Schifffahrtskanäle und Talsperren

Schifffahrtskanäle und Talsperren

 

Die ersten Schifffahrtskanäle wurden vor etwa 6000 Jahren in Mesopotamien angelegt, zunächst zur Begradigung stark mäandrierender Flüsse, später auch zur Verbindung verschiedener Flüsse. Vor 3300 Jahren bauten die Ägypter einen Kanal vom Nil zum Roten Meer, der aber stark zur Versandung neigte und bis ins Mittelalter mehrfach erneuert wurde. Auch die Chinesen schufen schon früh ein Netz von Schifffahrtskanälen. Ein Beispiel ist der 1782 Kilometer lange Kaiserkanal, mit dessen Bau im 5. Jahrhundert v. Chr. begonnen wurde. Er verbindet den Jangtsekiang mit dem Hoang-Ho (Gelber Fluss) und ist noch heute in Betrieb. Die ersten Kanalbauten in Europa gehen auf die Römer zurück. Vor der Erfindung der Kammerschleuse im 15. Jahrhundert hatte es zwar schon lange Zeit Wassersperren zur Regulierung des Wasserstandes gegeben, doch besaßen diese für die Schiffspassage nur ein Tor. Eine Kammerschleuse hingegen sperrt einen Abschnitt des Wasserwegs mit zwei Toren ab. Ein Schiff kann dadurch in der Kammer angehoben oder abgesenkt werden und anschließend seinen Weg fortsetzen. Später kamen noch weit ausgeklügeltere Bauarten hinzu. Die Erfindung der Kammerschleuse sowie die Intensivierung des Handels gaben den Anstoß für größere Kanalbauten, beispielsweise des Canal du Midi in Frankreich und einer Vielzahl kleinerer Kanäle in Belgien, den Niederlanden und Deutschland. Größere Kanalbauprojekte begann man in Deutschland gegen Ende des 17. Jahrhunderts und wenig später auch in England und Russland. Auf diese Weise entstanden allein in England rund 3600 Kilometer künstliche Wasserstraßen. Um 1790 erreichte der Bau von Kanälen seinen Höhepunkt, denn mit dem Aufkommen des neuen Verkehrsmittels Eisenbahn verlor die Schifffahrt an Bedeutung.

 

Die Schiffe der Folgezeit mussten größer gebaut werden, damit sie wettbewerbsfähig waren, und somit waren auch breitere und tiefere Schifffahrtswege erforderlich. Viele ältere Kanäle mussten daher ausgebaut werden, andere wurden stillgelegt. Als erster Kanalneubau, der in Deutschland nach den veränderten Erfordernissen entstand, ist der Dortmund-Ems-Kanal (1890—99) zu nennen. Zwischen 1887 und 1895 wurde auch der Nord-Ostsee-Kanal gebaut, eine Erweiterung des 1784 eröffneten Eiderkanals. Bereits 1869 war der etwa 170 Kilometer lange Suezkanal zwischen dem Mittelmeer und dem Roten Meer eröffnet worden, der gegenüber der Schiffsroute um das Kap der Guten Hoffnung herum eine wesentliche Abkürzung darstellt. Als nächster großer Seeschifffahrtskanal wurde der Panamakanal geschaffen (1914 eröffnet, 81 Kilometer lang), aber 1954 durch den Sankt-Lorenz-Seeweg mit 3770 Kilometern Länge bei weitem übertroffen.

 

Auch bei Seeschifffahrtskanälen können Schleusen erforderlich sein, wenn sie zur Verbindung der Ozeane eine Wasserscheide durchqueren (Panamakanal) oder sich durch Tidenhub und Windstauwirkung Unterschiede im Wasserstand ergeben (Nord-Ostsee-Kanal). Der Suezkanal ist ein offener Kanal, also ein Kanal ohne Schleusen.

 

Kanäle unterscheiden sich in Querschnitt und Uferbefestigung, die sich nach den örtlichen Gegebenheiten und der Nutzung richten. Ein Kanal sollte mindestens fünf mal so breit sein wie ein beladenes Schiff und tief genug, damit dieses den Grund nicht berührt. Kanäle weisen kleine Gefälle und demzufolge kleine Fließgeschwindigkeiten auf; zur Überwindung von größeren Höhenunterschieden dienen Schleusen. Wo Kanäle wasserdurchlässiges Gebiet durchqueren, müssen Sickerverluste durch Auskleidung mit Lehm, Bitumen, Kunststoff oder Zement verhindert werden. Uferauswaschung durch die Wellen der vorbeifahrenden Schiffe lässt sich durch Mauerwerk oder Steinaufschüttungen vermeiden. Besonders aufwendig wird der Kanalbau, wenn eine Straße, Eisenbahnlinie, ein Fluss oder ein anderer Kanal zu über- oder unterqueren ist, da in diesen Fällen Brücken, Aquädukte oder Tunnel gebaut werden müssen.

