Stahlpanzerung für das Tosbecken von Feldkircher Kraftwerk TOSBECKEN HOCHWUHR

Das Tosbecken von Wehrfeld 1 wird saniert: Um ein möglichst sicheres Bauen zu ermöglichen, wurden neben der Abschottung am Tosbeckenende auch die Wehrpfeiler um 2 m erhöht.

Foto: Stadtwerke Feldkirch

STAHLPANZERUNG FÜR DIE TOSBECKEN DES KRAFTWERKS HOCHWUHR, FELDKIRCH

Seit der Fertigstellung im Jahr 2003 deckt das Laufwasserkraftwerk „Hochwuhr“ der Stadtwerke Feldkirch etwa 10 Prozent des Strombedarfs von Feldkirch. Die Leistung des Kraftwerks beträgt 4 MW, die Fallhöhe 9,5 m. Das Kraftwerk wurde in einer beengten Felsschlucht am Südeingang der Stadt Feldkirch errichtet und ersetzt ein jahrhundertealtes Hochwuhr. Im Zuge der Projektierung musste mit Rücksicht auf angrenzende Gebäude und einen bestehenden Düker das Tosbecken relativ kurz und daher mit steilem Wehrrücken ausgebildet werden. Durch Verzögerungen im Bauablauf ergab sich die Notwendigkeit, anstatt des ursprünglich geplanten gemeinsamen Tosbeckens für beide Wehrfelder durch Einbau einer Mittelwand zwei getrennte Tosbecken auszuführen. Neben den Gegenstufen mussten deshalb zusätzlich beidseitig Störelemente am Ende der Tosbecken zur ausreichenden Vertosung in Teillastfällen ergänzt werden.

Das HQ100 der Ill in Feldkirch war zum Zeitpunkt der Errichtung des Kraftwerks behördlich mit 760 m³/s definiert. Die Geschiebefracht in der Ill wurde mit durchschnittlich 30.000 m³/Jahr angegeben. Die Tosbecken weisen eine Gesamtlänge von 35 m und eine Breite von je 13 m auf. Zum Schutz vor Geschiebeangriff wurden die Tosbeckenböden und -ausläufe mit einer Verschleißschicht in einer Stärke von 25 cm ausgestattet. Die Wehrrücken erhielten ihre Kontur mit einer Verschleißschicht von 25 bis 80 cm. Die Betongüte wurde mit Hartbeton C 40/50 WU/FB vorgegeben. Die Verschleißschicht wurde mit Bewehrungsmatten DN 10/ e=10 armiert und mit einem Bügel DN 14/m² mit dem tragenden Beton verbunden. Die Betondeckung wurde mit 6 cm vorgegeben. Mit dem gleichen Hartbeton wurden die untersten 1,5 m der Wehrpfeiler ausgeführt. Die Wehrrückenschwellen sowie die beiden Stufen am Ende der Tosbeckenböden wurden mit 12 mm starken Stahlblechen S235 gepanzert. Schon zwei Jahre nach Inbetriebnahme mussten die Tosbecken ein 40-jährliches Hochwasserereignis mit der etwa 7-fachen Geschiebefracht eines normalen Jahres bewältigen. Nach dem Hochwassergeschehen zeigten sich am Verschleißbeton bereits erste relevante Schäden. Nach 15 Betriebsjahren wurde eine Befundung der Tosbecken durchgeführt. Die Schäden hatten sich inzwischen erwartungsgemäß ausgedehnt. Großflächig lag die gesamte Bewehrung der Verschleißschicht frei. Beim Übergang vom Wehrrücken auf den Tosbeckenboden war die gesamte Verschleißschicht abgetragen. Der Konstruktionsbeton war hier bereits schutzlos dem Wasserangriff ausgesetzt. Auch bei allen Wehrpfeilern lag die Bewehrung beim Übergang Boden/Wand großflächig frei. An einzelnen stark belasteten Stellen war der Konstruktionsbeton bereits bis zu einer Tiefe von 15 cm erodiert. Einzelne Bewehrungsstäbe wurden um bis zu 90 Prozent geschwächt. Deutliche Abrasionserscheinungen zeigten sich an den Wänden auf dem untersten Meter.

LÖSUNGSFINDUNG Im Jahr 2018 wurde ILF Consulting Engineers von den Stadtwerken Feldkirch damit beauftragt, eine Abschätzung der Abrasionsraten im Tosbecken vorzunehmen. Dabei galt es, diverse Materialien für das Tosbecken im Hinblick auf die Abrasionsresistenz bzw. deren Lebensdauer zu bewerten. Im Rahmen einer Studie erarbeitete das Team von M+G Ingenieure unter Leitung von Dipl.-Ing. Josef Galehr

Die Verschleißschicht wird mit Hochdruckwasserstrahlen abgetragen.

