Auskolkungen an pfahlartigen Bauwerksgründungen

Hennef. Die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) hat den Entwurf des Merkblatts DWA-M 529 „Auskolkungen an pfahlartigen Bauwerksgründungen“ vorgelegt, der hiermit zur öffentlichen Diskussion gestellt wird.

In Fließgewässern und in küstennahen Bereichen sowie Offshore werden Bauwerke gegründet, die der Strömung ausgesetzt sind. An der Bauwerksgründung kann es durch die Strömung zu lokalen Erosionen, den sogenannten Auskolkungen kommen. Dabei wird im Bereich der Bauwerksgründung die Gewässersohle erodiert. Bei der Planung der Bauwerksgründung stellt sich zumeist die Frage nach der maximalen Tiefe und der maximalen Ausdehnung der Auskolkungen, um bautechnisch diesen Auskolkungen vorbeugen zu können, beispielsweise durch eine Gründung, die tiefer ausgelegt wird, als die maximale Kolktiefe.

Da die physikalischen Prozesse bei der Interaktion zwischen Strömung, Sediment und Bauwerk noch nicht abschließend verstanden sind, ist die Prognose der zu erwartenden Auskolkungsprozesse nach wie vor mit Unsicherheiten behaftet und die in der Literatur verfügbaren Berechnungsverfahren führen zum Teil zu stark abweichenden Ergebnissen.

Der vorliegende Merkblattentwurf legt den Schwerpunkt auf die pfahlartigen Bauwerksgründungen, da diese den größten Teil der Bauwerksgründungen in Fließgewässern, küstennahen Bereichen und Offshore umfassen.

Pfahlartige Bauwerksgründungen wie z. B. Brückenpfeiler, Pierpfeiler, Gründungsstrukturen von Windkraftanlagen sowie Dalben stellen im Fluss, im Ästuar und Offshore ein Fließhindernis dar, an dessen Sohle es zu lokalen Erosionen, den sog. Auskolkungen (engl. scour) kommen kann. Die Auskolkungen können beträchtliche Größenordnungen erreichen und führen oftmals zu Beschädigungen, oder sogar zur Zerstörung des Bauwerks.

Die Auskolkungen entwickeln sich in Abhängigkeit der Geometrie der pfahlartigen Bauwerksgründung und der jeweiligen hydraulischen und sedimentologischen Einflussgrößen recht unterschiedlich.

Für die Bemessung der Gründung des Bauwerks stellt sich dem planenden Ingenieur zumeist die Frage nach der maximalen Tiefe und der Ausdehnung, z.T. auch nach der zeitlichen Entwicklung des Kolklochs. Zur Berechnung der Auskolkungen liegt eine Vielzahl von Gleichungen vor. Jedoch zeigen Vergleichsrechnungen, dass die Prognose - insbesondere die Prognose der maximalen Kolktiefe - mit erheblichen Unsicherheiten behaftet ist.

Ursache für die erheblichen Unsicherheiten sind u. a. die zahlreichen Einflüsse, die auf den Kolkvorgang einwirken. So wird die Kolktiefe wesentlich von den hydraulischen und sedimentologischen Randbedingungen, aber auch von den Pfahlabmessungen, der Form des Pfahls und der Anströmung auf den Pfahl, beeinflusst. In den zahlreichen Berechnungsansätzen werden diesen verschiedenen Einflussgrößen unterschiedliche Bedeutungen zugeordnet, was sich darin zeigt, dass verschiedene Kennzahlen zur Beschreibung des Kolkprozesses verwendet werden. Der Merkblattentwurf führt die für den Planungsprozess, wie auch für die Unterhaltung und die Sanierung von pfahlartigen Bauwerken maßgeblichen Erkenntnisse zusammen. Es werden Berechnungsverfahren für die Kolkbildung im Binnen- und im Küstenbereich erläutert. Dabei wird ein Schwerpunkt auf die Berechnung

