Anwendungen einer Näherungslösung für die Grundwasserströmung bei Restwasserhaltung

Bei der Erstellung von Baugruben im Grundwasser ist es sinnvoll, die Verbauwände in eine schwächer durchlässige Bodenschicht einzubinden und eine Restwasserhaltung zu betreiben. Da bei einer solchen Konstruktion die Verbauwände unterströmt werden, entsteht ein Strömungsfeld, das für verschiedene Berechnungen und Standsicherheitsnachweise ermittelt werden muss. So müssen zum Beispiel hydraulische Gradienten, Filtergeschwindigkeiten sowie Potenziale und Porenwasserdrücke bestimmt werden. Diese werden zur Ermittlung der Wandbelastung aus Erd- und Wasserdruck, bei den Nachweisen gegen hydraulischen Grundbruch, gegen innere Erosion und gegen Versagen des Erdwiderlagers sowie zur Bestimmung des Grundwasserzuflusses verwendet.
Auf Basis der Definition des zugehörigen Strömungsproblems als parametrisiertes Randwertproblem und entsprechenden FEM-Berechnungen wurde eine analytische Näherungslösung formuliert, mit der für langgestreckte sowie für kreisrunde Baugruben bei isotropem sowie anisotropem Baugrund das Potenzial in der Ebene der Wandunterkante und an der Wandinnenseite einfach berechnet werden kann. Diese Näherungslösung wird hier für den Nachweis gegen hydraulischen Grundbruch und zur Berechnung des maximalen Gradienten am Schichtwechsel im Bereich der Baugrube sowie zur Ermittlung der Einbindetiefe ausgewertet.

Application of an approximate solution for groundwater flow at a residual water drainage system
If excavations go below the groundwater table, a proven option is to embed the pit wall in a less permeable soil stratum and to operate a residual water drainage system. As an underflow of the pit walls occurs in these constructions the flow field has to be determined for various calculations and stability verifications. For instance, hydraulic gradients, discharge velocities as well as potential heads and pore-water pressures have to be calculated. These values are necessary to determine the earth and water pressure distribution. They can also be used for the verification of hydraulic failure, internal erosion and failure of the earth support, as well as for the calculation of groundwater influx.
By defining the hydraulic problem as a parameterized boundary value problem and using the Finite Element Method (FEM) an analytical approximate solution was formulated. This solution is valid for both plane and axisymmetric state with isotropic and anisotropic subsoil. It is used for the calculation of the hydraulic head distribution on the level of the wall toe and along the inner surface of the wall. These approximate solutions are evaluated for the verification against hydraulic heave and for the calculation of the maximum gradient at the change of layer in area of the excavation pit and the determination of the required embedment depth.