Foto: Marc Lins

vier Varianten zur Mängelbehebung. Der Abtrag von losen Betonteilen der Verschleißschicht und Ergänzung mit Aufbeton sowie Reprofilierung bei den Wehrpfeilern, der Abtrag und die Erneuerung der gesamten Verschleißschichten, der Abtrag der Verschleißschicht und Ersatz durch Granitsteine sowie der Abtrag der Verschleißschicht und Stahlpanzerung mit unterschiedlichen Stahlqualitäten wurden auf ihre Eignung untersucht. Zusätzlich wurden Mischformen betrachtet. Die Kostenschätzung ergab Errichtungskosten von netto 250.000,- Euro für eine örtliche Instandsetzung, Kosten von 700.000,- bis 800.000,- Euro für eine Erneuerung der Verschleißschicht und Kosten bis ca. 1,3 Millionen Euro für eine Auskleidung in Granit oder Stahl. Eine örtliche Instandsetzung kam für die Stadtwerke Feldkirch nicht in Frage, da so keine Verbesserung für die Zukunft zu erzielen war. Die Kostenschätzungen zeigten auch einen sehr hohen Kostenanteil für Baustelleneinrichtung, die Abtragsarbeiten der Verschleißschicht, Überdachung der Tosbecken, Sicherung der Bauarbeiten und Nacharbeiten. Die von ILF durchgeführten Abrasionsberechnungen zeigten zudem, dass eine Instandsetzung mit Beton keine langfristige Lösung darstellt. Der höherwertige Beton weist eine 36 Prozent geringere Abrasionsrate, der Granit und Stahl eine 93 bis 99 Prozent geringere Abrasionsrate als der eingebaute Beton C 40/50 auf. Die Ergebnisse wurden mit ausgeführten Kraftwerken verglichen. In der Untersuchung wurde auf die Abrasion an den Kanten und Längsfugen bei Granitsteinen infolge unebenen Einbaus sowie die kritische Situation bei Kreuzfugen hingewiesen. In der Folge wurde mit Vertretern der Vorarlberger Wasserwirtschaft sowie der Wildbach- und Lawinenverbauung über Erfahrungen mit Verkleidungen von Geschiebesperren in Granit und Stahl diskutiert und Exkursionen unternommen, wobei sich zeigte, dass in den letzten Jahren nur noch Stahlpanzerungen ausgeführt wurden. Die Stadtwerke Feldkirch entschlossen sich daher, die Tosbecken mit einer Stahlpanzerung zu versehen, um damit einen Mehrwert zu erzielen. Bei weiteren Untersuchungen wurde Stahl der Güte S235 mit verschleißarmem Stahl Hardox 450 in unterschiedlichen Stärken verglichen. Aufgrund der vergleichsweise geringen Mehrkosten sollte eine Stahlpanzerung mit Hardox 450 umgesetzt werden.

Foto: M+G INGENIEURE

Das richtige Material, um Abrasion zu minimieren

Abrasion wird als fortschreitender Materialverlust infolge kontinuierlicher Sedimentbewegung entlang einer Oberfläche definiert. Die Abrasion wird maßgeblich durch springende Geschiebepartikel verursacht. Die Abrasionsraten werden somit maßgeblich durch den Geschiebetransport im Fluss bestimmt. Abrasion findet also immer statt, wenn der Fluss geschiebeführend ist. Verhindern kann man sie nicht, man muss eher versuchen durch eine geeignete Materialwahl der Bauwerksohle die Abrasion zu minimieren. Im Jahr 2018 führte ILF unter der Leitung von Dr. Christian Auel eine Abschätzung der Abrasionsraten im Tosbecken des Kraftwerks Hochwuhr durch. Folgende Materialien wurden im Hinblick auf die Abrasionsresistenz bzw. deren Lebensdauer bewertet: Beton C40/50 (bestehender Beton als Vergleichswert), Beton C70/85, Stahl S235, Granit. Im Rahmen der wissenschaftlichen Untersuchung wurden Abrasionsberechnungen und Analysen der Materialien angestellt, Aussagen zur prognostizierten Lebensdauer der Materialien getroffen und eine Vorbemessung der Variante mit Granitblöcken durchgeführt. Die Untersuchung wurde mit Hilfe von drei verschiedenen Abrasionsprognosemodellen durchgeführt. Zwei dieser Modelle wurden von Christian Auel während seiner Zeit als Wissenschaftler an der ETH Zürich und der Universität Kyoto, Japan entwickelt bzw. weiterentwickelt. Die Modelle beruhen auf Auswertungen unzähliger Laborversuche und wurden nicht explizit für die komplexen Strömungsverhältnisse in einem Tosbecken entwickelt. Die Hydraulik im Tosbecken wurde deshalb detailliert betrachtet, um die Eingabeparameter für die Modelle zu bestimmen. Christian Auel, weltweit anerkannter Experte auf dem Gebiet der Abrasion von Bauwerken, betont die Komplexität der Strömungsverhältnisse in einem Tosbecken.

