DredgDikes Ein Kooperationsprojekt zum Einsatz von Baggergut im Deichbau

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1 DredgDikes Ein Kooperationsprojekt zum Einsatz von Baggergut im Deichbau Stefan Cantré, Fokke Saathoff, Remigiusz Duszynski Kurzfassung: Im Oktober 2010 startete unter Leitung des Lehrstuhls für Geotechnik und Küstenwasserbau der Universität Rostock ein EU-Verbundprojekt zum Einsatz von Baggergut im Deichbau (DredgDikes). Gemeinsam mit der TU Danzig, drei Partnern aus M-V und 15 assoziierten Partnern aus Verwaltung und Wirtschaft in der südlichen Ostseeregion werden verschiedene Bauweisen untersucht. (3 Sätze, 300 Zeichen) 1. Einleitung In Mecklenburg Vorpommern bestehen derzeit Deiche mit einer Gesamtlänge von rund 750 km. Davon sind 220 km Küstendeiche, die über ha Land vor Hochwasser schützen. In der polnischen Region Pommern sichern etwa 650 km Deichanlagen eine Fläche von über ha vor Überflutungen. Diese Deiche schützen rund 4 Mio. Menschen in Deutschland und Polen vor Hochwasser. In Deutschland betragen die laufenden Kosten für die Deichunterhaltung und den - neubau bis 2014 allein 50 Mio. ; in den nächsten 20 Jahren werden rund 15 Mio. jährlich für den Küstenschutz eingeplant [1]. In Polen rechnet man in den nächsten zwei Jahrzehnten mit einem Kostenaufwand um die 160 Mio. für die Unterhaltung, Konstruktion oder den Neubau von Deichen. Aufgrund des regen Schiffverkehrs auf der Ostsee fallen jährlich mehrere m³ an Baggergut allein in Deutschland an. Dieses Baggergut wird meist in der Ostsee wieder verklappt (Sand) oder in Spülfeldern gelagert bzw. aufbereitet und landseitig verwertet (feinkörnige und organische Sedimente). Seit Jahren gibt es Bestrebungen das landseitig gelagerte Baggergut für den Deichbau zu nutzen. Für die Planung und Umsetzung von Projekten mit feinkörnigen, zumeist organikreichen Schlicken als Deichdeckschicht fehlen jedoch bislang zuverlässige Bemessungsverfahren und Anwendungsregeln. In den Küstennahen Gewässern um Danzig werden häufig feine Sande gebaggert, die als Deckschichtmaterial im Deichbau ungeeignet sind. Die Gewinnung von speziellen Dichtungserdstoffen bedeutet jedoch immer einen großen Eingriff in die Natur, weshalb das Interesse seitens zuständiger Behörden besteht, den ohnehin gebaggerten Sand zu verbessern und als Baumaterial zu verwenden. Zur Untersuchung verschiedener Materialien und Materialkombinationen werden in M-V und Pommern (Polen) großmaßstäbliche Versuchsdeiche gebaut. Die Systeme reichen von der reinen Verwendung gereiften Baggerguts über den Einsatz verschiedener Geokunststoffe für Erosionsschutz und Deckschicht-Bewehrung bis hin zur Verwendung von Sand- Asche-Mixturen zur Herstellung definierter Deckschichtmaterialien aus feinkörnigem Sand. 2. Veranlassung Der Lehrstuhl für Geotechnik und Küstenwasserbau der Universität Rostock beschäftigt sich bereits seit mehreren Jahrzehnten intensiv mit Themen im Bereich der Geokunststoffe [2, 3] und in den letzten Jahren wird zudem vermehrt auf dem Gebiet der Aufbereitung und Verwertung von feinkörnigem organischem Baggergut geforscht [4, 5]. Seit 2007 wird ein

