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Strömungsmodelle zur Simulation der Durchsickerung von Straßenbauwerken mit Implementierung hydrologischer Parameter

Simulation of seepage flow in earth constructions under consideration of hydrologic data

  • Bei Verwendung von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen (BumI) in Erdbauwerken sind gegebenenfalls technische Sicherungsmaßnahmen zu ergreifen, um in umweltspezifischer und wasserwirtschaftlicher Hinsicht einen verantwortungsvollen Einsatz dieser Materialien zu gewährleisten. Die technischen Sicherungsmaßnahmen sind dabei so zu gestalten, dass eine Durchsickerung der Böden und Baustoffe mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen und damit ein möglicher Austrag von Schadstoffen auf ein verträgliches Maß minimiert werden. Das Merkblatt über Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (MTS E) stellt insgesamt sechs unterschiedliche Bauweisen für Straßendämme, die entsprechend auch auf andere Erdbauwerke (z.B. Lärm- und Sichtschutzwälle) übertragbar sind, vor. Diese können prinzipiell in Bauweisen mit Abdichtungen (Bauweisen A, B, C), Bauweisen mit gering durchlässigem Körper aus Böden oder Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen (Bauweise E) und Kernbauweisen ohne Abdichtungen (Bauweise D) unterschieden werden. Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bau, Verkehr und Stadtentwicklung geförderten Forschungsvorhabens wurden am Zentrum Geotechnik der TU München von Schweller et al. (2009) Berechnungen zur Bewertung der Wirksamkeit der Bauweisen durchgeführt. Anhand dieser Berechnungen konnte die prinzipielle Wirksamkeit der Bauweisen A, B und D belegt werden. Für die Bauweise E ergaben sich vergleichsweise große Sickerwassermengen. Die Berechnungen wurden allerdings mit einem Durchschnittswert des Niederschlages, der aus dem Gesamtjahresniederschlag verteilt auf 365 Tage ermittelt wurde, durchgeführt. Dadurch kommt es rechnerisch zu konstanten kleinen Infiltrationsmengen in den Straßendamm ohne Ausbildung eines Oberflächenabflusses. Damit verbunden sind unrealistisch hohe Sickerwassereintritte in die Ersatzbaustoffe. Die Wirksamkeit der Bauweise E konnte deshalb im Rahmen der Untersuchungen von Schweller et al. nicht abschließend bewertet werden. Basierend auf den am Zentrum Geotechnik der TU München von Schweller et al. durchgeführten Untersuchungen wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens FE 84.105 Berechnungen zur Durchsickerung der Bauweise E unter Ansatz von Tageswerten des Niederschlages, der Evapotranspiration und des Oberflächenabflusses durchgeführt. Die mit VADOSE/W durchgeführten Berechnungen zeigen, dass die Vergleichmäßigung der Infiltration bei einer Berechnung mit Durchschnittswerten der Infiltration zu ca. 1,7-fach größeren Sickerwassermengen als beim Ansatz von Tageswerten führt. Die mit Tageswerten der Klimadaten für einen Zeitraum von 10 Jahren durchgeführten Berechnungen ergaben für die Bauweise E bei einem Durchlässigkeitsbeiwert des Kerns von k = 1 · 10-8 m/s eine mittlere Sickerwassermenge aus dem Kern von ca. 60 mm/a.
  • Contaminated soils and recycled materials can be used for earth works if specified contaminant concentrations are not exceeded and if technical safeguards are considered in the design. Technical safeguards are necessary for reasons of soil and groundwater protection. The German Association for Research on Road Construction and Traffic Affairs (FGSV) developed various construction methods for the use of such materials (M TS E, 2008). The design principle of such earth structures is to minimize the seepage water from the contaminated soils or recycled material. The construction methods presented by the German Association for Research on Road Construction and Traffic Affairs (FGSV) can be divided in construction methods with and without the application of a sealing system (mineral liners, geomembranes, geosynthetic clay liners). If the contaminated soils or recycled materials are of low permeability or if they are placed in areas that are protected against seepage (e.g. beneath the pavement), the use of additional sealing clay liners or geomembranes is not necessary. Investigations of the effectiveness of the construction methods described by MTSE were performed by Schweller et al. (2009). The effectiveness of the construction methods A, B and D could be demonstrated by calculations. For the construction method E comparatively high seepage quantities were calculated. The interactions between atmosphere and soil (precipitation, evapotranspiration, surface run off) were though strongly simplified in the simulations of Schweller et al. As upper boundary condition a constant infiltration was defined and surface run off was neglected. Due to these the seepage was overestimated. Based on the investigations of Schweller et al. calculations for the construction method E were performed taking into account the effects of evapotranspiration and surface run off. The simulations were performed with the software VADOSE/W under consideration of daily values for climate conditions. Additional simulations with a 10-year average infiltration rate were conducted. The results show that the calculations with average values of infiltration rate give seepage quantities that are 1.7 times larger than seepage quantities calculated with daily values for climate conditions. Considering for the construction method E a permeability for the core material of k = 1 · 10-8 m/s and daily values for the climate conditions, seepage quantities of 60 mm/a were determined.

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Metadaten
Author:Gabriele Michaelides, Andromachi Koukoulidou, Emanuel Birle, Dirk Heyer, Norbert Vogt
URN:urn:nbn:de:hbz:opus-bast-26168
ISBN:978-3-95606-678-8
ISSN:0943-9323
Series (Serial Number):Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau (176)
Publisher:Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG
Place of publication:Bremen
Document Type:Book
Language:German
Date of Publication (online):2022/03/21
Date of first publication:2022/03/22
Publishing institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Release Date:2022/03/22
Tag:Baustoff; Boden; Construction material; Environment; Ground; Umwelt
Number of pages:159
Comment:
Bericht zum Forschungsprojekt 84.0105
Strömungsmodelle zur Simulation der Durchsickerung von
Straßenbauwerken mit Implementierung hydrologischer Parameter

Fachbetreuung
Roderich Hillmann

Referat
Nachhaltigkeit, Ressourcenschutz und
Erdbaustoffe im Straßenbau
Licence (German):License LogoBASt / Link zum Urhebergesetz

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