Die Gefahr von Erosion durch den Schiffsverkehr in der vielbefahrenen Wasserstraße ist hoch. Eine genaue Kategorisierung zeigt, wie nötig vielerorts eine Deckschicht ist.
Die Klassifizierung der schiffsbedingten Erosionsgefahr am Nord-Ostsee-Kanal brachte hervor, dass etwa 80 % des Kanalbettes erheblich gefährdet sind. Die[ds_preview] Schubspannung und der Porenwasserdruck wurden in drei Grenzzuständen abgebildet, woraus eine Gefahrenklassifizierung abgeleitet wurde. Die dabei auf Basis des Fließgesetzes von Manning-Strickler ermittelten zulässigen Rückstromgeschwindigkeiten wurden in Form von Sohlschubspannungen ausgedrückt und mithilfe von Massentransportformeln der Sedimentbewegung in eine Erosionsmengenermittlung überführt.
1. Nord-Ostsee-Kanal
Der Nord-Ostsee-Kanal (NOK) gilt als die meist befahrene künstliche Wasserstraße der Welt. Sie verbindet die Nordsee mit der Ostsee auf einer Strecke von 98,7 km durch das Bundesland Schleswig-Holstein (Abb. 1). Verwaltet wird der Kanal durch die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Beim Wasser- und Schifffahrtsamt (WSA) Kiel-Holtenau wurde 2008 die Planungsgruppe für den Ausbau des NOK mit verschiedenen Projekten beauftragt, um das Transportpotenzial zu erhöhen und gleichzeitig die Erosionsstabilität trotz intensiverer Nutzung des Kanals zu gewährleisten. Die Böschungen des NOK sind i. d. R. im Bereich der Wasserlinie, d. h. einen Meter oberhalb und zwei Meter unterhalb des Ruhewasserspiegels mit einem Deckwerk versehen. Der darunterliegende Böschungsbereich besteht weitgehend aus ungeschütztem natürlich anstehenden Boden.
Im Rahmen der Voruntersuchungen zur Vertiefung des NOK wurde zunächst eine Klassifizierung der schiffsbedingten Erosionsgefahr erarbeitet. Später wurden die daraus gewonnenen Erkenntnisse bezüglich der Schubspannungsüberschreitung in eine Ermittlung der Erosionsmengen übertragen. Nach Analyse der verfügbaren Unterlagen über den anstehenden Boden, die Deckwerke, die bisherigen Erosionsschutzmaßnahmen und die Wechselwirkung von Schiff und Wasserstraße aus Messungen der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) vom November 1998 am Kanalkilometer (Kkm) 26,02 (BAW 1998: Naturuntersuchungen zur schiffserzeugten Belastung bei km 26,02. Hamburg: Eigenverlag, 1998.) wurden für das weitere Vorgehen die bemessungsrelevanten maximalen schiffsbedingten Belastungen und anzunehmenden Bodenarten herausgefiltert.
Als Maximalwerte bei zulässigen Fahrsituationen wurde eine Rückstromgeschwindigkeit von vR = 1,5 m/s, ein Wasserspiegelabsunk von za = 1,0 m sowie eine zugehörige Wellenhöhe von H = 1,1 m festgelegt (Eiffert, F.: Klassifizierung der schiffsbedingten Erosionsgefährdung im Nord-Ostsee-Kanal. Bachelor-Thesis an der Hochschule Wismar, 2010 (unveröffentlicht).). Der Baugrund des NOK wurde analog zu einer vorhergehenden Studie bezüglich der Vertiefungsvarianten für die Fahrrinne in vier Teilbereiche je Querprofil geteilt (Abb. 2). Die dabei auftretenden Bodenarten wurden längs des NOK in
entsprechende Bereiche unterteilt und zu den Arten enggestufter Feinsand, weitgestufter Mittelsand, Torf, Mergel und Klei zusammengefasst (Tab. 1). Der NOK wird wegen der verschiedenen Querschnittsgrößen in die Weststrecke von Kkm 5 bis 78 mit einer Sohlenbreite von 90 m und die Oststrecke von Kkm 78 und 98 mit einer Sohlenbreite von 44 m geteilt.
