Ergänzende erdbebenrelevante Problemstellungen

Schluchseewerk AG
Säckinger Str. 67
79725 Laufenburg
Deutschland
Berichte zur Erdbebensicherheit – Teil 3/3:
Ergänzende erdbebenrelevante Problemstellungen
30. November 2015
ATD-GE-PFA-F.03-00400-STU-Erdbebensicherheit_Teil3Ergaenzg-Z.0
Ergänzende erdbebenrelevante Problemstellungen
II
Rev.
6
Datum
24.5.2012
Erstellt
Studer
Geprüft
Weber
7
05.06.2013
Weber
8
30.06.2014
Z.0
30.11.2015
Weber
1
(
Weber
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Weber
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Weber
Weber
Anmerkung
Ergänzungen nach Kommentaren des
SED
redaktionelle Änderungen
Ergänzungen nach Kommentaren
LRA
Ergänzungen nach Kommentaren
LRA
1
( Dr. Jost A. Studer ist am 8. Januar 2013 an Herzversagen verstorben. Der Bericht ist inhaltlich im Wesentlichen unverändert.
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III
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung
1
2
Erdbebeninduzierte Wasserwellen
2.1 Begriffsklärung
2.2 Seiches
2.3 Impulswellen
1
1
1
5
3
Reservoirinduzierte Seismizität und Mikrobebennetz
5
4
Starkbebeninstrumentierung der Dammkörper
6
5
Referenzen
7
Abbildungsverzeichnis
Abb. 2.1: Entstehung von erdbebeninduzierten Seiches (Quelle: Prof. Brennan, Geneseo State Univ.
of New York) .................................................................................................................................. 2
Tabellenverzeichnis
Tab. 2.1:
Tab. 2.2:
Effekte von Seiches in Talsperren in Britisch Columbia, Kanada, nach dem Denali Alaska
Erdbeben vom 3. November 2002 mit Magnitude M w 7.9 (Little & Scott 2004)........................... 3
Erdbebeninduzierte Seiches vom Alaska Erdbeben 1964 mit Magnitude M w 9.2 (McGarr
& Vorhis 1968), Höhenangaben der Seiches in Fuss (ft.)............................................................... 4
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1
Einleitung
Das vorliegende Dokument behandelt Problemstellungen zum Thema Erdbeben, die ergänzend zur
seismischen Gefährdung des Standortes PSW Atdorf und zur Bemessung der Absperrbauwerke betrachtet werden, bzw. gibt Hinweise zu weitergehenden Analysen.
2
Erdbebeninduzierte Wasserwellen
2.1
Begriffsklärung
Erdbebeninduzierte Wasserwellen können verschiedene Ursachen haben. In der populären wie auch in
der Fachliteratur werden die Begrifflichkeiten häufig unterschiedlich verwendet. Folgende Begriffe
haben sich etabliert:
2.2
•
Tsunami: Durch Bruchvorgänge am Meeresboden erzeugte Meereswellen. Sie können bei
Magnituden grösser 7 entstehen. Der Wellenauflauf an der Küste kann dabei mehrere Meter
betragen. Tsunamis sind für den Standort Atdorf nicht von Relevanz.
•
Seiches: a) Durch Oberflächenwellen eines Erdbebens induzierte stehende Schwallwellen in
einem Becken, See oder Meeresarm. Diese Form der Wellen wird im folgenden Abschnitt 2.2
näher betrachtet.
•
Seiches: b) Durch grosse Bodenbewegungen infolge von Bruchvorgängen an einer Verwerfung im Becken oder in unmittelbarer Nähe des Beckens hervorgerufene Schwallwellen. Dieser Prozess ist vergleichbar mit Tsunamis im Meer, wird aber für Binnengewässer als Seiches
bezeichnet. Diese Seiches können je nach Stärke der Bodenbewegung recht gross sein. Bei
den Ereignissen am Hebgen Lake im Jahr 1959 wurde der Staudamm aufgrund von Seiches
mehrfach für je 20 min überströmt, aber nicht erodiert.
Dieser Fall kann für das PSW Atdorf aufgrund der tektonischen Situation ausgeschlossen
werden, da keine diesbezüglich potenten Verwerfungen durch die Becken verlaufen.
•
Impulswellen: Durch erdbebeninduzierte Erdrutschungen ausgelöste Wasserwellen im Reservoir. Hinweise zur Analyse solcher Wellen werden im Abschnitt 2.3 gegeben.
