Bachelorarbeit Jochem Seifert (Auszeichnung)

Bild Diplomand
Diplomand
Jochem Seifert
Betreuer
Hansruedi Schneider, Prof. Dr. M.Sc., Christian Bommer, M.Sc.
Experte
Rolf Guldenfels, Dr. Dipl. Bauing. ETH
Disziplin
Geotechnik
Jahr
2010
Die Gefahr kommt mit dem Wasser
Einfluss von Oberflächenabfluss und Infiltration auf die Böschungsstabilität ungesättigter Hänge
Regenniederschläge beeinflussen die Hangstabilität: Durchnässte Böschungen können instabil werden und rutschen. Um vorhersagen zu können, wie sich potenziell gefährdete Hänge bei heftigen Niederschlägen verhalten, ist es wichtig, den Einfluss der Wassermenge auf den Sicherheitsfaktor der Böschungsstabilität zu kennen.

Jedes Jahr ereignen sich kleinere und grössere Hangrutsche, die meist durch extreme Regenfälle ausgelöst werden. Infolge des wachsenden Siedlungsraumes werden solche Gefahrenzonen vermehrt bebaut. Immer häufiger kommen daher Immobilien, Infrastruktureinrichtungen und auch Menschen zu Schaden. Zurzeit wird deshalb in der Geotechnik intensiv geforscht, um genauere Prognosen für Hangrutsche zu ermöglichen und das Risiko an gefährdeten Standorten zu minimieren.

Im Fokus der Analyse
In dieser Arbeit wurde der Einfluss des Klimas auf die Stabilität von ungesättigten Hängen untersucht – Hänge, die die theoretisch mögliche maximale Wassermenge noch nicht aufgenommen haben. Die zeitlich veränderliche Böschungsstabilität eines solchen Hanges infolge von Niederschlägen und deren Infiltration soll quantifiziert werden. Die Wirkung von Regendauer und -intensität, Oberflächenabfluss und Infiltration, Evapotranspiration sowie Wurzelwerk der Vegetation stehen dabei im Fokus der Analyse.

Sicherheitsfaktor der Böschung
Mithilfe einer Software aus der Geotechnik (GeoStudio) konnte der komplexe Einfluss von Klimafaktoren auf einen Hang simuliert werden. Die Software quantifiziert die räumliche und zeitliche Variation der Porenwasserspannungen aufgrund von Klimadaten. Mit der Grenzgleichgewichtsmethode nach Morgenstern und Price wurde dann der Sicherheitsfaktor der Böschung eruiert. Die Modelle wurden mit Klimadaten des Katastrophenjahres 2005 und Bodenkennwerten eines gefährdeten Hanges gespeist, der zuvor in einer Dissertation an der ETH Zürich detailliert untersucht worden war.

Gravitative Naturgefahr
Die Simulationen haben gezeigt, dass die Sicherheit von ungesättigten Hängen in hohem Mass von den Porenwasserspannungen im Boden und somit vom Klima abhängt. Je kleiner die Sättigung eines Bodens ist, desto grösser wird die scheinbare Kohäsion, die dem Boden zusätzliche Festigkeit verleiht. Wird die Sättigung aber durch die Infiltration von Niederschlag erhöht, so werden die Saugspannungen zerstört, und die Hangstabilität wird vermindert. Die Wirkung dieser Saugspannungen kann auch am Beispiel von Sandburgen veranschaulicht werden: Feuchter Sand ist gut modellierbar und formstabil, solange er nicht vollständig mit Wasser gesättigt ist.

Aufsättigung und Evapotranspiration
Der Niederschlag ist die Klimakomponente, die unmittelbar für die Hanginstabilität verantwortlich ist. Die Studie legt jedoch dar, dass es nicht heftige Regenereignisse als solche waren, die im August des Jahres 2005 in der Schweiz zu diversen Hangrutschen führten, sondern die gefährliche Kombination aus einer hohen kumulierten Niederschlagsmenge und einem darauf folgenden Extremereignis.
Im Gegensatz zum Niederschlag entzieht die Evapotranspiration dem Boden Wasser und fördert damit die Stabilität eines Hanges. Die Grösse der Evapotranspirationsrate kann je nach Neigung und Exposition eines Hanges aufgrund des Einfallswinkels der Sonne sehr unterschiedlich ausfallen. Hänge mit südlicher Ausrichtung konnten dank der exzessiven Verdunstung die ausgiebigen Niederschläge im Sommer 2005 kompensieren und damit den Sicherheitsfaktor stabilisieren oder sogar erhöhen.

Graswurzeln bewehren den Hang
Die zusätzliche Kohäsion eines Bodens durch Graswurzeln beträgt gemäss diverser Literatur in der Schweiz durchschnittlich 8.0 kPa. Graswurzeln können die Sicherheit eines typischen Hanges bei einer mittleren Wurzeltiefe von 50 cm also um rund 4 % steigern.
Bild Fusszeile