 

 Talsperren

 

Talsperren in Form von Dämmen wurden vermutlich zuerst im Nahen Osten gebaut. Die ältesten Dämme entstanden historischen Aufzeichnungen zufolge vor fast 5000 Jahren in Ägypten. Ein 3300 Jahre alter syrischer Damm wird noch heute benutzt. Die Assyrer, Babylonier, Araber und Perser bauten zwischen 700 und 250 vor Christus eine Vielzahl von Dämmen. Auch im übrigen Orient entstanden — ganz unabhängig — zu dieser Zeit Staudämme.

 

Anders als im Brückenbau lieferten die Römer in Bezug auf Talsperren keine nennenswerten Beiträge, und auch im ganzen frühen Mittelalter entstanden keine größeren Dämme. Erst im 15. und 16. Jahrhundert setzte der Staudammbau in Italien und Spanien, im 17. Jahrhundert auch in Frankreich wieder ein. Beispiele sind die 1580 errichtete Tibisperre bei Alicante (Spanien) und der Saint-Ferréol-Damm bei Toulouse (Frankreich) aus dem Jahr 1675, der den Canal du Midi mit Wasser versorgt. Ähnlich wie beim Brückenbau ging man beim Entwurf von Talsperren bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts rein empirisch vor. Gelehrte wie Galilei, Newton, Leibniz, Hooke, Daniel, Bernoulli, Euler, de la Hire und Coulomb trugen zwar über einen Zeitraum von 250 Jahren hinweg fundamentales Wissen über die Stoffeigenschaften und zur Festigkeitslehre zusammen, doch die umfassende theoretische Grundlage für den Staudammbau schuf erst um 1850 der englische Ingenieur William John Macquorn Rankine.

 

Welche Typen von Talsperren gibt es, und welche Aufgaben erfüllen sie? Talsperren regulieren den Wasserspiegel von Gewässern — speziell bei Hochwasserneigung —, sie sorgen für Reserven an Trinkwasser und zur Bewässerung von Ländereien und Forsten und dienen der Nutzung von Wasserkraft. Talsperren sind Stauwerke, die — im Unterschied zu Wehren, die lediglich das Flussbett sperren — über die ganze Talbreite reichen. Während in Wehren die Bewegungsenergie des Wassers meist nur in Reibungswärme verwandelt wird, nutzt man diese bei Talsperren in der Regel zur Gewinnung von Elektrizität. Nach der Bauweise unterscheidet man Staudämme und Staumauern und teilt Letztere ein in Gewichts-, Bogen- und Pfeilerstaumauern.

 

Staudamm und Staumauer

 

Ein Staudamm wird aus geeigneten Dammbaustoffen aufgeschüttet. Je nach verwendetem Material kann es sich um einen Erddamm (bindige oder sandige Erdbaustoffe) oder einen Steinschüttdamm (gebrochenes Felsgestein) handeln. Ein Staudamm enthält meist eine Dichtung aus Asphaltbeton, die entweder an der wasserseitigen Außenhaut oder als Kerndichtung im Inneren des Dammkörpers sitzt. In letzterem Fall können anstelle von Beton auch natürliche Dichtungsstoffe wie Ton oder Lehm verwendet werden. Zur Vermeidung von Ausspülungen legt man auf der flussabwärts gelegenen Seite des Damms gezielt wasserdurchlässige Dränageschichten an. Staudämme sind allgemein weniger erdbebengefährdet als Staumauern.

 

Staumauern können nur auf unverwittertem, felsigem Untergrund errichtet werden, da sie an ihrer Unterseite ein enormes Gewicht auf relativ kleine Fläche konzentrieren. Die wichtigsten Ausführungsarten sind Gewichtsstaumauern, die dem Wasserdruck durch ihre Eigenlast widerstehen, Bogenstaumauern, die einen erheblichen Teil des Wasserdrucks durch Gewölbewirkung auf die Talflanken übertragen, und Pfeilerstaumauern, bei denen der Wasserdruck auf eine Staumauer wirkt, die durch Stahlbetonpfeiler gestützt wird, welche den Druck in den Untergrund vor der Mauer ableiten. Bei Bogengewichtsstaumauern handelt es sich um eine kombinierte Bauform, bei welcher der Mittelbereich wie eine Bogen-, der Randbereich hingegen wie eine Gewichtsstaumauer konstruiert ist. Der wasserseitige Untergrund einer Staumauer wird zum Schutz gegen Unterspülung mit einem Dichtungsschleier versehen; gebrächer Fels wird dazu durch Injektionen von Tonen, Zementmörtel, Pumpbeton oder Lösung von Chemikalien wasserfest gemacht. Zur weiteren Dichtung ragt der Mauersporn tief in den Fels.

