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Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) stellt sich vor.
Siehe auch weitere BAW-Video-Sequenzen auf „youtube“
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Peter Lehel und Marc Marshall mit der BIG-Band der Hochschule für Musik Karlsruhe beim „Cool Summer Jazz“ mit der „Hemmingway-Lounge goes BAW“ auf dem Außengelände der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) Karlsruhe
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Meine berufliche Tätigkeit in der Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe (BAW) bot mir umfangreiche Möglichkeiten, interessante Themengebiete des Ingenieurwesens im Umgang mit Wasser und Boden zu bearbeiten. Aus den zahlreichen Fragestellungen, die sich während dieser Zeit in den Arbeitsfeldern der Baugrundbegutachtung, Gründungsberatung und Begutachtung von Böschungs- und Einschittsbauwerken im Zusammenhang mit dem Neu- und Ausbau von Schiffahrtswasserstraßen ergaben, führten nicht selten zu neuen Erkenntnissen, die über spezielle Forschungs- und Entwicklungsprojekte erarbeitet werden konnten. Die Ergebnisse dieser Projektarbeit wurden kontinuierlich veröffentlicht. Zum Teil finden sich einige dieser Veröffentlichungen in den von der Bundesanstalt für Wasserbau herausgegebenen Mitteilungsblättern der Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe (BAW), der größere Teil der Publikationen wurde im Rahmen internationaler Konferenzen, aber auch in einschlägigen Journalen und Zeitschriften vorgestellt. Die nachfolgende Publikationsliste gewährt hierzu einen Einblick in dieses interessante Arbeitsfeld, das sich über einen Zeitraum von 1975 bis zum Abschluß meiner Tätigkeit im Jahre 2006 innerhalb der Abteilung Geotechnik der Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe erstreckte.
- Publikationsliste H.-J. Köhler (Stand September 2013)
Im Rahmen meiner BAW-Forschungstätigkeit konnte ich zahlreiche Universitätskontakte über lange Jahre pflegen und so die Forschung zum Thema der Interaktion von Wasser und Boden in vielseitiger Weise intensivieren. In dem hierfür eigens gegründeten Forschungsverbund „Filter, Erosion and Research Club (FERC)„, mit dessen Hilfe die gesetzten Forschungsziele in den letzten Jahren auch auf die Belange des Wasserbaus konzentriert wurden, konnten mit den beteiligten Partnern wertvolle Untersuchungsergebnisse gewonnen werden. Ein besonders wichtiger Partner war hierbei das Institut für Wissenschaftliches Rechnen (IWR) an der Universität Heidelberg, mit dem eine mehr als zehn Jahre andauernde Zusammenarbeit unter Anwendung neuartiger Untersuchungsmethoden mittels digitaler Bildverarbeitung zusammen mit Prof. B. Jähne und seinem Forschungsteam erfolgreich gestaltet werden konnte.
Im Jahr 2011 hatte das von Prof. Jähne gegründete Institut für digitale Bildverarbeitung an der Universität Heidelberg sein 25-jähriges Bestehen, das mit einem festlichen Kolloquium in der alten Aula der Universität Heidelberg gefeiert wurde.
Diese Vortragsveranstaltung kann unter dem von der Universität Heidelberg veröffentlichten pod-cast mit den einzelnen Festvorträgen verfolgt werden.
Bilder von der Festveranstaltung der Universität Heidelberg sind unter folgendem Link zu sehen.
