Auswirkungen von Schiffswellen auf die Stabilität von Uferböden – Ein neues Messsystem zur Quantifizierung von Spannungen im Wasser und dem gesättigten Boden

Um gemäß der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (2000/60/EG, 2000) wieder einen naturnahen Zustand der Gewässer zu erzielen, werden vielerorts befestigte Ufer von Flüssen, Seen oder Kanälen zurückgebaut (Teiber-Siessegger, 2011). Maßgeblich für eine positive Entscheidung zum naturnahen Rückbau an Wasserschifffahrtsstraßen ist jedoch die Frage, in wieweit ein unbefestigtes Ufer stabil gegenüber äußeren Einwirkungen wie zum Beispiel Wellenschlag ist. Für diese Beurteilung müssen im Wesentlichen Stabilitätsuntersuchungen an Uferböschungen durch die einwirkende Belastung quantifiziert werden.

Neugebauer (2015) führte umfassende Stabilitätsuntersuchungen entlang der Tideelbe in Deutschland von der Elbe-Mündung bei Cuxhaven bis Geesthacht durch. In der Studie wurden an 24 Standorten die Stabilitätsparameter „Trockenrohdichte“, „Vorbelastung“ und „Scherwiderstand“ erfasst und bewertet. Diese Parameter, in Ergänzung mit dem Eindringwiderstand, werden in der Literatur häufig genutzt, um Bodenstabilitäten bevorzugt in land- und forstwirtschaftlichen Systemen zu charakterisieren (Schjonning et al., 2016; Cambi et al., 2017; Riggert et al., 2017; Seehusen et al., 2019). Durch die Bestimmung des Kompressibilitätsindex simulierte Neugebauer (2015) im Labor außerdem eine Belastung in Form von zyklischen Wellen. Weiterführende Untersuchungen im gleichen Untersuchungsgebiet auf der Mikroskala mit rheologischen Analysen wurden von Stoppe (2015) durchgeführt.

Für die Bestimmung der Belastungen durch Wellen oder Gezeiten auf die Uferböschungen sind aufwendigere Untersuchungen nötig. Das Wasserschifffahrtsamt Hamburg (2007) untersuchte beispielsweise die Wasserstandsänderung bei der Passage von mehreren Schiffen. Mit diesen Messungen kann jedoch nur der statische Wasserdruck der Welle bestimmt werden. Mit Bestimmung des statischen Wasserdrucks ermittelten auch Liedermann et al. (2014) die Wellenhöhe verschiedener Schiffstypen am Ufer der Donau bei Hainburg. In der Studie wurden statische Wasserdrücke von bis zu 3 kPa gemessen, was einer Wellenhöhe von 30 cm entspricht. Bei Versuchen im Wellenkanal in Hannover wurden von Zhang and Horn (1995) als Folge des Wellenbrechens jedoch Drücke von bis zu 20 kPa gemessen.

Um folglich die gesamte Energie (kinetisch und statisch), welche bei Anlanden der Wellen auf den Boden übertragen wird, zu quantifizieren, müssen zeitgenaue und hochauflösende Spannungsmessungen durchgeführt werden. Das Stress State Transducer System (Horn et al., 1992) ist ein Messsystem, welches aufgrund seiner speziellen Konstruktion in der Lage ist, Spannungen im dreidimensionalen Raum zu erfassen und richtungsspezifische Belastungsvektoren zu erstellen. Das System wurde jedoch in der Vergangenheit ausschließlich zur Untersuchung der Auswirkungen von Forst- und Landmaschinen eingesetzt (Horn et al., 2007; Seehusen et al., 2014; Riggert et al., 2016). Für den Einsatz im wassergesättigten Boden bzw. im Wasser musste das System entsprechend modifiziert werden.

