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Timestamp: 2019-06-18 04:59:15+00:00

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b) Für geomechanische Zustandsgrößen
Neben den geometrischen Größen bestimmen die geomechanische Zustandsgrößen die Stabilität oder Formen des Versagens (Grundbruch etc) des geotechnischen Bauwerkes, der Kippenböschung etc. Die die Stabilitätskriterien und die Bruchkriterien bestimmenden Zustandsgrößen sind der Winkel der inneren Reibung Φ , die Kohäsion c und die Dilatanz bzw. Dilatanzfunktion D. Nachfolgend gilt es nun Φ = Φ(e); c = c(e) und D = D(e) zu definieren und deren Einfluss in Stabilitäts- und Bruchkriterien aufzuzeigen. Diese Einflüsse lassen sich wie folgt zusammen fassen:
mit: Τf Scherfestigkeit
e Porenzahl, c' wirksame (effektive) Kohäsion, Ф’ wirksamer (effektiver) Winkel der inneren Reibung
σ' effektive (wirksame) Normalspannung (senkrecht zur Scherfläche)
Spannungsgeschichte
ε Dehnung, Verformungsgeschwindigkeit
S Zustandsparameter (Struktur des Materials, Einfluss der Erosion, Suffosion und Kolmation)
Hinzu kommt die bodenarmierende Wirkung von Pflanzen. Auch auf diese Art der Armierung ist beim Nachterstedter Endböschungssystem verzichtet worden.
Die Änderung der Scherfestifkeit aus [1] wird unter der Annahme, dass der Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit und der Temperatur in bezug auf das Nachterstedter Endböschungssystem darin vernachlässigt werden kann, wie folgt dargestellt:
Für tan φ΄lässt sich in guter Näherung und in Bezug auf Schultze definieren:
Für die wirksame Kohäsion schlagen Carrier/Beckman vor:
Damit kann gezeigt werden, dass die Änderung der Scherfestigkeit des technogenen Lockergesteinskörper im Zeitintervall zurückgeführt werden kann auf das Verhalten der Porenzahl, des Wassergehalts und auf die Strukturänderungen des Lockergesteins. Für das jeweilig zu untersuchende geotechnische Bauwerk, insbesondere für das Nachterstedter Endböschungssystem, sind die Ansätze für φ΄ und c΄ zu modifizieren und auf die in situ Bedingungen anzupassen. [2] ist aber gut geeignet, die Scherfestigkeit des technogenen Lockergesteinskörper einem Langzeitmonitoring zu unterziehen bzw. mit geeigneten numerischen Modellen damit das Lockergesteinsverhalten nachzubilden.
Im Verformungsverhalten überwiegen bereits bei geringen Belastungen bei Lockergesteinskörper die inelastischen Verformungen. Der elastische Verformungsanteil ist häufig so klein, so dass er vernachlässigt werden kann. Nach dem Boltzmann Axiom überlagern sich verschiedene aber zeitgleich auftretende Verformungsanteile zur Gesamtverformung nach [3]
el - elastisch, pl - plastisch (zeitunabhängig inelastisch), vis - viskos (zeitabhängig inelastisch), thermisch
Bei statischen Belastungsvorgängen wird auf den viskosen und den thermischen Verformungsanteil in [3] verzichtet.
Zwischen Porenzahl und der Volumendehnung kann jetzt der nachgewiesene Zusammenhang definiert werden:
- Anfangsporenzahl - erste Invariane des Verzerrungstensors
1. Auf welcher Grundlage erfolgte die Sanierung der Böschung Nachterstedt? Wer verantwortet was?
Die Wiedernutzbarmachung (Sanierung) von Bergbauprojekten erfolgt auf der Grundlage des Bundesberggesetzes (BBergG) nach §4 (4), in dem nach ein Abschlussbetriebsplan (§53 BBergG) aufgestellt und bei der Bergbehörde eingereicht und von ihr zugelassen (§§54,55 BBergG) werden muss. Auf der Grundlage dieses Abschlussbetriebsplanes, der im Regelfall nur mit einer großen Anzahl strenger Auflagen (Nebenbestimmungen, BBergG §16) zugelassen wird, erfolgen alle Arbeiten durch den Bergwerkseigentümer (Unternehmer, §2 BBergG). Am Zulassungsverfahren (§54 BBergG) sind Betroffene (Fachbehörden, Planungsträger etc.) zu beteiligen. Dies erfolgt im Allgemeinen über den Braunkohlenausschuss der jeweiligen Bergbauregion. Kann der Unternehmer nicht alle Arbeiten im Rahmen des Abschlussbetriebsplanes selbst ausführen, so darf er einen fachkundigen Dritten mit der Ausführung der Aufgaben beauftragen. Der Unternehmer nach §2 BBergG für den eingestellten Tagebau Nachterstedt ist die LMBV. Nach BBergG §58 heißt es, Zitat:
2. die zur Leitung oder Beaufsichtigung des Betriebes oder eines Betriebsteiles bestellten Personen im Rahmen ihrer Aufgaben und Befugnisse. Und weiter § 59 : Beschäftigung verantwortlicher Personen:
(1) Als verantwortliche Personen im Sinne des § 58 Abs. 1 Nr. 2 dürfen nur Personen beschäftigt werden, die die zur Erfüllung ihrer Aufgaben und Befugnisse erforderliche Zuverlässigkeit, Fachkunde und körperliche Eignung besitzen. Ende Zitat.
Im Regelfall ist der Eigentümer, bestellte Geschäftsführer, ins Ressort Berufene etc. Bei Bundesunternehmen insbesondere für den Sanierungsbergbau, ist dies aber nicht immer so. Damit fällt die Verantwortung für das Unternehmen und die bergrechtliche Verantwortung, also für alle Arbeiten nach zugelassenem Betriebsplan, auseinander. Dies mag aus Opportunitätsgründen für das Ministerium, in dessen Geschäftsbereich das Bundesunternehmen angesiedelt ist, ganz nützlich sein, für die Verantwortungsstruktur und für die detailgetreue und lediglich der Aufgabe sowie der Verantwortung verpflichteter Ausführung nicht, von späteren juristischen Verwicklungen, wie in so einem Unglücksfall, ganz abgesehen.
