Weiterentwicklung der Aufheizmethode zur Bestimmung der Filtergeschwindigkeit in Bodenkörpern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Erdbauwerke sind bei Durchsickerung immer dem Risiko der inneren Erosion ausgesetzt. Die Statistik von Versagensfällen im Wasserbau zeigt, dass die innere Erosion nach der Überströmung die häufigste Ursache für das Versagen von Dammbauwerken ist. Innere Umlagerungen im Korngerüst des Schüttmaterials werden im Allgemeinen durch Sickerströmungen hervorgerufen. Bei der Beurteilung der hydraulischen Sicherheit von Böden stellt man die Strömungskraft des Wassers der Widerstandskraft des Einzelkorns und der Bodenmatrix gegenüber. Dabei wird besonderes Augenmerk auf den Beginn der hydrodynamischen Bodendeformation gelegt. Zur Benennung der Größenordnung der stabilitätsgefährdenden Strömungskraft wird in der Regel der kritische hydraulische Gradientikrit verwendet. Er kann mit Hilfe von Bodenparametern wie Kornverteilung, Durchlässigkeit, Verdichtungsgrad und Porenengstellenverteilung abgeschätzt oder mit Durchströmungsversuchen ermittelt werden (Wittmann, 1980; Muckenthaler, 1989). Seit einigen Jahren haben sich Temperaturmessungen als leistungsfähiges Werkzeug zum Erkennen und Lokalisieren von Durchsickerungen in Dämmen und Deichen etabliert. Mit Hilfe verteilter faseroptischer Temperaturmessungen können an Glasfaserkabeln Temperaturverteilungen über große Kabelstrecken gemessen werden. Die Glasfasern dienen als Sensor und Lichtleiter. Die Temperaturverteilung über Ort und ggf. deren zeitliche Entwicklung wird mit Hilfe eines DTS Gerätes gemessen, welches aus einem lichtstarken Laser und einer optischen Auswerteeinheit besteht. Das Messsystem wird seit mehreren Jahren im In- und Ausland erfolgreich zur Leckageortung im Wasserbau eingesetzt. Dabei unterscheidet man die Gradientenmethode und die Aufheizmethode. Bei der Aufheizmethode werden die Glasfaserkabel durch Anlegen einer elektrischen Spannung an im Kabel integrierter Kupferadern erwärmt. Ohne Umströmung des Kabels dominiert die Wärmeleitung den Temperaturanstieg aus der Aufheizung im Kabel. Bei Umströmung wird der effektivere konvektive Wärmeübergang wirksam, der von der Filtergeschwindigkeit im Boden abhängt. Diesen Effekt macht sich die Weiterentwicklung der Aufheizmethode zur verteilten Filtergeschwindigkeitsmessung zu Nutze. Im Rahmen des Vorhabens wurde der Zusammenhang zwischen Temperaturanstieg im Kabel und Filtergeschwindigkeit im Boden untersucht. Dabei konnte der Wärmeübergang vom Kabel an die Umgebung sowohl theoretisch beschrieben, als auch in einem physikalischen Großversuch modelliert werden. Anhand dieser Untersuchungen konnten fundierte Kenntnisse über die Kalibrierungsfunktionen, die Temperaturanstieg und Filtergeschwindigkeit verbinden, gewonnen werden. Für die theoretische Darstellung der Kalibrierungsfunktionen ist die Beschreibung der Konvektionsprozesse in porösen Medien von Bedeutung. Die Ergebnisse aus dem physikalischen Großversuch haben gezeigt, dass der Ansatz von Fand et al. (1993) zur Beschreibung des Wärmeübergangs im Falle erzwungener Konvektion an einem horizontalen Heizzylinder in einer Zufallsschüttung gleichförmiger Glaskugeln auf das Problem eines Aufheizkabels in einem gemischtkörnigen Boden übertragbar ist. Auf vergleichbare Weise wurden weitere Funktionen zur Beschreibung der freien und überlagerten Konvektion gefunden, die unter Verwendung des gleichwertigen Korndurchmessers bei Aufheizmessungen in