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Zusammenfassung des 3
„Möglichkeiten der computerges
Hebungen/Senkungen und dere
„Možnosti počítačové simulace v
na životní prostředí a
Gus
Am 08.10.2019 organisierte der
Freiberg) den dritten Workshop
Projektpartnern einen Überblick üb
und Grubenwasser(anstieg) u.a.
des Untergrundes im Altbergbauge
diskutiert.
Während
des
Anwendungsbereichen computerg
wesentlichen Erkenntnisse und Erf
Dne 08.10.2019 uspořádal proje
Freiberg) třetí workshop v rámc
přehled o možnostech počítačem
mimo jiné v kontextu staré těž
diskutovalo také o mechanickém
prezentace z různých oblastí apl
proběhla diskuse s účastníky o hla
Programm:
9:30 – 10:00
Anmeld
10:00 – 12:00
Präsen
1.
2.
3.
12:00 – 13:00
Mittag
13:00 – 14:00
Laborfü
3. Projekt-Workshops GeoMAP
tergestützten Simulation von Grundwasser- und Grube
deren Auswirkungen auf Umwelt und Infrastruktur im
Lugau/Oelsnitz“
ce vzestupu podzemní a důlní vody: Vzestupy / pokle
dí a infrastrukturu v černouhelné oblasti Lugau / Oe
Gustav-Zeuner-Str. 1a, 09599 Freiberg
am 08.10.2019
der Projektpartner PP1a Institut für Geotechnik
shop im Rahmen des Projektes GeoMAP. Der W
lick über die Möglichkeiten der computergestützten Si
u.a. im Kontext des Altbergbaus. Neben dem hydra
baugebiet wurde auch das mechanische Verhalten de
s
Workshops
wurden
Präsentationen
aus
putergestützter Simulationen im Bereich Geotechnik
nd Erfahrungen mit den Teilnehmern diskutiert.
rojektový partner PP1 a Institut geotechniky (TU
rámci projektu GeoMAP. Workshop poskytl proje
ačem podporované stimulace (vzestupu) podzemn
těžby. Kromě diskuse na téma hydraulického c
ckém chování jednotek hornin. Během workshopu
aplikace počítačem podporovaných simulací v ob
hlavních poznatcích a zkušenostech.
nmeldung
räsentationen
1. Numerische Simulation der Interaktion unterirdis
mit dem Grundwasser (Prof.
Christoph Butscher
2. Numerische Verfahren zur geomechanisch-hydr
Modellierung (Prof. Heinz Konietzky)
3. Aktueller Stand der numerischen Modellierungen
GeoMAP (Gunther Lüttschwager)
ittagspause
aborführung:
Gesteinsmechanisches Labor des IfGT
Grubenwasseranstieg:
ur im Steinkohlenrevier
oklesy a jejich dopady
/ Oelsnitz “
hnik (TU Bergakademie
er Workshop gab den
en Simulation von Grund-
hydraulischen Verhalten
en der Gesteinseinheiten
aus
verschiedenen
chnik vorgestellt und die
(TU Báňská akademie
rojektovým partnerům
emních a důlních vod
ho chování podloží se
hopu byly představeny
oblasti geotechniky a
erirdischer Hohlräume
cher)
hydraulischen
ungen im Projekt
IfGT

