Foto: Siemens AG / Paul Langrock

Fachaufsatz Offshore

3D-Bodenmodell für Offshore-Windparks

Die Baugrund-Untersuchung für Offshore-Windparks ist schwierig. Aus stichprobenartigen Untersuchungen wird ein 3D-Bodenmodell erstellt. Ein Beispiel.

Inhaltsverzeichnis

Der Bau von Offshore-Windenergieanlagen ist aufgrund der Lage auf offenem Meer aufwändig und kostenintensiv. Das Planungsziel ist, auf der zur Verfügung stehenden Fläche ein Windparklayout zu entwickeln, das mit möglichst geringen Kosten die größtmögliche Energieerzeugung ermöglicht. Im Rahmen der Planung des Layouts sind unter anderem die Größe und Standorte der Anlagen festzulegen. Der Baugrund, in den die Bauwerkslasten eingeleitet werden, ist dabei ein entscheidender Faktor. Im Rahmen der geotechnischen Bearbeitung wird aus den stichprobenartigen Baugrunduntersuchungen ein 3D-Bodenmodell erstellt. Das Vorgehen wird hier am Beispiel des niederländischen Offshore-Windparks Hollandse Kust (noord) (HKN) beschrieben.

Der Windpark HKN

Die niederländische Regierung hat sich das Ziel gesetzt, bis 2030 40% des niederländischen Stromverbrauchs durch Offshore Windenergie zu erzeugen. Teil des Plans ist die Entwicklung der Offshore-Windparkfläche HKN mit einer Grundfläche von rund 125 Quadratkilometer und einer Gesamtleistung von 700 Megawatt. Die Fläche befindet sich rund zehn nautische Meilen vor der niederländischen Westküste. RVO (Rijksdienst voor Ondernemend Nederland) koordiniert im Auftrag des niederländischen Wirtschaftsministeriums die Baugrunduntersuchungen in HKN.

Verfahren zur Baugrunduntersuchung

Für die Planung des Windparks HKN wurden zur Baugrunduntersuchung unter anderem 30 Bohrungen bis in Tiefen von rund 80 Meter und 80 Drucksondierungen bis in Tiefen von bis zu 55 Meter unter dem Meeresboden sowie reflexionsseismische Untersuchungen durchgeführt. Bei Bohrungen handelt es sich um ein direktes Erkundungsverfahren, bei dem Bodenproben gewonnen werden. Die anstehenden Bodenarten können tiefenabhängig fotografisch festgehalten und ingenieurgeologisch aufgenommen werden. An ausgewählten Bodenproben werden anschließenden Laboruntersuchungen durchgeführt, um Bodenkennwerte zu ermitteln.

Drucksondierungen sind indirekte Erkundungsverfahren, bei denen eine Sonde mit einer konstanten Geschwindigkeit in den Boden gedrückt wird. Die Sonde zeichnet über die Tiefe den Eindringwiderstand in Form von Spitzendruck und Mantelreibung auf. Mit dem Quotienten der vorgenannten Werte sind Rückschlüsse auf die in der jeweiligen Tiefe anstehenden Böden möglich. Außerdem können die Bodenkennwerte mittels Korrelationen aus den Messwerten abgeleitet werden.

Mit den vorgenannten Verfahren kann nur an dem Untersuchungspunkt selbst eine eindeutige Aussage über die Baugrundschichtung getroffen werden. Eine Aussage zu den Baugrundverhältnissen zwischen den Untersuchungspunkten ist aufgrund der Abstände der Aufschlusspunkte von rund zwei Kilometern nicht möglich.

Schallwellen ergänzen geotechnische Verfahren

Die geotechnischen Baugrunduntersuchungen wurden daher durch reflexionsseismische Messungen ergänzt. Dabei werden von einem Boot gezielt Schallwellen ausgesendet und die Reflexionen aufgezeichnet. Aus den Messungen können geologische Grenzflächen, also der Wechsel von einer Bodenschicht zur anderen, rekonstruiert werden. Diese Messungen erfolgen in Längs- und Querlinien über die gesamte Windparkfläche.