Riggert et al. (2019) entwickelten auf Grundlage von Bodenstabilitätsüberlegungen von Horn and Fleige (2003) ein Bewertungsschema, um interne Bodenstabilitäten anhand der Parameter „Vorbelastung“ und „Scherwiderstand“ und externe Belastung in Form von 1. Hauptspannung und Scherspannung in Relation zu setzen und eine mögliche Bodendegradation zu bestimmen. Mit einem modifizierten Spannungsmesssystem, wie in dieser Arbeit getestet, wären die Voraussetzungen gegeben, um das Bewertungsschema auch auf Uferböden zu übertragen und mögliche Instabilitäten durch Wellenschlag zu bestimmen.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Konstruktion eines Messsystems zum Einsatz in wassergesättigten Böden und im freien Wasser. Darüber hinaus sollen erste Messungen durchgeführt werden, bei denen die unterschiedlichen Raumspannungen (Haupt- und Scherspannungen) von Wellen verschiedener Schiffe quantifiziert werden. Der Nord-Ostsee-Kanal ist die meist befahrene Schifffahrtsstraße der Welt und im Rahmen der Erweiterung des Kanals sind auch hier Stabilitätsbewertungen erforderlich, um die Böschungen entsprechend zu konstruieren. Jährlich passieren rund 30.000 Schiffe den Kanal, wobei ca. 40 % auf Mehrzweckfrachter, 25 % auf Tanker und 16 % auf Container entfallen (WSV, 2017). Die Vielfalt der Schiffe soll genutzt werden, um die Wellenbilder von unterschiedlichen Schiffstypen zu bestimmen und somit eine mögliche Degradation von Uferböden durch Wellenschlag oder Sogwirkung abzuschätzen.

In Abbildung 3 sind die drei errechneten Hauptspannungen (σ₁, σ₂, σ₃), die mittlere Normalspannung (MNS) und die oktaedrische Scherspannung (OCTSS) farbspezifisch für Sensor 1 und Sensor 2 bei Durchfahrt der Agnes Essberger dargestellt. Bei Sensor 1 fallen die Hauptspannungen sowie die MNS nach ca. 30 Sekunden um rund 20 hPa ab, befinden sich anschließend ca. 25 Sekunden auf einem Niveau, bevor sie wieder ansteigen. Im folgenden Verlauf lassen sich für alle vier Spannungskomponenten kleinere Wellenbewegungen beobachten. Nach rund 300 Sekunden wird das Ausgangsniveau wieder erreicht. Bei σ₃ ist das Minimum von −21,6 hPa zu verzeichnen. Die OCSST (Sensor 1) verläuft bei einem Wert knapp über 0 hPa nahezu konstant über die gesamte Messperiode.

Abbildung 3

Der Sensor 2 zeigt einen identischen Gesamtverlauf der fünf Spannungen wie Sensor 1. jedoch lassen sich in der Ausprägung Unterschiede feststellen (Abbildung 3, unten). Obwohl beim zweiten Sensorkopf ebenso ein Abfall der Spannungen zu beobachten ist, beträgt dieser nur rund 15 hPa. Auch das Minimum wurde mit −17,5 hPa für die dritte Hauptspannung gemessen, fällt jedoch weniger ausgeprägt als bei Sensor 1 aus. Das abgesenkte Plateau der vier sich verändernden Spannungen beginnt bei rund 45 Sekunden und dauert bis ca. 77 Sekunden und ist somit rund sieben Sekunden länger. Die OCTSS verläuft im Vergleich zu Sensors 1 identisch und bildet ebenso ein Maximum-Plateau bei einem Wert von ca. 2 hPa in der gleichen Zeitspanne aus. Bis zum Ausgangsniveau von σ₁, σ₂, σ₃ und MNS vergehen auch rund 300 Sekunden.

Für die Durchfahrt des Katamarans Deveron sind die Ergebnisse der Sensoren 1 und 2 in Abbildung 4 dargestellt. Im Vergleich zur Agnes Essberger sind die Spannungsverläufe beider Sensoren nahezu identisch, und beide Sensoren weisen keine deutliche Abnahme der Spannungen auf. Bis auf die OCTSS verlaufen die anderen Spannungen in einer ausgedehnten Wellenform mit einem Wellenberg (+2,3 hPa) bei rund 60 Sekunden und einem Wellental bei rund 135 Sekunden (−5 hPa) über die gemessene Dauer von rund 180 Sekunden. Allerdings fallen kurze periodische Wellen nach ca. 100 Sekunden bis 180 Sekunden auf. Die drei Hauptspannungen sowie die MNS durchlaufen annährend alle drei Sekunden einen An- und Abstieg von ca. 5 hPa.

