Beiträge der Geodäsie zur Talsperrensicherheit - Zum 100-jährigen Jubiläum der Talsperrenvermessungen in der Schweiz - swissdams
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Histoire de la culture et de la technique
Beiträge der Geodäsie zur lagenüberwachung. Verbunden mit an
deren Messeinrichtungen leistet sie wich
Talsperrensicherheit – tige Beiträge zur:
• Ermittlung des Talsperrenverhaltens als
Zum 100-jährigen Jubiläum Teil der laufenden Beurteilung der Ein
wirkungen und des Zustandes der
der Talsperrenvermessungen Anlage;
• raschen Beurteilung im Falle von ausser
in der Schweiz gewöhnlichen Situationen oder nach
einem ausserordentlichen Ereignis;
• Abklärung der Ursachen von Verhal
Vor 100 Jahren begannen in der Schweiz Spezialisten mit der geodätischen Überwa
tensanomalien, die mit anderen Mess
chung von Talsperren zur präventiven Sicherung der gefährdeten, unterliegenden
instrumenten festgestellt wurden.
Bevölkerung und der Infrastrukturen. Eine Arbeitsgruppe der Gesellschaft für die
Geschichte der Geodäsie in der Schweiz (GGGS) legt in einem Bericht, der auf ihrem
Internetportal www.gggs.ch zusammen mit einer umfassenden Bibliografie abrufbar
Geodätische Deformations-
ist, die Entstehung und Entwicklung dieser Überwachungsmessungen dar. In der
vorliegenden Kurzfassung werden die geschichtlichen Hintergründe der Talsperren
messungen an Staumauern
vermessung in der Schweiz beschrieben, die methodische und instrumentelle Ent 1921–1945
wicklung der geodätischen Überwachung im Überblick erläutert, sowie die modernen
1919–21 errichteten die Freiburger Kraft
Technologien und möglichen Entwicklungen angesprochen.
werke an der Jogne oberhalb Broc (FR) die
Talsperre Montsalvens. Sie war die erste
doppelt (horizontal und vertikal) ge
A. Wiget, B. Sievers, R. Huser, U. Federer hörde des Bundes über die Sicherheit der krümmte Bogenstaumauer Europas und
Stauanlagen in der Schweiz gemeinsam mit 55 m Höhe die erste Staumauer der
mit Fachorganisationen, insbesondere Schweiz über 30 m. Während man früher
Aufgaben und Ziele dem Schweizerischen Talsperrenkomitee bei kleineren Talsperren mittels Aligne
Gemäss den Richtlinien, welche das Bun (STK) herausgegeben hat, ist die Geodä ments nur die Mauerkronenmitte über
desamt für Energie (BFE) als Aufsichtsbe sie ein integraler Bestandteil der Stauan wachte, wollte man bei diesem besonde
ren Bauwerk erstmals die Mauerdeforma
tionen an verschiedenen Punkten der
Maueroberfläche erfassen. Zudem war die
Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Ali
gnements infolge Refraktionserscheinun
gen und unkontrollierter Beobachtungs
pfeiler eingeschränkt. Ingenieur H. Zölly,
Chef Geodäsie der Eidg. Landestopogra
phie (L + T, heute swisstopo), schlug daher
die Anwendung von trigonometrischen
Methoden der Landesvermessung vor. Die
auf der luftseitigen Mauerfläche eingelas
senen Zielbolzen wurden durch wieder
holtes Vorwärtseinschneiden von zwei
ausserhalb des Bauwerkes gelegenen
Beobachtungspfeilern aus eingemessen
(Fig. 1 – franz. Version). Die ersten Mes
sungen fanden vom 4.–7.1.1921 vor dem
Einstau und vom 28.11.–1.12.1921 bei
vollem See statt.
Im Juli 1922 wurde die trigonometrische
Methode an der Bogenstaumauer Pfaffen
Abb. 1: Netzplan der erweiterten Beobachtungsanlage «Pfaffensprung» und sprung (UR) der Schweizerischen Bundes
geodätisch bestimmte Pfeilerverschiebungen (Lang in STK 1946). bahnen SBB bei deren Füllung erneut
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Kultur- und Technikgeschichte
eingesetzt (Abb. 1). Um die Mauerbewe Die geodätische Methode wurde von den beim ersten Aufstau bestimmt werden.