 
Numerische Simulation der Interaktion unterirdischer Hohlräume mit
dem Grundwasser
Prof. Dr. Christoph Butscher
TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik
Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Umweltgeotechnik
Unterirdische Hohlräume haben einen großen Einfluss auf das Grundwasser. Der Bau
von Tunnels, Stollen und Schächte kann die natürlichen Strömungsverhältnisse
nachhaltig
verändern.
Weitere
menschliche
Eingriffe,
wie
z.
B.
Grundwasserentnahmen oder Drainagen, machen die Situation noch komplizierter.
Simulationen mit numerischen Grundwassermodellen erlauben Geologen und
Ingenieuren, die Interaktion zwischen unterirdischen Hohlräumen und dem
Grundwasser nachzubilden, und damit auch die Auswirkungen menschlicher Eingriffe
besser zu quantifizieren.
Der Beitrag stellt zunächst die Faktoren vor, welche die Interaktion unterirdischer
Hohlräume mit dem Grundwasser bestimmen. Dazu zählen die unterirdischen
Hohlräume selbst, aber auch die hydraulischen Eigenschaften des geologischen
Untergrunds
und
ihre
Verteilung,
sowie
hydrologische
Randbedingungen.
Anschließend
wird
gezeigt,
wie unterirdische Hohlräume in numerischen
Grundwassermodellen abgebildet werden können.
Anhand zweier Fallbeispiele wird die Anwendung numerischer Modelle für die
Simulation der Interaktion zwischen unterirdischen Hohlräumen und dem
Grundwasser veranschaulicht. Am Beispiel des Belchentunnels im Schweizer Jura
werden einerseits Änderungen des regionalen Fließfelds durch den Tunnel aufgezeigt
(Abb. 1). Andererseits wird der Einfluss hydraulischer Maßnahmen auf Wasserflüsse
im lokalen Tunnelumfeld vorgestellt (Abb. 2). Das zweite Beispiel behandelt den
Schadensfall in der historischen Altstadt von Staufen i. Br. Dort traten nach der
Installation von Erdwärmesonden Quellhebungen an der Oberfläche auf, welche zu
großen Schäden an Häusern führte. Diese Hebungen entstanden durch den Zutritt von
Wasser in Gesteine des Gipskeupers über die Erdwärmesondenbohrungen. Der
Gipskeuper enthält Anhydrit, welcher mit Wasser zu Gips reagiert. Die Reaktion ist
verbunden mit einer Volumenzunahme. Gezeigt werden die simulierten Änderungen
des Fließfelds, die durch die Erdwärmesonden hervorgerufen wurden, sowie solche,
die sich aus hydraulischen Sanierungsmaßnahmen ergaben. Das Beispiel zeigt
ebenfalls, wie mit dem numerischen Modell auch geochemische Prozesse in der
Quellzone sowie geomechanische Auswirkungen, nämlich die Hebungen an der
Erdoberfläche, simuliert werden können.

image
image
Abb. 1:
Berechnete hydraulische Druckverteilung und Fließrichtungen im
regionalen
Umfeld des
Belchentunnels vor (links) und nach dem Tunnelbau (rechts) (aus: Scheidler et al. 2019).
Abb. 2:
Berechnete hydraulische Druckverteilung und Fließrichtungen im
lokalen
Umfeld des
Belchentunnels vor (oben) und nach dem Tunnelbau (unten) (aus: Butscher et al. 2017).

 
1
Ausgewählte Aspekte zu numerische Berechnungsverfahren
in der Geotechnik
H. Konietzky
TU Bergakademie Freiberg
An numerische Berechnungsmethoden in der Geotechnik werden besondere
Anforderungen gestellt, die sich von den sonst üblichen im Ingenieurwesen zumindest
partiell deutlich unterscheiden. Dies betrifft folgende Aspekte:
Ausgeprägte Anisotropien und Inhomogenitäten in Bezug auf Deformation und
Festigkeit (Klüfte, Störungszonen, Schieferungen, Einschlüsse etc.
Meist sehr schwache Datenbasis (begrenzte Kenntnis über geologischen
Untergrund, begrenzte Kenntnis über Materialverhalten der geologischen
Einheiten etc.)
Stark ausgeprägte Maßstabseffekte in Raum und Zeit
Stark ausgeprägte und komplexe Kopplungen (thermisch
mechanisch
hydraulisch
chemisch –biologisch)
Spezifische Anfangs- und Randbedingungen (Primärspannungsfeld, Halb-
oder Vollraum etc.)
Dominate Druckspannungen
Signifikante Unterschiede zwischen Be- und Entlastung
Stark nicht-elastische Prozesse und große Deformationen (hardening,
softening, etc.)
Keine Prototypen verfügbar
Notwendigkeit spezieller Elementtypen zur Abbildung bautechnischer
Elemente (Anker, Geotextilien etc.)
Spezifische Stoffgesetze zur Abbildung der Spannungs-Deformations-
Verhaltens von Böden bzw. Fels
Aufgrund dieser Spezifika werden in der Geotechnik meist Spezialprogramme
eingesetzt, die diese Anforderungen erfüllen. Die Alternative sind Multi-Purpose-
Programme, die individuell angepasst werden müssen. Generell kann man zwischen
Integral-
und
Differentialmethoden
unterscheiden.
Typische
Vertreter
der
Differentialmethoden sind:
Finite-Elemente-Methode
Finite-Volumen-Methode
Finite-Differenzen-Methode
Die Integralmethoden basieren im Wesentlichen auf der Rand-Elemente-Methode und
besitzen in der Geotechnik eine nur sehr untergeordnete Bedeutung. Die Vor- und

