Für den Hochwasserschutz von Mellau an der Bregenzerach wurde eine Sohleintiefung durchgeführt. Das dadurch entstandene höhere Sohlgefälle von circa 1,3 % erforderte eine flächige Sohlstabilisierung. Im Rahmen des Modellversuchs wurden zwei verschiedene Varianten untersucht - ein Offenes Deckwerk und als Alternative eine Grobkornanreicherung.
Auftraggeber: Amt der Vorarlberger Landesregierung
Im Zuge der Hochwasserschutzmaßnahmen an der Bregenzerach wurde im Gemeindegebiet Mellau eine Sohleintiefung um bis zu 2 m durchgeführt, die sich von Fkm 40,85 bis 41,25 erstreckt. Aus dieser Maßnahme ergab sich mit 1,3 % ein deutlich steileres Sohlgefälle als dem abgeschätzten Gleichgewichtsgefälle (bis zu 0,95 %) entspricht, wodurch mit der Initiierung eines nachhaltigen Sohlerosionsprozesses zu rechnen war. Um diesem Erosionstrend entgegenzuwirken, war eine flächige Sohlstabilisierung erforderlich, wobei sich zwei Maßnahmen anboten: ein offenes Deckwerk oder eine Grobkornanreicherung der Gewässersohle. Für beide Maßnahmen gibt es keine praktischen Erfahrungen in diesem Gefällebereich, zumal die Bemessungsformeln für offene Deckwerke auch für erheblich kleinere Sohlgefälle (bis maximal 0,2 %) abgeleitet wurden. Eine Grobkornanreicherung wäre zudem eine vollständig neue Maßnahme, die bisher lediglich in einem Modellversuch für die Donau zwischen Wien und Hainburg (Sohlgefälle 0,04 %) getestet wurde.
Von der Hochwasserschutzmaßnahme an der Bregenzerach war auch die Einmündung des Dürrenbachs betroffen, die um rund 1,2 m tiefer gelegt wurde. Die Auswirkungen auf ein offenes Deckwerk oder eine künstlich hergestellte Deckschicht durch einen seitlich einmündenden Wildbach, der einerseits einen hohen Impulseintrag in die Bregenzerach bewirkt und andererseits mit einem Geschiebeeinstoß die Strömungsbelastung auf die Sohlsicherungsmaßnahme lokal drastisch erhöhen kann, können nach dem derzeitigen Stand der Technik rechnerisch nicht abgeschätzt werden. Sowohl der hohe Impulseintrag des Wildbachs als auch die unter Umständen teilweise Verlegung der Bregenzerach durch seitlich eingetragenes Geschiebe können zu einer verfrühten Mobilisierung der Steinauflagen in der Bregenzerach führen, die schließlich im ungünstigsten Fall ein Versagen der sohlstabilisierenden Maßnahmen verursacht. Aus diesen Gründen wurden die geplanten Maßnahmen im physikalischen Modellversuch hinsichtlich ihrer Machbarkeit überprüft und optimiert.
Während für die Variante Offenes Deckwerk zumindest für flachere Sohlgefälle bereits gewisse Erfahrungswerte vorlagen, auf die aufgebaut werden konnte, stellte die Variante Grobkornanreicherung Neuland dar. Diese Lösungsvariante hätte den Vorteil, dass möglicherweise bestimmte Kornfraktionen des an der Bregenzerach direkt vorhandenen Sohlmaterials bei der Umsetzung verwendet werden können, woraus sich geringere Umsetzungskosten ergeben würden.
Der physikalische Modellversuch sollte demnach folgende Fragen klären:
- Optimierung der Steingrößen und der Belegungsdichte für ein offenes Deckwerk, das im Hochwasserfall ausreichend stabil bleibt und dessen Steine nicht in den Untergrund durch Auswaschen der Sohle langsam einsinken.
- Überprüfung der sohlstabilisierenden Wirkung dieser Maßnahme bei seitlicher Einmündung eines geschiebeführenden Wildbachs, Überprüfung des Versagensmechanismus und allenfalls Optimierung der Maßnahme, falls sich im Vollmodell eine mangelnde Sohlstabilität herausstellen sollte.
- Optimierung der Steingrößen und Zugabemengen für eine Grobkornanreicherung der Deckschicht sowie Optimierung der Schichtstärke und Überprüfung der Veränderung der vergröberten Deckschicht bei Geschiebetransport in der Bregenzerach und Überprüfung der sohlstabilisierenden Wirkung dieser Maßnahme bei seitlicher Einmündung eines geschiebeführenden Wildbachs, Überprüfung des Versagensmechanismus und allenfalls Optimierung der Maßnahme, falls sich im Vollmodell eine mangelnde Sohlstabilität herausstellen sollte.
