geotechnische aspekte von kolkentwicklung und kolkschutz

Mitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau Nr. 85 (2002) 59

Geotechnische Aspekte von Kolkentwicklung und Kolkschutz

Geotechnical Parameters of Scouring andScour Countermeasures

DR.-ING. MICHAEL H. HEIBAUM, BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU (FEDERAL WATERWAYS ENGINEERINGAND RESEARCH INSTITUTE)

1 Introduction

Scour is a problem of the interaction at the boundary ofwater and soil. In most cases it is considered a hydraulicproblem only. This means that the interaction is lookedat from the water side. So nearly all approaches tocalculate scour effects represent the hydraulic point ofview. But one has also to consider the soil or rock that isinfluenced by the hydraulic load including the interactionof the surface water and the pore water.

In many analytical approaches of scour development,the influences of the subsoil material (grain diameter,unit weight, density, shear strength, etc.) are very roughlyexpressed in terms of the medium diameter d50 only.Sometimes the geometric standard deviation d84/d50 orsomething similar is taken into account.

As an example, Lauchlan (2000) and Lauchlan & Melville(2001) give a wide overview of the analytical approachesof rip rap size prediction for scour countermeasures. Itis not astonishing that the scatter of results when desig-ning rip rap size is very large: for a given Froude numberthe rip rap size varies by a factor of 10. The subsoil in allthese calculations is represented only by a mean graindiameter (e.g. d50) and the specific gravity of the grain.The pore water is not taken into consideration at all inany approach, nor is the layer thickness of the top bedlayer (or the armour layer).

Therefore in the following, some effects of the interactionof surface water, pore water and soil are discussed bytrying to improve understanding of the scouring processand looking a bit more closely at the material that iseroded.

1 Einführung

Kolke entstehen auf Grund von Wechselwirkungen ander Grenze von Wasser und Boden. Meist wird dies alsrein hydraulisches Problem betrachtet, d. h., dass dieKolkbildung nur von der Wasserseite aus betrachtetwird. Aus diesem Grund enthalten alle Ansätze zur Be-rechnung der Kolkentwicklung fast nur hydraulischeParameter. Jedoch sollte auch der Boden oder der Fels,der hydraulisch belastet wird, genauer betrachtet wer-den, ebenso die Wechselwirkung von freiem Wasserund Porenwasser.

In vielen Ansätzen zur Kolkentwicklung werden dieBodeneigenschaften (Korndurchmesser, Wichte, Lage-rungsdichte, Scherfestigkeit usw.) nur sehr grob erfasst,meist nur durch den mittleren Korndurchmesser d50.Manchmal werden zusätzlich die Ungleichförmigkeitoder die „geometrische Standardabweichung“ d84/d50oder ähnliche Parameter berücksichtigt, mehr jedochnicht.

Als Beispiel dafür seien Lauchlan (2000) und Lauchlan& Melville (2001) genannt, die einen breiten Überblicküber die analytischen Berechnungsverfahren zur Bestim-mung der erforderlichen Steingröße für Kolksicherungengeben. Es überrascht nicht, dass die resultierende Streu-breite der Ergebnisse bei der Bemessung der Steingrößesehr groß ist: Für eine bestimmte Froude-Zahl streutder ermittelte Steindurchmesser um den Faktor 10. DerUntergrund ist bei all diesen Berechnungen nur durchden mittleren Korndurchmesser und die Kornwichtebeschrieben. Das Porenwasser, bzw. der Porenwasser-druck, wird bei allen Ansätzen überhaupt nicht berück-sichtigt, auch nicht andere wesentliche Einflussfaktoren,wie die Schichtdicke der Deckschicht.

Deshalb werden im Folgenden einige Auswirkungen derWechselwirkung von freiem Wasser, Porenwasser undBoden diskutiert. Es wird versucht, den Vorgang desKolkens zu verstehen und das Material, das erodiertwird, etwas näher zu betrachten.

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2 Empirical geotechnicalapproach

One of the few mainly geotechnical approaches is givenby Annandale (1995). To determine the susceptibilityagainst erosion, the rate of energy dissipation per unitwidth of flow and the erodability index are compared.For both granular material and rock and other complexearth material there is a linear relationship of erodabilityindex and energy dissipation in the log-log-scale.

This approach is empirical, but it gives a first estimateunder which load scour may originate. On this basis thereis also given an approach to calculate the scour depth(Smith, 1994) which is still under discussion.

A promising approach for fine grained soil is presentedby Briaud et al. (2000, 2001). In a special testing equip-ment the erosion rate is determined. With an empiricalcalculation procedure it is possible to calculate the ini-tiation of scour and the expected scour depth. Thisapproach is important, since it was found by the authorsthat any correlation of the erosion rate and standard soilparameters is very poor, so the experimental procedureseems to be the only reliable one.

3 Taking into account pore waterpressure

3.1 Stress and resistance

Most tests to cover erosion processes are performedusing a steady flow of a certain velocity resulting in acertain shear stress. It is a matter of common use andgeneral consensus to consider the shear stress as themajor load parameter. But not only stress should beconsidered but resistance as well.

Concerning soil, resistance is given by the intergranularstrength which is expressed in terms of internal angleof friction and cohesion. While cohesion is more or lessindependent of the intergranular stresses (however,stress history may have a large influence on the magni-tude of cohesion), the shear strength caused by frictionis linearly dependent on normal (effective) stress. Effec-tive stress is directly dependent on pore water pressure.Knowing this, it is easy to understand that the pore waterpressure has an important influence – in cohesionlesssoils even more than in cohesive soils.

2 Empirische geotechnischeBemessungsverfahren

Einige der wenigen geotechnischen Ansätze für dieKolkentwicklung stammen von Annandale (1995). Umdie Erosionsneigung zu bestimmen, werden ein „Ero-sionsindex“ und der Grad der Energie-Dissipation perEinheitsbreite verglichen. Sowohl für Lockergestein alsauch für Fels wurde im doppelt logarithmischen Maß-stab eine lineare Beziehung von Erosionsindex undEnergie-Dissipation gefunden.