2
Nachteile (+ vs -) der Integral- und Differentialmethoden aus Sicht der Geotechnik sind
folgende:
Integralmethoden:
+
einfache Vernetzung (nur Oberfläche)
+
exakte Formfeldbeschreibung
+
minimaler Diskretisierungsfehler
+
hohe Rechengeschwindigkeit, geringer Speicherbedarf
+
kein Problem mit singulären Punkten
-
Problem bei Inhomogenitäten, Anisotropien, Kopplungen
Differentialmethoden:
+
geeignet für Inhomogenitäten, Anisotropien, Kopplungen, Nichtlinearitäten
+
hohe Flexibilität für kontinuumsmechanische Probleme
-
höhere Rechenzeiten, höherer Speicherbedarf
-
komplizierte Vernetzung
-
Schwierigkeiten bei signifikanten Punkten
-
Diskretisierungsfehler
Alternativ zu den vorgenannten kontinuumsmechanischen Ansätzen spielen netzfreie
Methoden eine zunehmende Bedeutung in der Geotechnik. Sie lassen sich bzgl. ihrer
Vor- und Nachteile wie folgt charakterisieren:
Netzfreie Methoden:
+
geeignet für diskontinuumsmechanische Problem
+
geeignet für Bruch- und Schädigungsmechanik
+
geeignet für Partikelsimulation und Massentransport
+
geeignet für exakte Abbildung der geometrischen Struktur
-
sehr lange Rechenzeiten
-
komplizierter Modellaufbau
-
komplizierte Parameterbestimmung
Typische Vertreter der netzfreien Methoden sind Partikelmethoden, Smooth-Particle-
Hydrodynamics oder Diskrete-Elemente-Verfahren.
Exemplarisch für die netzfreien
Methoden sei das Berechnungskonzept der Distinkte-Elemente-Methode gezeigt
(Abb. 1), welches entweder mit starren oder deformierbaren Grundkörpern arbeitet.
Ob ein kontinuums- oder diskontinuums-mechanischer Ansatz für die zu lösende
Aufgabenstellung zu favorisieren ist, hängt u.a. auch von zu betrachtenden
repräsentativen Elementarvolumen (REV) ab. Abb. 2 zeigt am praktischen Beispiel
verschieden große Beobachtungsräume, die vom intakten Gestein (Kontinuum) über
ein System von Einzelklüften (Diskontinuum) bis hin zum großräumig geklüfteten
Gebirge (Kontinuum mit reduzierten Eigenschaften) führen.

image
3
Abb. 1: Berechnungszyklus der Distinkte Elemente Methode (Itasca, 2017)

image
4
Abb. 2: Illustration zum Begriff Repräsentatives Elementarvolumen (REV)
Intensiv geklüftetes
Gebirge
Viele Kluftscharen
Zwei Kluftscharen
Einzelne Kluftschar
Intaktes Gestein

5
Abb. 3: Exemplarische Darstellung eines Discrete Fracture Networks (DFN)
Ein ganz wesentliches Element einer fels- bzw. gebirgsmechanischen Betrachtung
sind Diskontinuitäten. Diese können je nach verwendetem Tool in unterschiedlicher
Weise abgebildet werden:
als diskretes Kluftnetzwerk (Discrete Fracture Network = DFN), wie
beispielhaft in Abb. 3 gezeigt. In Verbindung mit der DEM können komplexe
hydro-mechanisch gekoppelte Probleme abgebildet werden.
als wenige einzelne diskrete Interfaces in kontinuumsmechanischen Codes
als verschmierte Schwächeflächen in den Zonen kontinuumsmechanischer
DEM basierter Codes
als punkt-, linien-, oder flächenhafte Kontakte in partikelbasierten Ansätzen
Als zukünftige Entwicklungstendenzen sind folgende zu sehen:
Kopplung verschiedener numerischer Berechnungstechniken (z.B. Kontinuum
und Diskontinuum oder Mechanisches Tool mit CFD-Tool etc.
Integration der numerischen Berechnungen in GIS bzw. BIM
Cloud Computing
Kopplung von Optimierungstool mit numerischen Programmen