Pohl, Martin

Schüttrumpf, Holger

German

Hydraulic Engineering Repository

Conference Paper, Published VersionPohl, Martin; Schüttrumpf, HolgerSchiffserzeugte Belastungen von Ästuardeichen amBeispiel der ElbeDeutsche Beiträge. Internationaler Schifffahrtskongress (PIANC)Zur Verfügung gestellt in Kooperation mit/Provided in Cooperation with:PIANC DeutschlandVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/104891Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Pohl, Martin; Schüttrumpf, Holger (2006): Schiffserzeugte Belastungen von Ästuardeichenam Beispiel der Elbe. In: PIANC Deutschland (Hg.): Deutsche Beiträge. 31. InternationalerSchifffahrtskongreß; Estoril, Portugal, 14. - 18. Mai 2006. Bonn: PIANC Deutschland. S.195-200.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Seeschifffahrt, Seewasserstraßen und Seehäfen (2) Schiffserzeugte Belastungen von Ästuardeichen am Beispiel der Elbe   Seewasserstraßen, Seehafenzufahrten, Küsteningenieurwesen (2.2)   Schiffserzeugte Belastungen von Ästuar-deichen am Beispiel der Elbe  Dr.-Ing. Holger Schüttrumpf Bundesanstalt für Wasserbau, Dienststelle Hamburg  Dr.-Ing. Martin Pohl Bundesanstalt für Wasserbau, Dienststelle Hamburg   Einführung Schäden an Deichen, Uferdeckwerken, Buhnen und anderen Ufersicherungswerken können in Ästuaren im wesentlichen auf die Belastung durch Wasserstands-änderungen, Strömungen, Wind- und Schiffswellen zurückgeführt werden. Für die Bemessung dieser Bau-werke ist daher die Kenntnis der dynamischen Wech-selwirkungen zwischen hydraulischen Belastungen und geotechnischen Widerständen von Bedeutung. Ziel dieser Arbeit ist es, die dynamischen Wechselwirkun-gen zwischen den schiffsinduzierten hydraulischen Belastungen und den geotechnischen Widerständen auf der Grundlage von Naturmessungen und theoretischen Betrachtungen zu beschreiben. Ein Schwerpunkt wird dabei auf die schiffsin-duzierten Belastungen von Deichen gelegt. Schiffsinduzierte Belastungen von Bauwer-ken an Seeschifffahrtsstraßen gewinnen in Zusammenhang mit früheren und geplanten Ausbauvorhaben und den zunehmenden Schiffsgrößen an Bedeutung (Bild 1). Veranlassung für die Untersuchungen sind die aufgetretenen Deichsetzungen und Deck-werksschäden im Untersuchungsgebiet an der Unterelbe, für die vom verantwortlichen Unterhaltungsverband schiffsinduzierte Be-lastungen verantwortlich gemacht werden. Dies hat die Bundesanstalt für Wasserbau in Zusammenarbeit mit den Wasser- und Schiff-fahrtsämtern Cuxhaven und Hamburg veran-lasst, die Wirkung schiffserzeugter Belastun-gen auf den Deich im Altenbrucher Bogen an der Unterelbe zu untersuchen. Untersuchungsgebiet Lage Das Untersuchungsgebiet Altenbruch zwischen Cuxha-ven und Otterndorf befindet sich sowohl hinsichtlich der Windwellenbelastung, der Strömungsbelastung als auch der Schiffswellenbelastung in exponierter Lage (Bild 2). Der Abstand der Fahrrinne zum Deckwerk beträgt für den Messquerschnitt rd. 500 m.  