gungen möglichst zeitnah sowohl beim Ingenieuren der L + T bezüglich Netzanla Im Allgemeinen haben sich die Staumau
Einstauen wie beim Entleeren messen zu ge, Materialisierung und Instrumentarium ern übrigens beim Einstau mehr defor
können, wurden die Mauerbolzen gleich stetig weiterentwickelt. Nebst Verbesse miert als die damalige Theorie vorsah und
zeitig durch zwei Beobachter von zwei rungen an den Instrumenten, also den diese Deformationen haben sich beim
Pfeilern aus vorwärts eingeschnitten und Präzisions-Theodoliten und Nivellieren mit Absenken des Seespiegels nur zum klei
bestimmt. zugehörigen Invar-Messlatten, wurden nen Teil zurückgebildet. Die Verformun
Staumauerunfälle im Ausland beunruhig für die hochpräzisen Anwendungen der gen vieler Mauern wurden anschliessend
ten breite Kreise der Bevölkerung bezüglich Ingenieurgeodäsie auch spezielle Entwick im Wechsel des Auf- und Abstaus bis zur
der Sicherheit der Talsperren. Aber auch lungen bei den Zwangszentrierungen Erreichung der (nahezu) endgültigen
der Bau immer höherer Staumauern ver sowie den Zielmarken und Zieltafeln ge Elastizität untersucht. Erst dann setzten
anlasste die Behörden und die Werkbetrei tätigt. Die L + T stellte dazu eigene Unter die langperiodischen Kontrollmessungen
ber, geodätische Deformationsmessungen suchungen an, beispielsweise zur optima der Talsperre ein. Als grosser Vorteil der
zur Kontrolle des elastischen Verhaltens der len Dicke des Fadenkreuzes im Fernrohr geodätischen Überwachung ist zu er
Staumauern ausführen zu lassen. So be oder zur Ausgestaltung der Zielmarken wähnen, dass ihre Methoden von der
auftragte in den frühen 1920er-Jahren und Mauerbolzen sowie deren Montage Netzanlage über die Instrumentierung,
auch die AG Kraftwerk Wägital die L+T als an verschiedenen Maueroberflächen und Signalisierung und Durchführung der
«neutrale Amtsstelle», die Deformationen im Fels. Sie arbeitete eng mit den Instru Messungen bis hin zur Auswertung rela
der Staumauern Rempen (SZ) und Schräh menten-Herstellerfirmen zusammen, u.a. tiv flexibel und situativ auf die verschie
(SZ, Abb. 2; bis 1930 mit 111 m die höchs der Max Hildebrand GmbH, Freiberg in denen Talsperrentypen und lokalen
te Gewichtsmauer der Welt) trigonomet Sachsen, Kern & Co. AG in Aarau und Wild Verhältnisse angepasst werden können.
risch und nivellitisch zu kontrollieren. Heerbrugg AG. Die Firma Haag-Streit AG, Von Bedeutung ist zudem, dass mit den
feinmechanische Werkstätte in Bern, geodätischen Methoden auch allfällige
Trigonometrische Messmethoden konstruierte für die L + T nach deren An Bewegungen des Fundamentfelsens so
an Staumauern gaben spezielle Bolzen und Zielmarken für wie der Talsperrenumgebung erfasst
Die Ingenieure der L + T adaptierten die die Staumauervermessungen, teilweise werden.
trigonometrischen Methoden der Stau sogar als Einzelanfertigungen für be
mauermessungen mit Richtungs- und stimmte Zieldistanzen. Dokumentation und
Winkelmessungen (Triangulation), Vor Erfahrungsaustausch
wärts- und Rückwärtseinschneiden sowie Die L + T berichtete im Beitrag «Trigono
Präzisionsnivellements aus den Erfahrun metrische Beobachtung der elastischen
gen der Landesvermessung. Die L + T war Deformationen der Staumauer am Pfaf
praktisch bei allen Staumauern mit einer fensprung des Kraftwerkes Amsteg der
Sperrenhöhe über 20 m, welche von 1920 S.B.B.» über diese Messungen, ihre Er
bis 1940 in der Schweiz erstellt wurden, fahrungen und die Resultate. Der Bericht
mit Beratungen und Messungen beteiligt: wurde 1923 sowohl in der Schweizeri
Bei den SBB-Staumauern Piora (Ritom TI), schen Zeitschrift für Vermessungswesen
Barberine (VS, Fig. 2) und Les Marécottes und Kulturtechnik wie auch in der
(VS), beim Illsee (VS) der Illsee-Turtmann Schweizerischen Bauzeitung publiziert.
werke, beim Kraftwerk Wettingen (AG) Noch detaillierter und praxisnah be
sowie bei den Staumauern Spitallamm, schrieb Ing. W. Lang die Methode und
Seeuferegg und Gelmer (BE) der Kraft Anordnung der trigonometrischen Defor
werke Oberhasli AG. Die «Spitallammsper mationsmessungen, die Materialisierung
re» war die erste Mauer, deren Deforma der Pfeiler und Bolzen, die Instrumentie
tionen schon während der Bauausführung rung sowie die Auswertung und die
verfolgt wurden. Die Staumauern Garich Diskussion der Resultate der Beobachtun
te (GL) der Kraftwerke Sernf-Niederen Abb. 2: Beobachtungspfeiler im Netz gen in dem von der L + T 1929 publizierten
bach AG und In den Schlagen am Sihlsee der Staumauer «Schräh»; Einachser- Buch «Deformationsmessungen an Stau
(SZ) der Etzelwerk AG wurden, wie viele theodolit von Hildebrand (Lang 1929). mauern nach den Methoden der Geodä
der oben genannten Mauern, seit ihrem sie» (Lang 1929). Er erläuterte auch
Bau bis 2020 von der L + T/swisstopo mit Mit der Geodäsie konnten die räumlichen sorgfältig die Methodik zur Untersu
tels geodätischen Deformationsmessun Verformungen der Sperren, welche die chung der Festpunkte sowie allfälliger
gen überwacht. Erbauer besonders interessierten, bereits Bewegungen des Umfeldes der Talsperre
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(VS). In den 1970er-Jahren wurden die
ersten grossen Pumpspeicherwerke in
Betrieb genommen bzw. umgerüstet, wie
beispielsweise Robiei–Naret/Cavagnoli
(Maggia Kraftwerke AG), Mapragg–Giger
wald (Kraftwerke Sarganserland AG) oder
Grimselsee–Oberaarsee (Kraftwerke
Oberhasli AG).