Abbildung 4

Wie zuvor bei der Agnes Essberger ist keine Bewegung der OCTSS zu verzeichnen. Sie verläuft über die gesamte Messperiode bei Werten zwischen 0 und 1 hPa nahezu konstant. Das Containerschiff Ida Rambow erzeugte bei der Passage ein ähnliches Wellenabbild der Spannungen wie die Agnes Essberger (Abbildung 5). Die OCTSS schwankt bis auf das maximale Plateau (Werte bei 3,5 hPa) wieder konstant zwischen 0 und 1 hPa bei allen drei Sensoren. Die anderen vier Spannungen der Sensoren 1 und 2 fallen zunächst analog zur Agnes Essberger ab, bilden ein Minimum-Plateau aus und steigen anschließend wieder an. Wie auch bei dem ersten Schiff fällt der Minimumwert bei Sensor 1 mit −18 hPa (σ₃) niedriger aus als der Minimumwert bei Sensor 2 mit −12 hPa (σ₃). Das Minimumplateau ist bei Sensor 2 ca. 15 Sekunden länger zu beobachten. Anders als bei der Agnes Essberger steigen die Spannungen jedoch innerhalb weniger Sekunden (5 bis 10 Sekunden) wieder auf den Ursprungswert an. Auffällig ist ein Zwischenhoch von σ₃, gemessen am Sensor 1, während des Minimum-Plateaus. Neben σ₃ reagieren auch alle anderen Spannungen, jedoch weniger ausgeprägt. Nachdem die Spannungen den Ausgangszustand wieder erreicht haben, lassen sich fünf bis sechs kleine Wellen mit einer Periode von rund sechs Sekunden beobachten (Schwankung von rund 5 hPa). Nach rund 180 Sekunden verzeichnen beide Sensoren ein Wellental (Werte bei ca. −5 hPa) und nach 290 Sekunden einen Wellenberg (Werte bei 10 hPa). Der Sensor 3 zeigt bei positiven Spannungswerten einen identischen Verlauf wie zuvor die beiden anderen Sensoren mit. Ein kleiner Unterschied ist jedoch, dass σ₁ im Vergleich zu den anderen Hauptspannungen etwas erhöht ist. Allerdings lassen sich bei Sensor 3 aufgrund seines Einbaus über der mittleren Wasserlinie folglich keine ausgeprägten Negativwerte beobachten.

Abbildung 5

In Abbildung 6 sind die Messwerte der drei Sensoren während der Durchfahrt des Transportschiffes Kamelia dargestellt. Ähnlich wie bei den anderen beiden Frachtschiffen ist auch bei der Kamelia (insbesondere für Sensor 1 und 2) zunächst eine deutliche Abnahme der drei Hauptspannungen sowie der MNS zu erkennen. Die OCTSS zeigt wie auch zuvor bis auf das leicht ausgeprägte Maximal-Plateau keine Veränderungen. Die Abnahme der anderen Spannungen geht jedoch deutlich langsamer vonstatten als bei der Agnes Essberger bzw. der Ida Rambow.

Abbildung 6

Das Minimum-Plateau wird bei Sensor 1 erst nach 120 Sekunden, bei Sensor 2 nach ca. 110 Sekunden und bei Sensor 3 nach 100 bzw. 30 Sekunden erreicht. Die anhaltende Zeit dieses Plateaus ist jedoch mit der Dauer bei den anderen Schiffen zu vergleichen. Die Minimalwerte werden bei allen Sensoren von der dritten Hauptspannung erzielt und folgen dem Muster von abnehmender Ausprägung von Sensor 1 (−20 hPa) zu Sensor 2 (−15 hPa) zu Sensor 3 (−5 hPa). Nach dem Minimum-Plateau steigen die Spannungen wieder an, jedoch nicht sofort zurück aufs Ausgangsniveau, welches erstmalig wieder nach ca. 190 Sekunden durch einen Wellenberg erreicht wird. Dieses Muster wurde bereits bei der Agnes Essberger beobachtet.

