Talsperrenbau in Deutschland

Der moderne Talsperrenbau begann vor etwa 100 Jahren, als in Sachsen und im heutigen Nordrhein-Westfalen die ersten großen Talsperren nach den Plänen von Prof. Intze erichtet wurden. Auch vor 1900 gab es in Deutschland schon Talsperren, aber erst mit dem Anfang des 20. Jahrhunderts begann sich die Technik des Talsperrenbaus grundlegend weiter zu entwickeln. In der Folge wurde der Bau von Talsperren mit Stauhöhen von über 100 m möglich.
Am Beispiel der deutschen Talsperren wird erläutert, wie sich der Kenntnisstand im Talsperrenbau erweiterte. Manche Fehler, die aus heutiger Sicht den altvorderen Talsperrenbauern unterstellt werden, sind so als Entwicklung der Technik erkennbar.
Ingenieurinnen und Ingenieure, die sich heute mit Talsperren beschäftigen, sollten die Historie kennen, um diese alten Talsperren sicher betreiben zu können. Talsperren sind neben Brücken wohl die langlebigsten technischen Bauwerke, die mehr als 100 Jahre unter voller Belastung ihren Anforderungen genügen müssen. Instandhaltung und Sanierungen können nur zielführend sein, wenn die Intentionen der alten Talsperrenbauer beachtet werden.

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Historischer Talsperrenbau vor 1900
Als Talsperren bezeichnet DIN 19700 [4] Stauanlagen, die über den Querschnitt des Wasserlaufes hinaus den Talquerschnitt abriegeln und so eine Speicherung des zufließenden Wassers bewirken. Erste Anlagen in Deutschland, die dieser Definition entsprechen, sind ab Ende des 8. Jahrhunderts belegt [8]. Der Aufstau von Bächen und kleinen Flüssen erfolgte in Fisch- und Mühlenteichen mit kleinem Stauinhalt und geringer Höhe des Absperrbauwerks. Gleichwohl wurden die Kriterien der obigen Definition erfüllt, die Bewirtschaftung entsprach in ihren Grundzügen heutigen Zielen.
 
Schmidt zitiert in [8] historische Schriften, die bereits im 16. Jahrhundert technische Anforderungen an Staudämme benennen und sich mit den wesentlichen Themen heutiger Vorschriften befassen:
o  Ein Stützkörper muss den Druck des Wassers aufnehmen können, er muss wasserdicht sein.
o  Dieser Stützkörper muss an den wasserdichten Untergrund angeschlossen werden.
o  Seine wasserseitige Böschung muss gegen Wellenschlag gesichert werden.
o  Es muss eine Einrichtung zur Entleerung und zur Wasserentnahme geschaffen werden.
o  Es muss eine Ableitung von Hochwasser ohne Gefährdung des Bauwerks sicher gestellt werden.
o  Der erstmalige Einstau des neuen Teiches ist besonders sorgfältig zu vollziehen.

Eine neue Bedeutung bekam der Talsperrenbau in Deutschland Mitte des 16. Jahrhunderts mit dem Beginn des Bergbaus im Harz und im Erzgebirge. Die dort bis Ende des 19. Jahrhunderts errichteten Anlagen hatten die Aufgabe, Energie bereit zu stellen. Mit Hilfe von Wasserrädern, die als „Künste“ bezeichnet wurden, konnte das Grubenwasser aus den Bergwerken gehoben oder durch sog. „Pochwerke“ bearbeitet werden. Viele der mit Hilfe von Dämmen aufgestauten Speicher sind noch als Kulturdenkmäler erhalten.
Während zuvor meist homogene Dämme gebaut wurden, erforderten diese neuen Dämme mit Höhen von bis zu 15 m eine funktionale Auflösung des Querschnitts in einen Zonendamm. Der Stützkörper bestand meist aus im Stauraum gewonnenem Steinbruchmaterial. Für die Dichtung wurde Rasensoden eingesetzt, da meist Lehm oder Ton als Dichtungsmaterial nicht in ausreichender Menge zur Verfügung stand. Der Rasensoden wurde in Rechteckform ausgeschnitten und dann wie Mauerwerk aufeinander gesetzt. Die Anordnung der Dichtung erfolgte bei den älteren Dämmen als Schürzendichtung an der wasserseitigen Böschung, später als Kerndichtung in Dammmitte.

