämmen. Hierzu werden folgende Sicherheitsgesichtspunkte behandelt: 1. Bedeutung der Meß- und Kontrolleinrichtungen in den Ereignisabläufen. 2. Zeitlicher Verlauf eines Dammbruches infolge rückschreitender Erosion. 3. Grundzüge des Simulationsmodells. 4. Abschätzung der Erfolgsaussichten betrieblicher Maßnahmen. 5. Abschätzung der Zuverlässigkeit menschlicher Handlungen. (-y-)

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Schwiersch, Niklas; Stamm, Jürgen
Zur Vergleichbarkeit der Standsicherheit bei Flussdeichen unter Berücksichtigung von geotechnischen Unsicherheiten
KW Korrespondenz Wasserwirtschaft, 2020

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Hleibieh, Jamal; Herle, Ivo
Numerische Bestimmung der Standsicherheit von Böschungen unter Erdbebeneinwirkung am Beispiel eines Erddamms im Zentrifugenversuch
Geotechnik, 2019

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Lux, Ingo; Fiedler, Dominik; Salzmann, Mirko; Schmutterer, Christian; Stanulla, Richard
Talsperre Lichtenberg: Erneuerung des Dichtungsanschlusses Asphaltaußendichtung/Komplexbauwerk unter Einstaubedingungen
Wasserwirtschaft, 2019

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Graeve, Holger
Moderne Injektionssysteme für die Instandsetzung von Dammkonstruktionen
Wasserwirtschaft, 2019

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Wesolowski, Maximilian
Bahndammsanierung mittels Mixed-in-Place-Verfahren
bbr Leitungsbau, Brunnenbau, Geothermie, 2019

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