Dieser Ansatz ist rein empirisch, ermöglicht aber eineerste Abschätzung, bei welcher hydraulischen Belastungein Kolk entstehen kann. Auf dieser Basis wird aucheine Abschätzung der zu erwartenden Kolktiefe formu-liert (Smith, 1994), über die aber noch gestritten wird.

Von Briaud et al (2000, 2001) wird ein vielversprechen-der Ansatz für bindige Böden vorgestellt. In einer be-sonderen Versuchsapparatur wird die Erosionsrate be-stimmt. Mit einer empirischen Bemessungsformel ist esmöglich, den Beginn des Kolkens und die erwarteteKolktiefe zu ermitteln. Dieser Ansatz ist insofern wich-tig, weil die Autoren gezeigt haben, dass alle Korrelatio-nen von Erosionsrate und allgemein üblichen Boden-parametern sehr schlecht sind, sodass ein Zusammen-hang ausschließlich mit Versuchen erhalten werdenkann.

3 Berücksichtigung desPorenwasserdruckes

3.1 Einwirkung und Widerstand

Die meisten Versuche zum Erosionsverhalten werdenmit einer konstanten Strömung mit einer definiertenGeschwindigkeit durchgeführt, die zu einer bestimmtenScherbeanspruchung führt. Es herrscht allgemeineÜbereinstimmung, dass die Scherbeanspruchung derwichtigste Lastparameter ist. Allerdings sollte nicht nurdie Belastung, sondern auch der Widerstand berück-sichtigt werden.

Was den Boden betrifft, ergibt sich der Widerstand ausder inneren Festigkeit des Bodens, die im Allgemeinendurch den inneren Reibungswinkel und die Kohäsionausgedrückt wird. Während die Kohäsion mehr oderweniger unabhängig vom Spannungszustand im Bodenist (allerdings hat die Spannungsgeschichte einen sehrgroßen Einfluss auf die Größe der Kohäsion), ist dieScherfestigkeit infolge Reibung nahezu linear abhän-gig von der effektiven Normalspannung. Die effektiveNormalspannung ist wiederum direkt abhängig vomPorenwasserdruck. Aus diesem Grunde ist es leicht ver-ständlich, dass der Porenwasserdruck einen großen Ein-fluss hat - in kohäsionslosen Böden deutlich mehr als inkohäsiven Böden.


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3.2 Time dependency of the pore waterpressure

Hydrostatic pore water pressure is defined by thehydraulic head. The pore water pressure in a steadyflow is usually quasi hydrostatic. But flowing water maygenerate an unsteady pore water pressure due toturbulence, vortices, large or small eddies. Unsteadypore water pressure will also be created by regular orirregular changes of the hydraulic head, e.g. suddenincrease or drop of the water level or waves. Effects areenlarged when they are superimposed.

Measurements revealed that pore water pressure maynot only be unsteady but may also show a certain timedelay. This means that the pore water pressure at acertain point does not change simultaneously with thehydraulic head above that point.

To access scour, the delayed reaction of pore waterpressure is a very important issue, since it may result inan unsteady excess pore water pressure in the subsoil,thus destabilising the soil skeleton.

As early as 1981, Nago and Maeno discussed the effectof oscillating water pressure on the surface on the porewater regime in a sand layer and concluded that thiseffect may influence the design of hydraulic structuresand may create engineering problems like scouring.They observed a damping of the pressure variation withdepth z and a lag in phase, when natural water wasused (natural water always contains some air!). Figure 1shows this effect which is diminished when de-airedwater is used. It would vanish when an ideal (= incom-pressible) fluid is used.

Detailed calculation and experimental verification waspublished by the same authors in 1984. It was provedthat under certain conditions the effective stressbecomes zero. Liquefaction will occur and the sand willbe scoured by the flow tangential to the soil surface. Ina recent paper of Mia and Nago (2000) it was stated

3.2 Zeitabhängigkeit desPorenwasserdruckes

Der hydrostatische Porenwasserdruck ist durch denRuhewasserspiegel gegeben. Der Porenwasserdruckunter einer konstanten Strömung ist meist quasi-hydro-statisch. Fließendes Wasser kann allerdings eineninstationären Porenwasserdruck hervorrufen infolge vonTurbulenzen oder Wirbeln. Instationäre Porenwasser-drücke werden ebenfalls hervorgerufen durch regelmä-ßige oder unregelmäßige Änderungen der Wasser-spiegellage, z. B. durch einen plötzlichen Wasserspiegel-anstieg oder -absunk oder durch Wellen. Die einzelnenAuswirkungen können sich überlagern.

Messungen haben gezeigt (Köhler 1989), dass derPorenwasserdruck nicht nur instationär sein kann, son-dern auch gegenüber dem äußeren Wasserdruck einegewisse Zeitverzögerung aufweist. Das bedeutet, dassder Porenwasserdruck in einem bestimmten Punkt sichnicht zeitgleich mit dem Wasserspiegel über diesemPunkt ändert.

Um die Kolkbildung besser zu verstehen, ist die verzö-gerte Porenwasserdruckreaktion ein wichtiger Aspekt,da sie zu instationären Porenwasserüberdrücken imBoden führt und damit das Korngerüst destabilisiert.

Bereits 1981 haben Nago und Maeno den Einfluss ei-nes wechselnden Wasserdruckes auf der Bodenober-fläche auf die Porenwasserdruckverteilung in einemSanduntergrund näher untersucht und festgestellt, dassdiese Auswirkungen die Bemessung von Wasserbau-werken beeinflussen und zu Problemen wie Kolkbildungführen können. Sie beobachteten eine Dämpfung derDruckänderungen und Phasenverschiebungen mit derTiefe, wenn natürliches Wasser in den Versuchen ver-wendet wurde (natürliches Wasser enthält immer einengewissen Luftanteil!). Bild 1 zeigt diesen Effekt der sichverringert, wenn entlüftetes Wasser benutzt wird. Erwürde ganz verschwinden, wenn eine ideale (d. h. in-kompressible) Flüssigkeit verwendet würde.

