Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes


Wasserstraßen-Neubauamt Datteln

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Inhalt: Ruhrwehr Raffelberg

Ersatz des Ruhrwehres Raffelberg bei Ruhr-km 9,980 W
in Mülheim an der Ruhr

Vorgeschichte

Die Ruhr durchfließt etwa 15 km vor ihrer Mündung in den Rhein bei Duisburg–Ruhrort, das Stadtgebiet von Mülheim. Der zum ersten Mal 811 n. Chr. erwähnte Ort, am Übergang zwischen dem rheinischen Schiefergebirge und der niederrheinischen Tiefebene gelegen, war schon frühzeitig in die beginnende Industrialisierung eingebunden. Über die Ruhr konnten Güter auf dem Wasserweg transportiert werden.

Verlauf der Ruhr mit Standort des Ruhrwehres Raffelberg

Die Wehranlage Raffelberg wurde in den Jahren 1916 - 1919 in Verbindung mit der Ruhrkanalisierung und der Anlage des Stadthafens Mülheim erbaut. Bauherr war die Stadt Mülheim. Mit Wirkung vom 01.04.1921 wurde die Ruhr von der Rheinmündung bis etwa zur Schloßbrücke in Mülheim auf einer Strecke von ca. 12,2 km Reichswasserstraße und damit später Bundeswasserstraße.

Das im Wehrarm der Ruhr gelegene Wehr bildet zusammen mit der im Jahre 1927 in einem Durchstich fertiggestellten Schleuse Raffelberg sowie dem stadteigenen Kraftwerk die Staustufe Raffelberg. Die Station des Wehres beträgt Ruhr-km 10,030 W.

Das Flussbett der Ruhr wird durch das Wehr mittels drei gleicher Öffnungen von je 17,50 m lichter Weite aufgestaut. Die Wehranlage besteht aus dem Wehrkörper, an den sich unterwasserseitig ein Wehrboden anschließt. Bauteil-Querschnitte und Fugenanordnungen trugen den damals erwarteten Einwirkungen aus dem untertägigen Bergbau Rechnung. Für die Zukunft sind Bergbautätigkeiten nicht zu erwarten.

Alte Wehranlage Baujahr 1919

Landpfeiler, Flusspfeiler und Vorland werden durch einen 3 m breiten Fachwerksteg verbunden. Die Brücke hat südlich Anschluss an den nördlichen Betriebsweg des Schleusenkanals (Ruhrschifffahrtsstraße).

Die seitlichen Vorländer der Wehranlage sind Trinkwassergewinnungsgebiete der Rheinisch-Westfälischen-Wasserwerke GmbH Mülheim (RWW GmbH), die ihre Konzession seit 1927 ausübt. Das Wassergewinnungsgebiet selbst ist Wasserschutzzone I, die Vorländer der Ruhr sind Wasserschutzzone IIIa. Landschaftlich zählt die Ruhr zum Biotopkomplex "Ruhraue".

Der hydrostatische Wasserstand im Oberwasser der Wehranlage liegt auf NN + 31,85 m. Im Unterwasser der Wehranlage schwankt der Wasserstand mit der Wasserführung und liegt bei Mindestabfluss nur wenige Dezimeter über der Flusssohle, die auf etwa NN + 26,00 m liegt. Der hydrostatische Stau der nächst unterstrom gelegenen Staustufe Duisburg liegt auf NN + 25,00 m.

Baulicher Zustand der Altanlage

Aufgrund des baulichen Zustandes, der bei fortschreitendem Substanzverlust zu einer akuten Gefährdung der Stauhaltung führen würde, ist die Anlage zu erneuern. Die schwerwiegendsten Mängel sind:


Durchströmender Pfeiler mit Eisbesatz

Die neue Wehranlage/Bemessungsabflüsse

Die Dimensionierung der neuen Wehranlage baut auf

- dem Höchsten-Hochwasserabfluss HHQ
- dem Bemessungsabfluss BHQ entsprechend dem 100jährlichen Hochwasser
- dem Bauzeiten-Hochwasser HQBau

auf.

Als Höchstes Hochwasser HHQ kann der Überlieferung nach das Hochwasser von 1890 herangezogen werden, welches der Planfeststellung von 1914/1915 zugrunde gelegt wurde und für die Baumaßnahme die noch gültige rechtliche Grundlage darstellt. Es wurde mit insgesamt Q = 2.400 m³/s in der Ruhr angegeben. Dabei sind ca. 2.070 m³/s (HHQ) über den Wehrarm und ca. 330 m³/s über das heutige Schleusengelände abgeflossen.

