Bearbeiter: Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. C. Pohl, Dipl.-Ing. L. Vavrina

Förderung durch: BMBF, NLWKN, II. Oldenburgischer Deichband, Amt für Landwirtschaft und Wasser (Heide),
III. Oldenburgischer Deichband

 

Kurzbeschreibung des Projekts:

Hochwasserschutzdeiche beziehen ihre Sicherheit aus der Widerstandsfähigkeit des Deichkörpers gegenüber den Beanspruchungen aus Einstau, Wellenauflauf, Wellenüberlauf und Sickerströmungen im Deichinneren. Die möglichen Versagensformen sind direkt mit den vorgenannten Einwirkungen verknüpft und definieren in ihrer Gesamtheit den Sicherheitsstandard des Deichs. Oft sind allerdings die Zusammenhänge nur empirisch belegt und die maßgebenden physikalischen Zusammenhänge sind nur qualitativ bekannt.
Seit etwa 1995 arbeiten wir daher in Essen an bodenmechanisch/physikalisch begründeten Modellbildungen für die verschiedenen Versagensformen, um alle mit dem Einstau im Hochwasserfall zu erwartenden Einwirkungen deterministisch beschreiben zu können. Neben der Quantifizierung von Sicherheitsstandards steht dabei die Bemessung der Kleiabdeckung im Vordergrund.

Folgende Schwerpunkte wurden bisher bearbeitet:

1. Festigkeitsentwicklung der Deichböden bei Vernässung

Von den bindigen Böden auf den Deichböschungen ist bekannt, dass sie ihre Festigkeit einbüßen, wenn im Hochwasserfall Wasser in die Porenräume eindringt und von den Bodenaggregaten aufgenommen wird (s. Bild 1). Die Festigkeitsabnahme ist nicht nur von der Bodenart abhängig, sondern vor allem auch von den Bedingungen (Wassergehalt), unter denen der Boden am Deich eingebaut wurde. Die bodenspezifische Anfangsfestigkeit kann bei Vernässung innerhalb weniger Minuten deutlich abfallen (Richwien, W., 1981, Richwien, W., 1993, Richwien, W./Weißmann, R., 1999, Deharde, S., 1999).

Abb. 1: Scherfestigkeit in Abhängigkeit von der Konsistenz nach Deharde (1999)

2. Abrutschen der Binnenböschung

Weitaus schneller als ein Schaden durch Erosion ist das Abrutschen der Binnenböschung unter der Einwirkung des Wellenüberlaufs zu befürchten. Das über die Deichkrone schwallartig ablaufende Wasser dringt in den Boden ein, setzt dabei dessen Scherfestigkeit herab und gleichzeitig werden böschungsabwärts, teilweise auch böschungsauswärts gerichtete Strömungskräfte entwickelt, die sich den Massenkräften überlagern. Dieses Zusammenwirken von Strömungskräften und Massenkräften führt, unterstützt durch die Festigkeitsabnahme, zu hangabwärts gerichteten Kriechverformungen des Oberbodens, d. h. der Boden wird am Böschungsfuß aufgestaucht und im oberen Böschungsdrittel bilden sich Zugrisse. Diese Rutschungen treten teilweise bereits nach wenigen Minuten auf. Das Abrutschen der Binnenböschung wurde 2001 bei Großversuchen im Großen Wellenkanal (GWK) in Hannover exemplarisch untersucht. Diese Projekt wurde zusammen mit der Technischen Universität Braunschweig (TU Braunschweig) durchgeführt (Richwien, W. / Weißmann, R. ,2001, Abschlussbericht ; Oumeraci, H./ Schüttrumpf, H./ Möller,J./ Weißmann, R./ Richwien, W. 2001, Abschlussbericht).

