Schiffshebewerk am Yangtse-Drei-Schluchten-Staudamm in China
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Deutscher Bautechnik-Tag 2005 1<br />
<strong>Schiffshebewerk</strong> <strong>am</strong> <strong>Yangtse</strong>-<strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-<br />
Staud<strong>am</strong>m <strong>in</strong> Ch<strong>in</strong>a<br />
Teil 1: Projektgrundlagen und Übersicht über das Ges<strong>am</strong>tprojekt<br />
Teil 2: Projektumsetzung<br />
Kunz, Claus; Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe<br />
L<strong>in</strong>dlar, Hans-Gerd; Ingenieurbüro Krebs und Kiefer, Berl<strong>in</strong><br />
Co-Referent: Wigand, Rolf; Lahmeyer International, Bad Vilbel<br />
E<strong>in</strong>leitung<br />
Deutschland hat <strong>in</strong> Bau und Betrieb von Senkrecht-<strong>Schiffshebewerk</strong>en langjährige Erfahrungen.<br />
Ausgehend vom ersten, urkundlich erwähnten Senkrecht-<strong>Schiffshebewerk</strong> an der Freiberger<br />
Mulde bei Halsbrücke <strong>in</strong> Sachsen, das zum Zwecke der Erzbeförderung das Heben und Senken<br />
von Schiffen mit den Abmessungen 18 m x 2m im Trockenverfahren über e<strong>in</strong>e Hubhöhe<br />
von 8 m ermöglichte, s<strong>in</strong>d noch heute vier Senkrecht-<strong>Schiffshebewerk</strong>e mit Hubhöhen zwischen<br />
13 m und 38 m <strong>in</strong> Betrieb. E<strong>in</strong> neues, zweites <strong>Schiffshebewerk</strong> Niederf<strong>in</strong>ow, an der Havel-Oder-<br />
Wasserstraße bei Eberswalde, ist derzeit mit e<strong>in</strong>er Hubhöhe von 36 m durch die Wasser- und<br />
Schifffahrtsverwaltung <strong>in</strong> der Ausschreibungsplanung. Es ergänzt e<strong>in</strong> vorhandenes <strong>Schiffshebewerk</strong>,<br />
das 1936 gebaut wurde, und sich durch se<strong>in</strong>en robusten Betrieb bis heute auszeichnet.<br />
Die Trogabmessungen des neuen <strong>Schiffshebewerk</strong>s Niederf<strong>in</strong>ow s<strong>in</strong>d für den modernen<br />
Schiffsverkehr konzipiert und werden als Tragkonstruktion e<strong>in</strong>e Betonkonstruktion haben,<br />
während das vorhandene Hebewerk e<strong>in</strong> Haupttragwerk aus Stahl hat. Bauherr und Planer ist<br />
das Wasserstraßen-Neubau<strong>am</strong>t Berl<strong>in</strong>.<br />
Die Bundesanstalt für Wasserbau unterstützte diese Planung durch Beratungen, <strong>in</strong>sbesondere<br />
bei der Auswahl des Sicherungs- und Antriebssystems für den Trog des Hebewerks. Diese<br />
Planungen waren auch dem Bauherrn und Betreiber des <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Staud<strong>am</strong>ms, der<br />
Ch<strong>in</strong>a Three Gorges Project Development Corporation (CTGPC) bekannt geworden, worauf<br />
CTGPC Ende 1999 die BAW mit e<strong>in</strong>er Machbarkeitsstudie für e<strong>in</strong> Antriebs- und Sicherungssystem<br />
beauftragte. Die Machbarkeitsstudie untersuchte ferner Trog, Stahlwasserbau und<br />
hydraulische Systeme sowie die Auslegung auf Erdbeben.<br />
Entwurfs- und Prüfungsphasen für das neue <strong>Schiffshebewerk</strong> Niederf<strong>in</strong>ow wurden durch verschiedene<br />
Ingenieurbüros erstellt, die se<strong>in</strong>erzeit bei der Machbarkeitsstudie ihre Erfahrungen<br />
e<strong>in</strong>brachten (Krebs und Kiefer International; Germanischer Lloyd; Spezialbau Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />
GmbH) und <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Mitte 2004 gebildeten deutschen Jo<strong>in</strong>t-Venture die Ausschreibungsplanung<br />
für das <strong>Schiffshebewerk</strong> <strong>am</strong> <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Staud<strong>am</strong>m erstellen (zusätzlich Lahmeyer<br />
International als Federführer des Jo<strong>in</strong>t-Venture, Ingenieurbüro Rapsch & Schubert; DriveCon).<br />
Berater des Bauherrn im S<strong>in</strong>ne e<strong>in</strong>es Panel of Experts ist die Bundesanstalt für Wasserbau<br />
(BAW).<br />
Das Projekt „<strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-<strong>Schiffshebewerk</strong>“<br />
Zur Beförderung von Passagierschiffen <strong>am</strong> <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Staud<strong>am</strong>m <strong>am</strong> <strong>Yangtse</strong>, <strong>in</strong> der<br />
Nähe der Stadt Yichang <strong>in</strong> der Prov<strong>in</strong>z Hubei, Ch<strong>in</strong>a, ist e<strong>in</strong> Senkrecht-<strong>Schiffshebewerk</strong> nach<br />
dem Gegengewichtspr<strong>in</strong>zip vorgesehen, das derzeit durch CTGPC geplant wird, Bild 1.