Nach dem Wiederanstieg folgen zunächst sehr kurzperiodische Wellen (bis ca. Sekunde 220) mit einer Wellenperiode von ca. 3 Sekunden. Diese Wellentypen wurden zuvor bei der Passage der Deveron beobachtet. Im Anschluss lassen sich langwellige Wasserbewegungen mit einer Periode von 20 bis 30 Sekunden bis zum Ende der Messung nach 420 Sekunden beobachten. Erst zu diesem Zeitpunkt erreichen die verschiedenen Spannungen wieder das Ausgangsniveau, welches zuvor nur von Wellenbergen erreicht bzw. auch leicht überschritten wurde.

Im Vergleich zu den Ergebnissen der bisherigen SST-Messungen in Land- und Forstwirtschaft fallen die gemessenen Werte am Nord-Ostsee-Kanal deutlich geringer aus. Während zum Beispiel Zink et al. (2010), Riggert et al. (2017) und Seehusen et al. (2019) Werte von bis 1000 kPa feststellen, werden in der vorliegenden Arbeit nur Werte von knapp 3 kPa gemessen. Die Untersuchungen von Liedermann et al. (2014) unterstützen die vorliegenden Messwerte als Folge des schiffsinduzierten Wellenschlags, denn auch in der Studie liegen die gemessenen Drücke bei maximal 3 kPa. Der Grund für die große Differenz zur Land- bzw. Forstwirtschaft lässt sich mit dem abweichenden Einsatz bzw. Versuchsaufbau begründen. In den zuvor zitierten Arbeiten wurden Überfahrungsversuche mit Maschinen von bis zu 40 Mg Gesamtgewicht bzw. von bis zu 6,6 Mg Radlast durchgeführt und die Spannungen direkt unter der Fahrspur gemessen. Die dargestellten Werte sind dabei absolute Spannungsspitzen, welche nur für einen Bruchteil einer Sekunde auf dem Boden gelastet haben. Die am Ufer gemessenen Schiffswellen erreichen bei Weitem nicht diese Maximalwerte, lasten jedoch kontinuierlich als Wassersäule auf den Uferböden. Die oktaedrische Scherspannung (OCTSS) tendiert sogar häufig gegen null, was auf den einheitlichen hydrostatischen Druck an jedem Druckaufnehmer zurückzuführen ist. Nur bei stark variierenden Hauptspannungskomponenten lassen sich auch Peaks bei der OCTSS erkennen. In Kombination mit der festgestellten Sogwirkung (negative Spannungswerte) können Schiffswellen in Abhängigkeit von der Bodenstabilität dennoch zu Erosionsprozessen am Uferboden beitragen, da eine mögliche Degradation zusätzlich von den Bodenstabilitäten entlang der Ufer abhängig ist.