Weiterentwicklung der Mess- und
Auswertemethoden
In dieser Zeit wurden an verschiedenen
Hochschulen im In- und Ausland die Me
thoden zur Überwachung von Talsperren
und ganz allgemein von grossen Bauwer
ken wie Brücken und Tunnels wissen
schaftlich untersucht und weiterentwi
ckelt; so auch die geodätischen Metho
den – in der Schweiz insbesondere an den
Instituten für Geodäsie und Photogram
Abb. 3: Deformationslinien quer zur Staumauer «Pfaffensprung» (Lang 1929). metrie (IGP) der Eidgenössischen Techni
schen Hochschulen in Zürich (ETHZ) und
und dokumentierte instruktive Darstel Stauanlagen. Diese geben grundlegende Lausanne (EPUL/EPFL).
lungen der Deformationen und Verschie und umfassende Informationen zu den 1947 wurde F. Kobold, der seit 1932 als
bungen (Abb. 3/Fig. 3). Anforderungen an die Messkonzepte und Ingenieur bei der L + T tätig war und dort
Das Buch wurde im Bauingenieurwesen Messanlagen, die Durchführung und bei Deformationsmessungen an Stau
und in der Geologie mit Interesse zur Auswertung der geodätischen Messun mauern mitwirkte, als Professor für Geo
Kenntnis genommen und in Fachpublika gen sowie die Interpretation und Doku däsie und Topografie an die ETH Zürich
tionen zitiert. Die Veröffentlichungen der mentation der Messresultate bis hin zur berufen. Er brachte seine Erfahrungen
L + T fanden auch im benachbarten Aus Archivierung. Die Berichte sind zusam und sein Engagement für dieses Thema
land und in Nordamerika Beachtung und men mit weiteren Informationen auf der mit an das IGP. An der EPUL/EPFL enga
teilweise Nachahmung. Auf Empfehlung Webseite www.swissdams.ch abrufbar. gierte sich Prof. W. K. Bachmann für die
der Elektrobank Zürich (spätere Elektro Weiterentwicklung der Methoden und
watt AG) wurden Ingenieure der L + T Instrumente für geodätische Deformati
zwischen 1929 und 1937 sogar persönlich
Der grosse Aufschwung onsmessungen. Zur Gewährleistung des
zu Beratungen, Messungen und Auswer 1945–1980 Praxisbezugs führte das Institut de pho
tungen von geodätischen Deformations Nach dem Zweiten Weltkrieg, besonders togrammétrie et de géodésie der EPFL ab
messungen an drei Staumauern in Spa in der Zeit von 1955 bis 1969, folgte we 1952 geodätische Deformationsmessun
nien beigezogen. Gelegenheiten zum gen dem Kraftwerkboom ein grosser gen an der Staumauer Châtelot aus, ab
Wissens- und Erfahrungsaustausch boten Aufschwung im Schweizer Talsperrenbau, 1954 auch an der Staumauer Mauvoisin.
