Fluid–Struktur-Interaktion bei unterwasser Sprengabbrüchen von Spundwänden: Eine Fallstudie der Phase-III-RCC-Spundwand am Drei-Schluchten-Projekt

Eine provisorische Barriere sprengen — sicher

Wenn ein riesiger Staudamm wie der Drei-Schluchten-Damm am Jangtse gebaut wird, halten temporäre «Hilfs»wände, sogenannte Spundwände oder Trockendocks, die Baustellen trocken. Irgendwann müssen diese Hilfswände wieder entfernt werden, häufig mit Sprengstoff, ohne dabei den Hauptdamm oder die Stromerzeugung zu gefährden. Diese Studie erklärt, wie Ingenieure mithilfe fortschrittlicher Computersimulationen detailliert nachvollzogen haben, wie eine massive Betonspundwand bei einer Unterwassersprengung zerbricht und umstürzt — und wie das umgebende Wasser diese Bewegung mitformt.

Warum Wasser den Abriss so kompliziert macht

Felsen und Beton an der Luft zu sprengen ist bereits komplex. Unter Wasser wird es deutlich schwieriger. Wasser verändert das Verhalten von Explosionen: Es drückt auf den Sprengsatz, leitet starke Druckwellen und presst hochdruckgas in Risse. Dadurch lassen sich das Zerbersten des Betons und die Bewegung der Bruchstücke auf dem Flussboden nicht zuverlässig mit über Tage geltenden Sprengregeln vorhersagen. Gleichzeitig sind Unterwassersprengungen in Häfen, Schifffahrtswegen, Wasserkraftprojekten und großen Kais längst üblich, wo Spundwände in unmittelbarer Nähe wertvoller Bauwerke abgebrochen werden müssen. Ingenieure benötigen bessere Methoden, um vorauszusehen, wie Fragmente fliegen, rutschen und sich ablagern, damit Hauptdämme und Kraftwerke geschützt bleiben.

Eine gewaltige temporäre Wand in tiefem Wasser

Gegenstand dieser Arbeit ist die Phase-III-Spundwand aus rollerverdichtetem Beton (RCC) beim Drei-Schluchten-Projekt — eine lange, selbstgewichtstragende Mauer, die parallel zum Hauptdamm etwa 114 Meter flussaufwärts verläuft. Anders als viele provisorische Bauwerke wurde diese Spundwand mit Blick auf einen späteren kontrollierten Abriss errichtet. Während der Bauphase wurden drei innere Sprengkammern und spezielle Bruchlöcher in die Struktur eingeformt, damit spätere Explosionen den oberen Bereich gezielt durchtrennen und ein kontrolliertes Umkippen bewirken können. Die Herausforderung war enorm: In einem 480 Meter langen Abschnitt mussten über 180.000 Kubikmeter Beton entfernt werden, in Wassertiefen bis etwa 40 Meter — fast das Doppelte der bislang weltweit angewandten Spundwand-Sprengungen — und das alles innerhalb enger Sicherheitsgrenzen in der Nähe des Hauptdamms und des Kraftwerks.

Jedes Bruchstück und jede Strömung simulieren

Um diesen riskanten Vorgang zu untersuchen, entwickelten die Autoren ein detailliertes Computermodell, das die Spundwand als Tausende einzelner, miteinander verbundenen Beton«partikel» darstellt, umgeben von Wasser, das strömt und auf die Teilstücke einwirkt. Sie kombinierten zwei leistungsfähige Werkzeuge: eines zur Berechnung der Fluidbewegung (Computational Fluid Dynamics) und eines zur Modellierung der Bewegung und Bruchvorgänge vieler Festkörperteile (Diskrete-Elemente-Modellierung). Durch das Koppeln dieser Codes konnte das Team nachverfolgen, wie das explosionsgetriebene Hochdruckwasser zunächst eine Kerbe in die Wand fräst, dann wie der obere Abschnitt aufreißt, rotiert, gleitet und schließlich auf den Flussgrund fällt — während das Wasser dahin strömt, umwälzt und die Trümmer abbremst oder umlenkt.

Wie die Spundwand auseinanderfällt

Die Simulationen zeigen, dass der Abriss in drei Hauptphasen verläuft. Zuerst schneiden die zeitlich abgestimmten Sprengungen in den inneren Kammern und Bruchlöchern eine tiefe, schräg verlaufende Öffnung, wodurch sich der Auflagerpunkt des oberen Abschnitts verschiebt. Unter seinem Eigengewicht und dem Druckunterschied von innen und außen beginnt dieser obere Block, wie eine langsam fallende Tür zu rotieren. Zweitens gleitet der Block beim Überkippen die neu gebildete Schräge des verbleibenden Betons hinab, wobei Wasser auf seine Stirn drückt und unter ihn hindurchfließt. Zerbrochene Brocken, die auf den Flussboden rutschen, beschleunigen das umliegende Wasser und erzeugen Gegenströmungen, die Bruchstücke an den Rändern abbremsen, während Teile in der Mitte schneller vorankommen. Schließlich verliert der obere Abschnitt den Kontakt zur Schräge und stürzt frei unter Wasser zum Flussgrund, wo Wirbel und Strudeln um die absinkenden Trümmer entstehen. Das Modell bildet zudem ab, wie der verbleibende untere Teil der Spundwand weitgehend die geplante Form und Höhe beibehält.

Das Modell auf die Probe gestellt

Computermodelle sind nur dann nützlich, wenn sie mit der Realität übereinstimmen. Beim tatsächlichen Sprengversuch an den Drei Schluchten zeichneten Sensoren am Hauptdamm die Erschütterungen auf, als die umgestürzte Spundwand auf den Flussboden auftraf. Das erste starke Aufprallsignal erschien etwa 16,1 Sekunden nach der Detonation — dieselbe Zeit, die die Simulation vorhergesagt hatte. Vermessungen des Unterwasser-Geländes zeigten, dass die Lücke durch die zerstörte Spundwand und die Höhe des verbleibenden Abschnitts eng mit dem Entwurf und den berechneten Ergebnissen übereinstimmten. Diese Übereinstimmung gibt den Ingenieuren Zuversicht, dass das gekoppelte Modell sowohl das Versagen des Betons als auch die Reaktion des Wassers erfassen kann.

Was das für zukünftige Dämme bedeutet

Für Nicht-Fachleute ist die wichtigste Botschaft: Die Studie macht einen hochenergetischen, schwer beobachtbaren Unterwasserabriss zu einem vorhersagbaren, visualisierbaren Prozess. Indem die Forscher die Spundwand als viele verbundene Blöcke und den Fluss als bewegtes Fluid behandeln, zeigen sie, wie Wasser Sprengenergie nicht nur überträgt, sondern auch abmildert, umleitet und manchmal fallende Trümmer bremst. Ihr Ansatz kann Planern helfen, sicherere Abrissstrategien für große Spundwände und andere Unterwasserbauwerke zu entwickeln, das Risiko für Hauptdämme, Kraftwerke und Arbeiter zu verringern und den Einsatz von Sprengstoffen und die Ausnutzung der Standortbedingungen zu optimieren.

Zitation: Wu, L., Liang, Z., Cai, Y. et al. Fluid–structure interaction in underwater blasting demolition of cofferdam structures: a case study of three gorges phase III RCC cofferdam. Sci Rep 16, 5175 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35562-x

Schlüsselwörter: Unterwassersprengung, Spundwandabriss, Drei-Schluchten-Damm, Fluid-Struktur-Interaktion, numerische Simulation