Spezielle Aus-landstätigkeiten

Activités spécia-les à l’étranger

Special interna-tional activities

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ProjektbeschriebDie Ghir Staumauer, auch bekanntunter dem Namen Salman Farsi,befindet sich am Ghareh-AghajFluss nahe der Stadt Ghir. Das Pro-jekt umfasst eine 125 m hoheBogengewichtsmauer mit einerKronenlänge von 345 m undeinem Betonvolumen von 760’000m3 (konventioneller Massenbe-ton). Die Hochwasserentlastunghat acht Öffnungen mit Radial-schützen und ist für eine Abfluss-menge von 19,800 m3/s bemessen.Zusätzlich werden zwei Tunnelsmit einer Gesamtkapazität von 600m3/s als Grundablass benützt.Der stark verkarstete Fels an derSperrstelle bedingte umfangrei-che Dichtungsarbeiten in der Fun-dation (Abdichtung von Karsthöh-len sowie Injektionsschirm). Dietotale Länge der Injektionsstollenbeträgt rund 5 km und die Ge-samtlänge der Bohrlöcher für In-jektionen und Drainagen liegt inder Grössenordnung von 700 km.Das Volumen des Stausees liegt bei1’400 Millionen m3 und der regu-lierte jährliche Wasserdurchflussbeträgt 350 Millionen m3. Haupt-verwendungszweck ist die Bewäs-serung von 25’000 ha landwirt-schaftlich genutzter Fläche.Es ist beabsichtigt auch zwei 16MW Francisturbinen zu installie-ren, jedoch hat in diesem Projekt

die Energieerzeugung nicht ober-ste Priorität. Die Zielsetzung für die Ghir Mehr-zweckanlage wurde wie folgt fest-gelegt (Bild 1): • Speicherung von Wasser für dieBewässerung • Speicherung von Trinkwasser • Energieerzeugung • Hochwasserschutz.

Die Bemessung basiert auf hydro-logischen und geologischen Unter-suchungen, insbesondere die Erfas-sung der zahlreichen Karsthöhlen. Spezielle Projektunterstützungwurde für Studien und technischeLösungen im Zusammenhang mitder Ermittlung der Erdbebenge-fährdung, der Erdbebenberech-nung, den Stabilitätsuntersuchun-gen für die Mauer und auch fürdie Behandlung der anspruchsvol-len Karstprobleme im Sperrenbe-reich (Abdichtung der Fundationund Bemessung des Injektions-schirms) geleistet.Auftraggeber des Projektes ist dasMinisterium für Energie. Die Pro-jektierung erfolgte durch die Elec-trowatt-Ekono Ltd. (im Joint Ven-ture mit Stucky-Electrowatt), zu-sammen mit Mahab GhodssConsulting Engineers, Tehran, Iran.Das Projekt wurde 1992 in Angriffgenommen und sollte spätestens2007 abgeschlossen sein.

Project DescriptionThe Ghir dam, which is also refer-red to as the Salman Farsi dam, islocated on the Ghareh-Aghaj Riverclose to the city of Ghir. The projectconsists of a 125 m high concretearch-gravity dam with a crestlength of 345 m, and a concretevolume of 760,000 m3 (conventio-nal mass concrete). The spillwayhas eight openings with radialgates and is designed for a dischar-ge capacity of 19,800 m3/s. In addi-tion, two tunnels with a total capa-city of 600 m3/s are used as bottomoutlets.The highly karstified limestonerock mass at the dam site requiredthe design of underground plug-ging structures and an extensivegrout curtain. The total length ofgalleries for the grout curtain is 5km and the length of drillholes forgrouting and drainage is of theorder of 700 km.The reservoir capacity is 1,400 mil-lion m3 and the regulated annualwater discharge is 350 million m3,which is mainly used for the irriga-tion of 25,000 ha of agriculturalland.

Die Ghir Bogengewichtsmauer in Iran

Ghir arch-gravity dam in Iran

Martin Wieland

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Die Ghir Bogen-

gewichtsmauer

(Aufnahme

von T. Dolder,

April 2004)

Ghir arch

dam (photo

courtesy T. Dol-

der, April 2004)

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Spezielle technischeAspekte des ProjektesZwei wesentliche technische Her-ausforderungen mussten in diesemProjekt gelöst werden, nämlich dieBehandlung der Karstvorkommenin der Fundation der Mauer unddie hohe Erdbebengefährdung.