Deutscher Bautechnik-Tag 2005 2<br />
Bild 1. Lageplan des <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Staud<strong>am</strong>m-Projekts<br />
Mit dem Bau des <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Staud<strong>am</strong>ms <strong>am</strong> <strong>Yangtse</strong>, dem längsten Fluss Asiens,<br />
verfolgt Ch<strong>in</strong>a die Ziele der dr<strong>in</strong>gend notwendigen Erzeugung elektrischer Energie, des<br />
Hochwasserschutzes dicht besiedelter Gebiete sowie der Erleichterung der Schifffahrt. Der<br />
Staud<strong>am</strong>m ist e<strong>in</strong> Beton-Schwergewichtsd<strong>am</strong>m mit e<strong>in</strong>er D<strong>am</strong>mlänge von 2310 m, e<strong>in</strong>er Höhe<br />
von ca. 140 m und e<strong>in</strong>er Staulänge von 660 km, so dass e<strong>in</strong>e Flutspeicher-Kapazität von 22,15<br />
Mrd. m³ vorhanden se<strong>in</strong> wird. Das Kraftwerk wird mit 26 Francis-Turb<strong>in</strong>en mit je 700 MW<br />
<strong>in</strong>stallierter Leistung jährlich ca. 85 Mrd. kWh Strom erzeugen. Für die Schifffahrt stehen zur<br />
Überw<strong>in</strong>dung von 113 m Hubhöhe e<strong>in</strong>e zweizügige, aus fünf Schleusen bestehende Schleusentreppe,<br />
mit Nutzabmessungen von jeweils 280 m Länge, 34 m Breite und 5 m Wassertiefe,<br />
sowie künftig e<strong>in</strong> Senkrecht-<strong>Schiffshebewerk</strong> zur Verfügung. Die nutzbaren Abmessungen des<br />
Troges des <strong>Schiffshebewerk</strong>s s<strong>in</strong>d mit 120 m Länge, 18 m Breite sowie 3,5 m Wassertiefe<br />
vorgesehen, Tabelle 1.<br />
Der Bau des D<strong>am</strong>mes ermöglicht die Schiffbarkeit des <strong>Yangtse</strong> auf 660 km Länge von Yichang<br />
bis Chongq<strong>in</strong>g für Schiffe bis 10000 BRT.<br />
Das <strong>Schiffshebewerk</strong> <strong>am</strong> <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Projekt wird bauliche Besonderheiten aufweisen, die<br />
sich von allen bisher bekannten <strong>Schiffshebewerk</strong>en deutlich unterscheiden [1]:<br />
- Die maximale Hubhöhe von 113 m ist etwa dreimal so groß wie die von deutschen<br />
<strong>Schiffshebewerk</strong>en,<br />
- Die Trogabmessungen und dadurch die mit Gegengewichten zu bewegenden Massen (2 x<br />
ca. 15000 t) s<strong>in</strong>d größer als bei bisher ausgeführten Anlagen,<br />
- als Teil e<strong>in</strong>er riesigen Stauanlage mit Kraftwerken, Hochwasserentlastung und zwei<br />
Schleusentreppen ist mit kurzfristigen, betrieblichen Wasserspiegelschwankungen von bis zu<br />
50 cm <strong>in</strong> der Stunde zu rechnen,<br />
- hydrologisch bed<strong>in</strong>gte Wasserspiegelschwankungen von 30 m im Oberwasser und 11,8 m<br />
im Unterwasser bed<strong>in</strong>gen besondere bauliche Maßnahmen an der oberen und unteren<br />
Haltungen,<br />
- vorrangig für die Passagierschifffahrt bestimmt (die Güterschifffahrt soll die Schleusentreppen<br />
benutzen), ist e<strong>in</strong> besonders hoher Sicherheitsstandard erforderlich.
