Wie man einen Damm baut: Aktuelle Baumethoden & Die Notwendigkeit von Innovationen
Dämme sind seit Jahrtausenden ein wichtiges technisches Verfahren. Der erste Damm wurde von den alten Ägyptern um 2800 v. Chr. errichtet. Dämme werden gebaut, um den Wasserfluss zu blockieren und hinter dem Damm ein Reservoir zu schaffen, das für den Hochwasserschutz, die Bewässerung, die kommunale Wasserversorgung und andere menschliche Aktivitäten genutzt werden kann. Angeregt durch die jüngsten Nachrichten über einen Dammbruch in Kalifornien befasst sich dieser Blog mit der Frage, wie Dämme in den letzten 100 Jahren gebaut wurden und welche Verbesserungen beim Bau von Dämmen in Zukunft notwendig sind.
Wie baut man einen Damm
Der Bau eines Staudamms ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess, der große Mengen an Arbeitskräften, Rohstoffen und Investitionen erfordert. Im Folgenden werden die grundlegenden Schritte für den Bau einer Schwergewichtsmauer beschrieben – die häufigste Art von Dämmen, die wir bauen. Schwerkraftdämme werden so genannt, weil sie durch die Schwerkraft am Boden gehalten werden – sie wiegen viel und werden normalerweise aus Beton oder Stein gebaut.
- Ingenieure müssen den Fluss, in dem der Damm gebaut werden soll, entwässern. Dazu wird der Fluss durch einen Tunnel umgeleitet, der um den geplanten Baubereich herum verläuft. Solche Tunnel können mit Beton ausgekleidet werden und werden in der Regel mit einer Kombination aus Bohrungen und Sprengungen ausgehoben.
- Der Bau eines Staudamms muss begonnen werden, wenn der Flusspegel niedrig ist. Ein kleiner Damm, ein so genannter Fangedamm, wird stromaufwärts des Baugebiets errichtet, um das Wasser in den Umleitungstunnel zu leiten. Auch flussabwärts kann ein Kofferdamm gebaut werden, aber das Ziel ist es, die Bauzone trocken zu halten, damit der Hauptdamm gebaut werden kann. Pumpen können eingesetzt werden, um Wasser zu entfernen, das in den Kofferdamm eindringt.
- Loses Gestein wird aus dem Flussbett entfernt, und ein Sockel muss gebaut werden. Ein Sockel ist ein Betonfundament für den Damm, das ihn in die Wände und den Boden des Flussbettes/Tals einbettet. Dadurch wird verhindert, dass Wasser an den Rändern des Dammes ausläuft.
- Jetzt ist es an der Zeit, den Damm auf die gewünschte Höhe zu bauen. Eine konkav gekrümmte stromabwärts gelegene Oberfläche für einen Damm hilft ihm, den konstanten Wasserdruck zu absorbieren, dem er standhalten muss. Für die Oberflächen des Damms selbst wird verstärkter Stahl verwendet, und es wird eine Ummantelung gebaut. Die Ummantelung wird mit Beton gefüllt, um sie extrem stark und widerstandsfähig gegen den Wasserfluss zu machen.
Was stimmt mit den heutigen Dämmen nicht?
Unsere Entwürfe und Methoden für den Bau von Dämmen waren jahrzehntelang zuverlässig – was ist in den letzten Jahren so schief gelaufen, dass wir sie überdenken sollten? Die einfache Antwort ist der Klimawandel. Dämme, die vor 50 oder 60 Jahren gebaut wurden, wurden in der Annahme entworfen, dass das Klima immer stabil bleiben würde. Aus heutiger Sicht können wir jedoch feststellen, dass dies einfach nicht der Fall ist.
Hydrologische Zyklen reagieren empfindlich auf selbst geringfügige Änderungen des Klimas. Bei der Planung von Staudämmen werden in der Regel historische Daten berücksichtigt, ohne dass man weiß, wie sich die Wasserkreisläufe in der Zukunft verändern könnten.
Ein Beispiel dafür ist das kürzlich fertiggestellte Wasserkraftwerk Muela in Lesotho, einem Land, dem ein beträchtliches Potenzial an Wasserkraftressourcen zugeschrieben wird. Seit der Fertigstellung des Staudamms hat Lesotho keine Probleme mehr, seinen Energiebedarf zu decken. Das Land ist jedoch anfällig für Naturkatastrophen und Wüstenbildung und sehr anfällig für den Klimawandel. Wissenschaftler sagen voraus, dass steigende Temperaturen und geringere Niederschläge in den kommenden Jahren bis 2019 zu einer Periode des Wasserstresses führen werden, die sich bis 2060 noch verschlimmern wird, wodurch der Damm in Lesotho erheblich an Effektivität verliert und die Energiesicherheit des Landes bedroht wird.
Umgekehrt haben in Kalifornien abwechselnde Zyklen extremer Dürre und übermäßiger Regenfälle die unflexible Konstruktion der Dämme in dieser Region deutlich gemacht. Rekordniederschläge haben zu Überschwemmungen in Rekordhöhe geführt, die das Leben der Anwohner von Dämmen mit unzureichenden Überläufen bedrohen. Während an einigen Dämmen Verbesserungen vorgenommen werden, wie z. B. am 340 Fuß hohen Folsom-Damm, wo Ingenieure der Armee die Kapazität der Hauptüberlaufrinne um 40 % erhöhen, werden andere ähnliche Bauwerke vernachlässigt. Dies könnte zu katastrophalen Überschwemmungen führen, die sich negativ auf die Anwohner und die Umwelt auswirken würden.
Dämme der Zukunft
Bei der Planung zukünftiger Dämme ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir unser sich veränderndes Klima verstehen und berücksichtigen. Wir wissen heute, dass wir die Wasserstände und die erforderliche Kapazität der Stauseen nicht auf der Grundlage historischer Daten vorhersagen können. Wir wissen, dass der Klimawandel die Realität ist, in der wir leben, und dass, während einige Orte möglicherweise anfälliger für Überschwemmungen werden als bisher angenommen, andere Regionen mit Wasserstress konfrontiert sind und möglicherweise nicht in der Lage sein werden, die Vorteile von Staudämmen über einen vernünftigen Zeitraum zu nutzen.
Es reicht nicht aus, bei der Planung eines Projekts wie eines Staudamms historische Daten zu verwenden. Ingenieure sollten bei einem Projekt, das für die örtliche Infrastruktur so wichtig ist, nicht nur eine, sondern mehrere Zukunftsperspektiven in Betracht ziehen.
Ein isländischer Wasserkraftwerksbetreiber hat vor kurzem eine Studie in Auftrag gegeben, in der untersucht wird, wie er eine gletschergespeiste Stromerzeugungsanlage entwickeln sollte. Diese Studie wurde für notwendig erachtet, da die Gletscherschmelze offenbar zunimmt und in den kommenden Jahrzehnten mit einem erhöhten Wasserdurchfluss zu rechnen ist. Die Studie kam zu dem Schluss, dass der Damm „überdimensioniert“ sein sollte, d. h. er sollte so gebaut werden, dass er mehr Wasser aufnehmen kann als derzeit vorhanden ist. Diese Art des Denkens sollte auf der ganzen Welt angewandt werden, um Dämme zu bauen, die uns in den unsicheren Zeiten, die vor uns liegen, sicher und produktiv dienen werden.