KarstDie Verkarstung des Untergrundeshat man während den Baugrund-untersuchungen im Bereich desrechten Widerlagers festgestellt.Während dem Fundationsaushub,dem Stollenvortrieb und bei derUntersuchung von Karstgängenstellte sich heraus, dass die karstifi-zierten Felszonen bedeutend grös-ser waren als ursprünglich ange-nommen. Deshalb waren spezielleMassnahmen erforderlich, um dieWasserdichtigkeit des Stauraumszu gewährleisten. In den Karstzo-nen wurden daher folgende Mass-nahmen vorgesehen: (i) Zementin-jektionen, (ii) Verfüllen von grös-seren Hohlräumen mit Beton und(iii) Umgehung grösserer Hohlräu-me durch Anpassung des Injekti-onsschirms.Die folgenden wichtigen Lehrenkonnten aus der Karstsanierung ge-zogen werden:(i) In einer karstigen Felsmasse wieauf der Ghir Baustelle kann die Be-messung und Ausdehnung derInjektionszonen nur während derAusführung abschliessend definiertwerden. (ii) Die Ausbildung des Injektions-schirms muss ständig den geologi-schen Verhältnissen angepasst wer-den wie sie sich im Untergrund wäh-rend der Ausführung präsentieren.(iii) Eine starke Karstbildung befin-det sich meistens in der Nähe vonStörzonen und Diskontinuitäten.Eine vertiefte Diskussion der bau-technischen Massnahmen in Karst-zonen ist aber nicht Thema diesesArtikels; im Vordergrund stehenhier die Bemessungsaspekte der Be-tonmauer.

Erdbebenbemessung derStaumauerDie Ghir Bogengewichtsmauer be-findet sich im seismisch sehr aktiven

Two Francis turbines with an instal-led capacity of 16 MW will also beprovided, but energy production isnot the prime goal of this project. The objectives of the Ghir multi-purpose scheme are as follows(figure 1): • Storage of irrigation water • Storage of drinking water • Power generation • Flood control.The design is based on hydrologi-cal and geological investigationsand on cave explorations.Special assistance is being provi-ded for the preparation of studiesand technical measures related tothe earthquake and stability analy-ses of the dam and to the karstphenomenon at the dam site(foundation treatment and groutcurtain design).The client is the Ministry of Energy.The design is carried out byElectrowatt-Ekono Ltd. (Joint Ven-ture Stucky-Electrowatt) togetherwith Mahab Ghodss ConsultingEngineers, Tehran, Iran.The project started in 1992 and isexpected to be completed before2007.

Special technical aspectsof the projectThere are two main technical chal-lenges of this project, i.e. karst andhigh seismicity.

KarstKarst zones were found duringthe site investigation at the rightabutment. During the course ofthe foundation excavation workand the construction of galleriesand by exploration of the karstholes, it was found that the extentof karst was more severe than ori-ginally expected. Therefore, speci-al measures were needed to ensu-re watertightness of the reservoir.However, the following basic con-cepts were used for the karsttreatment: (i) grouting, (ii) plug-ging of larger cavities, and (iii)designing a bypass of caves by anappropriate arrangement of thegrout curtain.

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Zagrosgebirge im Südwesten desIran. Im Jahre 1972 zerstörte einheftiges Erdbeben der Magnitude6.9 die Stadt Ghir; dabei starbenmehrer tausend Menschen. Nachdem Erdbeben wurde die Stadt ca.3 km von der alten Stelle entferntwieder aufgebaut. Die Epizentral-distanz dieses Bebens zum Mauer-standort war ungefähr 22 km.Für die Erdbebenbemessung vonTalsperren wurden wie nachfol-gend beschrieben zwei verschie-dene Bemessungserdbeben ver-wendet. Bleibt die Frage, welcher Sperren-typ am besten geeignet ist umstarken erdbebenbedingten Bo-denbewegungen zu widerstehen

The following lessons learnt fromthe karst treatment are essential:(i) In a karstified rock mass such as atthe Ghir dam site, the final layout ofa grout curtain can only be definedduring the execution phase.(ii) The grout curtain needs modifi-cations and adaptations on the basisof the geological findings in theunderground during the groutingprocess.(iii) High karstification is generallylocalized around faults or disconti-nuities.It should be pointed out that thedetailed discussion of the karst treat-ment is not within the scope of thispaper, which is mainly concernedwith the design aspects of the dam.