Da in einem Abschlussbetriebsplan auch die Endprofile der Böschungssysteme der TRL ausgewiesen und deren Stabilität nachgewiesen sein muss, vergibt die LMBV diese Leistungen an zertifizierte Planungsbüros. Diese Beauftragung ist auch erfolgt, die Arbeiten sind erledigt und verteidigt, damit ist allerdings obenstehende Verantwortung nicht entfallen. Die zugelassenen Parameter des Endböschungssystem können dem zugelassenen Abschlussbetriebsplan in seiner endgültigen Fassung entnommen werden. Die Böschung, das Böschungsplateau ist zur Nutzung und Bebauung freigegeben.
Die Beauftragung des zertifizierten Ingenieurbüro enthält die folgenden Punkte, siehe Referenzliste:
Standsicherheitsnachweise für diverse, der Sanierung/Flutung unterliegende Halden und Tagebaurestlöcher (Gröbern, Golpa-Nord, Nachterstedt, Niemegk, Holzweißig-West, Goitsche [Bf. 1], Roßbach etc.)
- Vorgabe der standsicheren Böschungsgeometrie
- Böschungsgestaltung der künftigen Wasserwechselzone
- Festlegung der Flutungsfolge im Restlochinnenbereich
- Prüfen und Festlegen von Maßnahmen zum Anschluss von Setzungsfließ- und Suffusionsgefahren
- Begleitung der Sanierungsarbeiten
- Abnahme der Böschungen nach Abschluss der Sanierung
2. Wer hat Interesse an einer zuverlässigen, sachdienlichen und lückenlosen Aufklärung der Rutschung des Nachterstedter Endböschungssystem?
- Natürlich zu allererst die Betroffenen, aber auch die Öffentlichkeit insgesamt. Mit derzeit vertraglich zugesicherten 9,296 Mrd. EURO für die Sanierung der Hinterlassenschaften der Braunkohlenindustrie der DDR, wovon fast 9 Mrd. EURO verausgabt sind, sollte auch die öffentlich Sicherheit hergestellt und gewährleistet werden. Die Öffentlichkeit hat deshalb einen Anspruch darauf, über Stand und Entwicklung der Untersuchungen zeitnah, verlässlich und der Sache dienlich unterrichtet zu werden.
- Die Fachbehörden. Das BBergG ist immer wieder, auch unsachlichen, Angriffen ausgesetzt. Aus meiner Sicht ist das BBergG eine sehr gute Grundlage erfolgreichen, sicheren und auch umweltschonenden Bergbau, eingeschlossen Beendigung und Verwahrung, zu betreiben, wenn es Buchstaben genau eingehalten wird. Umweltverträglichkeitsprüfungen, Planfeststellungsverfahren, Zuverlässigkeit, Fachkunde, körperliche Voraussetzungen etc. sind vorbildhaft darin verankert. Nur eines ist nur eingeschränkt ausgewiesen, die Öffentlichkeitsbeteiligung. Nun kann man ja veranlassen, die Öffentlichkeit umfassender zu beteiligen, wenn es politischer Wille ist, insbesondere für ein Bundesunternehmen, nur ist es nicht zwingend. Darüber nachzudenken und nach zu bessern, kann jetzt Anlass sein, obwohl es in der Vergangenheit bereits einige Veranlassungen gegeben hat. Die Fachbehörden werden aber auch neue Erkenntnisse gewinnen hinsichtlich der Einschätzung und Durchsetzung von Stabilitätsuntersuchungen, zu notwendigen stabilisierenden Maßnahmen für komplexe Endböschungssysteme, zur Nachsorge und Gewährleistung, eingeschossen dem Langzeitmonitoring und der Fachkunde an der Ausführung und Einschätzung Beteiligter bzw. beauftragter Dritter.
- Die Bergbautreibenden. Durch dieses tragische Unglück sind auch sie gleich unter Generalverdacht geraten. Sie werden alles tun, um aus dieser Rutschung, den Ursachen und Folgen Rückschlüsse zu ziehen und Lehren anzunehmen. Bergbauunternehmen sind hinsichtlich der Geomechanik, der Hydrologie (Hydrogeologie), technologischer Abläufe und technischer Ausstattung sehr gut aufgestellt. Ihnen zu unterstellen, sie gehen nicht sorgsam mit der Aufgabe um, wird den Tatsachen nicht gerecht.
3. Welche Sanierungszustände, Nutzungs- und Bebauungsplanung lagen für das Nachterstedter Endböschungssystem vor?
Die Erstbebauung der Siedlung Am Ring existiert zwar seit ca. 80 Jahre, allerdings auch nach Beendigung des Bergbaus, in der Sanierungsphase, fanden weitere Baumaßnahmen auf der Böschung statt und sollten zukünftig umfänglich stattfinden. Nach bestätigtem Flächennutzungs- und Bebauungsplan, auf der Grundlage der Regionalplanung (siehe Visionen-Konzepte und Ideen in Bergbaufolgelandschaften, LMBV) weist die LMBV unter AL 01 das Konzept der Entwicklung für das Seeland Nachterstedt, unten im linken Bild dargestellt, mit detaillierter Flächenangabe aus. Unter sonstige Nutzungen, 330,3 ha, sind in dieser Konzeption für Wohnbaufläche 11,4 ha und Sonderbaufläche 247,1 ha angegeben. Davon entfallen auf den Wohn- und Freizeitstandort Nachterstedt 9,3 ha, siehe unten mittleres Bild. Im Wohn- und Freizeitstandort Nachterstedt sind von den 9,3 ha Gesamtfläche 4,3 ha für Wohnbebauung ausgewiesen, dies entspricht ca. 38% der für Wohnbebauung am gesamten Concordia See ausgewiesenen Fläche für Wohnbebauung! In der Tabelle rechts unten sind die im FEW, Liegenschaftskatalog der LMBV unter AF 07 aufgeführte Flächennutzung zusammengestellt. Es ist ersichtlich, dass das gesamte Böschungsplateau bebaut werden sollte, mit den dazugehörigen Infrastruktur- und Erschließungsmaßnahmen. Infrastruktur- und Erschließungsmaßnahmen haben schon stattgefunden, sie sind teilweise durch die Rutschung vernichtet. In einem geotechnischem Modell müssen diese allerdings Berücksichtigung finden.
