Schleuse Lüneburg Planung der Baugrube

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1 Dipl.-Ing. Ulf Matthiesen (BAW-DH) Dr.-Ing. Thomas Nuber (BAW-DH) Dipl.-Ing. Roland Rother (NBA Hannover) Schleuse Lüneburg Planung der Baugrube BAWKolloquium Geotechnische Aspekte bei Schleusenbauwerken Hamburg, 24. September 2015

2 Einleitung SHW Lüneburg (38 m Hubhöhe) +4,0 m NHN Schleusen Uelzen I & II (23 m Hubhöhe) +65,0 m NHN Quelle: WSA Uelzen Seite 2

3 Einleitung Schiffshebewerk Lüneburg Bauzeit 1976 Freigabe ESK Weitere Infos: à Historisches Bildarchiv Quelle: BAW, Historisches Bildarchiv Seite 3

4 Einleitung Quelle: WSA Uelzen Quelle: BAW, Historisches Bildarchiv Seite 4 Quelle: WSA Uelzen

5 Einleitung Schiffhebewerk Lüneburg Doppelschiffshebewerk 4 Führungstürme je Trog Nutzbare Troglänge 100 m < 185 m Uelzen Nutzbare Trogbreite 12 m Wassertiefe 3,4 m Kanalbrücken, Länge 42,5 m Quelle: WSA Uelzen Ansicht Nord-Ost Ansicht Süd-Ost Quelle: Seite 5

6 Einleitung geplante Schleuse Quelle: NBA Hannover Geplante Schleuse Lüneburg Kammerlänge 225 m Kammerbreite 12,5 m Massivbauweise, geschlossener Rahmen Sparbecken etagenförmig in Kammerwänden Abstand? Quelle: INGE Baugrube Schleuse Lüneburg Seite 6

7 Baugrund Längsschnitt (Süd-Nord) Lage der geplanten Schleuse Schmelzwassersande und -kiese Geschiebemergel Beckenschluff Beckensand Seite 7

8 Baugrund Querschnitt (West-Ost) Lage der geplanten Schleuse SW-Sand -5,5 m NHN -12,0 m NHN SW-Sand und -Kies Beckenschluff Beckensand Seite 8

9 2D FEM-Studie (BAW) Voruntersuchung 2D-FEM (Plaxis 2D) Verformungsverhalten SHW Erste Abschätzung zur Lage der Schleuse à Boden-Bauwerks-Interaktion unter Berücksichtigung Abstand Schleuse-SHW Seite 9

10 2D FEM-Studie (BAW) Aushub der Baugrube Hebung aus Entlastung Seite 10

11 2D FEM-Studie (BAW) Belastung durch Bau und Betrieb der Schleuse Abstandsvariation Mitnahmesetzung Seite 11

12 2D FEM-Studie (BAW) Randbedingungen Lediglich Baugrundaufschlüsse im Bereich des SHW ( ) vorhanden Keine konkreten Planungen zur Baugrube Modellannahmen Schleusenbaugrube Steifer, verformungsarmer Baugrubenverbau Rückverankerte UW-Betonsohle Modellvariationen Abstandsvariation 30 m, 40 m, 50 m, 60 m lichter Abstand Seite 12

13 2D FEM-Studie (BAW) Quelle: Plaxis 2D 2015, Material Models Stoffliche Modellierung Hardening Soil unter Berücksichtigung der Small-Strain- Stiffness (HSSmall) à elasto-plastisches Stoffmodell (Double Hardening) à Abbildung irreversibler Schubverzerrungen & Volumendehnungen à spannungsabhängige Steifigkeit à Abbildung von Erst- und Wiederbelastung Small-Strain-Stiffness à Berücksichtigung erhöhter Materialsteifigkeiten bei geringem Dehnungsniveau (initialer Schubmodul G 0 ) Schubmodul G/G0 [-] Scherdehnung gs [-] Quelle: Plaxis 2D 2015, Material Models Seite 13

14 2D FEM-Studie (BAW) SHW - westliche Trogwanne Setzungen [mm] Seite 14

15 2D FEM-Studie (BAW) Parameterstudie Variation Bauwerksabstand Variation Grundwasserstand Variation Stoffparameter (Steifemodul Boden) Variation Stoffgesetz (mit / ohne Small-Strain-Stiffness ) G ur G 0 à Empfehlung: Verifizierung der Modellparameter! Seite 15

16 Baugrunderkundung Flächenhafte Erkundung der Schichtenverläufe im Bereich der Schleuse Verifizierung der Materialparameter durch Feld- und Laborversuche Geophysikalische Messungen (Crossholeund Downhole-Verfahren) zur Ermittlung elastischer Bodeneigenschaften (Small- Strain-Stiffness) Seite 16

17 Planung der Baugrube Präzisierung der Baugrube Bauablauf Verbau Aussteifung / Rückverankerung INGE Baugrube Schleuse Lüneburg grbv (Objektplanung) Grontmij (Tragwerksplanung) GuD (Numerische Berechnungen) Quelle: INGE Baugrube Schleuse Lüneburg Numerische Berechnungen Festlegung Stoffparameter anhand von BAW Baugrundgutachten 2D FEM: Ermittlung Bauwerksabstand, Variantenuntersuchung Baugrubenverbau 3D FEM: Detaillierte Untersuchung räumlicher Einflüsse, Ableitung Erddruckfiguren Seite 17

