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Bauempfehlungen und ökologische Anforderungen an Kreuzungsbauwerke in Fließgewässern mit Feld- und Waldwegen

Gewässer-Nachbarschaft Mittlere Fulda & Werra

am 25. August 2010 in Waldkappel

Fotos: Werner Gleim und Herbert Diehl

25.08.2010 | Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 1

Foto: Heinz Patt

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung

2. Allgemeines

3. Hydraulische Berechnung

4. Einbauempfehlungen

5. Ökologische Anforderungen an Kreuzungsbauwerke

6. Beispiele von Kreuzungsbauwerken


Foto: Heinz Patt

Einführung

In den letzten Jahrhunderten wurden viele Gewässer zur Schaffung von Agrarflächen, zur Nutzung der Wasserkraft und zur Schiffbarmachung begradigt, verlegt, mit Ufersicherungen versehen und aufgestaut.

Dies hat zu einer erheblichen Verarmung des aquatischen und des amphibischen Lebensraumes (wechselfeuchter Uferbereich) geführt. Insbesondere die natürliche Vernetzung der Fließgewässer wurde durch eine große Anzahl von Querbauwerken so stark beeinträchtigt, dass die notwendige Wanderung vieler Arten der Fischfauna und der aquatischen Wirbellosen nicht oder nur noch eingeschränkt möglich ist.

Aber nicht nur die Herstellung von Wehren und Stauanlagen haben die Wanderung im aquatischen Lebensraum unterbunden. Jeder Durchlass und jede Verdolung eines Gewässers kann besonders bei kleinen Gewässern zu einer Unterbrechung der Durchgängigkeit führen.


Foto: Heinz Patt

Allgemeines


Foto: Heinz Patt

Kreuzungsbauwerke

Definition

„Durchlässe sind Kreuzungsbauwerke, die eine erhebliche Einengung im offenen Gewässer verursachen. (DIN 19661, Teil 1)“

„Kreuzungsbauwerke sind Anlagen zur Überwindung eines Hindernisses, die eine besondere konstruktive Ausbildung erfordern.“

„Die häufigsten Kreuzungsbauwerke sind Durchlässe, in denen das Gewässer - meist - durch einen Straßen- oder Bahndamm hindurchgeleitet wird.“


Foto: Heinz Patt

Kreuzungsbauwerke

• Kreuzungsbauwerke mit einer lichten Weite unter zwei Meter werden als Durchlass, größer zwei Meter als Brücken (DIN 1076) bezeichnet.

• Durchlässe werden aus vorgefertigten Rohren (unterschiedlicher Materialien), Spundwänden mit Stahlbetonplatten, am häufigsten jedoch aus Stahlbetonrohren oder gewellten Stahlblechprofilen oder Betonfertigteilen erstellt.

• Weiterhin gibt es verschiedene Arten von Durchlässen. Beispiel: Rohrdurchlässe, die aus vorgefertigten Rohren aus Beton, Steinzeug oder Kunststoff hergestellt werden. Dabei wird meist der Kreisquerschnitt verwendet, da dieser das günstigste Profil aus Sicht der Statik und Hydraulik darstellt.


Foto: Heinz Patt

Hydraulische Bemessungsgrundlagen


Foto: Heinz Patt

Bemessungsgrundsätze

Kreuzungsbauwerke

Kreuzungsbauwerke sind Brücken, Durchlässe und Düker. Um ein Kreuzungsbauwerk planen und hydraulisch bemessen zu können, benötigt man für das zu kreuzende Gewässer folgende Angaben:

• Längsschnitt

• Querprofile oder Regelprofile

• Gefälle

• Bemessungsdurchfluss

• Abflusstiefe beim Bemessungsdurchfluss

• Fließgeschwindigkeit beim Bemessungsdurchfluss


Foto: Heinz Patt


1. Eine wichtige Größe für die Bemessung ist weiterhin der zulässige Aufstau.

2. Bei dicht hintereinander liegenden Bauwerken ist zu prüfen, ob sich die Aufstaue überlagern.

3. Der zulässige Aufstau ist im Zusammenhang mit der Häufigkeit des Bemessungshochwassers zu sehen und richtet sich nach der Schadensempfindlichkeit oberhalb des Kreuzungsbauwerkes.

