DE102014108306B3

DE102014108306B3 - Geotextiler Sandcontainer sowie Verfahren zum Absenken dieser

Info

Publication number: DE102014108306B3
Application number: DE102014108306.7A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Grabe; Evelyn Heins
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2015-08-13
Anticipated expiration: 2034-06-13
Also published as: EP2955275A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen geotextilen Sandcontainer (1) zum Unterwasserschutz an Bauwerken, insbesondere als Kolkschutz mit einer geotextilen Hülle (10) und einer Sandfüllung (2), wobei ein in Einbaulage unten liegender Abschnitt (11) des Sandcontainers (1) mit einer wassergesättigten Füllung und/oder durch Zugabe von im Vergleich zur restlichen Sandfüllung (2) des Sandcontainers (1) schwererem Material (21) eine höhere Dichte hat. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Absenken geotextiler Sandcontainer, wobei der Sandcontainer (1) an der Wasseroberfläche positioniert und losgelassen wird, so dass er zum Meeresboden sinkt, wobei der Sandcontainer (1) mit seinem in Einbaulage unten liegenden, ballastierten Abschnitt (11) auf die Wasseroberfläche gesetzt, eingetaucht und in dieser Orientierung losgelassen wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen geotextilen Sandcontainer zum Unterwasserschutz an Bauwerken, insbesondere als Kolkschutz, mit einer geotextilen Hülle und einer Sandfüllung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Absenken geotextiler Sandcontainer, wobei der Sandcontainer an der Wasseroberfläche positioniert und losgelassen wird, so dass er zum Meeresboden sinkt.
Derartige geotextile Sandcontainer sind im Küstenschutz in vielfältiger Anordnung und Anwendung und unterschiedlichen Größen bekannt. Beispielhaft wird auf eine Veröffentlichung bei HCU Symposium Geoinformationen für die Küstenzone vom 07. Oktober 2010 „Geotextile Sandcontainer im Küstenschutz“ von Matthias Bleck, Uwe Momsen und Michael Schöner der KED Ingenieure Knabe Enders Dührkop Ingenieure GmbH verwiesen. Daraus ist auch der Einsatz geotextiler Sandcontainer als Kolkschutz um Gründungsstrukturen, wie beispielsweise Monopiles bekannt.
Grundsätzlich gilt, dass jede Gründungsstruktur unter Wasser bei einer Umströmung das dynamische Gleichgewicht zwischen dem Wasserkörper und dem mobilen Meeresboden stört. Durch Wechselwirkungen zwischen der Gründungsstruktur, den hydrodynamischen Belastungen und dem beispielsweise aus mehr oder weniger dicht gelagerten Sanden bestehenden Meeresboden entstehen Erosions- und Sedimentationsvorgänge im Nahbereich des Bauwerkes sowie Auflockerungen des Meeresbodens in größerer Umgebung. Dabei gefährden insbesondere Sohlveränderungen im Nahbereich, die sog. Kolkbildung die Standsicherheit der Gründungsstruktur bzw. des Bauwerkes. Es gilt daher geeignete Kolkschutzmaßnahmen vorzusehen. Hierzu gibt es Untersuchungen und Veröffentlichungen, die sich insbesondere mit dem Kolkschutz für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen beschäftigen, wie in der Zeitschrift Geotechnik 34 (2011), Seite 51 bis 58 „Kolkschutz für Offshore-Windenergieanlagen in der Nordsee“, von Georg Heerten und Karsten Peters sowie „Kolkschutz an Monopile-Tragkonstruktionen von OWEA“ von Grüne et al. FZK, Hannover. Darin wird insbesondere auch der Einsatz von geotextilen Sandcontainern für den Kolkschutz im Umkreis von Monopile-Tragkonstruktionen berichtet.
Die US 2009/0 208 288 A1 beschreibt einen flexiblen, wasserdurchlässigen Schlauch aus einem Geotextil zur Aufnahme eines Füllmaterials, wobei der Schlauch an seinen beiden gegenüberliegenden Enden nach Aufnahme des Füllmaterials planebene Stirnseiten aufspannt, sodass in Längsrichtung aneinandergefügte derartige Sandschläuche einen lückenlosen Übergang ergeben. Es wird somit vermieden, dass Meeresströmungen an aneinandergrenzenden Enden der Sandschläuche angreifen können.