Siehe hierzu auch die TV-Reportage der Universität Heidelberg:
UniHDCampusTV.wmv
Link zu den Bilder von der Festveranstaltung der Universität Heidelberg
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Stellvertretend für die erfolgreiche Zusammenarbeit mit dem IWR Heidelberg wird auf die nachfolgend genannten Veröffentlichungen hingewiesen:
- „Digitale Bildverarbeitung„, Author: B. Jähne, Springer-Verlag, Berlin, ISBN 3-540-50664-0, 1989
- Beitrag zum Bildverarbeitungsseminar an der TA Esslingen, 1995 : Effeziente Filterverfahren auf Mehrgitter-Datenstrukturen, in: Proc. Bildverarbeitung ’95, R.-J.-Ahlers (Hrsg.), Technische Akademie Esslingen, pp.43-58, 29.11.-01.12. 1995
Die Untersuchungsergebnisse aus den Experimenten zur Partikel Bewegung an Bodengrenzflächen sind in gekürzter Form in dem nachfolgend genannten Handbuch „Handbook of Computer Vision and Applications“ abgedruckt worden:
- Handbook of Computer Vision and Applications, Volume 3, Systems and Applications, Bernd Jähne & Horst Haussecker, Academic Press, 1999, pp. 648-649, ISBN 0-12–379777-2
Der Einsatz dieser neuartigen Versuchstechnik wurde durch eine langjährige erfolgreiche Zusammenarbeit mit Prof. B. Jähne und seinem Forschungsteam am Institut für Wissenschaftliches Rechnen (IWR) der Universität Heidelberg (Research Institute for Scientific Image Processing Technique (IWR) at the Universität Heidelberg) über einen Zeiraum von mehr als zehn Jahren ermöglicht. Mehrere Diplom- und Doktorarbeiten haben sich in dieser Zeit mit der ständigen Weiterentwicklung dieser zukunftsträchtigen Mess- und Auswertetechnik beschäftigt, um den Erfolg der digitalen Bildverarbeitung im Anwendungsbereich des Ingenieurwesens auf solide Beine zu stellen. Die hierbei erzielten Ergebnisse zur Bewegungsegmentierung auf dem Gebiet der Interaktion zwischen Wasser und Boden unter der Belastung aus Strömungs- und Druckänderung haben zu wesentlichen Klärungen beigetragen, die heute vielfach Eingang in die Ingenieurpraxis und in die Untersuchungsstrategien der mit diesen Aufgaben betrauten Versuchsingenieuren gefunden haben. Nachfolgend ist eine Viedeosequenz anzusehen, die an einem unter Wasser befindlichen Bodenkörper unter Wasserdruckwechselbelastung mit speziell entwickelten digitalen Bildverarbeitungsalgorithmen ausgewertet wurde:
Durch Anklicken des Bildes links wird die Auswertesequenz gestartet (gif-file – 5,95 kb)
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Schon bald konnte auch Prof. M.A. Koenders von der Kingston University in England für dieses Forschungsthema gewonnen werden, was einen enormen Schub gebracht hat in der mathematischen Behandlung der Fluidisierung des Bodens unter Wellenbelastung.
Siehe hierzu auch den Beitrag 2 zur Geofilters 2000 – Konferenz in Warschau (Polen), 2000: Analysis of erosion protection measures in partially saturated subsoils, in: Proceedings of the 3rd International Conference Geofilters 2000, Warsaw, Poland, 5th –7th June 2000, Filters and Drainages in Geotechnical and Environmental Engineering, W. Wolski et al. (eds.), A.A. Balkema, Rotterdam, pp. 75 – 81, ISBN 9058091465
Zeitliche Entwicklung der Fluidisierungstiefen im Boden eines Gewässerbetts ohne (linkes Bild) und mit (rechtes Bild) einer Schutzschicht auf der Gewässersohle während einer schnellen Wasserspiegelabsenkung (Geschwindigkeit der Wasserspiegelabsenkung V z/A [m/s] >> Wasserdurchlässigkeit des Bodens k [m/s])
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Neuer BAW-Druckversuchstank „Blaues Wunder“ nach Fertigstellung im Dezember 1995
BAW-Druckversuchstank „Blaues Wunder“ während der ersten Untersuchungen von Fluidisierungszuständen im Boden unter Wasser im Sommer 1996.
Die nachfolgend genannten Beiträge hierzu beschreiben den Einfluß des „Dreiphasensystem Boden unter Wasser“ zur Fluidisierung des Bodens unter der Belastung schneller Druckänderungen (hier z.B. bei Wellenbelastung):
- siehe hierzu auch den Artikel im Hansa International Maritim Journal, 144. Jahrgang – 2007 – Nr. 9, Hafenbau/Forschung und Entwickung: „Wechselwirkungen zwischen Wasser, Struktur und Boden – Bedeutung und Defizite“
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- Kolloquium zur Bodenverflüssigung an der TU Freiberg am 14. und 15. Juni 2012, Flyer, Presse-Mitteilung der LMBV vom 14.06.2012 zum Thema Bodenverflüssigung im mitteldeutschen Braunkohlenrevier
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Schließlich konnte auch eine zusätzliche finanzielle Förderung dieser Forschung durch das holländische Rijkswaterstaat-Institut (DWW) erreicht werden. Wesentlichen Anteil am Zustandekommen dieses dann eindeutig wasserbaulich orientierten Forschungsvorhabens hatten hierbei die seinerzeit verantwortlichen Herren vom holländischen Institut „DWW“ Krystian Pilarczyk und sein späterer Nachfolger Gijs Hoffmanns.
