7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 411 Sanierung Kulturwehr Breisach und Möhlinwehr Peter Gültner Regierungspräsidium Freiburg, Abteilung Umwelt, Referat 53.3 Integriertes Rheinprogramm, Freiburg, Deutschland Zusammenfassung Wasserwirtschaftlich genutzte Anlagen werden für eine Nutzungsdauer von bis zu 90 Jahren und mehr ausgelegt. Aufgrund der übergeordneten Bedeutung dieser Anlagen kommt der betrieblichen Instandhaltung dabei eine wesentliche Rolle zu. Wird aufgrund des baulichen Zustandes eine Sanierung erforderlich, stellt insbesondere die Aufrechterhaltung des Betriebs während der Sanierungsmaßnahme eine besondere Herausforderung an das Sanierungskonzept. Am Kulturwehr Breisach und Möhlinwehr wurden in einer Zeitspanne von zwei Jahren umfangreiche Instandsetzungsarbeiten am Massivbau unter Aufrechterhaltung des Betriebs ausgeführt. Ziel dieser Arbeiten war die präventive Instandhaltung der Anlagen und die nachhaltige Entwicklung eines Überwachungs- und Instandhaltungskonzepts bei der weiteren Unterhaltung. Aufgrund der bisherigen Erfahrungen, die ausführungsparallel zur ursprünglichen Schadensaufnahme, projektparallel und im Rahmen der Bauwerksinspektion fortgeführt wurden und werden, kann die Nachhaltigkeit der Sanierungsmaßnahme belegt werden. Abb. 1: Übersichtsbild Kulturwehr Breisach (oben) Ansicht eines Wehrfeldes (unten links) und aus Sicht des Unterwassers (unten rechts) [1] 412 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Sanierung Kulturwehr Breisach und Möhlinwehr 1. Hintergrund Infolge des Oberrheinausbaus zwischen Märkt und Breisach zur Energieerzeugung Anfang bis Mitte des 20. Jahrhunderts wurde die Wasserführung im ursprünglich nach Plänen von Johann Gottfried Tulla entwickeltem Rheinbett außerhalb der Hochwasserführung im Rhein stark reduziert. Die Folge war, dass die Grundwasserstände im Binnenland zusätzlich um bis zu zwei Meter absanken und so die Nutzung der bisherigen land- und forstwirtschaftlichen Nutz- und Kulturflächen bedroht war. Um diese Entwicklung zu stoppen und wieder rückgängig zu machen, beschlossen Frankreich und Deutschland als Anrainerstaaten im Oberrheinvertrag von 1956 u. a. den Bau des Kulturwehres Breisach. Die Bundesrepublik Deutschland baute, vertreten durch die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung, von 1961 bis 1965 das Kulturwehr Breisach samt seiner Nebenanlagen, zu denen auch das Möhlinwehr gehört. Bis heute stützt der rund 5,50 m hohe Dauerstau des Kulturwehres Breisach die Grundwasserstände und trägt so zum Erhalt der angrenzenden Kulturflächen bei. Auf diese landeskulturelle Aufgabenstellung geht auch der Name “Kulturwehr” zurück. Im Jahr 2001 wurde das Kulturwehr Breisach mit seinen Nebenanlagen, um die Anlagen im Rahmen des Integrierten Rheinprogramms des Landes Baden-Württemberg gezielt zum Hochwasserrückhalt einzusetzen, vom Land übernommen. In diesem Zuge wurde auch ein Sanierungs- und Instandhaltungskonzept der nahezu 40 Jahre alten Anlagen erstellt. Die Sanierung des Massivbaus zur präventiven Bauwerksinstandhaltung war, neben der Grundsanierung des Stahlwasserbaus, der hydraulischen Antriebe und der Elektro- und Leittechnik, ein Teil dieses Sanierungskonzepts, das dann im Zuge des Landesinvestitionsprogramm in den Jahren 2010/ 2011 bauausgeführt wurde. Sanierungsgegenständlichen waren der luftseitige Beton im Innen- und Außenbereich des Kulturwehres Breisach sowie des Möhlinwehres. Abb. 2: Einbau der Colcrete-Sohle am linken Ufer (links); Betonagevorbereitung im Wehrfeld (rechts) [2] 2. Bestandsbeschreibung Das Kulturwehr Breisach wurde als