Messungen zur Ermittlung der Sicherheit gegen Aufschwimmen von ...

Technik 

Bohrarbeiten und Tauchereinsatz 

am Weserwehr 

Schlüsselburg 

Messungen zur Ermittlung der Sicherheit 

gegen Aufschwimmen von Wehr- und 

Schleusensohlen bei Revisionszuständen 

Grundwasserdruckmessungen n Für den Revisionsfall, das heißt die Trockenlegung von 

Schleusen und Wehren, kann oft keine ausreichende Sicherheit gegen Aufschwimmen 

nachgewiesen werden, wenn für die Sohlwasserdrücke unter den Wehr- und Schleusensohlen 

sichere Annahmen getroffen werden müssen. In vielen Fällen sind die Wasserdrücke 

unter den Sohlen jedoch nicht bekannt und können daher nur grob abgeschätzt werden. 

Um die Standsicherheit der Wehr- bzw. Schleusensohlen sicher beur teilen zu können, ist 

es erforderlich, die tatsächlichen Beanspruchungen durch das Grundwasser durch entsprechende 

Messungen zu ermitteln. 

Die deutschen Bundeswasserstraßen umfassen Seewasserstraßen 

und Binnenwasserstraßen. Zuständig 

für die Verwaltung der Bundeswasserstraßen und 

für die Regelung des Schiffsverkehrs ist die dem Bundesministerium 

für Verkehr-, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) 

nachgeordnete Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes 

(WSV). Die Bun desanstalt für Wasserbau (BAW) ist die zen - 

trale technisch-wissenschaftliche Bun des oberbehörde zur 

Unterstützung des BMVBS und der WSV bei Aus- und Neu - 

bau, Betrieb und Unterhaltung der Bundeswasserstraßen. 

Die Binnenwasserstraßen der Bundesrepublik Deutschland 

sind insgesamt 7.310 km lang. Davon sind 1.740 km Kanäle 

und 5.570 km Fließgewässer. Diese untergliedern sich in 

2.540 km frei fließende sowie 3.030 km staugeregelte Gewässer 

mit 287 Wehranlagen. In den Kanälen und den staugeregelten 

Flüssen befinden sich insgesamt 335 Schleusen. 