PROJEKT Die Stahlpanzerung wird bei beiden Tosbecken mit hochverschleißfesten Blechen der Stärke 15 mm ausgeführt. Die Tosbeckenform wird beibehalten. Beim ersten bereits umgesetzten Becken wurden der gesamte Wehrrücken, der Tosbeckenboden, der Tosbeckenauslauf und die Wehrpfeiler auf eine Höhe von mindestens 2 m gepanzert. Der Wehrrücken wurde polygonal ausgeführt, der Übergang vom Wehrrücken auf den Tosbeckenboden mit gerolltem Blech. Die Stahlbleche erhielten Kopfbolzen DN 16/L=150 mm, 9 Stück/m², damit die „dynamischen“ Auftriebskräfte von ca. 134 kN/m² abgeleitet werden können. Örtlich

Foto: M+G INGENIEURE Foto: M+G INGENIEURE

Erosion der Verschleißschicht bis 25 cm, freiliegende Bewehrung am Wehrrücken Freigelegte Bewehrung am Wehrpfeiler, der Bewehrungsquerschnitt ist deutlich geschwächt Zeugnis von den Kavitationskräften und dem Angriff durch das Geschiebe an der Wehrrückenschwelle

Foto: Stadtwerke Feldkirch Foto: Stadtwerke Feldkirch

Arbeiten unter geschlossenem, provisorischem Dach

Tosbecken nach HDW-Abtrag

wurden die Kopfbolzen verdichtet. Die bestehende Stahlpanzerung der Gegenstufen wurde nicht abgetragen, sondern mit dem hochwertigeren Stahlblech verkleidet. Sämtliche Schweißnähte wurden voll durchgeschweißt. Alle Schweißnähte quer zur Fließrichtung wurden verschliffen. Für den Einbau wurde die bestehende Verschleißschicht abgetragen. Der Raum zwischen Stahlpanzerung und bestehendem Beton wurde mit selbstverdichtendem, schwindarmem Beton C 30/37 B2 GK 16 vergossen. Der Vergussbeton wurde mit Bewehrung DN 10/e=15 kreuzweise armiert. Die Kopfbolzen reichen unter die Armierung. Fehlende oder beim Abtrag zerstörte Bügel aus dem Konstruktionsbeton wurden mit mindestens gleichem Stahlquerschnitt ergänzt. Bei der Wandpanzerung musste der gesamte Bewehrungsstahl eingebohrt und verklebt werden. Da bei den Wehrpfeilern kein Konstruktionsbeton abgetragen werden konnte (Standsicherheit bei etwaigen Hochwasserereignissen), wurde die Stahlpanzerung im Abstand von ca. 15 cm zur Mauerfläche aufgebracht und ebenfalls mit selbstverdichtendem Beton vergossen. Der Übergang Stahl auf Betonwand wurde mit einem Übergangsblech verkleidet. Damit Wasser nicht in die Längsfugen zwischen Stahl und Wandbeton eindringt und zu Abrasion des Vergussbetons führt, wurde der Wandbeton auf eine Höhe von ca. 15 cm auf eine Tiefe von ca. 3 cm abgetragen und mit einem verschleissarmen Saniermörtel ergänzt. Am Ende des Tosbeckens wurden zwei neue, geschlossene und ausgegossene Störelemente eingebaut. Die Sohl- und Wandpanzerung wurde an die bestehende Stahlpanzerung der Wehrrückenschwelle angeschweißt.

