Um einen Staudamm in Kalifornien zu reparieren, stellen Ingenieure ein Modell im Riesenmaßstab auf die Probe / Staudämme

Es war ein Sonntagabend im Februar, als die Bewohner von drei Landkreisen in Nordkalifornien aufgefordert wurden, ihre Häuser im Feather River Basin zu evakuieren. Nach heftigen Regenstürmen in der Region war der Oroville-Stausee voll, und überschüssiges Wasser wurde über die Hauptüberlaufrinne und den Feather River hinunter geschickt. Bald bemerkten Dammbetreiber des California Department of Water Resources (DWR), dass sich im Abwasserkanal ein Krater gebildet hatte. Der Oroville-Staudamm, der mit 770 Fuß der höchste in den Vereinigten Staaten ist, war stabil, aber der Überlauf war ein wichtiger Teil des Hochwasserschutzsystems des Stausees. Bald war die untere Hälfte der Betonrutsche zusammengebrochen, hatte Trümmer in den Fluss geschoben und den DWR dazu gezwungen, zum ersten Mal eine andere Überlaufrinne zu benutzen. Aber auch die gewaltigen Flüsse haben diesen erdenden Pfad untergraben. Wenn die Erosion weiter andauert und die Betonkante der Überlaufrinne untergraben hätte, hätte eine massive Flut unterhalb einer drei Meter langen Zerstörungswelle den Fluss hinuntergespült.

188.000 Menschen evakuierten das Tal. Zum Glück hielten die Hügel und Überläufe weiter und Städte wie Oroville und Thermalito blieben verschont. DWR repariert den neuen Überlauf schnell, so dass mindestens zwei Drittel davon bis November 2017 abgeschlossen sein werden, wenn die Wintersaison beginnt. Aber die Beamten möchten sicherstellen, dass sie es richtig machen, also haben sie sich an Wissenschaftler gewandt, um Hilfe zu erhalten. Ein Team der Utah State University wurde einberufen und baute ein riesiges Modell des Überlaufs auf, das 1/50 der Größe des Originals war.

Das Utah Water Research Laboratory an der Utah State University hat seit 1965 solche Modelle gebaut. "Im Laufe der Jahre haben wir Dutzende und Dutzende von Modellen von Dämmen und den zugehörigen Überlaufbecken gebaut", sagt Michael Johnson, einer der leitenden Ingenieure Dort. Manchmal handelt es sich bei diesen Modellen um Nachbauten von intakten Staudämmen, und manchmal sind sie so konzipiert, dass sie einen Fehler replizieren, wie etwa bei Oroville. „Manchmal werden wir vor dem Bau einer Struktur gerufen, was ideal ist. Die Leute können verstehen, was mit ihrem Design zu erwarten ist, oder möglicherweise Designverfeinerungen vornehmen. “Mit den Modellen können Johnson und sein Team neue Designs testen und mögliche Probleme mit vorhandenen Designs erkennen. "Das Modell sagt uns sehr schnell, wenn etwas näher betrachtet werden muss."

Die Modelle werden aus Holz, Acryl, Mörtel und Stahl gemäß Konstruktionszeichnungen und, im Falle von Oroville, Laser-Scanning-Daten aus dem beschädigten Überlauf hergestellt. Ein Team von 15 Mitarbeitern verbrachte 40 Tage damit, das Überlaufmodell zu bauen, eines der größten in der Geschichte des Labors. Einmal aufgebaut, testet das Team seine Stärke unter verschiedenen Szenarien. Ungefähr 150.000 Gallonen Wasser werden durch ein Pumpensystem umgewälzt, das die sogenannte "wahrscheinliche maximale Flut" simulieren kann - im Wesentlichen die größte Flut, die der Überlauf unter extremsten Bedingungen jemals erleben konnte. Wahrscheinlich wird die wahrscheinliche maximale Flut nie passieren, ist aber nicht unmöglich. Es ist ein schlimmster Fall, dass der neue Überlauf so gestaltet sein muss, dass er verwaltet werden kann. Die alten und neuen Überlaufbahnen von Oroville und das Torsystem, das den Wasserfluss reguliert, wurden entwickelt, um einer wahrscheinlichen maximalen Wasserflut mit einer Geschwindigkeit von etwa 300.000 Kubikfuß pro Sekunde oder dem dreifachen des durchschnittlichen Flusses über den Niagarafällen standzuhalten. "Mit unserem Modell", sagt Johnson, "haben wir gezeigt, dass die Torkonstruktion die Fähigkeit hat, das zu bestehen." Die Modelle ermöglichen es dem Team von Johnson auch, neue Technologien zu testen, die die Sicherheit des Damms verbessern können, beispielsweise Belüfter, die Luft in die Düse mischen Wasser, um verschiedene, überraschend starke Kräfte zu verhindern, die in fließenden Wassermassen auftreten.

Die Ermittler sind sich immer noch nicht ganz sicher, weshalb der Überlauf im Februar versagte. Johnsons Team prüft nur mögliche Reparaturen, daher wurde vom DWR ein eigenes Team unabhängiger Ermittler eingesetzt. Ein vorläufiger Bericht weist darauf hin, dass unzureichende Entwässerung, Korrosion der Bewehrung und Variabilität im Beton der Überläufe potenziell zu den Problemen beitragen können. Der Abschlussbericht wird für diesen Herbst erwartet, etwa zu dem Zeitpunkt, an dem die ersten Reparaturen abgeschlossen sind.

"Alles, was bisher vorgeschlagen wurde, hat sich sehr gut bewährt", sagt Johnson. Das ist eine gute Nachricht für die Ingenieure und Bauteams, die den neuen Abfluss im Wert von 275 Millionen US-Dollar fertigstellen. „Dies ist ein so wichtiger Bestandteil der Infrastruktur in Kalifornien.“ Wasser, das durch den Oroville-Damm fließt und die Überlaufrinne durchquert, bewässert die Ernte in einigen der produktivsten landwirtschaftlichen Flächen des Landes und liefert Trinkwasser für das ausgetrocknete Südkalifornien. Johnson sagt, deshalb ist es so wichtig, dass Reparaturen richtig gemacht werden. "Es ist wirklich eine ziemlich kritische Infrastruktur für das ganze Land."