4. Maßgebend für die Stauweite ist u. a. das Gefälle eines Gewässers.


Foto: Heinz Patt

Abflussvorgänge an Durchlässen

Der Durchlass läuft nicht voll. Es tritt kein Fließwechsel ein. Rückstau ist möglich

Der Durchlass läuft nicht voll. Es tritt Fließwechsel auf. Die Deck-walze verhindert die Auswirkung des Rückstaus

Der Durchlass läuft nicht voll. Tritt nach dem Durchlass Fließwechsel auf, so kann sich der Rückstau nicht auswirken.

Der Durchlass läuft voll. Es tritt kein Fließwechsel ein. Rückstau wirkt sich voll aus.

Aus: Richtlinie für die Anlage von Straßen RAS, Teil Entwässerung RAS-Ew (2005), Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, AG Erd- und Grundbau, FGSV Verlag Köln


Foto: Heinz Patt


Berechnungsformel



Foto: Heinz Patt

Bemessung von Rohrdurchlässen nach der RAS-Ew

Aufstauberechnung nach der DIN 19661–1

Z = (1,5 x Reibungszahl x L/D) x v²/2g – (I x L)

Reibungszahl bei kb = 1,5 mm > 0,0179

Aufstauberechnung nach RAS - EW

dh= Q²x(8/(9,81xπ²xD^4)x(1,5+19,62xL/ks²x(D/4)^1,333)))


25.08.2010

Bemessung von Rohrdurchlässen nach der RAS-Ew

| Kreuzungsbauwerke an Fließgewässern 12


25.08.2010

Berechnung von kompakten Gerinnen


Kompaktes Gerinne mit unterschiedlichen Rauheiten. Mit entsprechenden Berechnungsverfahren kann ein „gewichteter“ äquivalenter kst-Wert ermittelt werden. Verfahren nach EINSTEIN/HORTON).Wenn nur eine Rauheit z.B. einem Betonprofil vorliegt, kann die Berechnung in einem Schritt erfolgen.

Quelle: Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg Hydraulik naturnaher FließgewässerKarlsruhe 2002

25.08.2010

Berechnung von kompakten Gerinnen


Beispiel:Q = 3,00 m³/sm =1:3 , kst = 30Energiegefälle 0,003 Sohlbreite: 3,00 mGeschätzte Wassertiefe = 0,64mA = 3,1488 m²V = 0,95774 m/s

Die maßgebliche Wassertiefe muss durch Iteration ermittelt werden oder ergibt sich durch die Bauwerkshöhe.

Quelle: Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg Hydraulik naturnaher FließgewässerKarlsruhe 2002

25.08.2010

Sammlung von Rauheitsbeiwerten nach Manning - Strickler


Natürliche Flüsse

1. kleinere Flüsse mit HW - Abflussbreite < 30 m a) gleichmäßiger gerader Verlauf, kleine Gräben oder tiefe Mulden, bordvollb) gleichmäßig gewunden, einige Mulden und Untiefen 22 - 30 c) mit Stillwasserbereichen, verkrautet, tiefe Mulden 13 - 20 d) sehr verkrautete Bereiche, tiefe Mulden oder Vorländer mit dichtem Baumbestand und Unterholz

2. Gebirgsflüsse, ohne Vegetation im Flussbett, steile Böschungen, Bäume und Gebüsch entlang der Ufer bei HW überschwemmt

a) Boden: Kies, Steinbrocken, einzelne Felsblöckeb) Boden: Steinbrocken mit großen Felsbrocken

