WINDENERGIEANLAGEN AUF KIPPENGELÄNDE

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1 WINDENERGIEANLAGEN AUF KIPPENGELÄNDE DR.-ING. DIPL.-GEOL. FRIEDERIKE MEYER, DR.-ING. HOLMER TSCHESCHLOK CDM Smith Consult GmbH Bouchéstraße 12, Berlin T: , F: , E: Kurzreferat Extrem heterogenes, locker verfülltes und verflüssigungsempfindliches Kippenmaterial stellt generell große geotechnische Herausforderungen an die Ertüchtigung von Kippenböden zur Gründung von Windenergieanlagen (WEA) dar. Zudem ist durch die Außerbetriebnahme umliegender bergbaulicher Anlagen zumeist ein GW-Anstieg langfristig in die geotechnischen Bewertungen zu implizieren. Bei der Gründung von WEAs gelten, in Abhängigkeit ihres Typs, Tiefenbereiche zwischen 20 und 40 m unter der Gründung als Haupteinflussbereich für Abträge von Lasten und Schwingungen. Für die Fundamentierung entsprechender Anlagen ist daher eine differenzierte Beurteilung der anstehenden Böden unter statischen und dynamischen Beanspruchungen erforderlich [5], um auftretende Deformationen realitätsnah abzuschätzen. Exemplarisch für derartig komplexe Fragestellungen zur Interaktion Bauwerk/Baugrund wird an dieser Stelle das Projekt WEA EuroSpeedway Lausitzring vorgestellt. Dort wurde im Jahr 2012 eine WEA vom Typ Enercon E-126/BF/131/36/02 realisiert, mit einer elektrischen Leistung von 7,5 MW, einer Nabenhöhe von 131 m und einem Rotordurchmesser von 126 m. Das Projektareal liegt innerhalb der ehemaligen Innenkippe des Tagebaus Meuro. Die vorherrschenden Kippenmischböden sind sehr heterogen und verflüssigungsgefährdet und erforderten vor Baubeginn eine umfassende Konditionierung des Anstehenden. In diesem Zusammenhang wurden Rütteldruck (RDV)- und Rüttelstopfverdichtungen (RSV) ausgeführt. Nach Abschluss der RDV wurden Kontrollmessungen zum Verdichtungsnachweis mittels CPT und seismischer Messungen durchgeführt. Die CPT-Ergebnisse erlaubten mittels Berechnungen eine Optimierung des RSV-Rasters im Vergleich zu ersten Berechnungen. Der Bericht erläutert v.g. Bodenkonditionierungen im Fundamentbereich und zeigt wichtige Eckpunkte im Qualitätsmanagement zur Ausführung und Überwachung der Bodenverbesserung auf, unter Berücksichtigung geotechnischer Besonderheiten heterogener Kippenböden. Datenbanken mit geotechnischen Kennwerten zu unterschiedlichen Kippenböden sind in der wissenschaftlichen Erfassung geotechnischer Bodenspezifikationen und zur wirklichkeitsnahen Aus- und Bewertung der Verdichtungsarbeiten von besonderer Bedeutung. Die dokumentierten Daten sind u.a. Grundlage für automatische Warn- und Benachrichtigungsfunktionen. Zudem können wichtige Ableitungen für nachfolgende Projekte getroffen werden. WEAs werden in Zukunft vermehrt in geotechnisch hochanspruchsvollen Gegenden - wie u.a. Innenkippenflächen von Tagebauen - realisiert. Eine breite Datenbasis gewinnt vor den o.g. Aspektem zunehmende an Bedeutung. Anlagenbetreiber der WEA EuroSpeedway Lausitzring ist die Energiequelle GmbH, Zossen. Die Enercon GmbH, Aurich, war mit Planung, Lieferung und Aufstellung der WEA beauftragt. CDM Smith Consult GmbH Berlin war als geotechnischer Berater der Enercon GmbH in das Projekt involviert und mit einer erweiterten Baugrunderkundung, Planung und Bemessung einer Gründungs-/Baugrundverbesserung, mit Standsicherheitsnachweisen, sowie der Überwachung der Baugrundverbesserung beauftragt.

