Merkblatt DWA-M 529 – Auskolkungen an pfahlartigen Bauwerksgründungen

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.

Das vorliegende Merkblatt legt den Schwerpunkt auf die pfahlartigen Bauwerksgründungen, da diese den größten Teil der Bauwerksgründungen in Fließgewässern, küstennahen Bereichen und Offshore umfassen. Pfahlartige Bauwerksgründungen wie zum Beispiel 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 sogenannten 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 von 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, zum Teil 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 unter anderem 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 Einflussgrößen unterschiedliche Bedeutungen zugeordnet, was sich darin zeigt, dass verschiedene Kennzahlen zur Beschreibung des Kolkprozesses verwendet werden.

Das Merkblatt 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 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 Kolks gegeben. Die Berechnungsverfahren und -ansätze werden in Beispielrechnungen erläutert, um die zum Teil 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 Merkblatt werden auf Grundlage von zusammengeführten Erkenntnissen auch Empfehlungen für ein Monitoring gegeben.

Die DWA-Arbeitsgruppe WW-2.7 „Auskolkungen an pfahlartigen Bauwerksgründungen“ (Sprecher: Prof. Dr.-Ing. Bernd Ettmer) im DWA-Fachausschuss WW-2 „Morphodynamik und Sedimentmanagement“ des DWA-Hauptausschusses „Wasserbau und Wasserkraft“ möchte mit diesem 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.

Merkblatt DWA-M 529 „Auskolkungen an pfahlartigen Bauwerksgründungen“, März 2021, 67 Seiten, ISBN 978-3-96862-066-4, Ladenpreis: 96,50 Euro, fördernde DWA-Mitglieder 77,20 Euro

 

Veranstaltungshinweis

Zum Thema „Auskolkungen an pfahlartigen Bauwerksgründungen“ veranstaltet die DWA im Mai 2021 ein WebSeminar.

Kontakt:

Himani Karjala, Tel. 0 22 42/872-244, E-Mail: karjala@dwa.de