Zur Bemessung geotextiler Filter - Das neue Merkblatt DWA-M 511 -

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1 Technische Universität Dresden Fakultät Bauingenieurwesen Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik 40. Dresdner Wasserbaukolloquium 2017 Bemessung im Wasserbau Zur Bemessung geotextiler Filter - Das neue Merkblatt DWA-M Carl Stoewahse Michael Heibaum Katja Werth Im Jahr 1966 (in Deutschland 1971) wurden die ersten Empfehlungen für Kunststoffe im Wasserbau veröffentlicht. In Deutschland erschienen 1986 Filterregeln für Gewebe und Vliesstoffe. Inzwischen liegen zahlreiche Erfahrungen national und international vor, so dass DGGT und DWA, die betreuenden Gesellschaften der Empfehlungen, eine Überarbeitung initiierten. Der Vergleich der internationalen Ansätze zeigt zum Teil erhebliche Unterschiede. Im Merkblatt DWA-M 511 wurde aus dem Vergleich der international gängigen Empfehlungen ein neues Bemessungsverfahren entwickelt. Weitere Anforderungen an die hydraulische Filterwirksamkeit, Filterdicken und die Robustheit werden formuliert. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Herleitung des Bemessungsverfahrens. B4 Saal 5 1 Einleitung Ein der ersten Anwendungen von Filtergeweben unter einem Deckwerk wird auf das Jahr 1958 datiert ( Barrett (1966) beschreibt Anwendungen dieser "plastic filters" und gibt geometrische und mechanische Kennwerte an, filtertechnische Angaben fehlen zunächst. Diese werden erst von Calhoun (1972) veröffentlicht. Eine Zusammenstellung über die Anwendung von geotextilen Filtern (damals noch "Vlies- und Gewebefilter aus Kunststoffen") wurde von Zitscher (1971) erstellt. Filterregeln finden sich in dieser Schrift nicht. Die ersten umfassenden deutschen Empfehlungen zu geotextilen Filtern wurden 1986 veröffentlicht, 1982 neu aufgelegt und 1992 überarbeitet (DVWK, 1992), wobei die Filterregeln bestehen blieben. Inzwischen liegen zahlreiche Erfahrungen national und international vor, so dass DGGT und DWA, die betreuenden Gesellschaften der Empfehlungen, eine Überarbeitung initiierten. Der Vergleich der internationalen Ansätze zeigt zum Teil erhebliche Unterschiede. Daher ist es das Ziel, einen Kompromiss zu fin-

2 242 Zur Bemessung geotextiler Filter - Das neue Merkblatt DWA-M 511 den, der nationale Erfahrungen und internationale Gepflogenheiten in Einklang bringt. 2 Grundsätze der Filterbemessung 2.1 Allgemeines Ein Filter soll den Boden vor Erosion infolge von strömendem Wasser oder äußerer hydraulischer Beanspruchung durch Oberflächenwasser schützen. Um einen Filter zu bemessen, müssen vier, sich teilweise widersprechende Kriterien berücksichtigt werden: I) Der Bodenrückhalt oder die mechanische Filterwirksamkeit: die Bodenpartikel müssen (zum überwiegenden Teil) zurückgehalten werden II) Die hydraulische Filterwirksamkeit; das zuströmende Wasser muss druckfrei abgeleitet werden. III) Die Vermeidung von Kolmation; die Durchlässigkeit des Filters darf im Betrieb nicht durch eingelagerte Bodenteilchen abnehmen. IV) Die Robustheit; der Filter darf beim Einbau, Überschütten oder im Betrieb nicht beschädigt werden. Bei Filterregeln wird üblicherweise zwischen hydraulischen" und geometrischen" Ansätzen unterschieden. 2.2 Hydraulische Kriterien Hydraulische Kriterien enthalten Grenzwerte für den hydraulischen Gradienten, bei dem ein Transport beginnt. Die Fließgeschwindigkeit oder der hydraulische Gradient an der Kontaktstelle Boden-Filter müssen bekannt sein. Nur wenn die hydraulische Beanspruchung dauerhaft so gering ist, dass auch feinere Bodenpartikel nicht bewegt werden, ist ein Filter überflüssig. Für geotextile Filter gibt es nur wenige hydraulische Kriterien und diese sind nicht allgemein gültig. Genannt sei hier das Bemessungsdiagramm von Klein Breteler (2000), das auf Grundlage von Versuchen für gleichförmige Sande mit 0,1 < d 90 < 0,25mm und einem Ungleichförmigkeitsgrad C U < 2 entwickelt wurde. Wegen ihrer begrenzten Anwendbarkeit und der unsicheren Ermittlung der maßgebenden Einwirkungen werden diese Ansätze nicht weiter verfolgt.