2 1. Geologische und hydrogeologische Verhältnisse am Eurospeedway Lausitzring Das Projektgebiet liegt im Niederlausitzer Feld Hörlitz, einer ca. 70 m mächtigen Innenkippe des Tagebaus Meuro, die bis 1999 einen aktiven Braunkohletagebaus aufwies [3]. Der Abraum wurde in den 1960-er und 70-er Jahren unverdichtet in den ausgekohlten Bereichen wiedereingebaut. Die Verkippung des ehemaligen Braunkohletagebaus wurde in diesem Bereich vor rund 35 Jahren abgeschlossen. In dieser Zeit konsolidierten die verkippten Böden unter ihrem Eigengewicht. Weitere Setzungen sind nur bei Neubelastungen und Veränderungen der Grundwasserstände zu erwarten [1], [2]. Zur Erkundung v.g. Baugrundverhältnisse und zur Festlegung charakteristischer Bodenkennwerte wurden Untersuchungen inklusive bodenphysikalischer Laborversuche für den Aufstellungsort der WEA ausgeführt (Abb. 3). Drucksondierungen (CPT-U) bis max. 70 m u. GOK Kleinrammbohrungen (BS) bis max. 15 m u. GOK Rammsondierungen (DPH) bis 6 m u. GOK entlang der Zuwegung Zusätzlich wurden Lagerungsdichten der Absetzer-Hochschüttung zur Festlegung erforderlicher Aushubtiefen bzw. Aufbaustärken für die Befestigung der Zuwegung für den Schwerlastverkehr bestimmt. Ein zunächst favorisierter WEA-Standort lag im Bereich des Speedway Camps, in unmittelbarer Nähe zur Böschung des DEKRA Test-Ovals (Abb. 2). Hierzu existierten vor Einbindung von CDM in das Projekt mehrere Baugrundgutachten, die allerdings Antworten hinsichtlich geotechnischer Eigenschaften tieferliegender Kippenböden offen ließen. Basierend auf Baugrund- und überschlägigen Standsicherheitsuntersuchungen musste der Standort aufgegeben werden. Erforderliche Bodenverbesserungsarbeiten und ein generelles Verflüssigungspotenzial des Untergrundes hätten Risiken - insbesondere für das benachbarte DEKRA-Testgelände - impliziert. Ein neuer Standort wurde ca. 100 m nordöstlich des Ersten festgelegt und weitere CPTs bis ca. 75 m u GOK abgeteuft (Abb. 2). Die Baugrundverhältnisse des aktuellen Standortes entsprechen im Wesentlichen denen des vorhergehenden: Kippenmischböden unterschiedlicher Körnung und Lagerungsdichte zeigen bis rund 11 m u GOK sehr lockere bis lockere Lagerung bzw. weiche Konsistenz. Bei ca. 14 m u. GOK folgt eine verfestigte Absetzer- Arbeitsebene. Unterhalb dieser treten heterogene Böden unterschiedlicher Konsistenz und Lagerungsdichte auf, die bis in ca. 63 m Tiefe überwiegend verflüssigungsgefährdet sind. Darunter folgt eine weitere verfestigte, ehemalige Arbeitsebene, die durch sandiges bzw. sandiges, schwach schluffiges Material ähnlicher Lagerungsdichte unterlagert wird. Der Grundwasserspiegel lag im Jahr 2009 bei 106 m ü. NHN. Durch Außerbetriebnahme umliegender bergbaulicher Anlagen wird langfristig ein GW-Anstieg um ca. 7 m bis auf rund 113 m ü. NHN prognostiziert (Abb. 3). 2. Baugrundverbesserung Der gemäß Kapitel 2 erkundete extrem heterogene Baugrund wurde von CDM hinsichtlich seines Potentials, vertikale, horizontale und torsionale Lasten/Spannungen der WEA abzutragen, mittels statischer Berechnungen als ungeeignet bewertet. Insbesondere, da durch verflüssigungsgefährdete Sande im Zuge dynamischer Einwirkungen bzw. Spannungsumlagerungen unvorhergesehene Sackungen und Setzungen sowie Festigkeitsverluste zu befürchten waren. Aus der direkten Umgebung des Projektgebietes (Spreetal) sind v.g. Schadensszenarien bereits bekannt. Zur Gewährleistung erforderlicher Mindestvorgaben der relevanten Typenstatik Enercons für Flachgründung des Kreisring-Fundamentes ohne Auftrieb (FloA) wurden u.a. basierend auf Ansätzen von PRIEBE [4] Baugrundverbesserungsmaßnahmen mittels kombi-