ab den 1930er-Jahren auch die Kongres auch bezüglich Kühnheit der Ausführun Beide Professoren bzw. Institute arbeiteten
se der Internationalen Kommission für gen. Dank den im allgemeinen guten wiederum eng zusammen mit den Schwei
Grosse Talsperren ICOLD sowie die Fach Felsverhältnissen in den Alpen wurden die zer Firmen für geodätische Instrumente,
tagungen der 1930 gegründeten Schwei neueren Staumauern primär als Bogen- der Kern & Co. AG in Aarau sowie der Wild
zerischen Talsperrenkommission, welche oder Bogengewichtsmauern errichtet, Heerbrugg AG. Beispiele für die Weiter
1948 zum Schweizerischen Nationalko wie die 1948 vollendete, weitgespannte entwicklung geodätischer Instrumente
mitee für Grosse Talsperren (SNGT) erwei Bogenmauer über die Saane bei Rossens dieser Zeit sind die Verbesserungen an den
tert und 1988 in Schweizerisches Talsper (FR). Als weitere Beispiele seien erwähnt: Zentriereinrichtungen (Kugelzentrierun
renkomitee (STK) umbenannt wurde. Mauvoisin (VS, Fig. 4), welche 1957 als gen resp. Pfeilergrundplatten), welche
Die Arbeitsgruppe Talsperrenüberwa damals grösste Bogenmauer der Welt in Theodolitaufstellungen mit einer Genau
chung des STK erarbeitete ihrerseits Betrieb genommen wurde und die 1961 igkeit von Zehntelmillimetern ermöglich
Empfehlungen für den Einsatz der geo fertiggestellte und bis 1980 weltweit ten (Abb. 4/5). Zwangszentrierungen hat
dätischen Deformationsmessung bei höchste Gewichtsmauer Grande Dixence ten sowohl bei den Polygonzügen wie bei
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Kultur- und Technikgeschichte
deren Verknüpfung mit der Triangulation Ein wesentlicher Grund für das Interesse
grossen Einfluss auf die Genauigkeit. In an neuen, verbesserten Messmethoden
den 1970er-Jahren wurden die mechani waren die grösseren Dimensionen der
schen Sekundentheodolite von Wild und neu gebauten Talsperren, welche trigo
Kern sowohl bezüglich Messgenauigkeit nometrische Visurlängen von 500 m und
wie auch Komfort weiterentwickelt (z.B. mehr verlangten. Bereits bei der Planung
verbesserte Fernrohroptik und diametrale neuer Stauanlagen wurde deren spätere
Kreisablesung mit Mikrometer). Überwachung vermehrt beachtet und in
die Projektierung einbezogen. Die Über
wachungskonzepte der bestehenden wie
der neuen Talsperren wurden erweitert,
die geodätischen Beobachtungsverfahren
verbessert und den Baugrössen ange
passt. Neben den Methoden der Landes
vermessung wurden weitere vermes
sungstechnische und geophysikalische
Verfahren und Instrumente der Geotech
nik und der Felsmechanik mit der Geo
däsie kombiniert, primär im Innern der
Staumauern. Beispielsweise wurden
Draht-Alignements und Präzisionspoly
gonzüge in den Kontrollgängen gemes
sen und die Referenzpunkte der Lote/
Pendel daran angeschlossen; dies direkt
durch Einmessen der Lotdrähte oder
durch Kontrollpunkte sehr nahe bei den
Abb. 4: Wild T3 mit Kugelzentrierung Aufhängungen oder Ablesestellen der
(Untersee 1951). Loteinrichtungen.
Für die Polygonzüge waren auch die
neuen Methoden der Distanzmessung Abb. 6: Distanzmessung mit Invar-
von Interesse. Ab den 1950er-Jahren band/-draht; Spannbock und Ablese-
wurden Polygonseiten mit Invarbändern massstab für Polygonmessung auf
und -drähten gemessen (Abb. 6), mit der Staumauer «Malvaglia» (Kern
denen in den Kontrollgängen der Mauern Bulletin 7, 1963).
eine Standardabweichung von 0.07 mm
erreicht werden konnte. An der ETHZ EDM einen deutlichen Zeitgewinn und
sowie am CERN wurden Instrumente für damit eine Effizienzsteigerung bei der
die Messung hochgenauer Distanzände Durchführung der Messungen, welcher
rungen mittels Invardrähten entwickelt: höchst willkommen war. Denn nebst der
das Distometer ISETH und das Distinvar. Komplexität der Messkonzepte und der
Ab den 1970er-Jahren wurden geodäti erforderlichen grossen Erfahrung war der
sche Messnetze durch elektronische Dis enorme Zeitaufwand ein deutlicher Nach
tanzmessungen (EDM) erweitert und teil gegenüber den meisten anderen
verstärkt. Dank dem Kern Mekometer Methoden der Talsperrenüberwachung.
ME3000 (Fig. 5) erreichten diese ein Ge Seit Mitte der 1960er-Jahre wurden auch
nauigkeitsniveau im Submillimeterbe in der Rechentechnik und in der elektro
reich, sodass sie in den hochpräzisen nischen Datenverarbeitung (EDV) wichti
Deformationsmessungen eingesetzt wer ge Fortschritte erzielt. Die Ausgleichungs
den konnten. Die Distanzmessungen er rechnung nach der Methode der kleinsten
laubten es, die Messnetze luft- und see Quadrate war eine Voraussetzung für die
seitig mit geringerem Aufwand durch Optimierung und die effiziente Auswer
Abb. 5: Kern Pfeilergrundplatte (Ko- zusätzliche Referenz- und Kontrollpunkte tung moderner geodätischer Netze, für
bold 1958). zu erweitern (Abb. 7). Zudem brachte die angemessene geometrische Analysen
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Erkenntnisse bezüglich der Stabilität bis
heriger Referenzpunkte («Fixpunkte»)
können eine Überprüfung und Ergänzung
der Messanlage erfordern. Zudem führen
modernere Instrumente zu Modifikatio
nen, Verbesserungen und Erweiterungen
der Überwachungskonzepte. Sie können
sowohl erhöhte Genauigkeiten ermögli
chen, raschere und effizientere Ausfüh
rung der Messungen erlauben oder auch
grundsätzlich neue Möglichkeiten der
Bestimmung von Deformationen am
Bauwerk und dessen Umfeld bieten.