 

Durch die Massigkeit der Betonmauer entstehen spezielle Baustoffprobleme. Die hohe Abbindetemperatur verursacht oft Risse; deshalb wird der Mauerkörper in Baublöcke aufgeteilt. Verzahnte Dehnungsfugen, die mit Kupferblechen, Stahlblechen, Gummi oder Asphalt gedichtet sind, verhindern schädliche Verformungen. Bogenstaumauern lassen sich weniger massiv gestalten als Gewichtsstaumauern. Sie neigen daher weniger zu Rissbildung und sparen zudem Baustoff ein.

 

Zu einer Talsperre gehören allgemein das Stauwerk mit Kontrollgängen und vielseitigen Messeinrichtungen, das Staubecken, die Hochwasserabführanlage, die zum Schutz des Fundaments vor Erosion in Form einer Skischanze ausgebildet ist, das Tosbecken zur Verwirbelung des Fallwassers, der Grundablass und die Entnahmerohre beziehungsweise -stollen. Zahlreiche Instrumente und eingebaute Geräte dienen der laufenden Überwachung des Stauwerks. Die Mauerkrone ist oft zugleich Verkehrsweg. Die Entnahmeöffnungen werden durch hochziehbare Rechen vor Unrat geschützt. Die Grundablässe müssen so tief liegen, dass Geschiebe und Schweb ausgespült werden können. Sie müssen vor Vereisung geschützt werden. Wird die Wasserenergie in Kraftwerkturbinen genutzt, so müssen spezielle bauliche Vorrichtungen zur Wasserspülung für die Entkiesung und Entsandung vorgesehen werden.

 

Manche Dämme verfügen über Lachsleitern, um diesen Fischen das Erreichen ihrer Laichgründe zu ermöglichen. Die Auslassöffnungen von Wasserturbinen müssen Sperrgitter gegen eindringende Lachse haben.

 

Welche Stauwerkbauweise zur Anwendung gelangt, hängt vor allem von der Talform, den geologischen Verhältnissen des Untergrundes und zum Teil auch von den zur Verfügung stehenden Baustoffen ab. Auch die seismische Aktivität im Gebiet der geplanten Talsperre spielt eine Rolle. Bei der Projektierung sind daher umfangreiche Voruntersuchungen erforderlich. Der Boden in der Umgebung des vorgesehenen Standorts muss auf seine Tragfähigkeit hin überprüft werden. Der Druck der Wassermassen auf die Talflanken des Stausees ist ebenso zu berücksichtigen wie der Einfluss auf den Grundwasserspiegel. Hierbei sind Modellversuche und Computersimulationen wichtige Hilfsmittel. Auch dem Geschiebehaushalt des Flusses, also dem mitgeführten Boden- und Gesteinsgut, ist Rechnung zu tragen, sowohl bezüglich der Sedimentierung im zukünftigen Staubecken als auch der verstärkten Erosion des Flussbetts unterhalb der Talsperre.

 

Vor dem Bau einer Talsperre bedarf es umfangreicher Vorarbeiten. Dazu gehören das Umleiten des Flusses, Hochwasserschutzmaßnahmen, das Anlegen von Umlenkstollen und provisorischen Vor- und Rücksperren.

 

In den Kulturländern der Erde existieren unzählige Talsperren verschiedenster Bauweise und Größe, die man nach der Höhe der Sperrbauwerke oder nach dem Wasserinhalt des Staubeckens beurteilen und vergleichen kann. Die höchste Talsperre Deutschlands ist die 1959 vollendete Rappbode-Talsperre im Harz. Sie ist 106 Meter hoch, 450 Meter lang und fasst 109 Millionen Kubikmeter Wasser.

 

Das Drei-Schluchten-Projekt

 

Eines der größten Staubecken der Welt befindet sich seit 1994 am Jangtsekiang bei Yichang (China) im Bau. Wegen seiner geographischen Lage wird es Sanxia- oder Drei-Schluchten-Projekt genannt. Die geplante Sperre ist als Gewichtsstaumauer ausgelegt. Sie wird 185 Meter hoch und 1983 Meter lang sein. Die Stauhöhe soll höchstens 175 Meter und das maximale Stauvolumen 40 Milliarden Kubikmeter betragen, wobei das zwischen bis zu 900 Meter aufragenden, steilen Bergwänden gelegene Staubecken weitaus weniger Land verbraucht als ein Stausee in flachem Gelände. Unbeschadet dessen wird sich hinter der Sperre ein mehr als 1000 Quadratkilometer großer, lang gestreckter Stausee bilden, der über die Provinz Hubei bis tief nach Sichuan hinein reichen und den Wasserpegel — mehr als 600 Kilometer entfernt — noch in Chongqing anheben wird. Das Projekt soll im Jahr 2009 abgeschlossen sein.

