Bornschein, Antje

Pohl, Reinhard

Hydraulic Engineering Repository

Conference Paper, Published VersionBornschein, Antje; Pohl, ReinhardZASA – Eine App zur ZustandsAnalyse für StauAnlagenDresdner Wasserbauliche MitteilungenZur Verfügung gestellt in Kooperation mit/Provided in Cooperation with:Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technischeHydromechanikVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/107068Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Bornschein, Antje; Pohl, Reinhard (2020): ZASA – Eine App zur ZustandsAnalyse fürStauAnlagen. In: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technischeHydromechanik (Hg.): Interdisziplinärer Wasserbau im digitalen Wandel. DresdnerWasserbauliche Mitteilungen 63. Dresden: Technische Universität Dresden, Institut fürWasserbau und technische Hydromechanik. S. 255-264.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.255 Technische Universität Dresden – Fakultät Bauingenieurwesen Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik 43. Dresdner Wasserbaukolloquium 2020 „Interdisziplinärer Wasserbau im digitalen Wandel“   A3  Saal 2 B2  Saal 1 A4  Saal 2 B3  Saal 1 C1  Saal 2 B4  Saal 1 C2  Saal 2 D1  Saal 1 C3  Saal 2 D2  Saal 1 A2  Saal 2 D3  Saal 1 ZASA – Eine App zur ZustandsAna-lyse für StauAnlagen Antje Bornschein Reinhard Pohl Die sachgerechte Bewirtschaftung und Unterhaltung von Stau- und Hochwasserschutzanlagen ist ein wichtiger Bestandteil des Sicherheits-konzeptes. Eine Dokumentation der turnusmäßigen Kontrolle ist erfor-derlich. Die vorgestellte App soll eine niederschwellige digitale Unter-stützung bei der systematischen und einheitlichen Erhebung von Daten zur Überprüfung vor allem kleiner Anlagen bieten und den Betreibern helfen, Schwachstellen selbst zu erkennen. Ziel ist dann, die Anlagen zu ertüchtigen, um Schäden zu vermeiden. Stichworte: Kleine Stauanlagen, Deiche, Überprüfung, Analyse, Bauwerkssicherheit, Ertüchtigung 1 Motivation Am 22.8.1977 brach der Damm des Ibrastausees in Hessen (vgl. Tabelle 1). Die Stauanlage war durch die Gemeinde Kirchheim erbaut wurden und sollte den Betreibern einer Hotelanlage bzw. einer Ferienhaussiedlung im Seepark Kirchheim zur Verfügung gestellt werden (Hessischer Landtag, 1977). Nach der Fertigstellung des Erdschüttdammes mit Außendichtung erfolgten in der Zeit zwischen Dezember 1975 und Mai 1977 mehrere Probestaue an der Anlage. Dabei festgestellte Undichtigkeiten und Leckagen wurden abgedichtet. Eine geplante, endgültige Abnahme am 16.5.1977 erfolgte wegen erneut auftre-tenden Undichtigkeiten nicht (Hessischer Landtag, 1977). Daraufhin sollte der See für eine weitere Reparatur des Dammes abgelassen werden. Jedoch verneinte ein Gutachten eine Gefahr für den Damm und der See wurde nicht abgestaut. Kurz vor dem Versagen der ca. 10 m hohen Stauanlage, kam es laut Augen-zeugen zu einem fontänenartigen Wasseraustritt am luftseitigen Böschungs-fuß. Der Bruch erfolgt kurz nach 15.00 Uhr (HR-Online, 2012). 