Die meisten Talsperren der Schweiz haben
mittlerweile einen konsolidierten elasti
schen Deformationszustand erreicht, der
primär von Temperatur- und Wasserstands
änderungen beeinflusst wird. Dennoch
sind einzelne Talsperren sehr kleinen Ver
Abb. 7: Erweitertes Aussennetz der Staumauer «Gigerwald» (© Schneider In- schiebungen, Setzungen oder Hebungen
genieure AG). unterworfen. Daher muss es ein Ziel des
Überwachungskonzeptes sein, nebst der
und Interpretationen von Deformationen ligen Institutsmitarbeitern gegründeten Bestimmung der (relativen) elastischen
sowie für korrekte Angaben zur Genau Vermessungsbüros ab den 1960er-Jah Verformungen infolge unterschiedlicher
igkeit und Zuverlässigkeit der Resultate. ren, also in der Blütezeit des schweizeri Kraft- und Umwelteinflüsse auch einen
Schliesslich trugen die neuen EDV-Mittel schen Staumauerbaus, neben der L + T/ (absoluten) Bezug zu geologisch stabilen
wesentlich bei zu besseren oder zumin swisstopo ebenfalls mit Kartierungs-, Zonen herzustellen. Daraus wiederum er
dest einfacher erstellbaren grafischen Bau- und Überwachungsmessungen an gibt sich situativ der Bedarf nach erweiter
Darstellungen der Deformationen und schweizerischen und ausländischen Tal ten geodätischen Deformationsnetzen,
ihrer Signifikanz. sperren beauftragt wurden. Schliesslich welche insbesondere mit Präzisionsnivelle
war die Ausweitung der Durchführung ments, Präzisionsdistanzen und GNSS-
Verbreitung des Wissens geodätischer Deformationsmessungen Messungen realisiert werden können. Die
Um über die Ausbildungslehrgänge hin auf private Firmen auch wegen der zu zu erwartenden Bewegungen sind meist
aus weitere Kreise mit den neuen Metho nehmenden Anzahl der zu überwachen sehr klein und erfordern höchste Genau
den der Distanzmessung und später all den Objekte unerlässlich. igkeit (d.h. Richtigkeit und Präzision).
gemein der Ingenieurvermessung ver Die optimale (örtliche und zeitliche) Kom
traut zu machen, organisierte das IGP der bination des «äusseren» geodätischen
ETHZ gemeinsam mit anderen techni
Erneuerungen und Netzes mit dem «inneren» Messsystem,
schen Universitäten des deutschsprachi Erweiterungen 1980–2021 welches primär aus nichtgeodätischen
gen Raums die periodisch durchgeführ Der Ausbau der Wasserkraftanlagen in Methoden und Instrumenten besteht
ten Kurse für geodätische Streckenmes den Alpen wird in dieser Epoche deutlich (z. B. Lote/Pendel, Neigungs-, Fugen- und
sung, später Ingenieurvermessungskurse geringer vorangetrieben. Abgesehen von Dehnungsmesser, etc.), trägt wesentlich
IVK genannt. Auch Kongressvorträge den jüngsten Pumpspeicherwerken wer zur verbesserten Überwachung und In
und Zeitschriftenartikel behandelten re den vor allem Sanierungen (z. B. zur terpretation bei. So können die hochge
gelmässig neuste Entwicklungen und Verminderung von Erdbebenrisiken), Er nauen relativen und häufiger ausgeführ
Erkenntnisse für die Talsperrenüberwa neuerungen und Mauererhöhungen aus ten «inneren» Messungen mit den selte
chung. geführt. Dennoch müssen die bestehen neren geodätischen Beobachtungen
Die Professoren und Mitarbeiter der den geodätischen Überwachungsnetze verbunden werden, um absolute Ver
Hochschulinstitute wurden von privaten unterhalten, erneuert und teilweise er schiebungen zu bestimmen. Selbstver
Ingenieurunternehmungen für die Bera weitert werden. Gründe dafür sind der ständlich sind auch die Temperatur- sowie
tung oder Mitarbeit bei Deformations Wegfall von Referenz- und Kontrollpunk die Wasserstands- und Sickerwassermes
messungen beigezogen. Es ist denn auch ten oder einzelner Visuren, hauptsächlich sungen damit zu kombinieren und zu
nicht verwunderlich, dass die von ehema durch Bautätigkeiten. Aber auch neue interpretieren. Schliesslich sollen geophy
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sikalische und geotechnische Messinstal nauigkeit eingebaut. Zudem ermöglichen Modellen (z. B. getrennte Ausgleichung
lationen wie Gleitmikrometer oder -de die Instrumente neuster Generation dank von Lage und Höhe oder 3D-Ansatz), in
formeter, Bohrlochextensometer etc. an schnelleren Messverfahren sowie der der Art der kombinierten Ausgleichung
die geodätischen Netze angeschlossen Motorisierung und dem automatischen von trigonometrischen und GNSS-Mes
werden. Die bereits in der vorherigen Anzielen von Reflektoren raschere und sungen oder in der Möglichkeit der ge
Epoche 1945–1980 erwähnte Vielzahl bequemere Messungen, was wiederum meinsamen Ausgleichung mehrerer
vermessungstechnischer, geophysikali die Genauigkeit steigert. Messepochen unterscheiden.