2 Forschungsprojekt des WSA Stralsund zum Einsatz von Baggergut im Deichbau geotechnisch begleitet, bei dem ein Versuchsdeich auf Drigge/ Rügen untersucht wird. Zur intensiveren Bearbeitung des Themas Baggergutverwertung konnte ein Forschungsstipendium des Departments Maritime Systeme der Interdisziplinären Fakultät der Universität Rostock erfolgreich eingeworben werden [6]. Das Department für Geotechnik und Küsteningenieurwesen der Technische Universität Danzig hat langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Bodenverbesserung für gering tragfähige Böden und forscht dabei auf dem Gebiet von Sand-Additiv-Mixturen im Bauwesen [7, 8]. Das Steinbeis Transferzentrum für Angewandte Landschaftsplanung in Rostock zeichnet seit Jahrzehnten für die fachliche und wissenschaftliche Begleitung des Baggergutmanagements auf den Spülfeldern der Hansestadt Rostock verantwortlich und ist daher auf diese Materialien hoch spezialisiert [9]. Das Staatliche Amt für Landwirtschaft und Umwelt Mittleres Mecklenburg (StALU-MM) war in der Vergangenheit bereits mehrfach damit befasst, den Einsatz von Baggergut im Deichbau zu ermöglichen, was in M-V bisher jedoch an fehlenden Erfahrungen mit den Materialien scheiterte. Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) entwirft und betreut selbst Projekte zum Einsatz von Baggergut im Deichbau und bringt daher wertvolle Erfahrungen mit. Auf dieser Grundlage wurde in enger Abstimmung mit dem StALU-MM, der BAW und dem Maritime Office Gdynia (Polen) ein Konsortium von fünf Partnern (P) und 15 assoziierten Organisationen (AP) geschnürt (Bild 1) und ein EU-Verbundprojekt zur Untersuchung des Einsatzes verschiedener Arten von Baggergut im Deichbau beantragt, das sich unter anderem auch mit dem Einsatz von Geokunststoffen und bodenstabilisierenden Additiven beschäftigt. Das Projekt mit dem Akronym DredgDikes wird seit September 2010 durch das South Baltic Programme der EU gefördert. 3. Projektziele und Inhalte Das Hauptziel des Kooperationsprojektes mit einer Laufzeit von 40 Monaten ist es, die Verwendung von Baggergut der südlichen Ostseeregion im Deichbau zu ermöglichen. Dazu werden sowohl Forschungs- als auch Informations- und Verbreitungsaufgaben wahrgenommen. Um eine möglichst breite Palette an Baggergut und verschiedene Zusatzmaßnahmen zur Verbesserung bzw. Ertüchtigung der Materialien abzudecken werden drei grundsätzlich verschiedene Systeme getestet. (1) Feinkörnige organische Sedimente aus Mecklenburg-Vorpommern mit unterschiedlichem Reifegrad werden als Deckschichtmaterial vorgesehen. (2) Um eventuell auftretende Risse zu verhindern und die oberflächliche Erosionsresistenz zu verbessern werden bei diesen Materialien zusätzlich Geokunststoffe (Geogitter und Erosionsschutzmatten) eingesetzt. (3) Feinsandiges Baggergut aus der Region Danzig wird durch ein Bodenverbesserungsverfahren unter Verwendung von Asche so aufbereitet, dass es als Deckschichtmaterial im Deichbau eingesetzt werden kann. Um die verschiedenen Projektziele zu erreichen, wurde das Projekt in zwei koordinative und drei inhaltliche Komponenten mit vier Teilprojekten aufgeteilt. Komponenten 1 und 2 beinhalten Aufgaben der Koordination und Kommunikation. In Komponente 3 werden Labor- und Feldversuche sowohl in Rostock als auch in Danzig durchgeführt (zwei Teilprojekte). Großmaßstäbliche Versuchsdeiche werden aufgebaut und umfangreichen Untersuchungen unterzogen. In Komponente 4 wird unter Federführung des Wasser- und Bodenverbandes Untere Warnow Küste ein Abschnitt eines bereits geplanten Deiches mit den neuen Lösungen hergestellt, der durch die anderen Partner wissenschaftlich betreut wird. In Komponente 5 fließen die Ergebnisse aus allen Untersuchungen in einer Handlungsanweisung zum Einsatz von Baggergut im Deichbau zusammen, das zukünftig Planern und Behörden als Planungs- und Entscheidungshilfe dienen soll.

