Baugrundsicherheit von Windenergieanlagen in Karstgebieten

10. Juli 2017 | Kira Andre

© Erich Westendarp /Pixelio.de

Die Erstellung eines Baugrundgutachtens durch einen geologischen Sachverständigen ist unerlässlich, um die Standsicherheit von Windenergieanlagen nach der Nordrhein-Westfälischen Bauordnung nachzuweisen (§ 15 Abs. 1 BauO NRW). Nur wenn bei der Baubehörde neben anderer standsicherheitsrelevanter Unterlagen ein Baugrundgutachten vorgelegt wird, kann eine Baugenehmigung für eine Windenergieanlage erteilt werden. Die Errichtung einer WEA auf einem Baugrund mit besonderen Anforderungen bedarf einer umfassenden und aufwändigen Baugrundprüfung.

Fachbeitrag von Kira Andre, EnergieAgentur.NRW

Oft besteht Unsicherheit bei Bürgerinnen und Bürgern, wie eine Baugrundprüfung auf anspruchsvollem Untergrund abläuft. Karst ist ein Baugrund, der in Nordrhein-Westfalen weit verbreitet ist und besondere Anforderungen an die Errichtung von Windenergieanlagen (WEA) stellt. Im folgenden Artikel werden die Besonderheiten anspruchsvoller Bauvorhaben, wie es bei WEA der Fall ist, beispielhaft an verkarstungsanfälligem Gestein thematisiert und die Prüfung des Bodens durch den Gutachter detailliert erläutert. Der Artikel vermittelt Informationen über diese spezielle Geländeform und gibt konstruktive und an der Praxis orientierte Hinweise darauf, wie eine Bodenprüfung in Karstgebieten aussehen kann.

Was sind Karstgebiete?
Karst bezeichnet eine ober- und unterirdische Geländeform, aus der leicht lösliche Bestandteile wie Kalk, Salz oder Gips durch das Eindringen von Wasser ausgewaschen wurden. Durch ständige unterirdische Wasserbewegungen ist der Untergrund unbeständig, sodass sich Höhlen und Schächte bilden. Senken und Löcher im Boden, in der Fachsprache als Dolinen oder Erdfälle bezeichnet, prägen das Erscheinungsbild des Karstes. Da in Karstgebieten fester Felsboden direkt an wasserlösliche Bodenschichten (Sediment) und Höhlen grenzen kann, ist der Untergrund in seiner Zusammensetzung und Tragfähigkeit partiell sehr unterschiedlich.

Große zusammenhängende Karstgebiete in NRW befinden sich im Sauerland und auf der Paderborner Hochfläche, siehe Abbildung 1. Alle in der Abbildung aufgeführten Böden (Turon, Cenoman bis Devon, Sparganophyllumkalk) sind verkarstungsanfällig und können daher Verkarstungserscheinungen wie Höhlen, Schächte und Senken aufweisen.

In der Geotechnik werden Karstgebiete als Baugrundrisiko für Bauwerke im Allgemeinen und Tunnel im Speziellen gesehen. Eine unsachgemäß ausgeführte Baugründung durch eine fehlerhafte Einbringung des Fundaments in den Untergrund stellt eine Gefahr für die Standsicherheit von Windenergieanlagen dar. Folgende Aspekte bergen in Karstgebieten eine Problematik:

  • Ungleichmäßig verteilter und zum Teil gering tragfähiger Baugrund.
  • Durch unterirdische Wasserläufe ausgewaschene Hohlräume, die sich durch Einbrechen ihrer Decken in Richtung Geländeoberfläche vergrößern (Einsturzdoline oder Erdfall genannt, Abbildung 2).
  • Durch Regenfälle stark schwankender Grundwasserstand: Grundwasser kann im Untergrund eine stützende Wirkung auf Bodenschichten ausüben. Zieht sich das Wasser zurück, kann dies zur Instabilität betroffener Schichten führen.

Abbildung 2: Die Entstehung einer Einsturzdoline © Karstlehrpfad Kaltbrunnental-Brislachallmet

Um die Standsicherheitsrisiken unter der Fundamentfläche (Gründungssohle) der Windenergieanlage und allen weiteren zum Bau der Anlage nötigen Flächen (z.B. Kranstellfläche) ausschließen zu können, werden den einzelnen Bauphasen Methoden und Möglichkeiten zugeordnet, die dem Baugrundgutachter zur Prüfung zur Verfügung stehen.