Sektorwehr konzipiert und gebaut. Damit geht einher, dass der Tief- und Massivbauanteil vergleichsweise groß ist und hohe Anforderungen stellt. Bautechnisch wurde abschnittsweise zunächst eine wasserundurchlässige Unterwasserbetonsohle, die mit Mörtelverpresspfählen rückverankert wurde, auf der vorprofilierten Flusssohle im Colcrete-Verfahren und innerhalb von Spundwandkästen hergestellt. Im Anschluss erfolgte nach dem Lenzen der Baugrube die Herstellung des Massivbaus in herkömmlicher Weise. Die wesentlichen Bestandsparameter der massivbaulichen Bauwerksgruppen sind: Baujahr: 1963 - 1963 Belastungsklasse: 5 bis 10 kN/ m² Bauteillängen: 16 bis 160 m Bauteilbreiten: 4 bis 27 m Blockbauweise/ -breite: ja/ 15 m Einzelstützweiten: 3,40 bis 4,40 m Kleinste lichte Höhe: 2,10 m Konstruktionshöhe: 0,30 m bis 0,55 m (Decken) Wandstärken: 0,80 m bis 2,40 m Gründung: Flachgründung Betongüte: B 225 mit 250 kg HOZ und 30 kg Trass je m³ Beton Stahlgüte: Bt IIIa, I Das Möhlinwehr wurde als Drucksegment mit separater Wehrbrücke geplant und unter Umleitung der Möhlin als Nebenfluss des Rheins gebaut. Die wesentlichen Bestandsparameter der massivbaulichen Bauwerksgruppen sind: Baujahr: 1961 Bauwerks-/ Belastungsklasse: 30/ 30 nach DIN 1072 Bauteillängen: bis 57 m Bauteilbreiten: bis 18 m Blockbauweise/ -breite: ja/ 15 m 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 413 Sanierung Kulturwehr Breisach und Möhlinwehr Einzelstützweiten: 3,40 bis 4,40 m Kleinste lichte Höhe: ca. 8 m Konstruktionshöhe: nicht erforderlich Wandstärken: 0,80 m bis 1 m Gründung: Flachgründung Betongüte: B 300 nach DIN 1045 bis 1972 mit 250 kg HOZ und 30 kg Trass je m³ Beton Stahlgüte: BSt 43/ 50 nach DIN 488 Da das Hauptaugenmerk auf der Instandsetzung wasserbaulicher Massivbauwerke liegt, bleibt an dieser Stelle die gleichfalls instandgesetzte Wehrbrücke unberücksichtigt. 3. Bauwerkszustands- und Schadenserfassung Am Kulturwehr Breisach und Möhlinwehr wurden der Bauwerkszustand detailliert auf Grundlage des BAW- Merkblatts „Bauwerksinspektionen für Wehranlagen“ und den einschlägigen Normen erfasst. Um einstufen zu können, ob auch konstruktive Verstärkungs- oder Sicherungsmaßnahmen im Zusammenhang mit der Sanierung vorzunehmen sind, erfolgte eine Nachrechnung der jeweiligen Bestandsstatiken zum Nachweis der globalen Standsicherheit. Diese ergab, dass bei beiden Anlagen keine Bedenken hinsichtlich der globalen Standsicherheit bestehen, sodass das Sanierungskonzept sich ausschließlich auf die Schadensbehebung der vorhandenen und festgestellten Mängel am Massivbau beschränken konnte. Abb.3: Beispielhafte Verpressungen vorangegangener Instandsetzungsversuche (oben links) Alle Schadensbilder der Schadensklassen S1 bis S4 sind überwiegend auf alters- und betriebsbedingte Abnutzungs- und Verschleißerscheinungen sowie bauzeitlich bedingte Mängel zurückzuführen. Dies waren überwiegend mangelhafte Fugenausbildungen und -unterhaltung, Wasserwegigkeiten infolge Kiesnester sowie punktuelle Betonabplatzungen infolge korrodierter Bewehrung. Schadensbilder infolge Wasserwegigkeiten und mangelnder Fugeninstandhaltung (unten links und rechts) [3] Im Weiteren wurden betontechnologische Untersuchungen zur Schadenserfassung und späteren Schadensklassifizierung auf Grundlage zerstörungsfreier Betonfestigkeitsprüfungen sowie Bohrkernentnahmen samt deren Prüfung durchgeführt. Diese umfassten • Druckfestigkeitsprüfung, • Messung der Carbonatisierungstiefe, • Oberflächenhaftzugfestigkeit (Abreißfestigkeit), • Chloridgehaltmessungen (ortsgebunden) und • Sulfatgehaltmessungen (ortsgebunden) und wurden zusätzlich durch