Staudämme und Erosion – Die unterschätzte Gefahr

Erosion und Unterspülung an den Überflutungskanälen des Oroville Dam (Sierra Nevada, Kalifornien) haben in den letzten Tagen zu großen Problemen geführt. Sicherheitshalber wurden am Wochenende über 200.000 Menschen evakuiert, die Lage hat sich inzwischen etwas entspannt wird aber noch genau beobachtet.

Nach starken Regenfällen im Jänner war der Stausee bis zum Sicherheitspegel gefüllt. Da weitere Niederschläge erwartet wurden, wurde Wasser zunächst über einen betonierten Überflutungskanal abgeleitet. Letzte Woche kam es allerdings zu einer Unterspülung des Kanals, dieser brach teilweise ein und das strömende Wasser hat sich in tief in das Festgestein eingegraben. Um die Erosion aufzuhalten wurde der Abfluss teilweise gedrosselt, der Wasserspiegel im See ist daraufhin wieder gestiegen und hat einen zusätzlichen Not-Überflutungskanal geflutet. Dieser besteht allerdings nur aus einer Zementmauer, festgestampfter Erde und aufgeschüttetes Material. Das fließende Wasser hat sich daher rasch in das Lockermaterial eingegraben. Die Behörden befürchtete nun das sich die rückschreitende Erosion bis zur Zementmauer hinarbeiten könnte, ein Zusammenbruch der Mauer würde eine 9m hohe Flutwelle verursachen. Um hier die Erosion aufzuhalten wurde mehr Wasser im zementierten Überflutungskanal geleitet, was aber automatisch dort zu weiterer Erosion führt. Trotz der Probleme ist es gelungen den Wasserspiegel im Stausee um 15m zu senken. Der Not-Überflutungskanal wurde mittels Mörtel und Blockwerk etwas stabilisiert, der eigentliche Überflutungskanal ist zwar stark bestätigt, eine Ableitung ist allerdings noch in beschränkten Maße möglich.  Die anfängliche Erosion unterhalb des ersten, betonierten Kanals könnte durch eine Zone von verwitterten Gestein (Störung?) verursacht worden sein, wie (noch nicht bestätige) Kommentare vorgeschlagen haben.

William Croyle, California Department of Water Resource. Gemeinfreiheit.

Die eigentliche Staumauer des Oroville Dam war zu keiner Zeit gefährdet. Erosion, Unterspülung und Geologie spielten allerdings  beim Zusammenbruch der St. Francis Staumauer, eine der schlimmsten Unglücke dieser Art in den Vereinigten Staaten, eine Rolle.

Das aufstrebende Los Angeles des vorletzten Jahrhunderts hatte ein großes Problem, die große Wasserknappheit in Kalifornien. William Mulholland, ein Irischer Immigrant und self-made Man, plante ein aufwendiges System aus Staubecken und Aquädukte um das dringend benötigte Wasser aus der 72 Kilometer entfernten Sierra Nevada nach Los Angeles zu bringen. Zum System gehörte auch eine Staumauer im San Francisquito Canyon. Der Canyon ist in eine Abfolge von Sandsteinen mit Gipslagen, die durch eine große Störung direkt an metamorphe Schiefer und Talklagen angrenzen, durch den San Francisquito eingeschnitten worden. Bald nach der Fertigstellung der 61m hohen St. Francis Staumauer die den  San Francisquito aufstaute wurden erste Wasseraustritte beobachtet. Allerdings erregten die geringen Mengen keine Besorgnis. Am Morgen des 12. Mai 1928 beobachtete ein Techniker einen größeren Wasseraustritt, da das Wasser allerdings klar war wurde angenommen das es zu keiner nennenswerten Unterspülung der Staumauer gekommen war. Zwölf Stunden später markierte ein plötzlicher Stromausfall in Los Angeles den Zusammensturz der Staumauer, 45 Milliarden Liter Wasser ergossen sich aus den Canyon, töteten 125 Personen und verursachten noch 70 Kilometer entfernt Schäden.

Gemeinfreiheit, Quelle: Wikipedia.

Was war passiert? Der Baugrund war das Schlimmste was sich ein Geologe so ausmalen könnte. Der Gips im Sandstein ist wasserlöslich, der Talk in dem Schiefergestein ein weiches, druckempfindliches Gestein. Metamorphe Gesteine weisen eine Schieferung auf an denen große Gesteinspakete abrutschen können. Zusätzlich war das gesamte Gebirge durch eine Störung die genau unterhalb der Staumauer verlief völlig zerrüttet. Nachdem es zu ersten Wassereinsickerungen an der Basis der Staumauer gekommen war, das als Schmiermittel wirkt, führte das Gewicht der Staumauer und des Wassers im Stausee zu einem Abrutschen der beiden Schultern der Staumauer, die daraufhin völlig zusammenbrach.

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David Bressan ist freiberuflicher Geologe hauptsächlich in, oder wenn wieder mal ein Tunnel gegraben wird unter den Alpen unterwegs. Während des Studiums der Erdwissenschaften in Innsbruck, bei dem es auch um Gletscherschwankungen in den vergangen Jahrhunderten ging, kam das Interesse für Geschichte dazu. Hobbymäßig begann er daher über die Geschichte der Geologie zu bloggen.