Das Bemessungs-Hochwasser BHQ, als 100jährliches Hochwasser HQ100 aus der Jahresreihe 1927/1988 für Hochwasser-Ereignisse entwickelt, beträgt BHQ =1730 m³/s.

Als Bauzeiten-Hochwasser wurde ein 5jährliches Hochwasser HQ5 mit 890 m³/s gewählt, das in etwa dem aus Tagesmittelwerten des Ruhrverbandes bestimmten Sommer-Hochwasser der Jahresreihe 1927/1988 entspricht.

Um das Bemessungs-Hochwasser BHQ = HQ100 auch bei Versagen einer Wehrklappe sicher abführen zu können, ist eine Wehranlage mit einer Abflussbreite von ca. 72 m erforderlich (4 Wehrfelder mit je 18 m Abflussbreite). Zur Sicherstellung geordneter Abflüsse und zur Vermeidung von Kolken wird im Unterwasser ein Tosbecken vorgesehen.

Längsschnitt durch das neue Wehr

Das Konstruktionsprinzip des neuen Wehres wird als "kombiniertes Wehr“ durch eine feste Wehrschwelle und bewegliche Wehrverschlüsse bestimmt.

Für den Zustand der abgesenkten Wehrverschlüsse - und damit in seiner Teilfunktion als festes Wehr - wird die neue Wehranlage mit einem Wehrhöcker ausgebildet, dessen Höhe auf NN + 27,40 m liegt und bei den Bemessungsabflüssen praktisch keinen Aufstau erzeugt. Der Wehrhöcker ermöglicht eine geringere Höhe des vorzusehenden Verschlusskörpers. Die Sohle des Wehrbodens liegt entsprechend der Flusssohle auf NN + 26,40 m.

Massivbau

Als Gründung für die Wehranlage empfiehlt sich bei dem anstehenden Baugrund – einem festen Grünsand - ein flach gegründetes Rahmentragwerk aus einer lastverteilenden durchlaufenden Sohlplatte, in welche die Pfeiler (Land- und Flusspfeiler) biegesteif und fugenlos eingespannt sind. Die seitlichen Wände des Tosbeckens und die Wehrwangen sind separat als Winkelstützmauern konzipiert. Kontrollen an Bauwerk und Wehrverschluss-Lagerung sind bei Niedrigwasser und/oder gesetzten Notverschlüssen möglich.

Die Breite der Flusspfeiler beträgt mit 4,50 m 25 % der Wehrfeldbreite von 18 m und wurde im Rahmen der von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) durchgeführten Modellversuche festgelegt. Die Abmessung der Pfeiler lässt - wie bei vergleichbaren Anlagen – die Unterbringung der Antriebe einschließlich der Nebenaggregate sowie der Belüftungs- und Feuerlöscheinrichtungen zu.

Die Wehrklappen werden einseitig angetrieben. Die Klappenantriebe befinden sich in den dazu nördlich gelegenen Wehrpfeilern. Die zentrale Steuerung erfolgt aus dem südlichen Landpfeiler, der auch mit einem Notstromaggregat ausgerüstet ist. Diesen Anforderungen entsprechend weicht die Breite des südlichen Landpfeilers mit 6,50 m von den Abmessungen der übrigen Pfeiler ab. Der Zugang erfolgt über in den Pfeilern integrierte Treppenhäuser, die durch sogenannte "Antriebshäuschen" überdacht werden. Die "Antriebshäuschen" erfüllen dabei gleichzeitig eine Forderung aus der Planfeststellung nach dem Erhalt von Elementen der alten Wehranlage als prägendes Element des Landschaftsbildes.

Computersimulation der neuen Wehranlage
Nördliche Wehrwange mit Fischaufstiegsanlage
Eingeschalte Wehrbrücke im 2. Bauabschnitt
Wehrklappenmontage

Dichtungsspundwände unter der Wehranlage reduzieren aufgrund einer Verlängerung der Sickerwege das Wasserdruck-Potential unter der Wehrsohle und erhöhen die Sicherheit gegen Auftrieb, Suffosion, Erosion und hydraulischen Grundbruch.

Weiterhin wird unmittelbar neben dem nördlichen Landpfeiler mit einer Fischaufstiegsanlage die Durchgängigkeit für Fische auch im Wehrarm sichergestellt.

Betriebsbrücke

Die Andienung der neuen Wehranlage erfolgt wegen der günstigeren Randbedingungen für Betrieb und Unterhaltung von der Nordseite.

