Expertengespräch Weiterentwicklung der Richtlinien für ...

Expertengespräch
Weiterentwicklung der Richtlinien für
Standsicherheit

Neufassung der „Richtlinie für die Untersuchung der Standsicherheit von
Böschungen der im Tagebau betriebenen Braunkohlenbergwerke (RfS)“
Neufassung vom 16.05.2003 – 86.19.2-2-1
1 Anwendungsbereich: Diese Richtlinie gilt für die Untersuchung und Beurteilung der
Standsicherheit von Randböschungen und bleibenden Böschungen der
Braunkohlentagebaue und der zugehörigen Außenkippen sowie Restlöcher. Auf
Betriebsböschungen findet diese Richtlinie keine Anwendung.
4.1 Zum Nachweis der Standsicherheit dienen
• geotechnische Untersuchungen (geologische, hydrogeologische und geomechanische
Untersuchungen)
• markscheiderische Unterlagen
• Berechnungen der Standsicherheit
• Beurteilungen der Standsicherheit
• Ergebnisse der Beobachtungsmaßnahmen
4.5(5) Beurteilung der Standsicherheit:6Bei bleibenden Böschungen sind zusätzlich durch
mögliche Erdbeben bedingte Einwirkungen angemessen zu berücksichtigen.
2
Weiterentwicklung der Richtlinien für Standsicherheit - Dortmund, 19.09.2013

An der Weiterentwicklung Beteiligte
3
Weiterentwicklung der Richtlinien für Standsicherheit - Dortmund, 19.09.2013

Prüfung des Verfahrens - Einwirkungsseite
• Referenzwiederkehrperioden in Anlehnung an geltende Normen
−
−
−
DIN 19700 „Stauanlagen“
Merkblatt 58 „Berücksichtigung von Erdbebenbelastungen nach DIN 19700“ des
Landesumweltamtes Nordrhein-Westfalen
Eurocode 8 / DIN EN 1998-1/NA „Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben“
Befüllphase
Endzustand
475 bzw. 500 Jahre
2475 bzw. 2500 Jahre
• Differenzierung Restsee – Stausee
• Vereinfachte Ermittlung der PGA-Werte durch das GFZ Potsdam.
4
Weiterentwicklung der Richtlinien für Standsicherheit - Dortmund, 19.09.2013

Prüfung des Verfahrens – Ergebnisse KIT-Gutachten
• Pseudo-statische Verfahren eignen sich zur Untersuchung der Standsicherheit unter
Berücksichtigung dynamischer Erdbebenlasten
• Modifizierter Ansatz der Erdbebenbeschleunigung nach Goldscheider mit
Berücksichtigung des Porenwassers wird empfohlen
• globale Standsicherheit η > 1,0 bestätigt
• η ≤ 1 Durchführung dynamischer Berechnungsverfahren
• Ermittlung der anzusetzenden pseudo-statischen Koeffizienten auf Basis dynamischer
Vergleichsberechnungen
• empfohlene pseudo-statische Koeffizienten für die oberflächennahen und tiefliegenden
Gleitkreise und die Wiederkehrperioden 500 und 2500 Jahren:
5
Weiterentwicklung der Richtlinien für Standsicherheit - Dortmund, 19.09.2013

Neufassung der RfS vom 08.08.2013
• Ergänzung gilt für die Berücksichtigung von Erdbebeneinwirkungen bei bleibenden
Böschungen von Restseen und Hochkippen
• Wiederkehrperioden (500 bzw. 2500 Jahre) sowie pseudo-statische Koeffizienten
werden festgelegt (3.3, 4)
• Untersuchungen von Erdbebenauswirkungen sind sowohl mittels pseudo-statischer als
auch mit dynamischen Verfahren möglich (3.1)
• Vorrausetzung für die Untersuchung mit diesen Verfahrensansätzen ist das
Nichtauftreten von Verflüssigungseffekten der Materialien. (3.2)
• mittels pseudo-statischen Verfahren ermittelte Standsicherheit η muss über dem
Grenzgleichgewicht 1,0 liegen (5.1)
• ist η ≤ 1,0, müssen die im Erdbebenfall zu erwartenden Verformungen mittels
weiterführender dynamischer Untersuchungen ermittelt und gutachterlich bewertet
werden (5.2)
6
Weiterentwicklung der Richtlinien für Standsicherheit - Dortmund, 19.09.2013

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
AK
Gebirgsmechanik
7
Weiterentwicklung der Richtlinien für Standsicherheit - Dortmund, 19.09.2013