Die Versuche wurden einerseits in einem Schnittmodell (Länge von 10 m) und andererseits in einem Vollmodell (Länge von 23 m) durchgeführt. Ersteres sollte die Frage der optimalen Steingrößen beziehungsweise Belegungsdichte klären, letzteres die Stabilität der optimierten Steinauflage unter der heterogenen Strömungssituation bedingt durch Gewässerkrümmung, Buhnen et cetera sowie die Wirkung der Maßnahme bei seitlicher Einmündung eines geschiebeführenden Wildbachs überprüfen. Die Versuche wurden im Maßstab 1 zu 40 durchgeführt.
Grundriss des Vollmodels mit Offenem Deckwerk aus der Vogelperspektive
Ergebnisse der Versuche
1. Die Grobkornanreicherung, hergestellt aus den gröbsten Kornfraktionen des vor Ort vorhandenen Sohlmaterials (dm; Natur = 180 mm), stellte sich bereits im Schnittmodell als nicht ausreichend stabil heraus. Die Grobkornanreicherung der Deckschicht führte noch vor einem 30-jährlichen Hochwasser zum Versagen. Im Vollmodell bedingte die weitaus heterogenere Strömungsstruktur mit hohen lokalen Turbulenzenbereits bei einem 5-jährlichen Hochwasser ein Aufreißen der Grobkornauflage und in der Folge eine massive Rinnenbildung ausgehend von den lokalen Fehlstellen, was zu einem generellen Versagen der Grobkornauflage führte. Die Variante der Grobkornauflage musste daher als sohlstabilisierende Maßnahme ausgeschieden werden.
Sohle vor Versuchsbeginn
Sohle nach 260 m³/s (größer als 30-jährliches Hochwasser); Grobkornauflage ist weitgehend abgetragen
2. Das offene Deckwerk wurde mit Steinen der Klasse III (0,5 bis 0,7 m) mit einer Belegungsdichte von rund 30 % ausgeführt. Im Übergangsbereich stromab zur tiefergelegten Anschlussstrecke wurde diese auf 15 % reduziert. Das offene Deckwerk erwies sich über große Bereiche im Wesentlichen bis zum 300-jährlichen Hochwasser als stabil.
Abfluss bei einem 2-jährlichem Hochwasser nach einem 300-jährlichen Hochwasser – Strömungskonzentration am linken Ufer bedingt durch Erosionen im Unterwasser
Die Versuche zeigten deutlich, dass die Sohle über die gesamte Gerinnebreite bis zur Ufersicherung mit dem Deckwerk belegt werden muss. Selbst Bereiche, die dem Strömungsangriff nicht so stark ausgesetzt waren, wie zum Beispiel ufernahe Bereiche in Buhnenfeldern, mussten mit dem Deckwerk belegt werden, da ungeschützte Flächen sofort zu Erosion führten, die sich rinnenartig in die Sohle fraß.
3. Zur Simulation eines seitlichen Geschiebeeinstoßes durch den Dürrenbach und der darauffolgenden erhöhten hydraulischen Belastung des offenen Deckwerks wurde eine Geschiebemenge von rund 7.500 m³ (mittlere jährlich anfallende Geschiebemenge des Dürrenbachs) auf die Sohle aufgebracht, die die Gerinnebreite zu 90 % verlegte. Diese Situation wurde mit einer 100-jährlichen Welle belastet.
Geschiebeeinstoß Dürrenbach zu Beginn des Versuches
Geschiebeeinstoß Dürrenbach am Ende des Versuches (Blick gegen die Fließrichtung)
Der Abfluss am Beginn der 100-jährlichen Welle setzte in der engen verbleibenden Rinne einige Deckwerksteine in Bewegung, verursachte jedoch kein großflächiges Versagen des Deckwerks. Im Verlauf der Welle wurde die Rinne durch Erosion des Geschiebeeinstoßes zunehmen breiter, sodass auch die hydraulische Belastung des Deckwerks kontinuierlich abnahm und in weiterer Folge stabil blieb.
Aufgrund der durchgeführten Versuche konnte somit das offene Deckwerk als geeignete Methode zur sicheren Befestigung des vorgesehenen Stabilisierungsabschnitts der Bregenzerache empfohlen werden. Diese Sicherungsmethode ist für ein Gefälle von 1,3 % einsetzbar. Als wesentliche Vorteile dieser Methode können angeführt werden:
- hydraulisch voll wirksam,
- bei Überlastung nur sehr langsam fortschreitende Eintiefung,
- geringer Materialbedarf,
- ökologische Vorteile, weil Durchgängigkeit der Sohle erhalten bleibt.