2. Klassifizierung
Ein vereinfachter Ansatz zur Ermittlung der Überschreitung der Grenzspannung durch die mittlere Fließgeschwindigkeit wurde hergeleitet. Darin wird die Rückstromgeschwindigkeit als vertikal und horizontal homogen verteilte Fließgeschwindigkeit angenommen. Ihr gegenüber wurde mittels des Fließgesetzes von Manning-Strickler die nach DIN 19661-2 (DIN 19661-2: Richtlinien für Wasserbauwerke; Sohlenbauwerke – Abstürze, Absturztreppen, Sohlenrampen, Sohlengleiten, Stützschwellen, Grundschwellen, Sohlenschwellen. Berlin: Beuth-Verlag, 2000.) aufnehmbare Sohlschubspannung für die jeweilige Bodenart in einen Grenzwert der Fließgeschwindigkeit umgerechnet. Unter Einbeziehung der Böschungsneigung wurde somit jeder Bodenart je ein Grenzwert der aufnehmbaren Fließgeschwindigkeit für die Kanalsohle und die Kanalböschungen zugeordnet. An den Böschungen spielt weiterhin der Porenwasserüberdruck aufgrund des Wasserspiegelabsunks eine Rolle, da dieser als aus der Böschung heraus gerichteter Strömungsdruck die Erosion begünstigt. Nach den Bemessungsregeln für Deckwerke an Binnenwasserstraßen (GBB 2004) (Goris, A.: Schneider Bautabellen für Ingenieure. Neuwied: Werner Verlag, 2006.) soll dieser Strömungsdruck durch ein entsprechend großes Flächengewicht des Deckwerks überdrückt werden.
2.1. Strömungsangriff
Zur Vorbemessung im Fluss- und im landwirtschaftlichen Wasserbau sowie in der Flurbereinigung sind in DIN 19661-2 (DIN 19661-2: Richtlinien für Wasserbauwerke; Sohlenbauwerke – Abstürze, Absturztreppen, Sohlenrampen, Sohlengleiten, Stützschwellen, Grundschwellen, Sohlenschwellen. Berlin: Beuth-Verlag, 2000.) Grenzschubspannung für verschiedene Böden angegeben. Für die am Kanal anstehenden Bodenarten sind die in Tab. 1 angegebenen Werte 0 festgelegt worden. Nach DIN 19661-2 (DIN 19661-2: Richtlinien für Wasserbauwerke; Sohlenbauwerke – Abstürze, Absturztreppen, Sohlenrampen, Sohlengleiten, Stützschwellen, Grundschwellen, Sohlenschwellen. Berlin: Beuth-Verlag, 2000.) wird das Ausbaugefälle abhängig von der Grenzschleppspannung des jeweiligen Bodenmaterials bemessen.
Da der NOK kein Sohlgefälle aufweist, wird über die Fließformel nach Manning-Strickler die Fließgeschwindigkeit eingeführt und die maßgebende schiffsbedingte Strömungsgeschwindigkeit, also die maßgebliche Rückstromgeschwindigkeit in der weiteren Betrachtung, als querschnittsgemittelte Fließgeschwindigkeit angesehen. Weiterhin wird das Energieliniengefälle in der Fließformel gleich dem Sohlgefälle gesetzt. Die Rauheit und der hydraulische Radius sind für den jeweils betrachteten Gewässerquerschnitt etwa konstant. Es entsteht in Gl. (1) ein Ausdruck für die zulässige Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Grenzschleppspannung des Sohlenmaterials (Eiffert, F.: Klassifizierung der schiffsbedingten Erosionsgefährdung im Nord-Ostsee-Kanal. Bachelor-Thesis an der Hochschule Wismar, 2010 (unveröffentlicht).).