Die reflexionsseismischen Verfahren erlauben jedoch nur eine Grobschichtung des Baugrunds. Böden mit geringen Unterschieden können nicht sicher unterschieden werden. Diese Feinschichtung kann mithilfe der beschriebenen Bohrungen und Drucksondierungen durchgeführt werden und mit den seismischen Ergebnissen kombiniert werden. Während die seismischen Ergebnisse also in Linien über die gesamte Fläche zur Verfügung stehen, können detaillierte Angaben aus den Aufschlüssen nur an etwa 80 Punkten angegeben werden. Ein 3D-Baugrundmodell hilft, die Erkenntnisse über die 80 Punkte auf die gesamte Windparkfläche auszuweiten.

Entwicklung eines 3D-Modells

Die Entwicklung eines 3D-Baugrundmodells für den Windpark HKN erfolgte in zwei Phasen. Zunächst flossen alle Ergebnisse der Baugrunduntersuchungen in das 3D-Modell ein. Dabei wurde das Verfahren nach Voronoi verwendet. Bei diesem Verfahren wird das betrachtete Modellvolumen in Teilräume zerlegt. Die Eigenschaften des jeweiligen Teilraums werden durch einen Punkt im Zentrum des Raums bestimmt. Ein beliebiger Punkt im Modellvolumen wird dem Teilraum und dessen Eigenschaften zugeordnet, zu dessen Zentrum der geringste Abstand besteht. Alle Punkte, die mehr als ein nächstgelegenes Zentrum besitzen, bilden die Grenzen der Teilräume.

Lage und Anzahl der Zentren resultieren aus den bei der Baugrunduntersuchung ermittelten Bodenschichten an den Aufschlusspunkten. Für das gesamte Baugrundmodell wurden fünf Hauptbodenarten identifiziert. Unter Berücksichtigung der Lagerungsbedingungen der Sande und den Konsistenzen der bindigen Böden ergeben sich 24 Unterbodenarten.

Foto: Arcadis 2020

3D-Bodenmodell (oben) und Schnitt durch das Baugrundmodell (unten).

Bodenkennwerte geben dem Modell mehr Tiefe

Für die Bemessung einer Windenergieanlagengründung sind den Bodenschichtungen auch bodenmechanische Kennwerte zuzuordnen.

Aufgrund der begrenzten Anzahl von Bohrungen und damit von Bodenproben erfolgte die Kennwertermittlung für den Windpark HKN aus den Messergebnissen der Drucksondierungen mithilfe diverser Korrelationen. Bei den Drucksondierungen wurde alle zwei Zentimeter in der Tiefe ein Datensatz ermittelt. Für jedes Messintervall wurden die Bodenart mit den jeweiligen Lagerungsdichten bzw. Konsistenzen sowie die Bodenkennwerte aus den Korrelationen abgeleitet. Bereiche mit gleichen Bodenarten und Lagerungen wurden anschließend als eine Bodenschicht zusammengefasst.

Die Datensätze der Bodenkennwerte der jeweils gleichen Bodenarten wurden danach statistisch ausgewertet, sodass sich für jeden Kennwert eine Bandbreite mit einem charakteristischen Wert ergab. Der charakteristische Wert entspricht nach Definition der europäischen Norm (EC 7) einem vorsichtig gewählten Mittelwert der Bodenkenngrößen.

Die Plausibilität der abgeleiteten Kennwerte wurde mit den direkt aus den Laboruntersuchungen gemessenen Werten abgeglichen. Die ermittelte Bandbreite der Bodenkenngrößen aus den Drucksondierungen muss dabei innerhalb des Vertrauensbereichs der aus den Laborversuchen ermittelten Kenngrößen liegen. War diese Bedingung erfüllt, konnten die aus der Drucksondierung abgeleiteten Werte für eine Vorbemessung angesetzt werden.

Foto: Arcadis 2020

Vergleich der Reibungswinkel der Sande aus den Drucksondierungen (CPT) und den Laboruntersuchungen.

Mit dem Baugrundmodell und den ermittelten Kennwerten kann an jedem Standort des Windparks ein Bemessungsbodenprofil digital erstellt werden, sodass eine optimale Bemessung der Gründungstruktur möglich ist.

Die Autoren: Prof. Dr.-Ing. Hauke Zachert und Dr.-Ing. Olaf Möller, Arcadis Germany GmbH