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STARKREGEN UND HOCHWASSER-
WIE SICH DAS KORNGERÜST DES
BODENS VERÄNDERT

Grundsätzlich sind heftige Regenfälle und Hochwasser Bestandteile des natürlichen Geschehens.
Zur Katastrophe (Flutkatastrophe) werden sie, wenn Menschen und materielle Werte betroffen sind.
Phasen der Suffosion: a) Sickerströmung im Boden umlagert die feineren Partikel eines Korngemisches.
Phasen der Suffosion: b) zunehmende Verschlechterung der Bodenmatrix
Phasen der Suffosion: c) plötzliches Versagen (Kollaps)

„Besonders stark sind die Auswirkungen von Starkregen- bzw. Hochwasserereignissen bei erosionsempfindlichen Böden wie Schluffen und Feinsanden“

Phasen der Kontakterosion: a) Beginn an der Kontaktfläche zweier unterschiedlich zusammengesetzter Böden
Phasen der Kontakterosion: b) Transport von Teilchen aus dem feinkörnigen in den grobkörnigen Boden
Phasen der Kontakterosion: c) Prozess setzt sich als innere Erosion fort

DEFINITION VON STARKREGEN UND HOCHWASSER

Wenn große Niederschlagsmengen innerhalb einer bestimmten,
meist nur recht kurzen Zeitspanne fallen, wird von Starkregen
gesprochen. Aber auch Dauerregen kann mit sehr hoher Intensität
auftreten und damit in die Kategorie des Starkregens fallen.
Die offiziellen Richtlinien dazu hat der Deutsche Wetterdienst als
nationale Behörde festgelegt. Er unterscheidet zwei Stufen des
Starkregens.
Ein Starkregen, Stufe 1 (markantes Wetter) ist ein
Niederschlagsereignis, bei dem mehr als 10 l/m² in einer Stunde
oder mehr als 20 l/m² in sechs Stunden fallen. Ein Starkregen, Stufe 2 (Unwetter) ist ein Niederschlagsereignis, bei dem mehr als 25 l/m² in einer Stunde oder mehr als 35 l/m² in sechs Stunden fallen.

Starkregen tritt oft bei Gewittern auf. In dem Fall kann Starkregen
auch mit Hagel durchmischt sein und von Fallböen begleitet werden,
weil die vielen Regentropfen die Luft mit sich in die Tiefe reißen.

Starkregenereignisse treten lokal auf und treffen selten eine ganze
Region. Starkregen ist ein Phänomen, das hauptsächlich im Sommerhalbjahr auftritt. Für die großen Niederschlagsmengen in recht kurzer Zeit müssen massive Quellwolken mit großen Wassermengen entstehen.
Dies ist nur bei ausreichend warmer Luft möglich, da kalte
Luft weniger Feuchtigkeit aufnehmen kann. Ausgenommen davon
sind die oben angesprochenen Tiefdrucksysteme mit Dauerregen,
welche besonders in Staulagen der Gebirge zu ergiebigen Regenfällen führen.
Durch Starkregen können Hochwasserereignisse entstehen, da in kurzer Zeit sehr viel Regen fällt und der Boden kaum Zeit hat, diesen aufzunehmen. Auch die Kanalisation ist bei besonders intensiven Regenfällen überfordert. Somit sind rasch ansteigende Wasserpegel (Hochwässer) und nachfolgende Überschwemmungen,
Sturzfluten oder Erdrutsche und Muren die Folge.
Bei Flüssen und kleineren Fließgewässern spricht man von Hochwasser, wenn ihr Abfluss für längere Zeit (mehrere Tage) den normalen Wert (mittlerer Abfluss) deutlich übersteigt. Übersteigt der
Abfluss das Fassungsvermögen des Baches (Gerinne), kann es zu
Überschwemmungen kommen.

Bei besonders schnell anlaufenden Hochwasserwellen spricht man
von Sturzflut. Im Küstenbereich kann die normale Tide durch Wind
(Driftstrom) zu einer Sturmflut verstärkt werden, die über Flüsse
kilometerweit ins Landesinnere vordringen kann. Hochwasserereignisse, die durch Tsunamis ausgelöst werden, treten in Europa für gewöhnlich nicht auf.

