Titelaufnahme

Titel
Experimental and numerical analyses of relief drainages by underseepage of dykes and levees / von Marek Szabó
Weitere Titel
Experimentelle und numerische Untersuchungen der Wirkungsweise von Druckentlastungsdrainagen bei der Unterströmung von Dämmen
VerfasserSzabó, Marek
Begutachter / BegutachterinBrandl, Heinz ; Tschernutter, Peter
ErschienenWien, 2017
UmfangXIII, 199 Seiten : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Dissertation, 2017
Anmerkung
Zusammenfassung in englischer Sprache
Text in deutscher Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Druckentlastungsdrainagen
Schlagwörter (EN)relief drainages
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-102704 Persistent Identifier (URN)
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Experimental and numerical analyses of relief drainages by underseepage of dykes and levees [15.96 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Dammbauwerke entlang von Flüssen, die zum Schutz des Hinterlandes vor Überschwemmungen dienen, gründen meist auf gut durchlässigen fluvialen Sedimenten unterhalb einer oberflächennahen bindigen Deckschicht. Aufgrund der häufig fehlenden vollkommenen Untergrundabdichtung werden Hochwasserschutz- und Rückstaudämme bei hydraulischer Beaufschlagung unterströmt. Zufolge der Unterströmung bilden sich zeitlich verzögert auch im landseitigen Grundwasserleiter artesisch gespannte Druckverhältnisse aus. Dabei werden insbesondere die obersten Untergrundschichten einer hydraulischen Belastung ausgesetzt, die folglich zum Versagen des Untergrundes durch Aufschwimmen oder hydraulischen Grundbruch führen kann. Um ein unkontrolliertes Aufbrechen bzw. Erodieren zu vermeiden, werden zur Entspannung des Überdruckes filterstabile Druckentlastungen am landseitigen Dammfuß angeordnet.^ ^Zu Druckentlastungen im Dammbau zählen Entlastungsbrunnen oder stark durchlässige Drainageelemente in Form von vliesummantelten Kiessäulen oder Drainagegräben, welche eine definierte hydraulische Verbindung zum gut durchlässigen Untergrund sicherstellen. Durch das kontrollierte Ausströmen des artesisch gespannten Wassers wird der hydrostatische Überdruck entspannt und die Sicherheit gegenüber hydraulischem Versagen maßgebend erhöht. Die Bestimmung der Entlastungswirkung und die Quantifizierung der Sickerwässer basierten bislang jedoch aufgrund unzureichender Grundlagen lediglich auf Annahmen und Erfahrungswerten. Eine eingehende Anpassung der geometrischen und hydraulischen Paramater (z.B. Breite, Durchmesser, Einbindetiefe, Achsabstand, Durchlässigkeit etc.) der Drainageelemente an die Untergrundverhältnisse wurde dabei außer Acht gelassen. Damit waren die Auswirkung dieser Einflussgrößen sowie auch die allgemeinen Ausführungsregeln nicht ausreichend erfasst.^ In der vorliegenden Arbeit werden zunächst analytische Lösungsansätze zur Berechnung der Unterströmung präsentiert. Dies erfolgt für Dämme auf einer undurchlässigen und halbdurchlässigen bindigen Deckschicht. Dabei wird für den stationären Strömungszustand die allgemeine Gleichung für die Bestimmung der Druckverteilung in einem Strömungsfeld mit begrenzter und unendlicher Länge mathematisch formuliert und dient somit als Grundlage für die Beurteilung der Notwendigkeit von Druckentlastungen. Ergänzend dazu werden die unterschiedlichen Druckentlastungssysteme zusammengefasst beschrieben. Da jedoch für das Langzeitverhalten von Druckentlastungsdrainagen neben der ordnungsgemäßen Herstellung die Dimensionierung der Vliesummantelung (geotextiler Filter) maßgebend ist, werden hierzu die wichtigsten Bemessungsansätze einander gegenübergestellt und daraus Empfehlungen abgeleitet. Darüber hinaus werden auch die Ausführungshinweise zu Entlastungsbrunnen erläutert.^ Die Beurteilung der Wirkungsweise und die Quantifizierung der Sickerwassermengen erfolgten auf Basis einer kombinierten Modellierung. Zunächst wurden an geometrisch verkleinerten Dammmodellen inkl. Untergrundaufbau im Maßstab 1:10 die maßgebenden Parameter (Durchmesser, Einbindetiefe, Durchlässigkeit und Anzahl der Säulen) hinsichtlich der Entlastungswirkung von Kiessäulen und Drainagegräben untersucht. Basierend auf den Versuchsergebnissen wurde eine Kalibrierung des numerischen Vergleichsmodells durchgeführt. Somit war eine über die Grenzen des kleinmaßstäblichen Modells hinausgehende Parameterstudie möglich. Darüber hinaus bildeten diese Untersuchungen eine wichtige Grundlage für die großmaßstäblichen Modellversuche.^ Durch die Maßstabsvergrößerung ließ sich zwar die Homogenität des Durchlässigkeitsbeiwertes der wasserführenden Bodenschichten nicht gänzlich aufrechterhalten, doch konnte auf diese Weise die Wirkungsweise von Kiessäulen im Naturmaßstab 1:1 analysieren werden. Darüber hinaus wurden in der Großversuchsanlage durch die zahlreichen Versuche die Ergebnisse der maßstäblichen Modellierung verifizieren und gleichzeitig das hohe Risiko eines Untergrundversagens zufolge der Unterströmung bestätigt. Auf Basis der klein- und großmaßstäblichen Modellversuche durchgeführter Kalibrierung des numerischen Modells lässt sich die Wirkungsweise von Kiessäulen für die praktische Anwendung mit hoher Genauigkeit beschreiben und daraus Empfehlungen für die Dimensionierung von Druckentlastungsdrainagen sowie für die Quantifizierung der Sickerwasseraustritte ableiten.

