Holzwolle im Tiefbau: Ingenieurbiologische Anwendungen für Erosionsschutz, Hang- und Ufersicherung

Abstract

Holzwolle stabilisiert erosionsgefährdete Böschungen und Uferbereiche, speichert Wasser und unterstützt die Entwicklung der Vegetation in der kritischen Anfangsphase. Mehrjährige Labor- und Feldversuche zeigen, dass Holzwolle sowohl als Erosionsschutzvlies als auch in Form von Faschinen eingesetzt werden kann. Durch die Wahl geeigneter Holzarten lässt sich der Verrottungsprozess beeinflussen und damit die temporäre Schutz- und Stabilisierungswirkung an die Projektanforderungen anpassen. Mit fortschreitender Vegetationsentwicklung übernimmt zunehmend das Wurzelwerk die langfristige Stabilisierung.

Zusammenfassung

Holzwolle hat sich in den vergangenen Jahren als regionaler und biologisch abbaubarer Baustoff für ingenieurbiologische Anwendungen im Tiefbau etabliert. Forschungs- und Pilotprojekte zeigen, dass Holzwolle sowohl als Erosionsschutzvlies als auch in Form von Faschinen zur Stabilisierung von Böschungen und Uferbereichen eingesetzt werden kann.

Holzwollevliese schützen erosionsgefährdete Bodenoberflächen, weisen eine hohe Wasserspeicherfähigkeit auf und verbessern die Bedingungen für Keimung und Vegetationsentwicklung. Holzwolle-Faschinen übernehmen zusätzlich eine temporäre mechanische Stabilisierungsfunktion. Durch die Auswahl und Kombination geeigneter Holzarten kann der Verrottungsprozess beeinflusst und auf die Entwicklung der Vegetation abgestimmt werden.

Damit bieten Holzwolle-Produkte eine regional verfügbare Alternative zu importierten Naturfasern und erweitern das Spektrum ingenieurbiologischer Bauweisen für die Hang- und Ufersicherung.

1. Einleitung

Starkniederschläge und veränderte Abflussregime führen zunehmend zu Bodenerosion, instabilen Böschungen und gefährdeten Uferbereichen. Besonders neu modellierte Hänge oder revitalisierte Gewässerabschnitte benötigen in der Anfangsphase eine Kombination aus mechanischer Stabilisierung und günstigen Bedingungen für eine rasche Vegetationsentwicklung.

Holzwolle-Produkte der Lindner Suisse GmbH bieten hierfür eine regionale Lösung. Die verwendete Holzwolle wird aus Schweizer Holz hergestellt, ist unbehandelt und biologisch abbaubar.

Auf dieser Grundlage wurden zwei Systeme entwickelt: Holzwollevliese für den oberflächlichen Erosionsschutz und Holzwolle-Faschinen für die weitergehende Sicherung von Böschungen und Uferabschnitten. Ihre Wirksamkeit wurde in mehrjährigen Forschungsprogrammen sowohl unter kontrollierten Bedingungen als auch in Praxisprojekten untersucht.

Ein erster erfolgreicher Einsatz von Holzwolle im Tiefbau wurde 2014 im Rahmen des vom Bundesamt für Umwelt (BAFU) geförderten Forschungsprojekts zur Entwicklung und Anwendung naturbelassener Holzwolle im Grundbau und in der Sedimentkontrolle dokumentiert [1]. Im anschließenden Innosuisse-Projekt «Nachhaltiger Erosionsschutz mit Holzwolle» (2015–2019) wurde insbesondere die Anwendung von Holzwollevliesen untersucht [2]. Parallel dazu fanden 2015 und 2016 erste Pilotversuche mit Holzwolle-Faschinen statt [3]. Diese wurden auf dem Areal der Herstellerin Lindner Suisse GmbH durchgeführt und dienten dazu, das grundsätzliche Potenzial von Holzwolle-Faschinen für die Hang- und Ufersicherung zu untersuchen.

Aufbauend auf den Erkenntnissen dieser Pilotversuche wurden die Holzwolle-Faschinen konstruktiv und materialtechnisch weiterentwickelt. Ihre Anwendung und Wirksamkeit wurden anschließend im Innosuisse-Projekt «Faschinen aus Holzwolle für nachhaltige Hang- und Ufersicherung» (Projekt-Nr. 35599.1 IP-ENG) unter Labor- und Feldbedingungen systematisch untersucht [4].

