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Wenn der Berg ins Rutschen kommt

Standsicherheitsuntersuchungen an einer Großrutschung in einem Malmkalksteinbruch im Wesergebirge

Die aufgerissene Spalte im Kammbereich - Abrissfläche des Gleitkörpers   Die Schaumburger Steinbrüche GmbH & Co. KG betreiben am Nordhang des Messingsberges bei Rinteln im Landkreis Schaumburg/Niedersachsen den Steinbruch Steinbergen. Im Januar 1996 wurden im Bereich des westlichen Kammabschnittes offene Spalten entdeckt, die zu einem diagonalen Spaltensystem mit einer Öffnungsweite von zum Teil > 0,50 m gehören. In der Folgezeit eingeleitete Bewegungsmessungen ergaben, dass der Kamm über eine Länge von mehr als 100 m nach Norden in Richtung des Steinbruches abgleitet, und sich die Bewegungsgeschwindigkeit in der Folgezeit zunehmend verstärkte. Somit war hier dringender Handlungsbedarf zur Sicherung des rutschungsgefährdeten Kammbereiches gegeben.


Auf einer Gesamtfläche von 35 ha wird die Abfolge der im Messingsberg anstehenden Kalksteine des
Korallenoolith (Malm) mit einer Mächtigkeit von maximal 55 m abgebaut. Der Steinbruch besitzt derzeit eine Längserstreckung in Ost-West-Richtung von 800 m und eine Quererstreckung in Nord-Südrichtung von 500 m. Auf einer Breite von etwa 50 m bleibt im Kammbereich der dort bis zu 45 m mächtige Korallenoolith-Kalkstein stehen. Die den Korallenoolith unterlagernden Kalkmergelsteine der Heersumer Schichten werden nicht gewonnen. Die Kalksteine werden im wesentlichen zu Bauzwecken verwendet. Der Steinbruch Steinbergen ist seit Beginn des 20. Jahrhunderts in Betrieb. In den kommenden Jahren ist eine Erweiterung des Bruches in östlicher und in nördlicher Richtung vorgesehen.


Profilschnitt Steinbruchs-Südwand (ergänzt nach Mönning 1985 und Boguslawski 1996)
Profilschnitt Steinbruchs-Südwand
(ergänzt nach Mönning 1985 und Boguslawski 1996)
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Untersuchungsprogramm

Zur Sicherung des rutschungsgefährdeten Kammbereiches wurden folgende Untersuchungen durchgeführt:
  • Aufnahme der geotektonischen Situation der bestehenden Steinbruchwände sowie des Kammbereiches am Messingsberg;
  • Untersuchung des bisherigen zeitlichen Ablaufs der Rutschung sowie der aktuellen Rutschungssituation anhand von Meß- und Beobachtungsdaten und Erarbeitung einer Standsicherheitsanalyse;
  • Bewertung und Prognose zur Standsicherheit im derzeit bestehenden Steinbruch sowie im Bereich der genehmigten Erweiterungsgebiete in Richtung Osten;
  • Erarbeiten eines Konzeptes mit Variantenvergleich zur Sicherung bzw. Stabilisierung der Rutschmassen.


Gleichzeitig wurde ein Mess- und Überwachungsprogramm initiiert. Es umfasste:

  • Digitale Distanzmessungen an insgesamt elf Meßbrücken, einerseits quer zu der im Zuge der Rutschung aufgerissenen auf dem Messingsbergkamm, andererseits am Fuß der südlichen Abbauwand im Bereich der Gleitfläche ;
  • Elektrooptisches Aufmaß von insgesamt 13 Meßpunkten entlang des gesamten, durch den Steinbruchbetrieb betroffenen Kammbereichs des Messingsberges.