3 Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft Dresdner Wasserbaukolloquium 2017 Bemessung im Wasserbau Geometrische Kriterien Geometrische Kriterien enthalten Grenzwerte für Korndurchmesser oder Porenkanaldurchmesser, um den Transport von feineren Partikeln durch die Porenräume der gröberen Partikel zu verhindern. Für die geometrischen Kriterien muss die Größenverteilung der Engstellen (nicht der Poren!) bekannt sein. Da die Verteilung der Engstellen meist einfacher bestimmt werden kann als der lokale hydraulische Gradient werden meist geometrische Kriterien herangezogen, auch wenn eine Reihe von Annahmen erforderlich ist. Drei Ansätze haben sich für die praktische Arbeit durchgesetzt. In Nord- und Südamerika sind die Empfehlungen von Holtz et al. (1997) in Gebrauch, die mit den kanadischen Empfehlungen erweitert wurden (CFEM, 2006). Daneben ist die Vorgehensweise nach Luettich und Giroud (1992) weit verbreitet. In Europa sind mehrere Ansätze gebräuchlich, die allerdings derzeit erneut diskutiert werden. Neben der Überarbeitung der DVWK-Empfehlungen in Deutschland (DVWK, 1992) wurden die Empfehlungen der französischen Gesellschaft für Geokunststoffe zurückgezogen. Auch in den Niederlanden erfolgte eine Überarbeitung der bestehenden Regelwerke. B4 Saal 5 Nachfolgend werden die Kriterien nach CFEM, Giroud und DVWK so weit beschrieben, wie es für die Herleitung des neuen Filterkriteriums nach DWA-M 511 erforderlich ist. Eine ausführlichere Darstellung gibt z. B. Heibaum (2015). CFEM Holtz et al. (1997) unterteilen die Böden nach dem Korndurchmesser d 50 größer oder kleiner als 0,075 mm und bilden 4 Gruppen in Abhängigkeit von der Ungleichförmigkeit. Wie schon für Kornfilter haben Lafleur et al. (1993) in zahlreichen Versuchen aufgezeigt, dass auch geotextile Filter über einem Boden mit C U > 6 besonderer Aufmerksamkeit bedürfen. Auf der Grundlage dieser Versuche wurden entsprechende Empfehlungen formuliert. Die Ergebnisse der Untersuchungen von Lafleur und die Empfehlungen von Holtz et al. wurden in einem Handbuch der kanadischen geotechnischen Gesellschaft verknüpft (CFEM, 2006), wobei als Grenzwert C U = 8 gewählt wurde. Für stationäre Anströmung des Filters gelten dann für die Öffnungsweite O 90 die Kriterien:

4 244 Zur Bemessung geotextiler Filter - Das neue Merkblatt DWA-M 511 und mit B = 1 für C U 2 B = 0,5 C U für 2 < C U 4 B = 8/C U für 4 < C U 8 Giroud und Luettich et al. für C U > 8 Giroud (1982) bzw. Luettich, Giroud und Bachus (1992) berücksichtigen die Ungleichförmigkeitsgrad und zusätzlich den Krümmungskoeffizienten und die Lagerungsdichte. Daraus wird ein Ansatz für das Verhältnis der Öffnungsweite O 90 zum mittleren Korndurchmesser d 50 entwickelt. Für gleichförmige Böden mit C' u 3 (der Apostroph kennzeichnet Kennwerte der linearisieren Kornverteilung) wird davon ausgegangen, dass alle feineren Partikel durch die Gröberen festgesetzt sind. Daher muss ein Filter nur die groben Partikel zurückhalten. Ferner nimmt Giroud an, dass für einen dicht gelagerten Boden mit C' u 3 mindestens zwei Partikel gleichzeitig durch eine Öffnung im Geotextil durchtreten müssen, um Instabilität im Bodengefüge zu initiieren. Daraus ergibt sich die Forderung Für C' U > 3 gilt: Bei lockerer Lagerung des Bodens kann schon das Durchtreten eines Partikels durch den Filter zu Instabilitäten im Boden führen und die oben genannten Verhältnisse O 90 / d 50 reduzieren auf die Hälfte. DVWK Das DVWK-Merkblatt 221 (1992) unterscheidet zunächst zwischen drei Körnungsbereichen mit d 40 0,06 mm, d 40 > 0,06 mm sowie d 15 0,06 mm und d 40 > 0,06 mm. Für Böden des Körnungsbereichs A mit d 40 0,06 mm gilt ein konstanter Grenzwert. Für die Körnungsbereiche B und C mit d 40 > 0,06 mm wird ein Kriterium aufgeführt, das die Ungleichförmigkeit einbezieht:

