DE2507686A1 - Versenkbares bauwerk - Google Patents

Description

EISENFÜHR & SPEISER Patentanwälte

UiHL -ing Günther eisenführ

Dipl -.MG DIETER K. SPEISER BREMEN Dr REB mat HORST ZlNNGREBE

UNS ZEICHEN B 321

ANMELDER/iNH Balaena Group Limited
Aktenzeichen: Neuanmeldung

datum 21. Februar 19 75

Balaena Group Limited, Guardian Royal Exchange House, 62, Hills Road, Cambridge CB2 ILA (England)

Versenkbares Bauwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein versenkbares Bauwerk zur Gründung in einer Erdschicht eines Gewässerbettes, mit einer undurchlässigen Manteleinrichtung an seiner Basis, welche die Erdschicht durchdringen kann und einen oder mehrere von oben durch die Bauwerksbasis gebundene Mantelbereiche umfaßt, und mit einer Leitungseinrichtung zum Entfernen von Wasser aus dem bzw. den Bereich(en). Derartige versenkbare Bauwerke werden in erster Linie für Erdöl-Bohranlagen, ölspeicherbehälter und kombinierte Bohr-Speicherbehälter-Anlagen benutzt.

Wenn Bauwerke dieser allgemeinen Art in der offenen See eingesetzt werden, dann müssen sie dem Kentern und der Versetzung unter der Einwirkung beträchtlicher Seegangskräfte Widerstand leisten, und daher ist es üblich, derartige Bauwerke auf dem Gewässerbett in einer Betongründung oder mittels in den Seegrund eingetriebener

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Stangen sicher zu verankern. Als Alternativlösung kann man solche Bauwerke zusätzlich zur Netto-Gründungskraft, die sich aus der Differenz zwischen dem Bauwerksgewicht plus Inhalt minus Auftrieb ergibt, durch schweren Ballast belasten. Dann steht das gegründete Bauwerk frei auf dem Gewässerbett, ohne jede Art von positiver Verankerung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauwerk der genannten Art zu schaffen, welches für die Gründung in Seegrund-Erdschichten besonders geeignet ist, beispielsweise in Schlamm, Sand oder Ton.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Manteleinrichtung einen größeren Abschnitt der Basisfläche des Bauwerks einschließt, und daß eine Leitung Mittel zu ihrem Verschluß aufweist, um die freie Rückkehr von Wasser in den bzw. die Mantelbereiche durch die Leitung zu verhindern.

Auf diese Weise erzielt man eine sehr sichere Gründung des Bauwerks im Gewässerbett, indem die Manteleinrichtung in die Erdschicht eingebettet und aus den vom Mantel umgrenzten Bereichen das Wasser mittels der Leitungseinrichtung entfernt wird. Sobald das Bauwerk in Position aufgestellt ist und durch Verschließen der Leirungseinrichtung die Rückkehr von Wasser in die Mantelbereiche verhindert wurde, erzeugt jede Tendenz des Bauwerks zum körperlichen Anheben oder zum Kippen, dh. zum Neigen nach einer Seite, eine dynamische Gegenkraft, indem sich der Druck innerhalb der Mantelbereiche reduziert. Diese Druckreduktion kann nur durch Einfließen von Wasser in die Mantelbereiche durch die Erdschicht hindurch, in welcher die Manteleinrichtung eingebettet ist, gestört werden, und da die Durchlässigkeit der betreffenden

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Erdschicht begrenzt ist, wird auch die Durchflußmenge des Wassers durch die Schicht hindurch, unter die Manteleinrichtung und hinaus zu den Mantelbereichen begrenzt. Durch einwandfreie Ausbildung der Mantelexnrichtung, insbesondere in der Tiefe und in den horizontalen Abmessungen der Mantelbereiche, kann man die besonderen Eigenschaften der vorhandenen Erdschicht berücksichtigen, so daß die erzeugten dynamischen Gegenkräfte ausreichen, um dem Kentern des Gebäudes auch bei schwersten Seegangsund Windeinflüssen erfolgreich Widerstand zu leisten.