Die Schleusen und Wehre werden für Bauwerksprüfungen 

und Instandsetzungsarbeiten regelmäßig trockengelegt. Für 

diese vorübergehende Bemess ungssituation sind die erforderlichen 

Standsicherheitsnachweise zu erbringen. Hierzu 

zählen der Nachweis der Sicher heit gegen Aufschwimmen, 

Kippen (Außermittigkeit der Sohldruckresul tierenden) und 

Gleiten. Für diese Nachweise können die günstigen Einwir - 

kungen, wie z. B. das Gewicht der Sohlplatte, relativ genau bestimmt 

werden. In den seltensten Fällen liegen jedoch ausreichend 

genaue Kenntnisse über die Größe des Wasserdruckes 

unter den Sohlen vor. Auf Grundlage unzu reich ender Kenntnisse 

der Untergrund- und Grundwasserströmungsverhältnisse 

so wie der Bauwerksgeometrie ist meist nur eine grobe 

Abschätzung der Wasserdrücke möglich. Unter Ansatz dieser, 

auf der sicheren Seite abgeschätzten Wasserdruckbelastungen 

sind die erforderlichen Standsicherheitsnachweise für die 

36 11/2010 

Quelle: Umwelttechnik & Brunnenbau Wöltjen GmbH

Abb. 1 Lage des Wehres der Staustufe Schlüsselburg 

Trockenlegungen oft nicht zu erbringen. Das heißt, die Trocken - 

legung kann nicht ohne zusätzliche Sicherungsmaßnahmen, 

wie z. B. Ballastierungen, durchgeführt werden. Um unnötige 

und ggf. aufwendige Sicherungsmaßnahmen zu vermeiden, 

ist es sinnvoll, die bei der Trockenlegung zu erwartenden 

Grundwasserdrücke auf Grundlage geeigneter Messungen zu 

ermitteln und die Standsicherheitsnachweise mit den so 

gewonnenen Kenntnissen hinsichtlich Größe und Verteilung 

des Wasserdruckes unter den Sohlen durchzuführen. Im günstigsten 

Fall ergeben die Nachweise eine ausreichende Sicherheit 

und die Trockenlegung kann ohne Sicherungsmaßnahmen 

durchgeführt werden. Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass 

auch unter Berücksichtigung der tatsächlich auftretenden 

Wasserdruckverhältnisse die Standsicherheit nicht nachgewiesen 

werden kann. In diesem Fall stellen die Messungen 

jedoch ebenfalls die bevorzugte Vorgehensweise dar, da dadurch 

die Einwirkungen realitätsnah in den Berechnungen berücksichtigt 

werden können und eine wirtschaftliche Optimierung 

der erforderlichen Siche rungsmaßnahmen erfolgen kann. 

Anhand von zwei Beispielen, einem Wehr und einer Schleuse, 

werden nachfolgend die durchgeführten Messungen von Sohlwasserdrücken 

beschrieben. 

11/2010 

Rohrnadeln 

Nadelbock 

4,0 m 2,5 m 

Betonsohle 

Abb. 2 Abgeschätzte Wasserdruckbelastung auf die Wehrsohle 

bei Trockenlegung 

Brunnenbau 

Mittelweserwehr Schlüsselburg 

Die Staustufe Schlüsselburg ist eine von insgesamt sieben 

Staustufen im Bereich der Mittelweser zwischen dem Mittellandkanal 

und Bremen, die zur Verbesserung der Schifffahrtsverhältnisse 

durch Stauregelung in dieser Strecke errichtet 

wurden. Fünf Staustufen wurde in den 1950er-Jahren erbaut, 

zwei bereits Anfang des 20. Jahrhunderts. Das zur Staustufe 

Schlüsselburg gehörende Wehr liegt im alten Weserarm. Einige 

Kilometer oberstrom des Wehres zweigt der damals 

ebenfalls erbaute Schleusenkanal der Staustufe von der Weser 

ab (Abb. 1). Das Wehr besteht aus zwei Wehrfeldern mit 

einer Breite von jeweils 40 m und hat eine Gesamtbreite von 

100 m. Die Stauhöhe beträgt 4,5 m. Bei Hochwasser wird das 

Wehr geöffnet. Die Wehrsohle aus Stahlbeton hat eine Dicke 

von 2,5 bis 4,0 m (Abb. 2). Die Wehrsohlen der einzelnen Wehrfelder 

sind mit Spundwänden eingefasst. Die Trockenlegung 

der Wehrfelder erfolgt sowohl auf der Oberwasserseite als auch 

auf der Unterwasserseite über Nadel böcke und Rohrnadeln 

(Ø 219 mm). Diese Rohrnadeln werden wasserseitig im Fußbereich 

gegen den in der Wehrsohle vorhandenen Rohrnadelsohlanschlag 

und im Kopfbereich gegen die Nadellehnen 

eingesetzt (Abb. 2). 

Nachweis der Standsicherheit der Wehrsohle 

Da keine Informationen über die Wasserdruckverhältnisse 

unter der Wehrsohle vorlagen, wurden die Nachweise der 

Standsicherheit der Wehrsohle auf Grundlage einer abgeschätzten 

Wasserdruckverteilung durchgeführt. Hierbei wurde, 

auf der sicheren Seite liegend, eine Unterströmung der Wehrsohle 

von der Oberwasserseite zur Unterwasserseite angenommen. 

Diese Annahme war gerechtfertigt, da der Untergrundaufbau 

nur unzureichend bekannt war und deshalb keine 

genauere Ermittlung der Wasserdruckverhältnisse mög lich 

war. Insbesondere war die Auswir kung der Spundwände auf 

die Grundwasserströmung nicht bekannt, da aufgrund der 

vorliegenden Unter lagen nicht sichergestellt werden konnte, 

ob die Spundwände durchgängig in eine deutlich geringdurchlässigere 

Boden- oder Felsschicht einbinden. D. h. es 

wurde ein linearer Potenzialabbau unter der Sohle angesetzt. 