PROZESSE IM BAUGRUND

Während Starkregenereignissen erfolgt der größte Teil des Abflusses
oberflächlich, eine Infiltration in den Boden findet kaum statt.
Durch Überflutung oder Hochwasser finden dennoch besondere Prozesse im Boden statt, da diese Ereignisse in der Regel einen direkten Einfluss auf die Grundwasserstände haben: Bodenschichten, die ansonsten nicht durch Grundwasser beeinflusst sind, werden
durchströmt, bei Böden im Grundwasserbereich ändert sich
ggf. die Fließgeschwindigkeit oder es kommt zu einer Umkehr der
Fließrichtung.

Besonders stark sind die Auswirkungen von Starkregen- bzw. Hochwasserereignissen bei erosionsempfindlichen Böden wie Schluffen und Feinsanden, da diese Böden eine Kornstruktur aufweisen, die die nachfolgend aufgezeigten Schadensbilder begünstigen.

SUFFOSION UND EROSION

Beim Auf- und Ablaufen von Hochwasserwellen bzw. beim Abfluss des Starkregens entstehen starke hydraulische Gefälle, welche zu Bewegungen im Korngerüst des Bodens führen können. Möglich
ist hierbei eine Fugenerosion und/oder Kontakterosion an Schichtgrenzen oder eine Umlagerung innerhalb eines Erdstoffs. Neben der hydraulischen Belastung sind dabei auch geometrische Voraussetzungen erforderlich. Es muss möglich sein, dass die Partikel eines feinen Erdstoffs auch durch die Poren eines groben Erdstoffs bewegt werden können.

Bei der Suffosion werden die feineren Partikel eines Korngemisches von der Sickerströmung im Boden umgelagert (a). Sie werden dabei durch die Poren oder aus den Poren des aus der gröberen Kornfraktion gebildeten, tragenden Kornskeletts transportiert. Dabei bleibt das Volumen des Bodens zunächst konstant, solange sich die gröberen Bodenkörner noch gegenseitig abstützen. Die Stabilität der Bodenmatrix wird jedoch zunehmend verschlechtert (b), so dass die Gefahr eines plötzlichen Versagens (Kollaps) besteht (c).
Fortschreitende Suffosion kann Erosionsvorgänge begünstigen,
wenn die Stabilität des Korngerüsts vermindert wird. Der Übergang
von Suffosion zu Erosion kann dann fließend sein. Suffosion tritt
in der Regel in nicht kohäsiven Böden auf. Für den Nachweis der
Suffosionssicherheit gibt es eine Vielzahl verschiedener Verfahren,
die unter jeweils unterschiedlichen Gesichtspunkten und Systematiken entwickelt wurden. Im Merkblatt Materialtransport im Boden (MMB) der Bundesanstalt für Wasserbau werden verschiedene
Verfahren empfohlen.

Eine weitere Art des Materialtransportes ist die Erosion. So werden durch Wasserströmung verursachte Umlagerungen und der Transport nahezu aller Kornfraktionen eines Bodens bezeichnet. Dabei kommt es zu einer Veränderung der tragenden Bodenstruktur. Es können verschiedene Formen der Erosion unterschieden werden.

Die innere Erosion findet in größeren, meist röhrenförmigen Hohlräumen im Inneren des Bodenkörpers statt. Das Entstehen der inneren Erosion wird durch bereits vorhandene Hohlräume, unterschiedliche Lagerungsdichten, Anisotropie des Bodens und auch durch vorhergehende Suffosion gefördert.

Die Kontakterosion beginnt an der Kontaktfläche (a) zweier unterschiedlich zusammengesetzter Böden (grobkörniger und feinkörniger Boden). Dabei erfolgt ein Transport von Bodenteilchen aus dem feinkörnigen Boden in den Porenraum des grobkörnigen Bodens (b), wo der Prozess als innere Erosion seine Fortsetzung finden kann (c).

