Dichtungssysteme an Wasserstraßen
BAW begutachtet Materialien und Verfahren
Um den Schiffsverkehr nicht zu unterbrechen, werden Dichtungssysteme an den Wasserstraßen meist bei laufendem Betrieb unter Wasser eingebaut.
Künstliche Wasserstraßen führen ähnlich wie Autostraßen häufig über unregelmäßiges Gelände, sodass für die Schifffahrt ebenso wie für den Straßenverkehr Dämme, Brücken und zum Teil auch Tunnel erforderlich sind. Zudem gilt es, das Wasser sicher in den Wasserstraßen zu halten. In jenen Abschnitten, in denen der Wasserspiegel über dem angrenzenden Gelände liegt, erhalten sie deshalb eine flächige Dichtung. Auf diese Weise lassen sich einerseits Wasserverluste begrenzen (maximal zugelassen sind 2,5·10-8 m3/s pro m2) und andererseits die Standsicherheit von Wasserbauwerken (etwa Dämme oder Kanalbrücken) gewährleisten.
Typisch für heutige Wasserstraßen ist ein Trapez- oder Rechteck-Trapezquerschnitt. Dabei wird die Neigung der Uferböschung in der Regel in einem Verhältnis von 1 : 3 ausgebildet. Ebenfalls typisch sind eine Wassertiefe von 4 m und eine Wasserspiegelbreite an der Oberfläche von 55 m bzw. 48,5 m. Die Böschungs- und Sohlensicherungen bestehen meist aus einer mineralischen Oberflächendichtung, einer darüber liegenden geotextilen Trennlage und einer erosionsfesten Deckschicht aus losen oder teilvergossenen Wasserbausteinen (Bild 1). Zur Abdichtung nutzt man neben reinen Naturmaterialien wie Ton, der bereits seit Jahrhunderten an Wasserstraßen Verwendung findet, zunehmend auch künstlich hergestellte Materialien wie beispielsweise Bentonitmatten oder speziell aufbereitete Gemische aus Sand, Wasser, Tonmineralien, Zement und anderen Zusatzstoffen. Vor ihrer ersten Anwendung werden neue Dichtungsmaterialien in der BAW einer Grundprüfung unterzogen, um festzustellen, ob sie die Anforderungen gemäß dem Vorschriftenwerk der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes WSV (z. B. ZTV-W, LB 210) erfüllen.
Die Sicherheit eines Dichtungssystems ist jedoch nicht nur vom Material abhängig, sondern zum Beispiel auch von der Ausbildung der Fugen und der überlappungen; ebenso muss der Anschluss an Bauten wie etwa an Spundwände einwandfrei sein. Entscheidend für die Funktionstüchtigkeit der Sicherung ist somit auch das Einbauverfahren. Da der Schiffsverkehr bei Ausbau- und Sanierungsmaßnahmen an den Wasserstraßen in der Regel nicht unterbrochen werden darf, muss der Einbau einer neuen Dichtung meist unter Wasser bei laufendem Verkehr erfolgen. Dies stellt besondere Anforderungen dar: Alle Arbeitsgeräte und das Einbauverfahren selbst müssen so konzipiert sein, dass eine qualitätsgerechte Verlegung auch bei den unter Wasser vorherrschenden eingeschränkten visuellen Kontrollmöglichkeiten gewährleistet ist. Die BAW begutachtet dies vor jedem erstmaligen Einsatz eines neuen Einbauverfahrens ebenfalls im Rahmen einer Grundprüfung (entsprechend ZTV-W, LB 210).
Ton ist häufig das Dichtungsmaterial der Wahl
Aufbereiteter Naturton erfüllt mit seinen sehr guten Dichtungseigenschaften und seiner hohen Flexibilität und Erosionsbeständigkeit auch die heutzutage an Dichtungsmaterialien zu stellenden Ansprüche. Um die Wasserverluste in Wasserstraßen zu begrenzen, wird für eine Schichtdicke von 20 cm ein Durchlässigkeitsbeiwert von 1·10-9 m/s gefordert. Zur Gewährleistung eines qualitätsgerechten Einbaus können prinzipiell drei unterschiedliche Verfahren zum Unterwassereinbau von Ton angewendet werden: das Tonplatten-Verfahren, das Tonbahnen-Verfahren und das Tonwürfel-Verfahren. Sie unterscheiden sich in der Art und Weise, mit der der Ton eingebracht wird und wie deren Fugen bzw. überlappungen ausgebildet werden.
Beim Tonplatten-Verfahren verlegt man Naturton in einzelnen, vorgefertigten Tonplatten in der Größe von etwa 4 m x 4 m auf Böschungen und Sohle (Bild 2). Dabei wird der aufbereitete Ton zunächst mit einem Bagger in der vorgegebenen Schichtstärke von 20 oder 30 cm in ein sogenanntes 'Tonbett' auf einem Arbeitsponton eingebracht und verdichtet. Anschließend werden die so hergestellten Tonplatten mit einer Vakuumglocke 'ausgestochen', von ihr aufgenommen und GPS-gesteuert verlegt. Dabei lässt man die Tonplatten an den Rändern jeweils 10 cm überkragen und verfestigt diese Materialüberlappungen nachträglich durch Andrücken. Eine Kontrolle der Dichtigkeit der einzelnen Tonplatten erfolgt beiläufig in dem vorangehenden Arbeitsgang durch die Vakuum-Handhabungstechnik, mit der die einzelnen Platten aus dem Tonbett gehoben werden. Die WSV wendet das Tonplatten-Verfahren seit vielen Jahren erfolgreich an.