Deutscher Bautechnik-Tag 2005 3<br />
Tabelle 1. Charakteristische Kenndaten für Trog und Trogantrieb<br />
Trogabmessungen: Trogantrieb:<br />
Bild 2. Schnitt durch das <strong>Schiffshebewerk</strong> <strong>am</strong> <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Staud<strong>am</strong>m (Stand: Vorplanung CTGPC)<br />
Auf der Grundlage der Bewertung von Antrieben bestehender <strong>Schiffshebewerk</strong>e <strong>in</strong> Deutschland<br />
und im Ausland, z.B. Seilw<strong>in</strong>denantrieb (SHW Strépy Thieu), Zahnstange-Ritzel (SHW<br />
Lüneburg), Mutter mit angetriebener Sp<strong>in</strong>del (SHW Henrichenburg), Sp<strong>in</strong>del mit angetriebener
Deutscher Bautechnik-Tag 2005 4<br />
Mutter (SHW Rothensee) und Triebstock-Ritzel (SHW Niederf<strong>in</strong>ow alt), wurde als Vorzugs-<br />
Variante für das neue <strong>Schiffshebewerk</strong> Niederf<strong>in</strong>ow der Ritzelantrieb ausgewählt. Die<br />
Bewertung der jeweiligen Sicherungssysteme, die eng mit dem Antrieb verbunden s<strong>in</strong>d, z. B.<br />
Trommelbremse (SHW Strépy Thieu), Mutterbackensäule (SHW Niederf<strong>in</strong>ow alt, SHW Lüneburg)<br />
und Sicherungsmutter auf Sp<strong>in</strong>del (SHW Henrichenburg, SHW Rothensee), favorisierte<br />
die Mutterbackensäule als zuverlässigstes Sicherungssystem. Beide Pr<strong>in</strong>zipien wurden <strong>in</strong> der<br />
Machbarkeitsstudie für CTGPC h<strong>in</strong>sichtlich der anderen Randbed<strong>in</strong>gungen untersucht und für<br />
das neue <strong>Schiffshebewerk</strong> <strong>am</strong> <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Staud<strong>am</strong>m als ausführbar und s<strong>in</strong>nvoll bestätigt<br />
[2], womit e<strong>in</strong>e Parallelität zum neu geplanten Schiffhebewerk Niederf<strong>in</strong>ow hergestellt war.<br />
Der Antrieb des Troges sollte aus <strong>in</strong>sges<strong>am</strong>t vier Antriebsstationen bestehen. Hauptbauteile s<strong>in</strong>d<br />
vier Zahnstangen und vier Ritzel. Die Zahnstangen werden <strong>am</strong> Massivbau befestigt, die Ritzel<br />
bef<strong>in</strong>den sich als Bestandteile der Antriebsstationen <strong>am</strong> Trog. Die Antriebe, <strong>in</strong>sbesondere die<br />
Zahnstangen und die Ritzel müssen Kräfte aus unausgeglichenen Massen sowie alle<br />
Bewegungswiderstände des Troges, wie Reibkräfte, Beschleunigungskräfte und W<strong>in</strong>dkräfte (nur<br />
vertikale W<strong>in</strong>dkräfte, die aber sehr ger<strong>in</strong>g s<strong>in</strong>d) überw<strong>in</strong>den.<br />
Die Eigenmassen des Troges und der Wasserfüllung werden durch Gegengewichte ausgeglichen,<br />
so dass die Größe der zu bewegenden Ungleichgewichte durch e<strong>in</strong>en schwankenden<br />
Wasserstand im Trog bestimmt wird. Die Größe dieser Wasserl<strong>am</strong>elle beträgt für die ständige<br />
Trogfahrt höchstens ±10 cm, für Trogfahrten <strong>in</strong> Ausnahmefällen beträgt sie ±20 cm.<br />
Bild 3. Seitenansicht Trogantrieb (Stand: Machbarkeitsstudie)<br />
Die Trogsicherung verh<strong>in</strong>dert durch e<strong>in</strong> sicheres Arretieren des Troges <strong>am</strong> Massivbau das<br />
Entstehen unbeherrschbarer Betriebszustände, die als Folge von Havarien auftreten können.<br />
Havarielasten treten z.B. bei e<strong>in</strong>er unvorhergesehenen völligen oder auch teilweisen Entleerung<br />
des Troges auf. Solche Wasserverluste s<strong>in</strong>d meistens auf größere Undichtigkeiten der Trogverschlüsse<br />
oder auf Beschädigungen des Troges zurückzuführen. Lasten gleicher Größenordnung<br />
erhält man aber auch bei planmäßigem Entleeren des Troges, beispielsweise für<br />
Reparaturarbeiten. Für die Bemessung aber maßgebend ist der Auftrieb des Troges im Fall<br />
e<strong>in</strong>er z. B. durch e<strong>in</strong> außergewöhnliches Hochwasser mit Wasser gefüllten Trogwanne. In den<br />
<strong>Schiffshebewerk</strong>en Lüneburg und Niederf<strong>in</strong>ow haben bisher die Trogsicherungen bei diesen<br />
seltenen Lastfällen störungsfrei funktioniert.