Moderner Talsperrenbau im 20. Jahrhundert
Der moderne Talsperrenbau beginnt in Deutschland mit der nach Plänen von Prof. Intze von 1889 bis 1891 gebauten Eschbachtalsperre.
Seit dem 17. Jahrhundert hatte sich auch in den westfälischen Mittelgebirgen eine Kleinindustrie entwickelt, die die Erzvorkommen der Region nutzte. Neben Bergwerken waren verschiedene weiterverarbeitende Betriebe entstanden, wie zum Beispiel Hammerwerke, Schmieden und Drahtziehereien, die das Wasser der Bäche in kleinen Stauhaltungen sammelten und die Wasserkraft mit Hilfe von Triebwerken nutzten. Demgegenüber entstand an der unteren Ruhr (dem heutigen Ruhrgebiet) zum Beginn des 19. Jahrhunderts eine neue Industrie, die ihre Energie aus der Steinkohle gewann. Die Industrie in den Mittelgebirgen konnte nur konkurrenzfähig bleiben, wenn sie es schaffte, die preiswertere Energie des Wassers ständig zur Verfügung zu haben. Unter diesen Zwängen entstanden Genossenschaften, die mit Hilfe von Prof. Intze Talsperren planten und realisierten.

Staumauern – irrte Intze?
In seiner Schrift „Entwicklung des Thalsperrenbaues in Rheinland & Westfalen von 1889 bis 1903“ [6] benennt Prof. Intze die wichtigsten Merkmale seiner Bauweise für Bruchstein-Staumauern, die später als „Intze-Prinzip“ bezeichnet wurden (auszugsweise):

Für die Ausführung der Thalsperren wird besonderer Wert darauf gelegt, dass eine sichere, feste Fundierung in genügend tragfähigen Felsschichten erzielt wird. Um einen dichten Anschluss an den Untergrund zu erreichen, hat das Fundament etwa 1 – 2 m tief in den festen Fels einzugreifen.
Bei der Bestimmung der Profile sind folgende Grundsätze zur Anwendung gekommen:

 

....
2.  Es ist zur Vorsicht angenommen, dass der Stauspiegel bis zur Krone der Mauer steigen und das Wasser über die Mauer hinweg laufen könnte, obgleich in Wirklichkeit der bei jeder Mauer zur Anwendung gebrachte Überlauf etwa 1,0 m tiefer liegt als die Mauerkrone. Es ist also der Wasserdruck erheblich grösser angenommen, als er in Wirklichkeit jemals werden wird.
3.  Es ist die Druckwirkung der im unteren Teile an der Wasserseite der Mauer zur Anwendung zu bringenden Abdichtung bzw. Anschüttung mit dem ausgehobenen Boden besonders ungünstig angenommen und diese Druckwirkung dem Wasserdruck hinzugefügt.
4.  Es ist an der Wasserseite die Mauer mit einem vollständig dichten Cementverputz und mit mehrmaligem Anstrich zu versehen, um das Eindringen des Wassers in die Mauer zu verhindern. ...
5.  In der Nähe der Dichtungsschicht wird im Innern der Mauer eine in nahezu vertikal angeordneten Drainrohren auszuführende Entwässerung angelegt, welche das bei sehr hohem Druck durch einzelne Poren etwa in das Mauerwerk eindringende Sickerwasser abfängt und unschädlich durch Sammelröhren nach dem Durchlassstollen im unteren Teile der Mauer und nach der Luftseite hin ableitet.
...

 

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Eine typische „Intze-Mauer“ ist die 1902 und 1904 nach Plänen von Prof. Intze errichtete Fürwiggetalsperre (vormals als Obere Versetalsperre bezeichnet). Die Staumauer wurde mit einer Höhe von 29 m und einer Kronenlänge von 166 m als Bruchsteinmauer errichtet und staut ein Volumen von 1,7 Mio. m³ ein. Als klassische Intzemauer hat sie einen bogenförmigen Grundriss mit einem Radius von 120 m, einen etwa dreiecksförmigen Querschnitt sowie eine Lehmvorlage, den sogenannten Intzekeil.