In der Veröffentlichung im Tagungsband des 8. FZK-Kolloquiums „Maritimer Wasserbau und Küsteningenieurwesen“, Hannover, vom 10. März 2011 haben Dassanayake et al. in „sinking behaviour and deformation of geotextile sand containers during installation of scour protection for marine and offshore structures“ das Sinkverhalten und etwaige Deformationen an geotextilen Sandcontainern beim freien Absinkenlassen auf den Meeresgrund untersucht. Dabei wurde insbesondere die schlechte Vorhersagbarkeit der Bewegungsbahn des Sandcontainers beim Absinken als Problem erkannt. In dieser wissenschaftlichen Ausarbeitung wurde dann ermittelt, dass bei kissenförmigen Sandcontainern eine geringere Streuung der ermittelten Bewegungsbahnen erreicht werden kann, wenn der kissenförmige Sandcontainer flach mit seinem größten Querschnitt auf die Wasserobfläche aufgelegt wird und somit ein Absinken orthogonal zur größten Querschnittsfläche des Sandcontainers erfolgt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen geotextilen Sandcontainer so auszubilden, dass er eine weitestgehend gleichmäßige Absinkbewegung durch den Wasserkörper vollführt und in einer vorbestimmbaren Orientierung den Meeresboden erreicht.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem geotextilen Sandcontainer mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 8.
Dadurch, dass ein in Einbaulage unten liegender Abschnitt des Sandcontainers mit einer wassergesättigten Füllung und/oder durch Zugabe von im Vergleich zur restlichen Sandfüllung des Sandcontainers schwererem Material eine höhere Dichte hat, wird der unten liegende Abschnitt des Sandcontainers ballastiert, womit er eine stabilere Lage beim Absinken im Wasserkörper einnimmt und Dreh- sowie seitliche Bewegungen verhindert bzw. reduziert werden. Folglich kann ein Sandcontainer von einem Schiff durch freies Absinken lassen durch den Wasserkörper erheblich genauer am Meeresboden positioniert werden. Die Trajektorie des Sandcontainers durch den Wasserkörper ist durch die Ballastierung deutlich zielgerichteter und nicht durch zufällige Taumelbewegungen, Drehungen und seitliches Abgleiten bestimmt.
Verfahrensgemäß wird der Sandcontainer mit seinem in Einbaulage unten liegenden, ballastierten Abschnitt auf die Wasseroberfläche gesetzt, eingetaucht und in dieser Orientierung losgelassen, bei der Sinkbewegung hält der Container durch die Ballastierung seine relative Ausrichtung im Wasserkörper und sinkt entsprechend seines Relativgewichts im Wasser und seinem Strömungswiderstand im Wesentlichen gradlinig zum Meeresboden.
Die Umströmung des Sandcontainers beim Absinken kann dadurch optimiert werden, dass die geotextile Hülle in seinem in Einbaulage unten liegenden Abschnitt eine Spitze, konvexe Auswölbung oder dreiseitiges Prisma ausgebildet hat. Durch diese strömungstechnische Optimierung wird das Sinkverhalten weiter stabilisiert und die Sinkgeschwindigkeit erhöht.
Alternativ kann auch die bekannte Kissenform des geotextilen Sandcontainers beibehalten werden, wobei die Einbaulage mit seinem größten Querschnitt flach auf dem Meeresboden aufliegend orientiert ist. Versuche haben gezeigt, dass bei einem kissenförmigen Sandcontainer ein Absinken mit seinem größten Querschnitt normal zur Absinkrichtung orientiert eine stabile Lage im Wasser darstellt, womit ein im Wesentlichen gradliniger Sinkvorgang erfolgt. Allerdings ist bei der bekannten Kissenform der Absinkvorgang relativ langsam, da der Strömungswiderstand um das Kissen relativ hoch ist. Entsprechend besteht bei größeren Wassertiefen und/oder stärkeren Meeresströmungen eine höhere Gefahr der Verdriftung.
Ergänzend sind an den in Einbaulage orientierten Längsseiten des Sandcontainers hydrodynamische Leitflügel ausgebildet. Diese Leitflügel stabilisieren den Absinkvorgang des ballastierten Sandcontainers, insbesondere bei einer schnelleren Sinkgeschwindigkeit, die durch eine hydrodynamisch optimierte Formgebung des Sandcontainers, beispielsweise in Art eines Torpedo-Ankers ermöglicht wird. Bevorzugt sind die Leitflügel aus dem Geotextil der Hülle gebildet, da somit keine weiteren unterschiedlichen Materialien am Sandcontainer vorzusehen sind und Beschädigungen von nebeneinander liegenden und/oder aneinander vorbeibewegten Sandcontainern vermieden werden.