Weiterentwicklung der Richtlinien für Standsicherheit
Begrüßung
Auf Basis der im März 1976 entwickelten Richtlinie für Standsicherheit (RfS) ist am
16.05.2003 durch die Bezirksregierung Arnsberg nach Anhörung mehrerer Gutachter und
unter Beteiligung des geologischen Dienstes NRW und des Bergamtes Köln eine Neufassung
der RfS erarbeitet worden. In dieser grundlegenden Überarbeitung wurden die RfS
hinsichtlich des wissenschaftlichen Kenntnisstandes aktualisiert, die Anpassung der
Methoden an die spezifischen Rahmenbedingungen des rheinischen Braunkohlenbergbaus
vorgenommen, wie auch die Beurteilungsgrundlagen hinsichtlich neuer Grundlagennormen
überprüft. Im Rahmen dieser Überarbeitung wurden sowohl der DEBRIV als auch die
Rheinbraun AG angehört.
Der Anwendungsbereich der Richtlinie umfasst die Untersuchung und Beurteilung der
Standsicherheit von Randböschungen und bleibenden Böschungen der
Braunkohlentagebaue, der zugehörigen Außenkippen sowie der endstehenden Restlöcher.
Auf Betriebsböschungen findet diese Richtlinie keine Anwendung.
Inhaltlich werden in der RfS neben richtlinienspezifischen Begriffserklärungen und
Grundsätzen, der zu führende Nachweis erläutert sowie zu ergreifende
Beobachtungsmaßnahmen beschrieben. Auch diese sind im Zuge der Überarbeitung 2003 an
den Stand der Technik angepasst wurden. Des Weiteren werden Vorlage und Inhalt von
Betriebsplänen wie auch die Prüfung durch Sachverständige reguliert.
Der Nachweis der Standsicherheit basiert auf der Nutzung folgender Instrumentarien:
• geotechnische Untersuchungen: umfasst geologische, hydrogeologische und
geomechanische Untersuchungen Besonderheiten der Lagerstätte
• markscheiderische Unterlagen: Berücksichtigung alter Grubenbaue, Altkippen,
Verfüllungen, Restpfeiler
• Standsicherheitsberechnungen und Beurteilung dieser
• Ergebnisse der Beobachtungsmaßnahmen.

Bereits 2003 ist für bleibende Böschungen eine angemessene Berücksichtigung von durch
mögliche Erdbeben bedingten Einwirkungen (4.5 (5)) 5 berücksichtigt worden. Da in der
bodenmechanischen Normenwelt und in der Fachliteratur zu diesem Zeitpunkt aber keine
verbindlichen oder verlässlichen Angaben zu einer angemessenen Berücksichtigung von
Erdbeben vorlagen, wurden seitens RWE Power mehrere Gutachten in Auftrag gegeben.
Von 2004 bis 2010 erarbeitete Dr. Goldscheider, ehemals am Institut für Boden- und
Felsmechanik in Karlsruhe, verschiedene Gutachten zu Berechnungsverfahren unter Ansatz
von Erdbeben und Außenwasser. 2005 legte Prof. Kuntsche von der HS Rhein-Main ein
Gutachten zur Berücksichtigung von Erdbeben bei der Standsicherheitsberechnung von
bleibenden Tagebauböschungen im Rheinischen Braunkohlenrevier vor. In diesem
Gutachten wurden verschiedene Möglichkeiten zur rechnerischen Berücksichtigung des
Einflusses von Erdbebenlasten vorgestellt und bewertet. Als Ergebnis wird innerhalb der
klassischen statischen Berechnungsverfahren die Berücksichtigung eines quasistatischen
Ansatzes empfohlen. Bei diesen Verfahren werden die durch ein Erdbeben auftretenden
Kräfte entweder als Anteil der Erdbebenbeschleunigung (mit k als „seismischer Koeffizient“)
oder anhand der durch Erdbeben verursachten Spitzenbodenbeschleunigung (mit χ als
„pseudo-statischer Koeffizient“ ) angesetzt. Der Wertebereich des seismischen Koeffizienten
k ist regional unterschiedlich und umso größer, je stärker die in einem Gebiet zu
erwartenden Erdbeben sind. Bei Nutzung des pseudostatischen Koeffizienten χ wird die
Stärke der zu erwartenden Erdbeben durch die Spitzenbodenbeschleunigung berücksichtigt.
Im Jahr 2006 stellte Prof. Hinzen, Leiter der Erdbebenstation Bensberg der Uni Köln die
Ergebnisse des Gutachtens zu seismischen Lasten für die Ermittlung von
Böschungssicherheiten vor. Im Gutachten wurden Werte für die Maximalbeschleunigung aus
der Erdbebeneinwirkung an der Geländeoberfläche ermittelt. In den von Dr. Goldscheider
vorgelegten Berichten wurden für die beiden in der RfS genannten Berechnungsverfahren –
Gleitkreismethode nach Bishop und Starrkörpermethode – statisch korrekte Ansätze für die
aus den geminderten Maximalbeschleunigungen ermittelten Einwirkungen erarbeitet. Die
Wirkung der Erdbebenbeschleunigung wird nicht nur auf die Masse des Lockergebirges
berücksichtigt, sondern auch auf das Poren- und Außenwasser. Folglich stellt der von Dr.
Goldscheider erarbeitete Ansatz einen erweiterten Ansatz zu dem von Prof. Kuntsche dar, da
statisch korrekt die Zusatzbeschleunigungen auf alle Massenkräfte berücksichtigt werden.