Vorländer 1. Wiese

a) kurzes Grasb) hohes Gras

2. Vorland Gestrüpp

a) verstreutes Gestrüpp, dichtes Unkraut 14 - 29 b) mittleres bis dichtes Gestrüpp, im Winter 9 - 22 c) mittleres bis dichtes Gestrüpp, im Sommer 6 - 14

3. Bäume

a) dichte Weiden im Sommer 8 - 13 b) dichter Holzbestand, wenig Unterholz, HW-Stand unter den Zweigen 6 - 10 c) wie b) aber HW-Stand erreicht die Zweige

30 bis 4022 bis 3013 bis 2010

20 – 3515 – 25

30 bis 4020 bis 33

14 bis 299 bis 226 bis 14

8 bis 136 bis 10

25.08.2010

Sammlung von Rauheitsbeiwerten nach Manning - Strickler


Künstlich hergestellte Gewässer

Ausgekleidete oder erbaute Gewässerprofile1.Kiessohle mit Uferböschungena)Betonb)Steinen in Mörtelc)Bruchsteinen, Schotter, Steinschüttungd)Mit Bewuchs gesichertKünstliche Erdgerinne

1.Gerade und gleichmäßiga)Kies gleichmäßiger Querschnittb)Mit kurzem Gras und einigem Krautbewuchs2. Gewundener Lauf, träge fließenda)Kein Bewuchsb)Mit Gras und einigem Schotterc)Erdboden mit SchotteruferGerinnea)Glatter Beton mit hohen Zementgehaltb)Alter Beton, Bruchsteinmauerwerk

Stollen und Betonrohrleitungena)Zementputz größter Glätteb)Betonstollen von wenig sorgfältiger Ausführungc)Alte, aus Einzelrohren bestehende Betonrohrleitung

40 bis 6040 bis 5030 bis 4020 bis 33

33 bis 4530 bis 45

33 bis 4329 bis 4029 bis 36

10070 bis 8075


Foto: Heinz Patt

Schleppspannung

• Die Schleppspannung griechischer Formelbuchstabe "Tau" ist eine in hydraulischen Versuchen ermittelte Größe. Die Schleppspannung bezeichnet die Kraft des fließenden Wassers je Flächeneinheit der Gewässersohle, mit der es auf die Sohle wirkt und dort Geschiebe vorwärts bewegt. Anders formuliert, ist sie eine Maß für die Erosionsbeständigkeit von Wasserlaufsohlen.

• Die kritische Schleppspannung, d.h. die Schleppspannung, bei derdas Korn im Gewässerbett sich zu bewegen beginnt, ist abhängig von der Dichte des Korns, dessen Größe und Form sowie von der Art, wie das Korn gelagert und in den Kornverband eingebunden ist. Sie wird, ebenso wie die damit zusammenhängende Größe des Geschiebetriebes, empirisch bestimmt.


Foto: Heinz Patt

Schleppspannung


Foto: Heinz Patt

Schleppspannungen

Zum Beispiel: Schneider Bautabellen

SohlenmaterialTau crit in N/m²

feiner Kies Schubspannung 8-10 N/m²

kolloidaler Lehm und Ton Schubspannung 10 bis 12,5 N/m²

Kies Durchmesser d = 5-10 mm

Schubspannung 12,5 N/m²

Kies Durchmesser d = 15 mm Schubspannung 15-20 N/m²

Geröll Durchmesser d = 50 mm

Schubspannung 30-40 N/m²

Geröll Durchmesser d = 50-100 mm

Schubspannung 40-60 N/m²

grobe Blöcke Schubspannung 240 N/m²


Foto: Heinz Patt

Kreuzungsbauwerke nach der RAS - EW

Mindestabmessungen von Durchlässen

• In der DIN 19661-1 sind die Mindestabmessungen geregelt. Bei sehr langen Durchlässen sind größere Abmessungen erforderlich.

