EP2484838A1 - TIX-Baggerverfahren - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Entfernung sandiger und/oder schluffiger Ablagerungen auf Bodenflächen von Gewässern mittels hydropneumatischer Verfahren, insbesondere Wasserinjektion, Saugbaggerung oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass man die zu entfernende sandig/schluffige Ablagerung, vor der Anwendung des hydropneumatischen Entfernungsverfahrens, einer Krafteinwirkung aussetzt, die die Viskosität der Ablagerung verringert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung sandiger/schluffiger Ablagerungen auf Bodenflächen von Gewässern mittels hydropneumatischer Maßnahmen.
• In vielen Gewässern, insbesondere befahrenen Strömen, sollen wegen der Befahrbarkeit durch moderne Containerschiffe die Fahrrinnen auf über 14 m NN vertieft werden. Im Zusammenhang damit sind aufwendige und teure Baggerarbeiten auch in den anliegenden Häfen notwendig, um einen tideunabhängigen Schiffsverkehr zu ermöglichen.
• Seit langem bevorzugt man für Vertiefungs- und Unterhaltungsbaggerungen zwei hydropneumatische Verfahren, die relativ unaufwändig und dabei umweltschonend sind, nämlich einerseits Wasser-Injektionsverfahren und andererseits Saugbagger-Verfahren.
• Bei den Wasser-Injektionsverfahren wird in die zu entfernende Oberflächenschicht des Gewässerbodens Wasser unter Druck eingespritzt, um die Viskosität dieser Schicht zu verringern, ohne sie durch Aufwirbelung zu zerstören. Die so behandelte Schicht (auch als Dichteschicht bezeichnet) kann über einen geeigneten NiveauUnterschied am Gewässerboden abfließen. Eine ausführliche Darstellung von Wasserinjektionsverfahren gibt zum Beispiel Meyer-Nehls in "Das Wasserinjektionsverfahren. Ergebnisse aus dem Baggergutuntersuchungsprogramm", Heft 8, Oktober 2000, FHH Hamburg, ISSN 0177-1191. Eine jüngere Veröffentlichung, die auch Injektionsverfahren behandelt, ist DE- 10 2009 015 203 Al . Injektionsverfahren eignen sich besonders zur Entfernung von Schlick und ähnlichen Ablagerungen.
• Saugbagger-Verfahren eignen sich für alle Arten von Ablagerungen und sind vielfältig vorbeschrieben. Beliebt sind heute solche Verfahren, bei denen das angesaugte Gemisch fester und flüssiger Bestandteile teilweise getrennt wird, so dass ein Teil des angesaugten Wassers in das Gewässer zurückgeführt werden kann (Suction Hopper Dredging).
• Baggerungen mit dem Wasserinjektionsgerät (WI-Verfahren) und dem Hopperbagger kommen insbesondere bei sandigen/gering schluffigen Sedimenten, mit einer linearen Kornverteilung (insbesondere des Sandanteils), an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Unter "sandig/schluffig" wird im Kontext dieser Beschreibung das Vorhandensein von Sand zusammen mit Tonpartikeln verstanden.
• Im Prinzip erfolgt bei beiden ("hydropneumatischen") Verfahren eine Umlagerung der Sedimente aus einer teilstabilen Lage durch Wasserdruck bzw. durch Wassersog. Beim Wasserinjektionsverfahren wird das Sediment mittels Wasserdruck von 1,5 bis 3 bar über Düsen vom Grund gelöst und durch natürlich vorherrschende Gefälle bzw. Strömungen umgelagert.
  Beim Hopperbagger werden die Sedimente mit dem umgebenden Wasser mittels Pumpensog vom Grund in den Schiffsraum gefördert. Dort wird das Transportwasser durch Sedimentation im Schiffskörper von den Sedimenten zum Großteil getrennt und in das Gewässer zurückgeleitet. Die verbleibenden Sedimente werden mit dem Baggerschiff transportiert und entweder an einer Stelle im Gewässer verklappt oder in Spülfeldern an Land umgelagert.
• Während bei schlickartigen (wenig sandhaltigen) Sedimenten die Umlagerung im Hinblick auf die Zeiten des Einsatzes nahezu problemlos erfolgen, ist jedoch bei speziellen schluffigen Sanden der Zeitaufwand im Hinblick auf den Effekt groß und somit sind die Kosten unangemessen hoch.
