Entwicklung eines Systems zur Staudammüberwachung

Autor: Craig Hewes

Anfang 2017 brachte der Niederschlag aus den Winterstürmen die Stauseen im US-Bundesstaat Kalifornien zum Überlaufen. Dies führte zur Evakuierung hunderttausender Einwohner in der Umgebung von Lake Oroville, dem zweitgrößten künstlich angelegten See Kaliforniens.

In ca. 160 Kilometern Entfernung erreichten im März 2017 auch der Pardee- und der Camanche- Stausee einen Füllstand von 103 Prozent, doch die Dämme wurden nicht überschwemmt und der Wasserüberschuss ließ sich über die Fließgewässer ableiten.

Durch die Verwendung eines der landesweit modernsten automatisierten GNSS-basierten Systeme zur Dammüberwachung in Verbindung mit ausgereifter Sensorik verfügte der East Bay Municipal Utility District (EBMUD) über die erforderliche Technologie zur Fernüberwachung der Kronenhöhe an Dämmen und Deichen mit verbesserter zeitlicher Auflösung an beiden Standorten. Derartige Daten sind wichtige Hilfsmittel für Infrastrukturbetreiber, wenn es um die Überwachung des Zustands und der Leistung kritischer Anlagen geht.

Konzeption von Systemen mit Blick auf aussagekräftige Daten

Zusammen mit Sensemetrics, einem auf vernetzte Sensoranwendungen spezialisierten Unternehmen aus San Diego (USA), entwickelte der EBMUD ein ausgereiftes Monitoringsystem bestehend aus den folgenden Komponenten:

• 31 Leica GMX901+-GPS-Sensoren

• 4 Leica GM10-GNSS-Referenzstationen

• 1 vermaschtes Funknetz basierend auf 900-MHz-Funkmodems

• 2,4-GHz-Repeater und 2 Funkmasten

• Leica GNSS Spider- und GeoMoSSoftwarelösungen

Der Einsatz von Geosystems-Empfängern ist dabei entscheidend, so Cory Baldwin, der Geschäftsführer von Sensemetrics: „Die GMX901+ wurden eigens für Remote-Überwachungsanwendungen mit integrierten, nicht exponierten Antennen versehen“, erklärt Baldwin. „Deshalb waren sie hier meine erste Wahl – andere Anbieter haben keine überzeugenden Monitoringprodukte für eine solche Umgebung.“

Drei der GNSS-Referenzstationsempfänger werden mit Solarstrom betrieben, einer wird mit 120 V AC versorgt. Alle sind sicher in Gehäusen in unmittelbarer Nähe der Leica AR20-Antennen angebracht, die auf Betonsockeln montiert sind. Das Netzwerk arbeitet weitgehend autonom und erfordert nur gelegentliche Benutzereingriffe. Die Datenübertragung erfolgt mittels 900- MHz- und 2,4-GHz-Funkmodems über eine bestehende Mikrowellen-Telemetrieverbindung zum Intranet in der Zentrale des EBMUD in Oakland, wo die zur Verarbeitung der GNSSDaten und Messergebnisse erforderlichen Software-Lösungen Leica Spider und GeoMos auf einem Server laufen. Die Darstellung der Daten erfolgt mit Hilfe benutzerspezifisch angepasster Software von Sensemetrics. 

Fünf der GMX901+-Sensoren sowie vier Seismografen sind am Pardee-Damm montiert und über Glasfaserkabel direkt mit dem Intranet verbunden. Diese Geräte sorgen für eine laufende Überwachung und Protokollierung der Bewegungen des Damms. Zwei der GM10- Referenzstationen wurden in unmittelbarer Nähe beiderseits des Pardee-Damms angebracht und über eine 2,4-GHz-Funkstrecke mit dem Glasfaserkabel verbunden.

Der flussabwärts vom Pardee-Damm gelegene Camanche-Stausee besteht aus einem hohen Erddamm und sechs Deichen. Der Camanche- Stausee dient vorwiegend der Kontrolle des Zuflusses zu nachgelagerten Betrieben und der Aufrechterhaltung einer Strömung für die Lachswanderung. Rund um den Stausee wurden 26 GMX901+-Sensoren angebracht, die laufend Überwachungsdaten liefern.

