Verkehrswasserbau
Noch 1990 meinten Fachleute, dass nach dem Abschluss der Arbeiten am Ausbau der Saar und dem Bau der Main-Donau-Verbindung das Bundeswasserstraßennetz vollendet sei [1]. Die Wiedervereinigung Deutschlands und die Öffnung Osteuropas zeigte dann aber die Notwendigkeit des weiteren Ausbaus. 6 % der Güter werden derzeit in der Bundesrepublik über die Binnenschiffahrt befördert [3]. Bis 2030 sollen die Mengen gegenüber 2010 um 20 % steigen [3]. Im Vergleich der Verkehrsträger hat die Binnenschifffahrt den niedrigsten Energieverbrauch. Auf der Strecke Rotterdam – Duisburg sind es beim Transport von Gütern per Schiff 43 MJ/t, bei der Bahn 112 MJ/t und beim LKW 227 MJ/t [4]. Daher ist es das Ziel, möglichst viele Güter per Schiff zu befördern. Erreichbar ist dies aber nur, wenn die bestehenden Wasserstraßen durch Vertiefung des Fahrwassers und Anpassung der Schleusen für größere Schiffseinheiten ertüchtigt werden. Dauerhafte und wartungsarme Baukonstruktionen müssen eine ständige Verfügbarkeit der Infrastruktur sicherstellen. Beton als dauerhafter und ökologischer Baustoff nimmt hier eine wichtige Funktion wahr.
Legt man den Geltungsbereich der Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen - Wasserbau (ZTV-W) für Wasserbauwerke aus Beton und Stahlbeton [5] zugrunde, zählen zu den Wasserbauwerken Schleusen, Wehre, Sperrwerke, Schöpfwerke, Düker, Durchlässe, Hafenbauten und einschließlich Nebenanlagen. Die Beanspruchungen dieser Bauwerke sind vielfältig:
- Der raue Schiffsbetrieb stellt in Schleusen und Hafenanlagen eine hohe mechanische Beanspruchung dar. An Wehren können die Geschiebe in fließenden Gewässern und in Wasserkraftwerken die Kavitation zu extremen mechanischen Angriffen auf die Betonoberfläche führen.
- Im Bereich der Wasserwechselzone von Schleusen und Hafenanlagen treten sehr hohe Beanspruchungen durch schroffe Frost-Tau-Wechsel hinzu.
- Im Bereich von Meerwasser ist mit Chloridangriff aus dem Meersalz zu rechnen.
- Die immer noch stark belasteten Gewässer und das Grundwassers können einen chemischen Angriff auf die Bauteiloberflächen ausüben.
- Die Lage vieler Wasserbauwerke an Flüssen, die oft beliebte touristische Ziele sind, stellt auch hohe Ansprüche an die Gestaltung der Bauwerke. Funktionsbedingte Vorgaben schränken aber andererseits die architektonischen Freiheiten ein.
Untersuchungen an den Betonbauwerken an der Saar 16 bis 20 Jahre nach ihrer Fertigstellung zeigten, dass diese insgesamt in einem guten Zustand sind. Zielführend waren hier eine sachgerechte Planung, Bauausführung und Unterhaltung [6].
Bauteile im Süßwasser sind den Expositionsklassen XC, XF und XM zuzuordnen. Im Meerwasserbereich sind es die Expositionsklassen XC, XF, XA und XM. Genaue Angaben enthält der Bauteilkatalog [9].
Wasserbauwerke sind fast immer Ingenieurbauwerke mit sehr großen Abmessungen. Die Hydratationswärmeentwicklung kann zu großen Temperaturunterschieden zwischen Kernbeton und Betonoberfläche führen und die Gefahr von Rissen durch Zwangsspannungen herbeiführen. Die Optimierung der Zusammensetzung der Massenbetone ist daher von entscheidender Bedeutung. Bewährt haben sich hier u. a. Betone mit möglichst geringem Zementgehalt und mit einem Zement mit niedriger Hydratationswärmeentwicklung. Soll das gesamte Bauwerk mit dem gleichen Beton gebaut werden, kann die gleichzeitige Berücksichtigung von Dauerhaftigkeitsaspekten in bestimmten Bereichen zu Konflikten führen, z. B. wenn der Beton als Luftporenbeton ausgeführt werden muss, um die Anforderungen an den Frostwiderstand bei hoher Wassersättigung erfüllen zu können. In modernen Wasserbauwerken wird daher teilweise die zonierte Bauweise eingesetzt, bei der unterschiedliche Betone zum einen als Kernbeton und zum anderen als Randbeton für höher beanspruchte Randzonen eingebaut werden [7] [8].