Die sich daraus ergebende Wasserdruckverteilung ist 

schematisch in Abbildung 2 dargestellt. 

Die durchgeführten Standsicherheitsberechnungen ergaben 

keine ausreich ende Sicherheit gegen Aufschwimmen und 

Gleiten. Die Sohldruckresultierende wurde unter den o. g. 

Annahmen außerhalb der 2. Kernweite liegend ermittelt. Das 

heißt, die zulässige Außermittigkeit ist überschritten. Demnach 

sind auf Grund lage dieser Berechnungsergebnisse zur 

Durchführung einer Trocken legung geeignete Sicherungs - 

maßnah men erforderlich. 

Zur Ermittlung der tatsächlichen Wasser druckverteilung 

unter der Wehrsohle wurden Grundwassermessstellen in der 

Wehrsohle errichtet. Hierfür wurden in der Wehrsohle beider 

Wehrfelder je zwei Unterwasserbohrungen mit einem Durchmesser 

von 181 mm von einem Schiff aus durchgeführt und 

diese zu Grundwassermessstellen ausgebaut. Die Bohrungen 

wurden bis zu einer Tiefe von 1,4 m unterhalb der Unterkante 

der Sohle durchgeführt und mit einem Pegelrohr DN 50 ver- 

37

Technik 

Abb. 3 Skizze des Messsystems 

Sicherungskappe 

Stopfen 

Spannknebel 

Druckrohr 

Kunstharz 

Druckschiebe 

Packergummi 

Gegendruckscheibe 

Stopfen 

Kappe 

Kabel 

Abb. 4 Tauchsonde, Packer und Datenlogger 

Tauchsonde 

sehen. Die Ringraumverfüllung erfolgte mit einer Filterkiesschüttung 

auf einer Höhe von 0,8 m ab der Sohle der Bohrung. 

Oberhalb des Filterkieses wur de bis zur Unterkante der Wehrsohle 

eine aus Tonpellets bestehende Abdichtung eingebaut. 

Im Bereich der Wehrsohle wurde der Ringraum zwischen 

dem Pegelrohr und dem Beton mit einer Zement-Bentonit- 

Suspension verfüllt, um einen dichten Anschluss zwischen Rohr 

und Beton zu erzielen. 

In die Messstellen wurden Systeme, je weils bestehend aus 

einem Packer in Verbindung mit einem Druckaufnehmer 

(Abb. 3), zur kontinuierlichen Mess ung des Wasserdruckes 

eingebaut. Die Entwicklung diese System erfolgte von 

Fa. Comdrill in Zusammenarbeit mit der BAW und erfüllt die 

für den Messeinsatz notwendigen Anforderungen: 

• Durch den Einbau des Packers muss das Pegelrohr druckdicht 

gegen das Betonpflaster verschlossen werden, 

• das Kabel des Druckaufnehmers muss ebenfalls druckdicht 

durch den Packer geführt werden und 

• der Packer muss wieder ausbaubar sein. 

Grundlage ist ein mechanischer Packer, durch den das Kabel 

des Druckaufnehmers hindurchgeführt und mittels Kunstharz 

dicht mit dem Packer vergossen wurde. Der Einbau der 

Packer erfolgte durch Taucher, wobei die Abdichtung der 

Packer in der Messstelle durch Drehen der Spannknebel 

erfolgte. Abbildung 4 zeigt das Messsystem vor dem Einbau. 

Der Einbau der Packer erfolgte durch Taucher, wobei die Abdichtung 

der Packer in der Messstelle durch Drehen der 

Spannknebel erfolgte. Parallel zu den Messungen in den 

Grundwassermessstellen wurde der Wasserstand im Unterwasserbereich 

des Wehres ebenfalls kontinuierlich mit einem 

Druckaufnehmer gemessen, der auf der Wehrsohle abgelegt 

wurde. 