Vor Baubeginn
Im Rahmen des obligatorisch anzufertigenden Baugrundgutachtens können mithilfe von Bodenuntersuchungen Aussagen über die an dem spezifischen Standort anzutreffenden Gesteinsschichten, ihre Festigkeit und die Eigenschaften des Grundwassers getroffen werden. Die Prüfungen werden nach DIN 4020 durchgeführt (als Europäische Norm DIN EN 1997-2 zu finden). Bei Baugrunduntersuchungen gilt diese Norm generell für geotechnische Zwecke. Die Durchführung muss sicherstellen, dass Aufbau, Beschaffenheit und Eigenschaften des Baugrunds bekannt sind.
Nach DIN 4020 kann ein Bauwerk in eine Geotechnische Kategorie 1 bis 3 eingestuft werden, wobei Kategorie 1 Baumaßnahmen mit geringem und Kategorie 3 Baumaßnahmen mit hohem Schwierigkeitsgrad beschreiben (in der Europäischen Norm DIN EN 1997-1 zu finden). Moderne 3-Blatt-WEA werden als Baumaßnahme mit hohem Schwierigkeitsgrad in die höchste geotechnische Kategorie 3 eingestuft. Durch diese Einstufung wird ein Rahmen für Art und Umfang der geotechnischen Untersuchungen festgelegt. Nichtsdestotrotz gibt die DIN keine starren Prüfregeln vor. Sie ist als Richtlinie mit Interpretationsraum zu verstehen, über die der geotechnische Gutachter nach seiner Expertise verfügen kann.

Gemäß DIN 4020 ist die Baugrunduntersuchung in folgende Arbeitsschritte gegliedert, deren Prüfumfang sich an der jeweiligen geotechnischen Kategorie orientiert, in die das Bauwerk eingestuft wurde:

  • Voruntersuchung
  • Hauptuntersuchung
  • Baubegleitende Untersuchungen und Messungen

Voruntersuchung
Bei verkarstungsanfälligem Gestein ist es ratsam, Karstkartierungen zu betrachten, auf denen Karstobjekte wie Dolinen oder Ponoren verzeichnet sind. Karstobjekte sind zumeist auch in geologischen Karten eingezeichnet. Häufig sind die Karststrukturen im betreffenden Gebiet nicht umfassend verzeichnet.

Mithilfe von Schummerungskarten kann sich der Gutachter einen Eindruck der relativen Höhenunterschiede im Gelände verschaffen. Bei diesen Karten, die der Geologische Dienst NRW zur Verfügung stellt, werden Erhebungen und Täler durch unterschiedliche Grauschattierungen dargestellt, siehe Abbildung 3. Schummerungskarten entstehen, indem die Geländeoberfläche auf einem Computerbild durch eine schräg einfallende Lichtquelle ausgeleuchtet wird. Gebäude oder Vegetation werden nicht dargestellt. Der sich einstellende Schattenwurf zeigt eine Geländedarstellung, die dreidimensional wirkt. Zur Lichtquelle zeigende Erhebungen werden hell dargestellt, die abgewandte Seite erscheint dunkel. Ebenen sind einheitlich in grau dargestellt.

Abbildung 3: Links: Königswinter und Mehlem auf einer Schummerungsdarstellung. Rechts: Überlagerung von Schummerung und topographischer Karte. © Bezirksregierung Köln, Geobasis NRW 2017

Neben der Einbeziehung von Karten bietet es sich in Karstgebieten an, im weiteren Verlauf der Voruntersuchungen geophysikalische Messmethoden wie der Geoelektrik oder -seismik anzuwenden. Sie erlauben die weiträumige Erkennung von Unregelmäßigkeiten des Bodens, an denen innerhalb der Hauptuntersuchung Bohrungen vorgenommen werden können.

Geoelektrik
Bei der Methode der Geoelektrik wird mithilfe zweier Elektroden ein elektrisches Feld in den zu untersuchenden Boden eingebracht, das durch zwei Sonden gemessen wird. Da einzelne Bodenschichten unterschiedliche elektrische Widerstände aufweisen, kann ein flächiges oder in die Tiefe gehendes Profil der Bodenschichten erstellt werden, indem die Abstände der Elektroden und Sonden variiert werden. Böden unterschiedlicher elektrischer Widerstände werden mit verschiedenen Farben angezeigt. Blau verbildlicht Schichten niedriger Widerstandwerte wie Lehm, rot zeigt Schichten hoher Widerstandwerte wie Fels oder Kies.