Seiches
Seiches werden stehende Wellen in einem beckenartigen wassergefüllten Gefäss genannt. Sie können
in Seen, Buchten, Becken von Schwimmbädern und grossen Wassertanks beobachtet werden. Der
Name stammt vom Schweizer Hydrologen Forel (1873), der Seiches im Genfer See beobachtet und
beschrieben hat. Der Name stammt vom lokalen Dialekt und bedeutet hin und her schwappen. Es handelt sich um langperiodische Wellenbewegungen, die meist vom Auge praktisch nicht erkannt und nur
über kontinuierliche Pegelmessungen erfasst werden können.
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Abb. 2.1:
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Entstehung von erdbebeninduzierten Seiches (Quelle: Prof. Brennan, Geneseo State
Univ. of New York)
Neben meteorologischen Ursachen, wie Sturm und extreme Druckschwankungen, können Seiches
auch durch Erdbeben ausgelöst werden (siehe Abb. 2.1). Die stärksten beobachteten Seiches sind
durch meteorologische Ursachen erzeugt worden. Erdbebeninduzierte Seiches werden von tieffrequenten Oberflächenwellen, die das Reservoir durchquerenden, erzeugt. Deshalb sind Seiches primär bei
Erdbeben mit grossen Magnitude (M 7 und höher), in grossen Distanzen vom Epizentrum und bei
Standorten mit einem Untergrund aus mächtigen Lockergesteinsschichten zu beobachten. Dann ist mit
dominanten Erschütterungen aus tieffrequenten Oberflächenwellen und infolge der relativ lang andauernden Erschütterungen auch mit Resonanzeffekten zurechnen. Die tiefste Eigenperiode des Reservoirs lässt sich wie folgt abschätzen:
Wobei L die Länge des Reservoirs, h die mittlere Tiefe und g die Erdbeschleunigung ist. Die harmonischen Oberschwingungen ergeben sich durch Multiplikation mit den Faktoren 2, 3 etc.
Erdbeben induzierte Seiches sind zwar oft beobachtet, bis jetzt aber nicht als relevante Gefährdungsgrössen für Talsperren betrachtet worden. Die nachstehenden Tabellen, Tab. 2.1 und Tab. 2.2, beinhalten Angaben zu Seiches aus Little & Scott (2004) sowie McGarr & Vorhis (1968) nach den Denali
Alaska Erdbeben von 2002 bzw. dem Alaska Erdbeben 1964 mit Magnituden M w 7.9 bzw. 9.2. Die
grössten gemessenen Wellenhöhen betrugen 0.18 m (18 cm) für das Denali Alaska Erdbeben von 2002
und 0.56 m (1.83 ft.) für das Alaska Erdbeben von 1964.
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Tab. 2.1:
Effekte von Seiches in Talsperren in Britisch Columbia, Kanada, nach dem Denali
Alaska Erdbeben vom 3. November 2002 mit Magnitude M w 7.9 (Little & Scott 2004)
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Tab. 2.2:
Erdbebeninduzierte Seiches vom Alaska Erdbeben 1964 mit Magnitude M w 9.2
(McGarr & Vorhis 1968), Höhenangaben der Seiches in Fuss (ft.)
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Das Basler Erdbeben von 1356 mit Magnitude M w 6.9 ist das in Europa stärkste historisch beobachtete
Erdbeben nördlich der Alpen. Das Epizentrum des Erdbebens liegt etwa 27 km vom PSW Atdorf entfernt. In dieser kurzen Distanz haben sich die Oberflächenwellen eines möglichen erneut starken Erdbebens noch nicht vollständig ausgebildet. Es ist deshalb nicht mit einer richtigen Anregung von Seiches durch solch ein Erdbeben zu rechnen.
Wie Tab. 2.1 und Tab. 2.2 zeigen, sind bei dem Denali Alaska Erdbeben von 2002 (M w 7.9) und dem
Alaska Erdbeben 1964 (M w 9.2) maximale peak-to-peak Wellenhöhen von 18 cm bzw. 56 cm beobachtet worden. Da die Magnituden der beiden Erdbeben wesentlich über der Magnituden eines möglichen erneuten Basler Erdbebens liegen und sich die Oberflächenwellen des Erdbebens aufgrund der
kurzen Distanz noch nicht voll ausgebildet haben, darf die Gefahr von Seiches, die zu einem überspülen der Abschlussbauwerke des PSW Atdorf führen, ausgeschlossen werden.
Empfehlung:
Seiches sind bei einer konservativen regelkonformen Freibordbemessung der Absperrbauwerke des
PSW Atdorf ausreichend berücksichtigt und brauchen nicht weiter untersucht werden.