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Ghir Bogengewichtsmauer in der Bauphase

(links: Ansicht flussabwärts; rechts: Ansicht flussaufwärts)

(Aufnahmen von T. Dolder, November 2005)

Ghir arch-gravity dam under construction

(left: downstream view; right: upstream view of dam)

(Photo courtesy T. Dolder, November 2005)

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und welche Form eine solche Sper-re haben muss? Für die Erdbeben-sicherheit einer Talsperre spieltbekanntlich nicht nur die Erdbe-bengefährdung am Standort eineRolle sondern vielmehr die opti-male Wahl der Sperre. Die folgen-den Empfehlungen sind zu befol-gen, wenn eine erdbebensichereStaumauer projektiert wird:• Optimierung der Mauerform mit

dem Ziel eine möglichst symme-trische Form der Grundschwin-gung längs und quer zur Talach-se zu erreichen.

• Vermeiden von Spannungskon-zentrationen (abrupte Aende-rung der Steifigkeit, einsprin-gende Ecken).

• Vertikale Blockfugen mit guterVerzahnung, speziell im Kro-nenbereich.

• Horizontale Betonierfugen mitguten Verbundeigenschaften.

• Breite Mauerkrone und Vergrös-serung der Mauerstärke imWiderlagerbereich; dadurchkönnen die grossen dynami-schen Zugspannungen im Kro-nenbereich reduziert werden

Eine grosse Steifigkeit im Kronen-bereich einer Bogenmauer isterforderlich, einerseits um die sta-tischen Durchbiegungen infolgeWasserlast zu reduzieren undandererseits um die Eigenfrequen-zen der Grundschwingungen derMauer zu erhöhen. Aus der Scha-lentheorie ist bekannt, dass einestarke Schale dann resultiert,wenn die Lasten durch Membran-wirkung und nicht durch Biegungin die Fundation eingeleitet wer-den. Grosse Biegespannungen unddie damit verbundenen Durchbie-gungen treten am freien Randeiner Schale auf, z. B. entlang derKrone einer Bogenmauer. Die stei-fe Ausbildung der Krone ist dem-zufolge das beste Mittel um diedynamischen Eigenschaften einerBogenmauer zu verbessern. Im Fal-le des Ghir Projektes konnte eineweitere Verbesserung des Erdbe-benverhaltens dadurch erzieltwerden, dass die Hochwasserent-lastung im zentralen Bereich derMauerkrone derart angeordnet

Earthquake design of damThe Ghir arch-gravity dam is loca-ted in the Zagros seismotectonicregion in the southwest of Iran.This is an area of very high seismi-city. In 1972, a powerful earth-quake of magnitude 6.9 destroyedthe town of Ghir which was rebuiltafter the earthquake some 3 kmaway from the old site. The epicen-tral distance to the dam site wasabout 22 km.For the seismic design of dams twoseismic levels are used, i.e. (ICOLD1989):The question remains: which damtype is most suited to resist strongearthquakes and what is its sha-pe? As mentioned earlier thereare factors other than the localconditions which govern theearthquake safety of a concretedam. The guiding principles thatapply almost universally are:• Optimize dam shape in order to

achieve symmetry of mode sha-pes;

• Avoid stress concentrations (sud-den changes in stiffness, recesseswith corners);

• Provide contraction joints withadequate interlocking;

• Provide well-prepared lift surfa-ces to maximize bond and tensi-le strength.

• Increase the crest width and pro-vide fillets near the abutmentsto reduce high dynamic tensilestresses in the crest region; etc.

High stiffness in the crest region(thick crest) of an arch dam is nec-essary to reduce the static deflecti-ons and at the same time it willincrease the eigenfrequencies ofthe lowest modes of vibrations. It iswell known from shell theory that astrong shell can be achieved whenthe applied loads are carried bymembrane action and not in ben-ding. Large bending stresses andcorresponding deflections occuralong the free boundary of a shell,i.e. along the crest in an arch dam.

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malen dynamischen Zugspan-nungen infolge des OBE unterder dynamischen Zugfestigkeitdes Massenbetons liegen.