Zusammenfassung (Englisch)

Many flood control dams are founded on alluvial deposits, which usually grade from fine-grained materials near the ground surface to coarse sediments with high permeability in the lower part of the strata. If dykes or levees do not have a cut-off wall fully penetrating the aquifer, underseepage occurs beneath the dam structure during high river levels. Such seepage leads to an excessive water pressure in the pervious foundation (aquifer) landside of the embankment dam. Most dangerous situations occur when high hydrostatic pressure acts on the upper soil layers and ground failure develops in the form of uncontrolled boils or uplift of the blanket. In these cases, the installation of pressure relief elements at the landside embankment toe prevents erosion and hydraulic rupture of the stratum.^ ^Relief wells and relief drainages in the form of geotextile wrapped stone columns or trenches are highly permeable drainage elements that ensure a defined hydraulic connection with the aquifer. They relieve the uplift pressure below the impervious blanket while water discharges freely to the surface. Therefore, the safety factor against hydraulic failure increases significantly. However, the hitherto existing design criteria for relief drainages were insufficient. Most approaches determine the pressure relief and the discharges only based on assumptions and experience from former projects. Geometrical and hydraulic parameters of relief drainage elements (e.g. diameter, embedment length, centre-to-centre distance, permeability, etc.) are usually not considered. These parametric influences on the relief behaviour and corresponding within general requirements for installation were not sufficiently described until now.^ In this dissertation, mathematical approaches are presented for an underseepage analysis, referring to embankment dams (dykes, levees) founded on pervious and semi-pervious soil layers. Analytical solutions are derived for the pressure distribution in a flow field of finite and infinite length with open and blocked boundary conditions. This simplified underseepage analysis for steady state conditions provides a basis for the judgment, if pressure relief measures are necessary. In addition to these mathematical analyses, different pressure relief systems are described. Besides a proper installation technique, the design of the geotextile filter of relief drainages is significant for the long-term behaviour. Therefore, the most important design criteria and recommendation are discussed. Furthermore, this dissertation includes also the general design for the installation of relief wells.^ The detailed study of pressure relief behaviour and the estimation of discharge from relief drainages were based on a combined modelling method by using experimental and numerical techniques. Firstly, a small-scale (1:10) dam model on a two-layer strata was used to analyse the influence of main parameters (diameter, embedment length, permeability and number of drainage relief columns) on the relief behaviour of stone columns and trenches. The results of these tests built the basis for calibration of the numerical model and for the large-scale modelling (scale of 1:1) as well. Furthermore, this gradual approach allowed parametric studies exceeding the geometric and hydraulic limits of the small-scale model. Although the homogenous permeability of the pervious soil layer could not be entirely kept in the large-scale model, it was possible to analyse the relief behaviour of drainage stone columns under laboratory conditions on a scale of 1:1.^ In this way, the results from small-scale modelling were verified by means of several tests in the large-scale facility. The high risk of hydraulic ground failure due to underseepage was also confirmed. Based on the combined modelling results, the relief behaviour of drainage stone columns can be described with high accuracy regarding the practical application. Finally, recommendations for design and estimation of discharge are derived.