Verstärkter Hochwasserschutz im Bereich Biblis und Einhausen

Der geplante Ausbau der vorhandenen Deichanlagen rechts- und linksseitig der Weschnitz zwischen den Ortslagen Biblis und Einhausen dient der Ertüchtigung der Deiche und der Hochwassersicherheit für die Anlieger. Aktuell entsprechen die Deichanlagen dort nicht mehr den anerkannten Regeln der Technik (z.B. DIN 19712, DWA-Merkblatt M 507-1) und sollen deshalb zur Sicherung der dahinter liegenden Landflächen gegen Überschwemmungen saniert und ausgebaut werden.

Die Rückstaudeiche entlang des hessischen Oberrheins sind in fünf Rhein-Deichsysteme (PDF-Download) eingeteilt. Entlang Rheinzuflüssen wie der Weschnitz werden die Deiche in den Abschnitten nahe der Mündung als Rheinflügeldeiche bezeichnet. Sie schützen das Hinterland nicht nur vor Hochwassern der Weschnitz, sondern auch vor Rheinhochwasser, das sich durch Rückstau bis in die Nebenflüsse fortsetzen kann. Außerdem haben die Rheinflügeldeiche eine Kammerfunktion: bei einem punktuellen Deichbruch begrenzen sie die die Ausmaße einer Rheinüberflutung. (Weitere Informationen hierzu enthält der im Auftrag des Landes Hessens erstellte Hochwasserrisikomanagementplan (HWRMP). Die Gefahrenkarte für den im Projektraum relevanten Abschnitt Oberrhein – Hessisches Ried mit Weschnitz finden Sie hier (PDF-Download).

Die von dem Vorhaben betroffenen Deichabschnitte verlaufen über eine Länge von 6,5 Kilometern beidseitig längs der Weschnitz in den Gemarkungen Biblis, Klein-Hausen und Groß-Hausen im Landkreis Bergstraße, von der Ortslage Einhausen (Höhe Fußgänger- und Radwegebrücke) bis zur Bürstädter Brücke (alte B 44) in Biblis (Betrachtung in Fließrichtung).

Einen Überblick hierzu gibt dieser Lageplan (PDF-Download).

Defizite bei den Bestandsdeichen

  • zu steile wasserseitige Böschungen
  • unzureichende landseitige Auflastberme (Bermen sollen das Aufschwimmen des Deiches bei Hochwasser verhindern)
  • Fehlen eines durchgängigen tragfähigen Deichverteidigungsweges
  • kein sichtbarer, für zum Beispiel die Landwirtschaft erkennbarer Deichschutzstreifen
  • bei Hochwasser zu hoch in der Böschung austretende Sickerlinie infolge Fehlen eines landseitigen Filters
  • zum Teil zu geringe Deichhöhen
  • ein fehlender Wühltierschutz gegen Befall mit Wühltieren
  • fehlende Ufersicherung der Weschnitzufer durch Nutriabefall
  • in Teilabschnitten zu geringer Abstand des Baum- und Strauchbewuchses an den Deichfüßen (z.B. hochstämmige Pappelreihe)
  • anteilig mit Gehölz- und Buschstreifen bestandene landseitige Deichböschungen


Versagen bei Deichen und geotechnische Nachweise


Welche Versagensmechanismen gibt es?

Ein Deich erfährt unterschiedliche Belastungen infolge von äußeren, inneren und menschlichen Einflüssen, die zu Schäden bis letztendlich zum Deichbruch (Versagen des Abdichtungsbauwerks) führen können.

Zu den äußeren Einflüssen zählen

  • Wasserstand (statischer Wasserdruck und Sickerströmung),

  • Wellenhöhe,

  • Eis,

  • Schiffstoß (bei Weschnitz ohne Relevanz),

  • Wühltiere und Durchwurzelung,

  • Verkehrslasten,

  • Baumaßnahmen.

Die inneren Einflüsse sind

  • Baugrund + Deichbaustoffe (Standsicherheit, Erosions- und Suffosionsstabilität),

  • Verformungen (Setzungen und Sackungen).