Die Betriebsbrücke besteht aus Vorland- und Wehrbrücke.

Die 3feldrige Vorlandbrücke hat eine Gesamtlänge zwischen Betriebsweg und Wehr von rd. 80 m.

Die Wehrbrücke ermöglicht die Zugänglichkeit zur Wehranlage mit Unterhaltungsfahrzeugen auch bei höchstem Hochwasserstand (HHW/OW). Ihre Konstruktionsunterkante liegt in der Wehrachse auf NN + 33,91 m und damit 1,26 m über dem HHW.

Das Abdämmen eines Wehrfeldes erfolgt mit jeweils sechs ober- sowie acht unterwasserseitig zu setzende Revisionsverschlüsse, die mit Hilfe eines Mobilkranes eingehoben werden. Die Montage und Demontage einer rd. 79 t schweren Wehrklappe erfordert den Einsatz von zwei Mobilkranen, jedoch mit einem erforderlichen Lastmoment von 400 tm. Dementsprechend war die Betriebsbrücke nach DIN 1072 für einen SLW 60 zu bemessen.

Die Wehrbrücke aus Spannbeton ist aus Gründen des Bauablaufs als Einfeldträger-Konstruktion ausgebildet. Sie kann in Funktion einer Baudienst-Brücke den Bauphasen folgend feldweise hergestellt und genutzt werden.

Stahlwasserbau

Die Verschlüsse sind als einseitig angetriebene Wehrklappen (Fischbauchklappen) ausgebildet. Das Klappenwehr hat seine Vorzüge sowohl aus hydraulischer und statischer Sicht als auch bei der Gestaltung des Tiefbaus.

Infolge der Verdrehungsfestigkeit des gesamten Klappenkörpers durch das Zusammenwirken von Staublech und Bauchblech kann die Wehrklappe einseitig angetrieben werden. Günstig ist das Klappenwehr ebenfalls hinsichtlich der Sicherheit zu bewerten, da im Störfall die Wehrklappe ohne Fremdenergie allein durch den Wasserüberdruck abgesenkt werden kann.

Das Klappenwehr erfordert in den Pfeilern keine Nischen, so dass die Pfeiler schlank gehalten werden und keine Strömungsablösungen entstehen können. Durch eine kontinuierliche drehbare Lagerung der Wehrklappe werden die Kräfte sehr gleichmäßig in den Tiefbau übertragen.

Der Wehrverschluss des neuen Wehres ist mit einer Breite von 18,0 m und einer Verschlusshöhe von 4,9 m bemessen, wobei die Stauhöhe über der Wehrschwelle 4,45 m beträgt (OK Schwelle auf NN + 27,40 m). Das Gewicht eines Wehrverschlusses wurde unter Berücksichtigung der Betriebsfestigkeit zu G = 79 t bestimmt.

Die Seitenschilder der Wehrverschlusse werden gegen Eisbildung mit selbstregulierenden Heizbändern ausgestattet.

Als Revisionsverschlüsse werden im Ober- und im Unterwasser mehrteilige, horizontale Dammbalken vorgesehen. Der OW-Revisionsverschluss soll auch gegen strömendes Wasser mit einer Fliesgeschwindigkeit ≤ 1 m/s gesetzt werden können; d. h., die Dammbalken sind mit Laufrollen ausgestattet.

Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung

Als Antrieb für die Wehrklappen wird ein elektrohydraulischer Antrieb mit über Torsionsrohr und Hebel einseitig angreifendem Hydraulikzylinder gewählt. Der elektrohydraulische Antrieb ermöglicht eine gute Regulierbarkeit von Abflussmengen auch bei kleinen Schwenkbewegungen.

Die elektrische Energieversorgung für die Wehranlage erfolgt aus dem Hochspannungsnetz (10 kV) des örtlichen Elektro-Versorgungsunternehmens.

Die notwendigen zentralen technischen Einheiten, wie

werden in den hierfür vorgesehenen Betriebsräumen im südlichen Landpfeiler angeordnet.

In den 3 Flusspfeilern sowie im nördlichen Landpfeiler werden die Klappenantriebe einschl. der örtlichen Niederspannungsverteilung und Antriebssteuerung installiert. Die Nebenanlagen, wie

befinden sich separat in jedem Pfeiler.

Weiterhin ist eine Außenbeleuchtung für die gesamte Wehranlage vorgesehen.