• Für den Straßenbau werden folgende Mindestabmessungen empfohlen:

• A.) Rohrdurchlässe: unter Wirtschaftswegen DN 400unter Straßen, Überführungsrampen an Bundesfernstraßen u. Ä. DN 500 längere Durchlässe unter Straßen sowieDurchlässe unter Bundesfernstraßen DN 800

• B.) Rechteckdurchlässe (Rahmendurchlässe):begehbare Durchlässe (Regelabmessung)


Foto: Heinz Patt

Einbauempfehlungen


Foto: Heinz Patt

Einbaugrundsätze

Rohrdurchlass gemäßRAS - EW



Formen von Durchlässen

Rohrdurchlass

Offener Rahmendurchlass

Geschlossener Rahmendurchlass

Durchlass mit Halbprofilen

Maulprofile z.B. Stahlwellprofil

Grafik: Werner Gleim


Foto: Heinz Patt

Grundsätze zur Gestaltung von Durchlässen Ras – EW

Durchlässe sind grundsätzlich so zu dimensionieren und auszugestalten, dass Tierbewegungen entlang des Gewässerrandes, z. B. durch eine beidseitige Uferrandgestaltung (Trockenberme), möglich bleiben

25.08.2010

Foto: Heinz Patt

Einbau von Rohrdurchlässen

Substrat

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25.08.2010

Foto: Heinz Patt

Einbau von Rechteckprofilen

SohlsubstratAuflagerLückensystem

Größere und unterschiedliche

Wassertiefe

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25.08.2010

Foto: Heinz Patt

Sohlsubstrat

Durchlass Schnitt

Sohlschwellen zur Schubsicherung

Sohlschwelle

Gründungssohle

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25.08.2010

Foto: Heinz Patt

Abflussvorgänge an Kreuzungsbauwerken

W

WassertiefeWassertiefe

Wassertiefe

Fließwechsel mit hoher Schleppspannung an der

Gewässersohle

! Sohlerosion !

Kst 35 < V

Geringe Schleppspannung

Kst 75 > V

Hohe Schleppspannung

Kst 35 < V

Geringe Schleppspannung

Erosion der Substratauflage

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Foto: Heinz Patt

Sohlgestaltung

Steinsatz

Beton

Verfüllmaterial

Schemaskizze Steinsatz


Foto: Heinz Patt

Folgen der Erosion

Durch Hochwasser zerstörte Brücken und Widerlager

Fotos: Werner Gleim


Foto: Heinz Patt

Ökologische Anforderungen an Kreuzungsbauwerke


Foto: Heinz Patt

Durchgängigkeit von Fließgewässern

• Der Wiederherstellung der biologischen Durchgängigkeit von Fließgewässern kommt eine herausragende Bedeutung zur Erhaltung und Wiederentwicklung von artenreichen und gewässertypischen Lebensgemeinschaften zu.

• Auch die im Jahr 2000 in Kraft getretene Wasserrahmenrichtlinie berücksichtigt den Stellenwert der Durchgängigkeit für die Fließgewässer.

• Eine der Qualitätskomponenten für die Einstufung des ökologischen Zustandes der Fließgewässer bildet die Durchgängigkeit.


Foto: Heinz Patt

Grundsätze zur Herstellung von Kreuzungsbauwerken

• Durchlässe sind so zu gestalten, dass der Eingriff in das Gewässer möglichst gering bleibt. Sie sind daher so zu planen, dass das Gewässer die Straße auf möglichst kurzem Wege kreuzt. Dabei sind hydraulisch nachteilige Verschwenkungen des zu kreuzenden Gewässers nach Möglichkeit zu vermeiden.

• Im Regelfall ist das Profil für das Mittelwasser ungehindert durchzuführen. Der Durchlass soll eine dem Gewässer hydraulisch und ökologisch entsprechende Sohlausbildung aus gleichartigem Sohlsubstrat der angrenzenden Gewässerabschnitte erhalten. Durchlässe sind grundsätzlich so zu dimensionieren und auszugestalten, dass Tierbewegungen entlang des Gewässerrandes, z. B. durch eine beidseitige Uferrandgestaltung (Trockenberme), möglich bleiben.