In Abbildung 5 sind exemplarisch die in den beiden Messstellen 

des linken Wehrfeldes gemessenen Grundwasserpotenziale 

zusammen mit dem Unterwasserstand für den Mess zeitraum 

dargestellt. Die Ganglinien zeigen, dass das Grundwasserpotenzial 

nur geringfügig über dem Unterwasserstand liegt 

(bis ca. 0,2 m). Die Messungen im rechten Wehr feld zeigen noch 

geringere Diffe renzen. D. h. der Poten zialabbau findet überwiegend 

bei der Umströmung der oberwasserseitigen Spund - 

wand statt. Für die statischen Berechnungen wurde, auf der 

sicheren Seite liegend, ein maximales konstantes Grundwasserpotenzial 

unter der Sohle von einem Meter über dem 

Unterwasserstand angesetzt. Die Standsicherheitsnachweise 

der Wehrsohle können mit diesem Wasserdruck unter der 

Sohle für den Fall der Trockenlegung des Wehr fel des erbracht 

werden. Auf Grundlage der Nachweise kann außer dem ein 

Grenzwert für den Unterwasserstand angegeben werden, der 

bei der Trockenlegung nicht überschritten werden darf. 

Mainschleuse Eddersheim 

Die Doppelschleuse Eddersheim be findet sich in einem 

kurzen, vom Main abzweigenden Schleusenkanal südöstlich 

der Ortschaft Eddersheim unmittel bar neben dem Kraft- 

38 11/2010

Grundwasserpotenzial [m+ NN] 

28 

27 

26 

25 

24 

23 

22 

12:00 

werk und dem Mainwehr (Abb. 6). Um Instandsetzungsarbeiten 

durchführen zu können, ist eine Trockenlegung von 

jeweils einer der beiden Schleusenkammern geplant. Da bei 

den vorangegangenen Trocken legungen der Schleusen in 

1999 und 2006 in der Kammersohle Wasserzutritte mit 

Materialtransport auftraten, wurde die BAW mit der Untersuchung 

der Standsicherheit der Kammersohle bei trockengelegter 

Schleuse beauftragt. 

Die beiden von 1929 bis 1935 erstellten Schleusen haben eine 

Hubhöhe von ca. 3,60 m und eine nutzbare Kammerlänge von 

jeweils ca. 345 m. Die nutzbare Brei te der Nordkammer beträgt 

12 m und die der Südkammer 15 m. Die Schleu - 

senkammern sind als Spundwandschleusen ausgebildet. Nur 

die Häupter sind Massivbauwerke. Die Kammer sohlen bestehen 

aus Druckriegeln aus unbewehrtem Beton, die in 

einem regelmäßigen Abstand hergestellt wurden. Die Druckriegel 

dienen neben der Sohlensicherung zur Aussteifung der 

seitlichen Spundwände. Zwischen den Druckriegeln wurde 

ein Sechseck-Prismenpflaster auf einer Feinkiesschicht und 

einer darunter angeordneten Splittschicht eingebaut. Die 

Herstellung des Prismenpflasters erfolgte in Ort beton bauweise 

Kraftwerk 

Abb. 6 Lageplan Schleuse und Wehr Eddersheim 

11/2010 

Wehr 

Unterwasserstand 

15:00 

Messstelle rechts (B1) Messstelle links (B1a) 

18:00 21:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 

Schleuse 

Brunnenbau 

mittels vorgefertigter Scha lungselemente. Durch das zwischen 

den Betonriegeln mit Fugen verlegte Sohlpflaster sollten eine 

Wasserdurchlässigkeit der Kammersohlen und dadurch eine 

Druckentspannung des Grundwassers unterhalb der 

Kammersohlen, insbesondere bei der Trockenlegung, erzielt 

werden. 

Auf Grundlage der vorliegenden Boh rungen, die beidseitig 

der Doppelschleusen abgeteuft wurden, besteht der Baugrund 

überwiegend aus Kiesen und Mittel- bis Grobsanden. 

In deutlich geringerem Umfang wurden Feinsande angetroffen. 

Nur vereinzelt wurden geringmächtige Schluff- und Tonlinsen 

erbohrt. Weiterhin waren auch keine durchgängigen bindigen 

Zwischen schichten, die zu einer wesentlichen Verringerung 

der vertikalen Durchlässigkeit führen könnten, erkennbar. Insgesamt 

ergaben die Untersuchungen eine hohe hydraulische 

Durchlässigkeit des Baugrunds mit einer relativ geringen 

Ani sotropie. 