Beim Tonbahnen-Verfahren wird der aufbereitete Naturton durch ein trapezförmiges Mundstück gepumpt und auf dem Planum abgelegt (Bild 3). Die einzelnen 20 oder 30 cm dicken Bahnen mit einer Breite von etwa 1,20 m werden bei diesem Verfahren nebeneinander verlegt, ohne sich dabei zu überlappen. Der erforderliche dichte Fugenschluss entsteht bei dieser Verlegungsart infolge einer Ausdehnung der Tonbahn nach der Stauchung, die das Material während des Ausstoßes in dem trapezförmigen Mundstück in Längsrichtung erfahren hat. Darum ist es sehr wichtig, dass die Verlegegeschwindigkeit des Gerätes sehr genau auf die Fördergeschwindigkeit des Tones abgestimmt ist, um kontinuierlich den erforderlichen Stauchdruck zu garantieren und Fehlstellen zu vermeiden. Die WSV wendet auch dieses Verfahren seit vielen Jahren erfolgreich an.
Beim Tonwürfel-Verfahren wird aufbereiteter Naturton in kleine Würfel mit einer Kantenlänge von etwa 8 cm geschnitten (Bild 4) und kurzzeitig einem Vakuum ausgesetzt. Dieser Prozessschritt ist erforderlich, um Zerfallserscheinungen nach dem Einbau unter Wasser zu vermeiden. Anschließend werden diese Tonwürfel über ein Schüttgerüst an der Wasseroberfläche in der gewünschten Schichtdicke eingebracht und mit einem Plattenrüttler verdichtet. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine weitestgehend fugenlose Dichtungsschicht entsteht. Bei erschütterungs- bzw. setzungsempfindlichem Untergrund ist jedoch vorab zu prüfen, ob das Verfahren überhaupt anwendbar ist, denn auf sehr weichem Untergrund lässt sich der Ton unter Umständen nicht ordnungsgemäß verdichten. Zudem gibt es für das Tonwürfel-Verfahren gegenwärtig keine gültige Grundprüfung.
Neue Dichtungsverfahren sammeln Punkte
Zu den neueren Dichtungssystemen an künstlichen Wasserstraßen zählen geosynthetische Tondichtungsbahnen, auch Bentonitmatten genannt. Sie bestehen aus zwei Lagen Geokunststoffen, zwischen denen als Dichtung eine Schicht Bentonit (meist Natrium-Bentonit, der zu über 75 % aus dem besonders quellfähigen Tonmineral Montmorillonit besteht) eingeschlossen ist. Mit einer Schichtdicke von nur 1 cm sind Bentonitmatten ein relativ dünnes Dichtungselement. Um die gleiche Wirksamkeit wie die einer 20 cm dicken Tondichtung zu gewährleisten, müssen Bentonitmatten einen Durchlässigkeitsbeiwert von maximal 5·10-11 m/s besitzen. Dabei ist zu beachten, dass bei der Verwendung von Natrium-Bentonit durch Ionenaustausch innerhalb von zwei bis drei Jahren eine Erhöhung des Durchlässigkeitsbeiwerts von bis zu einer Zehnerpotenz möglich ist. Um Beschädigungen der Bentonitmatten zu verhindern (etwa durch punktuelle Belastungen beim Einbau der Wasserbausteine der darüber liegenden Deckschicht), wird die Bentonitmatte zusammen mit einer Sandmatte verlegt (Bild 5). Das zulässige Einzelsteingewicht der Deckschicht ist auf 40 kg beschränkt. In hohen Dammstrecken ist das Verfahren nicht zugelassen.
Anstelle von Naturton lassen sich in Sohlenbereichen von Wasserstraßen auch die vor wenigen Jahren entwickelten dauerplastischen Dichtungen verwenden, die aus Sand, Wasser, Tonmineralien, Zement und anderen Zusatzstoffen zusammengesetzt sind. In hochtourigen Mischern aufbereitet, ist dieses fließfähige Dichtungsmaterial über Pumpen und Schläuche einfach einzubauen. Im Ergebnis entsteht eine fugenlose Dichtung in der jeweils gewünschten Schichtdicke. Die Anforderung an ihre Durchlässigkeit entspricht der von Naturton. Bei richtigem Mischungsverhältnis der Bestandteile (geringer Zementzusatz) härtet das Material nicht aus, sondern bildet eine dauerhaft plastische Dichtungsschicht (Bild 6). In hohen Dammstrecken ist dieses innovative Verfahren jedoch nicht zugelassen.
Da Dichtungen nicht nur Wasserverluste begrenzen, sondern in Dammstrecken auch relevant für die Standsicherheit sind, müssen sie dauerhaft zuverlässig sein. Grundlage dafür ist neben einer kritischen Prüfung und Zulassung neuer Dichtungssysteme und Einbauverfahren durch die BAW eine sorgfältige Planung, Ausschreibung und Ausführung von Dichtungsarbeiten an den künstlichen Wasserstraßen sowie eine entsprechende Bauüberwachung - unter Wasser auch durch Taucher - und zudem eine überprüfbare Qualitätssicherung.
Kontakt: geotechnik@baw.de
