Zur hydraulischen Bemessung von Kornfiltern maritimer Bauwerke bei schichtorthogonaler, oszillierender Durchströmung

Deckwerksaufbauten von Sohlsicherungen in Offshore-, Küsten- und Hafenbauwerken unterliegen der Einwirkung aus welleninduzierten Strömungen und wirken Erosionsprozessen entgegen. In diesem Zusammenhang werden Kornfilter, bestehend aus rundkörnigem oder gebrochenem Gesteinsmaterial, eingesetzt, um (i) Sohl- und Böschungssicherungen vor dem Ausspülen des Gründungsmaterials zu schützen, (ii) die effektiven Spannungen durch zusätzliche Auflast zu erhöhen und (iii) somit das Einsinken von Deckwerkselementen zu verhindern. Die hydraulische Stabilität von Kornfiltern ist abhängig von der hydraulischen Einwirkung aus welleninduzierten Strömungen sowie vom Widerstand des Filtermaterials gegenüber Erosionsprozessen. Es ist daher die Zielsetzung dieser Studie, die Grundlagen zur Interaktion zwischen geotechnischen und hydraulischen Prozessen für die hydraulische Bemessung von Kornfiltern mariner Bauwerke zu schaffen. Durch eine systematische Analyse des Wissensstands zur Stabilität von Kornfiltern unter welleninduzierten Strömungen wurden die maßgebenden Prozesse und die wichtigsten Wissenslücken identifiziert. Darauf aufbauend wird ein Versuchsaufbau in einer neuen Wechseldurchströmungsanlage entwickelt und optimiert, um systematische Laboruntersuchungen durchzuführen. Aufgrund der Analyse der experimentellen Daten wird die Stabilität von Kornfiltern in Abhängigkeit der maßgebenden hydraulischen Gradienten bei oszillierender und gleichgerichteter Strömung klassifiziert. Eines der wichtigsten Ergebnisse ist die deutlich geringere Stabilität von Kornfiltern unter oszillierender Strömung gegenüber gleichgerichteter Strömung. Weiterhin wird die Interaktion zwischen den Erosionsprozessen und dem hydraulischen Verhalten des Filteraufbaus als Grundlage für die dynamische Stabilität von Kornfiltern beschrieben. Darüber hinaus werden die Widerstandskoeffizienten der Forchheimer-Gleichung als Beitrag zur Modellierung der oszillierenden Strömung in Kornfiltern analysiert. Zur Erweiterung der Labordaten wird ein numerisches Modell optimiert, validiert und für eine systematische Parameterstudie zu hydraulischen Prozessen angewendet. Dabei wird die hydraulische Einwirkung in Abhängigkeit der Wellenbedingungen beschrieben, wodurch die hydraulische Filterbemessung mit dem maßgebenden und kritischen hydraulischen Gradienten ermöglicht wird. Zur Bemessung der erforderlichen geometrischen Filtereigenschaften werden Formeln unter Berücksichtigung der Wellenbedingungen entwickelt.