Talsperren-Meßtechnik: Meßverfahren, Instrumente und Apparate für die Prüfung der Bauwerke in Massenbeton

139 Pages·1951·11.008 MB·German

by  A. U. Huggenberger (auth.)

Tals perren -Me B technik
MeBverfahren, Instrumente und Apparate
fur die Prufung del' Bauwerke in Massenbeton
Von
A. U. Huggenherger
Dr. BC. techno konsult. Ingenieur
Ziirich
Mit 168 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin / Gottingen I Heidelberg
1951
ISBN-13: 978-3-540-01551-2 e-ISBN-13: 978-3-642-94582-3
001: 10.1007/978-3-642-94582-3
AIle Rechte, insbesondere das der tl"bersetzung
in fremde Sprachen, vorbehalten.
Copyright 1951 by Springer-Verlag OHG.
in Berlin / Gottingen / Heidelberg.
Vorwort.
Der Bau einer modernen Talsperre erfordert enorme Geldmittel. Ihre Zer
storung, durch die viele MiUionen Kubikmeter Wasser plotzlich zum AbfluB frei
werden, kann zu einer Katastrophe groBten AusmaBes fUhren. Bauherr und Be
horden haben daher die Pflicht, alles vorzukehren, was zur Erhohung der Wirt
schaftlichkeit und Sicherheit beitragt. Beobachten und Messen sind die grund
legend en Mittel zur Erreichung dieses Zieles. Sicherheit und 'Virtscha{t,lichkeit
sind Elemente, die die Kosten eines Bauwerkes bedingen. Bauherr und oberste
Bauleitung, denen die finanziellen Belange unterstehen, haben daher ein Interesse
zu wissen, was fUr meBtechnische Mittel ihnen gestatten, Einblick in die tat
siichliche Ausniitzung und Tragfiihigkeit der Baustoffe und Bauteile zu geben.
Der Bauingenieur, dem Projektierung nnd AusfUhrung unterstehen, ist mit
del' Theorie und Berechnung'vertraut. Er wiinscht zu wissen, wieweit die Be
rechnnngsgrundlagen, denen zahlreiche Annahmen nnd Voraussetzungen anhaften,
mit dem tatsachlichen Verhalten des Bauwerkes iibereinstimmen. Auch fiir ihn
ist die MeBtechnik meistens ein neues, unbekanntes Gebiet. In del' Regel wird
del' Einbau, die Beobachtung nnd die Auswertung del' MeBergebnisse einem
Ingenieur oder Techniker iibertragen, dem die besonderen Kenntnisse del' MeB
technik fehlen. Es besteht daher das Bediirfnis nach einem allgemein verstand
lichen trberblick iiber Beobachtungsverfahren, Instrumente, Apparate und MeB
anlagen, iiber Einbanmoglichkeit und Handhabung. Die vorliegenden Betrach
tungen verfolgen den Zweck, diese Liicke auszufUllen. Was die praktische Aus
wertung und Auslegung solcher Messungen betrifft, verweisen wir auf die Ab
handlung del' Schweizerischen Talsperrenkommission [1]1.
Auf die statische Berechnung der Talsperre gehen wir nur soweit ein, als eR
del' Zusammenhang del' elementaren Begriffe der Theorie und del' MeBtechnik
erfordert. 1m iibrigen verweisen wir auf die bekannten Lehrbiicher. Wir be
schranken un sere Erorterungen auf die Talsperre. Die sinngemaBe Ubertragung
auf andere Bauwerke in Massenbeton bietet keine Schwierigkeiten.
AnlaBlich der beiden, iiber mehrere Monate sich erstreckenden Reisen durch
die Vereinigten Staaten, zum Zwecke des Studiums del' Talsperren-MeBtechnik
in den Jahren 1933 und 1946, stellte mil' das United States Department of the
Interior Washington DC (USA) und das Bureau of Reclamation Denver (USA)
zahlreiches Beobachtungsmaterial, Originalberichte, Bild- und Zeichnungsvor
lagen zur Verfiigung. In zahlreichen Besprechungen fand ein reger Gedanken
und Erfahrungsaustauseh statt. Fiir diese groBziigige Unterstiitzung spreehe
ieh dem Departement und dem Bureau meinen herzliehsten Dank aus.
Fur die bereitwillige Aufklarung iiber die Entwicklung des seit dem Jahre
1921 in del' Sehweiz ausgeiibten geodatisehen MeBverfahrens, bin ieh del' Eidg.
Landestopographie Bern (Schweiz) zu Dank verpfliehtet.