Detaillierte Berechnungen und Nachweise durch Ver-suche wurden von denselben Autoren 1984 veröffent-licht. Es wurde gezeigt, dass unter bestimmten Rand-bedingungen die effektiven Spannungen zu Null wer-den. Es tritt eine Bodenverflüssigung ein und der Sandwird durch eine Strömung tangential zur Bodenoberflä-che erodiert. In einer jüngeren Veröffentlichung von Miaund Nago (2000) wurde ausgesagt, dass „das Maximumder Kolkbildung in einem Zustand auftrat, bei dem dieeffektive Spannung deutlich reduziert war infolge der Be-lastung durch eine plötzliche Wasserdruckänderung“.Yu, Maeno und Nago (2001) beschreiben einen nume-rischen Ansatz für den Verflüssigungsvorgang der obers-ten Bodenschicht unter wechselnder Wasserdruck-belastung. Es ist leicht zu verstehen, dass ein verflüs-sigter Boden schon bei geringer Strömung verlagertwerden kann.

Figure 1: Variation in pore pressure with time

Bild 1: Änderungen im Porenwasserdruck mitZeitangabe



that “the excess scour depth always found a maximumat a stage of considerably reduced effective stress underthe application of abrupt water pressure change”. Yu,Maeno & Nago (2001) present a numerical approach tothe liquefaction process of the top soil layer loaded byoscillating pressures. It is easy to understand that aliquefied soil will be eroded immediately by even a mildcurrent.

To take into account the transient pore water pressureand the time dependent local flow conditions in thesubsoil, Köhler developed a design model in 1979. Thedistribution of the excess pore water pressure with depthis described by an exponential function with only oneparameter. This pore pressure parameter “b” is depen-dent on the soil permeability, the compressibility of thesoil and the compressibility of the pore water (Schulz &Köhler 1986). For many practical calculations a designchart has been developed (Bezuijen & Köhler 1996)dependent on soil permeability and time of pressuredrop.

3.3 Measurement of the pore waterpressure

Based on the idea that bank damage is caused not onlyby currents and waves but also by changes in the porewater regime, measurements were undertaken to gainmore information on the interaction of pore water andsurface water. Pore water pressure gauges wereinstalled at several depths in the soil and on the surface.It is nearly impossible to install numerous pore waterpressure transducers in an existing slope geometrywithout disturbing the flow pattern and with only mini-mal damage to the soil. A solution was found by drivingsteel tubes (diameter 60 mm) into the soil with filterprotected openings near the tip. The gauges are putinto place only for the measurement, thus avoidingdamage to the sensitive instruments. The gauges areisolated in the tube by a special mechanical packersystem. This system allows for long-term measurementsin many applications (Köhler & Feddersen 1991).

3.4 Verification in laboratory tests

Also in a triaxial apparatus the effect of delayed porewater reaction can be shown rather easily. If the waterpressure on one side of the sample is changed suddenly,on the other side it will be measured only after a delay.The pore water pressure inside the sample adaptsnonlinearly in time and place (Figure 2). The speed ofthe change is dependent on the air content and thus onthe compressibility of the pore fluid. This test is oftenused to verify the complete saturation of a cohesivesample in a triaxial test. A pressure change at one endof the sample will be noticed at the other end, the fasterthe less air or gas remains in the sample. When all airor gas in the pore water is dissolved by back pressure,

Köhler entwickelte 1979 einen rechnerischen Ansatz,um den veränderlichen Porenwasserdruck und die zeit-abhängigen lokalen Strömungsbedingungen im Unter-grund zu berücksichtigen. Die Verteilung des Porenwas-serüberdruckes über die Tiefe wird über eine Exponen-tial-Funktion mit nur einem Parameter abgebildet. Die-ser Porenwasserdruckparameter „b“ ist abhängig vonder Durchlässigkeit des Bodens, der Zusammendrück-barkeit des Bodens und der Zusammendrückbarkeit desPorenwassers (Schulz und Köhler, 1986). Für viele prak-tische Anwendungen wurde ein Bemessungsdiagrammentwickelt (Bezuijen und Köhler, 1996) mit den Para-metern Durchlässigkeit und Geschwindigkeit des Druck-abfalls.

3.3 Messung des Porenwasserdrucks

Auf Grundlage der Überlegung, dass ein Böschungs-bruch nicht nur durch Strömung und Wellen verursachtwird, sondern auch durch Änderungen im Porenwasser-regime, wurden Messungen durchgeführt, um mehr In-formationen über die Wechselwirkung von Porenwasserund freiem Wasser zu erhalten. Dafür wurden Poren-wasserdruckmesselemente in verschiedenen Tiefen imBoden und auf der Oberfläche installiert. Es ist fast un-möglich, Messelemente zur Porenwasserdruckmessungin einem bestehenden Uferuntergrund einzubringenohne das Grundwasserströmungsverhalten zu ändernund mit nur einer minimalen Störung des Bodens. DieLösung war das Einrammen von Stahlrohren mit 60 mmDurchmesser mit geschützten Filteröffnungen an derSpitze. Die Messelemente wurden nur für die Messung

Figure 2: Time dependent pore water pressure distributionafter sudden change at one end of the specimen

Bild 2: Zeitabhängige Porenwasserdruckverteilung nachplötzlicher Veränderung an einem Ende desMusters



then the pressure change in the whole sample will takeplace at the same time, or more correctly: will proceedat the speed of sound in the fluid considered.

3.5 Explanation by a simple model

Delayed pore water reduction after a sudden drop ofthe outside water pressure is not only due to a lowpermeability, as it is often presumed. The major reasonis the air content of the pore water, as has been demon-strated in the triaxial test apparatus. So a three phasesystem, i.e. soil, water and gas, has to be consideredinstead of a two phase system with the soil and an idealpore fluid alone. Pore water in nature as well as thesurface water are not ideal (incompressible) fluids. Smallmicroscopic air (gas) bubbles are dispersed in the water.Therefore the fluid shows a certain compressibility, whichis proportional to the amount of gas content in the porewater. Compressible pore water causes the delayedreaction of the pore water pressure on any change inwater pressure at the boundaries.