• Eine Erweiterung des Abflussquerschnittes im Bauwerksbereich ist zu vermeiden (Ablagerungsgefahr). Durchlässe sind im Gefälle des Gewässers zu verlegen. Um eine Belegung mit Sohlsubstrat zu ermöglichen, ist die Sohle von Durchlässen mindestens 10 cm unter die Beckensohle zu legen. Ein- und Auslauf von Durchlässen sind in geeigneter Weise, z. B. durch Steinschüttungen, zu sichern.


Foto: Heinz Patt


Ausbreitung der Fischfauna

Im Verlauf eines Fließgewässers verändern sich die ökologischen Bedingungen hinsichtlich Fließgeschwindigkeit, Temperatur, Sauerstoffgehalt fortwährend. Die Wanderbewegungen vieler Fische und Wirbellosen werden wesentlich von diesen unterschiedlichen Lebensbedingungen im Längsverlauf der Gewässer beeinflusst.

Viele Fischarten suchen zum Laichen die Gewässeroberläufe oder Nebenarme auf.


Foto: Heinz Patt


Ausbreitung wirbelloser Fließgewässerorganismen

Ein Großteil der Organismen des aquatischen Raumes besiedelt die Gewässersohle (Benthal), also das Sohlsubstrat und den sohlnahen Wasserbereich. Den Hauptbestand unter ihnen stellen Insekten dar(z. B. Libellen, Eintagsfliegen, Köcherfliegen), die als Larven ihr Leben im Wasser verbringen. Weitere typische Besiedler der Gewässersohle sind Muscheln, Schnecken, Krebstiere und Egel.

Ein entscheidender Faktor für die benthale Besiedlung ist die Strukturvielfalt der Gewässersohle. Sie bietet den wirbellosen Fließgewässerorganismen (Zoobenthos) neben strömungsarmen Bereichen ein Lückensystem aus Sohlsubstrat und Gehölzwurzeln, das als Schutzraum wirkt.


Foto: Heinz Patt


Die Ausbreitung der Wirbellosen kann - mit Ausnahme der geflügelten Insekten, die über den Luftweg neue Lebensräume erschließen können – als Drift oder als Wanderung erfolgen.

Bei der Drift werden die Bodentiere mit der Strömung fluss- bzw. bachabwärts getrieben. Der Prozess der Wanderung ist demgegenüber vorwiegend stromaufwärts gerichtet und liefert damit einen wichtigen Beitrag zur Driftkompensation.

Die Fortbewegung findet im Lückensystem oder an der Oberfläche des Substrates statt.

Einige Arten nutzen auch den strömungsarmen, sohlnahen Bereich, um sich schwimmend fortzubewegen.

Jede Unterbrechung des Lückensystems der Gewässersohle ist als Grenze für die aufwärts gerichtete Wanderung der Wirbellosen zu sehen.


Foto: Heinz Patt

Grundsätze zur Herstellung von Rohrdurchlässen

Durchwanderbare Durchlässe

• Rohrdurchlässe sind prinzipiell als nachteilig bezüglich der Durchgängigkeit für Fische und Wirbellose zu beurteilen. Sie sollten demzufolge vermieden und gegebenenfalls durch Brücken ersetzt werden.

• Sind in Gewässern mit ständiger Wasserführung dennoch Rohrdurchlässe nötig, ist auf die Einhaltung wichtiger Ausführungsgrundsätze zu achten:

• Der Durchlass sollte möglichst weit gewählt werden (Mindestdurchmesser 800 mm).

• Das Verhältnis von Breite zu Länge des Rohres sollte bei langen Durchlässen 1:10 nicht unterschreiten.

