Rheinkraftwerk Iffezheim

1. Aufgabenstellung

Die Staustufe Iffezheim liegt bei Rhein-km 334,0 auf der rechten Rheinseite in einer Achse mit Wehr, Rheinabschlussdamm und Schleuse. Es ist das zehnte und letzte Kraftwerk der Oberrheinkette nördlich von Basel. Das bestehende Kraftwerk wurde 1978 in Betrieb genommen. Es ist eines der größten Laufwasserkraftwerke in Europa und besitzt derzeit vier große Rohrturbinen. Im Zuge der Erweiterung des Rheinkraftwerks Iffezheim, einem Gemeinschaftskraftwerk der EnBW Kraftwerke AG und EDF Electricité de France, mit Einbau einer fünften Rohrturbine ist die Herstellung von drei Baugruben erforderlich, die Oberwasser-Baugrube (Einlauf), die HBG (Kraftwerk) und die Unterwasser-Baugrube (Saugschlauch und Auslauf). Sämtliche Baugruben befinden sich innerhalb einer an das bestehende Kraftwerk anschließenden anschließenden Inseldammes innerhalb des Rheins. Das Baufeld wird gequert von der Bundesstraße B500 und einer Fischaufstiegsanlage, die beidewährend der gesamten Baumaßnahme in Betrieb zu halten waren.

2. Beschreibung der Konstruktion

Nach umfangreichen Vorplanungen und Konzeptstudien durch die EnBW Kraftwerke AG und den Entwurfsplaner RMD-Consult GmbH wurde die Hauptbaurube mit den Abmessungen von 51 m auf 36 m und einer Aushubtiefe von ca. 34 m als ovale Baugrube (korbbogenförmige Baugrube) mit rückverankerter Unterwasserbetonsohle geplant. Eine Rückverankerung der Baugrubenwände ist insbesondere aufgrund der benachbarten Kraftwerksbauten nicht möglich, Steifen hätten den Kraftwerksbau massiv behindert.

Die Baugrubenwand besteht aus im Greiferverfahren hergestellten Schlitzwänden (d = 1,50 m). Zur Annäherung an die Bogenform wurde die Schlitzwand als Polygon mit Segmentlängen von ca. 3,2 m hergestellt. Die Schlitzwandlamellen sind mit Abschalelementen aus Stahlbeton (Dicke 35 cm) voneinander getrennt. Die horizontale Bewehrung ist an den Fugen nicht durchgängig, dadurch konnten bei der Schlitzwandherstellung, im Gegensatz zu einer durchgängig geführten Bewehrung Arbeitsabläufe gespart werden und eine deutliche Beschleunigung der Herstellung erzielt werden. Nach der Herstellung der Schlitzwand wurde ein Kopfbalken sowie nach einem Voraushub ein Druckring hergestellt. Der Kopfbalken ist dabei biegesteif an die Schlitzwandlamellen angeschlossen. Zwischen Druckring und Schlitzwand ist größtenteils nur eine Übertragung von Druckkräften möglich.

Den unteren Abschluß der Baugrube stellte eine 3 m dicke Unterwasserbetonsohle dar, die mit Mikropfählen in einem Rasterabstand von 2 m und einer Länge von 35 m gegen den Auftrieb rückverankert wurde.

3. Wahl der Baustoffe

• Schlitzwände, Kopfbalken und Druckring Stahlbeton: C30/37, BSt 500
• Unterwasserbetonsohle: Unbewehrt C20/25
• Mikropfähle: Stahlzugglied GEWI 63,5 mm Stahlgüte S 555/700

4. Besondere Ingenieurleistung

Aufgrund der Form der Hauptbaugrube und der asymmetrischen Belastungsrandbedingungen sowie der gegenseitige Interaktion der Baugruben u.a. bei Aushub der UW-Baugrube mit teilausgesteifter HBG (Bettungsreduktion infolge Aushub der UW-Baugrube) war im Zuge der Ausführungsplanung eine vereinfachte analytische Berechnung bzw. eine Berechnung unter Verwendung von Strukturmodellen aus dem konstruktiven Ingenieurbau (z.B. mit Schalenmodellen) nicht möglich. Grundvoraussetzung der Modellierung war, dass neben den Bauteilen auch der umgebende Boden mit Elementtypen und Stoffgesetzen in einem entsprechenden bodenmechanischen dreidimensionalen FEM-Kontinuumsmodell mit erfasst wurde.