1 Die im Text in eckigen Klammern enthaltenen Ziffern beziehen sich auf das Literatur
verzeichnis Seite 132.
IV Vorwort.
Den Ministerien, Bauherren, Bauleitungen und 1ngenieuren danke ich fUr
das gTo£e Vertrauen, mich mit der meBtechnischen Bearbeitung der Talsperren
projekte zu betrauen, fUr die Dberlassung von Unterlagen und Berichten, fUr
die Anregungen zur Verbesserung der MeBanlagen, Enhvicklung und Bau neuer
lVIeBgeratel. 1ch bitte, mich auch weiterhin zu unterstutzen, damit bei einer
Neuauflage des Buches die letzten Erkenntnisse berucksichtigt werden k6nnen.
Zurich, im September 1951.
A. l'. Huggenberger.
1 Zur 'Vahrung besonderer Interessen werden keine Angaben tiber Ort und Name del'
Bauwel'ke gemacht.
Inhaltsverzeidmis.
5leite
A. Allgemeine Betrachtungen iiber das Yerhalten der Talsperren 1
I. Die Bedeutung del' Talsperren-MeBtechnik. . . . . . . . . . . 1
2. Das Kraftespiel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3. Zustandsanderung des Baustoffes und EinfluB del' Lufttemperatur 4
4. AuBerlich wabrnehmbare Verformung und Lagenanderung . 5
5. Zeitliclrer Verlauf del' Zustandsanderung. 6
6. Zeitpunkt des MeBbeginnes . . . . . . 7
7. Der MeBtechniker und sein Personal . . 8
Der MeBtechniker S. 8. - Die MeBgruppe S. 9. - Das MeBtechniker-Biiro S. 10.
8. Allgemeine Betrachtungen iiber MeBgerate II
B. Verformungen, Spannungen und Temperatur im Beton und im Baugrund II
9. Die schwingende Saite als MeBprinzip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . II
10. Die Ohmsche Widerstandsanderung als MeBprinzip . . . . . . . . . . . .. 15
Teleformeter S. 15. - Telohmmeter S. 15. - Mellvorgang S. 18. - EinfluB
del' Lange der Kabelleitung S. 20. - Priifen des Teleformeters S. 21. - Einbau
des Teleformeters S. 22. - Teleformeter-Rosette S. 22. - Teleformeter-Stern
S. 23. - Null-Teleformeter S. 24. - Elastizitatsmessung S. 24.
II. Erweiterung del' Dilatationsiuge und das RiBanzeigegerlit . . . 27
Teledilatometer S. 27. - Teledetektor als RiBanzeigegerat S. 29.
12. Das Messen von Spannungen und des Bodendruckes . . . . . . . . . . . . 30
Kriterien einer zweckmaBig gebauten Druckdose S. 30. - TelepreBmeter Bauart
Carlson S .31. - TelepreBmeter Bauart WES S.33. - Bodendruckdose Bauart
Schaefer S. 33. - Priifen des Teleprel?meters S. 34.
13. Die Temperaturmessung ........................ 35
Telethermometer in der Betonmasse S. 35. - Telethermometer zum Messen der
Wassertemperatur im Stausee S. 36.
14. Temperatur und Verformung des Baugrundes . . . . . . . . . . . . . . . 37
15. Die Kabelleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Kabel S. 39. - Kabelverbindung S. 40. - Verlegen der Kabelleitung S. 42. -
Kabelendstecker und Kabelendkasten S. 44.
c.
Wasserdruck und Wassergehalt im Beton und im Baugrund. 47
16. Das hydraulische MeBverfahren ........ . 47
Standrohranlage S. 47. - Piezometeranlage S. 50.
17. Das pneumatische und elektrische Mellverfahren . 51
Pneumatisches Hydrometer S. 51. - Telehydrometer S. 53.
18. Das Messen des vVassergehaltes. . . . . . . . . . . 53
Telehiimeter S. 53. - Telehiimeter.Anzeigegerat S. 55.
VI
Inhaltsverzeichnia.
Selte
D. AuBere Verformung des Ta,lsperrenkorpers 56
19. Die Dehnungsmessung in Schachten, Kontrollgangen und an den AuBenfiii.chen 56
Deformeter S. 56. - SetzdehnungsmeBstab S. 58. - Anlage der Setzstellen S. 60.
20. Das Messen d61r Drehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Setzklinometer S. 60. - Setzklinometerstab S. 62. Inklinator S. 63. -
Klinometerpriifstelle S. 64.
21. Die VerwOlbung als MaB der Biegebeanspruchung. ..... . 65
Setzfieximeter S. 65.
