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Ziele des Projektes

Technische Parameter des Vibrators: Gesamtmasse: 13,8 kg Frequenzbereich: 10 Hz - 15 kHz Maximalkraft: 22 kN Maximale Leistung: 3 kW Anpressdruck: bis 1 t

Die Messungen zeigen ein komplexes Wellenfeld, welches von direkten und refraktierten P-Wellen sowie Oberflächenwellen (siehe Abb. 5, 6) dominiert wird. Der Vergleich der seismischen Daten vor und während eines Hochwassers zeigt folgende Ergebnisse: • Aufgrund der starken Durchfeuchtung des Deiches werden die seismischen Wellen gedämpft. • Im Nahbereich der Quelle wird die gesamte Sweep-Energie über alle Frequenzen in den Deich übertragen und verbessert sich weiter bei zunehmender Durchfeuchtung nahe dem Quellpunkt. • Die Ersteinsatzzeiten ändern sich infolge der Durchfeuchtung des Deiches. Der Vergleich von Laufzeit-Tomographien in Abb. 7 zeigt eine Abnahme der P-Wellengeschwindigkeit mit einem zunehmenden Wassergehalt im Deich. Im trockenen Zustand des Deiches zeigt die Tomographie einen positiven Geschwindigkeitsgradienten. Bereiche mit höheren P-Wellengeschwin-digkeiten wurden durch zusätzliche Belastungen des Deiches nach dem Einbau hervorgerufen.

Auswertung der Messdaten

Seismische Messungen am Modelldeich

Zeit

[ms]

Fr

eque

nz [H

z]

QP a) QP b) Kanäle

Im Rahmen des BMBF-Projektes “Versagen von Deichen und Dämmen auf und mit Lehmzonen bei Hochwasser” wurden an Modelldeichen Untersuchungen durchgeführt. Ziel des Projektes war es, die Mechanismen von Deichversagen und das Verhalten von Deichen unter hydraulischen Einflüssen zu bestimmen. Der geophysikalische Teil des Projektes untersucht, ob mit seismischen hochauflösenden Messungen die Durchfeuchtung des Deiches während eines Hochwassers beobachtet werden kann. Ziele der Geophysik sind die Entwicklung und Anwendung einer zerstörungsfreien Messmethode zur: • Bestimmung von Strukturen im Deichkörper und im Untergrund hinsichtlich ihrer Materialien und deren Bodenparameter, wie Wassergehalt und Porosität • Analyse des Durchfeuchtungsvorgangs im Deich während eines Hochwassers und deren Auswirkungen auf die bodenmechanischen Eigenschaften

Dimension der Modelldeiche • Maximale Breite 8 m • Höhe 1,4 m • Länge 2,3 m Technische Ausrüstung • Wasserstandskontrolle • Messung der Durchsickerungsmenge • Optische Überwachung durch Kameras • Spatial-TDR, Seismik, Geoelektrik, GPR, SIP • Tensiometer, Druckaufnehmer, Scherflügelsonden

An der Universität Karlsruhe wurde eine Versuchsanlage für Deiche mit einer Wasserstandskontrolle aufgebaut, so dass Hochwasserszenarien an den Deichen durchgeführt werden konnten. An zwei verschiedenen Deichen wurde die Seismik bestehend aus je drei parallelen Messlinien mit Geophon- und Quellpunkten angewendet. Als Empfänger wurden 3-Komponenten-Geophonköpfe (siehe Abb. 3) verwendet. Um eine hohe Auflösung zu erhalten, wurde ein magnetostriktiver Vibrator als seismische Quelle genutzt. Mit dem Vibrator wurden Sweeps in einem Frequenzbereich von 100 bis 7000 Hz erzeugt. Die Qualität des Sweepsignals wurde mit einer Echtzeitregelung (siehe Abb. 4) so verbessert, dass alle Frequenzen mit annähernd gleichen Amplituden angeregt wurden.

Abb. 5: Seismische Daten und das Frequenzspektrum für alle 189 Geophonkanäle (3 Messlinien mit je 21 3 Komponenten-Geophonköpfen) im a) nicht gefluteten Zustand (nach Einbau des Lehms) und b) bei hohem Wasserstand, QP - Quellpunkt

Abb. 2: Versuchsanlage an der Universität Karlsruhe mit eingebautem Modelldeich im Verhältnis von 1:3 bis 1:4 zu realen Flussdeichen

Abb. 3: 3-Komponenten-Geophonkopf (links oben), magnetostriktiver Vibrator (links) und eingebaut im automatisiertem Messwagensystem (rechts)

Abb. 4: Die Anwendung einer Echtzeitregelung auf den linearen Sweep führt zum geregelten Sweepsignal (grüner Graph). Dadurch werden alle Frequenzen mit annähernd gleichen Amplituden angeregt. Im Vergleich sind im ungeregelten Sweep (blauer Graph) die Resonanzfrequenzen deutlich zu erkennen.

Besc

hleu

nigu

ng [g

]

geregelt

ungeregelt

Frequenz [Hz]

Abb. 1: Die einzelnen wissenschaftlichen Disziplinen mit ihren Untersuchungsmethoden am Modelldeich

Abb. 7: Laufzeit-Tomographien der P-Wellengeschwin-digkeit bei Hochwasser mit konstant 50 cm Wasserstand (Oben vor dem Hochwasser, darunter nach Flutung in Tagesabständen)

Abb. 6: Seismische Daten einer Messlinie mit 21 Kanälen einer Komponente mit markierten Ersteinsätzen bei a) nicht geflutetem Zustand und b) bei hohem Wasser-stand. Die abnehmenden Ersteinsätze (ab Kanal 13) bei großen Quelle-Empfänger-Entfernungen ergeben sich durch Refraktionen am Deichuntergrund aus Beton.

a) b)

Dr. Katrin Jaksch Tel.: 0331/288 1518 E-Mail: kawi@gfz-potsdam.de

16,5

cm

2,6 cm

Hochauflösende seismische Messungen an Lehmdeichen

K. Jaksch