3 Teilprojekt 1 Im Teilprojekt 1 wird auf dem Spülfeld Radelsee der Hansestadt Rostock in Markgrafenheide ein großmaßstäblicher Versuchsdeich errichtet (Bild 2). Der Versuchsdeich besteht aus zwei parallelen Deichbauwerken mit jeweils gegenüberliegenden identischen Querschnitten (Bild 3). Die eine Seite wird dabei aufwändig instrumentiert um die Durchfeuchtung und ggf. Durchsickerung des Deiches zu untersuchen während die andere Seite für Überströmungsversuche genutzt wird, die im Extremfall die landseitige Böschung zerstören können. Für Einstau- und Überströmungsversuche werden die parallelen Deiche durch Querdämme in drei Polder eingeteilt, die separat gefüllt und entleert werden können um gezielt verschiedene Ganglinien extremer Hochwasserereignisse nachbilden zu können. Die Deiche wurden mit extremen Böschungsneigungen (1:3 und 1:2) geplant um die Grenzen der Systeme auszuloten. Als Deichbaumaterialien kommen drei verschiedene Sorten feinkörnigen organischen Baggerguts als Deckschichtmaterialien, zwei Geokunststofflösungen (Erosionsschutz und Bewehrung) sowie Seesand als Deichkern zum Einsatz. Um definierte Randbedingungen zu schaffen wird das Bauwerk gegen den Untergrund mit einer geosynthetischen Tondichtungsbahn gedichtet. Teilprojekt 2 An der Toten Weichsel im Distrikt Wiślinka etwa 20 km östlich von Danzig wird ebenfalls ein großmaßstäblicher Versuchsdeich hergestellt (Bild 4). Der Deich wird aus einer aufgrund von Vorversuchen ausgewählten Sand-Asche-Mixtur gebaut. Die Querschnittsabmessungen entsprechen in etwa dem Rostocker Versuchsdeich um eine Vergleichbarkeit der Versuchsergebnisse zu ermöglichen (Bild 5). Um die hydraulische Belastung auf den Deichquerschnitt für Einstau- und Überströmungsversuche zu ermöglichen, ist in der Mitte des Deiches ein vier Meter breiter und etwa 20 Meter langer Spundwandbehälter geplant. Das so entstehende Becken auf der Wasserseite kann mit dem unmittelbar angrenzenden Weichselwasser befüllt werden. Die Veränderungen der Durchfeuchtung im Deichkörper werden durch eine aufwändige Instrumentierung gemessen und mit Modellrechnungen verglichen. Teilprojekt 3 Für das Teilprojekt 3 zeichnet der Wasser- und Bodenverband Untere Warnow Küste in Rostock als dritter Projektpartner verantwortlich. Im Rahmen einer bestehenden Planung zur Rekonstruktion der Hochwasserschutzdeiche entlang des Körkwitzer Baches bei Ribnitz-Damgarten wird ein Abschnitt als gemeinsame Pilotinvestition mit ausgewählten Lösungen unter Verwendung von Baggergut errichtet. Die entsprechenden Anpassungen der Entwürfe werden durch alle Projektpartner begleitet. Die Genehmigungsplanung soll im Frühjahr 2012 abgeschlossen werden. Der Pilotabschnitt soll zum einen dazu dienen, die neuen Lösungen in einem durch reale hydraulische Lasten beaufschlagten Deich langfristig zu beobachten und zum anderen für interessierte Stakeholder als Anschauungsobjekt dienen. Teilprojekt 4 Im Teilprojekt 4 wird durch die Projektpartner unter Einbeziehung der assoziierten Organisationen eine Handlungsanweisung zum Einsatz von Baggergut im Deichbau in der südlichen Ostseeregion erstellt. Dieses Dokument wird sowohl eine Zusammenstellung bereits ausgeführter Baumaßnahmen im und über den Projektraum hinaus enthalten als auch die Erkenntnisse aus dem Projekt zusammenfassend bewerten und konkrete Vorschläge zu notwendigen Voruntersuchungen, Baggergutqualitäten, Einbaubedingungen und zur Bemessung der verschiedenen Best-Practice-Lösungen präsentieren. 4. Erste Erkenntnisse Teilprojekte 1 und 2