UMSETZUNG An der Ill ist aus Beobachtungen der letzten 10 Jahre mit Winterabflussereignissen von ca. 240 m³/s zu rechnen. Das Abflussgeschehen ist stark geprägt durch ein 7,0 km weiter flussaufwärts gelegenes Kraftwerk mit Abflussspitzen von bis zu 100 m³/s. Die Wehrpfeiler werden ab einer Wassermenge von ca. 150 m³/s überströmt. Um ein sicheres Bauen zu gewährleisten, muss-

Stahlwasserbauexperten am Werk

Für die stahlwasserbauliche Umsetzung des auf- wändigen Sanierungsprojektes wandten sich die Betreiber an einen Spezialisten der österreichischen Wasserkraftbranche: Danner Wasserkraft aus Pettenbach. Konkret oblag es ihm, auf dem abgetragenen Untergrund zwischen Beton, Wasser, Eis und der Restbewehrung des Bestandes wieder eine maßhaltige Unterkonstruktion herzustellen und auf dieser das 15 mm-Verschleißblech zu positionieren und fachgerecht zu verschweißen. Die zentralen Herausforderungen stellten dabei die Manipulation und Einbringung der teils mehrere Tonnen schweren Teile, wie auch des Werkzeuges, die örtlichen Gegebenheiten und Temperaturen dar. Durch lange Vorbereitung und gewissenhafte Planung, sowie der guten pragmatischen Zusammenarbeit und Koordination mit der verantwortlichen Baufirma vor Ort konnte man diese „tonnenschwere“ Aufgabe lösen. Mit einem starken und ausdauernden Team wurde der erste Teil trotz zusätzlicher Hürden, wie wechselnder Witterungsverhältnisse und COVID-Reisebestimmungen, erfolgreich abgeschlossen. Das zweite Wehrfeld wird dann, nach einer Sommerpause, im Oktober in Angriff genommen. In Zahlen:

1) ca. 900 Gewindestangen bohren und verkleben 2) 11 to Stahlunterkonstruktion einbringen und ausrichten 3) 70 to Hardoxplatten 15 mm verlegen und mit 4) 1,4 to Schweißdraht verschweißen

Foto: Stadtwerke Feldkirch

Foto: Stadtwerke Feldkirch Foto: Stadtwerke Feldkirch

Rund 70 to an 15 mm Hardoxplatten wurden von Danner Wasserkraft eingerichtet und verschweißt. Panzerung der Seitenwände bis auf 2 m Höhe

ten neben der Abschottung am Tosbeckenende auch die Wehrpfeiler um 2 m erhöht werden. Die Abschottung und Erhöhung der Wehrmauern wurde mit Betonhohlwänden ausgeführt. Diese Elemente wurden nach Abschluss der Hauptarbeit abgetragen. Die Verbindung mit dem Bestand erfolgte in Chromstahlarmierung, um Korrosion an der Oberfläche zu vermeiden. Nach dem Einrichten der Baustelle wurde mit dem Abtrag der Verschleißschicht mittels Hochdruckwasserstrahlen begonnen. Aus ökologischen Gründen sollten die Arbeiten mit stromversorgten Pumpen ausgeführt werden. Dazu wurde von den Stadtwerken Feldkirch eine eigene Trafostation aufgestellt. Aufgrund der unmittelbaren Nachbarschaft zu Anrainern wurden die Arbeiten mit Hochdruckwasserstrahlen tageszeitlich begrenzt. Anschließend wurde das Tosbecken mit einem provisorischen Dach und Seitenwänden wetterfest abgedeckt, sodass auch ein Beheizen möglich war. Die Arbeiten sollten im Trockenen und bei Bauteiltemperaturen über 5°C durchgeführt werden. Nach Herstellung des provisorischen Daches wurde mit der Montage der Unterkonstruktion für die Stahlpanzerung begonnen. Dazu wurden im Abstand von ca. 2,4 m Vierkantstäbe 50/50 mm, S235 auf eine Justierkonstruktion aufgelegt und verschweißt, die ihrerseits mit zwei Gewindestangen DN 20 im Konstruktionsbeton verankert ist. Diese Konstruktion musste beim Einbringen des selbstverdichtenden Betons den Betondruck in die Unterkonstruktion ableiten. Nach Ergänzung der Bügel des Konstruktionsbetons wurde die Armierung des Vergussbetons eingebaut. Auf Wunsch des Stahlbauunternehmens wurden die ursprünglich geplanten Stahlplattengrößen von ca. 2,4/6,0 m auf ca. 2,6/10,0 m vergrößert und zum Teil bereits gekantet auf die Baustelle geliefert, um die Schweißar- beiten zu reduzieren. Für das Einheben der Stahlpanzerung musste die provisorische Überdachung örtlich geöffnet werden. Die Stahlplatten wurden mit dem Vierkantstahl voll verschweißt. Zur Sicherung der Stahlbleche gegen „Auftrieb“ beim Betoniervorgang wurden beim Tosbeckenboden Stahlwandriegel im Abstand von 1,2 m verlegt und über Gewindestangen auf den Vierkantstahl verschweißt. Beim Betonieren war damit eine Betonierhöhe von