Zusammen mit den neu hinzugewonnenen Interessenten aus der Universität Karlsruhe (Prof. Brauns und Prof Jirka) wurde das Projekt zur Gründung des Forschungsverbunds „Filter and Erosion Research Club (FERC)“ initiiert und in die Tat umgesetzt, in dessen Rahmen das neue Forschungsvorhaben zur Sohlerosion von Fließgewässern erfolgreich gestartet werden konnte. Die Weihnachtskarte der BAW im Jahr 2000 zeigt den Sketch zur Foschung in einer der großen BAW-Versuchsrinnen zum Thema überströmter Gewässersohlen. Diesem Projekt schloß sich auch Prof. G.H. Jirka vom Institut für Hydromechanik (IfH) an. Die hierzu durchzuführenden Untersuchungen wurden im Rahmen mehrerer Diplom- und Doktorarbeiten (M. Klar, M. Detert, S. Vollmer u.a.) erfolgreich abgeschlossen.
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Besondere Arbeits- und Forschungsthemen in der BAW – Deckwerks- und Filterbauweisen an schiffbaren Wasserstrassen:
Poster zur Wirkung von Porenwasserüberdruck an schiffbaren Wasserstrassen und deren Bedeutung für die Standsicherheit von Deckwerken (links: Excess Pore Water Pressure) sowie experimentelle Untersuchungsmethoden mittels Endoskoptechnik und deren Auswertung mit digitalen Bildverarbeitungsalgorithmen (rechts: Filtration Phenomena)
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- Untersuchungen zu hydraulisch instationär belasteten Filterschichten: The influence of hydraulic head and hydraulic gradient on the filtration process by H.-J. Köhler in „Filters in Geotechnical and Hydraulic Engineering“ 1993, eds.: J.Brauns et al., A.A.Balkema Rotterdam/Brookfield
- Arbeiten zum Thema Standsicherheitsberechnungen von Deichen und Deckwerken wurden z.B. veröffentlicht in “Dikes and Revetments” by K.W. Pilarczyk (editor), A.A. Balkema, Rotterdam, 1998,, pp. 537-559, ISBN 9054104554
Filter and revetment design of water imposed embankments induced by wave and draw down loading
Filter and revetment design of water imposed embankments induced by wave and draw down loadings by Bezuijen, A. Delft Geotechnics, The Netherland & Köhler, H.-J., Federal Waterways Engineering and Research Instituts (BAW), Karlsruhe, Germany
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Die obige Abbildung zeigt eine Weihnachtsgrußkarte der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) aus dem Jahr 2000 und nimmt Bezug auf unsere Forschung, die im Jahre 1997 mit den vom „Filter and Erosion Research Club (FERC)“ aufgestellten Forschungszielen angeregt und im Jahr 2004 mit viel Erfolg abgeschlossen wurde.
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Ein besonderes Thema meiner Arbeit in der BAW bezog sich auf die Bemessung von Deckwerken an Schiffahrtswasserstrassen und und Filterschichten unter instationärer hydraulischen Belastung, siehe hierzu: The influence of hydraulic head and hydraulic gradient on the filtration process by H.-J. Köhler in „Filters in Geotechnical and Hydraulic Engineering“ 1993, eds.: J.Brauns et al., A.A.Balkema Rotterdam/Brookfield.
Mit diesen Untersuchungen zur Porenwasserdruckbelastung im Boden unter Wasser infolge schneller Wasserspiegeländerungen konnten die Grundlagen geschaffen werden, den Nachweis zur Standsicherheit von Böschungs- und Sohlbefestigungen nach ingenieurmäßigem Berechnungsstandard zu führen.