3. Erosion der Binnenböschung

Beim Wellenüberlauf kann der Boden auf der Binnenböschung erodiert werden, sofern er nicht durch Kohäsion (bindiger Boden) und Durchwurzelung hinreichend geschützt ist. Wenn auch die Erosion unter praktisch relevanten Randbedingungen relativ langsam abläuft und somit selten zum unmittelbaren Versagen führt, kann sie doch in Einzelfällen maßgebend sein. Abbildung 2 zeigt drei Erosionsarten, die bei den Versuchen im GWK auf Binnenböschungen ohne schützende Grasnarbe beobachtet wurden (Wang, Z./Weißmann, R., 2000).

Abb. 2a: Verschiedene Arten der Erosion - Kaskadenerosin

 Abb. 2b: Verschiedene Arten der Erosion - Rinnenerosion

Abb. 2c: Verschiedene Arten der Erosion - lokale Erosion

4. Abschätzung der Infiltrationstiefe bei Vernässung infolge von Wellenüberlauf und Niederschlag

Durch Wellenüberlauf und Niederschlag infiltriert Wasser in die Kleiabdeckung. Luftgefüllte Poren füllen sich mit Wasser und das vorhandene Porenvolumen wird aufgesättigt. Der Wassergehalt des Bodens steigt und der Boden weicht von der Oberfläche her auf. Je länger der Wellenüberlauf stattfindet, desto tiefer wird die Böschung aufgesättigt (s. Abbildung 3) (Weißmann, R., 2003; Weißmann, R./Richwien, W. 2004).

 

Abb. 3: Zonen unterschiedlicher Sättigung

 

5. Entwicklung eines probabilistischen Sicherheitskonzeptes

 

 

Versagensfunktionen liefern zu den oben genannten und weiteren Mechanismen jeweils tolerierbare Beanspruchungen durch Einstau, Wellenbelastung und Wellenüberlauf. Aus den Versagenswahrscheinlichkeiten der einzelnen Versagensformen ergibt sich dann das objektive Sicherheitsniveau. Zu diesem Zweck wurde in Kooperation mit der TU Braunschweig (TU Braunschweig) ein probabilistisches Sicherheitskonzept erarbeitet (Oumeraci, H./ Kortenhaus, A., 2002).

6. Ausarbeitung eines Bewertungsverfahrens für Klei im Deichbau

Zur Einordnung von Kleiböden als Deichbaustoff wird ein standardisiertes Verfahren benötigt. Zu diesem Zweck wurde ein Bewertungsverfahren für Klei ausgearbeitet, das weitestgehend auf bekannten bodenmechanischen Versuchen beruht und damit unabhängig von der Erfahrung des Anwenders ist. Neben den bekannten bodenmechanischen Versuchen, wie dem Durchlässigkeitsversuch, dem Schrumpfversuch und der Konsistenzgrenzenbestimmung, wird dabei der Zerfallsversuch nach Weißmann verwendet (s. Abbildung 4). Der Zerfallsversuch spiegelt die Widerstandsfähigkeit des Bodens gegenüber Wasserzutritt wider und kann von den Anforderungen her in jedem Labor problemlos durchgeführt werden (Weißmann, R./ Richwien, W. 2003; Weißmann, R. 2003).

 

       