Hinzu kommen ggf. zusätzliche menschliche Einflüsse wie

  • Fehler bei Bemessung und oder Bauausführung
  • Deichunterhalt,
  • Baumaßnahmen am oder im Nahbereich des Deiches.

Folgende Versagensarten können grundsätzlich bei Flussdeichen auftreten:

  • Überströmung
  • (z.B. infolge von zu hohem Wasserstand oder von Setzungen und/oder Sackungen)
  • Böschungsbruch
  • Hydraulischer Grundbruch
  • Erosionsgrundbruch / Rückschreitende Erosion
  • Gleitversagen

Animierte Erklärungsvideos (Website der AQUADOT Ingenieurgesellschaft Wasserbau und Küsteningenieurwesen)


Die Versagensmechanismen sind in den folgenden Videos zusammenfassend dargestellt:

© IWR Institut für Wasserbau, Universität Rostock 1997/98, Neubearbeitung Aquadot Bärbel Koppe u. Manfred W. Jürgens 2017.

  • Überströmung:

Sobald der Hochwasserspiegel die Deichkrone übersteigt, wird der Deich zur Luftseite hin überströmt.     
Durch die Ausspülung von Feinanteilen an der Deichoberfläche können Erosionen und in der Folge örtliche Böschungsrutschungen entstehen. Der Deichquerschnitt kann durch die Überströmung im Extremfall vollständig abgetragen werden.

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  • Böschungsbruch:

Die Abbildungen zeigen den Ablauf eines Böschungsbruchs der luftseitigen Deichböschung.     
Im oberen Bild ist die nach längeren Einstau sich einstellende Sickerlinie im Deichkörper dargestellt (blaue Linie = Grenze zw. durchströmten und nicht durchströmten Teil des Deiches) und die in der Folge ggf. entstehende Gleitfuge (rot gepunktete Linie), auf der die luftseitige Böschung abrutschen kann (sofern antreibende Kräfte > haltende Kräfte, d.h. wenn Scherfestigkeit in Gleitfuge überschritten wird). In der Folge sind dann weitere Böschungsbrüche und/oder Erosionen in dem geschwächten Deichkörper zu erwarten, die schließlich zur Überströmung des Deiches mit den vorab beschriebenen Folgen führen kann.

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  • Erosionsgrundbruch / Rückschreitende Erosion:

Als Erosionsgrundbruch (oder rückschreitende Erosion) wird die an konzentrierten Wasseraustritten in der luftseitigen Deichböschung beginnende Erodieren des Deichkörpers bezeichnet, wie es bevorzugt an Gängen von Wühltieren (Maulwurf, Wühlmaus, Wanderratte u.a.) und entlang von Wurzelkanälen und Bauwerken auftreten kann.
Mit dem konzentrierten Wasseraustritt werden feine Bodenpartikel herauserodiert und an die Oberfläche befördert. Mit der Zeit kann sich ein von der Luftseite bis zur Wasserseite reichender (rückschreitender) und sich schnell vergrößernder Erosionskanal ausbilden, der dann den gesamten Deich zum Einsturz bringen kann.

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  • Hydraulischer Grundbruch:

In der Aufstandsfläche von Flussdeichen stehen meist stark wasserdurchlässige Kies- und Sandschichten an, die oft von bindigen (gering durchlässigen) Auelehmen überlagert sind.
Im Hochwasserfall führt der Anstieg des Flusswasserspiegels auf ein über der luftseitigen Geländeoberfläche liegendes Niveau zu einer ins Hinterland gerichteten Grundwasserströmung, die dort zu einem entsprechenden Anstieg des Grundwasserspiegels bzw. der Grundwasserdruckhöhe im Falle einer Auelehm-Überlagerung führt.
Bei einer deutlich über der luftseitigen GOK liegenden Druckhöhe kann das Wasser dann als Druck- oder Qualmwasser (flächig oder punktuell) im Bereich des luftseitigen Deichfußes austreten und dort zu rückschreitender Erosion oder auch zum Aufschwimmen der Auelehmschicht auf der Luftseite führen, was wiederum einen Bruch der luftseitigen Deichböschung begünstigt.