Aus der GB-PS 1 088 804 ist ein Gebäude bekannt, dessen Basis mit in Abständen verteilten hohlen Säulen besetzt ist, die oberhalb des Meeresspiegels an eine Pumpeinrichtung angeschlossen sind, um das Wasser beim Gründungsvorgang des Bauwerks aus dem Innern der Säulen zu entfernen. In diesem Falle dient die Pumpeinrichtung jedoch dazu, um bei Bedarf den Untergrund durch Bildung von Wasserwirbeln zu lösen und es auf diese Weise den Säulen zu erleichtern, den Boden zu durchdringen. Insbesondere dient diese Einrichtung dazu, solch ein Bauwerk in einem schrägen Gewässerbett zu horizontieren, und diese Säulen sind somit nicht in der Lage, Bereiche mit reduziertem Porendruck unterhalb eines größeren Abschnitts der Bauwerksbasis zu bilden, wie beim Gegenstand der Erfindung. Ferner besitzen die Säulen dieses bekannten Bauwerks keine Verschlußeinrichtung, welche die Rückkehr von Wasser in den Säuleninnenraum verhindert.

Um eine maximale wirksame Fläche zu erzielen, an der die Reaktionskräfte wirksam sind, besitzt das Bauwerk vorzugsweise einen um seinen Umfang herumführenden durchgehenden Mantel. Der von diesem Mantel umschlossene Bereich kann intern durch Innenwände unterteilt sein,

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deren Funktion nachfolgend näher erläutert wird.

Die Einrichtung zum Verschließen der Leitungseinrichtung kann durch Einweg-Ventile gebildet werden, die sich in einigem Abstand unterhalb des Meeresspiegels befinden, vorzugsweise an der Basis des Bauwerks, und die Leitungseinrichtung kann ferner an eine oder mehrere Pumpen angeschlossen sein, welche den Wasserentzug aus dem oder den Mantelbereich(en) unterstützen. Die gleiche Pumpe oder gegebenenfalls andere Pumpen können dazu benutzt werden, um das Wasser in die Mantelbereiche zurückzupumpen, wenn das Bauwerk angehoben und gegebenenfalls aus dem Gewässerbett entfernt werden soll, falls erwünscht.

Der Leitungsauslaß kann in einen unterhalb des Wasserspiegels befindlichen Tank einmünden und unter atmosphärischem Druck stehen, so daß eine kontinuierliche oder unterbrochene .Wasserentnahme aus den Mantelbereichen ohne Benutzung von Pumpen in der Leitungseinrichtung möglich ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer Zeichnung entnommen werden. Darin zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene, schematische Seitenansicht eines auf einem Gewässergrund aufgestellten versenkbaren Bauwerks,

Fig. 2 eine separate, maßstäblich vergrößerte Darstellung von einem Ausschnitt A aus Fig. 1, und

Fig. 3 eine Bodenansicht des Bauwerks von Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

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Das in Fig. 1 dargestellte Bauwerk dient als tragendes Bauwerk für eine Ölbohr-/Speicherstation und man unterscheidet rein äußerlich einen Hauptkörper 1, einen oder mehrere reduzierte Halsabschnitt(e) und einen Oberbau 3 oberhalb des Meeresspiegels L, welcher einen Wohnblock, ein Arbeitsdeck, einen Hubschrauberlandeplatz und dergleichen beherbergt. Das Innere des Hauptkörpers 1 ist vorzugsweise durch nicht dargestellte innere Trennwände in separate Speicherzellen unterteilt, die zu gegebener Zeit aufgeblasen oder geflutet werden können, damit man das Bauwerk in horizontaler Lage aufschwimmen lassen und an bzw. von Bohrstellen schleppen kann. Sobald das Bauwerk eine bestimmte Position erreicht hat, flutet man den Innenraum in gesteuerter Weise wieder und setzt das Bauwerk in vertikaler Lage auf dem Meeresgrund ab. Im aufgestellten bzw. gegründeten Zustand des Bauwerks kann das darin befindliche Wasser durch zu speicherndes Öl ersetzt werden oder umgekehrt.

