Modellierung des Wasserhaushalts von Straßenböschungen in Lysimetern

Zur Ermittlung des Wasserhaushalts von ungesättigten Erdbauwerken wurden bei der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen durchgeführt. Dazu wurden Böschungsausschnitte mit kiesigem und bindigem Boden, Hausmüllverbrennungsasche, Recycling-Materialien und industriellen Nebenprodukten errichtet. Die Lysimeter wurden mit unterschiedlichen Intensitäten beregnet und Sickerwasser sowie Zwischen- und Oberflächenabfluss quantifiziert. So werden typische, mit natürlichen Dammschüttmaterialien und mineralischen Ersatzbaustoffen errichtete Straßenböschungen abgebildet. Zudem wurden auch Bauweisen untersucht, bei denen in Anlehnung an das Merkblatt für Technische Sicherungsmaßnahmen im Erdbau oberhalb des Dammschüttmaterials zur Ableitung des eindringenden Sickerwassers eine Dränmatte angeordnet wurde.
Unter Verwendung der vorab experimentell ermittelten hydraulischen Eigenschaften der verschiedenen Materialien wurde der Wasserhaushalt der Lysimeter mit einer Finite-Elemente-Software numerisch nachgerechnet. Diese Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Messungen. Sensitivitätsanalysen zeigten, dass oberflächennahe Schichten im Modell einen großen Einfluss auf den gesamten Wasserhaushalt haben. Außerdem wurde sowohl experimentell als auch rechnerisch festgestellt, dass eine Dränmatte über grobkörnigem Material die Wirkung einer Kapillarsperre hat und die in den Dammbaustoff eindringende Sickerwassermenge signifikant reduziert.

Modelling the water balance of road embankments in lysimeters
To assess the water balance of earthworks under common climate influences like precipitation and evapotranspiration, the Federal Highway Research Institute (BASt) conducted lysimeter tests under laboratory conditions. Therefore, embankment sections with different construction materials, such as natural soils, household refuse slag, recycling materials and industrial by-products were built into the lysimeters and covered by sod. Rainfall events of different durations and intensities were applied by an irrigation head. Seepage, surface runoff and interflow were collected and quantified. These setups represent typical road embankments constructed from natural fill materials as well as mineral substitute building materials. Furthermore, in some setups, a geo-composite drainage layer was placed on top of the embankment material. This follows the construction methods described in the guidance document for technical safety measures in earthworks.
The water balance of these lysimeters was simulated using a finite element software. The soil-water-retention-curves and the unsaturated hydraulic conductivities of the mineral materials were previously determined in laboratory testing. Simulation results are in good accordance with the measurements. Sensitivity analysis gave evidence that layers at the surface have a significant influence on the water balance of the embankment. Furthermore, in setups with a geo-composite drainage layer above coarse-grained materials, the formation of a capillary barrier could be observed in both the experiments and the simulations.