Die Entwicklung im Talsperrenbau nach Intzes Tod im Jahre 1904 folgt wesentlich der Weiterentwicklung der Bautechnik und der Baumaschinentechnik. Rückblickend wird oft behauptet, Intze hätte übersehen, dass im Mauerwerk und im Untergrund mit dem Porenwasserdruck des Sickerwassers gerechnet werden muss. Intze war aber, wie oben gezeigt, davon ausgegangen, dass die nach seinen Prinzipien geplanten Staumauern „dicht“ sind. Die Kenntnisse über einen Porenwasserdruck in porösen Medien und somit die Wirkung des Sickerwassers in Intzes Bruchsteinstaumauern waren um 1900 noch unvollständig. Es war erst Prof. Fillunger, der 1913 das Phänomen des Auftriebs in Gewichtsstaumauern, das heißt in saturierten porösen Medien behandelte [5]. Seine Formel enthielt jedoch einen gravierenden Fehler, den Prof. Terzaghi (von 1929 bis 1939 wie Fillunger Professor an der technischen Hochschule in Wien) korrigierte. Der zunächst fachliche Streit der beiden Professoren entwickelte sich zu einem der größten Wissenschaftsskandale und endete mit dem Freitod Fillungers [2].
 

Staudämme – Baumaschinen im Einsatz
Der Bau von Bruchsteinstaumauern hatte einen großen Anteil an Handarbeit bedingt. Ziegler schrieb noch 1900 in seinem Buch „Der Thalsperrenbau“ [11], „ ... daß mit der Höhe eines Staudammes sein Rauminhalt so schnell wächst, daß die Grenze, bei welcher noch eine Ersparnis gegenüber einer Sperrmauer zu erwarten ist, bald erreicht wird“. Ein Dammbau wäre nur gerechtfertigt, „wenn geübte Maurer nicht zur Stelle sind“.
Die Entwicklung der Maschinentechnik stellte aber Mitte der 20er Jahre Geräte zur Verfügung, die zwei weitere Bauarten ermöglichten. Die eine bestand im Bau von Betonstaumauern, wie zum Beispiel der Schluchsee-Staumauer bei Freiburg, die 1929 bis 1932 erbaut wurde. Zur Herstellung von Beton standen jedoch vielerorts die notwendigen Zuschlagstoffe nicht in ausreichender Menge bzw. ausreichender Nähe zur Verfügung.
 

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Dies führte ab etwa 1930 zum Bau von Dämmen, die durch den Einsatz von Großgeräten kostengünstig zu bauen waren, auch weil gegenüber einer Bruchsteinmauer minderwertigeres Steinmaterial verwendet werden konnte. Allerdings vertraute man der Erdbautechnik trotz jahrhundertlanger Erfahrung an kleinen Talsperren nicht bzgl. der Verwendung an mehr als 50 m hohen Staudämmen. So entschloss man sich, bei den ersten großen Dämmen eine Betonkerndichtung einzubauen.
Auch der in den 30er Jahren geplante und wegen des 2. Weltkriegs erst 1951 fertiggestellte Steinschüttdamm der Versetalsperre erhielt in der Mitte eine an der Gründung 4 m dicke Betondichtung, die sich bis zur Krone auf 2 m verjüngt. Allerdings traute man auch dem Beton nicht vollständig und befürchtete, dass die mit dem Einstau zu erwartenden Verformungen zu Rissen im Betonkern führen könnten. Daher ordnete man wasserseitig vor dem Betonkern noch eine 4 bis 10 m dicke Lehmzone als zweites dichtendes Element an.

Die damals von Prof. Leussink begleitete Planung sah zudem Untersuchungen zum Konsolidierungsverhalten dieser Lehmzone vor [7]. Besondere Öffnungen (Tonentnahmerohre) vom Kontrollgang zur Lehmdichtung sollten eine Probenahme nach dem Einstau ermöglichen. 1953 und 1956 wurden Proben entnommen. Diese enthielten z.T. einen nicht erwarteten Steinanteil, an anderen Stellen zeigte der Lehm breiige bzw. weichplastische Konsistenz, was der im Nachhinein als unpassend empfundenen Anordnung der Entnahmerohre zugeschrieben wurde. Bei einer erneuten Überprüfung 1995 stand an den Rohren noch der volle Wasserdruck an, so dass man sich aus Sicherheitsgründen entschloss, die Probenahme-Einrichtung dauerhaft zu verschließen.

Die Bauweise der Betonkern-Innendichtung mit Lehmvorlage bewährte sich zwar, aber das Zusammenwirkung der beiden unterschiedlichen Materialien konnte nicht vollständig erklärt werden. Man wandte sich daher anderen Technologien zu.
Im Straßenbau hatte die Asphalttechnologie Fuß gefasst und man war bereit, die Technik zur flächenhaften Aufbringung von bituminösen Dichtungsbelägen an Staudämmen anzuwenden. Die besonderen Vorteile des Asphalts sah man in der guten Dauerhaftigkeit und in der Elastizität, besonders an durch Erdbeben gefährdeten Talsperren. Als Beschränkung in Bezug auf eine maximale Dammhöhe ergab sich die maximale, durchgängig zu asphaltierende Böschungslänge von 150 m, ab der man mit einem Schleifen der Zugseile der Teermaschinen auf der Böschung rechnen musste [9].

