G M B H. Projekt Nr. 20/17/3077 Kiel, den

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1 G M B H ALKO GmbH Kiel Wilhelmplatz 2a Rohstofferkundung Baugrunduntersuchungen Umweltgeologie Geol. und hydrogeol. Untersuchungen Projekt Nr. 20/17/3077 Kiel, den Geotechnische Berechnungen zur Standsicherheit der Überwasserböschung auf den Flurstücken 29 und 208/30 mit Vorschlag zur Gestaltung der Unterwasserböschung in der Gemeinde Bornhöved, Kreis Segeberg TK 25 Nr (Bad Segeberg) Auftraggeber: Holcim Beton und Zuschlagstoffe GmbH Willy-Brandt-Straße Hamburg

2 2 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS 2 1. VORGANG 3 2. STANDSICHERHEIT DER GEPLANTEN GRUBENBÖSCHUNGEN Geologische und hydrogeologische Situation im Planungsgebiet Grundlagen zur Ausbildung von Böschungssystemen Standsicherheit der Überwasserböschung Standsicherheitsnachweis der geplanten Überwasserböschung Empfehlungen zur Gestaltung der Unterwasserböschung 6 3.ZUSAMMENFASSUNG 9 4. LITERATURVERZEICHNIS 10 Anlagen Anlage 1: Lage- und GW-Gleichenplan (1. GW-Leiter) Anlage 2: Prognostizierter GW-Gleichenplan für den höchsten zu erwartenden GW-Stand Anlage 3: Graphische Darstellung der Standsicherheitsberechungen mit GGU Stability

3 3 1. Vorgang Die Firma Holcim Beton und Zuschlagstoffe GmbH plant die Erweiterung ihrer derzeitigen Abbaufläche südlich der Tarbeker Straße zwischen Bornhöved und Tarbek auf den nördlich der Tarbeker Straße gelegenen Flurstücken 29 und 208/30 der Flur 7 in der Gemarkung Bornhöved im kombinierten Trocken-/Nassabbau mit verbleibendem Gewässer, siehe Lageund GW-Gleichenplan (An. 1). Unser Büro wurde mit der Erstellung des hydrogeologischen Fachbeitrages seitens der Antragstellerin beauftragt. Im Rahmen des Scoping-Termins am 28. März 2017 wurde behördlicherseits ein Standsicherheitsnachweis zu den Böschungen gefordert, der dem Planungsbüro Brien-Wessels-Werning GmbH, Lübeck, die erforderliche Grundlage zur Erstellung der Profilschnitte für die Abbauplanung liefern soll. Die Untergrundverhältnisse im Bereich der Antragsfläche wurden im August 2016 unsererseits orientierend durch zwei unverrohrte Trockenbohrungen (Projekt-Nr. 20/16/3050) bis 30 m unter Geländeoberkante (GOK) erkundet. Am Bohrgut wurden zahlreiche Trockensiebungen zur Korngrößenermittlung durchgeführt. Weitere Informationen zur geologischen und hydrogeologischen Situation im Umfeld der Antragsfläche liegen uns aufgrund umfangreicher hydrogeologischer Untersuchungen sowie lagerstättenkundlicher Arbeiten u.a. zur aktuell betriebenen Abbaufläche vor. Im Vorfeld des o.g. hydrogeologischen Gutachtens wurde ein Grundwassergleichenplan für den 1. freien GW-Leiter (Anl.1) sowie ein prognostizierter Grundwassergleichenplan mit den höchsten zu erwartenden Grundwasserständen (Anl. 2), basierend auf der Stichtagsmessung vom , erstellt, da die GW- Verhältnisse für die Planung einer standsicheren Böschung zusammen mit den Abbauplanungen von Relevanz sind. 2. Standsicherheit der geplanten Grubenböschungen 2.1. Geologische und hydrogeologische Situation im Planungsgebiet Mit den beiden Trockenbohrungen TB1/16 und TB2/16 zur Rohstofferkundung wurden bis zur Endeufe ausschließlich sandige Sedimente mit kiesigen Nebengemengteilen ohne bindige Zwischenlagen angetroffen. Der Grundwasserspiegel wurde im Bereich der TB1/16 bei 20 m u. GOK und bei der TB2/16 bei 18 m u. GOK erbohrt. Gemäß der Stichtagsmessung vom zeigt der GW-Gleichenplan (Anl. 1) einen GW-Spiegel im zentralen Bereich der Planfläche bei ca. 35 m NN. Die Grundwasserfließrichtung verläuft von Südosten nach Nordwesten. Des Weiteren wurde der prognostizierte höchste zu erwartende