Wenn der Sandcontainer in Absinkrichtung langgestreckt ausgeführt ist, verringert sich, bevorzugt zusammen mit den Merkmalen von Unteranspruch 2, der Strömungswiderstand im Wasserkörper in Absinkrichtung erheblich, so dass die Absinkgeschwindigkeit steigt.
Wenn sich der Sandcontainer zum in Absinkrichtung oberen Ende verjüngt, wird der Strömungswiderstand weiter verringert, so dass der Sandcontainer in Art eines Torpedo-Ankers mit relativ hoher Sinkgeschwindigkeit und damit in sehr gradliniger und von anderen Einflüssen, wie beispielsweise der Meeresströmung, kaum beeinflusster Art zum Meeresboden sinken wird.
Verfahrensgemäß ist es wichtig, dass der abzusenkende Sandcontainer spontan losgelassen wird, ohne dabei Bewegungsimpulse auf den Sandcontainer zu übertragen. Somit kann vermieden werden, dass der Sandcontainer im Moment des Loslassens im Wasserkörper noch eine Orientierungsveränderung erhält und somit sein eigentliches Ziel am Meeresboden nicht mit ausreichender Genauigkeit trifft.
Wenn Meeresströmungen im Wasserkörper im Zielbereich zum genauen Positionieren des Sandcontainers an der Wasseroberfläche gemessen und/oder abgeschätzt werden, kann das Ablageziel am Meeresboden für den Sandcontainer durch daraus errechnetes Vorhalten auch bei relativ langsam absinkenden Sandcontainern (Kissencontainern) oder bei sehr starken Meeresströmungen zielgenau erreicht werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Prinzipskizzen detailliert beschrieben.
Darin zeigt:
1 einen ballastierten Sandcontainer in einer ersten Ausführungsform,
2 eine alternative Ausführungsform zur 1,
3 einen zylindrischen Sandcontainer mit kegelförmiger Spitze,
4 einen zylinderförmigen Sandcontainer mit Flügeln und
5 eine alternative Form für einen Sandcontainer.
1 zeigt einen Sandcontainer 1 mit einer möglichen langgestreckten Form mit einer geotextilen Hülle 10 und einer darin aufgenommenen Sandfüllung 2. Ein in Einbaulage unten liegender Abschnitt 11 des Sandcontainers 1 ist dadurch ballastiert, dass darin schwereres Material 21, beispielsweise mit Wasser gesättigter Sand oder Kies eingefüllt ist. Im übrigen Bereich 12 der Hülle 10 des Sandcontainers 1 ist trockener Sand 22 eingefüllt. Dies kann beispielsweise auch mit einem mit trockenem Sand vollständig gefüllten Sandcontainer erreicht werden, der vor dem Einbau in richtiger Orientierung in einem Wasserbad steht, das zur Ballastierung (Wassersättigung) des unteren, im Wasser stehenden Teils des Sandcontainers führt.
Alternativ zur in 1 dargestellten vertikal langgestreckten Form des Sandcontainers 1 ist in 2 ein ähnlich geformter Sandcontainer 1 dargestellt, dessen in Einbaulage unten liegender Abschnitt 11 jedoch längs einer Langseite des Sandcontainers 1 angeordnet ist.
In weiterer Ausgestaltung ist in 3 ein zylindrischer Sandcontainer 1 dargestellt, der in seinem in Einbaulage unten liegenden Abschnitt 11 in der Hülle 10 eine nach unten spitz zulaufende Kegelform hat, so dass dieser Sandcontainer 1 beim Absinkvorgang durch die Ballastierung und die strömungstechnisch sinnvolle Kegelform zentriert zur Zylinderachse des Sandcontainers absinkt.
In weiterer Ausgestaltung ist in 4 ein Sandcontainer 1 dargestellt, der wiederum zylindrische Grundform hat, jedoch neben der Ballastierung eines in Einbaulage unten liegenden Abschnittes 11 durch schweres Material 21, beispielsweise Wasser gesättigter Sand und/oder Kies vier Flügel 15 an seiner in Zylindermantelform ausgebildeten Längsseite aufweist. Beim Absinken zum Meeresboden im Wasserkörper bewirken die Flügel 15 eine Stabilisierung der Bewegungsbahn des Sandcontainers 1. Dabei wirken die Flügel 15 um so stärker, je höher die Relativgeschwindigkeit (Absinkgeschwindigkeit) des Sandcontainers 1 im Wasserkörper ist.