• Maximum Credible Earthquake(MCE) oder Sicherheitserdbe-ben: Eine Talsperre muss dermaximal möglichen Bodenbe-wegung am Sperrenstandortwiderstehen können. Die Stabili-tät der Mauer muss nachgewie-sen werden und ein unkontrol-lierter Wasserverlust aus demStausee gilt als nicht zulässig.Hingegen dürfen erheblichestrukturelle Schäden in Kaufgenommen werden. Nach einemStarkbeben muss der Stauseeabgesenkt werden können. ImFalle der Ghir Staumauer wurdefür die Bodenbewegung desMCE ein Erdbeben mit einerWiederkehrperiode von > 2000Jahren zugrunde gelegt.

Basierend auf einer seismischenGefährdungsanalyse wurden diefolgenden Spitzenwerte der Bo-denbeschleunigung ermittelt: • horizontale Komponente:

0.26 g (OBE) und 0.52 g (MCE)• vertikale Komponente:

0.17 g (OBE) und 0.40 g (MCE)

wird, dass möglichst symmetrischeEigenschwingungsformen resul-tieren (Lotfi et al., 1996). Dabeispielt natürlich die Form des Tal-querschnitts ebenfalls eine wichti-ge Rolle. Dieses rein qualitativeZiel konnte erreicht werden unddie Grundvoraussetzung für eingutes Erdbebenverhalten ist damitgegeben.Für die Erdbebenbemessung vonTalsperren, und der sicherheitsrele-vanten Komponenten (Schützender Hochwasserentlastung und desGrundablasses, etc.) werden diefolgenden zwei Arten von Be-messungserdbeben verwendet(ICOLD, 1989):• Operating Basis Earthquake

(OBE) oder Betriebserdbeben:Der OBE Lastfall wird verwendetum die Erdbebenschäden zu be-grenzen; das ist ein wichtigesAnliegen des Talsperrenbesit-zers. Die Internationale Talsper-renkommission ICOLD (1989) hatfür das OBE eine durchschnittli-che Wiederkehrperiode von 145Jahren vorgeschlagen. Die GhirMauer wurde für das OBEbemessen. Um den Nachweis zuerbringen, dass bei einer Stau-mauer keine Risse auftretenwird gefordert, dass die maxi-

The stiffening of the crest is, the-refore, the most efficient measurein changing the dynamic proper-ties of a dam. In the case of Ghir afurther improvement in the earth-quake behaviour was achieved byplacing the crest spillway in such away that highly symmetrical modeshapes could be achieved (Lotfi etal., 1996).For the seismic design of dams andsafety-relevant components (spill-way gates, bottom outlets, etc.) thefollowing two types of designearthquake are used (ICOLD, 1989):• Operating Basis Earthquake

(OBE): The OBE design is used tolimit the earthquake damage to adam project and, therefore, ismainly a concern of the damowner. ICOLD (1989) has proposedan average return period of ca.145 years for the OBE. Ghir damhas been designed for the OBE.

• Maximum Credible Earthquake(MCE): A dam must also be ableto withstand the maximum cre-dible ground motion at the damsite. The stability of the dammust be ensured and no uncon-trolled release of water fromthe reservoir shall take place,although significant structuraldamage is accepted. In the caseof significant earthquake dama-ge, the reservoir may have to be

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Detail der Schubnocken in den

vertikalen Blockfugen

(Aufnahme von T. Dolder,

November 2004)

Details of shear keys at vertical

contraction joints

(Photo courtesy T. Dolder,

November 2004)

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Alle obenerwähnten Erdbebenbe-messungskonzepte wurden beider Ghir Staumauer befolgt. Eswird deshalb ein günstiges Erdbe-benverhalten erwartet. Die Stau-mauer sollte innerhalb eines Jah-res fertiggestellt werden. Bild 2 zeigt den Bauzustand derGhir Bogengewichtsmauer Ende2005 und Bild 4 zeigt die Detailsder Schubverzahnung in den verti-kalen Blockfugen.