Der Hauptkörper 1 des Bauwerks besitzt einen kreisrunden Querschnitt in einem typischen Durchmesserbereich zwischen 50 und etwa 80 m. Alternativ dazu kann das Bauwerk auch einen guadratischen oder einen anderen polygonalen Querschnitt besitzen, wobei die Seitenlänge etwa zwischen 50 und 80 m beträgt. Der Boden des Hauptkörpers 1 ist durch eine Basisplatte 4 aus Baustahl verschlossen, und unmittelbar darüber befindet sich ein Ballast 6, der asymmetrisch ausgebildet sein kann, um das Bauwerk durch einseitige Belastung im Schwimmzustand zu stabilisieren und den Gründungsvorgang in vorausschaubarer Weise zu erleichtern.

An der Basisplatte 4 sind zwei kreuzweise zueinander verlaufende Gruppen von jeweils in Abständen und parallel

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zueinander verlaufenden Trägern 7 und 8 befestigt, und die Unterseite der unteren Träger 8 ist mit einer perforierten Unterplatte 9 belegt. Die miteinander verbundenen Zwischenräume zwischen den Trägern 7 und 8 sind mit Kies oder einem anderen Filtermaterial, vorzugsweise gesiebt, gefüllt und bilden eine Filterzone zwischen den Platten 4 und 9.

Abgedichtet durch beide Platten 4 und 9 ist ein Bündel von Bohrloch-Leitungsführungen 11 hindurchgeführt, und eine oder mehrere Leitungen bzw. Entwässerungsrohre 12 sind abgedichtet in Löcher der Basisplatte 4 eingefügt und stehen auf diese Weise mit der Filterzone in Verbindung.

Ein durchgehender undurchlässiger Mantel 13 mit einer Tiefe von etwa 10 m (die Tiefe hängt von der Natur der Bodenschicht am Aufstellort ab) erstreckt sich um den gesamten Umfang der Basis des Bauwerks herum und ist in regelmäßigen Abständen durch«innere und äußere Versteifungsplatten 14, 15 verstärkt. Die äußeren Versteifungsplatten 15 dienen außerdem als Scheuerschutz, wie nachstehend erläutert wird.

Ein innerer zylindrischer Mantel 16 ist in ähnlicher Weise durch Platten 17 versteift und an der Unterplatte 9 in der Weise befestigt, daß er das von den gebündelten Bohrloch-Leitungsführungen 11 durchstoßene Gebiet der Unterplatte in sich einschließt; die Unterplatte 9 ist ansonsten innerhalb des Mantels 16 nicht perforiert, sondern nur zwischen den beiden Mänteln 13, 16, damit Zugang zur Filterzone besteht.

Außerdem kann die gesamte Basis des Bauwerks mit einer Anzahl innerer Trennwände (siehe die unterbrochenen Linien

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23 in Fig. 3), die miteinander vernetzt sind, so ausgestattet sein, daß ein quadratisches oder ringförmiges Gittermuster entsteht, dessen Ausläufer sich an den äußeren Mantel anschließen. Diese Trennwände können wesentlich flacher sein als der äußere Mantel 13.

Diese Trennwände

a) versteifen sich gegenseitig und widerstehen so den beträchtlichen Horizontalkräften, welche große Wellen auf das Bauwerk übertragen;

b) teilen die zwischen ihnen bestehenden Kräfte auf;

c) verhindern unterhalb der Basisplatte das schnelle Fließen von Grund-/Wasserschlamm;

d) setzen Vertikalbewegungen des Bauwerks einen beträchtlichen Reibungswiderstand entgegen und wirken dabei vorteilhaft so wie Blechpfähle, indem sie die im Reibkontakt mit dem Grund stehende Fläche vergrößern; und

e) helfen bei der Aufrechterhaltung eines Druckgradienten über die Basis hinweg, um die Kippkräfte aufgrund von Seegang- und Windeinwirkung zu überwinden.

