Lawinendämme

Lawinendämme werden in den Auslaufzonen von Lawinen erstellt, um gefährdete Gebiete zu schützen, die sich durch Schutzmassnahmen zur Verhinderung von Lawinenabgängen (z.B Schutzwald, Verbauungen im Anrissgebiet) nicht schützen lassen. Sie dienen dazu, Lawinen vollständig aufzuhalten oder zumindest soweit abzubremsen, dass sie hinter ihnen liegende Siedlungen oder Strassen nicht gefährden. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel eines Lawinendamms.

Abbildung 1: Lawinendamm ob Vals, GR

Um die für das Schutzziel nötige Dammhöhe abzuschätzen, benötigt man Informationen über das Volumen und die Geschwindigkeit der am Dammstandort zu erwartenden Lawine, aus denen man mittels einer Faustformel die ungefähre Höhe des Dammes erhält. Jedoch braucht es für diese Abschätzung viel Expertenwissen, um Einflüsse wie die Geländebeschaffenheit, die vorausichtliche Fliesscharakteristik und die bergseitige Neigung des Damms angemessen zu berücksichtigen. In der Regel sind Dämme umso effektiver, je steiler ihre bergseitige Neigung ist. Diese Einschätzung ist beim derzeitigen Verfahren subjektiver Natur, das heisst, sie liegt ganz in der Verantwortung der für die Planung des Damms verantwortlichen Experten.

In einem vom BAFU und vom Kanton Wallis finanzierten Projekt wurde eine Anleitung zur Bemessung von Lawinenauffangdämmen erstellt, die die Abschätzung der notwendigen Dammhöhe in einigen wichtigen Punkten auf eine objektivere Grundlage stellt. In masstäblichen Experimenten im Labor und auf der Schneegleitbahn des SLF am Weissfluhjoch konnte beobachtet werden, dass die Auflaufhöhe der Lawine am Damm von zwei dimensionslosen Grössen sowie von der Dammgeometrie, d.h. von der bergseitigen Neigung des Damms und der Neigung des bergseitigen Dammvorfelds abhängt. Die dimensionslosen Grössen beschreiben das Verhältnis von Fliessgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit, in der sich die Information einer Störung (in diesem Fall ist das der Damm) entgegen der Fliessrichtung ausbreitet (Froudezahl Fr) und die Länge der Lawine im Verhältnis zu ihrer Fliesshöhe ("finite size number" V_adim). Diese beiden Grössen bestimmen zusammen mit der Dammgeometrie, ob die Lawine einfach den Damm hinaufläuft, bis sie zum Stillstand kommt, oder ob sich eine sogenannte Schockwelle ausbildet. Diese beiden Verhaltensweisen ergeben bei gleicher Lawinengeschwindigkeit verschiedene nötige Dammhöhen und wurden im bisherigen Verfahren zur Abschätzung der Dammhöhe nicht explizit berücksichtigt.

Abbildung 2: Zeitlicher Ablauf des Aufpralls einer Lawine auf einen Damm im Laborexperiment.

Die Abbildung 2 zeigt eine Sequenz von Videoaufnahmen vom Aufprall einer aus granularem Material bestehenden Lawine auf einen Damm auf der Laborrutschbahn. Man erkennt drei Phasen: (i) die erste Front (Bilder 1, 2), die den Damm hinafläuft, (ii) die Ausbildung einer Schockwelle (Bilder 3,4) und (iii) die Schockwelle (Bilder 5-8), die sich mit konstanter Höhe entgegen der Fliessrichtung ausbreitet. Die Abbildung 3 gibt eine Andeutung der zugrundeliegenden theoretischen Überlegungen, die der Hydraulik entlehnt wurden.

Abbildung 3: Prinzip einer Schockwelle

Ausgehend von den experimentellen Ergenissen wurde mit Hilfe von Überlegungen aus der Hydraulik eine theoretische Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Lawine und Damm entwickelt, auf der die neue Anleitung aufbaut. Sie basiert auf der Froude-Analogie von granularen Strömungen und Hydraulik und darauf, dass es von den dimensionslosen Grössen Fr und V_adim abhängt, welche der Phasen (i) - (iii) sich überhaupt ausbilden und zu welchem Grad sie, falls sie sich ausbilden, den Aufprallprozess am Damm dominieren. Die Abbildung 4 zeigt ein Fliessdiagramm der nötigen Berechnungen und Entscheidungen bei der Bemessung eines Damms gemäss der neuen Anleitung.

Abbildung 4: Fliessdiagramm zur Dimensionierung eines Dammes nach der neuen Anleitung

Die theoretischen Überlegungen, die in der neuen Anleitung stecken, basieren auf der Annahme, dass sich die Vorgänge an einem realen Damm im Labor bzw. auf der Schneegleitbahn maßstäblich abbilden lassen. Dies ist nicht selbstverständlich, da die Prozesse in einer grossen Schneelawine nicht notwendigerweise maßstäblich zu denen in einer Laborlawine aus granularem Material (Glaskügelchen mit einem Durchmesser von 1/10 mm) sind. Damit die aus den Laborexperimenten gewonnenen Dimensionierungsregeln zuverlässig sind, müssen die Laborlawinen bezüglich ihrer dimensionslosen Kenngrössen Fr und V_adim mit realen Lawinen übereinstimmen. Dies ist für die Experimente gegeben, aber für eine vollständige Übereinstimmung nicht ausreichend: Die Frage, ob es dimensionslose Kennzahlen auch für die inneren Reibungsprozesse gibt, die für die Abbremsung und für das Aufstauen der Lawine am Damm veratwortlich sind, und ob diese gegebenenfalls für reale Lawinen und Laborexperimente übereinstimmen, ist Gegenstand unserer aktuellen Forschunsarbeit.

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Anleitung zur Bemessung von Lawinenauffangdämmen

Die Anleitung besteht aus 4 Teilen:

• Ausführliche Anleitung
• Kurzanleitung (Zusammenfassung als Gedächtnisstütze. Sie kann die Lektüre der ausführlichen Anleitung nicht ersetzen)
• Beispiel Evoléne
• Beispiel Mottec

Die Anleitung ist auch in französisch erhältlich: demarche, demarche_breve, exemple_evolene, exemple_mottec

Kontakt

• Stefan Margreth