18 Schleuse Lüneburg Planung der Baugrube Teil 2: Grundwasserströmungsmodellierung Seite 18

19 Hydrogeologische Verhältnisse Zwei Grundwasserleiter Hydraulische Fenster Dränagen am Schiffshebewerk Grundwasserentnahmen Unterer Vorhafen Vorfluter Schiffshebewerk Querschnitt Draufsicht Seite 19

20 Mögliche geohydraulische Auswirkungen der Baugrube Schiffshebewerk GwAnstieg GwAbsunk GwPotenzialanstieg Querschnitt Draufsicht Seite 20

21 Mögliche geohydraulische Auswirkungen der Baugrube Schiffshebewerk GwAnstieg GwAbsunk GwPotenzialanstieg Seite 21

22 Ziele des Grundwasserströmungsmodells Prognose der großräumigen Auswirkungen der Baumaßnahme auf die GwVerhältnisse Bauzeitliche Auswirkungen Endzustand Wirkungsanalyse von Maßnahmen zur Minimierung der Auswirkungen Dränagen oder Wasserhaltungen Abschätzung der GwStände, die für die Bemessung der Baugrube für die einzelnen Bemessungssituationen anzusetzen sind (sog. charakteristische Grundwasserstände) Seite 22

23 Modellierungskonzept Datenrecherche und Auswertung Erstellung des hydrogeologischen Modells Konzeption des numerischen GwStrömungsmodells Aufbau des numerischen GwStrömungsmodells für den Ist-Zustand Kalibrierung des GwStrömungsmodells Durchführung der Simulationsrechnungen Wahl der Randbedingungen für die Berechnungen Auswertung der Simulationsrechungen - Grundwasserpotenzialverteilungen - Differenzenkarten - GwBilanzen Seite 23

24 Aufbau des numerischen Grundwasserströmungsmodells Lösung der Strömungsgleichung durch numerische Methoden Diskretisierung des Modellgebiets in Elemente Elementweise Zuweisung der - hydraulischen Durchlässigkeiten - Grundwasserneubildung Zuweisung an den Modellrändern von hydraulischen Randbedingungen (Bei instationären Betrachtungen zusätzlich elementweise Zuweisung des Speicher- Koeffizient und globaler Anfangsbedingungen) Quelle: Björnsen Beratende Ingenieure Seite 24

25 Aufbau des numerischen Grundwasserströmungsmodells Stationäre Strömungsverhältnisse 3D-Ansatz Grundlage: - Schnitte des LBEG - Baugrundgutachten BAW Quelle: Björnsen Beratende Ingenieure Seite 25

26 Aufbau des numerischen Grundwasserströmungsmodells Berücksichtigung geohydraulisch relevanter Strukturen - Schiffshebewerk - Verlauf ESK und andere Gewässer - Vorhandene Spundwände, etc. - Lage vorhandener Dränagen - Entnahmen - Lage der geplanten Baugrube und neuer Vorhäfen Quelle: Björnsen Beratende Ingenieure Seite 26

27 Modellkalibrierung Vorgehensweise Anpassung der berechneten an die gemessenen Grundwasserpotenziale durch Variation der hydraulischen Durchlässigkeiten (Trial & Error Verfahren) Quelle: Björnsen Beratende Ingenieure Seite 27

28 Prognosen der großräumigen Auswirkungen Wahl der Randbedingungen Veränderungen gegenüber dem Ist-Zustand bei mittleren hydrologischen Verhältnissen Þ mittlere GwNeubildung Þ mittlere Wasserstände im ESK Þ mittlere Förderraten WW Adendorf Auswirkungen der Schlitzwand Quelle: Björnsen Beratende Ingenieure Seite 28

29 Wirkungsanalysen von Maßnahmen Wahl der Randbedingungen Veränderungen gegenüber dem Ist-Zustand bei mittleren hydrologischen Verhältnissen Þ mittlere GwNeubildung Þ mittlere Wasserstände im ESK Þ mittlere Förderraten WW Adendorf Optimierung der Einstauziele der Dränage Auswirkungen der Schlitzwand und bauzeitlichen Dränage Quelle: Björnsen Beratende Ingenieure Seite 29

30 Abschätzung der charakteristischen GwStände Vorübergehende Bemessungssituation (BS-T) Hohe/niedrige hydrologische Verhältnisse, die innerhalb der Bauzeit auftreten können Þ Hohe/niedrige GwNeubildung Þ Hoher/niedriger ESK- Wasserstand Þ Keine/Maximale Förderung durch WW-Brunnen Außergewöhnliche BS (BS-A) - Ausfall der Dränage am SHW - Ausfall der Dichtung OVH - Ausfall der Dränage Baugrube GwPotenziale für die Tiefe Gleitfuge erforderlich Berücksichtigung möglicher hydraulischer Fenster Seite 30

31 Charakteristische GwStände Ergebnisse Beispiel Ständige Bemessungssituation D C A B C D A A B Seite 31

32 Zusammenfassung Hydrogeologische Verhältnisse und anthropogene Überprägung erfordern ein numerisches Grundwasserströmungsmodell Ziele des Modells Prognosen zu den großräumigen Auswirkungen (=> UVS, Genehmigungsplanung) Konzipierung von hydraulischen Maßnahmen zur Minimierung der Auswirkungen Abschätzung der charakteristischen GwStände für die einzelnen Bemessungssituationen Schlüsselrollen: Analyse des Bauablaufs Wahl der entsprechenden Randbedingungen Analyse verschiedener Wirkfaktoren möglich Iterativer Prozess in enger Zusammenarbeit mit den Baugrubenplanern!!! Seite 32

33 Quelle: WSA Uelzen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bundesanstalt für Wasserbau Hamburg