10 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Die Liste von Stauanlagenunfällen umfasst allein in den USA mehr als 40 Dammbrüche, 5 davon in Kalifornien von denen 2 durch Erdbeben verursacht wurden.
    Neben der St. Francis Staumauer brach auch der Kelly-Barnes-Damm in Giorgia als Folge von Erosion (nach langen Regenfällen). Es gab 39 Tote.

    Eigentlich sollten Geologen für Staudämme ungeeignete Orte identifizieren können. Doch diese versagten im Falle des St.Francis-Staudammes:

    Aber in den 1920er Jahren fanden zwei der führenden Geologen der damaligen Welt, John C. Branner von der Stanford University und Carl E. Grunsky keine Störungen in dem Fels. Die Staumauer wurde sogar direkt über die San Francisquito-Erdbebenverwerfung gebaut, wobei diese allerdings bis heute inaktiv ist.

    Der St.Francis-Staudamm war eine Gewichtsstaumauer: das Eigengewicht des Dammes sollte dem Wasserdruck widerstehen. Allerdings wurde der St.Francis-Staudamm nachträglich erhöht ohne dass er entsprechend verbreitert wurde. Das war wohl mit ein Grund für die Katastrophe.

  2. Sicherlich ein interessanter Artikel, aber darf man fragen, wo der Autor sein Deutsch gelernt hat? Die Kommasetzung erfolgte augenscheinlich nach dem Zufallsprinzip oder fehlt in großen Teilen komplett, und den Einsatz des Dativs hat er auch entweder nie gelernt oder schon wieder völlig vergessen… Auch als Geologe kann man die Fähigkeit besitzen, (relativ) fehlerfrei zu schreiben (Ich bin selbst einer). Und seit wann ist Gips eigentlich so wasserlöslich?

    • Mit einiger Wahrscheinlichkeit ist Deutsch nicht die (Haupt)Muttersprache des Autors. Wären Sie in der Lage einen qualitativ ähnlich guten Text absolut fehlerfrei und auch noch geschliffen formuliert auf Englisch oder Französisch zu verfassen? Dann freue ich mich auf Ihr Blog.

      • Hallo Ute
        Danke für den Hinweis, vielleicht war ich tatsächlich etwas vorschnell. David Bressan hört sich zumindest nicht wirklich deutsch an, da muss ich Dir Recht geben. Allerdings, laut Beschreibung befindet er sich – besonders bei Tunnelbauprojekten – häufig in den Alpen. Da gibt es meines Wissens nach eine ganze Menge an Projekten (ich habe die letzten acht Jahre in der Schweiz gelebt). Zudem hat der Autor in Innsbruck studiert, und da ein Geologiestudium nicht gerade zu den kürzesten zählt, kann man vielleicht ein wenig mehr erwarten. Ich konnte mir den leicht bissigen Kommentar nicht verkneifen, was wahrscheinlich darauf beruht, dass die Qualität der Schriftsprache im Internet leider ins Bodenlose gesunken ist und es sich hier zudem um einen „wissenschaftlichen“ Beitrag handelt. Man könnte sich vor der Veröffentlichung ja vielleicht Unterstützung bei einem Muttersprachler holen, nur so als Vorschlag. Und noch eine klitzekleine Anmerkung – meine Dissertation und die zugehörigen paper sind auf Englisch (und soweit ich weiß ziemlich fehlerfrei – zumindest grammatikalisch ☝️😌🎓), Französisch habe ich leider nie gelernt, bin Ossie…

    • Gips ist sogar sehr gut wasserlöslich. Die Löslichkeit beträgt bei 0° ca. 2g/l und nimmt mit zunehmender Temperatur (soweit ich weiß) ab. Es gibt sogar Karstformen im Gips.

    • @Ute Gerhardt @Mike Härtel

      Hallo, danke für die Kritik und versuchte Verteidigung. Zwar ist Deutsch nicht meine Muttersprache, aber ich muss leider zugeben das dieser Blog-Eintrag selbst für meine Verhältnisse ziemlich schnell und schlampig verfasst wurde – ich werde den Eintrag nochmals überarbeiten um die Grammatik zu verbessern aber auch um die angesprochenen Fragen zur Geologie besser herauszuarbeiten.

  3. @David Bressan: Was mich als Laien interessieren würde: Mit welchem Methoden stellte man damals (also Anfang des 20. Jahrhunderts) eigentlich genau fest, aus welchem Gestein das Areal für den geplanten Staudamm besteht? Und wie würde man das heute machen? Wie ist gewährleistet, dass man keine Stellen übersieht, die vielleicht anders sind als der Rest und irgendwann später das Bauwerk gefährden? Kann man das überhaupt je genau wissen?

    • Interessanter Punkt, dazu gibt es ein recht gutes und berüchtigtes Beispiel – der Vajont-Staudamm. Der stellt so einen Wendepunkt der Geologie und Geotechnik zwischen Anfang bis Ende 20. Jhd. Ich würde dazu aber einen separaten Blogartikel schreiben. da seine Geschichte doch sehr umfangreich ist.

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