Bei Messungen des Wasser- und Schifffahrtsamtes Hamburg entlang der Tideelbe wurden Pegelmessungen während der Durchfahrt von verschiedenen Schiffstypen durchgeführt (WSA-Hamburg, 2007, 2016). Die Ergebnisse zeigen analog zur vorliegenden Arbeit bei einem Katamaran viele kurze periodische Wellen, aber keine Abnahme des Pegelstandes während der Passage. Bei größeren Containerschiffen ist diese Abnahme jedoch zu verzeichnen. Je größer die Schiffe werden, desto ausgeprägter fällt sie aus und erreicht bei Schiffen der Post-Panamax-Klasse ihr Maximum. Es folgen lange und kurze periodische Wellen. Diese Wellensysteme werden von Flügge and Uliczka (1996) als Primär- und Sekundärwellen beschrieben. Des Weiteren können langperiodische vorauslaufende Schallwellen, der Bugstau vor dem Schiffskörper und der seitliche Absunk am Schiff während einer Schiffspassage beobachtet werden. Der Absunk wird in der vorliegenden Arbeit durch das Minimumplateau der Spannungsmessungen charakterisiert. Die Ausprägung der Wellensysteme, des Bugstaus und des Absunks sind insbesondere von der Schiffsgeschwindigkeit, dem Passierabstand, den Schiffsabmessungen und den Fahrwasserverhältnissen wie zum Beispiel der Sohlbreite oder der Wassertiefe abhängig (Nanson et al., 1994; BAW, 1996). In der umfassenden Studie von Liedermann et al. (2014) werden je nach Schiffstypenklasse ebenfalls die charakteristischen Wellenbilder beschrieben. Außerdem verdeutlicht die Studie den Zusammenhang von zunehmenden Geschwindigkeiten und zunehmenden Wellenhöhen sowie von zunehmendem Uferabstand und abnehmender Wellenhöhe. Ein Vergleich mit den untersuchten Schiffen in der vorliegenden Arbeit zeigt, dass die untersuchten Schiffe (Container, Tanker, Frachter) am Nord-OstseeKanal deutlich größer ausfallen, jedoch ähnlich hohe Wellen bzw. Drücke erzeugen. Ein möglicher Grund für diesen Effekt können die erhöhten Geschwindigkeiten der Schiffe auf der Donau sein. Dieser Vergleich zeigt auf, dass bei zukünftigen Messungen mit dem Watt-SST weitere Parameter erhoben werden müssen, um die Ursachen der einwirkenden Kräfte auf die Uferböden besser differenzieren zu können. Dazu gehören beispielswiese auch armierende Effekte durch Wurzeln in der Uferböschung. Eine Studie von Stokes et al. (2009) verdeutlicht den positiven Effekt von Wurzeln auf die Stabilität von Hangböden. Dabei können direkte Effekte, welche beispielsweise durch die Wurzelarchitektur und die Verzahnung mit dem Boden entstehen, sowie indirekte Effekte, wie die durch die Wurzeln verursachte schnellere Austrocknung und Aggregierung des Bodens, unterschieden werden. Beide Effekte führen nach Stokes et al. (2009) zum Anstieg des Scherwiderstandes und somit zu einer erhöhten Stabilität am Hang. Ebenso scheint es möglich, die Energie der auftreffenden Wellen durch Pflanzenbewuchs um bis zu 40 % zu minimieren (Schmidt-Wygasch and Heuner, 2018). Für eine qualitative Stabilitäts- oder Erosionsbewertung müssen folglich zusätzlich bodenphysikalische und strukturelle Parameter wie die Vorbelastung, der Scherwiderstand oder die Trockenrohdichte erfasst werden_.

Neugebauer (2015) hat an verschiedenen Uferstandorten entlang der Tideelbe bereits Vorbelastungswerte von unter 10 kPa als Folge von hohen Bodenfeuchtigkeiten (Matrixpotenzial bei −3 kPa) und Trockenrohdichten von unter 0,8 g cm⁻³ gemessen. Mithilfe einer zyklischen Belastung, welche Wellen simuliert, errechnete Neugebauer (2015) den Kompressibilitätsindex als Funktion des Matrixpotenzials und verdeutlichte geringere Stabilitäten mit zunehmender Bodenfeuchtigkeit. Dieser Zusammenhang wurde auch bereits von anderen Autoren bestätigt (Baumgartl and Horn, 1991; Peng et al., 2004; Han et al., 2006). Außerdem zeigt Neugebauer (2015), dass es bereits unterhalb der Vorbelastungswerte zu plastischen Verformungsprozessen als Folge der zyklischen Belastung kommen kann. Horn (1990) führt dieses Verhalten auf gekoppelte hydraulische und mechanische Prozesse zurück. Als Folge der Inkompressibilität des Wassers, scherenden Bewegungen und schlechten hydraulischen Bodeneigenschaften können dadurch Porenwasserüberdrücke entstehen, die zur Destabilisierung beitragen. Porenwasserüberdrücke können aber auch als Folge eines Hochwasserereignisses zur Destabilisierung der Uferbereiche führen (Ullrich et al., 1986; Rinaldi et al., 2004). Die Entstehung eines Porenwasserüberdruckes hängt von der Textur und der Lagerungsdichte ab, da in feinkörnigen Substraten überschüssiges Porenwasser langsamer abgeleitet werden und in einer Bodenverflüssigung resultieren kann (Lade and Yamamuro, 1997; Casagli et al., 1999; Rinaldi and Casagli, 1999; Zhai and Horn 2019).