Deutscher Bautechnik-Tag 2005 5<br />
Das Trogsicherungssystem des <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Projekt <strong>Schiffshebewerk</strong>s wird von vier Mutterbackensäulen<br />
mit Drehriegeln gebildet [2], vgl. Bild 4. Die Mutterbacke ist e<strong>in</strong>e Säulenkonstruktion,<br />
die längsgeschlitzt, <strong>in</strong>nen hohl und mit e<strong>in</strong>em Innengew<strong>in</strong>de versehen ist. In dieser<br />
Mutterbackensäule bewegt sich, um sich selbst drehend, e<strong>in</strong>e Sp<strong>in</strong>del. Diese Sp<strong>in</strong>del, auch als<br />
Drehriegel bezeichnet, wird direkt vom Trogantrieb angetrieben. Bed<strong>in</strong>gt durch die über e<strong>in</strong><br />
Wellensystem gewährleistete direkte mechanische Kopplung zwischen den Antrieben und den<br />
Drehriegeln der Trogsicherung laufen die Drehriegel mit den Trogantrieben synchron mit. Die<br />
Trogsicherung - Mutterbackensäule mit Drehriegel - besteht im Wesentlichen aus den Baugruppen<br />
Mutterbackensäule, Drehriegel, Führungskonstruktion des Drehriegels <strong>in</strong> der Mutterbacke,<br />
Pendelstützen, W<strong>in</strong>kelgetriebe und den Gleichlaufwellen zwischen Trogantrieb und Drehriegel.<br />
Zur Trogsicherung gehören auch die Abstützungen zum Trog, bestehend aus unterem und<br />
oberem Eckstück. Die Mutterbackensäule setzt sich dabei aus mehreren Teilstücken<br />
zus<strong>am</strong>men.<br />
Im Havariefall überschreiten die Ritzelkräfte die durch die Ritzelfeder def<strong>in</strong>ierte Vorspannkraft,<br />
so dass sich der Trog um wenige Zentimeter je nach Fahrtrichtung senkt oder hebt. Wird hierbei<br />
das Spiel zwischen Drehriegelgew<strong>in</strong>de und Mutterbackengew<strong>in</strong>de überschritten, so legen sich<br />
die beiden Gew<strong>in</strong>de ane<strong>in</strong>ander an und der Trog wird über die Mutterbacke <strong>in</strong> jeder Höhe und<br />
sicher gehalten. Evakuierungsmaßnahmen können erfolgen.<br />
Bild 4. Trogsicherung (Stand: Machbarkeitsstudie)<br />
Die Troggröße bewirkt, dass alle<strong>in</strong> durch das Leerlaufen des Troges e<strong>in</strong> Ungleichgewicht von<br />
ca. 9.000 t entsteht. Dieses Ungleichgewicht ist zur Vermeidung von Katastrophen durch die<br />
Trogsicherung abzufangen.<br />
Neben den weiteren, <strong>in</strong> der Machbarkeitsstudie bearbeiteten Punkten, überzeugte CTGPC <strong>in</strong>sbesondere<br />
das sichere Antriebs- und Sicherungssystem, so dass die weitere Ausschreibungsplanung<br />
auf dieser technischen Grundlage erfolgen sollte.
Deutscher Bautechnik-Tag 2005 6<br />
Projektbearbeitung im Jo<strong>in</strong>t Venture<br />
Nachdem sich die technische Lösung der deutschen Machbarkeitsstudie durchgesetzt hatte,<br />
galt es, das <strong>in</strong> Deutschland existierende Spezial-Know-how <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em leistungsfähigen Jo<strong>in</strong>t<br />
Venture zu bündeln.<br />
Hierzu haben die beiden Ingenieurunternehmen Lahmeyer International und Krebs und Kiefer,<br />
die maßgeblich an der Machbarkeitsstudie für das ch<strong>in</strong>esische <strong>Schiffshebewerk</strong> und an der<br />
Planung für das neue deutsche <strong>Schiffshebewerk</strong> <strong>in</strong> Niederf<strong>in</strong>ow beteiligt waren, sich zu e<strong>in</strong>em<br />
projektbezogenen Jo<strong>in</strong>t Venture, mit N<strong>am</strong>en „German Design Group“, zus<strong>am</strong>mengeschlossen.<br />
Im Unterauftrag wurden für die Bereiche Masch<strong>in</strong>enbau sowie Elektro- und Steuerungstechnik<br />
Fachplaner gebunden.<br />
Weiterh<strong>in</strong> wurde zur Qualitätssicherung der Germanische Lloyd <strong>in</strong> das Jo<strong>in</strong>t Venture<br />
e<strong>in</strong>gebunden.<br />
Insges<strong>am</strong>t ist die Struktur des Jo<strong>in</strong>t Ventures der Abbildung 1 zu entnehmen.<br />
Die Vertragsverhandlungen zwischen dem Jo<strong>in</strong>t Venture und der ch<strong>in</strong>esischen Seite konnten im<br />
April 2004 zu e<strong>in</strong>em erfolgreichen Ende geführt werden. Gegenstand des Ingenieurvertrages,<br />
der auf dem FIDIC-Vertragsmuster basiert, ist die Erstellung e<strong>in</strong>er ausschreibungsreifen<br />
Planung. Diese Planung muss zum Ende des Jahres 2005 vorliegen.<br />
Bild 5. Leistungsphasen<br />
Die Planung ist <strong>in</strong> 4 Leistungsphasen strukturiert (Bild 5):<br />
- Phase A E<strong>in</strong>arbeitung <strong>in</strong> das Projekt und Erarbeitung von Entwurfsgrundsätzen<br />
- Phase B Entwurfsplanung<br />
- Phase C Intermediate Design (Zwischenstufe)<br />
- Phase D Ausschreibungsplanung<br />
In jeder Leistungsphase wird die Planung detaillierter.<br />
Die <strong>in</strong> Phase D erstellten Pläne und Spezifikationen versetzen dann die im Bieterwettbewerb<br />
erfolgreichen Firmen <strong>in</strong> die Lage, die Werkplanung und dann die Bauausführung durchzuführen.<br />
Die ch<strong>in</strong>esische Seite führt nach Abschluss jeder Planungsstufe e<strong>in</strong> review durch, <strong>in</strong> dem die<br />
Planungsergebnisse überprüft und als Grundlage für die nächste Planungsstufe freigegeben<br />
werden.