4 Der Versuchsdeich in Rostock/ Markgrafenheide wurde im Frühjahr 2011 geplant und durch das Tief- und Hafenbauamt der Hansestadt Rostock ausgeschrieben und vergeben. Die Bauarbeiten begannen mit zweiwöchiger Verspätung am 22. August. Da aufgrund der extremen Niederschläge im Juli und August sowohl der Baugrund als auch das Baggergut zur Herstellung der Deiche zu nass für eine qualitativ hochwertige Ausführung waren und zudem keine stabile Wetterlage in Sicht war, musste der Bau nach zweiwöchiger Bauzeit auf das Frühjahr 2012 verschoben werden. Erste Erkenntnisse können jedoch aus der Herstellung der Querdämme (Bild 6) zur Abgrenzung der drei Polder und dem Aufbau zweier Testfelder für Verdichtungs- und Ansaattests aus zwei verschiedenen Deckschichtmaterialien (Materialien 1 und 2, Tabelle 1) gezogen werden. Alle zu verwendenden Materialien wurden umfangreich geotechnisch charakterisiert, wobei interessante Fragestellungen aufgedeckt wurden, die es zukünftig weiter zu bearbeiten gilt. Eine Auswahl der bodenmechanischen Kennwerte der drei verwendeten Deckschichtmaterialien ist in Tabelle 1 zusammengestellt. In Danzig wurde zunächst im Labor untersucht, welche Sand-Asche-Gemische für den Deichbau geeignet sind. Dazu wurde eine Vielzahl an Laborversuchen an bislang 7 Kombinationen von Sand und Flugasche durchgeführt. Auf Grundlage der bisherigen Ergebnisse wird nun eine Optimierung der Mixturen vorgenommen. Die geotechnischen Parameter von drei ausgewählten Sand-Asche-Gemischen sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Des Weiteren wurde die vom Amt für Melioration und Wasserbau in Danzig zur Verfügung gestellte Versuchsfläche an der Toten Weichsel geotechnisch durch Drucksondierungen untersucht. 5. Ausblick Im Frühjahr 2012 wird der Versuchsdeich in Rostock/ Markgrafenheide fertiggestellt und instrumentiert. Erste Einstauversuche sind für den Herbst 2012 geplant. Die Herstellung des polnischen Versuchsdeiches ist ebenfalls im ersten Halbjahr 2012 geplant. Die Planungen für den gemeinsamen Pilotdeich bei Ribnitz-Damgarten sollen im Frühjahr 2012 abgeschlossen sein, damit im Herbst mit dem Bau begonnen werden kann. Zur Verbreitung der Erkenntnisse werden regelmäßig Newsletter versendet, für die sich alle Interessierten auf der Projektinternetseite anmelden können, und verschiedene Veranstaltungen wie Workshops, Besichtigungen der Versuchsbauwerke und Vortragsveranstaltungen organisiert. Ausführlichere und stets aktuelle Informationen sind auf der Internetseite zu finden. Autoren Dr.-Ing. Stefan Cantré stefan.cantre@uni-rostock.de Prof. Dr.-Ing. Fokke Saathoff stefan.cantre@uni-rostock.de beide Lehrstuhl für Geotechnik und Küstenwasserbau, Universität Rostock Dr.-Ing. Remigiusz Duszynski rdusz@pg.gda.pl Lehrstuhl für Geotechnik, Geologie und Wasserbau, Technische Universität Danzig