Wohn- und Freizeitstandort Nachterstedt
Wohnungsbau, touristische Infrastruktur, wassersport-orientiertesGewerbe (z. B. Bootsbau)
Flächengröße (gesamt)
Fläche im Eigentum der LMBV
Sonderbauflächen für Erhohlung
sonst. Flächen (Verkehr, Grün)
Die Flächen stehen zur Vermarktung zur Verfügung
Profil der geteuften Erkundungsbohrung 4134/ GL/2318, Bohransatzpunkt in der Wohnsiedlung Am Ring, siehe Landesbohrdatenbank LAGB Sachsen-Anhalt, zur Ansicht anklicken
9. Welche geomechanischen Zustandsparameter können dem Nachterstedter Endböschungssystem zugeordnet werden?
8. Welche geohydraulischen Zustandsparameter können dem Nachterstedter Endböschungssystem zugeordnet werden?
6. Liegen Schichtenprofile für das geschüttete und gewachsene Material in den Bereichen BI und BII vor?
Ja, im LAGB Sachsen-Anhalt sowohl als Kartenmaterial, siehe u.a. Zusammengefasste Kippbodenkarten im Maßstab1:25.000 (KBK25), als auch in Bohrprofilen, siehe Landesbohrdatenbank LAGB Sachsen-Anhalt.
So wird für BII die folgende typische Schichtenfolge beschrieben:
Die Aufschlußpunkte südlich und östlich der Brikettfabrik zeigen Mächtigkeiten der Aufschüttung von 18 m bzw. 40 m. Der Aufschlußpunkt auf dem Fabrikgelände zeigt 2 m Löß, auf den tieferen Horizontkarten dann fluviale und glazifluviale Sande und Kiese und einen Elster-Geschiebemergel: Zitat Anfang
1 m Aufschüttung
2 m eW Löß
11 m fSI Mittel- bis Grobsand
3 m fSI „Kiessand“ (Sand- und Kies-Wechsellagerung)
3 m gE Geschiebemergel
6 m gfEv Mittel- bis Grobsand
2 m gfEv „Kiessand“ (Sand- und Kies-Wechsellagerung)
4 m gfEv Mittel- bis Grobsand
3 m gfEv Feinsand, z.T. schluffig, sowie Fein- bis Mittelsand
Σ35 m künstliche Auffüllung
Quartärbasis bei 92 mNN Zitat Ende
Das heißt, u.a auch die Brikettfabrik wurde auf Geschüttem errichtet.
über die TRL-Sohle
4134/GL/2318,
Profil siehe unten
Aus der Landesbohrdatenbank kann das Profil 4134/GL/2318 entnommen werden, siehe Bild rechts - zur Vergrößerung einfach anklicken. Der Bohransatzpunkt lag direkt in der Wohnsiedlung Am Ring. Darin sind auch die Grundwasserleiter GWL 63 und GWL 73 verzeichnet. Der Grundwasseranstrom zur Nachterstedter Böschung erfolgt von SW, der Abstrom nach NO. Das Grundwassereinzugsgebiet umfasst (vorrangig SSW) ca. 100 ha. Das Grundwasser strömt unter einem Gradienten von ca. 0,4 bar/m dem Concordia See zu. Dabei steigt der GWL 73 über die TRL-Sohle in den Concordia See auf während der GWL 63 über die Nachterstedter Böschung den Concordia See speist.
Bliebe noch der Verweis auf Grünsande, die im Zusammenhang mit einem Setzungsfließen gebracht worden sind. Diese sind in diesem Böschungsbereich nirgendwo angetroffen worden. Einen umfassenden Nachweis darüber hat P. Balaske in seiner Dissertation, 1998 MLU, erbracht.
92 mNN
Luftbild: Quelle: LMBV, Radtke, Peter, 2008,
Luftbild: Wohnsiedlung Am Ring und Aussichtspunkt "Seeland"
Flurkarte/Diss. Balaske, P. (1998), MLU Halle-Wittenberg
Standard-Böschungsprofil LMBV, Quelle: Nach der Kohle kommt das Wasser
7. Welche grundsätzlichen strategischen Überlegungen bei Versagensanalysen (Erkundungen, Untersuchungen) von TRL-Böschungen gibt es?
Ein Grundsatz für Untersuchungen (Erkundungen, Analysen) von TRL-Böschungen (Risikoböschungen) ist, diese als einen geotechnogenen Lockergesteinskörper, der auf einen gewachsenen geogenen Grundkörper aufgesetzt ist, zu betrachten, bei dem aufgrund des (gerichteten) Schüttvorgangs der vertikale Böschungsaufbau mit den räumlichen Mischungsveränderungen des abgetragenen sediment-petrografischen Materials untersucht werden sollte. Bei der Nachweispraxis werden punktuelle Informationen oder Informationen entlang einer Linie gewonnen. Ziel muss es sein, daraus räumliche Informationen abzuleiten, um zu geomechanischen und geohydraulischen Zustandsgrößen zu gelangen, damit die Kippenwasserentwicklung beim Grundwasseraufstieg und die Standsicherheiten von TRL-Böschungen zuverlässig prognostiziert werden können. Da die TRL-Böschungen äußerst inhomogen (und anisotrop) sind und Anomalien nicht ausgeschlossen, sollte zunächst eine Zonierung vorgenommen werden. Eine Zonierung der Aufschlussergebnisse erfolgt üblicherweise mit statistischen Methoden und geeigneten Verteilungsfunktionen. Dabei kann es hilfreich sein, mit geophysikalischen Methoden den geotechnogenen Lockergesteinskörper nach Anomalien abzutasten. Größere, zusammenhängende Schwächezonen können so erfasst werden, siehe auch Lersow, Referenzen [10]. Die Geoelektrik bietet sich hier an, allerdings ist der Verweis angebracht, lediglich das Maß der Abweichung vom Normalen damit nachzuweisen, nicht exakte geotechnische Parameter bestimmen zu wollen. Da CPT (Cone Penetration Tests) zur Gewinnung von Informationen über TRL-Böschungen sehr verbreitet sind, soll auch darauf hingewiesen werden, dass bei diesen Versuchen stets eine Überschätzung der Lagerungsdichte (Unterschätzung des Verformungspotentials) durch festigkeitserhöhendes Feinkorn in Kornkontaktflächenmenisken (das durch aufgehendes Grundwasser wieder gelöst wird) berücksichtigt werden muss, siehe auch R. Oehmig, Habilitation TU Cottbus, 2003.