This phenomenon has been discussed earlier conside-ring offshore foundations (Nago & Maeno 1987). It wasfound that the pore water pressure reaction on thevarying water pressure of the waves was delayed andthat at a certain depth no change of the pore waterpressure took place at all, since the changes of thesurface water pressure were too fast to cause anyreaction at that depth. So during certain time stepsexcess water pressures developed below the foundation.

The phenomenon may be explained by a very simplemodel. The pore channels may be considered as thinpipes filled with an incompressible fluid with some airbubbles in-between (Figure 3). If there is a pressure dropon one side of the pipe, the new pressure will proceedin the fluid to the first bubble. To adopt the new pressure,

selbst in die Röhren eingeführt, wodurch ein Beschädi-gen der Messelemente weitgehend vermieden werdenkonnte. Die Messelemente wurden mit einem beson-deren Packer gegenüber dem äußeren Luftdruck ab-gesperrt. Dieses Konzept erlaubte auch Langzeitmes-sungen in zahlreichen Anwendungsfällen (Köhler undFeddersen, 1991).

3.4 Überprüfung in Laborversuchen

In einem Triaxialgerät kann die verzögerte Porenwas-serdruckreaktion relativ leicht nachvollzogen werden.Wird der Wasserdruck an einem Ende der Probe plötz-lich geändert, so wird diese Änderung am anderen Endenur nach einer bestimmten Zeitverzögerung gemessenwerden. Der Porenwasserdruck in der Pore gleicht sichnicht linear in Zeit und Ort an (Bild 2). Die Geschwindig-keit des Angleichens ist abhängig vom Luftgehalt unddamit von der Zusammendrückbarkeit der Porenflüs-sigkeit. Diese Prüfung wird häufig benutzt, um die voll-ständige Sättigung einer bindigen Bodenprobe im Tri-axialversuch festzustellen. Die Druckänderung an einemEnde der Probe wird am anderen Ende um so schnellererfolgen, je weniger Luft oder Gas in der Probe enthal-ten ist. Wenn alle Luft im Porenwasser durch entspre-chenden „backpressure“ gelöst ist, wird die Druckän-derung in der gesamten Probe gleichzeitig erfolgen odergenauer: wird sich mit Schallgeschwindigkeit in der Flüs-sigkeit fortpflanzen.

3.5 Vereinfachte Modellvorstellung

Der verzögerte Porenwasserdruckabfall nach einemplötzlichen Druckabfall im freien Wasser ist nicht nurFolge einer geringen Durchlässigkeit, wie es oft vermu-tet wird. Der Hauptgrund ist der Luftgehalt des Poren-wassers, wie es oben für den Dreiaxialversuch gezeigtwurde. Daher muss ein Dreiphasensystem betrachtetwerden, d. h. Boden, Wasser und Luft, anstelle des üb-lichen Zweiphasensystems, bei dem Boden und eineideale Flüssigkeit angenommen werden. Porenwasserund freies Wasser in der Natur sind keine idealen (in-kompressiblen) Flüssigkeiten. Mikroskopisch kleine Luft-blasen sind im Wasser verteilt. Daher ist die Flüssigkeitin einem gewissen Maß zusammendrückbar, und zwarproportional zu dem Luftgehalt im Porenwasser. Die-ses zusammendrückbare Porenwasser führt zu verzö-gerten Reaktionen des Porenwasserdruckes auf einerWasserdruckänderung an der Bodenoberfläche.

Im Zusammenhang mit Offshore-Gründungen wurdedieses Phänomen schon früher betrachtet (Nago undMaeno, 1987). Es zeigte sich, dass die Porenwasser-druckreaktion auf die Wasserspiegeländerungen infol-ge von Wellen verzögert erfolgte und dass in einer be-stimmten Tiefe gar keine Änderung des Porenwasser-druckes festzustellen war, denn die Änderung des Was-serdruckes auf der Bodenoberfläche war zu schnell, um

Figure 3: Expansion of bubbles due to pressure drop

Bild 3: Ausdehnung von Blasen nach Druckabfall



the air bubble tries to expand. The expansion of thebubble initiates a flow of the fluid. This flow takes timesince the shear resistance at the interface of fluid andpipe and the inertia of the fluid have to be overcome.The pressure in the fluid on the other side of the bubblewill change only as much as its volume and in this waythe pressure in the bubble.

4 Failure modes in the subsoil

Due to the above mentioned effects failure may occurin the soil at the bottom of a river or canal or in theseabed, when a sudden draw down (a sudden drop ofthe hydraulic head) occurs. This will be explained byconsidering a horizontal soil surface below a water table.Figure 4 shows the distribution of total (σr), neutral (u)and effective (σ’) stresses before (solid line) and after(dotted line, symbols underlined: σr, u, σ’) a draw down.The total stresses are given by the specific weight ofsoil and water. This will decrease immediately with thedraw down according to the amount of water withdrawn.Considering a certain time step, the pore water pressure(neutral stress) remains at a certain depth as before thedraw down and decreases towards the surface non-linearly.

During that unsteady process, analytically from thesurface to a certain depth, the neutral stresses are largerthan the total stresses which cannot be true. This surplusof energy is dissipated by flow of the water. Only fromthat depth, effective stresses are greater than zero, sothe soil above is in the limit state, and respectively inthe state of suspension.

That state can also be shown by means of Mohr’s circles:Figure 5 shows that due to the retarded decrease ofpore water pressure, the circle of effective stresses isshifted the same amount as the circle of total stresses.Dependent on the initial state of stress, Mohr’s limit statemay be reached, the soil is “liquefied”. From Figure 5one can easily find the positive outcome of cohesion(the failure line is shifted upwards on the τ-axis) or of asurface load (the circle of stress is shifted to the right onthe σ-axis). This was also shown by Zen (2000), wherea liquefied zone developed in the sea bed at the toe of arubble mound breakwater but not below it.