5 Literatur [1] Regelwerk Küstenschutz Mecklenburg- Vorpommern. Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Verbraucherschutz Mecklenburg- Vorpommern, [2] Saathoff, Fokke: Geotextilien im Deponiebau. Isernhagen In: Straßen- und Tiefbau. Nr. 9, S [3] Saathoff, Fokke: Beispiele zur Sanierung und Ertüchtigung von Deichen mit Geokunststoffen. In: 2. Symposium Sicherung von Dämmen, Deichen und Stauanlagen, Universität Siegen, [4] Cantré, Stefan: Ein Beitrag zur Bemessung geotextiler Schläuche für die Entwässerung von Baggergut. Dissertation an der Universität Rostock, [5] Cantré, Stefan; Schulz, Hilmar: Innovative Baggergutentwässerung mit geotextilen Schläuchen ein mobiles System im Feldversuch. Wiesbaden In: Wasser und Abfall. 13, Nr. 3, S [6] Große, Anne: Baggergutrecycling als Beitrag zum Ressourcenschutz im Rahmen eines nachhaltigen Küstenzonenmanagements. 2. Zwischenbericht Interner Bericht der Interdisziplinären Fakultät der Universität Rostock. [7] Szczygielski, Tomasz: Coal combustion products in road construction, EuroCoalAsh, Copenhagen, [8] Sikora, Zbigniew: Renowacja wałów przeciwpowodziowych, Inżynier Budownictwa Nr 4, [9] Henneberg, Michael: Vom "Hafenschlick" zum wertvollen Bodenmaterial - Forschungsergebnisse zur Naßbaggergutverwertung speziell in der Landwirtschaft. In: Tagungsband zum 1. Rostocker Baggergutseminar. Eigenverlag Universität Rostock, Dank Das Projekt wird durch das South Baltic Programme der EU ko-finanziert.

6 Bild 1: Karte des Projektraumes und der beteiligten Partner Bild 2: Luftbild der Versuchsfläche auf dem Spülfeld Radelsee in Rostock/ Markgrafenheide (Foto: Grenzdörffer)

7 Bild 3: Geplanter Versuchsdeich in Rostock/ Markgrafenheide mit 10 Querschnittsvarianten (A...J) Bild 4: Versuchsfläche an der Toten Weichsel östlich von Danzig Bild 5: Geplanter Querschnitt des Testdeiches der TU Danzig

8 Bild 6: Herstellung der Querdämme im August 2011

9 Tabelle 1: Ausgewählte bodenmechanische Kennwerte des verwendeten Rostocker Baggerguts Material 1 Schlick 5 a getrocknet Material 2 Schlick 2 Jahre getrocknet Material 3 Sandiger Schlick Ton % Schluff % Sand % Organische Substanz OS % 9,7 11,3 8,6 9,8 5,5 Plastizitätszahl % 3,6 21,5 10,5 24,0 2,8 3,6 Undränierte Scherfestigkeit c U kpa Winkel der inneren Reibung Kohäsion kn/m² Korndichte S g/cm³ 2,54 2,52 2,56 2,59 Proctordichte Pr g/cm³ 1,14 1,18 1,28 1,32 1,21 1,36 Optimaler Wassergehalt w opt % Wassergehalt % Wasserdurchlässigkeit k f m/s 1*10-8 1*1-9 2*10-8 Tabelle 2: Ausgewählte geotechnische Kennwerte der Sand-Asche-Gemische aus Danzig Sand / Asche 50% / 50% Sand / Asche 60% / 40% Sand / Asche 40% / 60% Ton und Schluff % Sand % Kies % Organische Substanz OS % Winkel der inneren Reibung Kohäsion kn/m² Korndichte S g/cm³ 2,53 2,58 2,60 Proctordichte Pr g/cm³ 1,46-1,54 1,54-1,66 1,37-1,51 Optimaler Wassergehalt w opt % Wasserdurchlässigkeit k f m/s 5-6*10-5 1,5-2*10-4 2,5-30*10-6