Das Entwässerungsrohr 12 reicht bis über den Meeresspiegel L, um eine Entlüftung zur Atmosphäre zu bilden, oder um den Einlaß für eine Pumpe zu bilden, welche Wasser aus der Filterzone und dem Bereich zwischen den Mänteln 13 und 16 entfernen soll. Alternativ dazu kann das Entwässerungsrohr in einen oder mehrere Behälter 24 einmünden, die sich unter-

bei ' halb des Meeresspiegels befinden und/atmosphärischem Druck gehalten werden. Diese Behälter 24 sind vorzugsweise mit einer oder mehreren Pumpen 26 ausgerüstet, damit der Wasserspiegel in den Behältern unterhalb eines vorbestimmten

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Maximumspiegels bleibt. Diese Anordnung sorgt für einen Druckabfall zwischen dem Mantelbereich und dem oberen Ende des Entwässerungsrohres 12, entsprechend der Wassersäule zwischen Meeresspiegel und Behältern, und weniger Reibungsverluste, so daß ständig oder intermittierend Wasser aus dem Mantelbereich in die Behälter 24 abgelassen werden kann, ohne die Pumpen im Entwässerungsrohr 12 benutzen zu müssen. Die Behälter 24 stehen auf einem Deck 25, welches Im Falle eines Versagens der Pumpe 26 eine Überlaufkapazität bietet.

Das Rohr ist mit nicht dargestellten Ventileinrichtungen ausgerüstet, beispielsweise in Form eines einfachen Rückschlagventils, welches sich vorzugsweise in Bodennähe des Bauwerks befindet, auf jeden Fall unterhalb des Meeresspiegels.

Ferner besitzt das Bauwerk ein Standard—J.—Rohr 21 für unter Wasser gefördertes Öl und mit Druckausgleichrohren 22 oder Öffnungen 23a, damit Wasser aus dem Hauptkörper verdrängt werden kann, wenn Öl von oben her nachgefüllt wird.

Bei Ingebrauchnahme schwimmt das Bauwerk und wird in horizontaler Lage zu seinem Aufstellort geschleppt, wo die Aufstellung auf dem Grund in kontrollierter Weise erfolgt, indem man nach und nach die Innenabteilungen des Hauptkörpers 1 flutet. Zunächst wird das Bauwerk in eine schwimmende Vertikallage gebracht und anschließend weiter geflutet, damit es vertikal auf den Meeresgrund absinkt. Die Mäntel 13 und 16 dringen dann in den Meeresgrund ein, bis der Boden, genauer gesagt die perforierte Unterplatte des Bauwerks, auf dem Grund zur Auflage kommt, wie in Fig. dargestellt. Während dieser Eindringphase wird zwischen den

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Mänteln stehendes Wasser durch die Filterzone hindurch und über die Entwässerungsrohre 12 verdrängt, so daß sich die Mantel vollkommen in den Meeresgrund eingraben, bis die Basis des Bauwerks fest auf dem Grund aufliegt. Das Durchdringen und die Wiederverfestigung des gestörten Grundes kann man dadurch unterstützen bzw. beschleunigen, daß man in Verbindung mit den Entwässerungsrohren eine Pumpe benutzt und unterhalb der Basis einen Unterdruck erzeugt, welcher den Absenkdruck des Bauwerks vergrößert. Während dieses Vorgangs kontrolliert man sorgfältig die Entwässerungsstrome, um die Möglichkeit einer "Lunkerbildung" unter dem Mantel zu verhindern.

Nach dem Setzen und unter der Annahme, daß die oben erwähnte Pumpe abgestellt und die Ventileinrichtung im Rohr 12 geschlossen wurde, erfolgt die Gründung des Bauwerks aufgrund seines eigenen Netto-Gründungsgewichtes.