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Berechnungsergebnis zur zeitlich veränderlichen Porenwasserdruckreaktion im Boden unterhalb der Sohle einer Schiffahrtswasserstrasse infolge der vom Schiffsverkehr ausgelösten Wasserspiegelsunkbelastung:
Porenwasserdruckreaktion im Boden unter Wasser infolge Schiffahrtsbelastung, berechnet für fünf unterschiedliche Sättingsgrade S [-] des Bodens (S = 0.80 bis S = 0.99) mittels einer „Finite Element Simulation“ für eine Schiffsvorbeifahrt mit einer Schiffsgeschwindigkeit von v = 3,2 m/s (siehe auch Veröffentlichung „Boden und Wasser – Druck und Strömung“ im Mitteilungsblatt Nr. 76 der Bundesanstalt für Wasserbau, hier auch der Link zur Online-Publication der oben genannten Veröffentlichung aus den Jahren 1996 und 1997)
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Poster-Ausstellung der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) auf der XIV. Internationalen Bodenmechanik Konferenz in Hamburg (XIVth ICSMGE) 1997
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Andere Themen zur Standsicherheit von Böschungen und Bauwerken unter Berücksichtigung des ungesättigten Zustandes von Boden unter Wasser haben zu interessanten, praxisbezogenen Anwendungen geführt, die in zahlreichen Veröffentlichungen dokumentiert sind, siehe hierzu auch die Hinweise zu den Publikationen unter der Rubrik „Hochschule Karlsruhe„, aber auch die nachfolgend genannten Publikationsthemen:
- Investigations regarding soils below phreatic surface as unsaturated porous media, in „Unsaturated Soils: Numerical and Theoretical Approaches“ 2004, ed.: T. Schanz, Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York, ISBN 3-540-21122-5, pp. 139 – 157
- Inspection of excess pressure propagation in the zone of gas entrapment below the capillary fringe, in: Unsaturated Soils: Numerical and Theoretical Approaches, 2004, ed.: T. Schanz, Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York, ISBN 3-540-21122-5, pp. 159 – 172
- Hydraulischer Grundbruch im instationären Zustand (EAU 2012)
- Sanierung von rutschgefährdeten Böschungen am Beispiel einer Tonböschung am Stichkanal Hildesheim:
Stichkanal Hildesheim
Einsatz von Druckentlastungsbohrungen zur
Sanierung instabiler Böschungen im TonPorenwasserdrücke haben häufig einen wesentlichen Einfluss auf die Standsicherheit von Böschungen. Deshalb ist eine hinreichende Kenntnis der Porenwasserdruckverteilung Voraussetzung für die Beurteilung der Standsicherheit von Böschungen. Aus diesem Grund wurden an instabilen Böschungen am Stichkanal Hildesheim (SKH) Porenwasserdruckmessungen durchgeführt. Die Messungen haben gezeigt, dass sich in den betrachteten Tonböschungen eine Porenwasserdruckverteilung eingestellt hat, die in gewissen Grenzen zeitlich veränderlich (instationär) ist. Diese Veränderungen können auf verschiedene Einflüsse zurückgeführt werden, wie z. B. Änderungen des Luftdruckes, Bewegungen in den Böschungen, Verdunstung, Niederschlagsereignisse.
Neu entwickelte Ansätze erlauben Aussagen zur räumlichen und zeitlichen Entwicklung von Porenwasserdruckverteilungen. Wesentlich ist dabei die Berücksichtigung von natürlichen Gaseinschlüssen im Porenwasser. Dabei bewirken geringe Anteile von Gaseinschlüssen im Porenwasser eine wesentliche Vergrößerung der Zusammendrückbarkeit des Porenwassers, was zu einer gedämpften Druckausbreitung im Boden führen kann. Auf dieser Grundlage wurde ein Konzept zur Sanierung von instabilen Böschungen im Ton erarbeitet.
Das Sanierungskonzept beruht auf dem Einbau von Druck-entlastungsbohrungen (siehe Bild 1). Diese Druckentlastungsbohrungen führen zu einer Verminderung des Porenwasserdruckes im Bereich der Bohrungen. Dadurch wird die ursprüngliche piezometrische Linie (P. L. im Anfangszustand) abgesenkt. Langfristig wird ein Zustand erreicht, der im Bild als piezometrische Linie im Endzustand bezeichnet ist. Dadurch wird eine wesentliche Druckentlastung im Bereich der Scherfuge und somit eine Erhöhung der Standsicherheit erreicht.
Um möglichst rasch eine effektive Druckentlastung im Bereich der Scherfuge zu erreichen, wurden am SKH die Druckentlastungsbohrungen z. T. mit Gefälle in die Böschung hinein eingebaut. Im unmittelbaren Bereich der Bohrungen wurden Porenwasserdrucksensoren installiert, um den Porenwasserdruckabbau zu dokumentieren. Auf diese Weise wurde die Wirksamkeit von Druckentlastungsbohrungen nachgewiesen. Außerdem sollen die Messdaten zur Kalibrierung eines Berechnungsmodells herangezogen werden. Diese Berechnungen dienen der Optimierung des endgültigen Bohrrasters bei der Sanierung von gefährdeten Böschungsbereichen am SKH.
