Within the BMBF-Project “Collapse of Dikes and Dams at and with loamy zones” investigations at models of dikes are taking place 2004 and 2005 in collaboration with the Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik (IWK) and the Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik (IBF) at the University Karlsruhe.

The geophysical part of the project analyses how with seismical high-resolution measurements the moisture penetration from a dike can be displayed. Aim of the project is to identify on the basis of seismic measurements the areas of moisture penetration within a dike during a flood and out of it to determine the probability of collapse of the dike. For that purpose the structures in the dike body should be determined in reference to the materials and his soil parameters like water content and porosity.

At the Theodor-Rehbock-Laboratorium of the IWK was built a test facility for dikes with a regulation for the water level. This allows the simulation of flood scenarios at dikes. The shot and receiver array consists of three parallel lines, so it is a 3D-measuring field. At the flooded side of the dike are taken water proofed geophones.

To get a high resolution it will be used a magnetostricitve vibrator as seismic source. The vibrator generates a sweep within a frequency range from 100 up to 7000 Hz. Sweep tests will be done to achieve high energy as much as possible und to minimize undesired waves like surface waves. The quality of the sweep signal is improved by the application of a real-time control system. For the control of the control signal is used the acceleration signal from the head of the vibrator.

First measurements at dry conditions show a complex wave field, which are dominated from direct P-waves, surface waves as well as reflected and refracted waves at the boundaries of the model. The frequencies of the direct P-waves are up to 3000 Hz in an area with nearby offsets and beyond it decline at 700 to 900 Hz. Surface waves show over the complete offset frequencies from 300 to 400 Hz.

The comparison of seismic data shows a strong attenuation of seismic waves due to strong moisture penetration of the dike. The measurements show a complex wave field, which is dominated by direct P- and S-waves, surface waves, as well as waves reflected and refracted at the boundaries of the model.

At dry conditions the tomography shows heterogeneities in the dike in spite of a homogenic soil mounting but caused by compaction and evaporation dewatering. The comparison of the travel time tomographies at dry and wet conditions shows a decrease of the velocities with increasing moisture content.

Um die Versagensmechanismen genauer bestimmen zu können, wurden zwei Modelldeiche aufgebaut, bei denen verschieden lehmige Deichmaterialien verwendet und das Hochwasserszenario variiert wurden. Das Schuss- und Empfängerarray der hochauflösenden Seismik bestand aus drei parallelen Messlinien. Insgesamt wurden 63 3-Komponenten-Geophonköpfe eingebracht und bis zu 54 Quellpunkte an der Deichoberfläche angeregt (siehe Abb. 2). Um auch im gefluteten Deichbereich seismische Signale aufzeichnen zu können, wurden wasserdichte Geophonköpfe entwickelt.

Um eine hohe Auflösung zu erhalten, wurde als seismische Quelle ein magnetostriktiver Vibrator verwendet, der Frequenzen bis zu 15 kHz anregen kann. Im Gegensatz zu seismischen Impulsquellen wird durch eine Vibrationsquelle zudem die Deichoberfläche bei der Signalanregung kaum mechanisch beeinflusst. Vor den Messungen an der Deichversuchsanlage an der Universität Karlsruhe wurde am Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam unter anderem an einem kleineren Versuchsdeich (siehe Abb. 3) das seismische System getestet und an die Versuchsbedingungen optimiert. Der Versuchsdeich wurde mit einem Lehmmaterial verfüllt und auf einer Seite abgeschlossen, um das Einbringen eines Hochwasserstandes zu ermöglichen. Zudem wurden Sweeptests durchgeführt, um einen möglichst hohen Energieeintrag in den gewünschten Frequenzbereichen zu erreichen und unerwünschte Wellen wie Oberflächenwellen gar nicht erst anzuregen. Um alle Frequenzen des Sweeps gleichmäßig anzuregen und störende Resonanzfrequenzen zu unterbinden, wurde eine Echtzeitregelung angewendet.

Ergebnisse

Für einen repräsentativen idealisierten Deichquerschnitt wurden Finite-Differenzen-Rechenmodelle erstellt, um das gemessene Wellenfeld analysieren und Einflüsse der Modellbegrenzungen quantitativ bestimmen zu können. Die seismischen Messungen und deren Auswertung zeigen, dass der Durchfeuchtungsprozess im Deich aufgelöst werden kann.

Die Messungen zeigen ein komplexes Wellenfeld, hauptsächlich mit direkten und refraktierten P-Wellen sowie Oberflächenwellen. Der Vergleich der seismischen Daten vor und während eines Hochwassers zeigt, dass die Durchfeuchtung des Deiches die seismischen Wellen dämpft. Die Ersteinsatzzeiten ändern sich infolge der Durchfeuchtung des Deiches und können für die Berechnung von Laufzeit-Tomographien genutzt werden. Der Vergleich der Laufzeit-Tomographien (siehe Abb. 4) zeigt eine Abnahme der P-Wellengeschwindigkeit mit einem zunehmenden Wassergehalt im Deich. Im trockenen Zustand des Deiches zeigt die Tomographie den erwarteten positiven Geschwindigkeitsgradienten. Bereiche mit höheren P-Wellengeschwindigkeiten wurden durch zusätzliche Belastungen des Deiches nach dem Einbau hervorgerufen. Die Durchfeuchtung des Deiches mit fortschreitendem Hochwasser korreliert mit der abnehmenden P Wellengeschwindigkeit.