Intbem A - Optimierung von Deichelementen

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

Förderung durch: KFKI Forschungsvorhaben, gefördert durch das BMBF im Rahmen des Programms "Schifffahrt und Meerestechnik für das 21. Jahrhundert".

Kooperation mit: NLWKN, Betriebsstelle Norden-Norderney - Forschungsstelle Küste

Laufzeit: 01.11.2006 bis 31.03.2010

Kurzbeschreibung des Projekts:

Ziel des Projektes INTBEM ist die Erarbeitung von Bemessunsgregeln für See- und Ästuardeiche, die einerseits die konkrete Beanspruchung durch Einstau, Wellenschlag und Wellenüberlauf berücksichtigen und andererseits die spezifischen Eigenschaften der verfügbaren Deichböden der Dimensionierung zugrunde legen.Nach heutiger Bemessungspraxis wird die Deichhöhe über die Ermittlung von Bemessungswasserständen und Bemessungswellenauflauf bestimmt. Dabei erfolgt die Querschnittsgestaltung im Wesentlichen nach den Empfehlungen des Arbeitskreises für Küstenschutzwerke, die als Reaktion auf die schweren Schäden während der Sturmflut 1962 erarbeitet wurden. Die verfügbaren Erdbaustoffe werden bislang lediglich hinsichtlich ihrer Qualität klassifiziert, finden jedoch in die Bemessung keinen Eingang. Gleichzeitig haben sich bei der Gestaltung der Konstruktionselemente regionale Besonderheiten ausgebildet, die vielfach auf administrativen Besonderheiten beruhen.Damit genügen die Deiche zwar nach bisheriger Erfahrung den heutigen Sicherheitsanforderungen, der Mitteleinsatz könnte jedoch Ressourcenschonender und wirtschaftlicher als bisher geschehen. Beispielsweise haben vorangegangene Arbeiten gezeigt, dass die Abdeckungen auf der Binnenböschung von Deichen je nach Festigkeit der verwendeten Böden durchaus den Einwirkungen aus dem Wellenüberlauf über lange Zeit standhalten können. Es liegt daher nahe die Deichhöhe in Abhängigkeit der aufnehmbaren Überlaufraten festzulegen. Entsprechend ist die integrierte Bemessung von See- und Ästuardeichen (INTBEM) gemäß Abb. 1 in weitergehender Form als bisher praktiziert anzustreben.

Abb. 1: Integrierter Bemessungsansatz

Abb. 1: Integrierter Bemessungsansatz

Aufbauend auf den Bemessungswasserständen und den aus den einlaufenden Wellenspektren abgeleiteten Wellenauf- und -überlaufraten folgen sowohl Deichgeometrie als auch die Abdeckungsmächtigkeiten in einem Optimierungsverfahren durch Gegenüberstellung mit den materialspezifischen Widerstandsfähigkeit des Bodens.

Abb. 2: Modellierung der hydrodynamischen Belastung

Abb. 2: Modellierung der hydrodynamischen Belastung

Der Verbundpartner NLWKN - Forschungsstelle Küste leitet mit dem Wellenauf- und überlaufprogramm OTT-1D die hydrodynamische Belastung numerisch ab (INTBEM B). Wesentlich ist dabei im ersten Schritt die Verifikation des Modells für unregelmäßige Geometrien von Deichen und Deckwerken. Anschließend ist es erforderlich, die Ausgabe der Modellierungsergebnisse über die umfassende in einer strukturierten Datenbank so zu gestalten, dass eine möglichst flexible, effiziente Reaktion auf die Ergebnisse der bodenmechanischen Untersuchungen erfolgen kann. Ein neuronales Netzwerk dient als ergänzendes Verifikationswerkzeug.

Aufgrund langjähriger Erfahrungen ist bekannt, dass die heute vorwiegend ausgeführten Sandkerndeiche ihre Festigkeit, Dichtigkeit und Beständigkeit aus dem statischen und funktionalen Zusammenwirken von Deichlager, Sandkern und Böschungsabdeckungen beziehen und dass es Prozesse wie Druckschlagbelastung, Erosion, Infiltration und dem damit einhergehenden Festigkeitsverlust sind, die es zu erfassen gilt (s. a. unsere bisherigen Untersuchungen zur Deichsicherheit).

Der Verbundpartner NLWKN - Forschungsstelle Küste leitet mit dem Wellenauf- und überlaufprogramm OTT-1D die hydrodynamische Belastung numerisch ab (INTBEM B). Wesentlich ist dabei im ersten Schritt die Verifikation des Modells für unregelmäßige Geometrien von Deichen und Deckwerken. Anschließend ist es erforderlich, die Ausgabe der Modellierungsergebnisse über die umfassende in einer strukturierten Datenbank so zu gestalten, dass eine möglichst flexible, effiziente Reaktion auf die Ergebnisse der bodenmechanischen Untersuchungen erfolgen kann. Ein neuronales Netzwerk dient als ergänzendes Verifikationswerkzeug.Aufgrund langjähriger Erfahrungen ist bekannt, dass die heute vorwiegend ausgeführten Sandkerndeiche ihre Festigkeit, Dichtigkeit und Beständigkeit aus dem statischen und funktionalen Zusammenwirken von Deichlager, Sandkern und Böschungsabdeckungen beziehen und dass es Prozesse wie Druckschlagbelastung, Erosion, Infiltration und dem damit einhergehenden Festigkeitsverlust sind, die es zu erfassen gilt (s. a. unsere bisherigen Untersuchungen zur Deichsicherheit).