256ZASA – Eine App zur ZustandsAna-lyse für StauAnlagen  Die durch den Bruch verursachte Überschwemmung des unterhalb liegen-den Ibratales und mehrere Ortslagen wurde nach Augenzeugen als „kurze Überschwemmung“, gefolgt von einer „Wasserwalze über dem stehenden Wasser“ beschrieben (Hamburger Abendblatt, 1977).  Es gab keine Toten. Eine rechtzeitige Warnung der Unterlieger verhinderte vielleicht Schlimmeres. Zahlreiche Häuser wurden beschädigt. Einige Dutzend Schweine und Kühe ertranken (HR-Online, 2012). Der Abfluss der Talsperren-bruchwelle verursachte signifikante morphologischen Veränderungen im unterhalb gelegenen Ibratal. Im Nachgang wurde das Ausmaß der Erosions- und Sedimentationsprozesse detaillierte dokumentiert (Glatthaar & Kuttler, 1979).  Die verschiedenen Angaben zum verursachten Schaden differierten stark. So wurde schon kurz nach dem Ereignis von 30 Mio. DM Schaden ausgegangen (Hamburger Abendblatt, 1977), während 4 Monate später in einer offiziellen Stellungnahme immer noch „nur“ 5,5 Mio. DM Schaden als „vorläufige Schät-zungen“ genannt wurden (Hessischer Landtag, 1977). Als mögliche Ursachen kommen sowohl Planungsfehler als auch Baumängel in Betracht. Die genaue Ursache wurde jedoch nie ermittelt. Ebenso musste sich niemand für das Unglück vor Gericht verantworten (HR-Online, 2012). Tabelle 1: Versagensbeispiele privater und kommunaler Anlagen für Deutsch-land                 (TS – Talsperre).  Anlage  Besitzer/ Betreiber Jahr Höhe [m] Art des Versagens Quelle Ibrastausee  Gemeinde  Kirchheim/ privat 1977 9,8 Sickerröhrenbildung oder Kontakterosi-on Hessischer Landtag (1977) HRB Gissigheim  Gemeinde  Gissigheim 1984 9,7 Überströmung Hofrichter (2017),  Rupp (2007) HRB  Glashütte  Gemeinde  Glashütte 2002 8,8 Bruch durch Über-strömung Bornschein et al. (2002) HRB  Otzdorf  Gemeinde  Otzdorf 2011 4,5 Sickerröhrenbildung oder Kontakterosi-on Bornschein (2014) Wedelbachteich  privat 2011 kleine Anlage teilweises Versagen Mehl (2011) 257 Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 6343. Dresdner Wasserbaukolloquium 2020 - „Interdisziplinärer Wasserbau im digitalen Wandel“ A3  Saal 2 B2  Saal 1 A4  Saal 2 B3  Saal 1 C1  Saal 2 B4  Saal 1 C2  Saal 2 D1  Saal 1 C3  Saal 2 D2  Saal 1 A2  Saal 2 D3  Saal 1 In den USA brach am 12.3.2004 der Erddamm des privaten Stausees Big Bay Lake. Die stärksten Zerstörungen traten innerhalb der ersten 8 km unterhalb der Stauanlage auf. Direkt unterhalb des Dammes, in einem Gebiet von ca. 700 m Länge und 280 m Breite wurden alle Bäume umgelegt. 53 Häuser und Wohnmobile wurden zerstört, 24 schwer und 24 leicht beschädigt (Yochum et al., 2008). Nach einer außergerichtlichen Einigung bezahlte die Versicherung der Big Bay Lake Eigentümer eine Summe von 1 Mio. US $ an die betroffenen Unterlieger (WDAM, 2017). Aus diesem kurzen historischen Exkurs können folgende Dinge abgeleitet werden. Auch kleinere Stauanlagen können ein großes Schadenspotential besitzen. Bei privaten oder kommunalen Stauanlagen sind sich die Besitzer bzw. Betreiber eventuell dessen nicht bewusst. Im Falle des Versagens sol-cher Anlagen ist die dokumentierte sachgerechte Bewirtschaftung und Un-terhaltung sowie turnusmäßige Kontrolle auch eine Haftungsfrage. Das