Staudamm

Staudamm der Hennetalsperre im Sauerland

Ein Staudamm ist wie eine Staumauer das Kernelement einer Stauanlage im Wasserbau und kommt zum Bau einer Talsperre oder einer Flusssperre bzw. Staustufe zur Ausführung. Besonders bei breiten Tälern ist ein Staudamm eine Alternative zum Bau einer Mauer, die eher für enge Gebirgstäler geeignet ist. Im Wesentlichen besteht ein Damm aus einer verdichteten Erd- oder Felsschüttung, deren Stabilität sich aus ihrer Scherfestigkeit sowie dem Eigengewicht und dem flachen Böschungswinkel ergibt. Zur Erhöhung der Standfestigkeit und Reduzierung der Durchströmung müssen höhere Talsperrendämme zusätzliche Dichtungselemente erhalten, die entweder auf der wasserseitigen Böschung oder im Inneren des Damms angeordnet werden.

Die ersten größeren Staudämme wurden ab den 1920er Jahren gebaut. Weltweit wurden seit Mitte des 20. Jahrhunderts bei Talsperren deutlich mehr Staudämme als Staumauern errichtet. Gründe dafür sind die geringeren Anforderungen an die Untergrundeigenschaften und die verwendeten Baustoffe. Daneben lässt sich ein Damm den örtlich vorhandenen Gegebenheiten sehr gut anpassen und in die Landschaft einbinden, sodass der Bau technisch und preislich optimiert werden kann.

Begrifflichkeiten

Ein Staudamm ist vom Aussehen und von seinem Aufbau her ähnlich wie ein Deich. Letzterer wird zum Schutz des Hinterlandes vor Hochwasser angelegt und verläuft parallel zu einem Fluss oder einer Küstenlinie. Im Gegensatz dazu sperrt ein Staudamm in der Regel einen Talquerschnitt ab und verläuft quer zur Hauptfließrichtung eines Flusses. Er dient im Wesentlichen der dauerhaften Stützung eines Wasserstands und nur mittelbar dem Hochwasserschutz unterhalb des Damms. Beiden gemeinsam ist die einseitige hydraulische Belastung, die bei Deichen aber nur zeitweise im Hochwasserfall auftritt. Bei Staudämmen ist eine dynamische Komponente zu beachten, da durch wechselnde Entnahmen und Zugaben der Wasserstand häufig schwankt und der Damm entsprechenden Belastungsänderungen unterworfen ist. Grundsätzlich wird bei beiden zwischen der Wasserseite und der Land- oder Luftseite unterschieden.

Der englische Begriff „dam“ wird bisweilen als „Damm“ ins Deutsche übertragen. Ein Problem besteht aber darin, dass die 'deutsche' Staumauer im englischen ebenfalls als „dam“ bezeichnet wird. Darüber hinaus steht das Wort „dam“ im Englischen ganz allgemein für ein Absperrbauwerk bzw. auch für eine Talsperre. Dabei ist seine Bedeutung wie im Deutschen das Wort „Talsperre“ viel umfassender und meint den wasserbaulichen Gesamtkomplex. Dieser beinhaltet neben allen notwendigen Betriebseinrichtungen im Besonderen auch den Wasserkörper des Staubeckens, der als Detail im Englischen als „reservoir“ angesprochen wird.

Dammaufbau

Grundlage für die Formgebung und den Bau eines Staudamms ist die sorgfältige konstruktive Gestaltung des inneren Aufbaus und seinem Anschluss an den Untergrund. Sie richtet sich nach den boden- und felsmechanischen sowie hydrodynamischen Kriterien., weshalb entsprechende Untersuchungen zur Bestimmung der Eigenschaften der vorhandenen und vorgesehenen Boden- und Felsmaterialien erforderlich sind. Vor der Baudurchführung sind mit den gewählten Materialien Schüttversuche erforderlich. Zusammen mit einer lückenlosen Überwachung kann dadurch über die meist sehr lange Betriebszeit die dauerhafte Dichtheit und damit die Sicherheit gegen Dammbruch gewährleitet werden.

