Thermo-hydro-mechanische 3-D-Simulation von Staumauern – Modellierung und Validierung

In dem vorliegenden Beitrag werden die numerischen Ergebnisse von dreidimensionalen, nichtlinearen, transienten thermo-hydro-mechanischen (THM) Mehrfeldsimulationen am Beispiel der Fürwiggestaumauer gezeigt. Zwei 3-D-Simulationen wurden entsprechend den Randbedingungen eines Probestaus durchgeführt. Die Ergebnisse der gekoppelten THM-Rechnungen wurden mittels vorhandenen Messdaten des Ruhrverbandes in den Größen Verformung, hydraulische Sättigung und Temperatur validiert. Die gute Übereinstimmung mit den Messdaten erlaubt eine Validierung der Modelle und damit deren Nutzung für Prognosen zukünftigen Verhaltens der Bauwerke.

Viele Staumauern wurden am Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts gebaut, z. B. die Fürwiggetalsperre in Deutschland oder die Theodore-Roosevelt-Talsperre in Arizona, USA. Nach mehr als hundert Jahren haben sich die strukturellen Eigenschaften der Bauwerke sichtlich verändert, z. B. können Abdichtungsmaßnahmen, wie wasserseitige Bitumschichten der Staumauern, oder vertikale Drainagesysteme funktionell beeinträchtigt sein. Generell ist davon auszugehen, dass sich die Materialeigenschaften der Staumauern durch Alterung, Verwitterung und chemischer Reaktionen zumindest lokal verändert haben, was zu einer erhöhten Durchsickerung von der Wasser- zur Luftseite führen kann.

Grundsätzlich sind Rehabilitationsmaßnahmen im Laufe der Lebenszeiten von Staumauern üblich, um deren Betriebszeit zu verlängern. Die Erneuerung von Drainagesystemen oder die Erneuerung von Dichtungen sind übliche Ansätze. Zusätzlich werden Messgeräte und Sensoren installiert, um das physikalische Verhalten der Staumauern (z. B. Verformung, Porenwasserdruck, effektive Spannung, Temperatur…) zu überwachen.

Im Allgemeinen haben Staumauern drei Hauptbeanspruchungen zu tragen. Die erste ist das Eigengewicht und die zweite Last sowie offensichtlichste Art der Belastung ist der Wasserdruck. Als dritte Last müssen Temperaturveränderungen berücksichtigt werden, die durch den Effekt der thermischen Ausdehnung und Temperaturdifferenzen zwischen Wasser- und Luftseite zusätzliche mechanische Spannungen induzieren. Die Effekte der Temperatur auf die Verformung der Staumauern und der Wasserinfiltration sind nach den vorliegenden Untersuchungen bedeutend.

Deshalb müssen die Beziehungen zwischen der Wärmeleitung, dem Wassertransport in teilgesättigten Materialien und der Kraft-Verformungs-Relation in numerischen Simulationen der Staumauern gleichzeitig berücksichtigt werden. Darüber hinaus hat die Geometrie der Staumauer häufig eine Bogenform mit komplexen geometrischen Grenzen, um zum Beispiel die Biegemomente im Mauerkörper zu minimieren. Die numerische Simulation als vollständige, gekoppelte 3-D-thermo-hydro-mechanische (THM) Analyse ist daher in Modellen notwendig, um die physikalischen Verhaltensweisen und Prozesse genau zu analysieren.



Copyright: © Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Quelle: Wasserwirtschaft 09/2016 (September 2016)
Seiten: 4
Preis inkl. MwSt.: € 10,90
Autor: Dr. rer. nat. Tom Lahmer
Dr.-Ing. Long Nguyen-Tuan
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke
Prof. Dr.-Ing. Volker Bettzieche

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