Deutscher Bautechnik-Tag 2005 7<br />
Massivbau<br />
Die Tragkonstruktion des <strong>Schiffshebewerk</strong>es wird, wie beim neuen <strong>Schiffshebewerk</strong><br />
Niederf<strong>in</strong>ow, <strong>in</strong> Stahlbeton ausgeführt. Die Ges<strong>am</strong>tabmessungen betragen 119 m <strong>in</strong> der Länge<br />
und 57,8 m <strong>in</strong> der Breite. Auf jeder Seite des Troges werden zwei 150 m hohe Stahlbetontürme<br />
hergestellt, die <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em lichten Abstand von 20 m stehen. Die beiden Türme werden <strong>am</strong> Kopf<br />
von e<strong>in</strong>er 20 m hohen Seilscheibenhalle überspannt und s<strong>in</strong>d zusätzlich über die Höhe durch<br />
mehrere Riegel mite<strong>in</strong>ander verbunden. In Querrichtung werden die Türme nur <strong>am</strong> Kopf durch<br />
die Besucherplattform bzw. den Bedienstand verbunden und ausgesteift (Bilder 6 und 7).<br />
Bild 6. Grundriss des Bauwerkes<br />
119 m<br />
Die Stahlbetontürme haben jeweils Abmessungen von ca. 40 m auf 16 m und bestehen aus<br />
zwei seitlichen Schächten (16 m x 9,6 m), <strong>in</strong> denen die Gegengewichte geführt werden und<br />
e<strong>in</strong>em dazwischen liegenden etwas zurückgesetzten Bereich, <strong>in</strong> dem die Aufzüge und die<br />
Treppenhäuser untergebracht s<strong>in</strong>d. In diesem Bereich werden auch die Zahnstange für den<br />
Antrieb und die Mutterbackensäule für den Sicherungsmechanismus angeordnet. In diese<br />
Nische ragen die Masch<strong>in</strong>enräume des Troges mit dem Motor für den Trogantrieb und dem<br />
Drehriegel, der dann <strong>in</strong> die Mutterbackensäule greift.<br />
Am Übergang zum Ober- und Unterwasser stehen <strong>in</strong> Querrichtung e<strong>in</strong>zelne Wandscheiben, die<br />
nur über Riegel und die Deckenscheibe der Seilscheibenhalle ausgesteift s<strong>in</strong>d. Zwischen den<br />
beiden Türmen ist e<strong>in</strong>e weitere Wandscheibe angeordnet. Die Wandscheiben s<strong>in</strong>d als Auflager<br />
für die Seilscheibenträger erforderlich und dienen zusätzlich zur Führung der Gegengewichte.<br />
Durch die Auflösung der ansonsten 119 m langen und 150 m hohen Wandscheibe wird im<br />
Katastrophenfall e<strong>in</strong> ausreichender Rauchabzug gewährleistet.<br />
Die Lasten aus dem Trog und den Gegengewichten – <strong>in</strong> der Summe ca. 300 MN - werden über<br />
die Seilscheibenträger <strong>am</strong> Kopf des Bauwerkes <strong>in</strong> die Konstruktion e<strong>in</strong>geleitet. Die Seilscheiben<br />
werden als Doppelseilscheiben ausgeführt und haben e<strong>in</strong>en Durchmesser von 5,0 m. In der<br />
57,80 m
Deutscher Bautechnik-Tag 2005 8<br />
Seilscheibenhalle ist e<strong>in</strong> Kran für Wartungsarbeiten und den Transport von Bauteilen mit bis zu<br />
30 t Gewicht e<strong>in</strong>gebaut.<br />
Die tragenden Wände haben zumeist e<strong>in</strong>e Dicke von 1 m und müssen nur <strong>in</strong> den Bereichen der<br />
Laste<strong>in</strong>leitung aus dem Antrieb und der Sicherungsmechanismen verstärkt werden. In den<br />
unteren Bereichen und im Bereich der Laste<strong>in</strong>leitungen werden Betone der Güte C30/37<br />
verwendet. Die anderen Bereiche werden mit Betonen der Festigkeit C 25/30 ausgeführt.<br />
Bild 7. Querschnitt<br />
Die E<strong>in</strong>bauteile, wie Zahnstange und Mutterbackensäule (siehe Bilder 3 und 4), werden aus<br />
Gründen der Genauigkeit nicht im Erstbeton e<strong>in</strong>gebaut. Diese sensiblen Bauteile werden <strong>in</strong><br />
e<strong>in</strong>em Zweitbeton e<strong>in</strong>betoniert, der mit viel kle<strong>in</strong>eren Toleranzen hergestellt werden kann.<br />
Durch diese Maßnahme können Verformungen aus Bauungenauigkeiten, Setzungen, Kriechen<br />
und Schw<strong>in</strong>den sowie die Verformungen aus dem Baufortschritt ausgeglichen werden.<br />
Die Trogwanne wird <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er 36 m tiefen Baugrube auf dem sehr steifen Fels<br />
(Es = 30.000 MN/m²) flach gegründet. Es werden trotz der hohen Belastungen nur Setzungen<br />
im Millimeter-Bereich erwartet. Die Stahlbetonkonstruktion hat weder Kontakt mit dem bereits<br />
fertig gestellten Oberwasserbauwerk noch mit der Felswand. Durch diese Maßnahme können<br />
sich Verformungen zwängungsfrei e<strong>in</strong>stellen.<br />
Trogkonstruktion<br />
Bei dem 132 m langen und 23 m breiten Stahltrog handelt es sich um e<strong>in</strong>e selbsttragende<br />
Konstruktion, die kont<strong>in</strong>uierlich an Seilen aufgehängt ist (Bild 8). Lediglich im Bereich der<br />
Antriebe und an den über die Betonkonstruktion überstehenden Enden können ke<strong>in</strong>e Seile<br />
angeordnet werden. Hierüber ist e<strong>in</strong>e sehr gleichmäßige Laste<strong>in</strong>leitung <strong>in</strong> den Trog gewährleistet.<br />
Der Trog ist für e<strong>in</strong>e Wassertiefe von 3,5 m ausgelegt und hat e<strong>in</strong> Freibord von 80 cm.<br />
Die lichte Weite des Troges beträgt 18 m zwischen den seitlichen Fendern. Die nutzbare Länge<br />
zwischen dem Stoßschutz vor den Toren beträgt 120 m.