Wegen der zusätzlichen destabilisierenden Wirkung des Bodeneigengewichts an einer geneigten Oberfläche muss die Grenzspannung für die Böschungen abgemindert werden. Zur Umrechnung der Grenzspannung an der Gerinnesohle in den entsprechenden Wert am Ufer wurde in Gl. (2) der Zusammenhang gemäß Goris (Goris, A.: Schneider Bautabellen für Ingenieure. Neuwied: Werner Verlag, 2006.) eingeführt (Eiffert, F.: Klassifizierung der schiffsbedingten Erosionsgefährdung im Nord-Ostsee-Kanal. Bachelor-Thesis an der Hochschule Wismar, 2010 (unveröffentlicht).).
Im Verhältnis der maßgebenden Fließgeschwindigkeit vR zur zulässigen Grenzschubspannungsgeschwindigkeit vzul werden die Gefährdungsfaktoren »GF_Strömung« festgelegt, die je nach Verhältnis vR zu vZul das Auftreten von Erosion als wahrscheinlich abbilden (Tab. 2). Die Ergebnisse dieses vereinfachten Ansatzes zeigen, dass die Böden Klei, Torf, weitgestufter Sand und enggestufter Feinsand vom Rückstrom mit einer Geschwindigkeit von 1,5 m/s erodiert werden. Mergel ist dagegen nicht erosionsgefährdet. Sowohl in der West- als auch in der Oststrecke ergibt sich aus den hier geführten Berechnungen die Erosion der gleichen Bodenarten.
2.2. Wasserspiegelabsunk
Nach GBB 2004 (BAW Mitteilungsblatt Nr. 87: Grundlagen zur Bemessung von Böschungs- und Sohlensicherungen an Binnenwasserstraßen (GBB 2004). Karlsruhe: Eigenverlag, 2004.) kann mittels Gl. (3) ein für die Gewährleistung der Standsicherheit bei schnellem Wasserspiegelabsunk nötiges Flächengewicht einer Deckschicht errechnet werden. Ergibt sich für die gewählten Bodenkennwerte ein positives Flächengewicht, wird der Einfluss des Porenwassers nicht durch die vorhandene Kohäsion kompensiert. In Abhängigkeit von der Erfordernis einer Auflast entsprechend dem Flächengewicht gergeben sich die Gefährdungsfaktoren »GF_Deckschicht«, die als Bewertung für die Absunkbelastung in die Klassifizierung eingehen (Tab. 3). Die Berechnung des Flächengewichtes zeigt, dass für die Böden Klei und enggestufter Feinsand eine Deckschicht nötig ist, welche die obere Bodenschicht vor dem Abheben durch Porenwasserüberdruck sichert.
2.3. Klassenbildung
Die Gefährdungsklassen GK werden aus den beiden Einflussfaktoren entwickelt. Dabei wird getrennt für die Nord- und die Südseite analog zur festgelegten Bodeneinteilung vorgegangen. Es entstehen durch verschiedene Kombinationen die folgenden sechs Gefährdungsklassen (GK) je Kanalseite:
GK 0 Keiner der betrachteten Gefährdungsfaktoren beschreibt einen destabilisierenden Einfluss.
GK 1 GF_Strömung beschreibt für den Boden der Kanalsohle einen destabilisierenden Einfluss.
GK 2 GF_Strömung beschreibt für den Boden der Kanalböschung einen destabilisierenden Einfluss.
GK 3 GF_Strömung beschreibt für den Boden der Kanalsohle und der Böschung jeweils einen destabilisierenden Einfluss.
GK 4 GF_Strömung und GF_Deckschicht beschreiben für den Boden der Kanalböschung jeweils einen destabilisierenden Einfluss.
GK 5 GF_Strömung beschreibt für den Boden der Kanalsohle und der Böschung jeweils einen destabilisierenden Einfluss. Zusätzlich beschreibt GF_Deckschicht für den Boden der Kanalböschung einen destabilisierenden Einfluss.