2.3
Impulswellen
Durch Abrutschen von Fels- und Lockergesteinsmassen in ein Reservoir können Impulswellen erzeugt
werden. Die Höhe der Impulswellen ist abhängig vom Volumen der Rutschmasse und der Eintauchgeschwindigkeit. Dieses Phänomen ist relativ gut erforscht und entsprechende Berechnungsansätze existieren. Heller et al. (2008) zeigen, wie Impulswellen berechnet werden können, die durch Erdrutsche
erzeugt werden. Dabei werden die Berechnungsschritte "Wellengenerierung und Ausbreitung", "Wellenauflauf und Überschwappen" sowie "Wellenkrafteinwirkung" unterschieden. Ferner sind Einflusse
aus abweichenden Modellannahmen zur vorliegenden realen Situation zu bestimmen. Erdrutschinduzierte Impulswellen können potentiell am Unterbecken des PSW Atdorf auftreten. Die mögliche Grösser solcher Wellen und deren Auswirkungen sind zu untersuchen.
Impulswellen können potentiell auch durch Erdrutsche unter Wasser ausgelöst werden. Über Beobachtungen und Analysen solcher Wellen ist wenig bekannt. Aufgrund der Überlegung, dass die Rutschgeschwindigkeit unter Wasser kleiner und die Fallhöhen geringer als bei Erdrutschen oberhalb des Reservoirs sind, kann man davon ausgehen, dass die Wellenhöhen kleiner sind. Trotzdem sollten auch zu
diesem Phänomen Untersuchungen durchgeführt werden.
Empfehlung:
Für das PSW Atdorf sollten potentielle Rutschmassen am Unterbecken evaluiert und daraus resultierende Impulswellen analysiert werden. Dies betrifft Rutschungen oberhalb des Reservoirs sowie Rutschungen unter Wasser. Im Fachbericht F.VIII zum Planfeststellungsverfahren des PSW Atdorf wird
diese Analyse geführt.
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Reservoirinduzierte Seismizität und Mikrobebennetz
Erdbeben aufgrund reservoirinduzierter Seismizität (RTS, reservoir triggered seismicity) wurden erstmals beim Aufstau des Lake Mead (USA 1935) beobachtet. Signifikante Schäden an Absperrbauwerken infolge reservoirinduzierter Seismizität sind seit den 1960-er Jahren bekannt. Heute herrscht
Übereinstimmung, dass RTS die Reaktion der lokalen Erdkruste auf den Reservoiraufstau ist. Dazu
müssen bestimmte Gegebenheiten bestehen. Es müssen Bruchzonen im Untergrund vorhanden sein,
die bereits nahe dem Bruchzustand liegen, damit ein Erdbeben ausgelöst wird. Nur so kann der durch
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den Aufstau des Reservoirs induzierte Porenwasserdruck in den Bruchzonen und der durch die Belastung erhöhte Spannungszustand in der lokalen Kruste ein Erdbeben auslösen. Man ist heute der Auffassung, dass aus oben dargelegten Überlegungen induzierte Erdbeben nicht stärker sein können, als
das seismische Potential der Bruchzone. Die größte bis heute beobachtete Magnitude beträgt 6.3
(Konya-Damm, Indien; Allen 1979). Bis heute sind nur wenige RTS in der Größenordnung von Magnitude größer gleich 6.0 beobachtet worden; hingegen eine Vielzahl (tausende) mit zum Teil sehr kleinen Magnituden.
In der vorliegenden seismischen Gefährdungsberechnung ist die Größenordnung derartiger Erdbeben
durch die Ermittlung der Bemessungswerte berücksichtigt bzw. abgedeckt.
Während es in seismisch aktiven Gebieten relativ einfach ist, das seismische Potential abzuschätzen,
ist dies für seismisch weniger aktive Gebiete, wie es der Schwarzwald darstellt, nur mit größeren Unsicherheiten möglich. Sowohl das Haselbecken als auch das Oberbecken besitzen relativ kleine Reservoirvolumina. Die Höhe des Absperrbauwerkes über dem heutigen Terrain beträgt beim Haselbecken
63.7 m und beim Oberbecken maximal 60.0 m.
ICOLD (2004) empfiehlt bei Absperrbauwerken mit Höhen über 100 m vorzeitig, d. h. vor Baubeginn,
ein lokales Schwachbebennetz, um die lokale Seismizität vor Aufstau zu ermitteln und den Aufstau zu
überwachen.
Empfehlung:
Da bis jetzt keine Daten über Mikrobeben in der Gegend der Anlage Atdorf vorhanden sind, wird es
als sinnvoll erachtet, genügend zeitig vor Baubeginn ein solches Netz einzurichten und einen ausreichenden Zeitraum nach dem ersten Einstau zu betreiben. Das Mikrobebennetz fokussiert primär auf
das Unterbecken. Mit einem entsprechend ausgelegten Messsystem lassen sich auch Aussagen über
den Bereich des Oberbeckens treffen.