Deutscher Bautechnik-Tag 2005 9<br />
Bild 8. Trog (nur e<strong>in</strong>e Hälfte dargestellt)<br />
Die Trogkonstruktion wird als orthotrope Platte ausgebildet. Die Längssteifen werden als offene<br />
Profile ausgebildet, um den Auftrieb, der entsteht, wenn die Trogwanne bei außergewöhnlichem<br />
Hochwasser oder bei Beschädigungen des unteren Haltungstores volläuft, nicht zu erhöhen.<br />
Die Hauptlängsträger s<strong>in</strong>d 10 m hoch und 2,3 m breit. Diese Hauptträger werden aus Gründen<br />
der Ges<strong>am</strong>tsteifigkeit als geschlossene Profile ausgebildet. Durch Öffnungen wird jedoch<br />
sichergestellt, dass ke<strong>in</strong>e Hohlräume entstehen.<br />
Die Seile, an denen der Trog hängt haben e<strong>in</strong>en Durchmesser von ca. 70 mm und werden über<br />
Doppelseilscheiben <strong>in</strong> der Seilscheibenhalle umgelenkt und mit den Gegengewichten<br />
verbunden. Die Gegengewichte werden <strong>in</strong> Gruppen zus<strong>am</strong>mengefasst. Die Gegengewichte<br />
jeder Gruppe werden über e<strong>in</strong>en Fangrahmen gesichert und <strong>in</strong> den Schächten geführt.<br />
In den Viertelspunkten des Troges s<strong>in</strong>d auf beiden Seiten jeweils die Masch<strong>in</strong>enräume<br />
angeordnet, die wie beschrieben <strong>in</strong> die Betontürme e<strong>in</strong>greift. Hier s<strong>in</strong>d die Antriebe und die<br />
Sicherungsmechanismen des Troges angeordnet. In der Ebene darunter wird die Elektro<strong>in</strong>stallation<br />
untergebracht.<br />
Als Trogabschluss werden Segmenttore verwendet. In geöffneter Stellung ist das Tor bündig<br />
mit dem Trogboden. Für Revisionszwecke kann das Tor <strong>in</strong> Überkopf-Stellung gefahren werden.<br />
Der Trog wird <strong>in</strong> se<strong>in</strong>er oberen und unteren Halteposition sowohl vertikal aus auch horizontal<br />
verriegelt. Durch diese Maßnahmen ist sichergestellt, dass zusätzliche Vertikallasten z. B. aus<br />
Wasserspiegeländerungen (es ist von Wasserstandsänderungen von 50 cm pro Stunde im<br />
Stausee auszugehen) die Ritzel der Antriebe nicht zusätzlich belasten. Die Horizontallasten aus<br />
Wasserdruck bei e<strong>in</strong>seitig geöffnetem Tor werden über e<strong>in</strong>e Hartanlage direkt <strong>in</strong> die Türme<br />
abgeleitet. Die Trogverriegelungen s<strong>in</strong>d derart ausgebildet, dass sie bei den auftretenden<br />
Wasserspiegelschwankungen <strong>am</strong> Oberwasser von 30 m (145 m bis 175 m) und 11,8 m <strong>am</strong><br />
Unterwasser (62 m bis 73,8 m) voll funktionstüchtig s<strong>in</strong>d.
