Gebirgsstabilität des Königsteins: eine Parameterstudie

Projektlaufzeit

04/2024 - 03/2026

Projektpartner

Professur für Felsmechanik, TU Bergakademie Freiberg

Projektziele

Die Festung Königstein liegt in der Elbe-Zone in der Nähe von tektonischen Störungen mit erhöhtem Reaktivierungspotential. An und in der näheren Umgebung der Festung wurden bereits zehn Massenbewegungsereignisse registriert, welche Sturz-, Rutschungs- und Fließprozesse umfassen. Des Weiteren wurde eine Rissbildung in den historischen Mauerwerken der Festungsanlage beobachtet. 

Aufgabe des Sächsischen Landesamts für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG) ist es, solche Ereignisse zu dokumentieren. Außerdem unterstützt das LfULG andere Behörden bei ihrer Arbeit zur Problematik geogener Naturgefahren. Für diese Beratungstätigkeit werden u.a. Untersuchungen der Gebirgsstabilität mit einem hohen Detaillierungsgrad durchgeführt, die ausschließlich für den Nach-weis lokaler sicherheitstechnischer Aufgabenstellungen Verwendung finden. Aus den Untersuchungsergebnissen werden mögliche Empfehlungen zum Monitoring sowie für Sicherungsmaßnah-men abgeleitet.

Mit der im Projekt Geostab neu entwickelten numerischen Methodik können Untersuchungen zur Gebirgsstabilität des Königsteins nun in einem regionalgeologischen sowie tektonischen Kontext durchgeführt werden:

• Der Einfluss von potentiellen Erdbeben auf die Felsen und Kluftsysteme kann untersucht werden.
• Der Einfluss der jährlichen Temperaturschwankungen auf die Fels- und Bausubstanz kann analysiert werden. Der Einfluss fortschreitender Erosion und Hohlkehlenbildung kann beschrieben werden.
• Der Einfluss von Starkregenereignissen auf das Kluftsystem und damit die Standsicherheit kann abgeschätzt werden.

Aussagen zu diesen Themen sind von hohem Nutzen für eine Beurteilung von Geogefahren am Königstein.

Wozu dient eine Parameterstudie?

Wesentlich für die Ergebnisse von numerischen Berechnungen sind die verwendeten Materialparameter, welche die physikalischen Eigenschaften der Gesteine beschreiben. Diese sind im Allgemeinen nur punktuell bekannt, da sie an wenige Zentimeter großen Proben im Labor ermittelt wurden. Aus den Labordaten bzw. aus Literaturdaten müssen sie für die gesamte Gesteinseinheit abgeschätzt werden.

In der Natur ist jedoch damit zu rechnen, dass die Materialparameter variabel sind, z.B. durch lokale Wechsel in der Gesteinsbeschaffenheit, durch Inhomogenitäten oder durch bereits existierende Risse. Um solche Variabilitäten bei der Simulation abzubilden, werden die Materialparameter variiert, das heißt, die Berechnungen wurden mehrfach für feste, mittlere und wenig feste Gesteine durchgeführt und die Reaktionen des Systems gegenübergestellt. Dieses Vorgehen bezeichnet man als Parameterstudie. Es ermöglicht Analysen, bis zu welchen Materialfestigkeiten das System stabil bleibt und  relativiert somit unsere Unkenntnis über die Materialeigenschaften des geologischen Untergrunds.

Projektergebnisse

Die angewendete Methodik der numerischen Simulation erlaubte es, Geogefahren für den Königstein objektiv und umfassend zu bewerten, etwa durch potenzielle Erdbeben, Temperaturwechsel, Erosion sowie Starkregenereignisse. 

• Der Bereich minimaler Festigkeit befindet sich am Sockel des Königsteins im sogenannten Gamma-3-Horizont. Dieser Sandstein ist so stark entfestigt, dass er lokal wie ein Lockersediment wirkt. Diese Gesteinseinheit fungiert als potentielle Gleitfläche, auf der sich das Festungsmassiv bewegt. 
• Die Klüfte, die den darüber liegenden Fels durchziehen, stellen ebenfalls wichtige Schwächezonen dar. Besonders Kluftkreuze sowie Klüfte, die in geringen Abständen parallel zu den Außenwänden des Felsens verlaufen, wirken als Schwächezonen, da hier die triaxiale Einspannung des Gesteins fehlt.
• Der Versagensmechanismus des Königssteins ergibt sich aus einer Kombination des Gleitens auf dem Gamma-3-Horizont und der ausgeprägten Klüftigkeit der darüber liegenden festeren Sandsteine: Kluftbegrenzte Felsblöcke können auf dem Gamma-3-Horizont kippen oder abgleiten.
• Bewegungen in diesem mechanischen System werden von externen Einflüssen wie Starkregenereig-nissen oder Erdbeben ausgelöst. Die durchgeführten numerischen Modellierungen zeigten jedoch, dass signifikante Kluftbewegungen erst bei außergewöhnlich starken Ereignissen auftreten wie ei-nem Starkregenereignis von mindestens 10.000-jähriger Wiederkehrdauer oder Erdbeben der Magni-tude > 4,5, also mit der 50-fachen Stärke des stärksten bisher registrierten Erdbebens.
• Eine wichtige Rolle spielt auch der immer wiederkehrende Frost- und Tauwechsel, der erosive Prozesse begünstigt und schlussendlich über lange Zeiträume Felsstürze auslösen kann.