3. Erosionsmengen
Die in der Klassifizierung verwendeten Grenzspannungswerte wurden durch Umstellen der bereits verwendeten Gleichungen den aus Rückstrom auftretenden Fließgeschwindigkeiten gegenübergestellt. Dabei wurde das Fließgesetz nach Darcy-Weisbach zum Vergleich mit dem Ansatz nach Manning-Strickler herangezogen. Für die Berechnungen sind charakteristische Korndurchmesser nötig, die aus Sieblinien abgeleitet wurden. Die Ermittlung der Erosionsmengen wurde durch die Verwendung der Geschiebetransportformel von Zanke [7] abgebildet. Der Ansatz definiert die Geschiebetransportmenge im Wesentlichen über das Verhältnis von auftretender zu aufnehmbarer Schubspannung und gibt an, welche Bodenmasse mG in Kilogramm je Meter Breite und Sekunde Überströmzeit bewegt werden.
Die Massentransportformel ergab daraufhin bei 100 gleichförmigen Schiffsüberfahrten je nach zugrunde gelegtem Fließgesetz Erosionsmengen bis zu einer Größe von 0,00363 m³/m bzw. von 0,00057 m³/m [2]. Weiterhin wurde ein 2 km langer Abschnitt des Kanals genauer betrachtet. Aus diesem Beispielabschnitt lagen mehrere Bodenerkundungen vor, die es ermöglichten, die dimensionslose kritische Schubspannung nach Zanke (Zanke, U.: Hydromechanik der Gerinne und Küstengewässer. Berlin: Parey Buchverlag, 2002.) (Abb. 3) zu verwenden, um die Erosionsmenge allein aus den vom WSA Kiel-Holtenau zur Verfügung gestellten Sieblinien zu errechnen. Die Massentransportformel ergab daraufhin bei 100 gleichförmigen Schiffsüberfahrten mit einer jeweiligen Dauer von 72 s je nach zugrunde
gelegtem Fließgesetz Erosionsmengen bis zu einer Größe von 2,83 m³/m bzw. 18,99 m³/m (Eiffert, F.: Quantifizierung der schiffsbedingten Erosionsgefährdung von Sohle und Böschung an Seewasserstraßen. Master-Thesis an der Hochschule Wismar, 2012 (unveröffentlicht).).
Im Beispielabschnitt wurde zusätzlich aus drei aufeinanderfolgenden Fächerecholotpeilungen die Höhendifferenz infolge des Bodenabtrags computergestützt ermittelt und als Erosionsmenge mit bis zu 0,46 m³/m² (Eiffert, F.: Quantifizierung der schiffsbedingten Erosionsgefährdung von Sohle und Böschung an Seewasserstraßen. Master-Thesis an der Hochschule Wismar, 2012 (unveröffentlicht).) im halben Jahr zum Vergleich herangezogen. Der Vergleich zwischen der Betrachtung eines halbjährigen und ganzjährigen Zeitraumes zeigt jedoch, dass die maximale Differenz bei Betrachtung eines ganzen Jahres mit 0,38 m³/m² (Eiffert, F.: Quantifizierung der schiffsbedingten Erosionsgefährdung von Sohle und Böschung an Seewasserstraßen. Master-Thesis an der Hochschule Wismar, 2012 (unveröffentlicht).) geringer ist als die für das halbe Jahr.
4. Ergebnisse
Die Auswertung der Streckenanteile nach Gefährdungsklassen (Tab. 4) brachte hervor, dass mehr als 80 % der gesamten ungesicherten Strecke des NOK den schiffsbedingten Belastungen nicht dauerhaft standhalten können. Besonders deutlich wird, dass für mehr als 40 % der Kanalstrecke eine Deckschicht mit einem Flächengewicht von etwa 6,6 kN/m² nötig ist, um den Einfluss von Porenwasserüberdruck in den Böschungen aus Klei und Feinsand auszugleichen.