Die Forschungsarbeiten wurden unter Beteiligung des Instituts für Bauen im alpinen Raum (IBAR) der Fachhochschule Graubünden (FHGR), der SUPSI sowie verschiedener Industriepartner durchgeführt.

2. Holzwolle im Erosionsschutz

Für den temporären Erosionsschutz werden in Mitteleuropa häufig biologisch abbaubare Kokos- oder Juteprodukte eingesetzt. Diese Rohstoffe müssen importiert werden und können unerwünschte Organismen oder Pestizidrückstände einschleppen. Holzwolle hingegen kann aus einheimischen Ressourcen hergestellt und regional verarbeitet werden.

Holzwollevliese bestehen aus natürlichen Holzfasern, die Wasser aufnehmen, zur Regulierung der Bodenfeuchte beitragen und Keimlinge vor Austrocknung schützen. Gleichzeitig schützen sie die Bodenoberfläche vor Erosion, bis sich eine ausreichend dichte Vegetation entwickelt hat.

2.1 Forschung und Feldversuche

Im Rahmen des Innosuisse-Projekts «Nachhaltiger Erosionsschutz mit Holzwolle» wurden insgesamt 14 Versuchsstandorte mit unterschiedlichen Standortbedingungen untersucht. Die Versuchsflächen umfassten Hangneigungen zwischen 35 und 70° sowie unterschiedliche Expositionen und Bodenverhältnisse – von fruchtbaren Mutterböden bis zu nährstoffarmen Schotterflächen.

Vier Typen von Holzwollevliesen wurden nach einem einheitlichen Versuchsdesign untersucht. Ergänzend zu den Feldversuchen wurden im Labor unter anderem die Wasseraufnahmefähigkeit und die Zugfestigkeit der verschiedenen Vliese bestimmt.

Die Vliese wurden in Bahnen verlegt und mit Holz- oder Metallnägeln am Untergrund befestigt (Abbildung 1). Entscheidend ist dabei ein möglichst guter Kontakt zwischen Holzwollevlies und Boden.

Die Versuche bestätigten zudem die hohe Wasserspeicherfähigkeit der Holzwollevliese. In den zugrunde liegenden Untersuchungen wurde eine Wasseraufnahme von bis zu 400 % des Eigengewichts festgestellt. Auf nährstoffarmen Rohböden erwies sich zusätzlich eine dünne Humusauflage als hilfreich.

Auch die Verrottungsdauer lässt sich beeinflussen. Durch die Auswahl geeigneter Holzarten kann die Dauer der Schutzwirkung auf die Anforderungen des jeweiligen Projekts abgestimmt werden.

Insgesamt zeigen die Untersuchungen, dass Holzwollevliese die Vegetationsentwicklung in der kritischen Anfangsphase unterstützen und damit zur langfristigen Stabilisierung der behandelten Flächen beitragen. Abbildung 2 zeigt beispielhaft die Entwicklung am Projektstandort Schiers zwischen dem Einbau im September 2015 und dem Zustand knapp drei Jahre später.

3. Holzwolle-Faschinen zur Hang- und Ufersicherung

Während Holzwollevliese vorwiegend dem oberflächlichen Erosionsschutz dienen, sind für die Stabilisierung ganzer Böschungen oder Uferbereiche mechanisch belastbarere Konstruktionen erforderlich.

Hierfür wurden Faschinen aus Holzwolle entwickelt. Sie bestehen aus verdichteter Holzwolle in einem Schlauchgewebe aus Baumwolle. Die untersuchten Faschinen sind in der Regel 2,4 m lang und besitzen einen quadratischen Querschnitt von 40 × 40 cm. Aufgrund ihrer Flexibilität können sie dem Gelände beziehungsweise dem Verlauf eines Gewässers angepasst und beispielsweise auch in engen Gewässerkurven eingesetzt werden.

Bei der Entwicklung der Faschinen erwies sich die Zusammensetzung der Holzwolle als wesentlicher Faktor. Verschiedene Holzarten werden so kombiniert, dass einerseits die erforderliche Formstabilität erreicht und andererseits der Verrottungsprozess beeinflusst werden kann. Die aus den Untersuchungen abgeleitete Verrottungsdauer liegt bei etwa sechs bis acht Jahren. In diesem Zeitraum soll sich die Vegetation so weit entwickeln, dass deren Wurzelwerk zunehmend die langfristige Stabilisierungsfunktion übernehmen kann.