Besondere Beachtung erfordern auch die Konstruktionen von Fugen in Wasserbauwerken. In bestimmten Fällen kommt die vollmonolithischen Bauweise in Betracht: Beim Bau der Schleuse Wusterwitz wurde die Stahlbetonkonstruktion mit einer Gesamtlänge von 261,03 m so bemessen, dass auf Dehnungsfugen verzichtet werden konnte [10].
Uferschutz
Gewässersohlen und Böschungen in und an Bundeswasserstraßen müssen gegen Beanspruchungen aus natürlichen und schiffserzeugten Wellen und Strömungen geschützt werden. Nicht erst mit dem Inkrafttreten der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EG-WRRL) im Jahr 2000 haben ökologische Gesichtspunkte bei der Ufersicherung einen hohen Stellenwert. Schonende Maßnahmen wie strömungstechnische Optimierungen oder pflanzliche Ufersicherung werden bevorzugt, reichen aber an vielen Stellen nicht aus. Hier erfolgt diese Sicherung mit technischen Deckwerken aus Steinschüttungen oder Spundwänden. Komponenten der Deckwerke sind:
- die erosionssichere Deckschicht als Steinschüttung,
- ein darunter liegender geotextiler oder mineralischer Filter und
- Bei Bedarf eine Oberflächendichtung.
Um die Standfestigkeit zu erhöhen, kann die Steinschüttung zusätzlich mit zementgebundenen Stoffen verklammert werden. Dieses Verklammern führt im Gegensatz zum früher häufig angewandten Vollverguss zu Materialeinsparungen und durch den möglichen Wasserdruckausgleich auch meist zu besserer Stabilität des Bauwerks. Bei der Verklammerung bleiben alle biologischen Vorteile der Schüttsteinbauweise erhalten [12].
Die Sicherheit der für den Hochwasserschutz bedeutenden Deiche kann durch unterirdische Gänge und Baue von Wühltieren erheblich gefährdet werden. Deiche mit niedrig liegendem Böschungsfuß benötigen gegen die semiaquatisch lebenden Tiere wie Biber, Bisamratte und Nutria (Biberratte) einen massiven Uferschutz durch Schüttung von Wasserbausteinen bis 1 m bzw. 1,5 m unter den mittleren Niedrigwasserstand. Die Schüttung wird zweckmäßig mit zementgebundenen Stoffen verklammert. Bei starkem Befall durch Kaninchen, Wühlmaus, Maulwurf, Spitzmaus verhindern mit Zement verfestigte Bodenschichten im Böschungsbereich die Grabtätigkeit der Tiere [13].
Weiterführende Literatur
[1] Bayer, Edwin; Donau, Hans; Hallauer, Ottokar; Kaske, Ernst-Dieter; Lenz, Ernst-Udo: Beton für Bauwerke an Wasserstraßen. Beton-Verlag, Düsseldorf 1990
[2] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI): Verkehrsverflechtungsprognose 2030
[3] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur: Verkehrsiverflechtungsprognose 2030
[4] Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes: Verkehrswirtschaftlicher und ökologischer Vergleich der Verkehrsträger Straße, Bahn und Wasserstraße
[5] Bundesanstalt für Wasserbau:
Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen - Wasserbau (ZTV-W) für Wasserbauwerke aus Beton und Stahlbeton
[6] Bayer, Edwin; Kunz, Claus:
Die Saarschleusen nach 12-jährigem Betrieb. beton 3-2000 S. 122
[7] Hallauer, Ottokar:
Hochofenzement im Wasserbau. Beton-Informationen 4-2000 S. 47
[8] Westendarp, Andreas:
Entwicklung und Tendenzen bei Baustoffen und Bauausführung im Schleusenbau. Beton-Informationen 1-2001 S.3
[9] Thomas Richter, Martin Peck, Roland Pickhard: Bauteilkatalog - Planungshilfe für dauerhafte Betonbauteile
[10] Tue, Nguyen Viet; Weisner, André:
Neubau 2. Schleuse Wusterwitz – Besonderheiten einer vollmonolithischen Schleuse aus Stahlbeton. beton 5-2009 S. 194
[11] Empfehlungen für Verklammerung und Vollverguss von Uferschutzwerken und Sohlensicherungen – EVU 1990. Arbeitskreis „Verklammerung und Vollverguss von Uferschutzwerken und Sohlensicherungen.“ Herausgeber: Bauberatung Zement des Bundesverbandes der Deutschen Zementindustrie
[12] Wehefritz, Kurt:
Verklammern von Schüttsteinen - Uferschutz mit biologischen Vorteilen. beton 6-1984 S.227
[13] Bayer, E.; Bosold, D.; Hersel, O.:
Hochwasserschutz und zementgebundene Baustoffe
[14] Westendarp, Andreas; Rahimi, Amir; Reschke, Torsten; Spörel, Frank: Betone für den Wasserbau – gestern, heute, morgen. beton 5/2014, Seite 178