gesättigten und durchströmten gemischtkörnigen Böden angewendet werden können. Der Messbereich der verteilten Filtergeschwindigkeitsmessung nach dem Prinzip der Aufheizmethode liegt in dem für wasserbauliche Fragenstellungen relevanten Bereich von wf = 10-5 bis 10-3 m/s. Die Genauigkeit der Filtergeschwindigkeitsmessung wird von der Spanne der Temperaturdifferenz und der Genauigkeit der Temperaturmessung bestimmt. Die im Rahmen des Vorhabens entwickelte Methode ermöglicht es erstmalig, die Geschwindigkeit von Sickerströmungen in verteilter Form in situ zu messen. Dadurch können wertvolle Informationen hinsichtlich des Gefährdungspotentials von Leckagen und Sickerströmungen für die Standsicherheit von Erdbauwerken gewonnen werden. Schon heute stellt die Aufheizmethode eine zuverlässige und wirtschaftliche Lösung für die Leckageortung bei vielen wasserbaulichen Fragestellungen dar. Mit der Weiterentwicklung der Aufheizmethode und der Möglichkeit der verteilten Filtergeschwindigkeitsmessung eröffnen sich weitere neue Möglichkeiten der Überwachung der Durchsickerung von Erdbauwerken. Die Beurteilung der Gefahr der inneren Erosion kann nun direkt anhand der gemessenen Filtergeschwindigkeit, dem maßgebenden hydraulischen Parameter der hydrodynamischen Bodendeformation erfolgen und nicht, wie bisher, indirekt anhand des hydraulischen Gradienten. Zudem bietet die hohe Informationsdichte neben der detaillierten Zustandsbeschreibung der Bauwerke, die ideale Grundlage zur Anwendung statistischer Verfahren, welche u. a. die Variabilität der Bodenparameter berücksichtigen können. Bereits schon während der Laufzeit des Forschungsprojektes kam die Weiterentwicklung der Aufheizmethode bei der Überwachung der Durchsickerung der Kanaldämme des mittleren Isarkanals im Bereich des Speichersees nördlich von München erfolgreich zum Einsatz. In diesem Bereich der Kanalstrecke sind die Böschungen vergleichsweise steil und bieten keine ausreichende Sicherheit im Falle eines Versagens der Oberflächendichtung und dem damit verbundenen Anstieg der Sickerlinie. Da ein baulicher Eingriff zur Erhöhung der Standsicherheit der Böschung aufgrund der örtlichen Gegebenheiten nicht möglich war, wurden spezielle Anforderungen an das Überwachungssystem gestellt. Neben der reinen Leckageortung, muss das System in der Lage sein, entlang der Kanalstrecke Durchsickerungen zu quantifizieren und einen Anstieg der Sickerlinie zu erkennen. Mit Hilfe der Weiterentwicklung der Aufheizmethode konnten diese Anforderungen erfüllt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Perzlmaier, S.; Aufleger, M.; Dornstädter, J.: Leckageortung mit Hilfe verteilter faseroptischer Temperaturmessungen - Feldversuche zur Weiterentwicklung der Aufheizmethode. Tagungsband Internationales Symposium Moderne Methoden und Konzepte im Wasserbau, Zürich 7. - 9. Okt. 2003. Mitteilungen 175 der Versuchsanstalt für Wasserbau Hydrologie und Glaziologie der ETH Zürich, Band 2, S. 399 - 409.
- Schäfer, P.; Perzlmaier, S.; Conrad, M.; Strobl, Th.; Aufleger, M.: Rehabilitation of Dam Facings Monitored by an Advanced Technology for Leakage Detection. Proceedings of the 21st ICOLD Congress, Montréal, Canada 16. ¿ 20. Juni 2003, S. 139 - 154-
- Aufleger, M.; Perzlmaier, S.; Conrad, M.; Porras, P.: Distributed Fibre Optic Temperature Measurements in Dams. Proc. of international Symposium on Advances and Trends in Fiber Optics and Applications, Chongquing University, China 11. - 15. Okt. 2004, S. 308 - 314.