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Unter Verwendung der Maschinen aus dem Straßenbau wurden die ersten Oberflächendichtungen ausgeführt. 1952 konnte die Genkeltalsperre mit einem 43 m hohen Felsschüttdamm als erste Talsperre der Welt mit Asphalt-Oberflächendichtung in Betrieb gehen. Seither wurden in Deutschland mehr als 50 Dämme bzw. Vordämme in dieser Bauweise errichtet. Darunter der von 1961 bis 1963 mit einer Höhe von 52 m errichtete Damm der Biggetalsperre, dessen Oberflächendichtung mit 46.000 m² noch heute die Größte ihrer Art in Deutschland ist.
Nach dem erfolgreichen Einsatz des Asphalts als Außendichtung wurde 1956/1957 der Einsatz als Innendichtung an der 13 m hohen Vorsperre der Wahnbach-Talsperre erprobt. 1969/1973 erfolgte die erstmalige Verwendung von Asphaltbeton für die Kerndichtung an der Hauptsperre des 53 m hohen Damms der Wiehltalsperre. Insgesamt 14 Dämme und Vordämme wurden in Deutschland auf diese Weise ausgeführt.

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Den Bau von großen Erddämmen hielt man zunächst noch für risikobehaftet [10]. Unter anderem ermöglichten erst die bodenmechanischen Arbeiten von Terzaghi (ab 1939 an der Harvard University in USA) die rasante zahlenmäßige Entwicklung von Dämmen, deren Dichtungen aus Erdbaustoffen bestanden. Ausschlaggebend waren nach Breth [3]:
-  die Entwicklung der Filterregeln zum Schutz der natürlichen Dichtungsstoffe gegen Erosion,
-  die Kenntnis des Zusammenhangs zwischen der Verdichtbarkeit und dem Wassergehalt der kohäsiven Erdstoffe,
-  der Nachweis, in welcher Art die Scherfestigkeit der kohäsiven Böden vom Porenwasserdruck und vom Wassergehalt abhängt und
-  die Kenntnis um das nichtlineare Verformungsverhalten der Erdstoffe in Abhängigkeit vom dreiaxialen Spannungszustand.

Aus Erfahrungen beim Bau der ersten großen Erddämme entwickelte man konstruktive Bedingungen, so z.B. die Anforderung, den Kern nach unten zu verbreitern, um Aufhängeeffekte zu vermeiden. Neu entwickelte Messgeräte erlaubten zudem die Kontrolle des Abbaus des Porenwasserdrucks im Lehmkern und der Erdspannungen und somit die messtechnische Überprüfung der Standsicherheit [3]. Die Dammbauweise mit Erdkerninnendichtung entwickelte sich auf dieser Grundlage mit fast 80 ausgeführten Staudämmen in Deutschland schnell zur Vorzugsbauweise.

Sonderkonstruktionen - Einzellösungen
Neben den bisher aufgeführten Bauweisen wurden in Deutschland nur an einzelnen Talsperren weitere Bauarten verwendet. Die im alpinen Raum so erfolgreiche Bauweise der Bogenstaumauer konnte in Deutschland nur an zwei Talsperren, der Okertalsperre (erbaut 1956, Höhe 75 m) und der Ofenwaldsperre (erbaut 1962, Höhe 26 m), realisiert werden. Ausschlaggebend hierfür ist insbesondere, dass die für Bogenstaumauern erforderliche hohe Tragfähigkeit der möglichst steilen Hänge in den Mittelgebirgen Deutschlands meist nicht gegeben ist.
Sonderbauweisen wie die aufgelösten Bauweisen der Linnachtalsperre (Gewölbereihenmauer, erbaut 1925, Höhe 29 m) oder der Oleftalsperre (Pfeilerstaumauer, erbaut 1965, Höhe 59 m) konnten sich technisch nicht durchsetzen.