Deichaufbau Das Deichsystem im Altenbrucher Bogen besteht aus einem Fußdeckwerk mit anschließender Verwallung, einem rd. 100 m breiten Vorland und dem anschließen-den Deich. Das Fußdeckwerk wurde mit einer Neigung von 1:3 bis auf NN +1,70 m sowie einer anschließen-den Verwallung bis auf rd. NN +2,50 m hergestellt. Das Deckwerk wurde aus Wasserbausteinen der Größen-klassen II und III auf einer 15 cm bis 20 cm starken Schotterschicht aufgebaut. Ein Geotextil ist nicht vor-handen. Das Deckwerk wurde im oberen Bereich als vergossenes Deckwerk und im unteren Bereich als geschüttetes Deckwerk ausgeführt. Das Vorland hat eine Geländehöhe zwischen 1,7 m und 2,3 m. Der Deich hat im Untersuchungsquerschnitt eine Kronenhö-he zwischen NN +8,60 m und NN +8,85 m (Bild 3). Bild 1: Containerschiff vor dem Deich im Altenbrucher Bogen Bild 2: Lageplan DeckwerkDeckwerkDeichDeich  Bild 3: Deich im Altenbrucher Bogen (Messquerschnitt) - 195 - Seeschifffahrt, Seewasserstraßen und Seehäfen (2) Schiffserzeugte Belastungen von Ästuardeichen am Beispiel der Elbe   Die Deiche bestehen aus einem Sandkern, der mit Klei abgedeckt ist. Örtlich wurde im Deichkern Klei angetrof-fen, der bei großer Mächtigkeit einem Altdeich zuzuord-nen ist. An der Deichbasis sowie im Deichvorland steht als obere Bodenschicht vorwiegend oberer Klei an, örtlich an der Deichbasis auch Sande. Im Liegenden folgen obere Sande, in denen lokal bindige Partien eingelagert sind. Die oberen Sande sind vom unteren Klei unterlagert. Örtlich ist von Sandeinlagerungen bzw. Durchbrüchen im unteren Klei auszugehen. Die unter-ste erkundete Bodenschicht bilden die unteren Sande (Bild 4).  Messaufbau Zur Ermittlung tide- und schiffswelleninduzierter Poren-wasserdruckänderungen wurden im Deich und Deich-untergrund insgesamt 15 Porenwasserdruckgeber in die wasserführenden Schichten eingebaut. Die Be-zeichnungen sowie die Positionen der einzelnen Po-renwasserdruckgeber sind Bild 4 zu entnehmen. Zu-sätzlich wurden die Schiffswellen auf dem Vorstrand als Eingangsgrößen für die Prozesse im Deichuntergrund erfasst (Schüttrumpf et al., 2005). Für die Zuordnung der identifizierbaren Schiffsereignisse zu den passie-renden Schiffe wurde ein AIS-Empfänger-System ein-gesetzt. Auf diese Weise konnten die erforderlichen AIS-Daten wie u.a. Schiffstyp, Schiffslänge und -breite, Schiffstiefgang, Schiffsgeschwindigkeit und Passage-abstand ermittelt werden.  Hydrologie im Untersuchungsgebiet Die maßgebenden Wasserstände für den Bereich des Altenbrucher Bogens können dem Gewässerkundlichen Jahrbuch (2001) entnommen werden: HHThw:  +5,42 mNN (03.01.1976) MThw:   +1,50 mNN (10-jährlicher Mittelwert) MTnw:   -1,43 mNN (10-jährlicher Mittelwert) k f ≈ 3 .1 0 - 5 m /sk f ≈ 2 .1 0 - 4 m /sP W D  1 _ 1P W D  1 _ 2P W D  1 _ 3P W D  2 _ 2P W D  2 _ 3P W D  3 _ 1P W D  4 _ 1 ,  5 _ 1  u n d  6 _ 1P W D  4 _ 2 ,  5 _ 2  u n d  6 _ 2P W D  4 _ 3 ,  5 _ 3  u n d  6 _ 3A n m e rk u n g : D ie  P W D - S o n d e n 5 _ x  u n d  6 _ x  b e f in d e n  s ic h  in  e in e r  E n t f e r n u n g  v o n  r d .  1 0 0 m  z u  b e id e n  S e ite n  d e s  M e s s q u e r s c h n it ts .Bild 4: Baugrundmodell mit Durchlässigkeitsbeiwerten MThb:   2,93 m (10-jährlicher Mittelwert) Der Bemessungswasserstand für den Bereich Alten-bruch beträgt (Siefert, 1998): BWS:  +5,90 mNN Schiffsinduzierte Belastungen von Ästuardeichen Das fahrende Schiff überträgt zur Überwindung des Schiffswiderstandes Energie in den Wasserkörper und verursacht damit eine Verdrängungsströmung. Aus Gründen der Energieerhaltung kann dem Schiff in Schiffslängsachse eine Druck- und eine Wasserstands-verteilung in Abhängigkeit der lokalen Verdrängungs-strömung zugeordnet werden. Wegen der hohen Ver-drängungsströmungen am Schiff kommt es hier zu einem Absunk zA und an Bug und Heck jeweils zu ei-nem Aufstau. Bugstau, Absunk und Heckstau erzeugen eine vom Schiff ausgehende Schiffswelle, die als Primärwellen-system bezeichnet wird und der