Mit dem Grundwasserwiederanstieg und der Fremdflutung des TRL Nachterstedt/Schadeleben treten mit dem Anstieg des Böschungswasserspiegels in den erfassten Böschungszonen Veränderungen der Porosität und der Durchlässigkeit auf. Das Wasser bewirkt eine Korngefügeeinregelung in diesen Bereichen, insbesondere der Anteil an > 0,0063 mm in der Kornverteilung orientiert sich neu. Dies zeigt sich insbesondere durch eine Veränderung der hydraulischen Durchlässigkeit kf. Der Zusammenhang zwischen Korngrößenverteilung und kf -Werten ist hinlänglich bekannt und untersucht (Die Bergbautreibenden Vattenfall und Mibrag haben dies zur Perfektion gebracht).
Die Gefährdung der Böschungsstabilität durch den beim Grundwasserwiederanstieg wirksamen Auftrieb sowie Setzung, Sackung, Setzungsfließen/Fließrutschung wird durch die Sedimenteigenschaften des geotechnogenen Lockergesteinskörpers (Korngrößenverteilung, Kornform), Wasserstandsverhältnisse und die Lagerungsdichte in den einzelnen Schichten bestimmt. Für die ortskonkrete Beurteilung der Gefährdung und für stabilisierende Maßnahmen müssen die Sedimenteigenschaften des geotechnogenen Lockergesteinskörpers bekannt sein, Förster et al. 1989, hat darauf bereits verwiesen, siehe auch Referenzen [9,12]. Da die Porosität und Durchlässigkeit einerseits die hydraulischen Eigenschaften des geotechnogenen Lockergesteinskörpers, andererseits sein Setzungs- und Sackungspotential und damit auch das stabilitätsgefährdende Potential bestimmen, wird deutlich, das sich geohydraulische und geomechanische Zustandsgrößen wechselseitig beeinflussen. Dies ist von grundsätzlicher Bedeutung bei der Beurteilung des Versagens des Nachterstedter Endböschungssystems.
Geländesenkung und resultierend Verminderung von Durchfluß, Gebietsentwässerung und Flurabstand des Grundwassers sollten als Indikatoren der Wirkung der aufgehenden Wässer in der TRL-Böschung Ernst genommen werden. Der Faktor der Fließgeschwindigkeit auf innere Erosion und Suffosion sowie Kolmation als Initial von Setzung und Fließrutschung ist ein weiterer Hinweis auf den Zusammenhang zwischen hydraulischen Verhältnissen in der TRL-Böschung und ihrer geomechanischen Stabilität. Dies wird immanenter Bestandteil der Ursachenanalyse.
Insbesondere für bebaute TRL-Böschungen muss eine Langzeitstabilität gewährleistet sein. D.h., Nachsorge und Langzeitmonitoring ist Verpflichtung des Unternehmers. GW-Pegel mit gegebenenfalls Porenwasserdruckgebern und deren Überwachung können sicher Teil eines Langzeitmonitorings sein. Für sich genommen reicht dies aber nicht aus, es muss zumindest mit geeigneten Verschiebungsmessungen (-überwachungen) und Warnmeldern bei Überschreitung der Grenzwerte ergänzt sein. R. Oehmig, Habilitationsschrift, TU Cottbus 2003, hat bereits auf eine lange Nachsorge der sanierten TRL-Seen hingewiesen, allerdings dabei lediglich auf die Ergebnisse von Stofftransport-Modellen mit den notwendigen
Abhängigkeit der hydraulischen Durchlässigkeit kf
von der Korngrößenverteilung von Lockergesteinen, siehe PRINZ, H. (1997) Abriß der Ingenieurgeologie.- 3. Aufl., Enke, Stuttgart, 1-546 und DIN 18130 Tl.1
Auf folgende Auffälligkeiten wird verwiesen:
1. Es fällt die Übereinstimmung zwischen der Mächtigkeit der Aufschüttung (63,40 m) und der Höhe - 70 m - des steilen Böschungsabschnittes (1:3) sofort auf.
2. Über eine Schichthöhe von (nur) 12 m bis 31,80 m unter GOK ist ein kf -Werte von x10-2 ms-1 nachgewiesen. Die Schicht ist grobkiesig, geröllführend. Damit treten dort hohe Fließgeschwindigkeiten auf. Sie ist damit stark kolmationsgefährdet. Die Übereinstimmung zwischen der Größe der Abrisszone der gegangenen Böschung (ca. 70° steil und ca. 30 m bis 35 m hoch) und der Schichtdicke der sehr stark durchlässigen Schicht ist frappierend.
3. Die Grundwasserneubildungsrate (GWNBR) wird vom Umweltbundesamt (UBA) in diesem Gebiet (Querfurter Mulde, Ascherslebener Sattel) mit 1,25 l/s·km² (~ 39,5 mm/a) angegeben. Ein erheblicher Teil des Oberflächenwassers wird direkt in den Concordia See geleitet, da das Ufer stark versiegelt ist. Bei den GWL 63 und 73 handelt es sich um Porenwasserleiter. Zumindest der GWL 73 scheint von Natur aus gespannt zu sein, wodurch sein Aufstieg in das TRL erleichtert ist. Die Rütteldruckverdichtungen (RDV) am Ufer unterhalb der Nachterstedter Wohnsiedlung Am Ring dürften den Zufluss des GWL 63 über die Böschung zum TRL erheblich behindern. Bei der geotechnischen Modellierung wird dies Berücksichtigung finden.