Abb. 3: Bodenmechanische Prozesse bei Sturmflut

Abb. 3: Bodenmechanische Prozesse bei Sturmflut

Aus bodenmechanischer Sicht umfasst das Arbeitsprogramm schwerpunktmäßig daher vor allem die weitergehende Quantifizierung dieser Schädigungsmechanismen:

1. Infiltration in den Deichkern

Infolge Niederschlag und Einstau dringt Wasser in den Deich ein, dieser Vorgang heißt Infiltration und führt sowohl zu einer Belastung des Bodens durch Strömungskräfte als auch zur Reduzierung der Festigkeit. Anhand von Messungen im Großen Wellenkanal in Hannover hat Weißmann (2004) ein theoretisches Infiltrationsmodell für die geschlossene Abdeckung entwickelt und verifiziert. Typischerweise ist die Abdeckung jedoch bis in große Tiefe von einer erhöhten witterungsbedingten Strukturbildung, d. h. von Klüften und Rissen sowie von starker Aggregatbildung, geprägt. Das so entstandene Makrogefüge bestimmt die tatsächliche Wasserdurchlässigkeit und Wasserwegigkeit des Systems maßgebend. Entscheidend für die Risstiefe und die räumliche Verteilung der Risse ist die Volumenänderung, die der Boden bei Austrocknung erfährt. Schrumpfungsvorgänge sind im Allgemeinen sehr komplex, trotzdem existiert eine Vielzahl an hypothetischen Ansätzen zur Beschreibung der Rissbildung, die größtenteils aber nur schwer praktisch umsetzbar sind. Es gilt einen zutreffenden und gleichzeitig mit geringem Aufwand umsetzbaren Ansatz zu identifizieren und ggfs. den Verhältnissen am Deich anzupassen. Die Böden besitzen dabei zum Teil ein erhebliches Vermögen zur Selbstheilung. Eine Bestandsaufnahme von Rissen an Deichen in den Sommern 2007 und 2008 stützt die Untersuchungen.Numerische Simulationen geben Aufschluss über die Sättigungsfront ausgehend von singulären Rissen und über die Rangordnung der Infiltration auslösenden Einwirkungen (Niederschlag, Vorlauftiden, stationärer und instationärer
Einstau, Wellenüberlauf).

2. Standsicherheit der Böschungen

Die Hauptbeanspruchung für die Außenböschung sind in der Regel Seegangseinwirkungen. Neben den quasi-statischen Wasserauflasten und Erosion durch Wellenauf- und -ablauf stellt der Druckschlag aus brechenden Wellen die maßgebende Einwirkung dar. Die Folge können lokale Zerstörungen der Böschung sein.Führböter entwickelte ein Schädigungsmodell, wonach sich die Druckschlagspannungen im wassergefüllten Riss mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzen.

Abb. 4: Druckschlagschäden 1962

Abb. 4: Druckschlagschäden 1962

Dieser Fall einer kinematisch eindeutigen Versagensgeometrie liegt aber eigentlich nur dann vor, wenn Schrumpfrisse die Abdeckung in einzelne monolithische Blöcke zerlegen. Phänomenologisch handelt es sich tatsächlich in den meisten Fällen um eine primäre Lockerung der Aggregatstruktur, sodass dann der Wellenauflauf und der Wellenrücklauf die gelockerten Strukturen abtransportieren können. Es liegt der Übergang zu Erosion vor. Aufgrund der räumlich und zeitlich begrenzten Wirkung von Druckschlägen können in den Böden sehr hohe Gradienten des Potentials auftreten. Numerische Modellierungen mit dem Programm Abaqus, welche anhand eines kleinmaßstäblichen Versuches kalibriert werden, liefern die Porenwasserdruckverteilungen.Aus Beobachtungen ist bekannt, dass die Binnenböschung durch die Belastung von Strömungskräften beim Wellenüberlauf ihre Standsicherheit verlieren kann. Dem steht im Wesentlichen die Festigkeit der Abdeckung gegenüber. Neben der Verbundfestigkeit aus Bodenmatrix und Wurzeln weisen Abdeckungen als Widerstand gegen Druckschlag auf der Außenböschung und Abgleiten der Binnenböschung häufig noch eine so genannte Strukturfestigkeit auf. Reihenuntersuchungen von gealterten Abdeckungen sollen die Größenordnung dieser bisher vernachlässigten Sicherheitsreserve aufzeigen.