The result of that theoretical discussion is well known: Anon-cohesive fine-grained soil without protection layeris liquefied, when a sudden drop of the water tableoccurs, respectively the hydraulic head above the soil.Liquefaction will result in a movement downward anyslope and a flattening until a balance is reached, and inthe case of any current, any liquefied material will beeroded at once.

entsprechende Reaktionen in der Tiefe hervorzurufen.Dadurch entwickeln sich in bestimmten ZeitabschnittenPorenwasserüberdrücke unter der Gründung.

Dieses Phänomen soll mit einem sehr einfachen Mo-dell erklärt werden. Die Porenkanäle des Bodens sol-len als dünne Röhren betrachtet werden, gefüllt mit ei-ner inkompressiblen Flüssigkeit mit einigen Luftblasendazwischen (Bild 3). Fällt der Druck auf einer Seite derRöhre plötzlich ab, so wird sich der neue Druck in derFlüssigkeit sofort bis zur ersten Blase fortpflanzen. Umden neuen Druck anzunehmen, muss die Blase sichausdehnen. Diese Ausdehnung der Blase erzeugt einFließen der Flüssigkeit. Dieser Fließvorgang benötigtZeit, denn die Reibungswiderstände an der Röhren-wandung und die Trägheitskräfte der Flüssigkeit müs-sen überwunden werden. Der Flüssigkeitsdruck auf deranderen Seite der Blase kann sich nur insoweit ändern,wie sich das Volumen der Gasblase verändert hat.

Figure 4: Stress distribution before (σ, u) and after (σ, u) asudden drawdown

Bild 4: Spannungsverteilung vor (σ, u) und nach (σ, u)einem plötzlichen Spiegelabsunk



4 Bruchzustände im Boden

Infolge der beschriebenen Vorgänge kann im Boden ei-nes Flussbettes oder des Meeresgrundes ein Bruchzu-stand eintreten, wenn eine plötzliche Spiegelsenkung(oder generell ein plötzlicher Druckabfall) auftritt. Diessoll am Beispiel einer horizontalen Bodenoberfläche ineiner bestimmten Wassertiefe erklärt werden. Bild 4zeigt die Verteilung der totalen (σr), neutralen (u) undeffektiven (σ’) Spannungen vor (durchgezogene Linie)und nach (strichliert, Symbole unterstrichen: σr, u, σ’ )einer schnellen Spiegelsenkung. Die totalen Spannun-gen sind durch das spezifische Gewicht von Boden undWasser gegeben. Sie werden zeitgleich und größen-gleich mit einem Spiegelabsunk abfallen. Betrachtet maneinen kurzen Zeitpunkt danach, wird der Poren-wasserdruck (die neutralen Spannungen) in einer be-stimmten Tiefe noch dieselbe Größe wie vor demSpiegelabsunk aufweisen und zur Bodenoberfläche hinnicht linear abfallen.

Während dieses instationären Vorgangs können reinrechnerisch oberflächennah die Wasserdrücke größerals die totalen Spannungen werden, was physikalischnicht möglich ist. Dieser rechnerische Energieüber-schuss wird durch den Fließvorgang des Wassers dissi-piert. Nur unterhalb dieser Grenztiefe sind die effekti-ven Spannungen größer 0. Daher ist der Boden darüberim Bruchzustand, d. h. er verhält sich wie eine Suspen-sion.

Dieser Zustand kann auch durch die Mohr’schen Span-nungskreise verdeutlicht werden: Bild 5 zeigt, dass in-folge des verzögerten Porenwasserdruckabfalls derSpannungskreis der effektiven Spannungen zunächstum dasselbe Maß wie derjenige der totalen Spannun-gen verschoben wird. Abhängig vom Ausgangsspan-nungszustand kann daher die Mohr’sche Bruchgrenzeerreicht werden, der Boden ist im Bruchzustand bzw. erwird „verflüssigt“. Aus Bild 5 kann leicht der positiveEinfluss einer Kohäsion erkannt werden (die Bruch-grenze ist auf der x-Achse nach oben verschoben) odereiner Oberflächenlast (der Ausgangsspannungszustandist nach rechts auf der Spannungsachse verschoben).Letzteres wurde auch von Zen (2000) berichtet, wo eineverflüssigte Zone im Meeresuntergrund vor dem Fußeines geschütteten Wellenbrechers entstand, jedochnicht unter dem Fuß.

Das Ergebnis der theoretischen Betrachtung ist bekannt:Ein feinkörniger kohäsionsloser Boden ohne eineSchutzschicht wird verflüssigt, wenn ein plötzlicher Was-serspiegelabsunk auftritt. Die Verflüssigung führt zu ei-ner böschungsabwärts gerichteten Verlagerung und zueiner Abflachung, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Tre-ten zusätzlich Strömungen auf, wird ein verflüssigtesMaterial erodiert.

Figure 5: Mohr’s circles for total (σρ) and effective (σ’)stresses before (σ) and after (σ) drawdown

Bild 5: Mohr’sche Spannungskreise für totale (σr) undeffektive (σ’) Spannungen vor (σ) und nach (σ)Spiegelabsunk



5 Countermeasures

5.1 General aspects

To avoid instabilities due to excess pore water pressuresand liquefaction as a result, two general possibilities areoffered: stress (load) has to be reduced or resistancehas to be increased.

To reduce the load, river training measures are built orspecial systems are installed at the structure to beprotected that improve the flow pattern.

To increase the strength, armour layers are put on thesurface that is loaded by waves, draw down or currents.To reach a stable system, it is not sufficient just to coverthe surface to protect the bank from the hydraulic impact.Rather, the stability of the subsoil has to be checked, asit has been pointed out above.