4 4 GW-Stand mit ca. 36,5 m NN am Grubennordrand (Abstrombereich) und mit ca. 37 mnn am Südrand (Anstrombereich) ermittelt. Die maximalen Geländehöhen liegen bei 57 m NN am Nordrand der Grube. Für den Bereich des Trockenabbaus wird eine Geländehöhe von 1 m über dem höchsten zu erwartenden Grundwasserstand als Böschungssohle angenommen, um nicht unnötig Rohstoffe am Standort zu belassen. Der GW max liegt am Nordrand bei ca. 36,5 m NN, so dass für die geplante Überwasserböschung von einer maximalen Böschungshöhe von ca. 19,5 m im Norden ausgegangen werden kann. Angaben zu den Reichweiten der oberstromigen Absenkungsbeträge und unterstromigen Aufhöhungsbeträge werden erst im Rahmen des hydrogeologischen Gutachtens berechnet, der maximale GW- Stand im Baggersee wird gemäß GW-Gleichenplan mit den höchsten zu erwartenden GW- Ständen (Anl. 2) mit 36,75 m NN abgeschätzt Grundlagen zur Ausbildung von Böschungssystemen Die Neigung und Standfestigkeit von Böschungen bei der Kies- und Sandgewinnung ist in erster Linie vom geologischen Aufbau und den Wasserverhältnissen abhängig. Von besonderer Bedeutung bei Böschungen in Lockersedimenten sind die Scherfestigkeiten des Bodens (Reibungswinkel und Kohäsion). Weitere Faktoren, die Standsicherheit von Böschungen in Lockersedimenten beeinflussen können, sind z.b. Sickerwasser und bindige Schichten in der Böschung, Belastungen auf der Böschung, zeitabhängige Änderungen der Spannungszustände im Boden und die Einwirkung der Witterung sowie die Art und Ausführung des Abbaus [1]. Zielsetzung einer Planung von Böschungssystemen bei der Kies- und Sandgewinnung ist die Maximierung der Rohstoffgewinnung in der Lagerstätte bei Gewährleistung der Standsicherheit der Böschung [2]. Abbauverluste in Abbhängigkeit von der Böschungsneigung wurden von Langer & Voss (2001) modellhaft abgeschätzt und liegen bei einem Böschungswinkel von 1:2 bereits bei ca. 23 % und erreichen bis zu 45 % bei einer Neigung von 1:5 [3]. Ein Böschungssystem beim Trockenabbau ohne Einfluss des Grundwassers wird als Überwasserböschung (terrestrischer Bereich) und im Grundwasserbereich als Unterwasserböschung bezeichnet Standsicherheit der Überwasserböschung Bei kohäsionslosen, kiesig-sandigen Böden wird der Neigungswinkel für eine standsichere Böschung in erster Linie über den Winkel der inneren Reibung (Reibungswinkel ) bestimmt. Dieser hängt von der Korngrößenverteilung, der Kornform und der Lagerungsdichte

5 5 des Sediments ab. Hinsichtlich der Korngrößenverteilung konnte auf die im Rahmen der Rohstofferkundung durchgeführten Ergebnisse der Trockensiebungen zur Korngrößenverteilung (Projekt-Nr. 20/16/3050) zurück gegriffen werden. Eine terrestrische Grubenböschung im Sand- und Kiesabbau gilt für kohäsionslose, grobkörnige Sedimente im Allgemeinen als standsicher, wenn der Böschungswinkel d kleiner ist als der durch Teilsicherheitsbeiwerte abgeminderte Winkel der inneren Reibung d. Damit lässt sich die Standsicherheit bei gegebener Böschungsneigung für kiesig-sandige Böden wie folgt nachweisen [1]: d d d d Neigung der Böschung Abgeminderter Reibungswinkel (abhängig von Teilsicherheitsbeiwerten und Lastfall) Für kiesig-sandige Sedimente wird im Allgemeinen von standsicheren Böschungen bei einem Neigungsverhältnis von 1:1,5 bis 1:2 (ca. 33,7 bis 26,6 ) je nach Korngrößenverteilung und Böschungshöhe ausgegangen [1] Standsicherheitsnachweis der geplanten Überwasserböschung Zum Nachweis der Standsicherheit wird angenommen, dass im Bereich der geplanten Grubenböschung vom gleichen Schichtenaufbau, wie er mittels der Trockenbohrungen angetroffen wurde, auszugehen ist und die Böschung somit aus kohäsionslosen, sandig-kiesigen Böden aufgebaut sein wird. Der Standsicherheitsnachweis wurde gemäß DIN mit dem Lammelllenverfahren für Kreisgleitflächen nach Bishop (1954) [4] im Rechenprogramm Stability (2012) von GGU Software rechnerisch ermittelt. Der Winkel der inneren Reibung der im Planungsgebiet erkundeten kiesig-sandigen Sedimente [1] wird auf Grund von Literaturangaben und gutachterlichen Erfahrungswerten vergleichbarer Sedimentvorkommen mit ca. 32,5 angenommen. Der Standsicherheitsnachweis wurde unter Ansatz der Teilsicherheitsbeiwerte für den Lastfall 1 im Grenzzustand 1C gemäß DIN für eine maximale Böschungshöhe von 19,5 m (maximale Mächtigkeit des Trockenabaus im Bereich des Flurstückes 29) geführt. Zur Berechnung wurden der angenommene Reibungswinkel der kiesig-sandigen Sedimente = 32,5 angesetzt. Für die Böschungshöhe wurde die Standsicherheit der Überwasserböschung bei einer Neigung von 1:2 (27 Böschungswinkel) bei einem Ausnutzungsgrad µ 1 nachgewiesen. Die graphische Darstellung der Berechnung ist als Anlage 3 beigefügt.