scher und geotechnischer Methoden, die 1988 hat swisstopo die ersten satelliten Mit den heutigen Instrumenten und Soft
nebeneinander beobachtet und ausge gestützten GPS-Messungen an Stauanla warewerkzeugen sind auch kontinuierli
wertet werden, wird in modernen Über gen in der Schweiz durchgeführt (Fig. 6). che Überwachungen von Talsperren
wachungskonzepten zum eigentlichen Wie anfangs der 1920er-Jahre mit den möglich. Im Gegensatz zu automatisier
«Systemdenken» erweitert, indem sie Methoden der Landestriangulation haben ten Instrumentierungen im Innern der
direkt, also mittels identischer Messpunk diese Entwicklungen einen engen Bezug Staumauern (z. B. automatische Pendel
te kombiniert und die Resultate gesamt zu Neuerungen in der Landesvermessung. ablesungen) sind vollautomatische, kon
haft analysiert werden. Dank den GPS- und später GNSS-Mes tinuierliche geodätische Überwachun-
sungen kann die bisherige Einschränkung gen noch die Ausnahme. Zumindest mit
Aktuelle Methoden und Konzepte der notwendigen Sichtverbindung zwi GNSS-Geräten wären sie allerdings relativ
der Talsperrenvermessung schen den Messpunkten umgangen einfach und kostengünstig realisierbar
Noch heute bilden die «klassischen» Me werden. Dies ermöglicht es, erweiterte (siehe Geomonitoring).
thoden das Rückgrat der geodätischen Referenznetze mit Festpunkten in ent
Deformationsmessungen an Talsperren. fernter liegenden, geologisch stabilen Aktivitäten von Schweizer Firmen
Ab den 1980er-Jahren haben die Entwick und von der Stauanlage unbeeinflussten an Talsperren im Ausland
lungen in der Elektronik und im Instru Zonen zu errichten. Zudem ermöglichen Während in der Schweiz in dieser dritten
mentenbau zu einer deutlichen Steigerung GNSS-Messungen in situ den Massstab Epoche (ab ca. 1980) primär bestehende
der Genauigkeiten der geodätischen De der eingesetzten Distanzmesser zu über Stauanlagen erneuert sowie teilweise
formationsmessungen beigetragen. Seit prüfen. Denn die Etablierung eines hoch erhöht und die zugehörigen geodäti
1986 ermöglicht das Kern Mekometer genauen äusseren Referenzrahmens setzt schen Überwachungsnetze wie beschrie
ME5000 (Abb. 8), das bis heute zu den die Gewährleistung eines «absoluten» ben erweitert wurden, sind das Wissen
Distanzmessern höchster Präzision zählt, Massstabes voraus, beispielsweise zur und die Erfahrung von Schweizer Firmen
das Messen von Distanzen im Nahbereich zuverlässigen Beurteilung von Talver und Ingenieuren auch im Ausland für den
oder im Innern der Talsperren im Submil engungen. Dies im Gegensatz zu den Bau und die Ertüchtigung von Talsperren
limeterbereich; bei sorgfältiger Erhebung Bestimmungen der (kurzfristigen) elasti gefragt. Dank den guten Kontakten zu
repräsentativer Meteo-Parameter auch schen Verformungen in den Anfängen grossen Schweizer Ingenieur-Dienstleis
über einige Kilometer im äusseren, erwei der trigonometrischen Netze, bei denen tungsunternehmungen, welche beim Bau
terten Netz im Millimeterbereich. In jüngs die differentiellen Verschiebungsmessun von Wasserkraftwerken und Stauanlagen
ter Zeit sind in Tachymetern und Totalsta gen rein auf Vorwärtseinschnitten basier weltweit tätig waren und sind, können
tionen Distanzmesser mit ähnlicher Ge ten und der Netzmassstab noch eine Schweizer Vermessungsfirmen und Geo
untergeordnete Rolle spielte. däten ihre wertvollen Kenntnisse auch
Wesentliche Verbesserungen bringen beim Bau und der Überwachung von
selbstverständlich auch in dieser Epoche Stauanlangen im Ausland einbringen. Auf
die Digitalisierung und die Weiterent der GGGS-Webseite sind die Ausland
wicklung der EDV-gestützten Auswer aktivitäten in einem Anhang zum Haupt
tung. Die geodätischen Netze werden bericht zusammengestellt.
sogar über mehrere Messepochen «in
einem Guss» streng ausgeglichen. Dies
ermöglicht eine bessere und zuverlässi Moderne Methoden
gere Beurteilung der Resultate und eine Seit der Jahrtausendwende werden neue
verbesserte Dokumentation und grafi Methoden ergänzend zu den vorgehend
sche Darstellung der Ergebnisse der De beschriebenen eingesetzt: Geomonito
formationsanalyse. Dazu sind in der In ring, Faseroptische Messsysteme, terres
Abb. 8: Kern Mekometer ME5000 genieurvermessung verschiedene Soft trisches Laserscanning, terrestrische bzw.