Abbildung 4: Auswertung einer geoelektrischen Messung © GUS | Geophysikalische Dienstleistungen

Geoseismik
Ähnlich zur Erdbebenforschung wird beim Seismik-Verfahren eine Erschütterungswelle in den Untergrund eingebracht. Diese Welle wird an den Grenzen der einzelnen Bodenschichten entweder reflektiert, gebeugt oder gebrochen. An der Oberfläche angebrachte Empfänger (Geophone) zeichnen das Echo auf. Mithilfe der so erhobenen Daten kann auf die Beschaffenheit des Bodens geschlossen werden.

Hauptuntersuchung
Nach den Voruntersuchungen folgt bei jeder Baugrunduntersuchung gemäß DIN 4020 die Hauptuntersuchung. In Karstgebieten werden an den in den Voruntersuchungen als baukritisch identifizierten Stellen nun Bodenproben entnommen. Bei einem sogenannten Schurf wird mithilfe einer Schaufel oder eines Baggers erkundet, wo sich Fels befindet und eine Bodenprobe entnommen, um diese im Labor zu untersuchen. Sollen tiefere Bodenschichten erkundet werden, eignet sich statt eines Schurfs eine Bohrung.
Wichtige Daten, die während der Baugrunduntersuchung erhoben werden müssen, sind zum Beispiel:

  • Typen und Schichtung von Boden und Fels sowohl unter der eigentlichen Fundamentfläche als auch auf den Zufahrtswegen, der Kranstellfläche und den Montagevorplätzen
  • Angaben zu Festigkeits- und Verformungseigenschaften des Untergrunds
  • Höhe des Grundwasserstands und andere Daten über die Wechselwirkungen zwischen unterirdischem Wasser und Gestein

Die spezifisch für den Boden ermittelten Kennwerte müssen anschließend mit den in der Typenprüfung angenommenen Werten verglichen werden. Ergeben sich dabei Abweichungen, muss der Boden gegebenenfalls verbessert (ausgetauscht/verdichtet etc.) oder eine aufwändigere Art der Gründung (gegebenenfalls eine Tiefgründung auf Pfählen) gewählt werden. Soll die Anlage genau an einer Schnittstelle zwischen Schichten unterschiedlicher Tragfähigkeit errichtet werden, kann vom Gutachter eine Versetzung der Anlage empfohlen werden.

Diese Angaben und Empfehlungen werden vom Gutachter im Baugrundgutachten zusammengetragen und der Behörde zur Prüfung vorgelegt. Nur wenn die Behörde unter Vorlage des Baugrundgutachtens und umfangreicher weiterer Gutachten eine Genehmigung nach Bundes-Immissionsschutzgesetz für die Anlage ausspricht, darf gebaut werden.

Baubegleitende Untersuchung und Messung
Während der baubegleitenden Untersuchungen und Messungen werden die Ergebnisse aus der Hauptuntersuchung validiert und das Verhalten von Grundwasser, Baugrund und Bauwerk während des Bauvorgangs beobachtet. Nach DIN 4020 sind baubegleitende Untersuchungen und Messungen beim Bau einer Windenergieanlage vorgeschrieben.
In Karstgebieten können andere baubegleitende Maßnahmen nötig werden als auf anderen Untergründen. Falls im Zuge des Aushebens der Baugrube für das Fundament der WEA Hohlräume oder unterschiedliche Bodenschichten angetroffen werden, wird der geologische Sachverständige diese prüfen und mit den Ergebnissen aus der Hauptuntersuchung vergleichen. Die Prüfung dient zum einen dazu, die Tragfähigkeit der unterschiedlichen Bodenschichten zu klären und gegebenenfalls eine bestimmte Schicht so zu ersetzen, dass eine einheitliche Tragfähigkeit des Bodens gewährleistet werden kann. Ob die durchgeführte Maßnahme zur Bodenverbesserung erfolgreich durchgeführt wurde, muss wiederum der geologische Gutachter prüfen. Zum anderen soll durch die Prüfung vermieden werden, dass das Material bei der Verfüllung von Hohlräumen in mehr als nur die dafür vorgesehene Öffnung gelangt. Diese Maßnahme trägt auch dazu bei, die Ab- oder Zuflüsse des empfindlichen Karstgrundwassers nicht unbeabsichtigt zu blockieren. Aufgrund von schnell im Boden versickernden Regenwassers sowie hohen Durchflussgeschwindigkeiten des Grundwassers in unterirdischen Karströhren ist das Grundwasser in Karstgebieten sehr empfindlich. Der Baugrundgutachter hat neben seiner Funktion als Bodenprüfer auch die Aufgabe, dafür Sorge zu tragen, dass das Grundwasser durch Bauvorhaben nicht beeinträchtigt wird.

