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Planungsgrundsätze für Luftkissendüker am Beispiel Wiener Platz – Dresden

Dr.-Ing. Dietmar Heinrich

Umweltschutztechnik Ingenieurgesellschaft mbH

1 Kurzfassung

Vorgestellt werden die Vorteile der Luftkissendüker gegenüber konventionellen Dükern. Durch das Luftpolster wird die Füllhöhe entsprechend dem Abwasserfluss im Dükerrohr eingestellt. Die notwendige Fließgeschwindigkeit zur Vermeidung von Ablagerungen wird damit eingestellt. Die Anpassung an den Volumenstrom geschieht vollautomatisch. Bei veränderlichen Wassermengen ist die sedimentfreie Abwasserableitung betriebs-sicher und wirtschaftlich möglich.

 

2 Einleitung

Müssen mit Abwasserleitungen Hindernisse, z.B. Flüsse oder Verkehrsanlagen gekreuzt werden, so muss man den Kanal dükern. In Dresden brachte es die Neubebauung des Wiener Platzes mit sich, dass der Straßentunnel und die geplante Tiefgarage die vorhandene Infrastruktur durchschneidet (Bild 1). Die bautechnische Gesamtmaßnahme erstreckt sich auf einer Länge von ca. 150 m entlang der Reitbahnstraße.

Die Dükeranlage ist Teil der Hauptentwässerung. Er entwässert ein Gebiet von 300 Hektar Fläche nach dem Mischwasserverfahren. Im Gebiet sind ca. 20.000 Einwohner angeschlossen.

Bild 1: Systemschnitt durch die baulichen Anlagen

Während Strom, Telekommunikation, Gas und Wasser relativ einfach verlegt werden können, ergeben sich für die im Freigefälle abfließenden Abwassersysteme bei geringem Gefälle Probleme. Die Umverlegung des Mischwasserhauptsammlers mit einem Maulprofil Maß 2400/2160 in Verlängerung der Reitbahnstraße war zu planen.

 

3 Problemlösung

3.1 Allgemeines

Die in mischentwässerten Gebieten abzuleitende Wassermenge unterliegt häufig starken Schwankungen. Um zukunftssicher zu bauen, bieten viele Kanäle bei Inbetriebnahme hohe Reserven, die in solch einem Fall, die Abflusssituation verschärfen. Bei ungünstigen Gefälleverhältnissen kommt es bereits im Normalbetrieb zu Ablagerungen. Muss solch ein Kanal um ein Hindernis herumgeführt werden, so verschlechtert sich die Situation. Wird ein konventioneller Düker eingesetzt, so ergibt sich oftmals im Trockenwetterfall, insbesondere nachts, dass es zu geringen Strömungsgeschwindigkeiten kommt (ATV, 1994,1995,1996). Die im Abwasser befindlichen schweren Schmutzstoffe und Sand sedimentieren. Der Düker setzt sich zu. Liegen die Ablagerungen über einen längeren Zeitraum so können sie sich verfestigen und sind nur noch bergmännisch abzubauen. Überschwemmungen und hohe Folgekosten sind das Ergebnis. Beholfen hat man sich auch dadurch, dass Spüleinlässe gebaut wurden. Neben den Baukosten entstanden auch Zusatzkosten durch die anschließende Wasserreinigung.

Die Variantendiskussion ergab, dass die technisch und wirtschaftlich günstigste Lösung ein Luftkissendüker ist. Gute Betriebserfahrungen lagen aus Hamburg, Regensburg und Basel vor.

 

3.2 Funktionsprinzip des Luftkissendükers

Wie bereits erwähnt, ist die geringe Strömungsgeschwindigkeit die Ursache von Ablagerungen. Beim konventionellen Düker versucht man diesem Dilemma dadurch zu entgehen, dass ein Mehrrohrdüker gebaut wird. Das Trockenwetter fließt dann durch die kleinste, mittlere Regen durch das mittlere und Starkregen durch alle drei Rohre ab. Kritisch ist dabei, wenn etwas mehr Wasser, als das Trockenwetterrohr leistet, kommt. Die geringe Mehrwassermenge wird dann in das nächst größere Rohr abgeschlagen. Infolge der geringen Schleppspannung sedimentieren die Partikel.