Verdrängungsströmung zugeordnet werden kann. Dieses Primärwellensystem läuft senkrecht zum Schiff und wird auch als Transver-salwelle bezeichnet. Aufgrund unterschiedlicher Druck-werte an Bug und Heck werden zusätzliche Sekundär-wellen generiert, die schräg zum Schiff laufen. Beispiel-haft sind das Primär- und das Sekundärwellensystem für Tiefwasserverhältnisse in Bild 5 dargestellt. Durch Interferenzen kommt es zu einer Überlagerung der Primär- und der Sekundärwellen mit maximalen Wel-lenhöhen in den Schnittpunkten der Wellenkämme. Aufgrund der größeren Wellenperiode von mehreren Minuten und der damit verbundenen Wellenlänge brei-tet sich das Primärwellensystem mit einer größeren Wellenfortschrittsgeschwindigkeit c als die Sekundär-wellen aus. Die Wellenfortschrittsgeschwindigkeit c des - 196 - Seeschifffahrt, Seewasserstraßen und Seehäfen (2) Schiffserzeugte Belastungen von Ästuardeichen am Beispiel der Elbe   Primärwellensystems kann in Ästuaren nach der Lagrange’schen Gleichung aus der Wassertiefe d ermit-telt werden. Durch die Unterwassertopographie wird das Primärwellensystem in Richtung und Höhe ent-sprechend den Flachwassereffekten (Shoaling, Refrak-tion, Diffraktion, Wellenbrechen) bis zum Deckwerk transformiert. Am Deckwerk selber erzeugt das Primär-wellensystem zuerst einen Wasserspiegelanstau (infol-ge Bugstau), dann einen Wasserspiegelabsunk (infolge Absunk) und dann einen Wasserspiegelanstieg (infolge Heckstau). Aufgrund des Wasserspiegelabsunks am Deckwerk kommt es im Deichuntergrund zu einem seeseitigen Porenwasserdruckgefälle und zu einer seewärts gerichteten Grundwasserströmung.  Nach dem Primärwellensystem treffen die Sekundär-wellen (Bild 6) auf das Deckwerk, die aufgrund ihrer Wellenperiode von rd. 3 bis 5 Sekunden erst später Grundberührung bekommen und damit erst ufernah durch die Flachwassereffekte transformiert werden. Die Sekundärwellen brechen wegen ihrer kurzen Wellen-länge bei ausreichender Wassertiefe auf dem Vorstrand erst am Deckwerk. Die schiffsinduzierten Einflüsse auf den Deich, die im Rahmen der vorliegenden Untersuchung betrachtet wurden, sind in Bild 7 dargestellt. Es wurden sowohl die schiffsdynamischen Einflüsse auf den Deich, das Deck-werk und den Vorstrand untersucht. Die schiffsdynami-schen Einflüsse auf den Deich wurden weiterhin in schiffsinduzierte Porenwasserdruckschwankungen und schiffsinduzierte Schwingungen unterschieden, um den Einfluss dieser Prozesse auf Standsicherheit und Ver-formung des Deiches zu ermitteln. Die Deckwerksstabi-lität wurde unter Berücksichtigung der sich verändern-den Vorstrandtopographie ermittelt. Beispielhaft soll im Folgenden der Einfluss von Schiffswellen auf Poren-wasserdruckveränderungen im Deichuntergrund und im Deichkern dargestellt werden. PrimärwellensystemSekundärwelleα=19,46° (Kelvinscher Winkel)αBugstauBild 5: Entstehung von Schiffswellen im Tiefwasser  Wasserstandsänderungen im Deich Tidewasserstände Die Tidewelle breitet sich im Deichuntergrund aus. Bei ansteigendem Tidewasserstand kommt es zu einem landwärts gerichteten Porenwasserdruckgefälle und damit zu einer landwärts gerichteten Sickerströmung. Bei fallendem Tidewasserstand sind Porenwasser-druckgefälle und Sickerströmung seewärts gerichtet. Der anstehende Boden führt zu einer Dämpfung der Tidewelle sowie zu einer Phasenverschiebung. Die Dämpfung der Tidewelle im Deichuntergrund hängt im wesentlichen von der Durchlässigkeit des Bodens ab. Beispielhaft wurde die