Nachweis der Standsicherheit der Schleusensohle 

Zur Abschätzung des Wasserdruckes auf die Schleusensohlen 

wurden die Messungen in insgesamt 12 neu hergestellten 

UW 

Main 

Abb. 7 Lageplan Grundwassermessstellen 

Abb. 5 Unterwasserstand 

und Grundwasser - 

potenziale in den Grundwassermessstellen 

des 

linken Wehrfeldes 

OW 

tiefe Grundwassermessstelle 

flache Grundwassermessstelle 

Grundwassermessstelle in der Sohle 

39

Technik 

Abb. 8 Querschnitt durch die Doppelschleuse mit Grund - 

wassermessstellen 

Schleusensohle 

Betonprismen 

Untergrund 

Südkammer Nordkammer 

Abdichtung 

(Zement) 

Tonabdichtung 

(Ton-Pellets) 

Aufsatzrohr 2“ 

Filterkies 

Filterrohr 2“ 

Bodenkappe 

Ton-Pellets 

Abb. 9 Ausbau der Grundwassermessstellen in der Schleusensohle 

Grundwassermessstellen mainseitig der Nordkammer und 

landseitig der Südkammer herangezogen. Diese Grundwassermessstellen 

sind in drei Querschnitten jeweils mainseitig 

der Nordkammer und landseitig der Südkammer der 

Schleusenanlage beim Oberhaupt, Mittelhaupt und Unterhaupt 

angeordnet (Abb. 7). Sechs tiefe Messstellen sind mit 

einer Filterstrecke im Bereich des Spundwandfußes ausgebildet. 

Die Filterstrecke der sechs flachen Messstellen liegt 

im Bereich der Schleusensohle (Abb. 8). Die beiden 

unterschiedlich tief angeordneten Filter der Grundwassermessstellen 

ermög lichen die Ermittlung des Potenzialabbaus 

über die Höhe bei vertikaler Grundwasserströmung. Die 

Auswertung der Grundwasserpotenziale in diesen Messstellen 

bei unterschiedlichen Schleusenwasserständen sollte 

eine Aussage über den zu erwartenden Grundwasserüberdruck 

unter der Schleusen sohle bei Trockenlegung ermöglichen. 

Zur Untersuchung der Abhängigkeit der Grundwasserpoten - 

ziale am Spund wandfuß von den Schleusenwasserständen 

wurden zwei Versuche durchgeführt. Dabei wurden jeweils 

eine Schleusenkammer auf Unterwasserstand gestellt und 

nur in der anderen Kammer Schleusungen durchgeführt. 

Die Grundwasserstandsmessungen zeig ten, wie erwartet, ein 

Potenzialgefälle vom Oberhaupt zum Unterhaupt sowie im 

Oberwasserbereich von der Mainseite zur Landseite und im 

Unterwasserbereich von der Landseite zur Mainseite. Die 

Grundwasserstände reagierten deutlich auf Schleusungsvorgänge, 

wobei sie in den Messstellen entlang der Schleusen - 

kammer mit wechselnden Wasserständen infolge Schleusungen 

deutlich stärker reagierten als in den Messstellen entlang der 

auf Unterwasser stand gestellten Schleusen kammer. Der 

Schwankungsbereich der in den tiefen Messstellen gemessenen 

Grundwasserpotenziale am Spund wandfuß war jedoch auch 

in den Messstellen, die sich unmittelbar neben der Schleuse 

mit unterschiedlichen Schleu sungswasser ständen befanden, 

deutlich geringer als der Wasserstandsunterschied in der 

Schleuse. Insbesondere im Oberhauptbereich traten bei 

Unterwasserstand in der Schleuse große Potenzial differenzen 

zwischen dem Grundwasserpotenzial am Spundwandfuß 

und dem Schleusenwasserstand auf. 