4
Starkbebeninstrumentierung der Dammkörper
In seismisch aktiven Gebieten gehört eine minimale seismische Instrumentierung zur Standardausrüstung von Stauanlagen. Sie dient dabei primär 2 Zwecken:
• Nach einem starken Erdbeben sind durch die Messungen die Erschütterungen und damit die
Belastung der Absperrbauwerke bekannt. Diese Datengrundlage erleichtert die Überprüfung
des Absperrbauwerkes. Hierzu sind nur wenige Instrumente notwendig.
• Mit den Messdaten eines Erdbebenereignisses kann bei genügender Anzahl von Messgeräten
das der Bemessung der Sperre zugrundegelegte Berechnungsmodell überprüft und - falls notwendig - verbessert werden. Hierzu sind jedoch mehr Instrumente als oben genannt erforderlich.
In seismisch wenig aktiven Gebieten ist die Notwendigkeit einer seismischen Instrumentierung oft in
Frage gestellt, da mit einer beschränkten Anzahl und zudem schwachen Ereignissen zu rechnen ist.
Die Instrumentierung ist nur dann sinnvoll, wenn ein lückenloser Unterhalt, der die jederzeitige Aufnahmebereitschaft garantiert, vorhanden ist. Die Erfahrung zeigt, dass viele Aufzeichnungen verpasst
werden, da z. B. Batterien nicht geladen oder Datenleitungen unterbrochen sind.
DIN 19700 schreibt keine Registrierung von Erdbebenvorgängen vor (vgl. u. a. DIN 19700-10 und
DIN 19700-11). In besonderen Fällen kann aber eine Instrumentierung erforderlich werden.
Zur Bauwerksüberwachung bei Talsperren wird gefordert (vgl. Kapitel 4.4 in DWA-M 514, 2011):
„Nach dem Eintreten eines Erdbebens, welches stärker als das Betriebserdbeben ist, müssen eine visuelle Kontrolle des Bauwerkes und Sondermessungen an wichtigen Messstellen (Stabilität gegenüber
dem Widerlager, Sohlenwasserdruck, Sickerwasser) durchgeführt und dokumentiert werden.“
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Empfehlung:
Es wird empfohlen zu prüfen, ob eine minimale Ausrüstung zur Überprüfung nicht sinnvoll wäre. Diese minimale Instrumentierung besteht aus:
• Hauptsperre: 1 Aufnehmer in Kronenmitte, 1 Aufnehmer auf Fels nahe der Fundation (Freifeld)
• Abschlussdamm II: 1 Aufnehmer in Kronenmitte
• Oberbecken: 1 Aufnehmer im Bereich der Krone des höchsten Querschnittes, 1 Aufnehmer
auf Fels in der Nähe des höchsten Querschnitts (Freifeld)
Im Bericht B.VI des Planfeststellungsverfahrens PSW Atdorf wurde diese Empfehlung aufgenommen.
5
Referenzen
Allen, C.R. (1979) Reservoir induced earthquakes and engineering policy. Proceedings of Research
Conference on Intro-Continental Earthquakes. Ohrif, Yugoslavia.
DIN 19700-10 (2004) Stauanlagen – Teil 10: Gemeinsame Festlegungen. Deutsches Institut für Normung e.V. Juli 2004. Beuth Verlag GmbH.
DIN 19700-11 (2004) Stauanlagen – Teil 11: Talsperren. Deutsches Institut für Normung e.V. Juli
2004. Beuth Verlag GmbH.
DWA-Merkblatt 514 (2011) Bauwerksüberwachung an Talsperren. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, DWA.
Forel, F.A. (1873) Études sur les seiches du lac Léman. Lausanne.
Heller, V., Hager, W.H. & H.-E. Minor (2008) Rutscherzeugte Impulswellen in Stauseen, Grundlagen
und Berechnung. Mitteilung 206 der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zürich.
ICOLD (2004) Reservoirs and seismicity - state of knowledge. ICOLD committee on seismic aspects
of dam design. International Committee on Large Dams
Little, T.E. & Scott, D.L. (2004) Effects of the 03 November 2002 M7.9 Alaska earthquake measured
at dams in Britisch Columbia, Canada. XIII World Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.C., Canada. August 1-6 2004. Paper No. 1827.
McGarr, A. & Vorhis, R.C. (1968) Seismic seiches from the March 1964 Alaska Earthquake. United
States Department of the Interior, Geolocical Survey. Professional Paper 544-E.
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