Wie man Altbeton optimal entfernt

Die Firma Sodian mit Sitz im oberösterreichischen Vorchdorf ist Spezialist für Betoninstandsetzung von Kraftwerken. Das Leistungsspektrum reicht von großen Sanierungen, wie beispielsweise dem Kraftwerk Mount Coffee in Liberia, bis zur automatisierten Entschichtung von mittlerweile über 30 Druckrohrleitungen im Zuge deren Sanierung. Für die Sanierung des Tosbeckens im Kraftwerk Hochwuhr wurden spezielle Roboter konstruiert, um automatisiert und ohne Gefahr für Mitarbeiter die Betonschicht an dem gewölbten Wehrrücken zu entfernen. Eine besondere Herausforderung war eine deutlich erhöhte Druckfestigkeit des Verschleißbetons. Um trotzdem den Bauzeitplan halten zu können wurden die Elektroaggregate um Diesel- betriebene Aggregate ergänzt. So wurde in Summe mit der beeindruckenden Leistung von 1.750 kW der Verschleißbeton abgetragen. Mehr unter: www.sodian.at

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Foto: M+G INGENIEURE

Stahlwandriegel vor dem Betonieren mit selbstverdichtendem Beton

Kopfbolzen, Bewehrung und von Schlämmen gereinigte Betonfläche

Foto: M+G INGENIEURE

maximal 0,5 m zulässig. Beim Wehrrücken und den Wänden wurden die Stahlwandriegel verdichtet, um einen höheren Betonierdruck zuzulassen. Nach Abschluss der Betonierarbeiten wurden die Betonierlöcher verschlossen und verschweißt, weiters wurden Verpressarbeiten durchgeführt. Die Kostenschätzung hat Baukosten von 2,06 Millionen Euro ergeben. Die Bauarbeiten wurden auf Basis der Ausschreibung mit 1,9 Millionen Euro vergeben. Nach Fertigstellung des ersten Tosbeckens liegen die Bauarbeiten im Kostenrahmen.

ERSCHWERNISSE, ÜBERRASCHUNGEN Im Zuge der Umsetzung der Stahlpanzerung zeigten sich einige Schwierigkeiten und Überraschungen. Ursprünglich war geplant, beide Tosbecken im Winter 2020/2021 mit der Stahlpanzerung zu versehen. Aufgrund von Lieferschwierigkeiten bei der vom Bauherrn gewünschten Stahlgüte konnte im Winter 2020/2021 nur ein Tosbecken gebaut werden. Das zweite Tosbecken wird im kommenden Winter gepanzert. Der Abtrag mitttels Hochdruckwasserstrahlen war vom Bauherrn mit stromversorgten Pumpen gewünscht. Im Zuge der Arbeiten wurde eine deutlich erhöhte Druckfestigkeit des Betons festgestellt. Die Firma Sodian ergänzte die Aggregate um zusätzliche Dieselaggregate, um den Bauzeitplan halten zu können. Am Tosbeckenboden und zum Teil am Wehrrücken wurde die Verschleißschicht mit dem Wasserstrahl „durchschossen“ und die obere Bewehrungslage des „weicheren“ konstruktiven Betons flächendeckend freigelegt. Als Sofortmaßnahme musste in der Folge eine Reprofilierung durchgeführt werden, um die statische Sicherheit für den Fall eines Hochwassers zu gewährleisten. Der Verschleißbeton wies im Mittel 71,0 N/ mm² Zylinderdruckfestigkeit auf und ist damit im ständig feuchten Tosbeckenklima besonders stark nachgehärtet. Dennoch war er im Vergleich zu stahlgepanzerten Bereichen wesentlich stärker verschlissen. Beim Verlegen der Bewehrungsstäbe der Verschleißschicht musste genau die Verteilung der Kopfbolzen berücksichtigt werden. Andernfalls konnten die Stahlplatten nicht verlegt werden, ohne die Bewehrung durch die Kopfbolzen hinunterzudrücken. Bei den zweifach gekanteten und fast 10 m langen Stahlplatten im Bereich Tosbeckenauslauf war dies eine besondere Herausforderung. Die Erfahrungen bei der Umsetzung der Panzerung des ersten Tosbeckens sollten beim zweiten Tosbecken zu einer kürzeren Bauzeit führen.

Text: Josef Galehr, M+G Ingenieure Hans-Jörg Mathis, Stadtwerke Feldkirch

Aktuelle Informationen und Bilder zum Projekt Tosbecken Hochwuhr auf der Homepage der Stw. Feldkirch

Die Arbeiten am Tosbecken wurden auch nachts durchgeführt.

Foto: M+G INGENIEURE