Basierend auf den Messergebnissen wurden die zu erwartenden 

Grundwasserpotenziale bei Trockenlegung der Schleusen - 

kammern durch Extrapolation abgeschätzt. Die durchgeführ - 

ten Messungen erlaubten jedoch keine genaue Aussage über 

die Art des Potenzialabbaus zwischen der Unter kante der 

Spundwände und der Schleu sen sohle. Da jedoch nicht angenommen 

werden konnte, dass der Baugrund unter halb 

der Kammersohlen deutlich geringer durchlässig ist als der 

außerhalb der Schleusenkammern, war von einem erheblichen 

Grundwasserüberdruck unter den Kammersohlen bei 

Trocken legung der Schleusen auszugehen. Um dies zu überprüfen, 

wurden zusätzliche Grundwassermessstellen in der 

Kam mer sohle einer Schleuse installiert und eine kurze Probe - 

trockenlegung durchgeführt. 

Entsprechend den Vorgaben der BAW wurden in der Sohle 

der Nordkammer drei Unterwasserbohrungen vom Ponton 

aus durchgeführt und diese zu Grundwassermessstellen aus- 

Abb. 10 

Ein gebautes 

Mess system 

40 11/2010

gebaut (Abb. 7 u. 8). Der Ausbau der Bohrungen erfolgte nur 

bis zu einer Tiefe von 1,5 m unterhalb der Unterkante der 

Betonprismen, um den Grundwasserdruck unmittelbar unterhalb 

der Kammersohle festzustellen. Oberhalb der Filterkiesschüttung 

mit einer Höhe von 1,0 m wurde bis zur 

Unterkante der Betonprismen eine aus Tonpellets bestehende 

Abdichtung eingebaut. Im Bereich der Betonprismen wurde 

auch hier der Ringraum zwischen dem Pegelrohr und dem 

Betonpflaster mit einer Zementsuspension verfüllt um einen 

dichten Anschluss zwischen Rohr und Betonprismen zu 

erzielen. 

In die Messstellen wurden die bereits beschriebenen Messsysteme 

(Abb. 3 u. 4) zur kontinuierlichen Messung des 

Wasserdruckes eingebaut. Abbildung 10 zeigt das in der 

Kammersohle eingebaute Messsystem während der Trocken - 

legung. 

Unmittelbar nach Einbau der Messaufnehmer wurde eine kurze 

Trockenlegung der Nordkammer durchgeführt. Dabei wurden 

die Grundwasserdrücke in allen Grundwassermessstellen 

mittels Druckaufnehmern erfasst und permanent aufgezeich - 

net. Die Messergebnisse bestätigten, dass bei der Trockenlegung 

unterhalb der Kammersohle erhebliche Grundwasserüberdrücke 

auftreten. Ein wesentlicher Anteil des Potenzial abbaus 

findet aufgrund des stark reduzierten Abfluss querschnittes 

im unmittelbaren Anstrombereich der Fugen zwischen dem 

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11/2010 

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Brunnenbau 

Sohlpflaster sowie innerhalb der Fugen selbst statt. Dadurch 

treten in diesem Bereich hohe vertikal nach oben gerichtete 

Strömungsgeschwindigkeiten auf. Diese führen zu dem 

während den Trockenlegungen beobachteten Frei spülen 

einzelner Fugen und dem Mate rialaustrag. Durch den lokalen 

Materialaustrag unterhalb des Sohlpflasters lässt sich die Absenkung 

einzelner Bereiche des Sohlpflasters erklären. Da 

die Aussteifung der Spundwände jedoch nicht durch das 

Sohlpflaster, sondern durch die Betonriegel erfolgt, ist die 

Stand sicher heit der Schleusenkammer bei einer kurzen 

Trockenlegung nicht unmittelbar gefährdet. 

Abbildungen 1-10: BAW 

Autoren: 

Dipl.-Ing. Charlotte Laursen 

Dr. Bernhard Odenwald 

Bundesanstalt für Wasserbau Abteilung Geotechnik 

Referat Grundwasser - G3 

Kußmaulstr. 17 

76187 Karlsruhe 

Tel.: 0721 9726 4840 

Fax: 0721 9726 4830 

E-Mail: charlotte.laursen@baw.de 

10:44 Uhr Seite Internet: 1 www.baw.de 

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Messungen zur Ermittlung der Sicherheit gegen Aufschwimmen von ...

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