Der Widerstand des Bauwerks gegen jegliche dynamischen Heb- oder Kippkräfte wird durch die Tatsache erhöht, daß der Mantel 13 eine etwa 10 m tiefe Barriere bildet, welche das direkte Eindringen von Wasser (Lunkerbildung) und losem Boden in den Innenraum des Mantels verhindert, so daß eine vorbeiziehende Welle einen reduzierten Druck unterhalb der Basis erzeugt, wodurch sehr hohe zusätzliche Gründungskräfte erzeugt werden. Dieser reduzierte Druck kann nur ausgeglichen werden durch Wasser, welches eine 20 m lange Strecke im Grund durchdringt, der ohnehin sehr wenig durchlässig ist, so daß der Wasserzustrom während einer HaIbwellenperiode vernachlässigbar klein ist.

Zur besseren Erläuterung dieser Bedingungen sei angenommen, daß das Bauwerk auf dem Grund der Nordsee in beispielsweise 130 m Wassertiefe auf Grund gesetzt ist. Am Boden herrscht

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ein der darüberstehenden Wassersäule entsprechender hydrostatischer Druck, also in 130 m Tiefe ein Druck von etwa

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13 kp/cm . Während des statistischen "einhundert-Jahres-Stromes", wenn die Wellenhöhe etwa 30 m erreicht, erhöht sich der Druck unter der Basis auf der einen Seite des Bauwerks und vermindert sich auf der anderen Seite, und es entsteht ein Druckgradient durch die inneren Trennwände, oben erwähnt. Die Größenordnung dieser Veränderung entspricht der Wellenperiode, deren Dauer 16 Sekunden von einem Maximum über das Minimum zum nächsten Maximum beträgt.

Vorausgesetzt, der Mantel ist tief genug, um den Eigenarten des Grundes angepaßt zu sein, dann ist die Eintrittsgeschwindigkeit des Wassers in den Mantelbereich viel zu klein, um den Abfall und den Anstieg des Druckes unterhalb der Basis innerhalb der Periode beeinflussen zu können, in welcher die Kippkräfte auf das Bauwerk wirksam sind. Die Wellenkräfte kehren ihre Richtung um, und es ist bei der auf das Bauwerk übertragenen leichten Schwing— bewegung möglich, daß eine Pumpwirkung erzeugt wird, welche die Tendenz hat, Wasser aus dem.Mantelbereich und der Filterzone mit Hilfe der oben erwähnten Rückschlagventile zu entfernen. Das bedeutet, wenn mehrere Entwässerungsrohre an verschiedenen Punkten über die Basis verteilt sind und jedes ein eigenes Rückschlagventil besitzt, daß auf der Seite des Bauwerks, wo ein zeitweiliger Druckanstieg erfolgt, örtlich Wasser herausgepreßt wird, welches wegen der Ventile nicht zurückkehren kann, wenn sich die Kräfte umkehren und diese Seite des Bauwerks demnächst zum Anheben tendiert.

Als Beispiel für die Größenordnung der Gründungs- und Wiederherstellkräfte, die auftreten können, seien folgende

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Verhältnisse angenommen: Das Bauwerk habe eine Basis-

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fläche von etwa 5570- m , die im wesentlichen bis zu einer Tiefe von 10 m ummantelt ist und auf typischem Nordsee-Meeresgrund ruht. Dann erzeugt eine Verminderung

des Druckes unterhalb der Basis um 0,07 kp/cm eine zusätzliche Gründungskraft, die einem Ballastzuwachs von 4000 Tonnen und einem entsprechenden Anstieg der effektiven Bodenbelastung entspricht- Dann erzeugt eine Kippkraft von 40.000 Tonnen, die in einer Höhe von 70 in über dem Meeresgrund wirksam ist, ein Reaktions-Wiederherstellmoment von mehr als 2,5 Millionen Metertonnen.

In dem Falle, wo das bzw» die Entwässerungsrohre 12 in einen Vorratsbehälter 24 führen, der sich in einem berechneten Abstand unterhalb der normalen Meeresspiegelhöhe befindet und angemessene, auf die Durchlässigkeit des Meeresgrundes zugeschnittene Abmessungen besitzt, dann könnte ein Druckdifferentiai über die Basis des Bauwerks aufrechterhalten werden für die Dauer eines schweren Sturmes, auch wenn die Pumpe bzw. Pumpen 26 versagen.