Fugenerosion ist eine rückschreitende Erosion an den Grenzflächen zwischen massiven Bauwerken wie z. B. Fundamenten und Boden, oder an den Grenzflächen zwischen einer kohäsiven und einer unterlagernden, nicht kohäsiven Bodenschicht. Sie führt zu
einer progressiven Hohlraumbildung.

Entscheidend für die Erosionsvorgänge ist hierbei neben der Beschaffenheit der Kornfraktionen auch die Höhe des hydraulischen Gradienten.
Die Folgen der Erosion sind eine stärkere Zusammendrückbarkeit
der Böden unter Belastung.

FOLGEN FÜR GEBÄUDE

Selbstverständlich kann durch den stark erhöhten Oberflächenabfluss bei Starkregen- oder Hochwasserereignissen starke Oberflächenerosion im Nahbereich von Gebäuden entstehen. Dadurch können die Gebäude direkt beschädigt werden. Als Folge von Hangrutschen oder Muren können ganze Gebäudeteile weggespült werden oder abreißen.

Die Schäden an Bauteilen und Gebäuden sind in dem Fall deutlich
und klar einem Ereignis zuzuordnen. Mit der Beseitigung der Ursachen kann auch gleich eine Sicherung/Reparatur durchgeführt
wurden.
Weniger deutlich und damit auch schlechter zu erfassen und einem
konkreten Ereignis zuzuordnen sind Schäden, die durch die oben
beschriebenen Prozesse im Baugrund anstehen. Durch Suffosion, Erosion und Sackungen kommt es zu Setzungen von Fundamenten und dadurch zu Rissbildungen im Gebäude.

SANIERUNGSMÖGLICHKEITEN

Bei der Sanierung von beschädigten Gebäuden ist neben der oberflächlichen Sanierung der Risse vor allem die Sanierung der
Gründung des Gebäudes essenziell, da sonst nur die Symptome, nicht aber die Probleme selbst behoben werden. Um eine weitere Zunahme oder auch eine Reaktivierung von bereits sanierten Rissen zu verhindern, sind Maßnahmen vorzusehen, mit welchen die bodenmechanischen Eigenschaften der durch Starkregen oder Hochwasser negativ beeinflussten Bodenschichten verbessert werden können oder Maßnahmen, mit welchen die anfälligen Bodenschichten überbrückt werden können.

Zum Einsatz kommen dabei zwei Arten von Systemen, die entweder ein Fortschreiten der Schäden verhindern sollen (dauerhafte Fixierung des neuen Ist-Zustandes) oder Systeme, bei denen die aufgetretenen Änderungen ganz oder in Teilen rückgängig gemacht werden sollen.

Vertreter der beiden Arten sind:

  • Düsenstrahlverfahren (Fixierend)
  • Herstellung verpresster Mikropfähle (Fixierend)
  • Bodeninjektionen (Fixierend)
  • Wiederherstellende Systeme mit Kunstharz

ZUSAMMENFASSUNG

Die Erfahrung zeigt, dass bei jedem Hochwasserereignis Sekundärschäden zu beobachten sind, die auf eine Veränderung des Bodens zurückzuführen sind.

Mit Kenntnis über die Böden und die mutmaßlich aufgetretenen
Veränderungen können Sanierungsverfahren eingesetzt werden, die eine weitere Schädigung des Gebäudes ausschließen und auch
für zukünftige Grundwasserveränderungen sichern. In dem Fall ist es unerlässlich zu prüfen, ob das statische System des Gebäudes
den geänderten Lastabtrag aushalten kann.

In den meisten Fällen ist es darüber hinaus möglich, aufgetretene
Setzungen nicht nur zu stabilisieren, sondern tragende Elemente wie Stützen und Fundamente durch gezielte Hebungen wieder in die ursprüngliche Lage zu bringen. Damit reduzieren sich zum einen die erforderlichen Reparaturen der sichtbaren Schäden, wesentlicher ist aber, dass das ursprüngliche statische System wiederhergestellt
wird.

Vielen Dank an die Autoren Rachel Fischer, M. Sc. & Dr.-Ing. Tobias Kubetzek, IFB Eigenschenk GmbH

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