22. Die Veranderung der Fugenweite zweier benachbarter Lamellen 66
FugenstichmaB S. 66.
23. Die Schachtlotung . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
a) Selbsttatige mechanische Anzeige der Lotauslenkung. 68
Koordimeter.Lotanlage S. 68. - Koordimeter S. 72.
b) Optische Beobachtung der Lotauslenkung. . . 73
Koordiskop.Lotanlage S. 74. - Koordiskop S. 75.
24. Das geodatische MeBverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
Das Wesen der geodatischen Methode S.80. - Trigonometrische Beobachtung
S. 80. - Alignement S. 85. - Prazisions·Theodolit S. 86.
25. Das Prazisions·Nivellement . . . . . . .. . • 87
MeBanlage S. 87. - Prazisionsnivellierinstrument S. 88.
E. Die TalsperrenmeBtechnik in der Praxis. 90
26. Die Gewichtsvollmauer . 90
27. Die Gewichtshohlmauer . 96
28. Die Kuppelgewolbesperre 98
F. Der Modellversuch .. . 101
29. Das ebene Modell .. . 101
Das scheibenformige Modell S. 101. -D~ photoelastische Verfahren und ReiB·
lackverfahren S. 101.
30. Das raumliche Modell . . . . . . . . . . . . . . 103
31. Die mechanischen MeBinstrumente . . . . . . . . . . ...... 106
Dehnungsmessung mit Tensometer und Tensotast S. 106. --' Verschiebungs.
und Durchbiegungsmessung mit MeBuhren S. 109.
32. Die elektrischen MeBgerate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Dehnungsmessung mit elektrischem Widerstandsdehnungsgeber S. 110. - Ver·
schiebungs. und Durchbiegungsmessung S. 116.
G. Verformungsmessungen in Druckstollen . . 117
33. Bedeutung und Wesen der Druckstollenmessung 117
34. Ausweitung des Stollenprofilumfanges . 117
35. Radiale Ausweitung des Stollenprofils . 119
H. Kennzeichen, Symbole und Abkiirzungen im MeB· und im Netzplan. 122
1. Kennzeichen und Symbole fur Gerate zur AbkIii.rung der Zustandsanderung im
Innern der Betonmasse • • . • • • • • • • •. •.••••.••••• 124
Inhalts'Verzeichnis. VII
Seite
II. Kennzeichen und Symbole der MeBeinrichtungen zur Beobachtung der an zu-
ganglichen MeBpunkten feststellbaren Verformungen. . . . . . . . 126
III. Geodatisches MeBverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
IV. Ke=eichen und Symbole der MeBapparate fUr den Modellversuch. 128
V. Kenndaten der Telemeter, Teleformeter, Teledilatometer, TelepreBmeter und
Telethermometer (amerikanische AusfUhrung) . 128
W-Nomogramm fiir das Koordimeter 129
U-Nomogramm fiir daB Koordimeter 130
Abkiirzungsverzeichnis. . . . . • . 131
HerBteller der beschriebenen MeBgerate, Apparate und ZubehOrteile. 131
Literatur. • . . . . . • . . . • . . . . • • • . . . . • • . . 132
A. Allgemeine Betramtungen iiher das Verhalten
der Talsperren.
1. Die Bedeutung der TaIsperren-Me6tedmik.
Die Talsperre als AbschluBorgan ganzer Talschaften zur Erlangung eines
Wasserspeicherbeckens, sei es zur Regulierung von FluBHiufen, zu Bewasserungs
zwecken oder zur Gewinnung von elektrischer Energie, findet nicht allein das
besondere Interesse des Bauingenieurs, sondern auch das ganzer VoIksteile,
deren Wohl mit dem Bau und Betrieb auf das engste verkniipft ist. Die groBe
Bedeutung dieser Bauwerke liegt schon in den ins riesenhafte gehenden Ab
messungen. Talsperren in einer Hohe von 100, 200 und mehr Meter sind keine
Seltenheit. Viele Millionen von Kubikmetern Wasser sammeln sich in dem
dahinterliegenden Staubecken. Der Bruch einer solchen Talsperre kann zu einer
Katastrophe groBten AusmaBes fiihren, nicht bloB durch die Zerstorung von
Sachwerten, deren Wiederherstellung enorme Geldsummen verschlingt, sondern
durch die Vernichtung oft vieler Hundert Menschenleben. Urn die Kosten zu
verbilligen, versucht man einerseits, an Bauvolumen moglichst zu sparen. Auf
der anderen Seite aber darf in den Abmessungen ein gewisses MindestmaB nicht
unterschritten werden, damit aIle Erfordernisse der Sicherheit ohne jeden Zweifel
erfiHlt sind.