5 Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft Dresdner Wasserbaukolloquium 2017 Bemessung im Wasserbau 245 Das dort genannte zweite Kriterium O 90 < 1 2 d 90 ist in den meisten Fällen nicht relevant. Die Trennung bei d 40 = 0,06 mm führt oft dazu, dass die linke Seite eines Körnungsbandes anders behandelt werden muss als die rechte. 2.4 Vergleich Die vorgestellten Empfehlungen berücksichtigen alle die Ungleichförmigkeit des Bodens, beziehen sich allerdings auf verschiedene Korndurchmesser. Um hier einen Vergleich zu ermöglichen wird in Anlehnung an die Vorgehensweise von Giroud (1982) die Kornverteilung mit Bezug auf die Ungleichförmigkeit C U linearisiert, d. h. die Steigung der Verbindungslinie von d 10 und d 60 gilt für die gesamte Körnungslinie. Am Beispiel des DVWK-Kriteriums ergeben sich die Verhältniswerte der Massenanteile M und der zugehörigen Korndurchmesser zu: B4 Saal 5 woraus sich mit (log d 60 - log d 10 ) = log (d 60 /d 10 ) = log C U ergibt: d 10 und d 50 sind die Korndurchmesser der linearisierten Körnungslinie. Als Kennzahl für den Bodenrückhalt wird analog zum Abstandsverhältnis nach Cistin/Ziems das Verhältnis von Öffnungsweite O 90 zu d 50 festgelegt (s. auch Zitscher, 1971):

6 246 Zur Bemessung geotextiler Filter - Das neue Merkblatt DWA-M 511 Für die übrigen, oben beschriebenen Ansätze kann entsprechend vorgegangen werden. Damit ergeben sich dann die in Abbildung 1 dargestellten Zusammenhänge. Alle Empfehlungen stimmen darin überein, für höhere Ungleichförmigkeitszahlen geringere Verhältniswerte O 90 /d 50 vorzuschreiben. Im Bereich 3 C U 6 werden höhere Werte zugelassen. Die Kriterien von Giroud (1982) und CFEM enthalten Singularitäten und Sprünge. Der DVWK-Ansatz ergibt hohe Werte für O 90 /d 50 bei kleinen Ungleichförmigkeiten, was allen anderen Ansätzen widerspricht. Es sollten also bei sehr gleichförmigem Boden kleinere Öffnungsweiten gewählt werden. Abstandsverhältnis O 90 /d 50 [-] Giroud dicht Giroud locker CFEM DVWK Ungleichförmigkeitszahl C u [-] Abbildung 1: Abstandsverhältnis O90/d50 abhängig von der Ungleichförmigkeitszahl CU 3 Neuformulierung DWA-M Bodenrückhalt - mechanische Filterwirksamkeit Nichtbindige Böden Bei der Neuformulierung des Bemessungsansatzes wurde versucht, die Gemeinsamkeiten der vorgestellten Ansätze zu berücksichtigen, aber gleichzeitig eine kontinuierliche Abhängigkeit von Öffnungsweite und Ungleichförmigkeitskoeffizient zu erreichen und damit Unstetigkeiten zu vermeiden.