Bild 1: Vorbereitungen zur Eignungsprüfung mit der Installation von Porenwasserdrucksensoren und der automatischen Messwerterfassung für die Sanierung einer instabilen Tonböschung im Einschnitt bei SKH-km 2,95mittels Druckentlastungsbohrungen (siehe auch nachfolgendes pdf-file: Schemaskizze zur Wirkung der Druckentlastungsbohrungen am SKH bei km 2.95)
Projektbezogene Literatur:
Köhler, H.-J. & R. Schulze, 2009: Stabilisierung von Einschnittsböschungen mittels Wasserdruckentlastung im stationären und instationären Strömungszustand, in: Gruppe Geotechnik Graz, TU Graz, Heft 35, 2009, Beiträge zum 24. Christian Veder Kolloquium „Stabilisierung von Rutschhängen, Böschungen und Einschnitten“, pp. 295-312, ISBN 9783900484521
Köhler, H.-J. & R. Schulze, 2006: Sicherung instabiler Einschnitts- und Deichböschungen mittels Druckentlastungsbohrungen – Berücksichtigung des Bodens unter Wasser als Dreiphasenmedium, in: Sicherung von Dämmen, Deichen und Stauanlagen – Handbuch für Theorie und Praxis, Vol. II, 2006, Universität Siegen, 9.–10. Februar 2006, Herrmann and Jensen (eds.), pp. 305 – 324, Eigenverlag Uni Siegen, pp. 305-324
Schulze R. & H.-J. Köhler, 2004: Sicherung einer instabilen Böschung mittels Druckentlastungsbohrungen Berücksichtigung des Bodens unter Wasser als Dreiphasenmedium, in: Proc. Messen in der Geotechnik, Braunschweig, September 2004, IGB -TUBS, Heft 77, p.349 ff, ISBN 3927610682
Schwab, R., H.-J. Köhler & R. Schulze, 2004: Pore water compressibility and soil behaviour – excavations, slopes and draining effects, in: Proc. Skempton Memorial Conf., London, März 2004, pp. 1169 -1182, ISBN 0727732641, Thomas Telford, London
Schulze, R. & H.-J. Köhler, 2003: Increasing safety of unstable slopes by unconventional pore pressure release technique, in: Proc. 1st GeoTechnical Measurements and Modelling (GTMM), Karlsruhe, 23.-25. September 2003, Lisse: Balkema.
Schulze, R. & H.-J. Köhler, 2003: Stabilisation of endangered clay slopes by unconventional pore pressure release technique, in: Proc. 5th International Symposium on Field Measurements in Geomechanics (FMGM), Oslo, 15.-18. September 2003, Lisse: Balkema.
Köhler, H.-J., R. Schulze & K. Asami, 2002: Protection measures in order to increase safety of unstable clay slopes by unconventional pore pressure release techniques, in: Rybár et al. (eds.), Landslides – Proc. 1st European Conference on Landslides, Prag, 24.-26. Juni 2002, pp. 597-601, Lisse: Balkema
Köhler, H.-J., & R. Schulze, 2000: Landslide Triggering Induced by Barometric Pressure Changes, in: Proc. Geo Eng 2000, Melbourne, Australien, 19.-24. November 2000
Köhler, H.-J., & R. Schulze, 2000: Landslides Triggered in Clayey Soils – Geotechnical Measurements and Calculations, in: E. Bromhead et. al. (eds.), Landslides in research, theory and practice – Proc. 8th Intl. Symp. on Landslides, Cardiff, 26.-30. Juni 2000, London: Th. Telford.
Köhler, H.-J., R. Schulze & I. Feddersen, 1999: Influence of barometric pressure changes on slope stability – measurements and geotechnical interpretations, in: Proc. 5th Intl. Symp. on Field Measurements in Geomechanics, Singapore, 1.-3. Dezember 1999, Rotterdam: Balkema.
Schulze, R. & H.-J. Köhler, 1999: Landslides in over consolidated clay – geotechnical measurements and calculations, in: F. B. J. Barends et al. (eds.), Geotechnical Engineering for Transportation Infrastructure – Proc. 12th Europ. Conf. Soil Mech., Amsterdam, 7.-10. Juni 1999, Rotterdam: Balkema.