6 6 Eine dauerhaft standsichere Böschungsneigung von 1:2 wurde ebenfalls anhand der vereinfachten Berechung über abgeminderte Reibungswinkel abgeschätzt. Bei angesetzten Teilsicherheitsbeiwerten von = c = 1,25 (Lastfall 2) ergibt sich eine Standsicherheit für den schlechtesten angenommen Reibungswinkel = 32,5 gemäß folgender Berechnung: tan d = tan(32,5 )/1,25 d = 27,0 Ein Böschungswinkel 27,0 (entspricht einer Neigung d 1:1,96) gilt demnach als dauerhaft standsicher für die geplante Überwasserböschung des Kiesabbaus im zu betrachtenden Bereich. Sollten in den Böschungslinien bindige Schichten angeschnitten werden, sind bei flächenhafter Ausdehnung gebrochene Böschungsneigungen herzustellen, die in diesen Bereichen eine flachere Neigung aufweisen Empfehlungen zur Gestaltung der Unterwasserböschung Für einen nicht bindigen Boden entspricht die natürliche Böschungsneigung in etwa dem Winkel der inneren Reibung des Böschungsmaterials. Bei einer Unterwasserböschung sind aber u.a. auch böschungsparallele Strömungen zu berücksichtigen. Setzt man diese an, so verringert sich der zulässige Böschungswinkel etwa auf den halben Reibungswinkel, was zu relativ flach ausgebildeten Böschungen führen würde. Nach Richwien & Meyer [5] wird der einfache Ansatz einer böschungsparallelen Strömung zur Erfassung der Einwirkungen aus Abbau, Wellen und Wasserspiegelschwankungen dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit und der Resourcenschonung nicht gerecht. Bei großen Böschungshöhen bleibt der Einfluss der Einwirkungen aus Abbau, Wellen und Wasserspiegeländerungen auf lokale Böschungsbereiche beschränkt, der Nachweis der Standsicherheit der Gesamtböschung kann dann ohne die Berücksichtigung dieser Einwirkungen erfolgen. Des Weiteren zeigt nach Richwien [4] die Zusammenstellung und Bewertung aller Einwirkungen, die im Nassabbau auftreten, dass die Böschungen in großem Maße durch hydrodynamische Einwirkungen aus dem Abbau, aus Wellen und aus Wasserspiegelschwankungen beansprucht werden und dass gerade diese Einwirkungen im üblichen Nachweis nach E DIN 4084: 2002 nicht erfasst werden. Auch wenn der Standsicherheitsnachweis nach E DIN4084: 2002 unter Berücksichtigung der hydrodynamischen Belastungen aus Abbau, Wellen und Wasserspiegelschwankungen durch instationäre Strömungskräfte eine komplexe Berechnungsmethode darstellt und wir hier von den o.g. hohen Böschungshöhen ausgehen können, wird im Folgenden auf die Empfehlungen der Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg (LfU) [6] verwiesen:

7 7 - Um die Ufer vor Wellenangriffen zu schützen und die Standsicherheit zu gewährleisten sind die Böschungen im gewachsenen Boden zu lassen - Prallufer in der Hauptwindrichtung sind möglichst als Flachwasserbereiche auszubilden - Die Unterwasserböschungen sollten ohne besonderen Nachweis nicht steiler als 1:2,5 ausgeführt werden, um Nachrutschungen und Einbrüche der Böschungen zu vermeiden. Unter Berücksichtigung der lokalen Gegebenheiten ist bei entsprechenden Nachweisen im Einzelfall auch die Anlage einer steileren Böschung möglich. Zur Standsicherheit einer steileren Arbeitsböschung sei angemerkt, dass die Kohäsion in nicht bindigen Böden = 0 ist und der gleiche Böschungswinkel unter Wasser wie im Trockenabbau zugrunde gelegt werden könnte, da das Verhältnis Auflast zur Scherkraft gleich bleibt, allerdings wird bei Porenwasserüberdruck der Reibungswinkel herabgesetzt und durch Wellenschlag insbesondere in der Grundwasserwechselzone wird sich zu einem späteren Zeitpunkt (Endböschung) entsprechend der anstehenden Böden erfahrungsgemäß eine flachere Böschung in der Größenordnung von ca. 1:3 einstellen. Die folgende, unmaßstäbliche Abbildung/Skizze bietet eine mögliche Böschungsgestaltung [6], in welche Erfahrungswerte für Unterwasserböschungen sowie der Standsicherheitsnachweis zur Überwasserböschung eingeflossen sind. S N 57 mnn (GOK) 1:2 19,25 m HW (GW MAX) NW (GW MIN) 1:4-1:6 * 36,75 mnn 11,76 m mind.3,0 m 2,94 m 34,81 mnn 38,5 m 37,75 mnn ~ 1:2,5 7,81 m 1:3 19,53 m 27 mnn (für eine 30 m tiefe Grube) * Böschungsneigung mit 1:4 angegeben, kann im Übergangsbereich zur GW-Zone durch Schilfgürtel zusätzlich stabilisiert werden Skizze: Empfehlungen zur Böschungsgestaltung (unmaßstäblich)

8 8 Durch den Gewinnungsprozess im Nassabbau finden aber auch bodenmechanische Veränderungen statt, indem z.b. ein Greifer den Kiessand an der Böschungsoberfläche insbesondere am Böschungsfuß auflockert und durch die Zutageförderung eine Sogwirkung ausübt, die zu einer Abflachung der Böschung führen kann. Damit wäre jedoch eine rückschreitende Erosion verbunden. Sollte sich im Laufe der Zeit eine flachere Böschung von 1:3 einstellen, wird dadurch lediglich der Flachwasserbereich beeinflusst, nicht jedoch der Bereich der Berme. Da die aktuelle Planung das Anlegen von Flachwasserbereichen mit zusätzlichem Vorspülen von Sanden nur im Süden und Westen vorsieht, sind die Böschungsbereiche im Unterwasserbereich im Osten und Norden mit einem Böschungswinkel von 19 anzulegen, um die Standsicherheit im Bereich der Berme nicht zu beeinträchtigen. Das Anlegen von Flachwasserzonen hat zwar Auskiesungsverluste zur Folge aber auch große positive Auswirkungen auf den limnologischen und ökologischen Zustand des verbleibenden Baggersees und kann daher als eingriffsbezogene Ausgleichsleistung anerkannt werden. Des Weiteren trägt eine Flachwasserzone zur Böschungsstabilität bei und bildet somit einen gewissen Schutzstreifen im Falle rückschreitender Erosion.

9 9 3. Zusammenfassung Für die geplante Gewinnung von Sand-Kies-Gemischen der Holcim Beton und Zuschlagstoffe GmbH auf den Flurstücken 29 und 208/30 der Flur 7 in der Gemarkung Bornhöved wurde ein Nachweis der Standsicherheit der Überwasserböschung gemäß DIN mit dem Lammelllenverfahren für Kreisgleitflächen nach Bishop (1954) im Rechenprogramm Stability (2012) von GGU Software durchgeführt. Für die dauerhafte Standsicherheit der Überwasserböschung wurde eine Böschungsneigung von 1 : 2 nachgewiesen. Im Übergangsbereich zur Unterwasserböschung wurde eine mind. drei Meter breite Berme mit vorgelagerter Flachwasserzone bei einer Böschungsneigung von 1:4 empfohlen, die zusätzlich durch einen Schilfgürtel gegen rückschreitende Erosion durch Wellenschlag stabilisiert werden sollte. Die Unterwasserböschung kann so gemäß den Empfehlungen der Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg (LfU) mit 1:2,5 im Westen und Süden mit den geplanten Flachwasserbereichen angelegt werden. Erfahrungswerte durch Lotungen von Endböschungen belegen jedoch oftmals eine Unterwasser-Böschungsneigung von 1:3 bei der hier vorhandenen petrographischen Zusammensetzung des Kiessandes. Aus diesem Grund sollten die Unterwasserböschungen im Norden und Osten, wo keine Flachwasserbereiche geplant sind, mit einem Böschungswinkel von 19 entsprechend ca. 1:2,9 angelegt werden Dipl.-Geol. Birgit Kosack-Bohl Dipl.-Geol. J. Mürdel