Geologie

Der Messingsberg ist Teil des Wesergebirges, eines schmalen, Ost-West-streichenden Höhenzuges des Niedersächsischen Berglandes. Der Höhenzug wird durch die Schichten des mittleren Jura (Dogger) und des oberen Jura (Malm) gebildet. Die Gesteine fallen flach mit etwa 10 bis 20 Grad nach Norden ein und tauchen unter der Schaumburg-Lippischen Kreidemulde unter jüngeren Schichten ab. Aufgrund der größeren Härte bilden die Kalksteine des Malm in der Regel die Kammlinie. Die Südflanke des Messingsberg-Kamms wird durch eine natürliche Schichtstufe mit zu Tage tretenden Felsklippen charakterisiert.
Der Korallenoolith besitzt eine Gesamtmächtigkeit von etwa 55 m. Die Schichtenfolge ist überwiegend als Kalkstein, untergeordnet auch als Kalksandstein und Mergelstein ausgebildet. Im Bereich der etwa 5 bis 7 m mächtigen Basisschichten des Korallenoolith sind einzelne tonigmergelige
Lagen in die Kalksteinschichten eingeschaltet. Die Kalksteinschichten des
Korallenoolith werden vollständig bis zu den unterlagernden Heersumer Schichten abgebaut.
Die Heersumer Schichten sind lithologisch als mergelige Sandsteine bis Mergelsteine mit einer Gesamtmächtigkeit von 16 m ausgebildet. Kalksandsteine treten nur in wenigen Bänken untergeordnet auf. Generell nimmt zum Hangende hin der Tonanteil zu. Eine weichere Mergelsteinbank von etwa 2 m Mächtigkeit schließt die Schichtenfolge zum hangenden Korallenoolith ab.
Statistische Untersuchungen zum Trennflächengefüge im Steinbruch erbrachten folgende Maxima (Streichrichtung/Einfallswinkel)) :
Schichtflächen : ss = 88 / 16,5 N
Kluftflächen: k1 = 122 / 78 SW;
K2 = 18 / 84 SE



Beobachtungen und Messungen zur Standsicherheit

Als potenzielle Gleitfläche, entlang der die Bewegungen im Kammbereich vonstatten gehen können, kommen aufgrund der Lagerungsverhältnisse nur die Schichtflächen in Betracht. Die bedeutendste Schichtfläche im Untersuchungsgebiet ist die Grenzfläche zwischen den Heersumer Schichten und den darüber lagernden Schichten des Korallenoolith, die direkt oberhalb des Fußes der Steinbruch-Südwand aufgeschlossen ist. Entlang dieser Grenzfläche sind im zentralen Bereich der Abbauwand auffällige Versatzbeträge von bis zu mehr als 50 cm zu beobachten. Die Schichten des Korallenoolith haben sich dort in Richtung Norden über die unterlagernden Heersumer Schichten geschoben. In den Zonen höchster Versatzbeträge ist der Tonmergelstein unterhalb der Korallenoolith-Basis in weichen, plastischen Ton von - zum Teil mit mehr als 5 cm Mächtigkeit - umgewandelt worden. Infolge der Gleitbewegung ist hier der ursprünglich feste Tonstein zu einem weichen plastischen Ton umgewandelt worden, der nun ein ideales "Gleitmittel" darstellt.
Die entlang der aufgeschlossenen Steinbruch-Südwand im Abstand von etwa 20 bis 30 m auftretenden etwa 20 Großklüfte (k1) durchschlagen den gesamten Kammbereich. Durch die Verschneidung mit den Großklüften der zweiten Hauptrichtung (k2) wird der Kalkstein im Kammbereich in mehrere größere Gebirgsblöcke zerlegt. Im Bereich der aktiven Gleitfläche ist der gesamte Korallenoolith in Bewegung und die Großklüfte fungieren als Ablösungsfugen für einzelne Segmente.
Die Kalksteinschichten des Korallenoolith sind bereichsweise durch eine natürliche Verkarstung gekennzeichnet. Dies trifft insbesondere auf die Kammregion zu. Dort sind bislang insgesamt acht Höhlen bekannt. Die Lage der Höhlen ist zumeist an Großklüfte gebunden. Der Steinbruch einschließlich der Kammregion liegt oberhalb des Grundwassers. Die Wasserführung des Gesteins im Kammbereich ist auf das niederschlagsbedingte, temporäre Auftreten unzusammenhängenden Schichtenwassers beschränkt. Dieses Wasser sickert über die Klüfte im Bereich des Kammes in die Tiefe. Es tritt oberhalb der tonigen Schichten an der Basis des Korallenoolith oder dem Top der Heersumer Schichten an der Steinbruchwand zu Tage.
Die Steinbruchwand ist mit 60 - 70° wesentlich steiler als die parallel streichende potenzielle Gleitfläche. Die kammförmige Morphologie des Messingsberges bedingt, dass die Gleitfläche auch auf der Südflanke des Kammes zu Tage tritt, allerdings etwa 30 m höher. Damit ist der Messingsberger Höhenrücken im gesamten Steinbruchbereich durch den Abbau statisch betroffen und gegenüber dem natürlichen Zustand in seiner Standsicherheit reduziert.
Die beschriebenen geologischen Verhältnisse mit Trenn-, Gleit- und Abrissflächen, sowie Karst- und Höhlenbildungen haben beim Abbauzustand Mitte der 90er Jahre zu größeren Instabilitäten geführt. Die durchgehende, unter 16° N einfallende Gleitfläche an der Grenze Korallenoolith / Heersumer Schichten war über eine Längserstreckung von > 600 m am Fuß der Steinbruchwand durch den Gesteinsabbau freigelegt worden. Auf dieser Gleitfläche, begünstigt durch steilstehende Kluftflächen und Spalten, die diagonal zur Steinbruchwand verlaufen, bewegte sich eine Felsmasse von 170.000 m3 zunächst langsam und dann beschleunigt in Richtung Steinbruchgrube. Die Bewegung der Gleitmasse erreichte Mitte 1997 eine Geschwindigkeit von mehr als 20 cm/Jahr. Bei einer an der Erdoberfläche zu beobachtenden Gesamtbewegung von rund 100 cm und unter Berücksichtigung der Beschleunigung der Bewegung in den Jahren vor 1997 ist der Beginn des Abrutschens des Gebirgskörpers etwa auf die Mitte der 80er Jahre zu datieren.