Gestaltung

Ein Staudamm hat einen nahezu dreieckigen Querschnitt mit breiter Basis und einer abgeflachten Spitze, die als Dammkrone bezeichnet wird. Dort verläuft ein Betriebsweg für Instandhaltungsarbeiten. Acht bis zehn Meter Breite reichen zur Aufstellung auch von größerem Arbeitsgerät und ermöglichen gleichzeitig noch Längsverkehr auf dem Damm. Die beidseitigen Böschungen können in Abschnitten mit unterschiedlichen Neigungen erstellt werden, wobei die wasserseitige Böschung möglichst flach mit Neigung von 1:2 bis 1:4 ausfallen sollte. Die Luftseite darf stärker geneigt sein und kann je nach Stützmaterial bis zu 1:1,5 betragen. Der untere Bereich der Dammböschung am Übergang zum Gelände wird als Dammfuß bezeichnet. Für die Pflegearbeiten sind an der Luftseite in regelmäßigen Abständen waagerechte Absätze (Bermen) anzuordnen. Die flachen Neigungen ergeben eine relativ große Aufstandsfläche, die beispielsweise bei einem 30 Meter hohen Damm mit beidseitiger Neigung von 1:2,5 eine Basisbreite von rund 160 Metern erreicht.

Bei der Planung eines Staudamms ist die Festlegung der notwendige Kronenhöhe wesentlich. Ausgangspunkt ist das vorgesehene Stauraumvolumen, woraus sich das Stauziel berechnet, das die zulässige Wasserspiegellage im Regelbetrieb darstellt. Darüber liegt noch das höchste Stauziel, das bei Bemessungshochwasserabfluß erreicht wird, wenn der Hochwasserüberlauf sein Maximum erreicht. Neben einem Zuschlag für Eisstau auf der Oberfläche des Stausees muss der Windstau berücksichtigt werden, wenn der Damm in Hauptwindrichtung liegt und das Wasser gegen den Damm drückt. Die bei Wind entstehende Wellenhöhe ist durch einen Zuschlag für den Wellenauflauf an der Böschung einzurechnen. Zusammen mit einem weiteren Sicherheitszuschlag ergibt sich daraus der Freibord als vertikaler Abstand zwischen der Krone und dem höchsten Wasserspiegel, wodurch ein Überströmen der Dammkrone mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden kann.

Innerer Aufbau

Während Staumauern als Absperrbauwerk gleichzeitig die Trag- und Dichtungsfunktion übernehmen hat ein Staudamm zunächst nur die Aufgabe der dauerhaften Stützfunktion des anstehenden Wasserstands. In seiner Konzeption muss der Damm für die Aufnahme bzw. für den Abbau von hydrostatischen und hydrodynamischen Belastungen ausgelegt sein. Dazu dient ein Stützkörper aus meist grobkörnigem, nicht bindigem Material, das aufgrund des hohen Reibungswinkel die Standfestigkeit gewährleistet. Wegen der Verformbarkeit des Schüttgutes sind Staudämme bei engen Talformen eher ungeeignet, weil sich der Dammkörper an den steilen Talflanken über Reibung 'aufhängen' kann und dadurch die Gefahr von ungleichförmigen Verformungen und Rissen zwischen Dammzentrum und den Randzonen besteht.

Aufgrund der nicht vermeidbaren Durchströmung des Damms sind bei der Dammkonstruktion sorgfältig gezielte Maßnahmen zur Entwässerung und Dichtung vorzusehen, um den Auftrieb innerhalb der Dammschüttung zu begrenzen. Der Aufbau des Damms muss so gestaltet sein, daß Ausspülungen, die die Standsicherheit gefährden könnten, nicht möglich sind. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Sickerlinie nicht an der luftseitigen Böschung austritt und eingedrungenes Wasser in einer Drainage am luftseitigen Dammfuß gesammelt und abgeleitet wird.

Besonders bei großen Stauhöhen sind gesonderte Dichtungsschichten erforderlich, um die Wasserdurchströmung des Damms deutlich zu vermindern. Diese können aus unterschiedlichen Materialien bestehen und werden entweder auf der wasserseitigen Böschung als Außendichtung aufgebracht oder im Inneren beim Aufbau des Damms als Kerndichtung mit hochgezogen. Mit solchen technischen Dichtungsmaßnahmen entfällt die Anforderung an die Dichtfunktion des Schüttmaterials, weshalb Dammbaustoffe mit wesentlich höheren Scherfestigkeiten gewählt werden können.

Dammdichtung

Bei den ersten Talsperren im Harz wurde zur Dammdichtung Grassode verwendet. Teilweise waren sie als Kerndichtung im Inneren oder auf der Wasserseite als Schürzendichtung aufgeschichtet worden. Erdstoffe kommen heute bei homogenen Dämmen oder bei innen liegenden Dichtzonen zum Einsatz. Ansonsten haben sich Dichtstoffe auf Basis von Beton und Asphalt durchgesetzt und bewährt, die als Kerndichtung oder Oberflächendichtung eingebaut werden. Bisweilen wurden bei einer Oberflächendichtung zur Vorsorge gegen Undichtigkeiten im Inneren eine sogenannte Bremszonen auf Bitumenbasis eingebaut. Die Dichtungszonen müssen konstruktiv an den wasserundurchlässigen Untergrund angeschlossen werden, wozu eine Herdmauer aus Stahlbeton dienen kann.