 

3. Oberflächenerosion der durchwurzelten Abdeckung

Erosion ist die Folge von zwei Teilprozessen, dem Herauslösen von Partikeln oder Aggregaten aus dem Gefüge und schließlich ihr Abtransport mit dem abfließendem Wasser. Zur Erosion unbewachsener Abdeckungen wurden ebenfalls mit einer Förderung durch den BMBF Überlaufversuche im Großen Wellenkanal in Hannover durchgeführt, die den Erosionsverlauf vor allem qualitativ charakterisieren (s. a. Bericht zu den Belastungen von Seedeichbinnenböschungen durch Wellenüberlauf).Bei Abdeckungen mit intakter Grasnarbe reduziert der Oberflächenbewuchs zusätzlich die Strömungsgeschwindigkeit während die Wurzeln die Bodenmatrix weiter festigen. Erosionsraten durchwurzelter und bewachsener Abdeckungen lassen sich zur Zeit nur empirisch aus niederländischen Großversuchen in Abhängigkeit von der hydrodynamischen Beanspruchung und deren Dauer abschätzen. Die Qualität der Grasnarbe wurde bei diesen Versuchen in der Regel nur rein subjektiv erfasst. Um den jeweiligen Kenntnisstand abzugleichen war einer unserer Mitarbeiter zu einem Forschungsaufenthalt an der TU Delft mit konstruktiver Unterstützung durch das dortige Institut für Wasserbau und durch Rijkswaterstaat. Ziel war es, den jeweiligen Kenntnisstand abzugleichen, Wissensdefizite zu identifizieren und Strategien für eine gemeinsame zukünftige Forschung zu entwickeln.Es kristallisierte sich dabei schnell heraus, dass dringend ein standardisierter Leistungskatalog zur objektiven Bewertung der Grasnarbe benötigt wird. Ausgehend von den grundsätzlichen Erkenntnissen über die Eigenschaften von Grasnarben, insbesondere ihrer Festigkeit sowie den vorliegenden Ergebnissen von Erosionsversuchen, wird eine Versuchsanordnung entwickelt, mit der die Art der Erosion und die Erosionsrate in Abhängigkeit von Intensität und Dauer der Belastung einerseits und quantitativen Merkmalen der Durchwurzelung andererseits bestimmt werden kann.

4. Definition von Lastfällen und Sicherheiten

Die einzelnen Schädigungsformen des Deiches im Bemessungsfall sind hinsichtlich der Gesamtstandsicherheit nicht gleichgewichtig. So kann die Binnenböschung bei geringem Wellenüberlauf abrutschen, bevor die Erosion eine Größenordnung erreicht, die hinsichtlich des Bestandes der Abdeckung kritisch ist. Es ist zu erwarten, dass die Verhältnisse auf der Außenböschung genau umgekehrt sind. Hier ist das Abrutschen wegen der flacheren Böschungsneigung wahrscheinlich nicht bedeutsam, dafür aber die Erosion durch Wellenauflauf und Wellenrücklauf.Für praktisch relevante Parameterbandbreite wird ermittelt, unter welchen Bedingungen die einzelnen Schädigungsformen maßgebend werden. Die Ergebnisse dieses Arbeitsschritts werden dann zu Einwirkungskombinationen und Lastfällen zusammengefasst, zu denen dann auch die einzuhaltenden Sicherheiten definiert werden müssen.

Mit den Ergebnissen des Projektes ist eine konkrete Anleitung zur Bemessung von See- und Ästuardeichen verbunden. Der Vergleich zwischen hydrodynamischen Beanspruchungen und der materialspezifischen Widerstandsfähigkeit des zur Verfügung stehenden Bodens in Grenzzustandsgleichungen ermöglicht sowohl die Optimierung von Deichneubauten als auch die Beurteilung bestehender Deiche hinsichtlich ihres Sicherheitsstandards, was Grundlage für die langfristige Planung im Insel- und Küstenschutz ist und somit die Erstellung von Prioritätskatastern des zukünftigen Bedarfs an Verstärkungen ermöglicht. Gerade vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels liefert der Ansatz erheblich belastbarere Planungsgrundlagen bei der Entwicklung von entsprechenden Anpassungsstrategien als bisher verfügbar. Herauszuheben ist die grundsätzliche methodische Unabhängigkeit des Bemessungsverfahrens von den jeweiligen Einwirkungen und Bodenarten.Diese Seite wird im weiteren Verlauf des Projektes regelmäßig mit den aktuellen Bearbeitungsinhalten und Teilergebnissen ergänzt. Über Anregungen oder Erfahrungsberichte zu den genannten Themenschwerpunkte würden wir uns freuen. Unsere Kontaktdaten finden Sie hier.

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., Richwien, W. (2006):
Die Bemessung der Außenböschung von Seedeichen - Ein Ansatz zur Optimierung der bindigen Abdeckung, In: HANS 143 (2006), Heft 11, S. 74 - 77

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-Covering 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 (2003):
Die Widerstandsfähigkeit von Seedeichbinnenböschungen gegenüber ablaufendem Wasser. Mitteilungen aus dem Fachgebiet Grundbau und Bodenmechanik, Universität Duisburg-Essen, Hrsg.: Prog. Dr.-Ing. W. Richwien, Verlag Glückauf GmbH, Essen

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