Wenn, wie oben angedeutet, eine Pumpe zur Entnahme von Wasser aus dem bzw. den Entwässerungsrohren 12 vorhanden ist, dann könnte diese dauernd oder intermittierend betrieben werden, damit sichergestellt wird, daß jegliches freies Wasser innerhalb des Mantels 13 entfernt wird und auf diese Weise ein (reduzierter) Differentialdruck unter der Basis aufrechterhalten wird, welcher die Gründungs— kräfte des Bauwerks unterstützt.

Der Mantel 13 würde natürlich unwirksam werden, wenn Meeresgrundströme in der Lage wären, unmittelbar neben der Außenwand des eingebetteten Mantels die Sand—/Schlickschicht wegzuspülen, und in dieser Hinsicht sind die

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äußeren Versteifungsplatten 15 ein nützliches Mittel, um solche Ströme zu dämpfen und das Ausspülen zu verhindern.

Die Funktion des inneren Mantels 16 soll noch vollständig beschrieben werden. Wenn eine Ölbohrung erfolgt, dann werden eine oder mehrere Bochloch-Leitungsführungen mit verfestigtem erbohrtem Erdreich gefüllt, und wenn das Bauwerk unter diesen Bedingungen einer großen Kippkraft unterworfen würde, dann könnte dieses Erdreich in den unter der Basis entstandenen Raum einfließen und so dem sich bildenden reduzierten Druck nachgeben oder eher dessen Bildung verhindern. In diesem Falle verhindert der innere Mantel 16, daß das Erdreich den Raum zwischen den beiden Mänteln erreichen kann, so daß der verminderte Druck sich in jedem Falle in dem entsprechenden Bereich der Basis bilden kann.

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Claims (8)

1. Ansprüche

   rlJ Versenkbares Bauwerk zur Gründung in einer Erdschicht eines Gewässerbettes, mit einer undurchlässigen Manteleinrichtung an seiner Basis, welche die Erdschicht durchdringen kann und einen oder mehrere von oben durch die Bauwerksbasis gebundene Mantelbereiche umfaßt, und mit einer Leitungseinrichtung zum Entfernen von Wasser aus diesem bzw. diesen Bereich(en), dadurch gekennzeichnet, daß die Manteleinrichtung (13, 16) einen größeren Abschnitt der Basisfläche des Bauwerks einschließt, und daß eine Leitung (12) Mittel zu ihrem Verschließen aufweist, um die freie Rückkehr von Wasser in den bzw. die Mantelbereiche (13, 23, 16) durch die Leitung zu verhindern.
2. 2. Bauwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Manteleinrichtung ein durchgehender, sich um den Umfang der Basis (4) erstreckender Mantel (13) gehört.
3. 3. Bauwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem durchgehenden Mantel (13) umschlossene Mantelbereich durch interne Trennwände (23) unterteilt ist.
4. 4. Bauwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Mantel (16) vorhanden ist, welcher den inneren Mantelbereich von einem Bereich der Basis (4) trennt, die von mindestens einer Bohrloch-Leitungsführung (11) durchragt ist.

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5. 5. Bauwerk nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filterzone vorhanden ist, welche eine Menge eines Filtermaterials enthält und räumlich im wesentlichen mit der bzw. den Mantelbereichen zusammenfällt und sich direkt oberhalb des bzw. der Mantelbereiche befindet.
6. 6. Bauwerk nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (12) mit einer Rückschlagventil-Einrichtung versehen ist, welche das Entweichen von Wasser aus dem bzw. den Mantelbereicnen ermöglicht und die freie Rückkehr von Wasser in diesen Bereich verhindert.
7. 7. Bauwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (12) auslaßseitig in einen Behälter (24) mündet, der sich im Betrieb des. Bauwerks unterhalb des Meeresspiegels (L) befindet und unter atmosphärischem Druck steht.
8. 8. Bauwerk nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Pumpen, mittels denen Druckfluid in den bzw. die Mantelbereiche einspeisbar ist, um die Demontage des Bauwerks vom Gewässergrund zu unterstützen.

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