Die Arbeit von Zhang and Horn (1995) zeigt außerdem, dass die in der vorliegenden Arbeit gemessenen 3 kPa noch keine Maximalwerte darstellen. Zhang and Horn (1995) führten Untersuchungen im Wellenkanal durch und ermittelten beim Brechen einer Welle Drücke von bis zu 20 kPa. Verantwortlich für die höheren Werte ist die kinetische Energie, welche beim Brechen erzeugt wird. Führböter and Witte (1991) berichten in ihrer Arbeit von drei unterschiedliche Wellenbrecharten: Schwallbrecher, Sturzbrecher und Reflexionsbrecher, welche anhand der Brechkennzahl klassifiziert werden können. Einfluss auf die Energie der Wellen haben nach Führböter (1986, 1991) insbesondere die Wellenhöhe, die Periode in der die Wellen auflaufen, die Wassertiefe und die Böschungsneigung des Ufers. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die auf das Ufer wirkenden Kräfte in Form von Schiffswellen, obwohl sie in Bezug zu anderen Systemen relativ gering ausfallen, ausreichen, um eine destabilisierende Wirkung zu erzeugen und Erosionsprozesse zu fördern. Um die maximalen Drücke, die Scherkräfte sowie die Sogwirkung (in Form von σ₃) im Verlauf des Auflaufes der Welle zeitabhängig zu erfassen, muss der Einbau der Watt-SST-Sensoren entsprechend der Uferausformung und der Wellenhöhe weiter getestet und optimiert werden. Zukünftig werden die Sensoren nicht nur im Wasser, sondern auch im Bereich der Wellenbrechung direkt am Ufer eingesetzt. Für eine abschließende hydraulische und gekoppelte mechanische Stabilitätsbewertung müssen dann zusätzlich noch Parameter der Bodenstabilität sowie der zeitlichen Änderung der Porenwasserdrücke mittels Tensiometer erfasst werden.

Die Ergebnisse zeigen unterschiedliche Wellenmuster und Spannungseinträge in Abhängigkeit vom Schiffstyp. Bei kleineren Schiffen wie dem Katamaran wurden geringere Spannungsdifferenzen bestimmt. Die gemessenen Frequenzen der Wellen weisen außerdem auf sogenannte Sekundärwellen hin, welche auch bei den größeren Schiffen zu beobachteten sind. Bei Container- und Frachtschiffen sind jedoch zusätzlich Primärwellen zu erkennen. Des Weiteren sind die maximalen Spannungsdifferenzen, folglich der Absunk seitlich der Schiffe, größer. Die gemessen Spannungswerte fallen deutlich geringer aus als die Spannungseinträge aus land-oder forstwirtschaftlichen Systemen. Allerdings zeigt die Literatur, dass die Stabilitätsparameter von Böden im wassergesättigten Bereich der Ufer deutlich geringer ausfallen als ihre Referenzen aus Land- und Forstwirtschaft und somit eine Destabilisierung und Erosion der Uferzone als Folge von schiffserzeugten Wellen wahrscheinlich ist. Im Vergleich zu anderen Studien im Wellenkanal erreichen die Spannungswerte in der vorliegenden Arbeit nur ca. 15 % der Maximalwerte, da keine Messungen beim Brechen der Wellen durchgeführt wurden. Um zukünftig die maximalen Belastungen durch das Brechen einer Welle zu quantifizieren, müssen die Spannungsmessungen nicht nur im Wasser, sondern zusätzlich auch im gesättigten Boden, direkt am Übergang zwischen Ufer und Wasser, vorgenommen werden. Außerdem sollten für eine Stabilitätsbewertung der Ufer im gleichen Zuge bodenmechanische Parameter wie die Vorbelastung oder Scherparameter sowie die Porenwasserdrücke bestimmt werden.