Kontrollen der Bewehrungslage und der Betondeckung, die auf die anforderungsbedingten 50 mm Betondeckung abstellten, ergänzt. Grundsätzlich ergaben die Untersuchungen der Druckfestigkeits- und Betondeckungsuntersuchung, dass keine zusätzlichen konstruktiven Sicherungs- und Sanierungsmaßnahmen erforderlich sind. Allerdings lagen die Carbonatisierungsstiefen bereits bei durchschnittlich 30 mm, sodass die Bewehrung zwar noch in der Passivierungs- 414 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Sanierung Kulturwehr Breisach und Möhlinwehr schicht lag, aber hinsichtlich der Dauerhaftigkeit grundsätzlich als kritisch anzusehen war. Entsprechendes galt für die Oberflächenhaftzugfestigkeiten, die eine Schädigung der obersten Millimeter der Betonoberfläche ergab, sodass diese im Vorfeld der Sanierung aus Gründen des Kraftschlusses unabhängig der schlussendlich gewählten Sanierungs- oder Instandsetzungsmethode abgetragen werden musste. Die Ergebnisse der Chlorid- und Sulfatmessungen ergaben keine kritischen Werte entsprechend der „Richtlinie für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen“ des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton. Basierend auf den Ergebnissen wurde eine punktuelle Ausbesserung der aufgetretenen Schäden sowie flächige Maßnahmen zum „Einfrieren“ der Carbonatisierungsfront am luftberührten Beton vorgesehen, um so massivere Folgeschäden, die durch Korrosionssprengungen bedingt wären, zu vermeiden. Um dieses Schutzziel zu erreichen, wurde das grundsätzliche Abdichten der Wasserwegigkeiten und die Applikation entsprechender Schutz- und Sperrschichten sowie die Herstellung des Sollzustandes der Wartungsfugen vorgesehen. Gleichzeitig waren Optimierungen der zukünftigen Unterhaltung der Anlagen vorgesehen. 4. Sanierungskonzept Neben der Definition des dargestellten Schutzziels war bei der Wahl des Sanierungskonzepts insbesondere die grundsätzliche Machbarkeit der Bauausführung maßgebend. Vorgegebene Zwangspunkte waren, dass der Betrieb des Kulturwehres Breisach samt seiner Nebenanlagen jederzeit sichergestellt sein musste und, dass die vorhandene Zugänglichkeiten, die infolge der Abmessungen der lichten Raumweiten beschränkt waren, limitierenden wirkten. Nach DIN 19700-13 sind Wehranlagen so zu bemessen und zu betreiben, dass der Bemessungshochwasserzufluss durch das Wehr auch bei Ausfall eines Wehrfeldes jederzeit abgeführt werden kann. Diese sogenannte (n-1)- Bedingung hatte zur Folge, dass während der Sanierung immer nur abschnitts- und wehrfeldweise vorgegangen werden konnte, sodass von den vier Wehrfeldern am Kulturwehr Breisach nur ein Wehrfeld deaktiviert werden konnte. Das Möhlinwehr als solches hatte solche Beschränkungen nicht, da es nur über ein Wehrfeld verfügt. Allerdings musste die Sanierung daher so erfolgen, dass trotzt laufenden Bauarbeiten, das außer Betrieb befindliche Wehr während der Sanierungsmaßnahme jederzeit wieder zur Hochwasserabfuhr aktiviert werden konnte. Abb. 4: Arbeitsborbereitung und Durchführung der Verpressarbeiten im Kulturwehr Breisach [4] 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 415 Sanierung Kulturwehr Breisach und Möhlinwehr Abb. 5: Strahl-, Applikations- und Fertigstellungsarbeiten im unterirdischen Kontrollgang [4] Neben diesen bauablaufbedingten Beschränkungen, die sowohl im Innenals auch Außenbereich des luftberührten Betons zu berücksichtigen waren, galt es die nutzbaren Arbeitsräume, die teilweise unter einem Meter lagen, zu berücksichtigen. Wie ausgeführt, bedingten die vorhandenen Oberflächenhaftzugfestigkeiten einen Abtrag der oberen Schichten. Im Innenbereich