In 2006 und 2008 sind im Rahmen von planerischen Mitteilungen zum Restsee Inden
Erdbeben- und Außenwasseransatz bereits berücksichtigt worden. Die grundsätzliche
Machbarkeit des Restsees Inden konnte so festgestellt werden. In 2009 etablierte sich unter
Federführung der Bezirksregierung Arnsberg der Arbeitskreis „Gebirgsmechanik im
Rheinischen Braunkohlenrevier“. Der geologische Dienst NRW wie auch Vertreter des
Unternehmens sind ebenfalls Mitglieder des Arbeitskreises. Die Prüfung wie auch
Weiterentwicklung der RfS sind erklärtes Ziel des AK. Die Prüfung und Festlegung eines
verbindlichen Erdbebenansatzes in der RfS schien vor allem vor dem Hintergrund der
Weiterentwicklung der Normenwelt erforderlich. Der Arbeitskreis beschloss eine
Überprüfung und Erweiterung der bisherigen Erkenntnisse. So wurde die Einwirkungsseite –
im Speziellen die Erdbebenbeschleunigungen durch Dr. Lehmann vom geologischen Dienst
NRW unter Einbindung von Prof. Hinzen untersucht, während für die Überprüfung der
standsicherheitlichen Aspekte zu Berechnungsansätzen und -verfahren Prof. Triantafyllidis
vom Institut für Boden- und Felsmechanik des KIT beauftragt wurde.
Die Prüfung der Einwirkungsseite ergab für die Ermittlung der Erdbebenbeschleunigungen
größere anzusetzende Wiederkehrperioden in Anlehnung an bestehende DIN-Normen. In
der DIN 19700 „Stauanlagen“ werden für große Anlagen entsprechend der Talsperrenklasse
1 Wiederkehrperioden von 500 bis 2.500 Jahre angesetzt. Im Eurocode 8 „Auslegung von
Bauwerken gegen Erdbeben“ mit DIN EN 1998-1/NA als geplante Nachfolgenorm der DIN
4149 ist als Gefährdungsniveau ebenfalls eine Wiederkehrperiode von 475 Jahren
entsprechend einer Überschreitungswahrscheinlichkeit von 10% in 50 Jahren zu Grunde
gelegt. Dies entspricht dem für Anlagen üblicher Hoch- und Ingenieurbauten weltweit und
auch in der gültigen deutschen Erdbebenbaunorm (DIN 4149) angesetzten
Gefährdungsniveau. Da die Dauer der Befüllphase eines Restsees zeitliche begrenzt ist und
der Größenordnung der Lebensdauer eines Hochbaus entspricht, wird daher das
Sicherheitsniveau der Befüllphase angelehnt an den Eurocode 8 mit einer
Wiederkehrperiode von 475 bzw. 500 a berücksichtigt. Obwohl bei bleibenden Böschungen
im Rheinischen Revier gegenüber beispielsweise Staudämmen nicht von einer
Sekundärgefährdung auszugehen ist, ist im Endzustand eines Restsees die Dimensionierung
des Sicherheitsniveaus an eine über Gelände liegende große Stauanlage nach DIN 19700
bzw. des Merkblattes 58 „Berücksichtigung von Erdbebenbelastungen nach 19700“ (LANUV)
anzupassen. Grundsätzlich handelt es sich bei einem Restsee aber nicht um eine Stauanlage