Abb. 4: Der Zerfallsversuch nach Weißmann

7. Entwicklung eines Ansatzes für die funktionale und statische Bemessung der Abdeckung von Binnenböschungen

Die Bemessung der Kleiabdeckung von Seedeichen erfolgt bis heute auf Grundlage von Erfahrungswerten. Das bedeutet, dass Mindestschichtdicken für die Binnen-, die Außenböschung und die Deichkrone vorgeschrieben sind, die aber je nach Bundesland stark variieren können. Die bodenmechanischen Eigenschaften des Kleis haben keinen Einfluss auf die Wahl des Deichbesticks.
Um den Entwurf von Deichverstärkungen und -neubauten statt auf empirischen auf einer mechanisch/physikalisch begründeten Grundlage durchführen zu können, wurde ein Bemessungskonzept entwickelt, das sowohl funktionale, als auch statische Aspekte berücksichtigt. Die funktionale Bemessung geschieht auf Grundlage der notwendigen Reduzierung der Infiltrationsrate in den Deichkern auf ein zulässiges Maß. Die statische Bemessung beruht auf der Quantifizierung eines bodenspezifisch größten zulässigen Porenanteils n, sodass der Boden selbst bei Vollsättigung noch eine ausreichende Festigkeit besitzt, um das Abrutschen der Abdeckung zu verhindern (Weißmann, R./Richwien, W. 2004).

8. Entwurf eines Ansatzes zur Bemessung der Deichaußenböschung

Zur Zeit wird ein Bemessungskonzept für die Kleiabdeckung der Deichaußenböschung entwickelt. Diese Konzept berücksichtigt neben der Reduzierung der Infiltrationsrate auch die Beanspruchungen aus Erosion und Druckschlag.
Erosion geschieht an der Außenböschung durch Wellenauflauf und Wellenrücklauf. Druckschlag entsteht durch eine bestimmte Brecherform, den sogenannten Sturzbrecher. Abbildung 5 zeigt beispielhaft die Bildung eines solchen Sturzbrechers, der durch hohe Druckschlagmaxima von geringer Dauer gekennzeichnet ist.

Abb. 5: Die Bildung eines Sturzbrechers (beobachtet im GWK)

Es wurde ein spezieller Versuchstand entwickelt, um die Porenwasserdruckausbreitung des Druckschlages in der Kleiabdeckung darstellen zu können. Gemäß den Abbildungen 6 und 7 wird der Versuchsboden durch eine computergesteuerte Druckkisseneinheit belastet. Mit Druckaufnehmern wird der Porenwasserüberdruck gemessen, der mit einer Phasenverschiebung zum Druckschlag wirkt. Trifft der Druckschlag auf einen der häufig in der Kleiabdeckung vorkommenden Schrumpfrisse kann die Abdeckung aufgebrochen werden. Um eine Schädigung durch Druckschlag auszuschließen muss der Boden auch bei Vernässung eine ausreichende Kohäsion vorweisen, die durch die Durchwurzelungskohäsion der Grasnarbe ergänzt wird.

          

Abb. 6: Der Versuchsaufbau zum Druckschlag

Abb. 7: Der Versuchsstand zum Druckschlag

Literatur

Richwien, W.; Weißmann, R. ( 1999):
Quantifizierung der Standsicherheitsreserven von Seedeichen bei Wellenüberlauf. In: Abschlussbericht Untersuchung im Auftrag des Amtes für Landwirtschaft und Wasser Heide und des 3. Oldenburgischen Deichbandes, Teil 4 (unveröffentlicht)

Deharde, S. (1999):
Festigkeitsuntersuchung an bindigen Böden mit Sekundärstruktur. In: Diplomarbeit am Institut für Grundbau und Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau Essen (unveröffentlicht)

Wang, Z.; Weißmann, R. (2000):
Bewertung der Erosion auf der Innenböschung des Borghorster Hauptdeiches. In: Untersuchung im Auftrag der Freien und Hansestadt Hamburg, Baubehörde (unveröffentlicht)

Pilarczyk, K. W. (1998):
Dikes and revetments. A. A. Balkema Verlag Rotterdam

Veröffentlichungen

Pohl, C. (2006):
Die Bemessung von Seedeichen auf Wellendruckschlag. In: 29. Baugrundtagung Leipzig, Spezialsitzung "Forum für junge Geotechnik-Ingenieure", Bremen 2006, S. 99-101

Pohl, C.; Richwien, W. (2006):
Design of the Clay-Coverig of Sea- and Estuary Dikes. In: Coastal Dynamics, Geomorphology and Protection, Proc. of LITTORAL 2006, Gdansk, Polen, S. 79-87