3 nierter Rütteldruck- und nachfolgender Rüttelstopfverdichtung mit abschließender Schotterpolsteraufbringung vorgesehen. Die Zielstellung der Baugrundverbesserung ist somit das Ausschließen von Festigkeitsverlusten infolge von Verflüssigungen und eine Minimierung von Setzungen und Sackungen, so dass sich insgesamt eine Vergleichmäßigung geotechnischer Bodeneigenschaften einstellt. Abbildung 1: Übersichtskarte des Projektgebietes 2.1 Rütteldruckverdichtung Die RDV wurden zeitlich vor der RSV bis max. 63 m u. GOK ausgeführt. Insgesamt wurden Verdichtungsarbeiten an insgesamt 199 Punkten in dreiecksförmigem Raster im weiteren Fundamentbereich ausgeführt. Bis 20 m u. GOK (Teufenbereich RSV) erfolgt eine Zugabe mit Sand, für die darunter anstehenden Bereiche mit Splitt. Dokumentationen zeigen, dass auf ca. 2/3 der Projektfläche vermehrt Zugabemengen > 1,2 t/m auftraten, wo hingegen im übrigen Bereich Zugaben zwischen 0,6 bis 0,96 t/m eingebracht wurden. Dies unterstreicht die v.g. variierenden Untergrundverhältnisse. Im Zuge von Probeverdichtungen wurden lokal hohe Widerstände (verkippte Autowracks, Eisenbahnschwellen, etc.) ab ca. 50 m u. GOK detektiert, die Verdichtungen bis auf 63 m u. GOK verhinderten. In Abstimmung mit CDM wurden bei Punkten mit nicht erreichter Soll- Tiefe entsprechende Nachbarpunkte tiefer verdichtet. Dieses Vorgehen wurde nur durch eine detaillierte Erfassung der Arbeitsparameter möglich (vgl. Kap. 3).

4 DEKRA Testoval Erstes Untersuchungsgebiet Einflussbereich WEA Kranstellfläche Zuwegung Abbildung 2: Projektgebiet der WEA (incl. Kranstellfläche und Zuwegung) mit Erkundungsaufschlüssen (Schnitt A-A vgl. Abbildung 3) Abbildung 3: Querschnitt (A-A ) durch das WEA-Fundament mit repräsentativer CPT- Sondierung und Draufsicht des RDV( )- bzw. RSV( )-Rasters 2.2 Kontrollmessungen Der Verdichtungseffekt der RDV wurde mittels CPT-Messungen kontrolliert. Die Messungen wurden in unmittelbarer Nähe zu den im Rahmen der Baugrunduntersuchungen im Oktober 2010 abgeteuften CPTs ausgeführt. Der Ergebnisvergleich dokumentierte den Verdichtungserfolg. Die zu erreichenden Lagerungsdichten durch RDV wurden zuvor in einem QM-Plan seitens des Baugrundgutachters definiert: unterhalb 20 m u. GOK: D Pr 93% oberhalb 20 m u. GOK: D Pr 90%

5 Die o.g. D Pr -Vorgaben basieren auf Erfahrungswerten einer Vielzahl von Triaxialversuchen. Korrelationen zwischen Verdichtungsgrad D Pr und mittlerem Spitzenwiderstand q c (gem. DIN 1054) sind hier aufgrund anthropogener Beeinflussung der Böden i.d.r. nicht anwendbar. Ein Ergebnisvergleich der Lagerungsdichten des Bodens vor bzw. nach RDV zeigt, dass bis zur UK der auszuführenden RSV die Vorgaben von D Pr 90% zumeist erfüllt wurden. Unterhalb zeigten sich, insbesondere in bindigen Zonen, deutliche Verschlechterungen des Spitzenwiderstandes q c, die u.a. auf eine nicht ausreichende Wartezeit schließen lassen. Der knappen Bauzeit geschuldet, wurden die Kontrollmessungen direkt nach Abschluss der RDV ausgeführt. Für überwiegend bindige Kippenmischböden ist jedoch generell nach der Druckverdichtung eine ausreichende Zeitspanne zur Konsolidierung einzuhalten, bevor sich nachweislich ein Verbesserungseffekt einstellt. Diese wird anhand der Erfahrungen von CDM Smith mit ähnlichen Kippenböden auf mindestens 12 Wochen abgeschätzt. Zusätzlich wurden seismische Messungen durchgeführt. Diesbezüglich fand eine kritische Auseinandersetzung mit beiden Messmethoden statt, die jedoch hinsichtlich einer wirklichkeitsnahen Interpretation zukünftig weiteren wissenschaftlichen Input erfordert. 