4. Im Umfeld der Nachterstedter Böschung (Frose) wurden mit dem Aufgang des Grundwassers Vernässungen bei 106 mNN registriert. Dies zeigt, dass der GWS im Abstand zum Concordia See sehr rasch ansteigt. Die Oberflächenwässer fließen somit durch die sehr stark oder stark durchlässigen Schichten der Aufschüttung mit erheblichen Geschwindigkeiten. Dass dadurch die innere Erosion und Suffosion sowie Kolmation erheblich begünstigt wird (siehe Hydraulischer Grundbruch), soll nochmals hervorgehoben werden. Durch die im oben dargestellten Diagramm ausgewiesenen Stauer gelangen diese Sickerwässer aber nicht direkt in die GWL. Es kommt zu Rückstau in den darüber liegenden Schichten. In diesen Schichten gerät das Kornspektrum unter anhaltendem Auftrieb. Diese Tatsache wird noch dadurch verstärkt, dass durch das Anlegen von versteckten Dämmen, sowohl im Westufer als auch im Ostufer (Halde 2 und Halde 3), die Nachterstedter Böschung eingespannt wurde und damit der größte Teil der anfallenden Sickerwässer über diese Böschung dem Concordia See zugeleitet wird. Der freie Abfluss in das TRL wird in der Uferzone durch den dort errichteten versteckten Damm, eine künstliche Barriere, stark behindert. Mit dem dadurch hervorgerufenen Rückstau der Wässser ist ein starker Druckaufbau verbunden, der besonders auch auf den versteckten Damm
Die geohydraulischen Zustandsgrößen werden mit Erkundungsbohrungen und aus dem erbohrten Probenmaterial gewonnen. Im LAGB Sachsen-Anhalt liegt eine Kippenbodenkarte des TRL Nachterstedt (L4134) im Maßstab 1:25.000 vor. Die dort in der Legende ausgewiesenen Schichten lassen sich aber nicht einzelnen Böschungsabschnitten zuordnen. Wäre dies möglich, wäre die Zustandsbeschreibung des Nachterstedter Endböschungssystem umfassend. Auch weil mit der Zeit eintretende Veränderungen in einigen Bereichen vernachlässigbar sind. So ist das Nachterstedter Endböschungssystem im Steilen eine „trockene“ Schüttung. Durch das aufgehende Grundwasser und die Fremdflutung werden diese Böschungszonen nicht erfasst. Es kann also vorausgesetzt werden, dass die geomechanischen und geohydraulischen Zustandsgrößen durch diesen Vorgang, in dieser Zone des Böschungssystems, nicht verändert werden. Für die ortsgenaue Zuordnung der geohydraulischen Zustandsgrößen bleiben die beiden oben beschriebenen Aufschlüsse und die Dissertation von P. Balaske, zunächst. Zur Auswertung soll nochmal auf den Zusammenhang zwischen Korngrößenverteilung und hydraulischen Durchlässigkeit kf verwiesen werden. Daraus ergibt sich die Zustandsbeschreibung:
Zum Bereich des Werkpfeilers und des Sportplatzpfeilers:
Durch den Abbau auch der gering mächtigen Kohlebereiche des Werkpfeilers und des Sportplatzpfeilers entstand erheblicher Auffüllbedarf. Balaske hat für diesen Bereich eine Deckgebirgsschicht von ca. 35 m angegeben. Wird noch die Kohlenentnahme hinzu gerechnet, wird die Mächtigkeit der Aufschüttung in diesem Bereich, wie oben aufgeführt, von 18 m bis 40 m, bestätigt. Die Verteilung der Durchlässigkeiten über den Abstand zur GOK ist unten dargestellt.
Es können nur die geotechnischen Zustandsparameter der Lockergesteine in die Beurteilung des Versagens des Nachterstedter Endböschungssystem eingehen, die vor der Rutschung ermittelt wurden bzw. die zu dessen Versagen geführt haben. Für die Betrachtungen ist es weiterhin notwendig, vorhandene wechselseitige Abhängigkeiten zwischen geohydraulischen und geomechanischen Zustandsgrößen der Lockergesteine herauszustellen. Insbesondere sind dies Porosität (Porenzahl), Dichte, hydraulische Durchlässigkeit, Sättigungsgrad, Viskosität, Winkel der inneren Reibung, Kohäsion, Dilatanz.
Die Beachtung der Kopplung von geohydraulischen und geomechanischen Zustandsgrößen ist von fundamentaler Bedeutung für die Bestimmung der Standsicherheiten von Kippenböschungen, insbesondere auch, wenn eine Langzeitsicherheit gewährleistet sein muss, weil:
1.) die Strömungsgeschwindigkeiten der Sickerwässer, der Grundwässer in technogenen Lockergesteinskörpern, die damit
verbundene transportierte Wassermenge, erheblichen Einfluss auf die innere Erosion und Suffosion sowie Kolmation haben
(siehe Hydraulischer Grundbruch), auch weil diese starken Schwankungen, hervorgerufen durch die Witterung und die
Jahreszeiten, unterworfen sind;
2.) mit dem Strömungsvorgang im technogenen Lockergesteinskörper Änderungen der neutralen und damit der wirksamen
Spannungen verbunden sind. Dies beeinflusst:
a) den zeitlichen Verlauf der Deformationsvorgänge (Konsolidation)
b) die Ausbildung von Gleitflächen und Bruchvorgängen, weil eine Korrelation zwischen wirksamer Spannung und ertragbarer
Spannung (Festigkeit) und/oder Stabilitätsverlust eindeutig nachgewiesen ist.
3.) der Strömungsvorgang in Porenwasserleitern innerhalb des Porenraums verläuft (Porenraum: alle Poren stehen
miteinander in Verbindung, ausgenommen der Bestandteilen < 0,063 mm) können Abhängigkeiten sowohl der
geohydraulischen als auch der geomechanischen Zustandsgrößen von
- der Kornverteilung, der Dichte (ρ), dem Ungleichförmigkeitsgrad (U)
- der Porenzahl (e)
- dem Sättigungsgrad (Sr)
- der Vikosität (η) des strömenden Mediums (Chemismus beachten)
- der Temperatur (T)
nachgewiesen werden. Siehe auch Förster et al.