Beim Luftkissendüker besteht daher das Bestreben die Strömungsgeschwindigkeit möglichst weitgehend über der Sedimentationsgrenze zu halten.

Das gesteuerte Luftkissendükersystem stellt sich weitgehend automatisch auf alle ankommenden Abflüsse ein und ist deshalb für die schwierigen Verhältnisse im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft besonders geeignet.

Das wesentliche Merkmal dieses Dükers ist eine im Regelfall als teilgefüllte Druckrohrleitung betriebene Röhre. Der Füllungsgrad wird stufenlos an die Wassermengen so angepasst, dass erhöhte Fließgeschwindigkeit für den Feststofftransport gegeben ist.

Dies wird dadurch erreicht, dass wie in Bild 2 dargestellt entsprechend dem Abwasseranfall ein Luftkissen auf- oder abgebaut wird. Der über der Teilfüllung bestehende Luftraum, das Luftkissen, steht naturgemäß entsprechend der Dükertiefe unter Überdruck. Das Luftkissen wird im Oberhaupt und Unterhaupt durch eine siphonförmige Rohrleitungsführung begrenzt.

Bild 2: Funktion des Luftkissendükers bei Regenwetter

Zur Vermeidung von Rückstau in das Kanalsystem bei Regenereignissen wird das Luftkissen mittels automatischer Steuerung an die abzuführenden Wassermengen angepasst. Die abgelassene Luft wird in den Ablaufkanal abgelassen. Ein Vorteil des Luftkissendükers besteht darin, dass durch die Steuerung des Luftkissens jederzeit eine Anpassung an die o.g. unterschiedlichen Abflussmengen erreicht wird. Bei geringem Abfluss wird das Luftkissen erhöht, wodurch der durchflossene Querschnitt sich verringert und dadurch die Fließgeschwindigkeiten größer werden.

 

3.3 Klären der Randbedingungen

Wie bei jedem Bauvorhaben kommt der Klärung der Randbedingungen eine besondere Bedeutung zu.

Für den Luftkissendüker sind von vorrangiger Bedeutung, welche minimal und maximal auftretenden Wassermengen zu bewältigen sind. Wichtig ist außerdem, wie schnell die Flutwellen auflaufen und wie die Höhenverhältnisse sind. Ist im freien Gelände oder in der Innenstadt zu bauen? Kommt die offene Bauweise oder wegen der geringeren Beeinträchtigung die Grabenlose zum Einsatz? Kann man Abwasserfrei bauen oder ist der unter Betrieb zu planen?

Der ursprüngliche Kanal Maulprofil 2400/2160 hat für die Bemessungswassermenge eine Untergrenze von 60 l/s (Minimalabfluss bei Nacht 10 l/s). Als Spitzenabfluss ist eine Menge von 8.800 l/s an zu setzen. Für die Gefahrenbetrachtung in Bezug auf die Rückstauebene im Oberwasser wurden 10 m³/s (Bemessungsregen n = 0,1) angesetzt.

Die maximale Änderungsgeschwindigkeit dv/dt beträgt 1,11m³/(s*min). Das bedeutet, dass das Luftkissen innerhalb von 5,8 Minuten entspannt werden muss um rechtzeitig die volle Leistungsfähigkeit zur Verfügung zu stellen.

 

3.4 Planerische Umsetzung

Für den Betreiber von Anlagen ist es unerlässlich, dass er gute Zugangsmöglichkeiten zum Bauwerk für das Personal aber auch für Geräte hat. Beim Projekt im Zentrum von  Dresden waren jedoch städtebauliche Belange von überragender Bedeutung. Das Dükeroberhaupt musste vollständig unter die Zugangsflächen des Hauptbahnhofes verlegt werden. Der Einstieg ist nur über eine Flächenabdeckung möglich. Im Dükerunterhaupt konnte erreicht werden, dass ein Zugangsgebäude mit Treppenanlage realisiert werden konnte. Unmittelbar daneben befindet sich ein 17-geschossiges Wohnhaus. Bei der Planung des Baugrubenverbaus musste diese Zusatzlast berücksichtigt werden. Wegen der innerstädtischen Lage und der ungeklärten Leitungsverhältnisse entschied man sich für den Rohrvortrieb.

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist gibt es bei den Luftkissendükern extreme Unterschiede zwischen Minima und Maxima Wassermenge.