10 10 4. Literaturverzeichnis [1] Abriss der Ingenieurgeologie mit Grundlagen der Boden und Felsmechanik sowie des Erd-, Grund- und Tunnelbaus, Helmut Prinz, 1991 [2] Standsicherheit von Unterwasserböschungen in Lockergesteinen im Spannungsfeld zwischen Gewinnung, technischer Sicherheit und Genehmigungsverfahren. - Zeitschrift für angewandte Geologie, 47 (1): 3-4, A. Langer & H.H. Voss, Stuttgart 2001 [3] The use of slipcircle in the analysis of slopes. - Proceedings european conference on stability of earth slopes. Vol. I: 1-14, A.W. Bishop, Stockholm 1954 [4] Richwien: Untersuchungen zur Standsicherheit von Unterwasserböschungen aus nichtbindigen Böden. Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal 2005 [5] Richwien & Meyer: Standsicherheitsnachweis von Unterwasserböschungen aus nichtbindigen Böden. BAW-Workshop (2004): Boden- und Sohl-Stabilität Betrachtungen an der Schnittstelle zwischen Geotechnik und Wasserbau [6] Kiesgewinnung und Wasserwirtschaft Empfehlungen für die Planung und Genehmigung des Abbaus von Kies und Sand -, Landesanstalt für Umweltschutz Baden- Württemberg, Karlsruhe 2004

11 Anlage 1 Lage- und GW-Gleichenplan (1. Leiter)

12 m Legende Antragsfläche zusätzlich Wiederauffüllung mit Boden LAGA Z0/Z0* gesamter Abbaubereich Grundwassermessstellen 40,69 Grundwasserstand am (mnn) 1206-B022a! 34,22 GW-Gleichen ( ) Fließrichtung #0 Referenzmessstelle "Tarbek-Ahnsberg F1" B , B20a 34, B009a 35,77! Schwentinequelle Wasserfläche, Dez (für GW-Gleichen hydraulisch nicht berücksichtigt) Auftraggeber: B021a 35,80 #0 40,69 Holcim Beton und Zuschlagstoffe GmbH Lage- und Grundwassergleichenplan Maßstab: 1: Projekt-Nr.: 20/17/ geo@alko-kiel.de Tel 0431 / Fax 0431 / Datum: Anlage

13 Anlage 2 Prognostizierter GW-Gleichenplan für den höchsten zu erwartenden GW-Stand

14 m Legende Antragsfläche zusätzlich Wiederauffüllung mit Boden LAGA Z0/Z0* gesamter Abbaubereich Grundwassermessstellen 42,21 höchst zu erwartender Grundwasserstand (mnn) 1206-B022a! 35,94 GW-Gleichen Fließrichtung #0 Referenzmessstelle "Tarbek-Ahnsberg F1" B , B20a 36, B009a 37,49! Schwentinequelle Wasserfläche, Dez (für GW-Gleichen hydraulisch nicht berücksichtigt) Auftraggeber: B021a 37,52 #0 42,41 Holcim Beton und Zuschlagstoffe GmbH Grundwassergleichenplan höchst zu erwartende GW-Stände Maßstab: 1: Projekt-Nr.: 20/17/ geo@alko-kiel.de Tel 0431 / Fax 0431 / Datum: Anlage

15 Anlage 3 Graphische Darstellung der Standsicherheitsberechungen mit GGU Stability

16 70 65 Boschungsstabilität Grube Tarbek Flurstücke 29 und 208/30 Berechnungsgrundlagen Norm: DIN 4084:2009 Ungünstigster Gleitkreis: µ max = 0.98 x m = m y m = m R = m Teilsicherheiten: - γ(ϕ') = γ(c') = γ(c u) = γ(wichten) = γ(ständige Einw.) = γ(veränderliche Einw.) = 1.30 Boden 0.98 ϕ,k c,k γ,k Bezeichnung [ ] [kn/m²] [kn/m³] Mittelsand; grobsandig, kiesig Standsicherheit der Überwasserböschung auf den Flst. 29 und 208/30 in Tarbek Auftraggeber: Holcim Beton und Zuschlagstoffe GmbH Standsicherheitsnachweis gegen Böschungsbruch gemäß DIN Projekt-Nr.: 20/17/3077 Datum: Anlage 3 60 mnn w w