Nachfolgend werden grundsätzliche Zusammenhänge aufgeführt:
Zusammenfassung für die nachfolgenden Fragekomplexe, siehe slideshow unten
Slideshow, Verweildauer15 sek../Bild endlos
c) Aufarbeitung des zur Verfügung stehenden Datenmaterials
Die unter 9 a) und b) zusammengestellten Zustandsgrößen und grundlegenden Zusammenhänge sind auf ein begleitendes und ein Langzeitmonitoring angewiesen, das Daten nach einem vorgegebenen Raster [siehe 9 a) und b)] erfasst, auswertet und in die für Stabilitätsnachweise eingesetzte Software einpflegt, um damit auch das aktuelle Gefährdungspotential des überwachten geotechnischen Bauwerkes ermitteln und um daraus eventuell geeignete Maßnahmen zur Gefahrenabwehr ableiten zu können. So ein Überwachungssystem ist sowohl im Allgemeinen als auch im Besonderen, hier für das Nachterstedter Endböschungssystem, nicht bekannt. Aufgrund der Lückenhaftigkeit des zur Verfügung stehenden Datenmaterials wird der folgende Weg beschritten.
c1) Vorschlag (Notwendigkeit) für ein Langzeitmonitoring mit geeigneten Vorsorgemaßnahmen für geotechnische Bauwerke mit
erhöhtem Risikopotential (Versagenswahrscheinlichkeit), insbesondere für Kippen-, Kippensysteme des Braunkohlen-
sanierungsbergbau als Beleg dafür, das geeignete Geräte und Verfahren dafür zur Verfügung stehen
Als Grundvoraussetzung für die Entwicklung und letztendlich Installation eines permanenten Überwachungs- und Vorsorgesystems gilt, dass anerkannt wird, dass Bereiche mit erhöhter Versagenswahrscheinlichkeit in den Sanierungsgebieten existieren. Daraus folgt, dass alle Sanierungsobjekte klassifiziert werden müssen und in den wenigen Bereichen, die eine erhöhte Versagenswahrscheinlichkeit aufweisen werden, dann ein, auf den jeweiligen Standort zugeschnittenes, Langzeitmonitoring mit entsprechen Auswertealgorithmen und Vorwarnungen entwickelt und installiert wird. Zur Vorsorgeverantwortung gehört, dass für Siedlungsgebiete in den Sanierungsregionen das Restrisiko vertretbar sein und bleiben muss.
10. Welche rutschungsauslösenden Initiale können aufgezeigt werden?
a) Initiale im Zusammenhang mit Maßnahmen der Bergbausanierung (u.a. vom Bergamt zugelassen)
Östlich (Halde3) und westlich (Anlagestelle und Slipanlage für Seelandperle) des Nachterstedter Endböschungssystems wurden versteckte Dämme angelegt. Das Nachterstedter Endböschungssystem wurde so eingespannt. Der überwiegende Teil der anfallenden Oberflächenwässer wird so über die Nachterstedter Böschung dem Concordia See zugeleitet, siehe rechtes Bild unten.
b) Initiale im Zusammenhang mit Infrastrukturmaßnahmen zum Flächennutzungs- und Bebauungsplan des Projektes Wohn- und
Freizeitstandort Nachterstedt, siehe AF 07, FEW - Flächen für Freizeit, Erholung und Wohnen, Liegenschaftskatalog der LMBV
Entlang des Ufers des Nachterstedter Endböschungssystem wurde ein versteckter Damm zu Uferstabilisierung angelegt (2009). Dadurch wird aber der Abfluss der anfallenden, erheblichen Menge Wassers zum Concordia See behindert. Es entstand ein erheblicher Rückstau und dadurch ein erheblicher Druck in der Böschung und auf den versteckten Damm. Ein „Dammbruch“, mit nachfolgender Kettenreaktion, ist nicht unwahrscheinlich. Mit dem Versagen des Nachterstedter Endböschungssystems, ist auch eine erhebliche Menge Wasser aus der Böschung freigesetzt worden (abgegangen), siehe Bild unten Mitte.
Durch Infrastrukturmaßnahmen wurde der gesamten Uferbereich des Nachterstedter Endböschungssystems versiegelt. Auf die bodenarmierende Wirkung von Pflanzen wurde in diesem Bereich vollständig verzichtet. Damit bildete sich de facto ein zweiter Böschungsfuss zwischen dem steilen und dem flachen Teil des Nachterstedter Endböschungssystems aus.
c) Initiale aus der Infrastruktur, Ereignissen und Maßnahmen, die nicht mit der Bergbausanierung oder mit der Nachnutzung
bergbaulich in Anspruch genommener Flächen im Zusammenhamg stehen
Die Regionalbahnlinie (Halberstadt-Aschersleben) hat einen Abstand zur Kante des Nachterstedter Endböschungssystems von ca. 550 m, siehe Geodatenportal Sachsen-Anhalt. Durch die Ein- und Ausfahrt von Zügen (es fahren hier nicht nur Regionalbahnen!) wird eine dynamische Belastung im Nachterstedter Bahnhof, siehe Beschleunigungsschema, eingetragen. Bei sehr geschwächten geotechnischen Bauwerken reicht oftmals eine geringe dynamisch Anregung aus, um das Versagen auszulösen.