Standsicherheits-Analyse

Die Formulierung einer Modellvorstellung für das Spannungsdehnungsverhalten von Fels ist eine wesentliche Voraussetzung für die Beurteilung der Standsicherheit von Böschungen im Fels. Die Festigkeit des Gesteins wird nicht überschritten. Es genügt die Berücksichtigung der Gleitfugen. Die Gleitfläche selbst ist eben, weit durchgehend, und mit Ton-Letten-Material gefüllt. Sowohl die kritische Schichtgrenze (Gleitfläche) als auch vergleichbare potenzielle Ablösungsflächen sind auf der gesamten Ost-West-Erstreckung der Steinbruchwand latent vorhanden. Von der Rutschung betroffen ist der zentrale Kammbereich auf einer Länge von 200 m. Die Mobilisierung der gesamten Kammregion wird durch die seitliche Abstützung der Korallenoolithe in Ost und West auf den dort erhaltenen Widerlagern verhindert.
Der Versagensmechanismus besteht darin, dass sich der durch Steinbruchwand, Gleitfläche, Klufthöhle und Diagonalklüfte begrenzte Felskörper durch Translation aus dem Felsverband herausgelöst hat. Die Instabilität ist erst nach Freilegung der Gleitfläche am Wandfuß aufgetreten. Die im Fels ausgebildeten Schichtfugen streichen parallel zur Wand und fallen hangwärts unter etwa 16° ein. Die Gleitfläche ist nicht an Störungen versetzt und lässt sich entlang der Steinbruchwand verfolgen. Die Bewegung wurde durch Überschreitung der Scherfestigkeit in der aus bindigem Material (Ton / Letten) bestehenden Schichtfugenfüllung ausgelöst.
Die Korallenkalke auf der gesamten Kamm-Region sind durch die Klüftung, die vorhandenen Karstspalten und Höhlen, die bereits erfolgten Gleitbewegungen, die Sprengungen im Steinbruch und die generelle Gebirgsauflockerung infolge morphologischer Exposition so wasserwegsam, dass sich kein Grundwasserkörper in den Kalken aufbauen kann. Somit sind entsprechende Gewichtszunahmen und Kluftwasserdrücke nach Niederschlagsereignissen nicht zu berücksichtigen. Das rasch eindringende Wasser führt jedoch zu einer Durchfeuchtung des Gleitfugenmaterials und zu dementsprechend ungünstiger Konsistenzänderung.
Aus der bis November 1997 gemessenen Gleitbewegung in der Größenordnung von wenigen dm/a ergibt sich, dass seinerzeit die Standsicherheit der kritischen Felsmasse etwas kleiner als eins war, das heißt, der Einfallswinkel der Gleitfläche lag unter dem Reibungswinkel des plastischen Fugenmaterials.
Jede Standsicherheitsberechnung im Fels kann aufgrund der verschiedenen Einflussparameter nur als Annäherung an die natürliche Situation beziehungsweise als "Versuch einer statischen
Berechnung" angesehen werden. Voraussetzungen für eine weitgehend realistische Beurteilung sind :
eine detaillierte ingenieurgeologische Aufnahme des betroffenen Gebirgsbereiches,
  • eine möglichst genaue Ermittlung der Abmessungen des kritischen Bereiches,
  • Bewegungsmessungen und Kontrollmessungen nach evtl. Sicherungsarbeiten.