Dämpfung der Tidewelle im Deichuntergrund in den Bild 8 und Bild 9 (siehe Anlage) für den oberen und unteren Grundwasserleiter darge-stellt. Der Tidehub von Thb = 3,10 m wird bereits unmit-telbar hinter dem Deckwerk (PWD 1_1 und PWD 1_2) im oberen Grundwasserleiter auf rd. 1,7 m reduziert. Bis zum Deich findet eine weitere Reduktion der Tide-welle bis auf rd. 0,3 m statt (PWD 4_2, 5_2 und 6_2). Grund hierfür ist die geringe Durchlässigkeit des oberen Grundwasserleiters mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von k = 3 ◦ 10-5 m/s. Im unteren Grundwasserleiter ist die Reduktion der Tidewelle aufgrund der größeren Durchlässigkeit des anstehenden feinsandigen Mittel-sandes mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von k = 2 ◦ 10-4 m/s geringer. Dies führt zu einer Reduktion des Tidehubs bis auf rd. 1,2 m unter dem Deich (PWD 4_3, 5_3 und 6_3). Auch im Deichkern wurden Porenwasserdrücke gemessen (Bild 10, siehe Anlage). Die Messergebnisse zeigen hier keine tidebedingten Porenwasserdruckänderungen. Da die Messergebnisse durchgängig eine höhere Druckhöhe als im oberen Grundwasserleiter aufweisen, kann davon ausgegan-gen werden, dass durch den an der Deichbasis befind-lichen Klei ein hydraulischer Kontakt zwischen Deich-kern und oberem Grundwasserleiter verhindert wird und sich das Wasser im Deichkern aufgestaut hat.  Bild 6: Sekundärwellen Schiffsdynamische EinflüsseVorstrandStabilitätGrundwasserstandStand-sicher-heitVerfor-mungVorstrand-erosionStand-sicher-heitVerflüs-sigungSchwingungenVerfor-mungFühl-barkeitSeegang,StrömungenDeckwerkDeich Bild 7: Schiffsdynamische Einflüsse Schiffsinduzierte Wellen Die Wellenperiode des Primärwellensystems ist gering im Vergleich zur Tidewelle. Dies führt dazu, dass sich die Primärwelle aufgrund der vergleichsweise kurzen Belastungszeit und der starken Dämpfung durch den - 197 - Seeschifffahrt, Seewasserstraßen und Seehäfen (2) Schiffserzeugte Belastungen von Ästuardeichen am Beispiel der Elbe   Boden weniger weit im Untergrund ausbreiten kann als die Tidewelle. Eine gemessene Absunkhöhe von rd. 0,50 m an der Messposition LZ3 wird im Deichun-tergrund stark gedämpft, so dass im oberen Grundwas-serleiter noch Absunkhöhen von rd. 2 cm (PWD 4_2, 5_3 und 6_3) und im unteren Grundwasserleiter nur noch Absunkhöhen von rd. 3 cm (PWD 4_3, 5_3, 6_3) unter dem Deich gemessen werden konnten. Im Deich-kern konnten keine schiffsinduzierten Porenwasser-druckschwankungen gemessen werden. Sekundärwel-len, deren Wellenperioden klein im Vergleich zu den Wellenperioden des Primärwellensystems sind, konnten im Deichuntergrund mit Ausnahme der Messposition (PWD 1_1) unmittelbar hinter dem Deckwerk nicht gemessen werden. Aufgrund der Größenordnung die-ser Messergebnisse können schiffsinduzierte Einflüsse auf die Verformung und die Standsicherheit des Dei-ches ausgeschlossen werden.  Zusammenfassung Tide-, Wind- und Schiffswellen stellen die wesentlichen dynamischen Belastungsgrößen von Deckwerken und Deichen im Ästuargebiet dar. Die Kenntnis der Wech-selwirkungen zwischen hydrodynamischer Belastung und bodenmechanischen Prozessen stellt eine wichtige Grundlage für die Bemessung der Deiche und die Ver-meidung von Deichschäden dar.  Die vorliegende Arbeit umfasst erste Ergebnisse eines Untersuchungsprogramms zur Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf Deiche und Deckwerke im Tideästuar am Beispiel des Altenbrucher Bogen. Im Rahmen die-ses Untersuchungsprogramms, veranlasst durch aufge-tretene Schäden am Deich und am Deckwerk, wurde der Einfluss von Schiffswellen auf das Vorland, das Deckwerk und den Deich untersucht. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit werden erste Ergebnisse zum Einfluss schiffsinduzierte Wellen auf den Grundwasser-stand im Deich und im Deichuntergrund vorgestellt. Weitere Untersuchungen zum Einfluss von Schiffswel-len auf die Deckwerksstabilität und die Vorstranderosi-on sowie zum Einfluss schiffsinduzierter Schwingungen werden z.Zt. an der Bundesanstalt für Wasserbau durchgeführt. Der Einfluss von Schiffswellen auf die Porenwasserdrü-cke im Deich wurde am Beispiel von Naturmessungen vor Altenbruch dargestellt. Es wurde gezeigt, dass bei Normalwasserständen die schiffsinduzierten Porenwas-serdruckschwankungen im Deichuntergrund gering im Verhältnis zu tideinduzierten Porenwasserdruck-schwankungen sind. Daraus kann gefolgert werden, dass schiffsinduzierte Einflüsse auf die Verformung und die Standsicherheit des Deiches ausgeschlossen wer-den können.  Literatur EAK, 2002: Empfehlungen A 2002 - Äußere Belastung als Grundlage für Planung von Küstenschutzwerken. Die Küste H. 63 SCHÜTTRUMPF, H.; POHL, M.; ZIERACH, R. (2005): Wirkung schiffserzeugter Belastungen auf den Deich im Al-tenbrucher Bogen (BAW-Kolloquium 2005). http://www.baw.de/downloads/veranst/vortraege/Vortrag1.pdf  SIEFERT, W. (1998): Bemessungswasserstände 2085 A entlang der Elbe. Ergebnisse einer Überprüfung der Länderarbeitsgruppe nach 10 Jahren (1995/96). Die Küste. H. 60. S. 227-256  Verfasser Dr.-Ing. Holger Schüttrumpf Referat Ästuarsysteme I  Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), DSt Hamburg Wedeler Landstrasse 157, 22559 Hamburg Tel.: 040  81908 – 332 E-Mail: schuettrumpf@hamburg.baw.de Dr.-Ing. Martin Pohl Referat Geotechnik Nord Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), DSt Hamburg Wedeler Landstrasse 157, 22559 Hamburg Tel.: 040  81908 – 310 E-Mail: pohl@hamburg.baw.de - 198 - Seeschifffahrt, Seewasserstraßen und Seehäfen (2) Schiffserzeugte Belastungen von Ästuardeichen am Beispiel der Elbe   Anlage -1500-1000-5000500100015002000250000:00 06:00 12:00 18:00 00:00Zeit [h:m][NN mm]Pegel_LZ3PWD1_2PWD1_1PWD2_2PWD4_2PWD5_2PWD6_2Datum: 26.08.2005Datenquelle: Ingenieurbüro Fittschen, Hamburg Bild 8: Tidebedingte Wasserstandsänderungen – oberer Grundwasserleiter   -1500-1000-5000500100015002000250000:00 06:00 12:00 18:00 00:00Zeit [h:m][NN mm]Pegel_LZ3PWD1_3PWD2_3PWD4_3PWD5_3PWD6_3Datum: 26.08.2005Datenquelle: Ingenieurbüro Fittschen, Hamburg Bild 9: Tidebedingte Wasserstandsänderungen – unterer Grundwasserleiter  - 199 - Seeschifffahrt, Seewasserstraßen und Seehäfen (2) Schiffserzeugte Belastungen von Ästuardeichen am Beispiel der Elbe   Anlage -1500-1000-500050010001500200025003000350000:00 06:00 12:00 18:00 00:00Zeit [h:m][NN mm]Pegel_LZ3PWD3_1PWD4_1PWD5_1PWD6_1Datum: 26.08.2005Datenquelle: Ingenieurbüro Fittschen, Hamburg Bild 10: Wasserstände im Deichkern und in der Böschung   ≈ 49,4 cm≈ 12,5 cm≈ 24,6 cm≈ 22,8 cm≈ 4,2 cm≈ 4,5 cm ≈ 2,7 cm≈ 1,9 cmDargestellt sind die Größtereignisse / PWD im Untersuchungszeitraum  Bild 11: Entwicklung der Schiffswelle (hier: Absunk, Größtereignisse) im Untergrund (schematisch) - 200 - 

Schiffserzeugte Belastungen von Ästuardeichen am Beispiel der Elbe

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/104891/1/2006-32.pdf

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