FE-Nr. 05.185/2014/CRB Numerische Modellierung der Lysimeteruntersuchungen der BASt

Numerische Modellierung der Lysimeteruntersuchungen der BASt

Die Durchsickerung von Erdbauwerken, wie Straßendämmen und Schutzwällen, ist im Zusammenhang mit dem Einsatz von Ersatzbaustoffen im Erdbau von großer Relevanz. Bei der Bauweise E des „Merkblatts für Technische Sicherungsmaßnahmen im Erdbau“ (M TS E) der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) werden Erdbauwerke mit Dammkernen aus Bodenmaterialien mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen, industriellen Nebenprodukten oder Recyclingmaterialien ohne zusätzliches Abdichtungselement errichtet. Zur Reduktion der Durchsickerung zum Schutz des Grundwassers, werden dabei Anforderungen an die Wasserdurchlässigkeit der einzubauenden Böden bzw. Baustoffe gestellt (k  ≤ 1 × 10^-8 m/s). Zur Beurteilung und rechnerischen Überprüfung der Wirksamkeit dieser Sicherungsmaßnahme ist die Kenntnis des Wasserhaushalts von Straßendämmen erforderlich. Dazu wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Böschungsausschnitte in verschiedenen Bauweisen mit unterschiedlichen Materialien in Lysimetern im Freien, sowie in der Halle unter Laborbedingungen untersucht.

Gegenstand des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die numerische Modellierung der Hallen- und Freilandlysimeter in instationären zweidimensionalen Finite-Elemente Berechnungen. Erstmals ist damit ein umfassender Verglich zwischen messtechnisch erfassten und errechneten Sickerwassermengen von Straßendämmen möglich.

Die Festlegung hydraulischer Bodenkennwerte erfolgt bei den Bodenmaterialien auf der Grundlage vorhandener Untersuchungsergebnisse bzw. durch Abschätzung anhand von Datenbanken. Mit einer Klimarandbedingung werden unter anderem Niederschlag, Straßenabfluss, Sonneneinstrahlung, relative Luftfeuchtigkeit, Bewuchs etc. angesetzt und daraus Evapotranspiration, Infiltration und Oberflächenabfluss ermittelt. Bei den Hallenlysimetern werden Berechnungen mit tatsächlichem Regenregime mit Berechnungen unter Ansatz von Tagesmittelwerten verglichen. Für die Berechnungen der Freilandlysimeter werden Tagesmittelwerte angesetzt.

Die hydraulischen Kennwerte der Schichten an der Oberfläche, wie Rollrasen, Oberboden, Bankettmaterial und Entwässerungsschicht werden zunächst abgeschätzt und in umfangreichen Voruntersuchungen durch inverse Modellierung angepasst bzw. anhand von Datenbankwerten abgeschätzt. Die Entwässerungsschichten, in vielen Fällen der Experimente als Dränmatte ausgeführt, besitzen in der Realität eine Dicke von ein bis zwei Zentimetern, was im Modell aus Gründen der Netzgenerierung nur bedingt abbildbar ist. In umfangreichen Sensitivitätsuntersuchungen wird hinsichtlich Geometrie und hydraulischen Eigenschaften eine Möglichkeit zur Abbildung einer Dränmatte im Modell in Form eines porösen Mediums erarbeitet. Die Sensitivitätsuntersuchungen zeigten, dass die Schichten an der Oberfläche einen großen Einfluss auf den Wasserhaushalt und damit auf die Berechnungsergebnisse haben.

Eine weitere Fragestellung ist die Verteilung des Straßenabflusses auf der Dammoberfläche. Dazu wurden zwei Varianten näher untersucht. Die Anwendung einer fiktiven Kiesdeckschicht zur Umverteilung des Wassers an der Modelloberfläche wurde getestet, jedoch aufgrund zu großer Beeinflussung des Wasserhaushalts nicht weiterverfolgt. Zur möglichst realitätsnahen Abbildung des Oberflächenabflusses wurde stattdessen eine zweimalige Durchführung der Berechnung gewählt. Dabei wurde in der ersten Berechnung der Straßenabfluss zunächst vollständig als zusätzlicher Niederschlag im Bereich des Banketts aufgebracht. Der im Bereich des Banketts in der 1. Berechnung auftretende Oberflächenabfluss wurde anschließend auf den Böschungsbereich umverteilt. Mit dieser Methode konnten realistische Ergebnisse erzielt werden. Die Unterschiede zur 1.Berechnung waren jedoch zumeist relativ gering.

Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass bei den meisten verwendeten Böden und Baustoffen eine recht gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen, insbesondere bei feinkörnigen Dammkernen und Dammaufbauten mit Entwässerungsschichten besteht. Tendenziell werden die Wassermengen, die den Kern durchsickern, in der Modellierung überschätzt.

In Lysimeteraufbauten mit einer Dränmatte über grobkörnigem Kernmaterial war zumeist die Ausbildung einer Kapillarsperre zu beobachten, was sich auch bei den Modellberechnungen zeigte.

Da die Qualität numerischer Modelle stark von der Güte der Eingangsparameter abhängig ist, erfordern Prognoseberechnungen eine gute Kenntnis der hydraulischen Bodeneigenschaften und der Randbedingungen.

 

Numerical simulation of the water balance in road embankment lysimeters of BASt

Seepage through earth works, such as road and noise protection embankments, is of great interest when using materials containing environmentally hazardous contaminants. In a guidance document on protective measures (M TS E), published by the German Association for Road Construction and Traffic Affairs (FGSV), construction method E determines the design of embankments containing contaminated soils, industrial by-products and recycling materials without a separate liner. With respect to groundwater protection, seepage through the structure has to be reduced by the embankment material itself, which has to meet the requirement of low hydraulic conductivity (k  ≤ 1 × 10^-8 m/s). For assessment of the effectiveness of such a technical design measure, comprehensive understanding of the water balance of road embankments is required. Therefore, the Federal Highway Research Institute (BASt) has carried out lysimeter studies on embankment sections in the field and under laboratory conditions. During these studies, different materials were assessed.

The aim of this research is the simulation of the indoor and outdoor lysimeters with the finite element method in a two-dimensional finite element model. For the first time, this allows a comprehensive comparison of measurements of seepage water in road embankments to modelling results.

The hydraulic parameters for the soils are based on laboratory results, where available, and estimated from databases. The surface of the models comprise a climate boundary condition which sets precipitation, road runoff, solar radiation, relative humidity, and plant cover amongst others to determine evapotranspiration, infiltration and surface runoff. For the indoor lysimeters, results of a model with actual rainfall are compared to those of a model presupposing daily means of precipitation. Daily means of climate data are also used for the models of the outdoor lysimeters.

Initially, parameters of the covering layers, like sod, top soil, shoulder and drainage materials are estimated and subsequently fitted by inverse modelling or sourced from data bases.

In the experiments, the drainage layers mainly consisted of geo-composite with only one to two centimetres in thickness. Due to meshing constraints this is not feasible within the model. In an extensive sensitivity analysis a feasible solution in terms of geometry and hydraulic parameters is established. The best results are achieved by modelling the drainage layer as a porous medium. The results of the sensitivity analysis further indicate that the layers at the surface have a vast influence on the water balance of the embankment and thus on the modelling results.

Furthermore, the distribution of the road runoff on the verge needs to be taken into consideration. Therefore, two alternatives were examined. A virtual gravel layer for water distribution above the model was tested. However, this method was biased as it influenced the water balance of the whole embankment significantly. To achieve realistic results of the surface runoff, the simulation was run twice. In the first run, all road runoff was applied onto the shoulder. Runoff in this area was redistributed onto the slope in a second run. With this method realistic results could be achieved, although the differences between first and second run were minor.

Modelling results are in reasonable agreement with the experimental measurements for most soils. Especially for embankment cores with cohesive soils and setups with drainage layers, good agreement was achieved. In almost all results a tendency to overestimation of the seepage quantity through the dam core could be observed.

In lysimeters with a drainage layer above a coarse grained soil material, a capillary barrier is established within the drainage element. This could also be observed in the modelling results.

The reliability of the numerical models highly depends on the quality of the input data. Simulations for prognosis purposes thus demand a sound knowledge of the hydraulic properties of the soils and the boundary conditions.