- Perzlmaier, S.; Aufleger, M.; Conrad, M.: Distributed Fibre Optic Temperature Measurements in Hydraulic Engineering - Prospects of the Heat-up Method. Proc. of the 72nd Annual Meeting of ICOLD, Seoul, Korea, 16. - 22. Mai. 2004.
- Aufleger, M.: Innovative Dam Monitoring Tools Based on Distributed Temperature Measurement. Proceedings of the International Symposium in Dam Safety and Detection of Hidden Troubles of Dams and Dikes, 1st - 3rd November 2005, Xi´an, China. (Keynote lecture, invited)
- Aufleger, M.; Conrad, M.; Perzlmaier, S.; Porras, P.: Improving a Fiber Optics Tool for Monitoring Leakage (reviewed). HRW magazine, Vol. 13, Nr. 4, Sept. 2005, S. 18 - 23.
- Aufleger, M.; Perzlmaier, S.; Dornstädter, J.; Schewe, L.: A Leakage Detection System for Concrete Faced Rockfill Dams. Proc. Symposium on Concrete Faced Rockfill Dams, Yichang, China 19. - 26. Sept. 2005, S. 255 - 264.
- Perzlmaier, S.: Der Wärmeübergang vom Heizzylinder an gesättigte und durchströmte Schüttungen. Workshop Anwendung und Grenzen physikalischer und numerischer Modelle im Wasserbau, Wallgau 29. - 30. Sept. 2005. Berichte des Lehrstuhls und der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München, Heft 104, S. 135 - 150.
- Haselsteiner, R.; Perzlmaier, S.: Der Systemansatz zur Beurteilung der Versagenswahrscheinlichkeit von Deichen. Fachtagung Deichertüchtigung und Deichverteidigung in Bayern, Wallgau 13. - 14. Juli 2006, Berichte des Lehrstuhls und der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München, Heft 107, S. 75 - 90.
- Perzlmaier, S.; Aufleger, M.: Verteilte Bestimmung von Wassergehalt und Filtergeschwindigkeit mit der Aufheizmethode (reviewed). Tagungsband SMG Workshop Innovative Feuchtemesstechnik in Forschung und Praxis, Karlsruhe 17. - 18. Okt. 2006.
- Perzlmaier, S.; Aufleger, M.: Verteilte Filtergeschwindigkeitsmessung. Tagungsband Wasserbausymposium Stauhaltungen und Speicher - von der Tradition zur Moderne, Graz 27. - 30. Sept. 2006.
- Perzlmaier, S.; Haselsteiner, R.: Der Systemansatz zur Beurteilung der Gefahr der hydrodynamischen Bodendeformation. Fachtagung Deichertüchtigung und Deichverteidigung in Bayern, Wallgau 13. - 14. Juli 2006, Berichte des Lehrstuhls und der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München, Heft 107, S. 57 - 74.
- Perzlmaier, S.; Porras, P.; Aufleger, M.: Anwendungskonzepte verteilter faseroptischer Leckageortung. Tagungsband V. Mittweidaer Talsperrentag Messtechnische Überwachung von Stauanlagen, Mittweida 11. Mai 2006, S. 3 - 12.
- Perzlmaier, S.; Straßer K.-H.; Strobl, Th.; Aufleger, M.: Integral Seepage Monitoring on Open Channel Embankment Dams by the DFOT Heat Pulse Method. Proc. of the 22nd ICOLD Congress Vol. III, Barcelona, Spain June 2006, Q. 86 - R12, S. 145 - 164.
- Strobl, Th.; Perzlmaier, S.; Matthes, H.: Zur Sicherheitsphilosophie bei der Sanierung von Kraftwerkskanälen in Bayern. Tagungsband Wasserbausymposium Stauhaltungen und Speicher - von der Tradition zur Moderne, Graz 27. - 30. Sept. 2006.
- Perzlmaier, S.: Verteilte Filtergeschwindigkeitsmessung in Staudämmen. Dissertation zur Erlangung des Grades eines Dr. - Ing. an der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der TU München.