• Solche Sedimente mit im Wesentlichen linearer Kornverteilung schluffiger Feinsande kommen schon wegen der natürlich verlaufenden Längsklassierung häufig in Gewässern vor. Sie sind mit den bekannten, oben erwähnten hydropneumatisch wirkenden Verfahren nur schwer zu mobilisieren.
• So wurde beispielsweise bei Baggerungen im Hafen Cuxhaven festgestellt, dass in den angesprochenen Bereichen mit dem WI-Verfahren eine Sedimentstärke von 10 cm erst nach 17-fachem sehr langsamen Befahren umgelagert werden konnte. Durch den hohen Zeitaufwand entstehen hohe Kosten. Diese können zwischen 700,00 €/h und 1.200,00 €/h erreichen.
  Durch die längeren Bearbeitungsdauern werden mehr Schwebstoffe aus den Dichteströmen der transportierten Sedimente erzeugt, was aus ökologischen Gründen vermieden werden sollte.
  Darüber hinaus wird der Schiffsverkehr mehr als notwendig durch die Baggerarbeiten behindert, was statistisch zu einer größeren Unfallgefahr führt.
• Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer schwer auszuräumende Sedimente ohne die Nachteile der bekannten Verfahren schneller, sicherer und ökologisch besser entfernt werden können.
• Die Lösung dieser und anderer Aufgaben erfolgt durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem beigefügten unabhängigen Verfahrenspatentanspruch, und die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem beigefügten unabhängigen Vorrichtungspatentanspruch.
• Die Unteransprüche definieren vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur besseren Mobilisierung von feinkörnigen, sandigen und/oder schluffigen Sedimenten in Gewässern bei der Umlagerung definiert, das sich die thixotropen Eigenschaften solcher Sedimente zu Nutze macht.
• In der Bodenkunde bezeichnet Thixotropie einen Zustand in feinkörnigen, meist sandig/tonigen Sedimenten, bei dem durch mechanische Beanspruchung reversible Viskositätsunterschiede auftreten. Typisch ist ein Wechsel von fest nach flüssig durch Erschütterung mit anschließender Rückkehr in den festen Zustand. Ausschlaggebend für diese Eigenschaften sind Korngrößenzusammensetzung und Art der der Sediment bildende Stoffe. Meist sind es plättchenförmige Tonminerale, die sich - in mikroskopischem Maßstab - zunächst in allen Raumrichtungen gegeneinander abstützen. Bei Erschütterungen bricht die Struktur wie ein Kartenhaus in sich zusammen, die Mineralplättchen parallelisieren sich und beginnen mangels interner Haftkräfte unter Einwirkung der Schwerkraft aneinander vorbeizugleiten. Thixotropie ist auch bei wässrigen Feinsanden (Treibsand) beobachtet worden.
• Einen wesentlichen Einfluss auf die Herabsetzung der Viskosität insbesondere bei tonhaltigen Sanden hat, wie sich im vergleichenden Laborversuch gezeigt hat, die linear verlaufende Kornverteilung der Feinsande. Die Reibung innerhalb der Kornpakete wird durch induziertes Wasser herabgesetzt.
  Im Wesentlichen besteht eine Abhängigkeit von der Reynoldzahl, die sich über den Quotienten der Beschleunigungsarbeit und Reibungsarbeit in Flüssigkeiten definiert: $$\mathrm{Beschleunigungsarbeit}\mathrm{/}\mathrm{Reibungsarbeit}\mathrm{=}\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{5}{\mathrm{x\; \delta \; x\; V\; x\; v}}^{\mathrm{2}}\mathrm{:}\left(\mathrm{F\; x\; \eta \; x\; L\; x\; dv}\mathrm{/}\mathrm{dz}\right)\mathrm{=}\mathrm{v\; x\; \delta \; x\; X}\mathrm{:}\mathrm{\eta }\mathrm{=}\mathrm{v\; x\; X}\mathrm{:}\mathrm{\upsilon }\left[\mathrm{1}\right]$$

  
• Die Reynoldzahl informiert über den Strömungszustand. Physikalisch wesentlich ist die Grenzschichtbetrachtung der Fest- Flüssigphase. Innerhalb längs angeströmter Wände (Partikelwände) wirken in einer sehr dünnen Schicht, der Grenzschicht oder Reibungsschicht, starke Reibungskräfte. $${\mathrm{K}}_{\mathrm{R}}\mathrm{=}\mathrm{\eta \; x\; F\; x\; dv}\mathrm{/}\mathrm{dz}\left[\mathrm{N}\right]$$

  
• Die Grenzschichtdicke ist wesentlich für die Reibungskräfte, die beim Transport der Sedimente aufgewendet werden müssen. Durch die Art der mechanischen Beeinflussung des thixotropischen Zustandes der Sedimente wird die K_R erfindungsgemäß zeitweise wesentlich verkleinert.