To achieve stability, two essential parts are necessary:a filter and an armour layer. The filter keeps the grainsin place and the armour layer contributes the necessaryweight, the necessity of which has been shown in sec-tion 4. An armour layer alone won’t work, since eitherthe armour elements sink into the fluidised soil or thesoil is washed through the armour layer. So the filter isneeded. A filter not only hinders the fine grains of thesubsoil surface to be washed through the armour layer.It also prevents soil loss in the case of piping, i.e. if thesubsoil is endangered by migration of fines through askeleton of coarser soil particles. A filter will not stopmigration but it will stop soil loss at the surface or at theinterface of subsoil and armour layer. A filter can eitherbe a granular or a geosynthetic filter. Often it is necessaryto place the filter under water, which incorporatesproblems for both types.

5.2 Placing geotextile filters underwater

In coastal protection works, the traditional type of bottomprotection is the fascine mattress. Usually, a wovengeotextile is chosen as a filter with fascines tied on it,dragged to the place where it is to be sunk and stonesdumped on it. This method is applicable on a horizontalsea floor or on mild slopes. But since the geotextile isusually a woven fabric, it is thus more difficult to designit correctly as a filter. A second argument against wovensis the low friction angle. Thus with increasing steepness,the danger of sliding of the mattress increases.

In rivers, a geosynthetic filter is often used. The simplemethod of placing a geosynthetic filter cloth (woven ornonwoven, without fascines), as applied in ponds, lakesand canals, will be impossible in many cases becauseof the depth of the water, the current or the wave action.Something is needed that holds the filter in place until itis protected by the armour layer.

5 Gegenmaßnahmen

5.1 Grundsatzfragen

Um Versagenszustände infolge von Porenwasserüber-druck und Verflüssigung zu vermeiden, gibt es zweigrundsätzliche Möglichkeiten: entweder muss die Belas-tung reduziert oder der Widerstand erhöht werden.

Um die Belastung zu reduzieren, werden flusslenkendeMaßnahmen ergriffen, oder es werden besondere Sys-teme an den zu schützenden Bauwerken installiert, umdie Fließvorgänge zu optimieren.

Um die Widerstände zu erhöhen, werden Deckschichtenauf einer Oberfläche aufgebracht, die durch Wellen,Absunk oder Strömung belastet ist. Um einen stabilenZustand zu erreichen reicht es jedoch nicht aus, nur dieOberfläche vor hydraulischen Lasten zu schützen. Viel-mehr ist es erforderlich, die Stabilität des Untergrundeszu prüfen, wie oben ausgeführt wurde.

Um Standsicherheit zu erreichen, sind zwei wesentli-che Bauteile erforderlich: Ein Filter und eine Deckschicht.Der Filter hält die Bodenpartikel zurück und die Deck-schicht liefert die erforderliche Auflast, die in Abschnitt4 beschrieben wurde. Eine Deckschicht ohne Filter reichtnicht, da entweder die Deckschichtelemente in die ver-flüssigte Bodenschicht einsinken oder der Boden durchdie Deckschicht ausgespült wird. Deshalb ist ein Filtererforderlich. Der Filter verhindert nicht nur, dass diegeringen Korndurchmesser des Bodens durch die Deck-schicht hindurchgespült werden. Er verhindert ebenfallseinen Bodenverlust im Falle der Suffosion, d. h. wennim Boden ein Transport von Feinkorn durch das Skelettvon gröberen Körnern erfolgen kann. Der Filter wird die-se Verlagerung nicht verhindern, aber den Bodenverlustdurch die Deckschicht. Der Filter kann als Kornfilter oderals geotextiler Filter ausgeführt werden. Häufig ist eserforderlich, den Filter unter Wasser einzubauen, waszu besonderen Problemen für beide Filterarten führt.

5.2 Einbau geotextiler Filter unterWasser

Im Küstenschutz ist das Sinkstück die typische Sohl-sicherung. Üblicherweise wird ein Geotextilgewebe alsFilter und Trägermaterial mit darauf gebundenen Faschi-nen hergestellt, zum Einsatzort geschleppt und dortabgesenkt, indem Steine darauf gestürzt werden. Die-se Sicherung kann auf horizontalem und leicht geneig-tem Untergrund angewandt werden. Da meistens eingewebtes Geotextil verwendet wird, ist es schwierig,dieses als Filter zu bemessen. Ein zweites Argumentgegen gewebte Geotextilien ist der geringere Reibungs-beiwert. Dadurch steigt mit zunehmender Böschungs-neigung die Gefahr des Abrutschens des Sinkstückes.



Formerly, the stability of the fabric was increased byattaching heavy iron chains at the edges of the filtercloth (Zanke, 1994), which made the placement quitecomplicated. Since ca. four years ago, a ‘sandmat’ maybe a solution in such cases. Two nonwovens or a wovenand a nonwoven with sand in-between are stich-bondedor sewn together to form a heavy, filtering geocomposit.This composite geotextile has a sufficient stability whenloaded by currents up to approx. 1 m/s. At the geotextile-subsoil interface a nonwoven fabric should be usedbecause of the higher angle of friction compared towoven geotextiles.

5.3 Placing granular filter

As to granular filters, placement is similarly difficult. Atfirst glance, it seems to be easy to place a mineral filterlayer by just dumping it on the surface to be protected.The difficulties start with the gradation. Only very nar-rowly graded material can be used. When dumping abroadly graded filter material, the finer fraction takeslonger to reach the bottom than the coarser fraction,causing material segregation. Thus a ‘reverse filter’ willbe created: the fine material on top, where it may easilybe eroded, and the coarse material below, unable toretain the fine sand of the subsoil. If a narrowly gradedmaterial is used, a larger number of layers with increa-sing grain diameter is needed to create a graded filter.This would increase the costs significantly, and it wouldcause problems, if a required water depth has to bemaintained.

Another major problem remains: the first filter layersoften consist of small grain sizes, so the material maybe eroded nearly as easily as the subsoil.

In Flüssen wird häufig ein geotextiler Filter eingesetzt.Allerdings ist ein einfaches Verlegen der geotextilen Filter(gewebt oder mechanisch verfestigt, ohne Faschinen),wie es in Seen und Kanälen angewandt wird, in vielenFällen infolge der Wassertiefe, der Fließgeschwindigkeitoder der Welleneinwirkung nicht möglich. Meist sindZusatzmaßnahmen erforderlich, um den Filter in Positi-on zu halten, bis er durch eine Deckschicht geschütztist.