Pohl, C.; Richwien, W. (2006):
Die Bemessung der Außenböschung von Seedeichen unter Ansatz des festigkeitssteigernden Einflusses der Grasnarbe. In: Dokumentation zum 2. Symposium Sicherung von Dämmen, Deichen und Stauanlagen, Siegen

Pohl, C. (2005):
Die Bemessung der Kleiabdeckung von Deichaußenböschungen. In: Tagungsband zum HTG-Kongress 2005, Bremen, S. 129-138

Weißmann, R; Richwien, W. (2004):
Funktionale und statische Bemessung von Deichbinnenböschungen. In: Hansa 141 (2004), Heft 6, S. 69-75

Weißmann, R; Richwien, W. (2003):
Ein Bewertungsverfahren für Klei im Deichbau.
In: Hansa 140 (2003), Heft 7, S. 71-75

Weißmann, R; Richwien, W. (2003):
Bodenmechanische Prozesse beim Wellenüberlauf über Deiche.
In: GEOLEX (2003), Heft 3, S. 5-10

Weißmann, R; Richwien, W. (2003):
Ein Bewertungsverfahren für Klei im Deichbau.
In: Hansa 140 (2003), Heft 7, S. 71-75

Möller, J.; Weissmann, R.; Schüttrumpf, H.; Kudella, M.; Oumeraci, H.; Richwien, W.; Grüne, J. (2002):
Interaction of wave overtopping and clay properties for seadikes. In: Proceedings of the 28th Int. Conf. of Costal Engineering (ICCE 2002), Cardiff

Schüttrumpf, H.; Möller, J.; Oumeraci, H.; Grüne, J.; Weissmann, R. (2001):
Effects of Natural Sea States on Wave Overtopping of Seadikes. In: Proceedings Waves 2001 Conference, San Francisco, S. 1565-1574

Schüttrumpf, H.; Möller, J.; Oumeraci, H.; Grüne, J.; Weissmann, R. (2001):
Untersuchungen zum Wellenüberlauf für Naturspektren. In: Tagungsband des 3. FZK-Kolloquiums, Hannover

Weissmann, R.; Richwien, W.; Grüne, J.; Schüttrumpf, H. (2001):
Infiltration von Wellenüberlauf in Deichbinnenböschungen. In: Tagungsband des 3. FZK-Kolloquiums, Hannover

Weißmann, R. (2001):
Ermittlung der Bodenerosion mittels Laserscanning. In: 1.Siegener Symposium, Messtechnik im Erd- und Grundbau - Tagungsband, Siegen 2001, S. 218-232

Richwien, W. (1993):
Ansätze zum Formänderungs- und Festigkeitsverhalten nicht wassergesättigter aggregierter Böden. Vortrag auf der Fachsitzung über Festigkeits- und Verformungsverhalten von nicht wassergesättigten und aggregierbaren Böden am 2. und 3. März 1993 im niedersächsischen Landesamt für Bodenforschung, Hannover

Richwien, W. (1981):
Das Formänderungs- und Festigkeitsverhalten weicher bindiger Böden. In: Mitteilungen des Lehrstuhls für Grundbau, Bodenmechanik und Energiewasserbau und Institut für Grundbau und Bodenmechanik der Technischen Universität Hannover, Hrsg.: Prof. Dr.-Ing. V. Rizkallah, Heft 18

Internet:
Besuchen Sie zu diesem Thema auch die Internetseite des ForschungsZentrum Küste (FZK). Hier wurden die im Rahmen dieses Forschungsprojektes geplanten Versuche durchgeführt.

Weitere Informationen:
Bericht zu den Versuchen im Projekt 'Belastung von Seedeichbinnenböschung durch Wellenüberlauf' (pdf-Dokument, ca. 11kB)

Artikel: 'Ermittlung der Bodenerosion mittels Laserscanning' (pdf-Dokument, ca. 4MB)