Ein vollständiges Bild vom Zustand der Infrastruktur

Die für die Dammsicherheit zuständige Behörde des Bundesstaats Kalifornien (DSOD) verlangt eine halbjährliche Vermessung zu Überwachungszwecken. Das neue System bietet schneller genaue Informationen, spart den Mitarbeitern Zeit und kann in das in Kalifornien im Aufbau befindliche Notfall- und seismische Überwachungssystem integriert werden. Nach fast zwei Jahren kann den Monitoringanforderungen der DSOD durch die Bereitstellung eines umfassenden Überblicks über den Gesamtzustand der Infrastruktur entsprochen werden.

„Die Infrastruktur des EBMUD erstreckt sich über eine sehr große Fläche und mehrere Verwaltungsbezirke“, erklärt Baldwin. „So sind der Pardee- und der Camanche-Stausee mehrere Autostunden von unserer Zentrale entfernt, und die früher durchgeführten halbjährlichen Vermessungen nahmen mehr als eine Woche Zeit in Anspruch. Hinzu kommt, dass das neue System wesentlich genauere Daten liefert, und das mehr oder weniger laufend, sodass sich unsere Vermessungsteams viel Zeit sparen. Für uns ist das System eine enorme Verbesserung, und seine Leistung übertrifft alle Erwartungen.“

Baldwin zufolge war ein wichtiges Anliegen die Interkonnektivität mit anderen bestehenden und künftigen Überwachungssystemen. Die Möglichkeit, Notfallreaktionen auf seismische Ereignisse zu automatisieren und zu verbessern ist ein großes Plus von Überwachungsnetzwerken.

Dem EBMUD stehen nun zu jedem Zeitpunkt umfassendere Vermessungsinformationen als je zuvor zur Verfügung. Durch die proaktive Automatisierung von Überwachungssystemen konnte der EBMUD die Dammsicherheit wesentlich erhöhen.

„Das GPS-System am Pardee-Damm liefert uns nun einen vollständigen Überblick über die jahreszeitbedingten Deformationen aufgrund der thermischen Expansion und Kontraktion der Betonstrukturen“, fügt Steven J. Martin, der leitende Vermessungstechniker des EBMUD, hinzu. „Mit dem GPS-Überwachungssystem am Camanche-Stausee können wir die DSODAnforderungen ohne lange Fahrten unseres Vermessungsteams erfüllen und den Damm praktisch in Echtzeit auf Verformungen prüfen.“

Automatisierte Dammüberwachung in der Praxis

Ein interessantes Beispiel für die Vorteile einer automatisierten Dammüberwachung ist ein weiteres Monitoringprojekt des EBMUD am San-Pablo-Damm, ebenfalls in Kalifornien. In den Jahren 2008 und 2009 wurde der Fuß des Damms durch tiefe Bodenvermörtelung stärker im Gesteinsbett verankert. Die strengeren Überwachungsvorschriften der DSOD bei der Arbeit an einem gefüllten Staubecken wurden durch den Einsatz eines automatisierten, motorisierten Totalstationssystems (AMTS) erfüllt, das seit Abschluss des Projekts 2009 mehrmals pro Tag in Betrieb ist. Der EBMUD führt außerdem unmittelbar nach einem Erdbeben eine Geländeerkundung zur visuellen Inspektion von Dämmen und Staubecken auf Risse oder sonstige sichtbare Schäden durch.

Nach einem Erdbeben der Stärke 4,4 im Januar 2018 in der Hayward-Verwerfungszone mit dem Epizentrum Berkeley – weniger als acht Kilometer vom San-Pablo-Damm entfernt – konnten sich die Geotechniker des EBMUD in das AMTS einloggen, um zu kontrollieren, ob tatsächlich eine Bewegung oder Rutschung des Damms stattgefunden hatte. Nach der Sichtung der Daten konnte sofort Entwarnung gegeben werden. Der laufende volle Zugriff auf eine Vielzahl entscheidender Informationen bietet für den EBMUD einen erheblichen Mehrwert bei der Gewährleistung der Sicherheit der Dämme.