nach DIN 19700. Die Anforderungen der DIN gelten ohnehin grundsätzlich nur für das
eigentliche Absperrbauwerk, nicht aber für die bezüglich ihrer Lage unterhalb des
umgebenden Geländes liegenden Böschungen und Hänge der Staubecken. Da zudem nicht
von wechselnden Seewasserspiegeln auszugehen ist – kein Betrieb mit Staulamelle -, die
Lage des Restsees unterhalb der Geländeoberkante ist, keine Abdichtung bzw. ein
hydraulischer Gradient gegeben ist sowie eine Anbindung an das Grundwasser besteht, ist
ein Restsee hinsichtlich seines Gefährdungspotentials grundsätzlich nicht mit dem einer
Stauanlage zu vergleichen.
Seit 2012 kann bei der Ermittlung der Bodenbeschleunigungen inzwischen auf umfangreiche
Standortgutachten verzichtet werden, da die beim GFZ Potsdam bundesweit vorhandenen
Daten für die Beschleunigungswerte an der Geländeoberfläche (PGA-Werte) abgerufen
werden können.
Prof. Triantafyllidis konnte in seiner gutachterlichen Stellungnahme (online verfügbar) die
Berücksichtigung der dynamischen Erdbebenlasten mit Hilfe des pseudo-statischen
Verfahrens unter Zugrundelegung der nicht-linearen Wellenausbreitung im Böschungskörper
und des Ansatzes der Anregung aus dem Grundgebirge bestätigen. Das Verfahren von Bishop
ist geeignet, um die Standsicherheit der Böschungen zu beurteilen. Die entsprechende
Erweiterung zur Berücksichtigung der Erdbebenlasten auf die Feststoffmasse und das
Wasser nach Goldscheider ist aus Gutachtersicht heranzuziehen, da Porenwasserüberdrücke
entsprechend dem Ansatz von Goldscheider auf der sicheren Seite liegend eingeschätzt
werden können. Die Erdbebenlast auf das Grundwasser ist mit der gleichen Beschleunigung
zur Ermittlung der Trägheitskräfte in der Böschungsrichtung zu beaufschlagen wie diejenige
für die anstehende Feststoffmasse. Die Standsicherheitsberechnung der Böschung wird ohne
Teilsicherheitsfaktoren durchgeführt. Zum Nachweis der globalen Standsicherheit (η > 1)
genügt es zu zeigen, dass in dem maßgebenden Gleitkreis die stabilisierenden Momente
gegen eine Böschungsrutschung im Falle von Erdbeben größer sind als die treibenden
Momente. Unter Berücksichtigung einschlägiger Normen und durch Einsatz dynamischer
Berechnungsverfahren erfolgte eine Rückrechnung der in pseudo-statischen Verfahren
anzusetzenden pseudo-statischen Koeffizienten. Insgesamt waren relativ gering
schwankende pseudo-statische Koeffizienten unabhängig vom Betriebs- und Endzustand und
der seismischen Belastung festzustellen. Auf der sicheren Seite liegend werden daher

konstante, folglich von der Spitzenbodenbeschleunigung und der Wiederkehrperiode
unabhängige χ–Werte für jeweils die oberflächennahen und tiefliegenden Gleitkreise
empfohlen. Die χ-Werte können zwischen hoch- und tiefliegenden Gleitkreises linear
interpoliert werden oder aber auf der sicheren Seite liegend der Wert χ = 0,25 angewendet
werden.
Die Entwurfsfassung der RfS wurde dem KIT-Gutachter Prof. Triantafyllidis vor der
Veröffentlichung nochmals zugesandt. Er konnte in einem entsprechenden Schreiben
bestätigen, dass seine Empfehlungen in der Richtlinie berücksichtigt wurden.
In der Neufassung der Richtlinie für Standsicherheit, welche am 08.08.2013 im
elektronischen Sammelblatt veröffentlicht wurde, sind nachfolgende Aspekte hinsichtlich
der Berücksichtigung von Erdbebenwirkungen zu beachten:
Die Ergänzung gilt für die Berücksichtigung von Erdbebeneinwirkungen bei
bleibenden Böschungen von Restseen und von Hochkippen der Braunkohlentagebaue
in Nordrhein-Westfalen.
Die Festsetzung der Wiederkehrperioden und die Ermittlung der zugehörigen
Bodenbeschleunigungen für den Standsicherheitsnachweis sind wie in der RfS
dargestellt vorzunehmen:
• für bleibende Böschungssysteme von Restseen
o Befüllphase – Wiederkehrperiode – 500 a
o Endzustand – Wiederkehrperiode – 2.500 a
• bleibende Einzelböschungen von Restseen und bleibende Böschungen
von Hochkippen
o Wiederkehrperiode – 500 a.
Die Auswirkungen von Erdbeben auf bleibende Böschungen sind mittels pseudostatischer
oder dynamischer Verfahren zu untersuchen. Vorrausetzung für die
Untersuchung mit diesen Verfahren ist das Nichtauftreten von Verflüssigungseffekten
der Materialien, mit denen die Böschungen hergestellt werden. Bleibende
Böschungen sind so zu gestalten und aufzubauen, dass eine Bodenverflüssigung nicht
zu besorgen ist. Dies hat der Unternehmer in geeigneter Weise dazulegen. Die mit
pseudostatischen Verfahren für den Erdbebenfall ermittelte Standsicherheit η von

leibenden Böschungen und Böschungssystemen muss über dem Grenzgleichgewicht
η = 1,0 liegen. Soweit die rechnerisch ermittelte Standsicherheit η kleiner/gleich 1,0
ist, müssen die im Erdbebenfall zu erwartenden Verformungen der bleibenden
Böschung mittels weiterführender dynamischer Untersuchungen ermittelt und
hinsichtlich ihrer Auswirkungen und des Risikos gutachterlich bewertet werden.
Dank