• der maximalen Tiefe der Auskolkung

• des zeitlichen Verlaufs der Auskolkung

• der Lage und Ausdehnung der Auskolkung

gelegt. Insbesondere die Prognose der maximalen Kolktiefe ist von großer Bedeutung, da sie die Gründung des Bauwerks maßgeblich beeinflusst. Vorgestellt wird ein Berechnungsverfahren, mit dem die Prognose der maximale Kolktiefe unter Berücksichtigung lokaler Randbedingungen erfolgen kann. Das Berechnungsverfahren umfasst die häufigsten in der Praxis anzutreffenden Einsatzgebiete für pfahlartige Gründungsstrukturen. Die zahlreichen auf den Auskolkungsprozess einwirkenden Einflussgrößen werden systematisch erfasst und im Berechnungsverfahren berücksichtigt. Weiterhin werden Berechnungsverfahren für die zeitliche Entwicklung des Kolkvorgangs vorgestellt sowie Einschätzungsmöglichkeiten für die Abmessungen des zu erwartenden Kolkes gegeben. Die Berechnungsverfahren und -ansätze werden in Beispielrechnungen erläutert, um die z.T. komplexen Rechengänge nachvollziehen zu können.

Zeigen die Berechnungen, dass mit einer Gefährdung des Bauwerks zu rechnen ist, so wird empfohlen eine Bemessung von Kolkschutzmaßnahmen vorzunehmen. Es werden Empfehlungen

• zum Aufbau und zur Dimensionierung des Kolkschutzes

• zur Lage und Ausdehnung des Kolkschutzes

• zur Ausführung des Übergangsbereichs

aufgezeigt. Schwerpunkt der Ausführung ist die Anwendung von unverklammerten und verklammerten Steinschüttungen. Ausführungsbeispiele von Kolkschutzmaßnahmen werden exemplarisch dargestellt.

Die Überwachung pfahlartiger Bauwerksgründungen ist mit erheblichem Aufwand verbunden, da das Bauwerk und insbesondere der Gründungsbereich zumeist nicht ohne Schwierigkeiten einsehbar und damit überwachbar sind. Ein Monitoring ist im Binnenbereich derzeit oftmals nicht, oder nur in Einzelfällen vorgesehen während im Offshore Bereich regelmäßige Prüfungen durchgeführt werden. Im vorliegenden Merkblattentwurf werden auf Grundlage von zusammengeführten Erkenntnissen auch Empfehlungen für ein Monitoring gegeben.

Die DWA-Arbeitsgruppe WW-2.7 „Auskolkungen an Bauwerken“ (Sprecher Prof. Dr.-Ing. Bernd Ettmer) im DWA-Fachausschuss WW-2 „Morphodynamik der Binnen- und Küstengewässer“ des DWA-Hauptausschusses „Wasserbau und Wasserkraft“ (HA WW) möchte mit diesem vorliegenden Merkblatt dem planenden Ingenieur eine Hilfestellung bei der Planung der Bauwerksgründung und ihm eine Auswahl geeigneter Verfahren und Ansätze aus der zumeist englischsprachigen Literatur an die Hand geben.

Frist zur Stellungnahme: Das Merkblatt DWA-M 529 wird bis zum 31. Januar 2019 öffentlich zur Diskussion gestellt. Hinweise und Anregungen erbittet die DWA schriftlich, möglichst in digitaler Form, an Dipl.-Geogr. Georg Schrenk, schrenk@dwa.de.

Für den Zeitraum des öffentlichen Beteiligungsverfahrens kann der Entwurf kostenfrei im DWA-Entwurfsportal (www.dwa.de/dwadirekt) eingesehen werden. Dort ist auch eine digitale Vorlage zur Stellungnahme hinterlegt. Im DWA-Shop ist er als Printversion oder als E-Book im PDF-Format erhältlich.

November 2018, 68 Seiten, ISBN 978-3-88721-653-5, Ladenpreis: 79,50 Euro, fördernde DWA-Mitglieder: 63,60 Euro

Herausgeber und Vertrieb: DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., Theodor-Heuss-Allee 17, 53773 Hennef, Tel. 02242/872-210, Fax: 02242/872-184 , E-Mail: info@dwa.de, DWA-Shop: www.dwa.de/shop