Tabelle 1: Zusammenstellung der hydraulischen Daten verschiedener Luftkissendüker

Standort des
Luftkissendükers

Minimale
Trockenwetter-
Wassermenge

Maximale
Trockenwetter-
wassermenge

Maximale
Regenwetter-
wassermenge

Verhältnis
zwischen
Min. und Max.

Regensburg
Hafendüker

350 l/s

11.200 l/s

1:32

Regensburg
Donaudüker

100 l/s

4.600 l/s

1:46

Hamburg
Norderelbe

1.000 l/s * Röhre

9.000 l/s * Röhre

1:9

Hamburg
Elbedüker West

1000 l/s

3.000 l/s

1:3

Dresden

10 l/s

120 l/s

8.800 l/s

1:880

Basel (CH)
Valenton

150 l/s

10.500 l/s

1:70

Basel (CH)
Choisy-le-Roi

145 l/s

4.400 l/s

1:30

Bei dem in Dresden zu planenden war das Verhältnis mit Abstand am größten. Erschwerend kam hinzu, dass das Bauwerk sowohl vom Zulauf, als auch vom Ablauf an die durch den bestehenden Kanal gegebenen Höhen anzubinden war. Die Höhendifferenz zwischen Zulauf und Ablauf betrug lediglich 20 cm. Das Gefälle bei einer Entfernung von 140 m beträgt lediglich 1,48 ‰. Jede Überfallschwelle erzeugt bei Großregenereignissen einen zusätzlichen Rückstau.

Die planerische Lösung, wie sie zunächst bei Stahn (1974) und darauf aufbauend in Hosang (1998) mit zwei Einlaufrohren und automatischem Lufteintrag beschrieben ist, konnte somit nicht angewandt werden. Das Injektorprinzip ist bei Stahn (1976) beschieben. Die Erfahrungen aus der Planung für den Elbedüker West (Heinrich, 1995) konnten ebenfalls nicht herangezogen werden, da dieser Luftkissendüker nur eine geringe Wassermengenschwankung aufweist und von daher auf eine wasserstands-abhängige Steuerung verzichtet wurde. Geplant wurde daher ein Luftkissendüker DN 2.400/2000 mit Trockenwetterrohr DN 400. Dieses hat bei Aufstaubetrieb eine maximale Leistungsfähigkeit von 350 l/s.

Der Trockenwetterfall ist in Bild 3 dargestellt. Das Trockenwetterrohr fungiert als konventionelles Dükerrohr. Bei einem Volumenstrom von 60 l/s (mittlere Tagesmenge) wird eine Geschwindigkeit von 0,5 m/s erreicht. Die über Nacht abgelagerten Partikel werden ausgespült. Das Hauptdükerrohr ist entleert. Der Luftaustausch im Kanal nicht unterbrochen. Da sich die Gase somit am Düker nicht stauen ist ein Ausströmen an den Schachtdeckeln nicht zu befürchten.

Bild 3: Trockenwetterbetrieb im Luftkissendüker

Da ein wesentlicher Lufteintrag über das Abwasser nicht erfolgt, wurde eine Kompressoranlage installiert. Das Luftkissen wird wie aus Bild 2 ersichtlich ist entsprechend dem Oberwasserstand geregelt. Kommen also mehr als 140 l/s an, so wird die Mehrwassermenge über eine Schwelle in das Hauptdükerrohr abgeschlagen. Das Luftkissen ist zunächst voll expandiert und nimmt seinen größten Raum ein. Schwillt der Volumenstrom an, so wird das Luftkissen automatisch entspannt. Ab einer Füllhöhe des Kanals von 1,80 m ist das Luftkissen ganz abgelassen. Der gesamte Querschnitt steht dem Abfluss zur Verfügung.

Sinkt im Zulauf bei nachlassendem Regen der Füllstand, so wird der Kompressor angesteuert und er baut entsprechend das Luftkissen wieder auf. Der Kompressor ist so auszulegen, dass das Luftpolster rasch aufgebaut und die aus der Tiefenlage des Dükers resultierende Druckhöhe überwunden wird. Gehalten wird das Luftkissen durch die Siphonausführung des Zu- und Ablaufes. Membrane wie man sie von Druckbehältern kennt sind nicht notwendig. Die bei anderen Dükern aufgetretenen eruptiven Austritte von Gas-Wassergemischen sind nicht beobachtet worden (Mittelstädt, 1985; Pries, 1995). Die von uns getroffenen konstruktiven Maßnahmen erfüllen Ihre Aufgabe.