2.3 Rüttelstopfverdichtung und Schotterpolster Im Nachgang zur RDV wurde der Untergrund in einem Dreiecksraster bis ca. 20 m u GOK durch RSV ertüchtigt. Durch die im Zuge der RDV eingetretenen hohen Verdichtungsgrade musste die RSV mit Wasserspülung ausführt werden. Anschließend wurde ein ca. 4 m mächtiges geogitterbewehrtes Schotterpolster aufgebracht. 3. Qualitätssicherung Bei v.g. heterogenen Untergrundverhältnissen und Gründung geotechnisch hochanspruchsvoller Bauwerk sind generell nicht alle Einflussgrößen und Randbedingungen im Zuge der Planung vorherzubestimmen. Durch eine gewissenhafte Qualitätssicherung bei der Ausführung in Form einer Bauüberwachung bzw. geotechnischen Fachbetreuung sind indes a. das Risiko für Personal und Technik zu minimieren b. das Erreichen der geplanten Baugrundverbesserung zu verifizieren c. eine Anpassung des Bauverfahrens bzw. des Bauablaufes sicherzustellen Bei Ausführung RDV/RSV wurden folgende Arbeitsparameter arbeitstäglich digital erfasst, dokumentiert und im Sinne der QS durch den geotechnische Berater geprüft: Bezeichnung RDV- bzw. RSV- Ansatzpunkte Verweilzeit, Hubintervalle Vorschub- bzw. Ziehgeschwindigkeit, Ausführungszeitpunkt Tiefe Materialzugabevolumen Stromaufnahme Eine präzise Parametererfassung ist hinsichtlich der gezielten Ausrichtung der Verdichtungsleistungen auf die Gegebenheiten des Untergrundes gemäß der o.g. Punkte (b) und (c) von Relevanz. Grundsätzlich sind vergleichbar anspruchsvolle Bauvorhaben in ähnlich heterogenen Böden durch Messsysteme wie Multi-Level-Piezometer oder mittels Nivellement während der Bauausführung im Bereich der zu erwartenden Setzungsmulde zu überwachen. Datenbanken erlauben eine wissenschaftliche Erfassung geotechnischer Bodenspezifikationen und wirklichkeitsnahe Aus- und Bewertung der Verdichtungsarbeiten. O.g. Daten können Grundlage sein für automatische Warn- und Benachrichtigungsfunktionen. Zudem können wichtige Ableitungen für nachfolgende Projekte getroffen werden können. Da WEAs in Zu-

6 kunft vermehrt in geotechnisch hochanspruchsvollen Gegenden, wie u.a. Innenkippenflächen von Tagebauen, realisiert werden, gewinnen v.g. Aspekte zunehmend an Bedeutung. Zusammenfassung Am EuroSpeedway Lausitzring wurde eine WEA vom Typ Enercon E-126/BF/131/36/02 errichtet - mit einer Leistung von 7,5 MW, Nabenhöhe von 131 m und einem Rotordurchmesser von 126 m. Das Projektareal liegt innerhalb der Innenkippe des ehemaligen Tagebaus Meuro. Die vorherrschenden Kippenmischböden sind sehr heterogen und verflüssigungsgefährdet. Zur Verbesserung der Baugrundverhältnisse wurden RDV und RSV ausgeführt. Unmittelbar nach Abschluss der RDV wurden Kontrollmessungen zum Verdichtungsnachweis mittels CPT und seismischer Messungen ausgeführt. Die CPT-Ergebnisse erlaubten unter Einbeziehung nachfolgender Berechnungen eine Optimierung des zunächst angesetzten RSV-Rasters. Der Bericht zeigt die erforderliche Konditionierungen des Bodens im des Fundamentbereich und wichtige Eckpunkte im QM zur Ausführung und Überwachung der Bodenverbesserung - unter Berücksichtigung geotechnischer Besonderheiten heterogener Kippenböden. Literatur [1] LMBV (Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau- und Verwaltungsgesellschaft mbh, 1999): Tagebau Meuro 1958 bis 1999 [2] Hydrogeologische Übersichtskarte der DDR 1: (1967) Hydrogeologische Grundkarte M33 II, Finsterwalde samt Profilkarte. Hrsg.: Zentr. Geol. Institut, Berlin, im Auftrag des Staatssekretariats für Geologie [3] Projekt Grüner Lausitzring: (Zugriff: ) [4] H. J. Priebe: Die Bemessung von Rüttelstopfverdichtungen, Bautechnik, 72. Jhg., Heft 3/1995, S [5] Richtlinie für Windenergieanlagen, Fassung März 2004; Deutsches Institut für Bautechnik - DIBt -, Berlin