Als vorbereitende Maßnahme zur Durchführung der Fahrrinnenanpassung in der Elbe wurden durch das WSA Cuxhaven Unterwasserhindernisse erkundet. Von Harald Windhausen, Melanie Wiegmann und Bernhard Meyer (Teil 1)
Im Anschluss an die geophysikalische Erkundung der Unter- und Außenelbe erfolgte die Entfernung der als relevant bewerteten Hindernisse. Der Beitrag[ds_preview] zur Baufeldräumung erscheint in der kommenden Ausgabe der HANSA.
Veranlassung
Die geplante Fahrrinnenanpassung in der Elbe ist ein Projekt der Wasser- und Schifffahrtsämter Cuxhaven und Hamburg sowie der Hamburg Port Authority (HPA). Vorgesehen ist hierbei, die bestehende Fahrrinne zu vertiefen und in Teilabschnitten zu verbreitern, um die Befahrbarkeit für neue große Containerschiffe auf dieser Wasserstraße zu ermöglichen. Es ist geplant, die Ausbaubaggerungen mit Laderaumsaugbaggern durchzuführen. Befinden sich feste Hindernisse im abzubaggernden Sediment, führt dies zu starken Beschädigungen an der Saugvorrichtung der Laderaumsaugbagger.
Die Elbe zwischen Cuxhaven und Hamburg ist eine seit Jahrhunderten dicht befahrene Wasserstraße. Starke Strömungen, tidebeeinflusste Wasserstände sowie ein besonders veränderliches Gewässerbett machen diesen Strom zu einem nautisch anspruchsvollen Revier. Aus diesem Grund sind im Laufe der Zeit zahlreiche Schiffe diesen und anderen Umständen zum Opfer gefallen. Naturgemäß traten die meisten dieser Ereignisse im Bereich der Fahrrinne auf. Sank ein Schiff in einem verkehrlich genutzten Bereich, in dem aber die natürliche Gewässersohle erheblich tiefer lag als die garantierte Fahrrinnentiefe, war es aus Gründen der Verkehrssicherungspflicht nicht zwingend erforderlich, dieses zu entfernen. In der Vergangenheit fehlten dafür ohnehin auch oftmals die technischen Möglichkeiten. So haben sich im Laufe der Jahre eine Vielzahl von Unterwasserhindernissen angesammelt.
Die Gewässersohle selbst zeichnet sich durch eine Dünenstruktur aus, die durch Suspensions- und Sedimentationsprozesse in ständiger Bewegung ist. Objekte, die sich in einem Dünental der Gewässersohle befinden, können durch die Bewegung der Dünenstruktur mit der Zeit vollständig mit Sediment überdeckt werden (Abb. 1).
Geophysikalische Untersuchung
Im Jahr 2011 wurde vom Wasser- und Schifffahrtsamt (WSA) Cuxhaven eine geophysikalische Erkundung von Unterwasserhindernissen in der Unter- und Außenelbe geplant und beauftragt. Hierbei wurden 31 Unterwasserhindernisse untersucht (Abb. 2), von denen angenommen wurde, dass sie zu Beeinträchtigungen der Ausbaubaggerungen führen können. Die Ausführung erfolgte noch im selben Jahr durch die Firma G-Tec, in Zusammenarbeit mit der Firma Melchior und Wittpohl.
Untersuchungsziel
Ziel der geophysikalischen Untersuchung war eine möglichst detaillierte Beschreibung der Unterwasserhindernisse zur Vorbereitung einer Baufeldräumung. Hierzu war es erforderlich, zu ermitteln, welche Objekte tatsächlich in das geplante Sollprofil der Fahrrinnenanpassung hineinragten und bei der Durchführung zu Beeinträchtigungen führen würden.
Für die relevanten Objekte sollten durch die geophysikalische Erkundung möglichst präzise Informationen über Position, Tiefe, Abmessungen, Masse und Material ermittelt werden. Außerdem war es erforderlich, das Volumen des für eine Entfernung der Objekte freizulegenden Sediments zu bestimmen.
Untersuchungsverfahren
Um ein möglichst genaues Bild über die Hindernissituation zu erhalten und um eine möglichst präzise Beschreibung für die Vergabe ihrer anschließenden bautechnischen Beseitigung zu ermöglichen, wurden im Rahmen der Untersuchung verschiedene Verfahren kombiniert:
Magnetometrie
Mithilfe von Magnetometern können feinste Abweichungen im Magnetfeld der Erde gemessen werden. Diese Abweichungen werden zumeist hervorgerufen durch ferromagnetische Strukturen, die sich im Untergrund befinden. Mittels magnetometrischer Messungen können Eisen- und Stahlobjekte, die sich auf der Gewässersohle oder unter dem Sediment verborgen befinden, mit relativ großer Genauigkeit in ihrer Lage und Ausdehnung bestimmt werden. Darüber hinaus ist es möglich, anhand der Stärke des Messsignals eine Massenabschätzung für die detektierten Objekte zu treffen.
Seismik/Sedimentecholot
Bei den Untersuchungsverfahren Seismik und Sedimentecholot werden akustische Signale auf den Meeresboden abgestrahlt. Bei der seismischen Messung erfolgt diese Abstrahlung durch einen hinter dem Messschiff hergezogenen akustischen Signalgeber. Reflektierte Signale werden durch eine kurze, ebenfalls nachgeschleppte Hydrophonkette aufgenommen (Abb. 3). Beim Sedimentecholot bilden Sender und Empfänger eine fest am Schiffsrumpf montierte Einheit.