7 Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft Dresdner Wasserbaukolloquium 2017 Bemessung im Wasserbau 247 Zur Anpassung wurde eine modifizierte Lognormalverteilung mit den Stützstellen O 90 / d 50 = 1 für C U = 1 O 90 / d 50 5 für C U = 4 O 90 / d 50 = 1 für C U 20 gewählt. Da in Deutschland mit der Bemessung nach DVWK keine negativen Erfahrungen gemacht wurden, sollte im Bereich des Sprunges der CFEM-Regel (C U = 8) etwa das DVWK-Niveau erhalten bleiben. Somit ergibt sich die Anpassungsfunktion: Es muss betont werden, dass dies ein empirisch gefundener Kompromiss ist, der versucht, die verschiedenen Ansätze miteinander zu vereinbaren, und dem keine neuen Untersuchungen zugrunde liegen. B4 Saal 5 Um wie beim Ansatz nach Giroud auch die Lagerungsdichte zu berücksichtigen, wird eine Bandbreite von 10% eingeführt. Das Ergebnis ist in Abbildung 2 aufgetragen. Abstandsverhältnis O 90 /d 50 [-] Giroud dicht Giroud locker CFEM DVWK 221 DWA-M Ungleichförmigkeitszahl C u [-] Abbildung 2: Abstandsverhältnis O90/d50 abhängig von der Ungleichförmigkeitszahl CU des Bodens

8 248 Zur Bemessung geotextiler Filter - Das neue Merkblatt DWA-M 511 Suffosionsgefährdete Böden Bei suffosiven Böden sollte der Filter nicht auf den Rückhalt aller infolge von Suffosion umlagerbaren Feinteile ausgelegt werden. Die Bemessung des Filters kann nach Lafleur (1993) mit erfolgen. O 90 d 30 Bindige Böden Für bindige Böden gelten Filterkriterien abhängig von ihrer Plastizität und ihrer undränierten Scherfestigkeit. 3.2 Hydraulische Filterwirksamkeit Der Mindestwert für die Durchlässigkeit muss die Forderung k Geotextil k Boden erfüllen. Bei sehr durchlässigem Untergrund und bei unkritischen Randbedingungen (z.b. geringe Gradienten) wird k Geotextil k Boden als ausreichend angesehen. 3.3 Filterdicke Vliesstoffe als Filter verhalten sich analog zu Kornfiltern, da in beiden Fällen ein dreidimensionaler Porenraum zur Verfügung steht. Der dreidimensionale Fließweg durch den Filter ermöglicht auch dann eine ausreichende Wasserdurchlässigkeit, wenn einzelne Porenkanäle durch eingelagerte Partikel blockiert sind. Hier ist die Engstellenverteilung abhängig von der Filterdicke und der Faserstruktur. Nach Giroud (1996) ändert sich die Öffnungsweite bei mehr als 25 Engstellen in Fließrichtung nicht mehr. Die 25 Engstellen erfordern eine Mindestdicke des Filters. In der Praxis wird die Filterdicke meist abhängig von der Öffnungsweite angegeben. Mit dieser Angabe der Öffnungsweite ist zwar keine Aussage über die Anzahl der Engstellen verknüpft. Diese Abschätzung ist aber ausreichend, da hiermit erfahrungsgemäß eine ausreichende Anzahl von Engstellen gewährleistet wird. Um bei geotextilen Filtern eine ausreichende Filtrationslänge zu erreichen ist eine Mindestdicke von