 

Hauptzielsetzungen dieses Projekts sind die Verhinderung der am Jangtsekiang immer wieder aufgetretenen Überflutungskatastrophen und die Verbesserung der Energieversorgung. Zur Regulierung des Wasserstandes wird das Wasser während der regenreichen Jahreszeit (Mai bis September) auf die maximale Höhe von 175 Metern gestaut. Bei diesem Pegel kann die Kapazität der Generatoren voll ausgeschöpft werden, ohne mit übermäßiger Sedimentation rechnen zu müssen. In den nachfolgenden vergleichsweise trockenen Monaten wird der Pegel langsam auf 155 Meter gesenkt. Kurz vor der nächsten Regenperiode wird der Wasserstand auf minimale 145 Meter gesenkt, um Platz für die ankommenden Wassermassen zu schaffen. Die damit geschaffene Aufnahmekapazität beträgt ungefähr 22 Milliarden Kubikmeter. Die Durchflussgeschwindigkeit von 84 000 Kubikmeter pro Sekunde ohne Staudamm lässt sich so auf beherrschbare 57 000 Kubikmeter pro Sekunde senken. Wenn der Damm fertig gestellt ist, erhofft man sich eine Leistung von insgesamt 17 680 Megawatt, die in 26 Generatoren erzeugt werden. Der Großteil der gewonnenen Energie soll nach Shanghai fließen, über eine Entfernung von mehr als 1200 Kilometern.

 

Ein weiterer Vorteil besteht in der Verbesserung der Binnenschifffahrt auf dem Jangtsekiang. Heute können bis Chongqing, dem wichtigsten Binnenhafen Chinas, nur 3000-Tonnen-Schiffe fahren, bedingt durch Stromschnellen und Untiefen. Nach Fertigstellung der Sperre werden dann 10 000-Tonnen-Frachter bis Chongqing verkehren können. Durch die Erhöhung der Transportkapazität lassen sich enorme Kosten einsparen. Den Höhenunterschied von 113 Metern werden die Schiffe über zwei Schleusenstraßen — eine für Flussaufwärtsfahrten und eine für Abwärtsfahrten, mit je fünf Schleusen — überwinden. Die Schleusenkammern werden jeweils 34 Meter breit und 280 Meter lang sein.

 

Das Projekt ist jedoch mit einer Reihe von Nachteilen und Problemen verbunden. Um das Wasser aufstauen zu können, müssen etwa 1,3 Millionen Menschen umgesiedelt werden, was soziale Unruhe verursacht. Zahllose historisch bedeutende Orte und malerische Landschaft werden in den Fluten versinken. Nur wenige der betroffenen Sehenswürdigkeiten sollen durch Auslagerung gerettet werden. Umweltschützer befürchten zudem das Aussterben des chinesischen Flussdelphins durch die drastische Veränderung des Ökosystems. Absehbar ist auch, dass das Sanxia-Staubecken — wie die anderen Talsperren des Landes auch — mit hoher Sedimentbelastung zu kämpfen haben wird.

 

Wie bei den meisten ingenieurbaulichen Großvorhaben zeigen sich auch am Beispiel des Sanxia-Projekts, dass ökonomischen Aspekten vor ökologischen, sozialen und kulturell-historischen Gesichtspunkten Vorrang gewährt wird.

 

Dipl.-Ing. Dieter Stein

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Brücken: Die verschiedenen Konstruktionsformen

 

Literatur:

 

Flüsse und Kanäle. Die Geschichte der deutschen Wasserstraßen. Die Entwicklung der Wasserwege unter dem Einfluß von Recht, Politik, Wirtschaft, Verwaltung, Wasserbau und und Schiffahrt, herausgegeben von Martin Eckoldt. 2 Bände Hamburg 1998.

 

Grundlagen des Wasserbaus. Hydrologie, Hydraulik, Wasserrecht, Beiträge von Wolfgang Schröder u. a. Düsseldorf ³1994.

 

Historische Talsperren, bearbeitet von Günther Garbrecht.2 Bände. Stuttgart 1987-91.

 Kaczynski, Jürgen: Stauanlagen, Wasserkraftanlagen. Düsseldorf ²1994.

 Kühn, Günter: Der maschinelle Wasserbau. Stuttgart 1997.

 Kutzner, Christian: Erd- und Steinschüttdämme für Stauanlagen. Grundlagen für Entwurf und Ausführung. Stuttgart 1996.

 Striegler, Werner: Dammbau in Theorie und Praxis. Berlin u. a. ²1998.

 

Talsperren in der Bundesrepublik Deutschland, herausgegeben vom Nationalen Komitee für Große Talsperren in der Bundesrepublik Deutschland - DNK. Bearbeitet von Peter Franke und Wolfgang Frey. Berlin 1987.