Diese Voraussetzungen sind im vorliegendem Fall konsequent geschaffen worden.

Profilschnitte der
Sicherungsvarianten


Profilschnitte der Sicherungsvarianten
Situation bis 1997

Profilschnitte der Sicherungsvarianten
Variante 1: Felsanker
(mit Betonmauer)

Profilschnitte der Sicherungsvarianten
Variante 2:
Teilabsprengungen



Blockbild des Steinbruchs mit Rutschungsbereich
Blockbild des Steinbruchs
mit Rutschungsbereich




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Prognosen zur Standsicherheit

Mit dem Abbau des Korallenoolith-Kalkes im Erweiterungsgebiet vergrößert sich der schmale und langgezogene Kammbereich weiter. Das dort lagernde Korallenoolith-Gesteinspaket wird beim Endabbauzustand eine Abmessung von mehr als 1000 m Länge, 50-60 m Breite und 35 bis 45 m Höhe besitzen. Dieses Gesteinspaket lagert dann auf der gesamten Länge und gesamten Breite auf den mit 16° nach Norden einfallenden, tonig-mergeligen Heersumer Schichten.
  • Die westlichen und die östlichen Randbereiche der südlichen Abbauwand werden auch im Endabbauzustand nicht rutschungsgefährdet sein. Hier werden die treibenden Kräfte dauerhaft durch die relative Nähe zum "Widerlager" und die dort wirkenden haltenden Kräfte aufgehoben.
  • Der derzeit akut rutschungsgefährdete Kammbereich im zentralen Böschungsbereich wird, wenn keine Sicherungsmaßnahmen ergriffen werden, in östliche Richtung mit dem fortschreitenden Abbau weiter destabilisiert. Hier werden dauerhaft die treibenden Kräfte gegenüber den haltenden Kräften überwiegen.


