Geotechnik und Hydrodynamik sind kaum voneinander zu trennen. Immer dann, wenn das Wasser durch extreme Niederschlagsereignisse einen mehr oder weniger fließenden Charakter annimmt, wirken die Fließmechanismen auf den Boden ein. Der Sprung zum konstruktiven Ingenieurbau ist ohnehin immer gegeben, weil dadurch Bauwerke angegriffen werden und gefährdet sind.
Die Prozessmechanismen der Suffosion, Erosion und Kolmation werden als hydraulische Instabilitäten bezeichnet. Allen diesen Instabilitäten ist zu eigen, dass die Bodenpartikel durch das fließende Wasser mittransportiert werden und es zu Kornumlagerungen kommt.
Im Wesentlichen sind zwei Mechanismen wirkend:
- Korntransport im Inneren: Suffosion, innere Erosion, Kontakterosion oder Fugenerosion
- Äußere Erosion: Anströmung der Bodenoberfläche und Kolkbildung.
Die Suffosion ist ein örtlicher Auswaschungsprozes feiner Fraktionen ungleichförmiger nichtbindiger Böden durch die Strömung. Dabei bleibt die grobkörnige Matrix erhalten. Es werden der Porenraum und entsprechend die Strömung vergrößert.
Die innere Erosion beginnt meistens rückschreitend mit der Durchsickerung. Insbesondere locker gelagert gleichkörnige Fein- und Mittelsande sowie Sand-Schluff-Gemische und schluffige Sande mit einem hohen Feinkornanteil sind anfällig. Dabei kommt es zu Umstrukturierungen oder zur Ausbildung von Erosionskanälen.
Die Kolmation bezeichnet die Selbstabdichtung durch Kornumlagerung des Feinkorns, wobei es zu einer Verringerung des Porenvolumens und in der Folge zu einer Selbstabdichtung kommt.
Der Erosionsgrundbruch oder Piping ist hingegen eine rückschreitende Erosion und kommt in vorhandenen Lockerzonen, in Sandadern in schwach bindigen Bodenschichten (welche eine Durchströmung ermöglichen) sowie in Hohlräumen, die durch Bohrungen entstehen, vor [1]. Das Bodenmaterial wird im Zuge des Erosionsgrundbruchs ausgespült. Damit es zum Piping kommt, der vom Austrittspunkt ausgeht, muss das hydraulische Gefälle entsprechend hoch sein. Das Piping ist eine Sonderform der Suffosion an Böschungsfüßen.
In der Geotechnik ist von Erosions- und Suffosionsanfälligkeit die Rede, die durch einen Anteil der feinen Fraktion gekennzeichnet ist, welche sich in der gröberen Fraktion bewegen kann.
Die äußere Erosion vollzieht sich im Allgemeinen, wenn die Scherspannung von Bodenpartikeln die Haftreibung übersteigt. Nimmt die Schleppkraft zu, ist die Erosion verstärkt, besonders auch, durch erhöhte Energie durch den Feststofftransport.
„Laminare Wasserströmungen können nur die kleinsten, leichtesten Partikel in der Größenordnung von Tonmineralen aufnehmen und transportieren. Turbulente Strömungen hingegen verfrachten in Abhängigkeit von ihrer Geschwindigkeit Komponenten der Tonfraktion bis hin zu Kies und Steinen. Wenn durch turbulentes Fließen Partikel von der Sohle des Flussbettes aufgewirbelt werden, transportiert sie die Strömung flussabwärts; außerdem führt das turbulente Fließen dazu, dass auch gröbere Komponenten an der Gewässersohle rollend und gleitend mitgeführt werden“ [3].
In Fließgewässern entstehen im Rahmen des Abflusses durch die Strömungsenergie turbulente Wasserwalzen, welche die Scherspannung zwischen den Bodenpartikeln überwindet und folglich Hohlbereiche oder Vertiefungen erzeugt. Es handelt sich um eine Erosion. Typische Bereiche sind Brückenpfeiler, Sperren, Kurven. Der Kolk bezeichnet den Abtragsprozess. Durch die so genannte Auskolkung, Vertiefungen im Bett, entsteht verstärkter Materialabtransport.
Auskolkungen entstehen auch im Festgestein, wo mitgeführter Sand die Erosion vorantreibt.
Literatur:
[1] Wolfgang Dachroth: „Handbuch der Baugeologie und Geotechnik“, Springer Verlag, Berlin 2017
[2] Helmut Prinz und Roland Strauß: „Ingenieurgeologie“, Springer Spektrum, Berlin 2017
[3] John Grotzinger, Thomas Jordan: „Press /Siever: Allgemeine Geologie“, Springer Nature, Berlin Heidelberg 2017
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