(1994) vor der Staumauer «Mauvoisin» wareprodukte im Einsatz, welche sich in satellitengestützte Radarinterferometrie
(© Pöyry Schweiz AG). den zugrundeliegenden mathematischen und weitere.
Geomatik Schweiz 7–8/2021 175Histoire de la culture et de la technique
Geomonitoring lang der Gotthard-Passstrasse festgestell sche und geotechnische Messanlagen
Zwei Ereignisse bzw. Erkenntnisse im ten Setzungen von bis zu 12 cm, welche eingerichtet (Fig. 7).
Zusammenhang mit Tunnelbauten moti auf den in den 1970er-Jahren erfolgten Das Monitoring vor und während dem
vierten die Bauherrschaft AlpTransit Bau des Gotthard-Strassentunnels und Tunnelbau bezweckte, allfällige durch
Gotthard (ATG) 1998 zu einem umfassen dessen Drainagewirkung zurückgeführt den Bau des Gotthard-Basistunnels ver
den Geomonitoring im Gebiet von Stau werden konnten. ursachte Geländedeformationen und
anlagen der Kraftwerke Vorderrhein AG: Zusätzlich zu den erweiterten «episodi damit die Auswirkungen des Untertage
Die Beschädigung der Staumauer Zeuzier schen» Messungen gemäss Stauanlagen baus auf die drei Stauanlagen frühzeitig
1978 infolge der Ausbrucharbeiten des verordnung wurden deshalb zur Überwa zu erkennen und genügend Zeit für Ge
Sondierstollens zur Prospektion des chung der Talquerschnitte im Umfeld der genmassnahmen zu gewinnen (Abb. 9).
Rawiltunnels sowie die anlässlich des Staumauern Curnera, Nalps und Santa
Landesnivellements von swisstopo ent Maria spezielle, automatisierte geodäti Faseroptische Messsysteme
Rasche Seespiegeländerungen belasten
die Talsperren von Pumpspeicherkraft
werken vermehrt. Zur Überwachung ihrer
Formänderungen werden auch Glasfasern
mit integrierten Messsensoren eingebaut.
Die Sensoren liegen z.B. in den Blockfu
gen und erlauben es, Längenänderungen
der Glasfaser mit einer Präzision von
wenigen Mikrometern zu ermitteln.
Terrestrisches Laserscanning (TLS)
Der Scanner misst die Talsperrenoberflä
che in einem frei definierbaren geomet
rischen Punktraster dreidimensional und
berührungslos (Horizontal- und Vertikal
richtung, Schrägdistanz, Intensität, evtl.
RGB-Farbwert) (Abb. 10). Die rasche
Messung hoher Punktmengen (bis zu
1 Mio. Punkte/s) ist in der Richtigkeit und
Präzision noch tiefer als die herkömmli
che, hoch redundante aber zeitaufwän
dige Mehrpunktbestimmung. Die Geo
referenzierung und Modellbildung der
Punktwolken sind herausfordernd. TLS
wird künftig vermehrt, aber wohl noch
für längere Zeit ergänzend zu den klassi
schen Methoden eingesetzt werden.
Terrestrische Radarinterferometrie
Bei sehr hohem Gefährdungspotenzial
kann GB-InSAR (ground-based Interfero
metric Synthetic Aperture Radar) beson
ders die Umgebung von Talsperren dau
ernd und flächenhaft überwachen (Fig. 8a).
Die Reichweite beträgt ab Sensor bis zu
4 km, die überstrichene Fläche über 5 km2
Abb. 9: Setzungen 2002–2013 gemessen mit Präzisionsnivellements, GPS und und Bewegungen können im Submillime
Tachymetrie gemäss Fig. 7 im Bereich der Stauanlagen der Kraftwerke Vorder- terbereich detektiert werden, allerdings
rhein AG während des Baus des Gotthard-Basistunnels (Bild aus internem nur in Richtung der Achse des Radarstrahls
Expertenbericht der ATG-Fachkommission «Vortrieb und Stauhaltungen»; (Line-of-Sight LOS) (Fig. 8b). Werden meh
publiziert in: Berichte der Landesgeologie, Nr. 7, 2016; © ATG, swisstopo). rere GB-InSAR Sensoren auf unterschied
176 Géomatique Suisse 7–8/2021Kultur- und Technikgeschichte
lichen Stationen eingesetzt, lassen sich
3D-Verschiebungen ermitteln. Im Umfeld
von Schweizer Talsperren wurde die Me
thode bisher erst versuchsweise einge
setzt.