Die Berechnung und Projektierung des Bauwerkes hat daher den Grund
satzen der Wirtschaftlichkeit und Sicherheit zu entsprechen. Die rechnerische
Bearbeitung der Aufgabe ist aber nur moglich, wenn zahlreiche Annahmen und
Vereinfachungen eingefiihrt werden. Projektierung und Bauausfiihrung schlieBen
aber eine ganze Reihe von Unsicherheiten in sich. AIle diese Unsicherheiten
fiihren zu einer starkeren Bemessung der Bauteile und damit zu hoheren Anlage
kosten.
Die rechnerischen Grundlagen des Talsperrenbaues konnen nut durch Er
weiterung unserer Erkenntnisse im Verhalten des Bauwerkes schrittweise geklart,
erweitert und verfeinert werden. Je besser die gemachten theoretischen An
nahmen und Voraussetzungen den wirklichen Verhaltnissim des ausgefiihrten
Bauwerkes entsprechen, urn so zuverHissiger fallen die Ergebnisse der Be
rechnung aus und um so wirtschaftlicher kann der Bau ausgefiihrt werden.
Das tatsachliche Verhalten aber kann nur durch sorgfaltiges Beobachten
und Messen am ausgefiihrten Bauwerk erforscht werden. SinngemaB angeordnete
Versuche im Materialpriifungslaboratorium zusammen mit Messungen am Bau
werk geben allein Auskunft iiber die mannigfaltigen Vorgange, die sich in einer
Talsperre abspielen. Die MeBtechnik der Talsperren ist ein Sondergebiet, das
groBe Erfahrung und besondere Sorgfalt erheischt. Urn ein abgeschlossenes BiId
iiber die vielfaltigen Vorgange zu erhalten, miissen die Messungen oft auf Jahr
zehnte ausgedehnt werden. Die Tatsache, daB sich zahlreiche Vorgange nur ein
einziges Mal abspielen und sich nicht beliebig oft durch unser Zutun wiederholen
lassen, wie etwa der Belastungsvorgang einer Briicke, zeigt, daB diese MeB
technik besonders hohe Anforderungen stellt.
Die Kosten, die eine sorgfaltig gewahlte MeBeinrichtung verursacht, sind,
gemessen an den Anlagekosten einer Talsperre, unbedeutend. Auf jeden Fall
1 Huggenberger, Ta)sperren-MeJ3technik.
2 Allgemeine Betrachtungen libel' das Verhalten del' Talsperren.
darf die Kostenfrage die Vornahme sorgfaltiger und wohldurchdacbter Beob
achtungen und Messungen nicht verhindern. Die damit erlangten Erkenntnisse
befruchten die theoretischen Grundlagen der Berechnungsverfahren. Sie ver
ringern die groBe Zahl der Unbekannten. Messen und Beobachten wirken sich
aber nicht allein darin aus, daB das Bauwerk in seinen Dimensionen wirtschaft
licher, das heiBt bei bester Ausnutzung der Festigkeit alIer Baustoffe erstelIt
werden kann, sondern es ermoglicht auch den Zustand des Bauwerkes jederzeit
richtig zu bewerten. Auf den ersten Blick .glaubt der Uneingeweihte, daB der
riesenhafte Bau starr und unbeweglich sei. Aber dieser KoloB aus Stein und
Beton "lebt" und "atmet". Das sorfaltige, systematische Beobachten ist etwa
gleichzustellen dem NachfUhlen des Pulsschlages des Menschen durch den Arzt.
Die geringste UnregelmaBigkeit ist ein Mahnzeichen, das zu vermehrter Auf
merksamkeit drangt. Erscheinungen, die unter Umstanden zu einer Gefahrdung
des Bauwerkes fUhren, konnen rechtzeitig erkannt werden. Sie veranlassen sorg
faltige MaBnahmen, durch die ein weiteres Umsichgreifen des beginnenden
Schadens verhutet wird. Beobachten und Messen ist daher fUr die Gewahr
leistung von Wirtscbaftlichkeit und dauernder Sicherheit im Bau und Betrieb
der Talsperre von grundlegender Bedeutung.
2. Das KraftespieI. .
Die in Abb. 1 schematisch dargestellte Schwergewichtstalsperre ist in 6 La
mellen, L 1 - L 6 aufgeteilt, die durch die Dehnungs- oder Dilatationsfugen DF 1
bis DF 5 voneinander getrennt sind. In den drei DiIatationsfugenebenen DF 2,
If U lJ LS U AI.