Die Anlage wird fernüberwacht und nur zu Kontrollzwecken oder bei Störung begangen. Die Steuerung wurde so ausgelegt, dass sich die Anlage selbst fährt und auch bei Stromausfall in einen sicheren Betriebszustand geht.

Die Planung und der Bau erfolgte unter sehr hohem Zeitdruck. Planungsbeginn war nach Abschluss einer Systementscheidungsvorlage vom Oktober 1996 im Januar 1997. Baubeginn war im Dezember 1997. Die Inbetriebnahme war Mitte Februar 1999.

 

3.5 Bauablauf

Da die Anlage bei laufendem Betrieb errichtet werden musste war dies maßgebend für die Lage von Dükerober- und Dükerunterhaupt. Während das Dükerunterhaupt auf der vorhandenen Kanaltrasse lag wurde das Oberhaupt abgerückt.

Zunächst wurden die innerhalb der Start- und Zielbaugruben belegenen Leitungen verlegt. Der Verkehr umgelenkt und eine Umleitung für den Kanal geschaffen. Nachdem die Start-und Zielgrube abgetäuft waren wurde mit der Rohrvorpressung begonnen. Verwendet wurden Stahlbetonrohre DN 2.400 mit einer PE-HD-Auskleidung um Korrosion zu verhindern. Auf Grund der ungünstigen Untergrundverhältnisse musste das Vorpressen mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust, wegen Findlingen häufig unterbrochen werden. Die Einfahrt in den Zielschacht ist in Bild 4 und ein Blick durch die fertige Röhre ist in Bild 5 gegeben.

Bild 4: Einfahrt in den Zielschacht

Bild 5: Blick durch die fertige Dükerröhre

Im Anschluss daran wurden die Außenwände des Dükerunter- und Oberhauptes betoniert. Die Dimensionen lassen sich in Bild 6 gut an der Größe der beteiligten Personen erkennen.

Bild 6: Betoniervorgang am Düker

In der nächsten Bauphase wurden die in transportierbaren Einheiten angelieferten Syphone mit Steig- und Fallrohr eingebaut. Als Material wurde Edelstahl der Güte 1.4571 eingesetzt. Auf Grund der guten Materialeigenschaften ist die Wandstärke in lediglich 8 mm ausgeführt. In Bild 7 sind die Schweißer bei ihrer Arbeit zu sehen.

Bild 7: Einbau des Siphons und Steigrohres

Die Gesamtansicht vor Einbau des Füllbetons ist in Bild 8 gegeben.

Bild 8: Eingebaute Edelstahlkonstruktion mit Siphon und Steigrohr

Der Füllbeton zur Lagesicherung wurde im nächsten Fertigungsgang eingebaut. In Bild 9 ist der fertige Raum des Dükeroberhauptes mit dem Trockenwetterrohr und Hebezeug sichtbar. Rechts ist das Einstiegspodest sichtbar.

Bild 9: Dükeroberhaupt mit Trockenwetterrohr

 

3.6 Inbetriebnahme

Nach Fertigstellung der Anlage wurde sie entsprechend einem Pflichtenheft zusammen mit den ausführenden Firmen einer „trockenen“ Funktionsprobe unterzogen. Nach bestandenem Test wurde die Anlage mit sauberem Wasser geflutet und die Prüfung abgeschlossen. Erst nachdem alles geprüft war ging die Anlage mit Abwasser in Betrieb. Berechtigterweise ließ der Betreiber sein Personal vom Ingenieur in die Betriebsführung im Rahmen einer Schulungsmaßnahme einführen (Heinrich, 1999). Es war somit sichergestellt, dass das Personal von Anbeginn die Anlage richtig betreiben konnte und nicht erst bittere Erfahrung, verbunden mit hohen Kosten sammeln musste.