• Die Fließgeschwindigkeit nimmt im Allgemeinen aufgrund der glatten Rohrwände im Durchlass zu. Abhilfe kann geschaffen werden, indem das Rohr mit einem nur geringen Gefälle verlegt wird.

• Es ist auf eine durchgehende Substratauflage zu achten, d. h. das Rohr muss 10-20 cm unter der Gewässersohle liegen.


Foto: Heinz Patt

Beispiele von Kreuzungsbauwerken


Foto: Heinz Patt

Kreuzungsbauwerke mit Straßen



Foto: Heinz Patt

Durchlässe



Foto: Heinz PattFotos: Thomas Paulus

Fehlerhaft eingebauter Durchlass an der Wied/Westerwald


Foto: Heinz PattFoto: Thomas Paulus

Einfache Holzbrücke an Rad- und Wanderstrecke


Foto: Heinz Patt

Brückenbauwerke

Wasserbausteine offenfugig in Beton mit Nachbettsicherung im Unterwasser terrestrische Durchgängigkeit gegeben



Foto: Heinz Patt

Kreuzungsbauwerke - Brücken

Mittelwasserrinne –Wasserbausteine vollständig mit Beton verfugt.

Durch die glatte Sohle kommt es zu keiner Sedimenteablagerung



Foto: Heinz Patt

Brückenbauwerke

Fehlende terrestrische Durchgängigkeit



Foto: Heinz PattFotos: Thomas Meuer

Holzsteg am Winckelbach/Westerwald


Foto: Heinz PattFoto: Thomas Meuer

Plattenbrücke am Rothenbach/Westerwald aus Betonfertigteilen


Foto: Heinz Patt



Foto: Heinz Patt

Kastenprofil

Einbau von Störsteinen. Der Einbau wird bei geringen Abmessungen des Profils bautechnisch schwierig



Foto: Heinz Patt

Kastenprofil

Sohlschwellen



Foto: Heinz Patt

Kreuzungsbauwerke

Unsachgemäß verlegte Rohrdurchlässe



Foto: Heinz Patt

Kreuzungsbauwerke

Doppeldurchlässe neigen zur Verlandung




Doppeldurchlass am Nebengewässer der Nidda


Foto: Heinz Patt

Rohrdurchlass mit Substratauflage




Ökologisch durchgängiger Durchlass am Kappelbach/Saarland


Foto: Heinz Patt

Rohrdurchlass mit anschließender Sohlerosion

Rechteckprofil mit nicht ausreichender Nachbettsicherung

Nachbettsicherung bei Durchlässen



Foto: Heinz Patt

Stahlwellprofile

Mit ausreichender Substratauflage

Nicht fachgerecht eingebauter Durchlass



Foto: Heinz Patt

Stahlwellprofile

Einbau von Stahlwellprofilen



Foto: Heinz Patt

Einbau von Stahlwellprofilen

Hamco Dinslaken Bausysteme GmbH

Fotos: Werkfotos


Foto: Heinz Patt

Gewässerkreuzungen

Maulprofil in Betonbauweise

Überfahrt als Furt

Fotos: LUBW


Foto: Heinz PattFoto: Thomas Meuer

Furt an der Nister/Westerwald



Furt an der Walluf/Taunus mit Schussstrecke



Furt an der Walluf/Taunus mit Absturz



Furt mit Trittsteinen am Mölsheimer Bach in Rheinhessen


Foto: Heinz Patt

Gewässerverrohrungen

Ende eines Baches



Foto: Heinz Patt

Einbau von Betonfertigteilen



Foto: Heinz PattFotos: Werner Gleim und Herbert Diehl










Haubenprofil am Kappelbach/Saarland mit Rückhaltung



Dreifachdurchlass am Känelbach/Saarland



Plattenüberfahrten am Grenzbachtal/Westerwald



Brücke eines Wirtschaftsweges über Laubusbach/Lahngebiet

25.08.2010

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Grafik: Waldwissen.net

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