Versagen von Stauanlagen ist auch für Deutschland dokumentiert (vgl. Köhler et al. 2018 und Tabelle 1), wenngleich in den letzten Jahrzehnten eher kleinere Anlagen betroffen waren. Kleine Hochwasserschutzanlagen oder kleine und kleinste Stauanlagen be-finden sich jedoch oft im Eigentum oder der Betreiber-Verantwortung von Kommunen, Firmen, Vereinen oder Privatpersonen. Auch Mühlteiche, Schlossteiche, Fischteiche und andere kleinere Anlagen gehören mitunter privaten Eigentümern oder genossenschaftlich organisierten Verantwortli-chen wie z. B. Deichverbänden. Bei kleineren Anlagen sind die verantwortli-chen Aufsichtsbehörden oft die lokalen Bauämter.  Mitunter kommt es vor, dass die genannten Akteure selbst nicht über den notwendigen wasserbaulichen und geotechnischen Sachverstand und Erfah-rungsschatz, gleichwohl aber eben auch nicht über die notwendigen finan-ziellen Mittel verfügen, um diesen von Extern einzukaufen.  Gerade Hochwasserschutzanlagen, die für seltene Ereignisse, wie z. B. ein 50- oder 100-jährliches Hochwasser bemessen sind, können so von den Eigen-tümern oder Betreibern und im Verwaltungsalltag einer Gemeinde schnell „vergessen“ werden. Eine niederschwellige digitale Unterstützung bei der Überprüfung dieser Anlagen kann Betreibern helfen, Schwachstellen selbst zu erkennen und die Anlagen zu ertüchtigen, um Schäden zu vermeiden. 258ZASA – Eine App zur ZustandsAna-lyse für StauAnlagen   Abbildung 1: Stauanlagen in Deutschland nach ICOLD Kriterium, DIN 19700 T11, DIN 19700 T12, DIN 19700 T14, DWA M-522. 2 Klassifizierung von Stauanlagen In Deutschland gibt es etwas mehr als 300 große Stauanlagen im Sinne der offiziellen Klassifizierung (Abb. 1). Die Anzahl der kleineren Anlagen ist nicht genau bekannt, weil es hierfür keine zentrale Erfassung gibt. Aus Vergleichs-betrachtungen in Beispielgebieten (vgl. Köhler et al. 2018) kann geschlussfol-gert werden, dass die Anzahl der Anlagen in der jeweils nächstkleineren Ka-tegorie sich jeweils wenigstens verdreifacht. Das führt zu einer sehr großen Zahl kleiner und kleinster Stauanlagen, für die die o. g. Überlegungen häufig zutreffen und die vorgestellte Anwendung hilfreich sein kann. Die Hochwasserschutzanlagen verfügen über eine Klassifizierung, die in der DIN 19712 und im DWA-Merkblatt 507-1 dargestellt ist. 3 Das Sicherheitskonzept von Stauanlagen In der DIN 19700 „Stauanlagen“ sind die Anforderungen an die Planung und den Bau von Talsperren (Teil 11), Hochwasserrückhaltebecken (Teil 12), Stau-stufen mit Stauhaltungsdämme (Teil 13), Pumpspeicherbecken (Teil 14) und Sedimentationsbecken (Teil 15) dargelegt. Für kleine Talsperren liegt derzeit das Merkblatt DWA-M 522 (2015) mit einem ergänzenden Themenband (DWA 259   Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 6343. Dresdner Wasserbaukolloquium 2020 - „Interdisziplinärer Wasserbau im digitalen Wandel“ A3  Saal 2 B2  Saal 1 A4  Saal 2 B3  Saal 1 C1  Saal 2 B4  Saal 1 C2  Saal 2 D1  Saal 1 C3  Saal 2 D2  Saal 1 A2  Saal 2 D3  Saal 1 2019) vor. Für die Anwendung der Vorschriften sind die Eigentümer bzw. Betreiber zuständig.  