Deutscher Bautechnik-Tag 2005 10<br />
Lastfälle, <strong>in</strong>sbesondere Erdbeben<br />
Alle Bauteile werden für die maßgebenden Lastfälle der DIN 19702 (Massivbauwerke im<br />
Wasserbau) und DIN 19704 (Stahlwasserbau) auf der Grundlage des neuen Normenkonzeptes<br />
untersucht. Ergänzend hierzu s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er „Guidel<strong>in</strong>e for design“ [4] weitere Lastfälle <strong>in</strong><br />
Abstimmung mit dem Bauherren und se<strong>in</strong>em Berater, der Bundesanstalt für Wasserbau<br />
festgelegt worden.<br />
Neben den normalen Lastfällen wie Wasserfüllung, W<strong>in</strong>dlast, Anfahrlasten und Führungskräften<br />
müssen zusätzlich ganz spezielle Lastfälle untersucht werden. Zu diesen Lastfällen zählen<br />
Schiffsanlegestoß, gesunkenes Schiff und Schiffstrog unter Auftrieb. Von ganz besonderer<br />
Bedeutung für das Bauwerk ist der Lastfall Erdbeben. Auch <strong>in</strong> dieser extremen Situation muss<br />
sicherstellt se<strong>in</strong>, dass die ca. 9.000 t Wasser, die <strong>in</strong> 125 m Höhe hängen können, ke<strong>in</strong>e<br />
gravierenden Schäden <strong>am</strong> Bauwerk anrichten und die Standsicherheit des Konstruktion<br />
gewährleistet ist. Neben der re<strong>in</strong>en Belastung aus den bewegten Massen ist auch e<strong>in</strong>e Aussage<br />
zur Höhe der Wellen im Trog von Interesse, um beurteilen zu können, ob das Wasser aus dem<br />
Trog herausschwappen kann.<br />
Bild 9. Erdbebenkarte von Ch<strong>in</strong>a<br />
<strong>Drei</strong>-<br />
<strong>Schluchten</strong><br />
Staud<strong>am</strong>m<br />
Die Festlegung der E<strong>in</strong>wirkungen für den Lastfall Erdbeben erfolgte nach der Ch<strong>in</strong>esischen<br />
Erdbeben-Norm für Wasserbauwerke. Das Bauwerk bef<strong>in</strong>det sich <strong>in</strong> der Zone VI der Mercalli<br />
Skala (Bild 9). Auf Grund der sehr hohen Sicherheitsanforderungen, die an das Bauwerk<br />
gestellt werden, erfolgt die Bemessung für die Zone VII mit e<strong>in</strong>er Grundbeschleunigung von<br />
0,1 g (1 m/s²), bei e<strong>in</strong>er Wiederholwahrsche<strong>in</strong>lichkeit von e<strong>in</strong>mal <strong>in</strong> 5000 Jahren. Da es für<br />
dieses Gebiet ke<strong>in</strong>e digital aufgezeichneten Erdbeben gibt, werden für die Bemessung künstlich<br />
generierte Erdbeben zu Grunde gelegt. Hierfür wird das <strong>in</strong>ternational anerkannte Progr<strong>am</strong>m<br />
SIMQKE des Massachusetts Institute of Technology verwendet. Die Bemessung der Bauteile<br />
erfolg nach dem Eurocode 8.<br />
acceleration [m/s²]<br />
1,5<br />
1<br />
0,5<br />
0<br />
-0,5<br />
-1<br />
-1,5<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20<br />
time [s]<br />
Bild 10. Künstlich generiertes Erdbeben Bild 11. Eigenschw<strong>in</strong>gung des Wassers im Trog
Deutscher Bautechnik-Tag 2005 11<br />
In e<strong>in</strong>em ersten Schritt wurden durch den Germanischen Lloyd Voruntersuchungen zum<br />
Schwappen des Wassers im Trog durchgeführt. Die Berechnung wurde mit der CFD-Methode<br />
(Computational Fluid Dyn<strong>am</strong>ics) mit ca. 900.000 Volumenelementen durchgeführt [5]. Anhand<br />
von theoretischen Voruntersuchungen und der Ergebnisse dieser Berechnungen konnten<br />
Aussagen zur Eigenfrequenz und zur Wellenhöhe des Wassers im Trog unter e<strong>in</strong>er S<strong>in</strong>us-<br />
Anregung gemacht werden. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurde e<strong>in</strong> vere<strong>in</strong>fachtes<br />
Kont<strong>in</strong>uumsmodell für das Wasser generiert, welches die Ergebnisse der CFD-Berechnung mit<br />
e<strong>in</strong>er <strong>in</strong>genieurtechnisch ausreichenden Genauigkeit reproduzieren kann. Dieses Modell wurde<br />
<strong>in</strong> das Ges<strong>am</strong>tsystem des <strong>Schiffshebewerk</strong>es (3D FE-Modell) e<strong>in</strong>gebunden. Mit diesem<br />
Ges<strong>am</strong>tmodell wurden Variantenuntersuchungen zur Festlegung der Steifigkeit der Erdbebenpuffer<br />
und der Auswirkungen auf die Ges<strong>am</strong>tkonstruktion durchgeführt. Im Anschluss an diese<br />
Untersuchungen werden die getroffenen Festlegungen nochmals vom Germanischen Lloyd<br />
durch e<strong>in</strong>e CFD-Berechnung validiert.<br />
Für die Erdbebenuntersuchungen werden neben mehreren Zeitschrittanalysen auch e<strong>in</strong>e<br />
Modalanalyse durchgeführt. In mehreren Variantenstudien wird die optimale Steifigkeit für die<br />
Erdbebenpuffer ermittelt. Bei e<strong>in</strong>em steifen Erdbebenpuffer wären die Relativverformungen<br />