Wehrsteuerung

Die Steuerung des Wehres erfolgt im Normalbetrieb automatisch durch eine Regelung in Abhängigkeit vom Wasserstand im Wehrarm (Oberwasser Raffelberg). Für diese Regelung werden Pegelanlagen im Oberwasser und Unterwasser des Wehres benötigt bzw. neu errichtet sowie Steuersignale aus Kraftwerk und Schleuse Raffelberg herangeführt. Für besondere Betriebsfalle ist eine manuelle Steuerung des Wehres durch örtliche Bedienung im Wehr bzw. durch Fernbedienung durch die Fernsteuerzentrale Datteln möglich. Die Überwachung des Wehrbetriebes erfolgt in allen Betriebsarten grundsätzlich über die Fernsteuerzentrale.

Baustellenandienung

Zur Versorgung der Baustelle ist eine vorübergehende Baustraße erforderlich, die nach Beendigung der Arbeiten wieder zurückgebaut wird. Der in den Modellversuchen untersuchte Bauablauf "Bauen von der Nordseite zur Südseite der Ruhr" hat sich insbesondere unter dem Aspekt Hochwasserabfuhr als hydraulisch am günstigsten erwiesen. Der so gefundene Bauablauf bestimmt die Lage der Baustraße nördlich der Ruhr.

rot = neue Wehranlage, gelb = alte Wehranlage

Gliederung der Bauabwicklung

Die Grobgliederung sieht folgenden Bauablauf vor:

Erstellung der nördlichen Baugrube zum Bau der beiden nördlichen Wehrfelder
Bau der Vorlandbrücke und der anteiligen Wehrbrücke
Bau der anteiligen unterwasserseitigen Kolksicherung im Schutz der Baugrube
Bau der Fischaufstiegsanlage in der nördlichen Wehrwange

Erstellung der südlichen Baugrube zum Bau der beiden südlichen Wehrfelder
Bau der anteiligen Wehrbrücke
Bau der restlichen Kolksicherung im Schutz der Baugrube

Montage der Wehrklappen, technischen Ausrüstungsteile und Probebetrieb
Teil-Abbruch der alten Wehranlage
Aufweitung der Ruhr im Oberwasser

Baugrubenanordnung 1. Bauabschnitt - 2. Bauabschnitt

Baugruben

Als Baugrubenumschließung kommen Spundwände mit zweilagiger temporärer Rückverankerung zur Ausführung. Da die obere Lage jeweils im Abflussbereich der Ruhr anzuordnen ist, wird die Ankerlage durch eine vollvergossene Steinschüttung gesichert. Die Einbindetiefe der Spundwände wurde so gewählt, dass im Baugrund eine Sicherheit von 1,5 gegen hydraulischen Grundbruch vorhanden ist.

Bei der südlichen Baugrubenumschließung wird die neu gebaute nördliche Wehrhälfte (Pfeiler 2) in die Bauzustände mit einbezogen; die nördliche Baugrubenwand kann zum Teil in ihrer alten Grundrisslage verbleiben, jedoch müssen die Anker neu gesetzt werden.

Die Baugruben werden bei Q ≥ 1.400 m³/s überströmt; die Baustraßen bereits ab 1.000 m³/s.

Defekter Kolkschutz (Ankerschutz)an der nördlichen Baugrube
Baugrube 2. Bauabschnitt
Blick von Oberwasser auf die Baugrube 2. Bauabschnitt
eingedämmtes Wehrfeld zur Montage der Stahlwasserbauteile

Antriebshäuser und Betriebsgebäude

Die Gebäude werden als leichte Stahlkonstruktion, ausgemauert und mit vorgehängten Betonwerksteinplatten versehen, hergestellt. Licht und Luft gelangen über die in der Ebene der Mauerwerkswand befindlichen Fenster ins Gebäudeinnere. Die entstehende Vielschichtigkeit gibt der Fassade durch das Wechselspiel von Licht und Schatten Lebendigkeit.

Die Gebäude erhalten ein Tonnendach. Das Dach wird zur Hälfte verschiebbar ausgeführt, um zu gewährleisten, dass schwere Ausrüstungsteile in den Pfeilern ein- und ausgebaut werden können.

Tosbecken

Die Anlage eines Tosbeckens dient der Energieumwandlung. Sie stellt eine Erosionsschutzmaßnahme dar und ist aus Standsicherheitsgründen für das Wehr erforderlich.