Kombinierter Verkehr und Ganzzüge
Belastungen in g, 1 g = 9,81m/s2
Linkes Bild: Orthofoto mit Nachterstedter Endböschungssystem und Lage der Regionalbahnstrecke,Siehe auch: www.geodatenzentrum.de/dienste/dop_viewer_geoview.htm; Bild Mitte: Rutschungskessel mit Lage der versteckten Dämme; Rechtes Bild: Anfallende Wässer im Böschungssystem mit Abriegelung des Abstroms zum Concordia See
Einschätzung des Risikopotentials (Versagenswahrscheinlichkeit) aller Sanierungsobjekte durch:
Unabhängige Gutachter, Bergämter
Für Bereiche, geotechnische Objekte, mit erhöhtem Risikopotentials (Versagenswahrscheinlichkeit)
Langzeitmonitoring (Sicherungsmaßnahmen für Langzeitstabilität)
- Installation eines Überwachungssystems mit Datenermittlung, -erfassung und -übertragung
- Numerische Bewertung der temporären Versagenswahrscheinlichkeit (Rutschungen, Dammbrüche, Grundbrüche etc.) aus übertragenen Datenmaterial in Echtzeit für das jeweilige Objekt
- Bereitstellung, updates und Entwicklung von Hard- und Software, Anpassung an die Entwicklung (learning by doing)
- Maßnahmenkatalog (Handlungsanweisungen) zur Gefahrenabwehr, Katastrophenschutz (Grubenwehr) etc.
- Vorwarnsystem
Zu ermittelnde, erfassende und zu übertragende Größen:
geohydraulische und geotechnische Zustandsgrößen der Lockergesteine (Festgesteine),
geophysikalische Größen, insbesondere:
Porenwasserdrücke, Verschiebungen (Setzungen), Pegelstände, Fliessgeschwindigkeiten, Wellengeschwindigkeiten, Niederschläge, Temperatur, Verdunstung, Zeit
Zyklische, physische Inaugenscheinnahme, Begutachtung (auch durch Befliegung)
- Vermessung (Kartierung, Geländeprofile, Böschungsgeometrie, Orthofotos) dieser Bereiche ev. geologische Aufnahme
- Markierungen, Höhenbolzen, etc.
Permanente, räumliche sowie flächenhafte Erfassung geeigneter Datensätze zur Erkennung von Anomalien, großen Abweichungen vom Normwert etc.
- Auslegung von sensorbestückten (Lichtleitern) Geogrid, Geomatten etc. Mit dazugehörigen Sendern und Empfängern in Bereichen erhöhter Versagenswahrscheinlich-keit
- geophysikalische Permanenttechnik, z.B. Geophone etc.
Klassische, punktuelle oder linienhafte Ermittlung geforderter geohydrau-lischer und geomechani-scher Zustandsgrößen der Lockergesteine (Festgesteine) mit Feld- und Laborversuchen
- Kernbohrungen, CPT klassisch und mit radiometrischer Sonde, Rammsondierungen, Flügeldrucksondierungen,
Pegel, Brunnen, Pumpversuche etc.
- Triaxial-, Oedometerversche, Rahmenschergerät, Siebanalysen
Vorkehrungen zur Gefahrenabwehr, Katastrophenschutz, Informationspflicht über Bereiche mit erhöhter Versagenswahr-scheinlichkeit
- Grubenwehren
Figures above: Shows the scheme of measurement on basis polymer optical fibers (POF), optical fibers are integrated in the geogrid, installed and tested on the slopes of brown coal mine site Belchatow/Poland. Above, in the background, the brown coal power plant site. You could get geo fiber mats (GEDISE) from Glötzl GmbH, Ettlingen. All rights and copyrights of the photos and figures above by Mr. Rainer Glötzl. Many thanks for that.
See also Rainer Gloetzl Research/ Ettlingen/Germany/ www.rg-research.de
© Rainer Gloetzl Research/Ettlingen/Germany
c2) Parametervariation
Mit der vorstehenden geotechnischen Modellierung ist es möglich, differenzierte Modelle des Nachterstedter Endböschungssystems mit verschiedenen Randbedingungen und Belastungen zu diskretisieren und abzubilden. In den differenzierten Modellen werden durch Parametervariation (Variation der Zustandsgrößen) der Lockergesteinsschichten die Grenzzustände ermittelt, die Versagen des Endböschungssystems herbeiführen. Die Ergebnisse werden mit dem vorliegenden Datenmaterial bewertet und abschließend beurteilt.
Bei der FE-Methode wird die Diskretisierung der untersuchten Bereiche durch die Form und Anordnung der Finiten Elemente vorgenommen. Die Generierung des Finiten Elemente Netzes wird an ein Generatormodul des FEM-Progamms übergeben. Ist in dem Programm elementweise konstante Parameterzuweisung vorgesehen, so hat dies erheblichen Einfluss auf die Modellierung. In situ ist der technogene Lockergesteinskörper geschichtet aufgebaut, siehe oben stehendes Schichtenprofil der Erkundungsbohrung 4134/GL/2318. Die Schichten verlaufen im Lockergesteinskörper nicht horizontal, sondern fallen ein. Bei großen Schichtdicken sind die Beträge der Zustandsparameter über der Schichtdicke nicht konstant. Dies ergibt sich u.a. aus dem Konsolidierungsvorgang (unter Eigengewicht, Auftrieb etc.). Wenn in Programmsystemen elementweise konstante Parameter vorgegeben sind, ist dies bei der Vernetzung und bei der Zonierung (Substruktur) zu berücksichtigen. Ist dies nicht der Fall, bildet die vorgenommene Diskretisierung nicht den zu untersuchenden Zustand ab. Ist die Zonierung geeignet, ist in den Zonen die Feinheit des Netzes, z.B. bei großen Schichtmächtigkeiten, ausschlaggebend, ob mit elementweise konstanten Zustandsparametern, eine genügend hohe Abbildgenauigkeit erreicht werden kann. Ist dies gelungen, sollten die Sprünge in den Parameterbeträgen benachbarter Elemente ausgewogen sein, dies ist ansonsten nicht nur der Konvergenz des Verfahrens abträglich (abgesehen davon, dass oftmals Konvergenzversagen mit Stabilitätsverlust gleichgesetzt wird!).
Bei Lockergesteinen wird das Versagen durch Schubspannungen hervorgerufen (Zugspannungen können im Allgemeinen nicht übertragen werden). Deshalb kommt den Elementen in der Steifigkeitsmatrix eine hohe Bedeutung zu, die mit den Scherspannungen in Verbindung stehen. Großen Einfluss auf diese Matrixelemente haben z.B. die Querkontraktionszahl, der Schubmodul etc. Fehler in der Bestimmung dieser Zustandsparameter haben oftmals größeren Einfluss, als die damit durchgeführte Parametervariation selbst. Von gleicher Bedeutung für die Qualität (Brauchbarkeit) von Ergebnissen und deren Aussagen, die mit komplexen numerischen Programmen, z.B. In der Geotechnik, ermittelt werden, ist, dass der Anwender selbst diese nicht unwesentlich beeinflusst. Weiter siehe 11.