zwischen Trog und den Betontürmen sehr ger<strong>in</strong>g. Die Kräfte würden jedoch sehr stark<br />
anwachsen und die ges<strong>am</strong>te Konstruktion über Gebühr beanspruchen. Bei e<strong>in</strong>em zu weichen<br />
Erdbebepuffer können die Verformungen Werte annehmen, die von den Sicherungsmechanismen<br />
nicht mehr kompensiert werden können. Mit diesen Ergebnissen werden die<br />
Steifigkeiten der Führungselemente und der Erdbebenpuffer festgelegt. Die festgelegten<br />
Steifigkeiten für die Erdbebenpuffer sollen mit dem komplexen CFD-Modell und e<strong>in</strong>em realen<br />
Erdbebenverlauf bestätigt werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Standsicherheit<br />
der Ges<strong>am</strong>tkonstruktion auch unter diesen extremen Belastungen gewährleistet ist.<br />
Für die Bemessung der Sicherungsmechanismen s<strong>in</strong>d neben dem Lastfall gesunkenes Schiff<br />
die Lastfälle Trogleerlauf und Trog unter Auftrieb (Trog steht <strong>in</strong> unterster Position <strong>in</strong> der voll<br />
Wasser gelaufenen Trogwanne) von ganz besonderer Bedeutung. Bei e<strong>in</strong>em gesunkenen<br />
Schiff müssen ca. 40 MN <strong>in</strong> die Türme e<strong>in</strong>geleitet werden. Für den Lastfall Auftrieb müssen bis<br />
zu 120 MN über die vier Mutterbackensäulen <strong>in</strong> das Bauwerk abgetragen werden. Der<br />
Drehriegel, der die Last aus dem Trog <strong>in</strong> die Mutterbackensäulen e<strong>in</strong>leitet, hat hierfür e<strong>in</strong>en<br />
Durchmesser von 1,45 m.<br />
Während der E<strong>in</strong>fahrt der Schiffe ist der Trog e<strong>in</strong>seitig geöffnet. Hierdurch tritt e<strong>in</strong> e<strong>in</strong>seitiger<br />
Wasserdruck von ca. 8 MN auf, der <strong>in</strong> die Türme über die Hartanlage abgeleitet werden muss.<br />
Verformungen<br />
Neben der re<strong>in</strong>er statischen Berechnung der e<strong>in</strong>zelnen Bauteile spielen die Verformungen e<strong>in</strong>e<br />
entscheidende Rolle für die Funktionsfähigkeit des <strong>Schiffshebewerk</strong>es. Die Bauteile des<br />
Masch<strong>in</strong>enbaus, <strong>in</strong>sbesondere die Antriebe, die Sicherungsmechanismen und auch die<br />
Trogtore können nur ger<strong>in</strong>ge Verformungen tolerieren. Dem stehen die bei den hier vorliegenden<br />
enormen Lasten üblicherweise großen Verformungen des Ges<strong>am</strong>tsystems und die<br />
üblicherweise relativ großen Maßungenauigkeiten im Massivbau entgegen.<br />
Deshalb muss e<strong>in</strong> besonderes Augenmerk auf die Schnittstelle Masch<strong>in</strong>enbau/Massivbau<br />
gerichtet werden.<br />
Wie geht es weiter?<br />
Nach Abschluss der Ausschreibungsplanung Ende 2005 ist anschließend die Ausschreibung für<br />
das <strong>Schiffshebewerk</strong> geplant, um Mitte 2006 die Vergabe vornehmen zu können.<br />
Als Bauzeit s<strong>in</strong>d etwa 2 ½ Jahre vorgesehen, an die sich e<strong>in</strong> Probebetrieb anschließen soll.
Deutscher Bautechnik-Tag 2005 12<br />
Im Jahr 2009 wird seitens der ch<strong>in</strong>esischen Bauherren mit der Inbetriebnahme des neuen<br />
<strong>Schiffshebewerk</strong>s gerechnet (Bild 12).<br />
Bild 12.<br />
Nach rund 18-jähriger Bauzeit wird das M<strong>am</strong>mutprojekt des <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Staud<strong>am</strong>ms <strong>in</strong><br />
Ch<strong>in</strong>a mit dem größten <strong>Schiffshebewerk</strong> der Welt fertig gestellt se<strong>in</strong>.<br />
Literatur<br />
[1] Wagner, R.: <strong>Schiffshebewerk</strong>e <strong>in</strong> Deutschland, Ansichts- und Sicherheitspr<strong>in</strong>zipien. Stahlwasserbautagung<br />
von Mannesmann-Rexroth-Tagung, Lohr/Ma<strong>in</strong>, 1997.<br />
[2] BAW (Bundesanstalt für Wasserbau): Machbarkeitsstudie für das <strong>Schiffshebewerk</strong> <strong>am</strong> <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-<br />
Projekt des <strong>Yangtse</strong>, Karlsruhe, 25.05.2000 (unveröffentlicht).<br />
[3] Wagner, R., Krebs, A.: Das <strong>Schiffshebewerk</strong> <strong>am</strong> <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Projekt des <strong>Yangtse</strong>. Jahrbuch 2001 der<br />
Hafenbautechnischen Gesellschaft (HTG).<br />
[4] CTGPC: „guidel<strong>in</strong>e for design“ Entwurfsgrundsätze für das <strong>Schiffshebewerk</strong> <strong>am</strong> <strong>Drei</strong>-<strong>Schluchten</strong>-Staud<strong>am</strong>m,<br />
2004 (unveröffentlicht).<br />
[5] Germanischer Lloyd: Erdbebenuntersuchungen e<strong>in</strong>es Schiffstroges, H<strong>am</strong>burg 2004 (unveröffentlicht).