Technische Maßnahmen zur Sicherung des Felskörpers

Generell stehen für die Sicherung oder Sanierung von instabilen Felsmassen unterschiedliche und erprobte technische Maßnahmen zur Verfügung. Bei der Wahl der optimalen Lösung sind im wesentlichen Effektivität, Kosten, Landschaftsbild und Langzeitverhalten zu berücksichtigen.
Wenn als Sicherungsvariante der gezielte, schonende Abbau des gesamten Kammbereiches aus Landschaftsschutzgründen ausgeschlossen wird, verbleibt als sinnvolle Möglichkeit die Stabilisierung des Rutschkörpers durch Erhöhung der haltenden Kräfte und Minderung der treibenden Kräfte im Rutschungsbereich. Hier kommen entweder Felsdübel-Injektionen oder Vorsprengungen in Frage.
Eine technische Sicherung mittels Felsdübel besitzt bei der Größe der vorliegenden Rutschmasse vor allem aufgrund des hohen Kostenaufwandes Nachteile. Weiterhin ist hierbei zu berücksichtigen, dass im Laufe der Zeit eine Verringerung des Reibungswinkels der Gleitfläche eintreten kann. Daher besteht dauerhaft die Notwendigkeit einer wirksamen Drainage sowie einer Langfristkontrolle der technischen Einrichtungen und ggf. Nachbesserung der Anker auch nach Schließung des Steinbruches. Auch ist nicht zu vernachlässigen, dass technische Baumaßnahmen in der hier notwendigen Größenordnung die Störung des Landschaftsbildes noch verstärken können.
Aus fachlicher Sicht kann auch die Vorsprengung von Gesteinsmaterial das Ziel einer Sicherung erreichen, ohne dass in gleichem Maße die Nachteile einer (bau)technischen Maßnahme in Kauf genommen werden müssen. Je mehr Felsmaterial abgesprengt werden kann - am besten stufenförmig und bis unter die Gleitfläche (um deren Wirksamkeit aufzuheben) - desto besser wird die Standfestigkeit des Kammbereiches. Wichtig ist, dass der gesamte, latent rutschungsgefährdete Kammbereich durch mehrere Vorsprengungen gesichert wird.
Die Wirksamkeit des Schuttkörpers besteht darin, dass die alte Gleitfläche durch die vorgesprengten Massen unterbrochen ist und somit ein höherer Reibungswinkel angesetzt werden kann. Entscheidend ist hierbei die Ausbildung der Schuttkörperbasis beziehungsweise der Oberfläche der Heersumer Schichten.
Im vorliegendem Fall spielt das Eigengewicht der Felsmasse praktisch keine Rolle für die Standsicherheit. Ein einfacher Abtrag im Sinne einer Verringerung der treibenden Kräfte ist nicht
erfolgversprechend, da bei der einheitlichen geneigten Gleitfläche nur der Einfallswinkel und der Reibungswinkel des Fugenmaterials in die Sicherheitsberechnung eingehen.
In jedem Fall steht mit dieser Variante eine technische Möglichkeit zur Verfügung, den Kamm für einen längeren Zeitraum mit Betriebsmitteln des Steinbruchbetriebes zu sichern. Daher ist diese Variante (Vorsprengungen) zu favorisieren.
Eine Sicherung des verbliebenen, derzeit noch nicht vom Abbau betroffenen, etwa 100 m langen Kammbereiches im Osten durch den teilweisen Verbleib von Korallenoolith-Schichten in bestehender Mächtigkeit im Steinbruch (als "Spange") ist abbautechnisch nur sehr aufwendig zu realisieren und daher bei vergleichsweise geringem Nutzen nicht zu befürworten. Da hiervon zudem keine Sicherungswirkungen auf den übrigen Kammbereich ausgehen, wurde auch für diesen Teilbereich des Kammes eine Sicherung durch Vorsprengung präferiert.
Die Vorsprengungen wurden in den Jahren 1997 bis 2000 in ersten Schritten umgesetzt. Wie die Messungen seit den Vorsprengungen gezeigt haben, hat sich die Rutschbewegung innerhalb von etwa einem Jahr deutlich verlangsamt und ist bis heute nahezu vollständig zum Stillstand gekommen. Mit fortschreitendem Abbau sind in Richtung Osten zukünftig weitere Vorsprengungen als Sicherungsmaßnahme vorgesehen.
Trotz der erfolgten Sicherungsmaßnahmen kann sich über sehr lange Zeiträume (Jahrhunderte) eine Verschlechterung der Situation mit abnehmender Stabilität dennoch ergeben. Folgende Langzeit-Phänomene sind nicht auszuschließen:
  • Weitere Plastifizierung des Fugenmaterials der Gleitfläche mit entsprechender Verringerung des Reibungswinkels;
  • Verdichtung und zunehmende Abdichtung des abgesprengten Schotters durch Gesteinszerfall und eingeschwemmtes Bodenmaterial, und damit die langfristige Möglichkeit eines Wasserrückstaus im Fels mit Zunahme der Gewichtskräfte und Kluftwasserdrücke.
  • Verschlechterung der Reibungseigenschaften auf der Steinbruchsohle (Top Heersumer Schichten) durch Tau- / Frostwirkungen und sonstige Verwitterungsprozesse.
  • Einfluss tektonischer oder anthropogener Schockereignisse.