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Abb. 1. Schematische Darstellung einer Schwergewichtstalsperre. a) Ansicht von der Luftseite LS. b) GrundriJl.
c) Vertikaler Schnitt durch die ))ehnungsfuge DF 3, Profil der Talsperre. d) Horizontalschnitt NN.
DF 3 und DF 4 ist je ein vertikaler Kontrollschacht KS angeordnet, der zu
den horizontal verlaufenden Kontrollgiingen KG fiIhrt. Die Stollen haben den
Zweck, den inneren Zustand der Mauer jederzeit uberprufen zu konnen. In sie
fiIbren die Entwasserungsleitungen der Mauerdranage, zum Zwecke der Be-
Das Kriiftespiel. 3
obaehtung des Siekerwassers. Die Ablesevorriehtungen, MeBstationen usw.
werden ebenfalls in diesen Revisionsgangen untergebraeht. Zur Vereinfaehung
.der statisehen Bereehnung laBt man die Mauerkrone MK und den Anzug auf
del' Wasserseite weg und erhalt als Profil ein reehtwinkliges Dreieek.
Die in Abb. 2 dargestellte Mauerlamelle L 3 ist begrenzt dureh die beiden
Profilebenen, die dureh die Dilatationsfugen DF 2 und DF 3 gehen, dureh die
seewarts und talwarts liegende Ma1lerflache WS und LS, sowie dureh die Ma'uer
sohle MS. Senkreeht zu den Profilebenen verlauft die Maucrachse z-z.
Auf diese Mauerlamelle wirkt als Hauptbelastung del' Wasserdruck W, del'
den groBten Wert bei voller Flillung des Staubeekens erreicht,
Porenwasserdr1lck und Sohlenwasse1'druck ergeben zusarnmen den Auftrieb A,
Abb.3. Del' Wasserdruck W, das Eigengewicht G und del' Atiftrieb A bedingen
die Resultierende R, die in die horizontale Kornponente - Schubkraft S - und
in die vertikale Komponente - Bodendruclc B - zerlegt werden. Die Reibungs-
kraIt, die z'wisehen Mauersohle MS und +y
FundamentF entsteht, ist proportional
zum Bodendruck. Die Glite des Ver- !rlf(
+y L3
E +:c
Abb. 3. Kriiftespiel. x, g Koordinaten eines be
Iiebigen Punktes!vI des Profils. S Schuh. B Bodeu
druch. R Resultierende aus Wasserdruck lV. Eigen
Abb. 2. Schematische Darstellung der Lamelle gewicht G und Auftrieb A. E Luftseitiger FuB-
L 3. Rechtwinkliges Koordinatensystem x, g, z. punkt.
bandes zwischen Mauer und Sohle ist bedingt durch den Haftwiderstand. Haft
widerstand und Reibungskraft verhindern, daB die Mauer auf del' Sohle nicht
ins Rutschen kommt.
Del' Schubwiderstand hangt wesentlich vom Zustand del' Sohle abo Er kann
weitgehend dureh Eindringen von Wasser herabgemindert werden. Durehsicke
rungen von Wasser von del' Seeseite her dureh den Fels sind nie mit Sicherheit
zu vermeiden. Vorhandenes Sohlenwasser lOst unter Umstanden den Verband
in del' Mauersohle und den Bindekitt in del' Fundarnentzone mit del' Zeit auf.
Del' Gleitwiderstand verkleinert sich. Flir die Beurteilung del' Standfestigkeit
ist es daher unerlaBlich, libel' das Vorhandensein von Sohlenwasser, libel' seine
Verteilung und libel' seinen Druck, sich ein zutreffendes Bild zu verschaffen.
Die zahlreichen bis heute noeh offenen Fragen libel' Wesen und GroBe des Poren
wassel'S konnen ebenfalls nur durch sorgfaltige Messungen abgeklart werden.
Del' Bodendruck muB bestimrnte Voraussetzungen erfi.illen, urn del' Sieherheit
des Bauwerkes zu genligen. Einel'seits darf er an keiner Stelle auf Null absinken.
Anderseits soll el' nicht auf die Druckfestigkeit des Gl'lindungsfelsens ansteigen.
Das in Abb. 3 angedeutete Kraftespiel flihl't zu einern ebenen Spannungs
zustand, wobei sich die Spannungen in del' Pl'ofilebene auswil'ken. El' darf abel'
nur als Annaherung des tatsachlich vol'handenen l'aurnliehen Spannungszustandes
angesehen werden.
1*