Abbildung 2: Zuverlässigkeitskonzept für Stauanlagen nach DIN 19700 T11, DWA M-522 (Pohl, 2019). Die Tragfähigkeit, die Funktionsfähigkeit und die Dauerhaftigkeit einer Stauan-lage bestimmen zusammen die Zuverlässigkeit oder Bauwerkssicherheit (Abb. 2). Dabei ist die regelmäßige Kontrolle und Überwachung ein wesentlicher Teil im derzeitigen Sicherheitskonzept (vgl. Sieber, 2004). Auch an anderer Stelle wird darauf verwiesen, dass gerade der Nachweis der Dauerhaftigkeit, der z. B. beim Bau einer Anlage nicht per se möglich ist, durch eine turnusmäßige visu-elle und messtechnische Kontrolle einer Stauanlage erbracht werden muss und kann (LUBW, 2007). Wichtig ist hierbei deren Dokumentation. Für kleinere Anlagen gibt es erleichternde Randbedingungen z. B. hinsichtlich des Bemessungshochwassers (vgl. Abb. 1) und der Anforderungen an die 260ZASA – Eine App zur ZustandsAna-lyse für StauAnlagen  Anzahl der Verschlüsse. Aus den Bemessungskriterien ist ein Teil des Fragen-kataloges der mobilen App abgeleitet. 4 Methodik Anhand von geometrischen, geotechnischen und hydrologischen Daten soll eine Aussage über die Sicherheit einer Stauanlage getroffen werden. Für kleinere Stauanlagen sind hierbei vereinfachte Ansätze möglich, weshalb die Methodik auch nicht für große Absperrbauwerke vorgesehen ist. Erfasst werden zunächst die allgemeinen Anlagendaten wie z. B. Name und geografische Lage der Stauanlage, gestautes Gewässer, Baujahr und Besitzer bzw. Betreiber. Bei einer vor-Ort-Erfassung der Daten kann die Ermittlung der geografischen Lage auch über den GPS-Sensor des mobilen Endgerätes erfolgen. Zur Zustandsanalyse von Stauanlagen sind dann weitere Informationen u. a. zu folgenden Punkten nötig:  Art und Größe des Absperrbauwerkes  Bemessungshochwasserabfluss bzw. -hochwasserstand  Böschungsneigungen  Vorereignisse  Risse, Rutschungen, Setzungen  Zustand der Grasnarbe, der Dichtung  Grabende Tiere  Wasseraustritte Für Längsbauwerke, wie z.B. Deiche, wird eine Erhebung der Daten entlang des Bauwerkes an mehreren Stellen, z. B. in Anlehnung an die Vorgabe des Erkundungsabstandes aus der DIN 19712 alle 100 Meter empfohlen. Die Auswertung der erfassten Daten soll eine möglichst zutreffende Aussage zum Anlagenzustand und zur Bauwerkssicherheit gestatten. Wesentlich für die Anwendbarkeit ist dabei eine Auswertungsmatrix auf der Basis begründeter Annahmen, die es erlaubt, auch bei fehlenden Informatio-nen bzw. bei Nichtbeantwortung von Fragen eine relativ verlässliche (Vor-) Einschätzung der Bauwerkssicherheit durchführen zu können, wenngleich dann weiter gefasste Konfidenzgrenzen bei gleichem Vertrauensintervall zu erwarten sind. 261         Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 6343. Dresdner Wasserbaukolloquium 2020 - „Interdisziplinärer Wasserbau im digitalen Wandel“ A3  Saal 2 B2  Saal 1 A4  Saal 2 B3  Saal 1 C1  Saal 2 B4  Saal 1 C2  Saal 2 D1  Saal 1 C3  Saal 2 D2  Saal 1 A2  Saal 2 D3  Saal 1 5 Funktionalität der App ZASA Die in Abschnitt 4 beschriebene Methodik wurde als Mobile App, d. h. als Anwendungssoftware für Mobilgeräte (zunächst im Android-Standard) implementiert (Programmierung: Georg Bär und Felix Flocken). Damit kann die Datenerfassung direkt vor Ort an der Anlage erfolgen. Der Name ZASA steht für ZustandsAnalyse für StauAnlagen.  