11. Wie soll die Auswertung, die Gewinnung von Ergebnissen und erfolgen?
Mit der vorstehenden geotechnischen Modellierung ist es möglich, differenzierte Modelle des Nachterstedter Endböschungssystems mit verschiedenen Randbedingungen und Belastungen so zu diskretisieren, dass damit unterschiedliches mechanisches und hydraulisches Verhalten von Lockergesteinskörpern nachgebildet werden kann. Diese können dann sowohl mit geeigneten FEM-Programmen als auch nach der Gleitlinientheorie untersucht werden. In den differenzierten Modellen werden durch Parametervariation (Variation der Zustandsgrößen) der Lockergesteinsschichten die Grenzzustände ermittelt, die Versagen des Endböschungssystems herbeiführen. Da die Calculationen nach der FE-Methode und nach der Gleitlinientheorie entkoppelt sind, wird die FEM benutzt, um Schwächezonen im technogenen Lockergesteinskörper zu ermitteln, der dann eine Gleitfläche zugeordnet wird. Diese wird in die Stabilitätsberechnung nach der Gleitlinientheorie eingespeist. Die Ergebnisse werden mit dem vorliegenden Datenmaterial bewertet und abschließend beurteilt. Die wahrscheinlichste Rutschungsursache wird das Endergebnis sein.
Gesondert betrachtet wird die Bestimmung der inneren Erosionssicherheit. Dabei wird auch explizit auf die allgemein bekannte Tatsache der Versalzung der Kohlen [siehe KARPE (1986b)/P. Balaske] durch salinare Lösungen aus dem Zechstein im Bereich des Schadelebener Grabens und deren möglicher Einfluss im Nachterstedter Endböschungssystem eingegangen. Es ist sicher, dass diese Tatsache für sich allein genommen nicht versagensauslösend sein konnte oder sein kann (siehe auch lange Standzeit des Endböschungssystems und Einfluss im gesamten Böschungssystem des TRL Nachterstedt/Schadeleben), siehe aber auch Hydraulischer Grundbruch.
Es stehen verschiedene FEM-Programme (PLAXIS, FLAC, FEEREPGT), mit einer großen Auswahl an Stoffgesetzen (nicht assoziierten Stoffgleichungen) und Variationsmöglichkeiten, zur Verfügung, womit die beschriebene Problemstellung hinreichend genau abgebildet werden kann. Für Stabilitätsberechnungen kann sowohl auf CUBUS als auch auf SOFiSTiK zurückgegriffen werden.
Ergebnisse werden wahrscheinlich nicht vor Jahresende präsentiert. Zwischenergebnisse, wenn sinnvoll. Jedoch wird die eine oder andere Ergänzung oder Nuancierung hier noch zu erwarten sein.
Es soll erreicht werden, so auch einen Beitrag, u.a. zu notwendigen Maßnahmen, zur Ausweisung und Gewährleistung von Langzeitstabilität anzuregen. Bedanken möchte ich mich schon jetzt bei all denen, die mich unterstützten und weiterhin unterstützen werden, dieses Projekt anzugreifen und zu Ende zu bringen. Dass hierbei der hohe Grad der Unabhängigkeit, bei gegebener Zuverlässigkeit, ausschlaggebend bleibt, ist selbstredend und motivierend genug. Vielleicht ist es hilfreich, hier nochmals besonders darauf hinzuweisen, dass bei ähnlichen Projekten auf ein größtes Maß an Übereinstimmung zwischen den vorgelegten Untersuchungsergebnissen und den in situ Verhalten der geotechnischen Bauwerke verwiesen werden kann, siehe z.B. Gutachten zum beauftragten Entwässerungssystem des Formel1-Kurses, „Eurospeedway-Lausitzring“, für die ARGE M. Bögl/R. Meister/BUL Sachsen.
Unter Belastung treten bei Lockergesteinen Volumenänderungen auf. Dicht gelagerte Lockergesteinskörpern werden verdichtet (Kontraktanz) bis eine kritische Porenzahl ereicht ist, bei locker gelagerten Lockergesteinskörpern tritt unter Druck zunächst eine Verdichtung und dann eine Auflockerung (Dilatanz) hin zur kritischen Porenzahl auf. Neben stehende Diagramme fassen dies nochmals zusammen. Für dieses Verhalten wird eine Dilatanzfunktion D eingeführt. Die von Gudehus (1973) eingeführte hat sich prinzipiell bewährt.
Auf die komplette Darstellung eines nicht assoziierten Stoffmodells kann hier verzichtet werden, da dieses in den zur Verfügung stehen numerischen Programmsystemen umgesetzt und mit den aufgeführten Stoffgleichungen die Abbildung des hydraulischen und des mechanischen Verhaltens des technogenen Lockergesteinskörpers, Nachterstedter Endböschungssystem, hinreichend genau möglich ist. Sollte Nachjustierungsbedarf bestehen, kann dieser leicht nachgereicht werden. Auf geometrische Nichtlinearität (große Verformungen, Elementtypen etc.) kann verzichtet werden.
Abstand Bahnlinie
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Für die Entwicklung „Geotechnischer Modelle“, auf deren Grundlage eine Beurteilung des Eintritts des Versagens des Nachterstedter Böschungssystem möglich wird, ist eine genaue Beschreibung der Zustände, die unmittelbar vor Versagenseintritt vorlagen, von eminenter Bedeutung. Um die wesentlichen Grundlagen und Ursachen für die gegangene Rutschung zu ermitteln und zu modellieren, sollen die nachfolgenden selbst gestellten Fragen beantwortet werden.
Geotechnische Modellierung - Grundlage der Beurteilung des Versagenseintritts

References: §4
 §16
 §2
 §2
 §58
 § 59
 § 58