• Die Schichtdicke berechnet sich wie folgt: $${\mathrm{D}}_{\mathrm{x}}\mathrm{=}\mathrm{3}\mathrm{,}\mathrm{02}\mathrm{x\; X}\mathrm{:}\left({\mathrm{Re}}_{\mathrm{x}}\right)\mathrm{½}\left[\mathrm{m}\right]\mathrm{;}\mathrm{1}\mathrm{=}\mathrm{3}\mathrm{,}\mathrm{02}{\left(\mathrm{\eta \; x\; X}\mathrm{:}\left\{\mathrm{\rho \; x\; \upsilon }\right\}\right)}^{\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{5}}\mathrm{=}\mathrm{3}\mathrm{,}\mathrm{02}\mathrm{x\; X}\mathrm{:}{\left(\mathrm{Re}\right)}^{\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{5}}\left[\mathrm{m}\right]$$

  
• Da die an den Grenzschichten der Sedimentpartikel auftretenden Druckabfälle die Reibung mindern, wird das zeitlich begrenzte thixotrope Fließverhalten begünstigt. Dadurch nimmt der notwendige Druck für die zu mobilisierenden Sedimente ab. $$\mathrm{\Delta p}\mathrm{=}\mathrm{\lambda \; x\; L}\mathrm{/}\mathrm{d\; x}\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{5}{\mathrm{x\; \rho \; x\; v}}^{\mathrm{2}}\left[\mathrm{N}\mathrm{/}{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}\right]$$

  
• Im Prinzip wird, vor der hydropneumatischen Einwirkung durch die vorgenannten Baggerverfahren auf das Sediment, die kinematische und dynamische Viskosität des teilstabilen Sediments durch gezielte mechanische Krafteinwirkungen auf das thixotrope Medium kurzfristig wesentlich herabgesetzt.
  Die mechanische Krafteinwirkung erfolgt bevorzugt durch Scherbeanspruchung und Rütteln auf der Sedimentoberfläche. Zur Optimierung des Energieeinsatzes wird bei den umzulagernden Sedimenten eine Resonanz angestrebt. Die optimalen Parameter können leicht durch Vorversuche ermittelt werden.
  Beim Rütteln wirkt das Porenwasser im Sediment bei der Kraftübertragung in die Tiefe der Sedimentschicht mit.
  Die häufig auftretende stabilisierende Riffelbildung der Sedimentoberfläche wird aufgelöst und das Trägheitsmoment des Liegenden minimiert.
• Der hydrostatische Druck des aufliegenden Wasserkörpers, Strömungen und Beeinflussung der physikalischen Grenzschichten wirken bei der Herabsetzung der
• Stabilität und des Beharrungsvermögens der umzulagernden Sedimente mindernd auf den Energieeintrag.
• Zusammengefasst wird durch Erschütterungen und Scherungen bei thixotropen Sedimenten deren Viskosität zeitweise und partiell herabgesetzt, wodurch die Entfernung dieser, durch herkömmliche Baggerverfahren schwer abtragbare Ablagerungen, schneller und energiesparender durchgeführt werden kann.
• Während es denkbar ist, eine Vorrichtung zur Anwendung der Erfindung als separates Gerät auszubilden, wird die technische Einrichtung zur Herabsetzung der Viskosität bevorzugt an Wasserinjektions-Baggern, Hopperbaggern und Schleppern installiert. Sie besteht aus einer beispielsweise balkenartigen absenkbaren Einrichtung, die bis zu 12 m lang ist und quer zur Fahrtrichtung der Schiffe auf dem Sedimentgrund aufliegend mitgeführt wird. Über diese Einrichtung wird die mechanische Energie über Rüttler, Scherköpfe, Vibratoren und Exzenter an das thixotrope Sediment übertragen. Der jeweilige Einsatz der vorgenannten verschiedenen Geräte richtet sich nach der zu bearbeitenden Sedimentqualität und wird nach dem besten Wirkungsgrad gewählt.