Die App enthält einen Fragenkatalog, der von einem Bearbeiter des jeweili-gen Unterhaltungspflichtigen der Anlage vor Ort beantwortet werden kann. Da die Fragenbögen auch später wieder geöffnet werden können, ist es mög-lich, nachträglich weitere Daten hinzuzufügen. Die App erfasst die eingege-benen Angaben und speichert sie. Als Austauschformat wurde mit Tabs for-matierter Text gewählt. Die App erfasst zunächst Daten zur Anlage selbst (Abb. 3). Anschließend er-scheinen Fragen zur Tragfähigkeit, zur Dauerhaftigkeit und zur Gebrauchs-tauglichkeit (Abb. 4), die anlagenspezifisch ausgewertet und verarbeitet wer-den.     Abbildung 3: ZASA Screenshots (Startbildschirm und allgemeine Angaben). 262ZASA – Eine App zur ZustandsAna-lyse für StauAnlagen  In einem ersten Schritt dient die App der Dokumentation der zur Anlage vorliegenden Daten bzw. weiterer Unterlagen.     Abbildung 4: ZASA Screenshots (Fragen zur Dauerhaftigkeit und Gebrauchstauglich-keit). Der zweite Schritt beinhaltet eine Auswertung hinsichtlich lückenhafter, un-klarer oder widersprüchlicher Angaben. Eine Liste fehlender Nachweise wird zusammengestellt und ausgegeben. Dies erlaubt dem Anlagenbetreiber, weitere Schritte zur Ermittlung der Daten und Führung der Nachweise zu veranlassen. Im letzten Schritt wird bei ausreichender Datenbasis eine Anlagensicher-heitsbewertung ähnlich einem Schulnotensystem zurückgegeben. Dies er-folgt unter Angabe der jeweiligen Unsicherheit, die dann steigt, wenn wesentliche Informationen nicht zur Verfügung standen. Kriterien, die auf eine mangelnde Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit oder Gebrauchstauglichkeit der Anlage hindeuten, werden zusätzlich tabellarisch zusammengestellt und benannt.   263 Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 6343. Dresdner Wasserbaukolloquium 2020 - „Interdisziplinärer Wasserbau im digitalen Wandel“ A3  Saal 2 B2  Saal 1 A4  Saal 2 B3  Saal 1 C1  Saal 2 B4  Saal 1 C2  Saal 2 D1  Saal 1 C3  Saal 2 D2  Saal 1 A2  Saal 2 D3  Saal 1 6 Ausblick Die App existiert zurzeit als beta-Version. In einem nächsten Schritt ist die Testung an realen Anlagen unter Einbeziehung der Betriebserfahrungen geplant.  Die Kalibrierung und Wichtung einzelner Antworten sowie die Ableitung des Streubereiches (Unschärfe) bei nur teilweise vorliegenden Informationen soll an Hand von Schadensfällen und speziellen Betriebssituationen bekannter Anlagen vorgenommen werden. Perspektivisch wird erwogen, den hinterlegten Algorithmus lernfähig zu ges-talten, um eine Vielzahl von Betriebserfahrungen in die Weiterentwicklung und die Erhöhung der Zuverlässigkeit der Aussage einzubeziehen. 