AusblickHeutzutage ist die Erdbebenein-wirkung der massgebende Lastfallfür die meisten grossen Talsper-ren. Für den Talsperreningenieursind die Ermittlung und Beurtei-lung der seismischen Gefährdungsowie die Erdbebenbemessungeiner Sperre zusammen mit denwichtigsten Nebenbauwerken zurKernkompetenz geworden.. Diestrifft oft für die meisten Talsper-renprojekte im Ausland zu. Wirkönnen sogar fast behaupten,dass wenn die Erdbebensicherheiteiner Staumauer gewährleistet ist,die Mauer auch in Bezug aufandere äussere Belastungen undEinwirkungen sicher ist, vorausge-setzt dass die Fundation richtigbehandelt wurde und der Dammdas maximale Hochwasser pro-blemlos ableiten kann.Zurzeit sind wir an einigen derweltweit grössten Staumauerpro-jekten beteiligt. Erwähnt seien die250 m hohe Deriner Bogenmauerin der Türkei (im Bau), die 315 mhohe Bakhtyari Bogenmauer inIran (in Planung), die 288 m hoheDibang Schwergewichtsmauer imNordosten von Indien (in der Pla-nungsphase), und die 175 m hoheNam Theun 1 RCC Bogengewichts-mauer in Laos (in Planung).. Beider Mehrzahl dieser geplantenTalsperrenprojekte handelt es sichum äusserst anspruchsvolle Objek-te, das heisst schwierige Unter-grundverhältnisse, hohe Seismizi-tät, sehr grosse Hochwasserabflüs-se. Zudem sind einige Objektesehr abgelegen. Schweizer Inge-nieure und Fachleute sind aktiv ander Realisierung und der Lösungvon Spezialproblemen beteiligt.

lowered after the MCE. In thecase of the Ghir dam, the MCEground motion has been deter-mined statistically using anevent with a return period of2000 years.

Based on a site-specific seismichazard study, the peak values ofthe ground acceleration havebeen estimated as follows:• Horizontal component: 0.26 g

(OBE) and 0.52 g (MCE)• Vertical component: 0.17 g (OBE)

and 0.40 g (MCE)The different seismic design con-cepts have been incorporated inthe final design of the dam, whichwill be completed shortly. figure 2 shows the dam under con-struction and figure 4 shows de-tails of the shear keys providedalong the vertical contractionjoints between different blocks.

OutlookToday, earthquake is the gover-ning load case for most largedams. Therefore, for dam desi-gners seismic hazard assessmentand the seismic design of damshave become core competencesfor dam engineers. This is particu-larly true for most dam projectsabroad. We may even say thatwhen the seismic safety of a dam issatisfactory the dam is also safe forthe other types of actions, provi-ded the foundation is safe andthat the dam can safely release themaximum flood water.We are involved in a number ofother large concrete dam projectssuch as the 250 m high Derinerarch dam in Turkey (under con-struction), the 315 m high Bakht-yari arch dam in Iran (in design sta-ge), the 288 m high Dibang gravitydam in the Northeast of India (indesign stage), the 175 m high NamTheun 1 RCC arch-gravity dam inLaos (in design stage), etc. Thereare a number of very large dams inthe pipeline, most of them at diffi-cult sites, where Swiss consultantsare participating actively in theproject implementation and thesolution of special problems.

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Autor / Author

Dr. Martin WielandElectrowatt-Ekono Ltd.(Jaakko Pöyry Group)Hardturmstrasse 161,Zurich, Switzerlandmartin.wieland@ewe.ch

Referenzen / References

[1] ICOLD (1989): Selecting SeismicParameters for Large Dams, Guideli-nes, Bulletin 72, Committee on SeismicAspects of Dam Design, ICOLD, Paris [2] Lotfi, V., Khoshrang, G., Malla, S.and Wieland, M. (1995). Seismic Analy-sis and Earthquake-Resistant Design ofArch-Gravity Dam. Proc. 2nd Int. Conf.on Seismology and Earthq. Engng.(SEE-2), Tehran, Iran, May 15-17, 1995.[3] Wieland, M. (2003). Seismic Aspectsof Dams, General Report, Q.83 SeismicAspects of Dams, 21st Int. Congress onLarge Dams, ICOLD, Montreal, Canada,June 2003.[4] Wieland, M. (2005). Review of seis-mic design criteria of large concreteand embankment dams, Proc. Work-shop on Seismic Aspects of Dams,Paper No. 012-W4, 73rd Annual Mee-ting of ICOLD, Tehran, May 1-6, 2005