war, aus Gründen der Arbeitssicherheit, der abrasive Oberflächenabtrag mittels Höchstwasserdruckstrahlen nach Abstimmung mit den zuständigen Stellen aufgrund der verfügbaren lichten Arbeitsbereiche, nicht zugelassen, sodass nur die Untergrundvorbehandlung mittels Trockenstrahlverfahren verblieb. Hier sind die erzielbaren Eindringtiefen jedoch stark beschränkt, sodass das finale Oberflächenschutzsystem hierauf abzustimmen war. Im Außenbereich, wo diese räumlichen Beschränkungen nicht bestehen, stellten Umweltschutzauflagen bei Arbeiten im und am Gewässer umfangreiche Auflagen an den Gerüstbau. Schlussendlich kamen kunststoffmodifizierte Systeme zum Einsatz. Dabei wurde neben Bauteilbeschaffenheit - Boden, Wand und Decke - nach Schadens- und Anforderungsmerkmalen unterschieden. Im Außenbereich wurde entsprechend verfahren. So kamen im Inneren dampfdiffusionsoffene Systeme sowie Systeme der Klasse OS 5b und 8 zum Einsatz. Im Außenbereich kamen auf den Verkehrsflächen OS 11 und an den lotrechten Bauteilen ein mehrlagiger Aufbau aus SPCC zur Anwendung. 4.1 Kulturwehr Breisach Im Innenbereich wurden wasserführende Bereiche mittels wasserreaktiven Produkten vorabgedichtet und nachhaltig verpresst. Anschließend erfolgte die Sanierung der Arbeits- und Wartungsfugen sowie die oberflächennahe Applikation der Oberflächenschutzsysteme nach erfolgter Untergrundvorbereitung. Im Außenbereich erfolgte die Sanierung unter Vorgaben der Hochwasserabfuhr mittels Gerüstsonderkonstruktionen und nach Abtrag der obersten Zementschlämme durch Auftrag der Betonersatzstoffe. 416 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Sanierung Kulturwehr Breisach und Möhlinwehr Abb. 6: Sanierungsphasen im Außenbereich an einem der Strompfeiler [4] 4.2 Möhlinwehr Am Möhlinwehr gelten grundsätzlich die bereits gemachten Ausführungen, die denen des Außenbereichs am Kulturwehr Breisach entsprechen. Wesentliches Augenmerk war daher auf die Sanierung eines Wehrverschlusses gelegt, der keine (n-1)-Bedingung erfüllen kann, weil nur ein einziges Wehrfeld vorhanden ist. Für den Hochwasserfall mussten daher gezielte Vorkehrungen zur schadlosen Hochwasserabfuhr getroffen werden. Diese haben sich im einjährigen Sanierungsablauf dreifach bewährt, sodass am Ende eine Sanierungsmaßnahme erfolgreich abgeschlossen werden konnte. Abb. 7: Sanierung des Möhlinwehres vor und nach Sanierungsabschluss [4] 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 417 Sanierung Kulturwehr Breisach und Möhlinwehr 5. Zwischenresümee Nach Abschluss der Sanierungsarbeiten kann ein positives Resümee gezogen werden. Die allein am Kulturwehr Breisach ersetzten 100 Tonnen Bauwerksmaterial durch moderne Betonersatz- und -schutzstoffe haben ein nachhaltiges Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen Baufirma - Torkret NL Freiburg - Fachplaner Fichtner Freiburg - und Bauherrn - Regierungspräsidium Freiburg - ermöglicht. So wurden Wasserwegigkeiten, deren Unterbrechung ein zentrales Schutzziel war, erfolgreich und nachhaltig reduziert bzw. gänzlich gestoppt. Gleiches gilt für das Aufhalten der Carbonatisierungsfront, wie turnusmäßige Messungen belegen. Damit konnten die Voraussetzungen zur Vermeidung von Bewehrungskorrosion geschaffen werden. Für das Möhlinwehr gilt entsprechendes. Weitere Details zur Sanierungsplanung, -durchführung und Produktauswahl werden im dazugehörigen Vortrag vorgestellt. Bildnachweis [1] Regierungspräsidium Freiburg, 2014 [2] Wasser- und Schifffahrtsamt Freiburg, 1961 ff [3] Regierungspräsidium Freiburg, 2009 bis 2011 [4] Fichtner, Water und Transportation, Freiburg 2009 bis 2011