Die Berechnungen der Erosionsmengen auf Basis derselben Bodeneinteilung wie in der Klassifizierung sowie die Berechnungen im Beispielabschnitt auf Basis der dort tatsächlich angetroffenen Sieblinien zeigen im Vergleich mit der Auswertung der Peildaten kein eindeutiges Ergebnis hinsichtlich einer analytisch richtig ermittelten Erosionsmenge. Die berechneten Erosionsmengen nehmen stark ab, wenn die Anzahl der Überfahrten mit der zugrunde gelegten Rückstromgeschwindigkeit von 1,5 m/s reduziert wird.
Die Zahl der Schiffe, die diese Rückstromgeschwindigkeit erreichen, liegt im NOK bei ca. 19 Schiffen pro Jahr. Denkbar ist deshalb, dass die Berechnung der Belastungen aufgrund verschieden großer Schiffe in Kombination mit einer fraktionellen Einteilung von Bodenarten Ergebnisse liefern könnte, die den real bewegten Bodenmengen entsprechen.
5. Diskussion
Das Verfahren der Klassifizierung nach Gefährdungsklassen sei nachvollziehbar, wie die BAW (BAW 2010: Anmerkungen der BAW gegenüber dem WSA Kiel-Holtenau bezüglich [Eiffert, F.: Klassifizierung der schiffsbedingten Erosionsgefährdung im Nord-Ostsee-Kanal. Bachelor-Thesis an der Hochschule Wismar, 2010 (unveröffentlicht).], 2010 (unveröffentlicht).) die vorgelegte Klassifizierung gegenüber dem WSA Kiel-Holtenau kommentierte, die Idee eines vereinfachten Ansatzes aus dem Bereich der stationären Strömung zur Abschätzung der Grenzschleppspannung entspreche aber in keiner Weise den instationären Randbedingungen einer schiffserzeugten Belastung.
Dementgegen steht erstens, dass die gerade für eine Quantifizierung der Erosionsmengen nötige Ermittlung der an Sohle und Böschungen auftretenden bzw. der dort von natürlichen Böden aufnehmbaren Schubspannung nach Eiffert (Eiffert, F.: Quantifizierung der schiffsbedingten Erosionsgefährdung von Sohle und Böschung an Seewasserstraßen. Master-Thesis an der Hochschule Wismar, 2012 (unveröffentlicht).) in einer Größenordnung von Zehnerpotenzen schwankt. Zweitens werden derzeit die Deckwerke an Bundeswasserstraßen unter anderem gegen Rückstrombelastungen ebenfalls auf Basis der stationären Fließgeschwindigkeit infolge der Kontinuitätsgleichung bemessen. Naheliegend ist deshalb zunächst zu betrachten, welche Parameter die Belastungsgrößen Rückstrom und Absunk sowie die Bemessungswellenhöhe in welchem Maße beeinflussen.
Hinweis
Bei diesem Beitrag handelt es sich um die Kurzfassung der Bachelor- und Masterarbeit des Erstautoren, dem ein Promotionsstipendium in solitären Fächern des Landes Mecklenburg-Vorpommern gemäß LGFG-MV gewährt wurde, um einen probabilistischen Bemessungsansatz zur Sicherung von Sohle und Böschungen an Bundeswasserstraßen zu entwickeln.
Autoren:
Fabian Eiffert, M. Eng.
Wismar, fabian.eiffert@hs-wismar.de
Prof. Dr.-Ing. Olaf Niekamp
olaf.niekamp@hs-wismar.de
beide Fachbereich Bauingenieurwesen –
Wasserbau und Hydromechanik,
Hochschule Wismar
Philipp-Müller-Str. 14, 23966 Wismar
Dipl.-Ing. Sönke Meesenburg
Planungsgruppe Ausbau NOK
Wasser- und Schifffahrtsamt Kiel-Holtenau
Schleuseninsel 2, 24159 Kiel
soenke.meesenburg@wsv.bund.de
Fabian Eiffert, Olaf Niekamp, Sönke Meesenburg