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Talsperrenbau im 21. Jahrhundert
Mit dem Einstau der 102,50 m hohen Staumauer der Talsperre Leibis-Lichte im Jahre 2005 ist wohl aus heutiger Sicht der originäre Talsperrenbau in Deutschland zum Ende gekommen. Dies heißt jedoch nicht, dass der Bau von Stauanlagen beendet wäre. Umweltgesichtspunkte und Hochwasserschutz führen zu neuen Anforderungen an Stauanlagen. Sie lösen die klassischen multifunktionalen Talsperren ab durch Anlagen, die einzelnen Aufgabenstellungen genügen müssen.
Pumpspeicherwerke mit ihren Ober- und Unterbecken erleben im Zuge der Entwicklung der regenerativen Energien eine Renaissance. Parallel zum Ausbau der Windenergie können Pumpspeicherbecken eine Versorgungssicherheit garantieren, indem sie kurzfristig nicht benötigte Energie speichern und in Spitzenbedarfszeiten abgeben können. Ein neues Oberbecken mit 10 Mio. m³ Stauinhalt mit einer Asphalt-Oberflächendichtung sowie einem entsprechendem Kraftwerk plant beispielsweise derzeit die Schluchseewerke AG.
Im Zuge der Hochwasservorsorge zeigt sich häufig die technische Überlegenheit von großen Rückhaltebecken gegenüber Maßnahmen in der Fläche. Hochwasserrückhaltebecken werden daher zunehmend mit Abmessungen gebaut, die denen von Talsperren entsprechen. Die aus dem Talsperrenbau bekannten Dammbauweisen finden hier Verwendung. Dammhöhen von 10 bis 20 m sind durchaus die Regel. Das 2006 in Sachsen in Betrieb genommene Hochwasserrückhaltebecken Lauenstein wurde mit einer Höhe von 40 m errichtet und besitzt eine Asphaltinnendichtung. Neben den wasserwirtschaftlichen Belangen sind bei diesen Anlagen häufig Umweltaspekte wie die Durchgängigkeit zu berücksichtigen.
 

Zusammenfassung
Die Entwicklung des modernen Talsperrenbaus beginnt um 1900 mit der Errichtung der Bruchsteinmauern nach Plänen von Prof. Intze. 100 Jahre suchten Professoren nach neuen Möglichkeiten, die grundlegenden Tragweisen von Staumauern und Staudämmen zu beschreiben und zu verbessern, Baufirmen entwickelten die Techniken zur Praxisreife und Bauherren bauten und betrieben die neu errichteten Talsperren.
Die Entwicklung des Kenntnisstandes und die Niederlegung des Wissens in Schriften, Regeln und Normen haben in Deutschland den Talsperrenbau so weit entwickelt, dass Talsperrenkatastrophen vermieden werden konnten [1]. Der Neubau von Pumpspeicherwerken und großen Hochwasserrückhaltebecken wird in Zukunft an die Stelle des Baus multifunktionaler Talsperren treten. Aber auch die bestehenden Anlagen können nur mit dem Wissen um ihre Geschichte weiterhin sicher betrieben werden.

 Literatur

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[1] Bettzieche, V.: Das Restrisiko eines Talsperrenbruchs aus Betreibersicht; Wasserwirtschaft 99, Heft 6, 2009
[2] de Boer, Reint: Von Leonardos Weinstock zu Hightechanwendungen; Essener Unikate – Berichte aus Forschung und Lehre – Ingenieurwissenschaft; Universität Dusiburg-Essen; 23/2004
[3] Breth, H.: Der derzeitige Stand des Staudammbaues; Wasserwirtschaft 62; Heft 1/2; 1972
[4] DIN: DIN 19700-11: Stauanlagen – Teil 11: Talsperren; Beuth-Verlag; Berlin; Juli 2004
[5] Fillunger, Paul: Der Auftrieb in Talsperren; Österreichische Wochenschrift für den öffentlichen Baudienst (Ö W Ö B) 19/1913; S. 532-556,567-570
[6] IIntze, Otto: Entwicklung des Thalsperrenbaues in Rheinland & Westfalen von 1889 bis 1903; La Ruells’sche Accidenzdruckerei, Aachen
[7] Leussink, H.: RUHRTALSPERRENVEREIN ESSEN – Versetalsperre, Untersuchung und Beurteilung von Proben aus dem Lehmkern, Karlsruhe; 1961 (unveröffentlicht)
[8] Schmidt, Martin: Fischteiche als Vorstufe des Talsperrenbaus in Deutschland; Wasserwirtschaft 91; Heft 7-8; 2001
[9] STRABAG Bau-AG: Asphalt-Wasserbau – Arbeiten aus den Jahren 1968-1972; Schriftenreihe 9, Folge 1; Eigen-Verlag; 1973
[10] Terzaghi, K.: Erdstaudämme und Bodenmechanik; Vorträge Baugrundtagung Hamburg; 1958
[11] Ziegler, P.: Der Thalsperrenbau; Berlin; 1900