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  • Gleitversagen:

Der Wasserdruck eines Hochwassers kann zum horizontalen Verschieben ("Gleiten") des gesamten Deichkörpers auf der Aufstandsfläche führen (sobald Wasserdruckkräfte größer als haltende Sohlreibungskraft des Deichkörpers).

  • Kolk:

Als Kolk wird eine wasserseitige (strömungsbedingte) Ausspülung bezeichnet (z.B. an im Flussbett vorhandenen Hindernissen oder sonstigen Querschnittsänderungen im Gewässerbett). Größere Kolke im Bereich der wasserseitigen Deichböschung können in dieser zu fortschreitenden Erosionen führen, die wiederum zu örtlichen Abrutschungen in der wasserseitigen Böschung und (aufgrund der dann verkürzten Sickerwege) zu verstärkter Durchströmung des Deichkörpers führen mit den dann entsprechend höheren Risiken für Böschungsbrüche oder rückschreitende Erosionen an der Luftseite.


Welche geotechnischen Nachweise müssen geführt werden?

Nach dem Stand der Technik sind die Geotechnische Nachweise projektbezogen (d.h. unter Berücksichtigung der örtlichen Randbedingungen wie z.B. Ergebnisse der Baugrunderkundung) zu führen:

Diese Geotechnischen Nachweise werden gegliedert in

  • Nachweise der Tragfähigkeit,
  • Nachweise der Sicherheit gegen Materialtransport,
  • Nachweise der Gebrauchstauglichkeit.

Eine Zusammenstellung der gemäß DIN 19712 ("Hochwasserschutzanlagen an Fließgewässern") zu führenden Nachweise ist dem „Leitfaden zur Führung der Standsicherheitsnachweise an dem Hessischen Rhein- und Main-Winterdeichen (2005)“ zu entnehmen, in dem auch die anzuwendenden Berechnungsverfahren und Sicherheitsbeiwerte aufgeführt sind.

Die Standsicherheitsnachweise werden im Regelfall für den "Lastfall 2" (= Einstau bis Bemessungshochwasser) und für den "Lastfall 3" (= Einstau bis OK Deichkrone) geführt, wobei für den Deichkörper und die Deichaufstandsfläche verschiedene Durchströmungszustände angesetzt werden.
Im Folgenden werden die Nachweise kurz beschrieben. Für Interessierte wird auf die einschlägige Literatur verwiesen (z.B. DWA-M-507-1, Eurocode 7°- 1 und DIN 1054).
 
Bei den Nachweisen der Tragfähigkeit werden globale und lokale Standsicherungsnachweise unterschieden:


Globale Standsicherheitsnachweise

Lokale Standsicherheitsnachweise

Böschungsbruch:
Beim Böschungsbruch ist nachzuweisen, dass die in der Deichböschung wirkenden abtreibenden Kräfte kleiner als die rückhaltenden Reaktionskräfte sind.
Bereich land- und wasserseitige Böschungen:
Je nach Aufbau des Deiches, der Oberflächenbeschaffenheit der Böschungen sowie dem Einfluss möglicher Störungen (z.B. durch Bewuchs oder Wühltierbefall) ist für die freie Oberfläche des Deichkörpers die lokale Standsicherheit in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung nachzuweisen (vgl. DIN 4084, BAW MSD 2005).  
Böschungsgrundbruch:
Als "Böschungsgrundbruch" wird ein Böschungsbruch mit in die Aufstandsfläche reichender Gleitfuge bezeichnet; er wird nach einem ähnlichen Berechnungsverfahren wie der Böschungsbruch nachgewiesen.    
Spreizsicherheit am Böschungsfuß:
Am Böschungsfuß des Deiches wirken horizontale Erd- und Wasserdruckkräfte, die in der Aufstandsfläche in Form von Schubspannungen aufgenommen werden müssen. Nachzuweisen ist, dass die in der Aufstandsfläche aufnehmbaren Schubspannungen ausreichend sind - andernfalls kann ein horizontales Abschieben des Böschungsfußes eintreten ("Spreizspannungsversagen").
Verschieben des gesamten Dammkörpers:
Nachzuweisen ist die Gleitsicherheit des Deichkörpers auf der Deichaufstandsfläche. Die im Hochwasserfall einwirkenden Wasserdruckkräfte müssen (unter Berücksichtigung in der Aufstandsfläche ggf. vorhandenen Neigung) von den in der Aufstandsfläche aufnehmbaren Schubspannungen in den Untergrund übertragen werden.
Wasserseitige Dichtung bei Wasserdruck im Deichkörper:
In Deichen mit wasserseitiger Böschungsabdichtung kann sich bei anhaltendem Hochwasser (und insbesondere bei Schadstellen in der Dichtung) ein hoher Wasserstand in dem unterhalb der Dichtung liegenden Stützkörper einstellen. Bei fallendem Hochwasserspiegel kann der Wasserspiegel im Deichkörper zu einem Wasserüberdruck unter der Dichtung führen und diese schädigen (z.B. durch Aufschwimmen oder Abrutschungen). Böschungs. Auch die "Sunkwellen" eines Schiffsverkehrs können zu Wasserüberdruck unterhalb einer wasserseitigen Dichtung führen.  

Auftrieb und hydraulischer Grundbruch:
Beim Versagen durch Auftrieb und hydraulischen Grundbruch kann der entstehende Wasserüberdruck unterhalb des Wasserstauers (i.d.R. Auelehm) dazu führen, dass das die stauende Schicht aufschwimmt oder durch aufwärts gerichtete Wasserströmung aufgelockert und ggf. erodiert wird. Beim Nachweis gegen Aufschwimmen muss das Gewicht des Bodens größer sein als der nach oben gerichtete Wasserdruck; beim Nachweis gegen hydraulischen Grundbruch werden die aufwärts gerichteten Strömungskräfte im Korngerüst betrachtet.
Die Nachweise der Sicherheit gegen Materialtransport dienen der Auslegung des Deiches auf die Sicherheit gegen die im folgenden Schaubild (aus DWA-M 507-1) dargestellten vier Erosionsformen:


  • Kontakterosion ("mechanische Filterwirksamkeit")

Typ A1 (senkrecht zur Schichtgrenze) und Typ A2 (parallel zur Schichtgrenze):
Bei der Kontakterosion handelt es sich um einen Materialtransport von feineren in gröbere Böden oder entlang von Schichtgrenzen zwischen feineren und gröberen Böden. Durch den damit verbundenen Materialentzug im feinkörnigeren Boden kann das Gefüge aufgelockert werden, was zu Sackungen an der Oberfläche, zu verstärkten Durchströmungen und auch zu Rutschungen führen kann.
Die Kontakterosion wird sowohl senkrecht als auch parallel zu Schichtgrenzen nachgewiesen.

  • Innere Erosion ("Suffosion") - Typ B

Bei gemischtkörnigen Böden können unter bestimmten Randbedingungen feinere Bodenpartikel durch die Sickerströmung aus dem tragenden Skelett der gröberen Kornfraktionen ausgetragen werden, was die Wasserdurchlässigkeit des Bodens dann deutlich erhöhen und zur Zunahme der Durchströmung führt (mit entsprechend erhöhten Risiken für Böschungsbruch und rückschreitende Erosion).
Entscheidend für die Nachweisführungen sind die Körnungslinien der durchströmten Böden, weil insbesondere "Ausfallkörnungen" gefährdet sind (d.h. gemischtkörnige Böden, in denen bestimmte Zwischen-Korngrößen fehlen und zu einem unstetigen Verlauf der Körnungslinie führen).