Ein Einsatzplan, der bei einem Störfall während der Bauarbeiten greift, verhindert lange Entscheidungswege und schafft gute Voraussetzungen, die Auswirkungen eines Zwischenfalls während der Bauarbeiten möglichst zu begrenzen.

Betrieb der Windenergieanlage
Während der Betriebsphase der Windenergieanlage kann es zu Einwirkungen unterschiedlicher Art kommen. In der Typenprüfung gemäß BauO NRW § 78 und der DIBT Richtlinie sind Prüf- und Wartungspflichten für WEA verankert. Laut Oberverwaltungsgericht des Landes Nordrhein-Westfalen kann eine unzulässige Gefährdung von Menschen durch regelmäßige Prüfung und Wartung vermieden werden (OVG NRW 8 A 2138/06). Im Rahmen der regelmäßigen Wartung wird auch das Fundament durch den geologischen Sachverständigen auf Vibrationen untersucht. Liegen beispielsweise durch Bergbau spezielle Baugrundbedingungen vor, sind diese Untersuchungen meist umfangreicher.

Um potenzielle Schäden an einer WEA frühzeitig festzustellen, die Standsicherheit langfristig zu erhalten und somit die Funktionstüchtigkeit der Anlage möglichst lange zu gewährleisten, wurden unterschiedliche Monitoring-Instrumente entwickelt. Neben einer Erhöhung der Anlagensicherheit tragen sie auch zu einer Senkung der Kosten für den Betreiber bei, indem Schadensfälle und lange Stillstandzeiten verhindert werden.

Um die Unsicherheiten überwachen zu können, die sich beim Bau einer WEA auf Karstgelände ergeben, kann ein Fundamentmesssystem helfen. Indem mehrere Sensoren am Fundamenteinbauteil angebracht werden, können Vertikalbewegungen der Anlage im Millimeterbereich erfasst und mögliche Schäden ausgemacht werden. Schwingungen oder eine mögliche Schiefstellung der Anlage können so aufgedeckt werden, ohne dass jemand vor Ort sein muss – diese Daten könnten zukünftig auch automatisch erfasst werden.

Fazit
Bei der Errichtung und dem Betrieb von Windenergieanlagen in Karstgebieten kommen auf den Betreiber und insbesondere den geologischen Gutachter spezielle Anforderungen zu. Durch Geländeerscheinungen, die für Karstgebiete charakteristisch sind, kann es bei unzureichender Prüfung und unsachgemäßer Gründung zu einer Schiefstellung der Anlage kommen. Prüfungen tragen dazu bei, Unregelmäßigkeiten im Boden aufzudecken und Baugrundrisiken im Vorfeld abzuschätzen. Abhängig von der Bodenbeschaffenheit, die durch das Baugrundgutachten bestätigt wird, kann es notwendig sein, dass bestimmte Veränderungen des Baugrundes vorgenommen werden müssen oder die Gründung der Windenergieanlage an die Umstände angepasst werden muss. Bei einer umfassenden Bodenuntersuchung und der Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse über die Eigenheiten des Geländes stellen auch Karstgebiete als Standort für eine WEA kein Hindernis dar.

Weiterführende Literatur: 

Feige, Wolfgang: „Karst in Westfalen.“ In: Heineberg, Heinz (Hrsg.): „Westfalen Regional.“ Münster: Geographische Kommission für Westfalen, 2007: 30-31.

Wehinger, Ansgar; Heinrichs, Christina: „Sicher bauen in Rheinhessen.“ Landesamt für Geologie und Bergbau Rheinland Pfalz (Hrsg.). Mainz-Hechtsheim, 10/2014.

Höwing, Klaus-Dieter; Eder, Stefan; Plank, Marcus: „Baugrunderkundung für Verkehrswege in Karstgebieten.“ In: „Felsbau.“ Jahrgang 21, Nummer 1. 2003: 13-21.

Schweizerische Gesellschaft für Höhlenforschung SSS/SGH (Hrsg.): „Windenergieanlagen in Karstgebieten. Risiken, Auswirkungen, Ratschläge und Massnahmen. Merkblatt.“ Ausgabe 12.2015.

Schmassmann, Silvia; Hitz, Oliver: „Wegleitung zur Beurteilung von Projekten in Karstgebieten.“ Version 1.0. Schweizerische Gesellschaft für Höhlenforschung SSS/SGH. Oktober 2010.

Wagenplast, Peter: „Ingenieurgeologische Gefahren in Baden-Württemberg.“ Regierungspräsidium Freiburg. Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau. Freiburg, Oktober 2005.

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