Die ausgesendeten akustischen Signale dringen durch die Wassersäule und, abhängig von der Dämpfung, bis zu 20 m weit in das Sediment des Gewässerbetts ein. Die akustischen Signale werden zum Teil von Schichtgrenzen oder Hindernissen reflektiert. Allgemein gilt dabei: Je härter ein Material ist, umso besser wirkt es als Reflektor für Schallwellen. Die reflektierten Signale werden durch einen Empfänger registriert. Die Tiefe des Reflexionshorizontes wird dann anhand der Rücklaufzeiten ermittelt.
Sind in weichem Sediment harte Unterwasserhindernisse (z. B. aus Stahl) verborgen, können die Überdeckungshöhe und die Ausdehnung des Objektes mit diesen Verfahren bestimmt werden.
Seitensichtsonar (Side-Scan-Sonar)
Hierbei handelt es sich um eine auf Ultraschall basierende Technik zur Ortung und Klassifizierung von Objekten im Wasser oder auf dem Grund von Gewässern. Mit Side-Scan-Sonar können Objekte geortet werden, die mit optischen Mitteln in trübem Wasser nicht aufzufinden sind. Als Ergebnis ergibt sich eine quasi optische Abbildung der Gewässersohle. Objekte, die sich auf oder oberhalb der Gewässersohle befinden, können mit diesem System erkannt und in ihrer Form und Lage dokumentiert werden.
Fächerecholot
Bei der Fächerecholotpeilung handelt es sich um ein akustisches Verfahren zur Messung der Entfernung zwischen Wasseroberfläche und Gewässersohle. Gemessen wird hierbei die Zeit zwischen Aussendung eines Ultraschallimpulses und der Ankunft der von der Gewässersohle reflektierten Schallwellen. Aus diesen Laufzeiten wiederum wird die Wassertiefe flächendeckend ermittelt.
Jedes der beschriebenen Verfahren liefert spezifische Informationen über die untersuchten Unterwasserhindernisse. Aus der magnetometrischen Untersuchung ergeben sich recht genaue Informationen über die Lage und die Größe eines Unterwasserhindernisses. Die seismische Untersuchung liefert Informationen darüber, wie tief ein Hindernis unter dem Sediment verborgen liegt. Die Fächerecholotmessung und die Seitensichtsonaraufnahmen liefern ein genaues Bild über die Bathymetrie und Oberflächenbeschaffenheit der Gewässersohle.
Werden die Informationen aus den unterschiedlichen Untersuchungsverfahren zusammengeführt, zeigt sich ein umfassendes Gesamtbild über die untersuchten Objekte. In den Abbildungen 4 bis 7 sind Ergebnisdarstellungen der unterschiedlichen Untersuchungsverfahren exemplarisch für jeweils dasselbe Untersuchungsobjekt dargestellt.
Auswertung und Interpretation der Messergebnisse
Nach Abschluss der Messungen führte der Auftragnehmer die Messergebnisse zusammen. Mithilfe der unterschiedlichen Parameter, die durch die Messungen gewonnen wurden, konnte eine genaue Lagebestimmung der Objekte vorgenommen werden.
Aufgrund der Ergebnisse der Magnetometrie wurde ein Umrisspolygon für jedes Objekt dargestellt, welches Lage und Ausdehnung des Unterwasserhindernisses beschreibt. Für jedes Objekt konnte eine Angabe zu Größe und Gewicht gemacht werden.
Anhand der zeitgleich durchgeführten Fächerecholotpeilungen wurde ermittelt, welche Menge an Sediment bewegt werden muss, um ein Unterwasserhindernis freizulegen. Aus diesen genannten Ergebnissen wurden die Ausschreibungsunterlagen für die Entfernung der relevanten Hindernisse (Baufeldräumung) erstellt.
Fazit
Die Vorplanung mit den hier dargestellten und angewandten Untersuchungs-methoden bot eine gute Grundlage für die Vergabe der Baufeldräumung, die Voraussetzung für die geplante Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe ist. Die in dieser gewählten Reihenfolge angewandten Methoden verdichteten das vergaberelevante Gesamtbild in idealer Weise.
Durch die gewonnenen Erkenntnisse konnte eine sehr genaue Ausschreibungsunterlage zur Entfernung der Unterwasserhindernisse (Baufeldräumung) erstellt werden. Die Bieter konnten somit ein genau zugeschnittenes Angebot anfertigen. Unwägbarkeiten und Risiken bei der Ausführung sowie die damit verbundenen Mehrkosten konnten sowohl auf Auftragnehmer- wie auf Auftraggeberseite minimiert werden.
Trotz des hohen Untersuchungsaufwandes unter Verwendung modernster Technik erwies sich die geophysikalische Erkundung von Unterwasserhindernissen in Unter- und Außenelbe als höchst wirtschaftliches Projekt. Durch die detaillierten Untersuchungsergebnisse stellten sich von den ursprünglich 31 untersuchten Unterwasserhindernissen nur elf als für die spätere Fahrrinnenanpassung relevant heraus.
Autoren:
Dipl.-Ing. Harald Windhausen
Dipl.-Ing. Melanie Wiegmann
LBDir. Dipl.-Ing. Bernhard Meyer
Wasser- und Schifffahrtsamt Cuxhaven
Am Alten Hafen 2, 27472 Cuxhaven
Tel.: 04721/567-300
bernhard.meyer@wsv.bund.de
Harald Windhausen, Melanie Wiegmann, Bernhard Meyer