  • Erosionsgrundbruch - Typ C:

Im Erosionsgrundbruchnachweis (siehe Link #Verlinkung zu Erosionsgrundbruch) gilt es den bodenabhängigen kritischen hydraulischen Gradienten, d.h. das Verhältnis von kritischer Wasserstandsdifferenz (von Wasser- zu Luftseite) zu Sickerweglänge auf der sicheren Seite liegend abzuschätzen. Der hydraulische Gradient wird unter Einbeziehung der vorliegenden spezifischen Randbedingungen als „Aktivator“ von Erosionsvorgängen bis hin zum Erosionsgrundbruch verstanden.

  • Fugenerosion:

Als Fugenerosion wird ein im Kontaktbereich Bauwerk/Boden auftretender Materialtransport bezeichnet, wie er z.B. bei Hohlräumen oder infolge eines hydraulischen Kurzschlusses auftreten kann. Die Sicherheit gegen Fugenerosion wird vor allem durch Begrenzung des hydraulischen Gradienten (mittels Verlängerung der Sickerwege) sowie durch konstruktive Maßnahmen sichergestellt (z.B. Umbauen umströmter Bauteile mit steinfreientonigen Materialien und die Abschrägen vertikaler Bauteile zur Minimierung setzungsbedingter Fugenbildungen).


Die Nachweise der Gebrauchstauglichkeit bzgl. Rissbildungen, Verformungen (infolge von Setzungen und Sackungen), Befahrbarkeit (im Hinblick auf Unterhaltung und Deichverteidigung) werden hier nicht betrachtet; hierzu wird auf DIN 19712-01 verwiesen.


Wie kann ein Deich bei Sicherheitsdefiziten saniert/ertüchtigt werden?

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten einen vorhandenen Deich zu sanieren bzw. zu ertüchtigen:

  • Erdbauliche Maßnahmen
  • Bauwerke & Dichtungen
  • Materialverbesserungen Oberflächensicherung

Erdbauliche Maßnahmen können folgende Geometrie- und Aufbauänderungen beinhalten:

  • Erdbauliche Erhöhung durch Anschüttungen
  • Einbau zusätzlicher Dränagen und Filter
  • Abflachen der Böschungen durch Anschütten
  • Deichweg / Berme / Verbreiterung der Deichkrone
  • Teil-Abtrag / Neubau / Bodenaustausch
  • Deichrückverlegung / Neutrassierung

Mittels Bauwerken und Dichtungen können beispielsweise folgende Sanierungs- / Ertüchtigungsmaßnahmen durchgeführt werden:

  • Stützbauwerke (z.B. Gabionen),
  • Mauern / Mobile Elemente auf der Deichkrone (Erhöhung des Deiches)
  • Einbau von Innendichtungen (z.B. Schlitzwand, Spundwand, überschnittene Bohrpfahlwand)
  • Einbau Oberflächendichtung (z.B. mineralische oder geosynthetische Dichtungsschicht)
  • Boden-/Baugrundverbesserungen können die Tragfähigkeit des Deichkörpers sowie der Deichaufstandsfläche verbessern und auch die Bildung potentieller Setzungen/Sackungen reduzieren durch
    • Bodenaustausch (teilflächiger Abtrag oder Neuaufbau)
    • Bodenverfestigung durch Einbringen von Bindemittel (z.B. Kalk- und/oder Zement)
    • Boden-Nachverdichtung durch z.B. Rüttel- oder Stopfsäulen
  • Geotextilien (Geokunststoffe) können gemäß DIN 19712 zur Bewehrung sowie als Trenn-, Filter- oder Dränelemente eingesetzt werden

 
Oberflächensicherungen können als Erosionsschutz für die wasserseitige Böschung oder im Bereich von Überströmstrecken an der Luftseite eingebaut werden (z.B. durch Steinwurf).

Sicherung gegen Auftrieb kann beispielsweise durch eine zusätzliche Aufschüttung am landseitigen Deichfuß hergestellt werden gemäß nachstehender Abbildung.

Sicherung gegen hydraulischen Grundbruch kann beispielsweise durch einen bis in die durchlässigeren Schichten ausgeführten Sickerschlitz oder -graben am luftseitigem Deichfuß vorgenommen werden.