7 Literatur BAW-Merkblatt Damminspektion (MDI), Ausgabe 2017 Bornschein, A.; Aigner D.; Pohl R. (2002): Der Dammbruch von Glashütte. wwt awt, Berlin, Heft 7, S. 6-10 Bornschein, A. (2014): One-dimensional and two-dimensional hydraulic-numerical modeling of dam break waves. In: Schleiss et al. (eds.) River Flow 2014. Taylor & Francis Group, London, S.1699-1706 (211.pdf) DWA-M 522 (2015): Kleine Talsperren und kleine Hochwasserrückhalte-becken, Merkblatt Hennef, Mai 2015 DWA-T3 (2019): Dokumente für kleine Talsperren und kleine Hochwasser-rückhaltebecken. Handreichung für Betreiber ergänzend zu Merkblatt DWA-M 522, Themenheft, Hennef, Juli 2019 Glatthaar, D., Kuttler, W. (1979): Dammbruchbedingte Hochwasser-schäden auf Talauen. Natur und Museum, Bd. 109, Heft 5, Frankfurt a.M., S. 156-164 Hamburger Abendblatt (1977): 30-Millionen-DM-Schaden durch Damm-bruch, 195/23.08.1977, S. 14 Hessischer Landtag (1977): Antwort des Ministers für Landwirtschaft und Umwelt auf die kleine Anfrage des Abg. Stanitzek (CDU) betreffend Staudammbruch in Kirchheim, Drucksache 8/5380 vom 12.12.1977, Landtag Hessen, http://starweb.hessen.de/cache/DRS/08/0/ 05380.pdf, Zugriff am 29.12.2019 Hofrichter, R. (2017): Chronologie einer Katastrohe. http://info.koenig-heimer.com/koenigheim/hochwasser.htm, Zugriff am 25.1.2017 HR-Online (2012): Als der Seepark-Staudamm brach. Hessenschau vom 8.2.2012, http://www.hr-online.de/website/archiv/hessenschau/ hessenschau.jsp?t=20120208&type=v  264ZASA – Eine App zur ZustandsAna-lyse für StauAnlagen  Köhler, A., Bornschein, A., Pohl, R. (2018): Sicherheit mittlerer und kleiner Stauanlagen. Wasserwirtschaft (108)4, S. 24-31 LUBW (2007): Arbeitshilfe zur DIN 19700 für Hochwasserrückhaltebecken. Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, Karlsruhe Pohl, R. (2019): Talsperrensicherheit und Folgen bei Überschreiten der Bemessungsannahmen. Wasserwirtschaft 109(2019)5, S. 174-177 Rupp, A. (2007): Versagen der Stauanlage Gissigheim. In: Erfahrungsaustausch Betrieb von Hochwasserrückhaltebecken in Baden-Württemberg. Berichtsband zur 13. Jahrestagung am 29.11.2006, Dotternhausen, erschienen im September 2007, S. 7-9 Sieber, H.-U. (2004): Die Berücksichtigung von Risikoaspekten in den Sicherheitsnachweisen für Talsperren nach der novellierten DIN 19700. Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 27, Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik, Technische Universität Dresden Singh, V. P. (1996): Dam Breach Modeling Technology. Kluwer Academics Publisher, Dordrecht, The Netherlands Yochum, S. E., Goertz, L. A., Jones, P. H. (2008). Case study of the Big Bay dam failure – accuracy and comparison of breach prediction. J. of Hydr. Eng., September, S. 1285-1293, doi:10.1061/(ASCE)0733-9429(2008)134:9(1285) WDAM (2017): http://www.wdam.com/story/12204070/settlement-reached-in-big-bay-dam-break-trial, Zugriff am 24.1.2017   Autoren:  Dr.-Ing. Antje Bornschein   iKD Ingenieur-Consult GmbH  Zur Wetterwarte 50 Haus 337/G 01109 Dresden  Tel.: +49 351 88441-26 Fax: +49 351 88441-33 E-Mail: antje.bornschein@ikd-consult.de Prof. Dr.-Ing. habil. Reinhard Pohl   Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik Technische Universität Dresden  01062 Dresden  Tel.: +49 351 463- Fax: +49 351 463 E-Mail: reinhard.pohl@tu-dresden.de       

ZASA – Eine App zur ZustandsAnalyse für StauAnlagen

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