9 Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft Dresdner Wasserbaukolloquium 2017 Bemessung im Wasserbau 249 d 30 O 90 in einer Lage erforderlich. Für bestimmte Anwendungen wie im Deponiebau und Verkehrswasserbau gelten noch weitergehende Anforderungen. 3.4 Robustheit Der Einbau stellt für den geotextilen Filter häufig die höchste Beanspruchung dar. Das Geotextil muss zusätzlich zu seinen mechanischen und hydraulischen Filtereigenschaften so beschaffen sein, dass es beim Einbau und im Betrieb keine Schäden davon trägt. Für geotextile Filter werden im Merkblatt Mindestflächengewichte abhängig von der Beschaffenheit des benachbart eingebauten Bodens festgelegt. Bei Überschüttung mit Sand und Kies mit einem Größtkorn bis d = 8 mm ist ein Flächengewicht von mindestens 300 g/m² erforderlich. Bis hin zu einem Flächengewicht von 1000 g/m² bei Überschüttung mit Steinen von mehr als 60 kg. Unter Berücksichtigung der Dickenanforderungen aus den Regelwerken z. B. für den Deponiebau, Küstenschutz und Verkehrswasserbau ist die Forderung von Mindest-Geotextilrobustheitsklassen aus dem Verkehrswegebau für Filteranwendungen nicht ausreichend. B4 Saal 5 4 Zusammenfassung Im Jahr 1966 (in Deutschland 1971) wurden die ersten Empfehlungen für Kunststoffe im Wasserbau veröffentlicht. In Deutschland erschienen 1986 Filterregeln für Gewebe und Vliesstoffe. Inzwischen liegen zahlreiche Erfahrungen national und international vor, so dass DGGT und DWA, die betreuenden Gesellschaften der Empfehlungen, eine Überarbeitung initiierten. Das im Merkblatt DWA-M 511 enthaltene Bemessungsverfahren für geotextile Filter ist eine Synopse der gängigen international angewendeten Filterkriterien und vermeidet die in anderen Bemessungsverfahren enthaltenen Singularitäten, Sprünge und Sonderregelungen. Die Formulierung des auch für Kornfilter bekannten Filterkriteriums mit dem Abstandsverhältnis abhängig von der Ungleichförmigkeitszahl bietet eine praxisgerechte Möglichkeit der Filterbemessung. Weitere Kriterien zur hydraulischen Filterwirksamkeit, Dicke und Robustheit werden angegeben.

10 250 Zur Bemessung geotextiler Filter - Das neue Merkblatt DWA-M Literatur Barrett, R.J. (1966): Use of plastic filters in coastal structures. 10th Conference on Coastal Engineering, Tokyo, Japan, 5.-8.Sep 1966, Beitrag 3-22 (4 S) Calhoun, C.C. (1972): Development of design criteria and acceptance of specifications for plastic filter cloth. Technical Report S-72-7, U.S. Army Corps of Engineers, Vicksburgh, MS, USA, 105 S. CFEM (2006): Canadian Foundation Engineering Manual. 4th Edition. Canadian Geotechnical Society, S DVWK (1992): Merkblatt 221 "Anwendung von Geotextilien im Wasserbau". Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.v. (DVWK). Hamburg/Berlin: Parey, 31 S. Giroud, J.P. (1982): Filter criteria for geotextiles. Proc. 2nd Int. Conference on Geotextiles, Las Vegas, USA, Vol. 1, S Giroud, J.P. (1996): Granular Filters and Geotextile Filters. Proceedings Geofilters 96, Montréal, Canada: S Holtz, R.D.; Christopher, B.R.; Berg, R.R. (1997): Geosynthetic Engineering. Richmond: BiTech Publishers Ltd. Klein Breteler, M.; Pilarczyk, K. (2000): Geotextiles in revetment structures A Dutch approach. In: Wolski, W.; Mlynarek, J. (Eds.): Filters and Drainage in Geotechnical and Environmental Engineering Geofilters 2000 Proceedings. Rotterdam: Balkema 2000, pp Lafleur, J.; Mlynarek, J.; Rollin, A.L. (1993): Filter criteria for well graded cohesionless soils. In: Brauns, J.; Heibaum, M.; Schuler, U. (Eds.): Filters in Geotechnical and Hydraulic Engineering - Geofilters'92 - Proc. Rotterdam: Balkema, S Luettich, S. M.; Giroud, J. P.; Bachus, R. C. (1992): Geotextile Filter Design Guide. Geotextiles and Geomembranes 11, S Zitscher, F.F. (1971): Kunststoffe für den Wasserbau. Bauingenieur Praxis Heft 125. Ernst&Sohn 1971, 225 S. Autoren: Dr.-Ing. Carl Stoewahse GGU Gesellschaft für Grundbau und Umwelttechnik mbh Am Hafen Braunschweig Tel.: Fax: cs@ggu.de Dr.-Ing. Michael Heibaum Bundesanstalt für Wasserbau Kußmaulstraße Karlsruhe Tel.: Fax: michael.heibaum@baw.de Dipl.-Ing. Katja Werth Umtec Prof. Biener Sasse Konertz mbb Haferwende Bremen Tel.: Fax: werth@umtec-partner.de