Schüttmaterial

Als Schüttmaterial für den Stützkörper kann im Prinzip jedes verwitterungsbeständige Fest- und Lockergestein verwendet werden soweit keine schädlichen Komponenten enthalten sind, die eine dauerhafte, stabile Verdichtung verhindern würden. Steinschüttdämme bestehen aus gebrochenem Fels bzw. Steinschotter und/oder natürlichen Steinen wie Kies und Sand. Sie werden lagenweise eingebracht und anschließend verdichtet. Zur Vermeidung hoher Transportkosten ist die Gewinnung des Materials aus Steinbrüchen oder Kiesgruben in der Nähe vorteilhaft, wobei ein Großversuch zur Schüttung und Verdichtung die Eignung des Gesteins bestätigen sollte. Für Erdschüttdämme kann das notwendige Bodenmaterial im geplanten Stauseebereich entnommen werden, wodurch sich zusätzlich das Stauvolumen vergrößert. Hinsichtlich der bodenmechanischen Kenngrößen muss das gewählte Bodenmaterial sorgfältig untersucht und eine Probeschüttung durchgeführt werden, um die optimalen Einbau- und Verdichtungsverfahren zu bestimmen.

Untergrund und Herdmauer

In Bezug auf den Wasserrückhalt und die Lastabtragung bilden das Absperrbauwerk und der Untergrund eine Einheit. Daher sind vorab sorgfältige Untersuchungen zu den geotechnischen und geohydraulischen Eigenschaften notwendig, die in DIN 4020 geregelt sind.

Aufgrund der großen Aufstandsfläche sind bei einem Staudamm die Anforderungen an die Tragfähigkeit des Untergrunds wesentlich geringer als bei einer Staumauer. Daher dürfen Dämme sowohl auf Fels als auch auf ausreichend tragfähigem Boden aus Lockergestein gegründet werden. Um die auf den Damm wirkenden Wasserdruckkraft über die Dammsohle in den Untergrund zu übertragen muss das Sohlmaterial neben der Tragfestigkeit eine ausreichend hohe Scherfestigkeit aufweisen, um einen Grundbruch zu verhindern. Zur Bodenstabilisierung der Übergangszone werden vor dem Auftrag der Dammschüttung vermehrt Geotextilien wie beispielsweise Geogitter eingebaut, die zusätzlich als Filter dienen können und damit zur Erosionsstabilität des Untergrunds beitragen.

Staudammdichtung und Untergrundabdichtung müssen ein lückenloses Dichtungssystem bilden, weshalb dem Anschluss der Dammdichtung an den Untergrund bzw. an die Untergrundabdichtung besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden muss. In Deutschland wird dazu eine Herdmauer empfohlen. Sie bildet den konstruktiven Übergang von einer innen oder außen liegenden Dammdichtung an den wasserundurchlässigen Untergrund. Zur Überwachung des Gesamtbauwerks und für evtl. notwendige Abdichtungsarbeiten ist im Inneren der Herdmauer ein Kontrollgang von Vorteil.

Die im Talgrund häufig vorgefundenen Schwemmböden sind wegen ihrer hohen Durchlässigkeit als Dammauflager weniger geeignet. Daher sollten solche Böden wie auch stark verwitterter Fels möglichst ausgetauscht werden bis der wenig durchlässige Fels erreicht wird. Ist dies nicht möglich oder zu aufwendig muss vor Aufbringen der Dammschüttung eine sorgfältige Dichtung dieser Schicht vorgenommen werden. Ohne eine Herdmauer kann dies durch eine Bohrpfahl-, Schlitz-, Schmal- oder Spundwand erfolgen, die aber bei unsachgemäßer Ausführung der Anschlüsse an den Schüttkörper zur Rissbildung des Dammes führen können.