Bei früheren Anwendungen wurde die Lagestabilität desGeotextils dadurch erhöht, dass Eisenketten am Randder Geotextilbahn befestigt wurden (Zanke, 1994), wasallerdings das Verlegen erheblich erschwerte. Seit un-gefähr vier Jahren steht mit der sogenannten „Sand-matte“ eine gute Lösung zur Verfügung. Zwei Geotextil-schichten mit einer Sandlage dazwischen werden verna-delt oder vernäht, um so einen schweren aber filterfähi-gen Geoverbundstoff zu erzeugen. Dieser Verbundstofferweist sich als ausreichend stabil gegenüber Fließge-schwindigkeiten bis ungefähr 1 m/s. An der GrenzschichtGeotextil-Boden sollte ein vernadeltes Geotextil einge-setzt werden, da es einen höheren Reibungswiderstandbietet als gewebte Geotextilien.

5.3 Einbau von Kornfiltern

Der Einbau von Kornfiltern ist ähnlich schwierig. Im ers-ten Augenblick erscheint es einfach, einen Mineralfiltereinzubauen, indem man ihn auf die zu schützende Flä-che verklappt. Das Problem ist die Kornverteilung, dennnur Materialien mit sehr steiler Kornverteilung könnenverwendet werden. Bei Filtermaterialien mit einer wei-ter gestuften Kornverteilung bräuchten Partikel mit klei-nerem Korndurchmesser länger, um die Sohle zu errei-chen als die gröberen Fraktionen, d. h. das Materialwürde sich entmischen. Dadurch entstünde ein umge-kehrter Filter: das Feine nach oben, wo es leicht erodiertwerden kann und das Grobe nach unten, das nicht inder Lage wäre, das Feinmaterial des Untergrundes zu-rückzuhalten. Wird ein Material mit enger Kornverteilunggewählt, so ist unter Umständen eine große Anzahl vonLagen mit zunehmendem Korndurchmesser erforder-lich, um ein Filtersystem aufzubauen. Das erhöht dieKosten deutlich und führt außerdem dann zu Proble-men, wenn eine bestimmte Wassertiefe eingehaltenwerden muss.

Bei Kornfiltern bleibt ein weiteres Problem, das auchdas Verlegen von Geotextilfiltern erschwert oder ver-hindert: Die ersten Filterlagen bestehen häufig aus sokleinen Korndurchmessern, dass das Material fast ge-nauso leicht wie der Untergrund durch die Strömungerodiert wird.

Figure 6: Temporary scour repair using geosyntheticcontainers

Bild 6: Vorübergehende Kolk-Reparatur unter Verwen-dung eines geotextilen Containers



5.4 Geosynthetic containers:Easy placement and reliable filter

As explained above, geosynthetic cloth (geotextile filter,fascine mattress) can often not be placed properly anda granular filter would be eroded before a protectionlayer is placed upon it. Armour material, e.g. rip rap,would be stable against the currents, but would notprovide the filter stability necessary to prevent erosionof the subsoil. So elements are needed that combinethe filter capacity with sufficient weight to resist thehydraulic load.

Such elements are available in the form of geosyntheticcontainers (Figures 6, 7). Such containers were deve-loped from the original sand bags and they summarisetoday all elements that use a geosynthetic fabric aswrapping material. Often, additional functions areprovided like filtering, reinforcing or else. Sandbags havebeen known for a long time, for example as immediatescour repair of dikes, protection during floods etc. Today,bags of all sizes and of many shapes can be manu-factured and specially designed geosynthetics may beused.

For the individual application, geosynthetic containerscan be chosen, that combine the resistance againsthydraulic loads and the filtration capacity demanded.Geosynthetic containers have proved to give sufficientstability against erosive forces in many applications.Their size has to be chosen such that the expectedhydraulic load will not transport the container. For specialapplications, very large containers – as large as a hopperbarge – are used (Figure 8). The whole ship’s hold islined by the geotextile, the hold is filled, then thegeotextile is sewn and dumped on the sea bottom. Inthis way, artificial reefs can be built, or longitudinal dikes,or further to form an active scour protection.

A nonwoven fabric with a higher angle of friction than awoven product should be chosen, if stability againstsliding of the geocontainers has to be guaranteed.

5.4 Geotextile Container: VerlässlicheFilter, leicht zu verlegen

Wie oben gezeigt, können Geotextilien (Geosynthe-tische Filter, Sinkstücke) häufig nicht ohne Zusatzmaß-nahmen verlegt werden und Kornfilter würden erodiert,bevor eine Deckschicht aufgebracht werden kann. Aus-reichend schwere Deckschichtelemente, wie z. B. Was-serbausteine, wären gegenüber einer Strömung ausrei-chend stabil, können aber nicht als Filter wirken, um dieErosion des Untergrundes zu verhindern. Daher sindElemente erforderlich, die ein Filtrationsvermögen mitausreichendem Gewicht verknüpfen, um den angreifen-den hydraulischen Lasten widerstehen zu können.

Elemente dieser gewünschten Art sind in der Form vongeotextilen Containern verfügbar (Bilder 6 und 7). Un-ter dem Begriff werden heute alle Elemente zusammen-gefasst, die ein Geotextil als Hüllstoff verwenden. Häu-fig können zusätzliche Anforderungen abgedeckt wer-den, wie Filterfähigkeit, Bewehrung o. Ä. Sandsäcke sindseit langer Zeit bekannt, z. B. als sofortige Kolksicherungan Deichen, als Schutzmaßnahme für Hochwasser usw.Heute können „Säcke“ in jeder Größe und vielen For-men hergestellt und auf bestimmte Anforderungen be-messen werden.