In weiter alternativer Gestaltung gemäß 5 weist ein Sandcontainer 1 eine im Wesentlichen zylinderförmige Hülle 10 auf, bei der jedoch der unten liegende Abschnitt 11 eine kegelförmige Spitze 13 aufweist, die ballastiert ist. Ferner weist diese Ausführungsform auch die auf der zylindermantelförmigen Längsseite angebrachten Flügel 15 auf. Bei einer Sinkbewegung in Richtung der Zylinderachse 14 wird das Wasser bei der Absinkbewegung zentrierend verdrängt und durch die Relativbewegung im Wasserkörper entlang der Flügel 15 die Absinkbewegung stabilisiert.
In einer nicht weiter dargestellten Ausführungsform verjüngt sich das obere Ende des Sandcontainers, so dass eine weitere Verringerung des hydraulischen Widerstands beim Absinken des Sandcontainers erreicht wird. Entsprechend erreicht der so ausgebildete Sandcontainer eine relativ hohe Absinkgeschwindigkeit, ähnlich wie bei Torpedo-Ankern bekannt.
Insgesamt wird herausgestellt, dass durch die Ballastierung des Sandcontainers in seinem in Einbaulage unten liegenden Abschnitt 11 und bedarfsweise durch hydrodynamisch geeignete Ausbildung der bei der Absinkbewegung angeströmten Fläche und der abgewandten Fläche sowie Ausbildung von Flügeln 15 entlang der Längsseiten des Sandcontainers eine erhebliche Stabilisierung der Bewegungsbahn des Sandcontainers im Absinkvorgang erreicht wird. Ferner wird eine Erhöhung der Absinkgeschwindigkeit erreicht, so dass etwaige im Wasserkörper wirkende laterale Strömungen nur geringen Einfluss auf die Zielgenauigkeit des abzusenkenden Sandcontainers haben. Ferner kann durch geeignete Messmittel die Meeresströmung gemessen und die Positionierung des Sandcontainers an der Wasseroberfläche so gewählt (vorgehalten) werden, dass der Sandcontainer trotz der Meeresströmung sein Ziel genau erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Sandcontainer
10: Hülle (geotextile)
11: in Einbaulage unten liegender Abschnitt
12: übriger Bereich
13: Spitze
14: Zylinderachse, Längsachse
15: Flügel
2: Sandfüllung
21: schwereres Material
22: trockener Sand

Claims

Geotextiler Sandcontainer (1) zum Unterwasserschutz an Bauwerken, insbesondere als Kolkschutz, mit einer geotextilen Hülle (10) und einer Sandfüllung (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein in Einbaulage unten liegender Abschnitt (11) des Sandcontainers (1) mit einer wassergesättigten Füllung und/oder durch Zugabe von im Vergleich zur restlichen Sandfüllung (2) des Sandcontainers (1) schwererem Material (21) eine höhere Dichte hat.
Geotextiler Sandcontainer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geotextile Hülle (10) in seinem in Einbaulage unten liegenden Abschnitt (11) eine Spitze (13), konvexe Auswölbung oder dreiseitiges Prisma ausgebildet hat.
Geotextiler Sandcontainer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geotextile Hülle (10) Kissenform hat, wobei die Einbaulage mit seinem größten Querschnitt flach auf dem Meeresboden aufliegend orientiert ist.
Geotextiler Sandcontainer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den in Einbaulage orientierten Längsseiten des Sandcontainers (1) hydrodynamische Leitflügel ausgebildet sind.
Geotextiler Sandcontainer (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflügel aus dem Geotextil der Hülle (10) gebildet sind.
Geotextiler Sandcontainer (1) nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass er in Absinkrichtung langgestreckt ausgeführt ist.
Geoxtextiler Sandcontainer (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sandcontainer (1) zum in Absinkrichtung oberen Ende verjüngt.
Verfahren zum Absenken geotextiler Sandcontainer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Sandcontainer (1) an der Wasseroberfläche positioniert und losgelassen wird, so dass er zum Meeresboden sinkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sandcontainer (1) mit seinem in Einbaulage unten liegenden, ballastierten Abschnitt (11) auf die Wasseroberfläche gesetzt, eingetaucht und in dieser Orientierung losgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der abzusenkende Sandcontainer (1) spontan losgelassen wird, ohne dabei Bewegungsimpulse auf den Sandcontainer (1) zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Meeresströmungen im Wasserkörper im Zielbereich zum genauen Positionieren des Sandcontainers (1) an der Wasseroberfläche gemessen und/oder abgeschätzt werden.