Bei Dämmen mit permanentem Stauspiegel oder wenn undurchlässige Schichten erst in größerer Tiefe anstehen, sind in aller Regel zusätzliche technische Maßnahmen zur Untergrundabdichtung vorzusehen. Dafür sind Untergrundinjektionen als mehrreihiger Dichtungsschleier oder ein Dichtungsteppich vor dem Dammfuss geeignet. Alle Maßnahmen haben zum Ziel, den Sickerweg zu verlängern und die Unterströmung des Dammkörpers zu reduzieren, sodass der hydraulische Gradient entscheidend abgemindert wird. Dies vermeidet spätere Wasserverluste der Talsperre und wirkt der Gefahr eines hydraulischen Grundbruchs entgegen.

Bautypen

Homogener Damm

Homogener Damm mit Sickerlinie

Ein Staudamm mit einem Dammkörper, der vollständig aus ein und demselben Material besteht, wird als homogener Damm bezeichnet. Voraussetzung ist ein Aufbau des Stützkörpers aus einheitlichen feinkörnigen Erdstoffen, deren Bindigkeit die Dichtfunktion übernehmen kann. Im Allgemeinen ist dies nur für kleine Stauhöhen und für kurzzeitigen Stau geeignet, wie dies bei Deichen der Fall ist. Besonders bei dauerhaftem Einstau und wechselnden Wasserständen wie bei Talsperren bestehen Probleme mit der Standfestigkeit, die aufgrund der Durchströmung auftreten. Zusatzmaßnahmen müssen dafür sorgen, dass die Sickerlinie an der Luftseite bis unter den Dammfuß herabgezogen wird. Dafür geeignet sind Sickergräben und Steinfüße am hinteren Ende des Damms sowie Flächendrainagen oder Rigolen unter dem luftseitigen Dammkörper. Die wasserseitige Böschung muss gegen Wellenschlag geschützt werden, wobei sich historisch ein Steinsatz bewährt hat.

Zonendamm

Bei höheren Dämmen wird der Damm in seinem Aufbau gegliedert ausgeführt und als Zonendamm bezeichnet. Er besteht aus mehreren Bereichen unterschiedlicher Durchlässigkeit, die jeweils zur Luftseite hin zunimmt, um die Sickerlinie in Richtung Dammfuss zu leiten. Unter Beachtung der Filterregel wird eine filterstabile Kornverteilung erreicht, wodurch das Auftreten von Erosion, Suffosion und Kolmation im Inneren des Damms verhindert werden kann. Ergänzend kommen Dichtungsschichten in Form von Innendichtungen oder Oberflächendichtungen zum Einsatz.

Geschichte des Staudammbaus

Als einer der ältesten noch teilweise erhaltene Staudämme gilt der Sadd-el-Kafara im Wadi el Garawi bei Kairo, Ägypten (verschiedenen Angaben zufolge zwischen 2950 und 2500 v. Chr. erbaut).

Die Überbleibsel von Dämmen, die Teil der Wasserversorgung für die Stadt Jawa in Jordanien waren, datieren die Archäologen auf 3.000 v. Chr. Ab 1.000 v. Chr. entstanden in vielen Teilen der Erde zahllose größere und kleinere Dämme sowie Staumauern. Reste der Bauten fand man unter anderem im Mittelmeerraum. In Europa waren die Römer berühmt für ihre Wasserbauprojekte. Siehe die Liste römischer Staudämme.

In Deutschland gelten Dämme des Oberharzer Wasserregales als die ältesten noch im Betrieb befindlichen Staudämme. Sie entstanden ab dem 15. Jahrhundert.

Trivia

Selbstgebauter Staudamm

Staudämme können auch auf natürliche Weise – durch Erdrutsche – entstehen; so ist zum Beispiel der Pragser Wildsee entstanden. Auch Biber legen Staudämme an, indem sie Bäume fällen und Äste in einen Bach zerren.

Siehe auch

• Wehr (Wasserbau)
• Liste der größten Talsperren der Erde
• Liste von Talsperren in Deutschland

Literatur

• Hans Bretschneider (Hrsg.): Taschenbuch der Wasserwirtschaft. 6. Auflage. Paul Parey, Hamburg/Berlin 1982, ISBN 3-490-19016-5. 
• Peter Rißler: Talsperrenpraxis. Oldenbourg Verlag, München 1999, ISBN 3-486-26428-1. 

Weblinks

Commons: Staudämme – Sammlung von Bildern und Videos

• Literatur von und über Staudamm im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
• Arbeitshilfe zur DIN19700 für Hochwasserrueckhaltebecken (PDF; 1,8 MB) Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, 2007, S. 24–27; abgerufen am 19. Dezember 2013.
• Roland Knauer: Zweite Chance für die Verdammten (Staudamm-Rückbau) in Spektrum.de vom 22. Oktober 2020