Für den entsprechenden Anwendungsfall können geo-textile Container gewählt werden, die einen ausreichen-den Widerstand gegen die hydraulische Belastung unddie geforderte Filterfähigkeit vereinigen. Geotextile Con-tainer haben inzwischen in zahlreichen Anwendungenihren Widerstand gegen Erosionsangriffe bewiesen. IhreGröße muss so bemessen sein, dass der erwartete hy-draulische Angriff die Container nicht verlagert. Für be-sondere Anwendungen können sehr große Containerhergestellt werden, wenn erforderlich so groß wie eineKlappschute (Bild 8). Dabei wird der gesamte Laderaumder Schute mit einem Geotextil ausgekleidet, der Lade-raum wird gefüllt, das Geotextil wird zusammengenähtund dann auf den Meeresgrund verklappt. Mit dieserMethode lassen sich künstliche Riffe herstellen oderLängswerke oder andere Bauwerke, um eine aktiveKolksicherung durch Strömungslenkung zu erreichen.

Muss eine gewisse Gleitsicherheit der geotextilen Con-tainer gewährleistet sein, so sind Vliesstoffe den geweb-ten Geotextilien infolge des höheren Reibungswinkelsvorzuziehen. Darüber hinaus können Vliesstoffe infol-ge ihrer hohen Dehnfähigkeit große Verformungen ohneBruch ertragen. Außerdem lassen sich Vliesstoffe bes-ser als Filter bemessen.

Um die Schutzwirkung noch zu erhöhen, können richtigbemessene Kornfilter-Gemische in geotextilen Contai-nern verklappt werden. Da der Kornfilter in dem Contai-ner gehalten wird, tritt keine Entmischung beim Verklap-pen auf. Damit wird durch den Einsatz von Kornfilternals Füllung von filterrichtig dimensionierten geotextilenContainern eine doppelte Sicherheit erreicht.

Figure 7: Filling plant for geosynthetic containers

Bild 7: Abfüllanlage für geotextile Container



Additionally, the high straining capacity of the nonwovenallows for large deformation without failure, and thenonwoven usually performs better as a filter, whendesigned accordingly.

To improve the system, granular filter material can bedumped in the geosynthetic container. Enclosed in thegeotextile container, a granular filter material can bedumped without segregation. Such placing of granularfilter material in a geocontainer made from nonwovenfilter cloth provides a double line of defence.

6 Summary

Scour is mainly dealt with in hydraulic engineering. Thegeotechnical aspects have been considered only morerecently. But experience shows that such aspects mayadd the missing information. It is predominantly theinteraction of free water and pore water that contributesto the stability of the soil skeleton of the subsoil. Excesspore water pressure reduces the soil stability and mayresult in liquefaction of the soil and thus in erosion and/or bank failure.

As a countermeasure, a filter is needed to stop erosionor the migration of soil particles and an armour is neededto guarantee a sufficient state of stress in the subsoil.

In most cases, it is rather difficult to place the filter, sinceneither a grain filter nor geotextile filters can resist thecurrent. A promising development is the “sandmat”,which is able to withstand at least mild currents. Arelatively new method that overcomes the disadvantagesmentioned above is to use geosynthetic containers. Theyare sufficiently heavy for not being eroded immediatelyafter the placement, they act as a filter themselves andthey allow a grain filter to be placed without segregation.They provide a twofold filter barrier when the geotextilecover is designed as a filter and the container is filledwith filter material.

6 Zusammenfassung

Der Prozess der Kolkbildung wird bislang fast aus-schließlich aus hydraulischer Sicht betrachtet. Geo-technische Aspekte werden dabei nur in jüngster Ver-gangenheit in Betracht gezogen. Die Erfahrung zeigtjedoch, dass diese Aspekte zusätzliche Informationenliefern können. Es ist vor allem die Wechselwirkungzwischen freiem Wasser und Porenwasser, die die Sta-bilität des Bodengerüstes des Untergrundes beeinflusst.Ein dabei entstehender Porenwasserüberdruck verrin-gert die Stabilität des Untergrundes und kann zur Ver-flüssigung des Bodens damit zur Erosion oder zumBöschungsversagen führen.

Als Gegenmaßnahme ist zunächst ein Filter gefordert,der die Erosion oder die Verlagerung von Bodenpartikelnverhindert. Ferner ist eine Deckschicht erforderlich, dieeinen ausreichenden Spannungszustand im Untergrunddurch ein entsprechendes Gewicht herstellt.

In vielen Fällen ist es sehr schwierig, einen Filter einzu-bringen, da weder ein Kornfilter noch ein geotextiler Fil-ter einen ausreichenden Widerstand gegen strömen-des Wasser bietet. Eine vielversprechende Entwicklungist die „Sandmatte“, die zumindest leichten Strömungenwiderstehen kann. Ein relativ neues Verfahren vermei-det alle Nachteile der zuvor genannten Methoden, näm-lich der Einsatz von geosynthetischen Containern. Die-se Elemente sind schwer genug, um nicht sofort verla-gert zu werden, und sie wirken - entsprechend dimen-sioniert - als Filter. Sie erlauben es außerdem, sogareinen weitgestuften Kornfilter ohne Entmischung zuverklappen. Wenn das Geotextil ebenfalls als Filter di-mensioniert ist, wird eine doppelte Sicherheit gegenunerwünschte Bodenverlagerung erreicht.

7 Danksagung

Der Autor dankt Prof. Nago von der Okayama Universi-tät, Japan, und Dr. Hofmanns vom NiederländischenRijkswaterstaat für die fruchtbare Diskussion über diein diesem Text behandelten Vorgänge.

Figure 8: Large geosynthetic containers (Photo: Colcrete -von Essen)

Bild 8: Große geotextile Container (Photo: Colcrete -von Essen)



7 Acknowledgement

The author wishes to thank Prof. Nago, OkayamaUniversity, Japan, and Dr. Hoffmans, Dutch Ministry ofTransport Public Works and Water Management, Roadand Hydraulic Engineering Division, The Netherlands,for their discussion on the topics treated in this paper.

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geotechnische aspekte von kolkentwicklung und kolkschutz

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