Dabei wurden die HBG, der anstehende Baugrund, aber auch die vorhandene Nachbarbebauung berücksichtigt. Insbesondere war es erforderlich, das in westlicher Richtung dicht an die HBG anschließende bestehende Kraftwerk sowie die im Bereich der HBG liegenden Ufermauern (Schwergewichtsmauern) in ihrer Lage und ihren Abmessungen realitätsnah zu modellieren. Des Weiteren waren auch die angrenzende Oberwasser- und Unterwasserbaugrube in das Modell mit einzubeziehen, da aufgrund der baubetrieblichen Abläufe schon mit dem Aushub in den benachbarten Baugruben zu beginnen war, während in der HBG durch den Einbau des Kraftwerkes jeweils teilausgesteifte Zustände vorhanden waren. Insofern war eine gegenseitige Interaktion zwischen den Einzelbaugruben verbunden mit einem ständigen Wechsel der Bettungsverhältnisse der Baugrubenwände der HBG während der Bauausführung sowie auch Teilrückbauzustände während des Kraftwerkseinbaus zu erfassen. Auch der Kraftfluss von der HBG in die Schlitzwände der UWBaugrube und die dortige Ableitung in den Baugrund war von wesentlicher Bedeutung.

Bei der Anwendung von entsprechend komplexen numerischen Berechnungsmodellen zur Dimensionierung von Bauteilen ist eine Überprüfung und Verifizierung des Berechnungsmodells erforderlich. Dies erfolgte durch Plausibilitätsbetrachtungen, insbesondere hinsichtlich der Größe der berechneten Erddrücke auf die Verbauwände. Zur weiteren Überprüfung und Verifizierung des Berechnungsmodells wurden eine Vielzahl von sog. Sensitivitätsstudien durchgeführt. Hierbei wurden die unterschiedlichen Eingabeparameter variiert, um deren Einfluss bzw. die Sensitivität des Gesamtmodells zu untersuchen und um zu analysieren, inwieweit die für die Nachweise der Bauteiltragfähigkeit erforderlichen Schnittgrößen ggf. durch Baugrundschwankungen, geometrische Imperfektionen oder Laststellungen beeinflusst werden können.

Da bei bodenmechanischen FEM-Programsystemen keine programminterne Stahlbetonbemessung mit Ausgabe der erforderlichen Bewehrungsgrade möglich ist, erfolgte die Stahlbetonbemessung der Bauteile durch Transformation der aus dem Kontinuumsmodell erhaltenen Schnittgrößen unter Berücksichtigung der unsymmetrischen Randbedingungen. Zur Verifizierung der Bauteilbemessung, insbesondere in den hochbelasteten Übergangsbereichen von HBG zu OW-und UWBaugrube wurde ein zusätzliches dreidimensionales Strukturmodell aufgestellt und an der bodenmechanischen Kontinuumsmodellberechnung kalibriert. Dabei zeigten die Vergleichs- und Kalibrierungsberechnungen im Strukturmodell, dass Ableitungen eines linearen Bettungsmoduls auf Grundlage der Steifemodulangaben im Baugrundgutachten nicht realistisch gewesen wären.

Nur durch die besondere Ingenieurleistung unter Verwendung des dreidimensionalen bodenmechanischen Kontinuumsmodells konnte überhaupt eine Bemessung der korbbogenförmigen (ovalen) Baugrube unter Berücksichtigung der asymmetrischen Einwirkungen und Bettungsverhältnisse erfolgen. Da eine konventionelle, rechteckige Baugrube aufgrund der geometrischen und insbesondere wirtschaftlichen Randbedingungen nicht realisierbar war, konnte erst hierdurch die Erweiterung des Rheinkraftwerks Iffezheim ermöglicht werden.

Erläuterungsbericht der Kempfert + Partner Geotechnik zur Einreichung beim Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015