• Die Vorrichtung liegt z. B. bei dem Wasserinjektionsverfahren in Bearbeitungsrichtung vor, und etwa parallel zu, dem Wasser-Injektionsbalken und verringert die Viskosität. Über die nachfolgenden Injektions-Düsen wird durch Hydrodynamik das Sediment in einen Dichtestrom überführt, welcher mit der Strömung bzw. dem Gefälle umgelagert wird.
  Ein Vorteil dieses Kombinations-Verfahrens ist, dass vergleichsweise zum bekannten WI- und Hopper-Verfahren wesentlich mehr thixotropes Sediment pro Zeiteinheit mobilisiert werden kann.
• Um der gesetzlichen Forderung der Wasserrahmenrichtlinie zu folgen (EU Ebene; WRRL: Erhaltung der Gewässer trotz Nutzung in einem guten Zustand; Regelungen der Ersatzmaßnahmen) werden vorzugsweise an der Anlage am Grund Vorrichtungen zum Verscheuchen der Makroorganismen angebracht.
Glossar
• Stoßzahl: Begriff aus der physikalischen Chemie; eine mathematische Formel, nach der die Häufigkeit des Zusammentreffens zweier oder mehrerer chemischen Reaktionspartner berechnet werden kann.
• Mathematische Formelzeichen:
• p = Druck [N/m²]
• V = Volumen [m³]
• n = Anzahl [1]
• R = molare Gaskonstante [8,314426..J/mol ° K]
• T = Temperatur in ° Kelvin
• Re = Reynoldszahl [1]
• δ = Dichte [kg/m³]
• υ= kinematische Viskosität [m³/s]
• η = dynamische Viskosität [Ns/m²]
• v = Geschwindigkeit [m/s]
• X, L = maßgebliche Längen [m]
• λ= Strömungszustand [1]
• d = Durchmesser [m]

Claims (14)

1. Verfahren zur Entfernung sandiger und/oder schluffiger Ablagerungen auf Bodenflächen von Gewässern mittels hydropneumatischer Verfahren, insbesondere Wasserinjektion, Saugbaggerung oder dergleichen,
   dadurch gekennzeichnet, dass man die zu entfernende sandig/schluffige Ablagerung, vor der Anwendung des hydropneumatischen Entfernungsverfahrens, einer Krafteinwirkung aussetzt, die die Viskosität der Ablagerung verringert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man die Krafteinwirkung über die Ablagerungsoberfläche durch mechanische Beanspruchung der Ablagerung, insbesondere durch Rütteln und Scherbeanspruchung, bewirkt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Krafteinwirkung in ausreichend geringem zeitlichen Abstand, insbesondere unmittelbar vor der Anwendung des hydropneumatischen Verfahrens erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1―3, bei dem die sandig/schluffige Ablagerung thixotrope Eigenschaften aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 ― 4, bei dem die sandig/schluffige Ablagerung auch Tone, insbesondere mit plättchenförmigen Teilchen umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 ― 5, bei dem die sandig/schluffige Ablagerung eine im Wesentlichen lineare Kornverteilung, insbesondere im Sandanteil, aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 ― 6, bei dem die Ablagerung anspruchsgemäß behandelt und dann mittels eines Wasser-Injektionsverfahrens in eine ausreichend fließfähige Dichteschicht umgewandelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -6, bei dem die Ablagerung gemäß einem der Ansprüche 1 ― 6 behandelt und dann mittels eines Saugbagger-Verfahrens abgetragen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das abgetragene Material vom angesaugten Wasser wenigstens teilweise getrennt und das abgetrennte Wasser zurückgeführt wird (Suction Hopper Dredging).
10. Vorrichtung zur Entfernung sandiger/schluffiger Ablagerungen auf Bodenflächen von Gewässern, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 ― 9, mit Einrichtungen zur mechanischen Krafteinwirkung auf die Oberfläche der hydropneumatisch zu entfernenden Ablagerung.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Einrichtungen Rüttler, Scherköpfe, Vibratoren, Exzenter und dergleichen umfassen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, die als Wasserfahrzeug, insbesondere als Schiff ausgebildet ist, wobei die Einrichtungen zur Krafteinwirkung auf den Gewässerboden absenkbar sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, mit einem zur Bearbeitungsrichtung quer verlaufenden, absenkbaren Träger, an dem die Einrichtungen befestigt sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 - 13, weiterhin ausgestattet mit Einrichtungen zur Anwendung eines hydropneumatischen Entfernungsverfahrens.