 

3.7 Betriebserfahrungen

Die Anlage ist seit Februar 1999 in Betrieb. Jedes bisher eingetretene Regenereignis konnte ohne Probleme abgeführt werden. Die Begehung im Oktober 1999 zeigte, dass es weder im Fallrohr im Dükeroberhaupt, noch im Steigrohr im Dükerunterhaupt zu Ablagerungen gekommen ist. Die von den Projektgegnern angeführten hohen Räumaufkosten sind nicht aufgetreten. Die aufgetretenen Regen haben den Düker freigespült. Geruchs. oder Geräuschbelästigungen sind nicht aufgetreten. Die Anlage erfüllt die in sie gesetzten Erwartungen.

 

4 Schlussfolgerung

Wie dargestellt kann durch den Einsatz von Luftkissendükern auch bei stark variierenden Abwasserströmen die Sedimentationsproblematik von konventionellen Dükern umgangen werden. Vorteilhaft am Luftkissendüker ist, dass ein ablagerungsfreier Betrieb sichergestellt werden kann. Wie in den Funktionsbildern dargestellt, wird dies dadurch erreicht, dass ein automatisches Regelsystem das Luftkissen an den Durchfluss anpasst. Bei minimalem Regenwetterdurchfluss von über 140 l/s nimmt das Luftkissen seinen größten Raum ein. Es bewirkt so eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit. Bei Maximaldurchfluss von 8.800 l/s wird das Luftkissen abgelassen. Der volle Querschnitt wird genutzt. Aus Redundanzgründen und wegen der extrem geringen Nachtabflussmengen von 10 l/s wird ein Trockenwetterrohr DN 400 im Querschnitt des Dükerrohres installiert. Zur Kontrolle des Dükers und Entnahme von Störstoffen bestehen Einstiegsmöglichkeiten sowohl im Dükeroberhaupt als auch im Dükerunterhaupt. Die Erstellung des Dükers erfolgte im grabenlosen Vorpressverfahren vom Dükeroberhaupt zum Dükerunterhaupt. Eingebaut wurden Stahlbetonvorpressrohre DN 2.400 mit PEHD-Inliner als Korrosionsschutz. Der Luftkissendüker ist seit Februar 1999 erfolgreich in Betrieb. Er erfüllt die ihm gestellte Aufgabe voll und ganz.

 

Quellenverzeichnis

ATV-Handbuch - Bau und Betrieb der Kanalisation; 4. Aufl. Berlin: Ernst & Sohn 1995, S 104 ff
ATV-Arbeitsblatt A 241 - Bauwerke in Entwässerungsanlagen, 2. Aufl. Gfa. Hennef, 1994 
ATV-Arbeitsblatt A 112 - Richtlinien für die hydraulische Dimensionierung und den Leistungsnachweis von Sonderbauwerken in Abwasserkanälen und -leitungen, Entwurf Gfa. Hennef, 1996
Heinrich, D. et.al. -  Transportsiel Altona I. Bauabschnitt Elbedüker West
Erläuterungsbericht zur maschinentechnischen Ausrüstung;
Dr.-Ing. Heinrich Umweltschutztechnik Ingenieurgesellschaft mbH, Hamburg, 16.06.1995
Heinrich, D. et.al. - Erläuterungsbericht zum Luftkissendüker Wiener Platz Dresden; Dr.-Ing. Heinrich Umweltschutztechnik Ingenieurgesellschaft mbH, Hamburg, IPRO Dresden, 23.03.1997 
Heinrich, D. et.al. -  Luftkissendüker Wiener Platz Dresden, Betriebsanleitung;
Dr.-Ing. Heinrich Umweltschutztechnik Ingenieurgesellschaft mbH, Hamburg, IPRO Dresden, Januar 1999
Hosang/Bischof - Abwassertechnik; G. Teubner Stuttgart Leipzig; 11.Auf. 1998, S. 263 ff 
Mittelstädt, M. -  Luftkissendüker und luftgesteuerte Heberwehre / Vortragsskript TAE 16 – 18.9.1985
Pries, H. - Luftkissendüker unter der Norderelbe / persönliche Mitteilung, 1995
Stahn, R. - Einrichtung zur Verhinderung von Ablagerungen in einem Düker, Auslegeschrift, August 1974 
Stahn, R. - Einrichtung zur Verhinderung von Ablagerungen in einem Düker, Auslegeschrift, Januar 1976

Heinrich - Beratende Ingenieure in Hamburg, Waiblingen und auf Zypern