Satellitengestützte Radar
interferometrie InSAR
Die Oberflächen ganzer Täler oder Länder
lassen sich aus Satelliten mit Interfero
metric Synthetic Aperture Radar (InSAR)
quasi-kontinuierlich überwachen. Die Pe
riodizität ergibt sich aus den Ausleuch Abb. 10: Differenzmodell aus zwei Laserscans der Staumauer «Schiffenen»
tungszonen der Satellitendurchgänge. In (© Vincent Barras; vgl. auch Wieser et al. 2020).
der Schweiz werden beispielsweise Set
zungen von Salzabbaugebieten, Gelände rologische, inertiale Messeinheiten, reiches Anwendungsgebiet der Ingenieur
rutschungen, Blockgletscher und Perma Wasserstandsmesser usw.) geodäsie. Die geodätische Überwachung
frostgebiete untersucht. Die Präzision der • Ein Übergang von periodischen Mes von Stauanlagen wird vor allem dank ih
durchschnittlichen Verschiebungsraten aus sungen zu kontinuierlichen Zeitreihen ren «absoluten» Ergebnissen ein wichtiger
differenziellen Auswertungen (D-InSAR) auf ausgewählten, permanent und Pfeiler im Sicherheitskonzept der Talsper
ist in LOS Richtung besser als 1 mm/Jahr, stabil installierten Messstationen ren bleiben.
bei Einzelmessungen besser als 4 mm/Jahr. • Einbindung der geodätischen Talsper
ren-Überwachungsnetze mittels GNSS
Weitere Methoden in den «absoluten», langfristig stabilen Literatur und Dokumente
• Elektronische Neigungsmesser zur per und gut überwachten Referenzrahmen
Auf der Webseite der GGGS https://www.
manenten Bauwerksüberwachung der Landesvermessung gggs.ch sind zu finden:
• Digitale geotechnische Sensoren für • In ihrer Algorithmik weiter entwickelte
• Hauptbericht der Arbeitsgruppe: Dieser
Kluftmessungen im Submillimeterbe Auswerte- und Analyse-Hilfsmittel, vertieft die hier stark gekürzt präsentierten
reich (Extensometer, Telejointmeter d.h. komplexere Ausgleichungsmetho Inhalte, enthält das Literaturverzeichnis und
usw.) den, echtzeitnahe 3D-Zeitreihen- und © Angaben zu den Bildern und Karten und
• Steinschlagradar: detektiert Steinschlag Strainanalysen, Ableiten von Trends, beschreibt in Anhängen die Schweizer Tal
ereignisse bei allen Wetterbedingun Cloud-Dienste, künstliche Intelligenz, sperren und die Aktivitäten schweizerischer
gen, auch bei Dunkelheit, und alarmiert Deep Learning Vermessungsbüros im Ausland
innerhalb von wenigen Sekunden • Einsatz neuer Technologien aus dem • Umfassende Bibliografie der einschlägigen
• Deformationskamera: analysiert auto Bereich des Internet of Things zur Ver schweizerischen Publikationen zu Talsper
matisch sequentielle, hochaufgelöste netzung und Fernsteuerung von autono renvermessungen
Bildaufnahmen und ermittelt dabei mit men Multisensorsystemen (Machine-to- • Viele Publikationen im PDF/A Format sowie
raffinierten Bildverarbeitungsverfahren machine Kommunikation über 5G, IPv6) zusätzliche Bilder.
flächige Deformationen von instabilen • Terrestrische Positionierungssysteme
Hängen, Felswänden oder Gletschern mit Pseudolites (lokal montierte Sender,
auf wenige Zentimeter genau d.h. «Pseudo-Satelliten»), analog zu
• Bewegungssensoren, meist piezoelek Ground Based Augmentation Systems Adrian Wiget
trische Sensoren oder MEMS (Micro- (GBAS) in der Luftfahrt Sonnenweg 6, 5507 Mellingen
Electro-Mechanical-Systems) • Technologien aus den Indoor Naviga adrian.wiget@bluewin.ch
• Digitale Pegelmessungen. tion Methoden Beat Sievers
• Einbezug von Augmented und Virtual Bahnhofstrasse 11, 3454 Sumiswald
Reality zur Simulation und Prognose sievers-frey@bluewin.ch
Ausblick von zukünftigen Objektzuständen. René Huser
Die Zukunft kann uns aus heutiger Sicht Meisenweg 9, 8600 Dübendorf
bringen: Fazit rene.huser@glattnet.ch
• Eine zunehmende Vernetzung und In Hochgenaue, langjährig zuverlässige De Urs Federer
tegration von geodätischen, geotech formationsmessungen sind ein spannen Oelbergweg 5, 5234 Villigen
nischen und weiteren Sensoren (meteo des, komplexes und höchst anforderungs urs.federer-kehl@greenmail.ch
Geomatik Schweiz 7–8/2021 177Sie können auch lesen