Die langfristige Wirksamkeit der Maßnahmen ist daher durch ein Mess-System entlang des Kammes auf Jahre hin zu kontrollieren. Über weitergehende Maßnahmen ist im Falle ungünstiger Meßergebnisse bzw. neuer Erkenntnisse beim laufenden Steinbruchbetrieb zu entscheiden.


Foto der Gleitfläche Heersumer Schichten/Korallenoolith am Fuße der südlichen Steinbruchs-Abbauwand (Blickrichtung Süden)
Foto der Gleitfläche Heersumer Schichten/
Korallenoolith am Fuße der südlichen
Steinbruchs-Abbauwand (Blickrichtung Süden)
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Landschaftsplanerische Gesichtspunkte bei der Beurteilung der Sicherungsmaßnahmen
Bei der Auswahl der geeigneten Sicherungsmaßnahmen wurden auch die Belange von Natur und Landschaft berücksichtigt. Im vorliegenden Fall besteht vor allem eine hohe Empfindlichkeit des Landschaftsbildes gegenüber Beeinträchtigungen, da der Steinbruch und der Kammbereich des Messingsberges weithin einsehbar sind. In der Rekultivierungsplanung ist vorgesehen, die Sohlflächen des Steinbruches aufzuforsten, so dass später nur noch der obere Teil der 40 m hohen Steilwand in der Landschaft sichtbar bleibt.
Die gewählte Sicherungsmethode der Vorsprengungen hat hinsichtlich der Eingrünung und Einbindung des Steinbruches in das Landschaftsbild sehr positive Effekte. Durch die insgesamt fünf Vorsprengungen entlang der Steinbruchwand wird die hohe und nach Abbauabschluss mehr als 1.000 m lange Steilwand durch die eingesprengten Nischen und die vorgelagerten Schuttkegel gegliedert. Sie fügt sich allein dadurch schon erheblich besser ins Landschaftsbild ein als die ungegliederte 40 m hohe Wand.
Weiterhin werden sich die bis über die Hälfte der Wandhöhe aufragenden Schuttfächer, die bei den Vorsprengungen entstehen, mittelfristig durch aufkommende Gehölze begrünen. Dadurch wird einerseits die Eingrünung des Steinbruches verbessert, andererseits entstehen hier auch Standorte für potenziell wertvolle Lebensgemeinschaften (Standort eines Ahorn-Eschen-Schluchtwaldes).


Diagramm der Bewegungsmessungen
Diagramm der Bewegungsmessungen



Lutz Krapp,
Georg von Luckwald,
Johannes Pommerening,
Ingenieurbüro Dr. Köhler & Dr. Pommerening
(Grafiken und Fotos: Ing.-Büro Dr. Köhler & Dr. Pommerening)


Literatur

V. Boguslawski, S. (1996): Das Bergzerreißen am Messingsberg - unveröff. Bericht, Höhlengruppe Nord, Hamburg
Caspari, B. (1992): Geologie des Weserberglandes unter besonderer Berücksichtigung unserer Steinbrüche - SSS-Informationsschrift, Rinteln
Gramann, F. (1997): Das Niedersächsische Oberjura-Becken - Z. dt. Geol. Ges., Stuttgart
Meyer, S. (1996): Der Messingsberg bei Steinbergen und seine Klufthöhlen - unveröff. Bericht; Speläologenbund Hildesheim
Mönning, E. (1985): Feinstratigraphische Profilaufnahme der Heersumer Schichten und des Korallenoolith im Steinbruch östlich des Ahrensberges mit einer Kartierung im Raum Steinbergen - Diplomarbeit, unveröffentlicht; TU Clausthal




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