Form und Ausbildung wurden in Modellversuchen bei der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) in Karlsruhe so optimiert, dass die größtmögliche Energie des fließenden Wassers in Mischverluste und Wärme umgewandelt wird. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit im Anschluss an das Tosbecken in möglichst kurzer, horizontaler und vertikaler Entfernung natürlich verteilt. Es besteht aus einer geneigten Stahlbetonkonstruktion mit einer Sohlschwelle und einem Endhöcker. Zusätzlich sind in der Verlängerung der Flusspfeiler Trennrippen angeordnet, die das Strömungsverhalten des abfließenden Wassers günstig beeinflussen. Die Endschwelle liegt bei NN + 26,70 m und bestimmt die Höhe des Wasserstandes im Tosbecken bei geschlossenem Wehr.

Blick von der südlichen Wehrwange
in die Tosbecken
Tosbecken (geflutet) mit gezahntem
Endhöcker für den Fischaufstieg

Sohl- und Böschungsbefestigung

Die Befestigung der Flusssohle im Unterwasser im Anschluss an das Tosbecken wurde mit Hilfe von Modellversuchen durch die BAW festgelegt. Danach ergaben sich drei gestaffelte Bereiche, die durch verschiedene Bruchsteingewichte und Schuttdicken gekennzeichnet sind.

Bauzeitbedingte Hochwasserentlastung

Bei einer Wasserführung Q ≥ 500 m³/s im Wehrarm wird das baugrubenbedingt aufgestaute Wasser bereits am Abzweig Schifffahrtskanal/Wehrarm bei Ruhr-km 9,715 S abgeleitet und über die Schleuse Raffelberg abgeführt. Damit wird gewährleistet, dass negative Auswirkungen in der Stadt Mülheim nicht eintreten können.

Lageplan Schleusenkanal und Wehrarm
Hochwasserabfuhr von ca. 280 m³/s durch die Schleuse
bei geöffnetem Ober- und Untertor
Eckdaten zum Neubau
Massivbau
Bodenaushub 100.000 m³
Spundbohlen 2.500 t
Spundbohlen einbringen 22.000 m²
Temporäre Verankerung 750 Anker
Gesamtlänge 17.000 m
Beton 22.000 m³
Bewehrungsstahl 1.200 t
Sohlsicherung aus Schüttsteinen im Anschluss an Betonbauwerk Einzelgewicht bis 610 kg/Stück 11.500 m²
Baugrubengröße 1.Bauabschnitt 100,00 x 70,00 m
2. Bauabschnitt 100,00 x 60,00 m
maximale Aushubtiefe 12,00 m
Stahlwasserbau
Verschlussorgan Fischbauchklappe 79,00 t
Abmessungen Höhe 4,90 m
Breite 18,00 m
Bautiefe 1,50 m
Anstellwinkel in Geschlossen-Stellung + 70°
Anstellwinkel in Offenstellung - 11,6°
Technische Ausrüstung
Netzstation
Stromversorgungs- und Verteilungsanlagen
Schalt- und Steuerungsanlage mit automatischer Stauregulierung
Netzersatzanlage
Nachrichtentechnische Einrichtungen (Fernwirkanlage)
Elektroinstallation, Potenzialausgleich, Blitzschutz, Erdung
Kabel- und Leitungsnetz
Feuerlösch- und Brandmeldeanlage
Heizung- und Sanitärinstallation
Lüftungsanlage
Pegelanlagen

Bauherr

Bundesrepublik Deutschland
Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes
Wasserstraßen-Neubauamt Datteln
Speeckstraße 1
45711 Datteln

Entwurfsverfasser

Wasserstraßen-Neubauamt Datteln
Speeckstraße 1
45711 Datteln

WPW Ingenieure
Hochstraße 61
66115 Saarbrücken

Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)
Karlsruhe-Hamburg-Ilmenau
Kußmaulstraße 17
76187 Karlsruhe

Bauausführende Firmen

Philipp Holzmann AG
Niederlassung Münster
Nobelstraße 18
48165 Münster
Massivbau bis 31.Mai 2002

Johann Bunte GmbH & Co.
Niederlassung Bad Bentheim
Suddendorfer Straße 18
48455 Bad Bentheim
Massivbau ab 06. Juni 2002 (Weiterführung nach Insolvenz der Fa. Philipp Holzmann AG)

DSD ; Dillinger Stahlbau GmbH
Henry-Ford-Straße
66740 Saarlouis
Stahlwasserbau

ABB Utilities GmbH
Breiter Weg 227
39104 Magdeburg
Technische Ausrüstung

Prüfingenieure

ARGE Prüfingenieure Albrecht – Linse GBR
Karlstraße 48
80333 München

Fertigstellung

2005 nach ca. 6 Jahren Bauzeit

Ausgaben – Schätzung

ca. 34 Mio. EURO