3.1 Großlaborversuch in Chur

Im Werk Chur der GRIBAG AG wurde eine großmaßstäbliche Testfläche zur Untersuchung der Hangstabilisierung eingerichtet. Die einzelnen Versuchsabschnitte wiesen Hangneigungen von 25°, 30°, 35°, 40° und 45° auf. Vergleichsfelder mit traditionellen Totholzfaschinen ermöglichten eine Gegenüberstellung der Systeme.

Die Versuchsflächen wurden über die Projektdauer mit Wildkameras beobachtet. Zusätzlich wurden Bodenfeuchtigkeit sowie Boden- und Lufttemperatur mit Sensoren erfasst. Eine Schemazeichnung des Versuchsaufbaus ist in Abbildung 3 zu sehen. Weitere Untersuchungen erfolgten unter anderem mit Drohnen und Laserscannern.

Trotz des nährstoffarmen Bodens und der anspruchsvollen Standortbedingungen konnte sich Vegetation etablieren. Nach drei Jahren waren die Holzwolle-Faschinen noch weitgehend intakt, während sich gleichzeitig ein zunehmend stabilisierendes Wurzelwerk entwickelt hatte.

3.2 Praxisanwendungen an Gewässern

Neben dem Großlaborversuch wurden Holzwolle-Faschinen in mehreren Pilotprojekten unter realen Standortbedingungen untersucht.

In Stabio im Tessin wurden im Rahmen der Revitalisierung des Laveggio 20 Holzwolle-Faschinen in Uferböschungen mit einer Neigung von etwa 45° eingebaut und mit Totholzfaschinen verglichen. Die unterste Faschinenreihe befand sich bei Normalabfluss teilweise unter Wasser. Die Entwicklung zeigte, dass sich die Vegetation trotz zwischenzeitlich trockener Bedingungen etablieren konnte (Abbildung 4).

Ein weiteres Pilotprojekt wurde am Riale Gaggio in Cadempino durchgeführt. Dort kamen 30 Holzwolle-Faschinen zum Einsatz. Die Beobachtungen zeigten, dass eine Begrünung ausschließlich mit Weidenstecklingen nicht in jedem Fall ausreicht. Gleichzeitig entwickelte sich spontane Vegetation durch natürlichen Samenflug aus der Umgebung. Dies unterstreicht die Bedeutung einer vielfältigen und standortgerechten Vegetationsstrategie.

Am Rickenbach in Wattwil im Kanton St. Gallen wurden nach dem Rückbau einer alten Stauanlage Uferauswaschungen beobachtet. Zur Sicherung des betroffenen Abschnitts wurden 21 Holzwolle-Faschinen eingebaut und mit Raubäumen kombiniert. Zusätzlich wurden die Faschinen mit Holzwollevlies überzogen. Bachseitig eingebrachte Steine und Raubäume verstärkten die Konstruktion (Abbildung 5).

Beim Einsatz im Uferbereich ist insbesondere eine ausreichende Sicherung gegen Auftrieb erforderlich, wenn Faschinen bei erhöhtem Wasserstand teilweise oder vollständig überflutet werden können.

Knapp zweieinhalb Jahre nach dem Einbau waren die Faschinen am Rickenbach gut überwachsen. Die Installation überstand während des Beobachtungszeitraums auch Hochwasserperioden ohne erkennbare Schäden.

4. Einbau und Vegetationsentwicklung

Der Einbau von Holzwolle-Faschinen orientiert sich grundsätzlich an den Verfahren für Lebend- und Totholzfaschinen. Die Elemente werden entlang der Höhenlinie in vorbereitete Gräben beziehungsweise auf Bermen gelegt und mit Holzpfählen oder Stahlankern gesichert.

Für den langfristigen Erfolg ist die Entwicklung einer standortgerechten Vegetation entscheidend. Die Untersuchungen zeigen, dass insbesondere der Wurzelkontakt mit dem gewachsenen Boden gewährleistet sein muss.

Bewurzelte Stecklinge werden deshalb durch die gesamte Dicke der Faschine bis in den darunterliegenden Boden geführt. Ein Anwurzeln nur innerhalb der Holzwolle ist unwahrscheinlich. Für die Pflanzung kann mit einem Schlangenbohrer eine Öffnung durch die Faschine hergestellt und anschließend mit einem Stab erweitert werden. Der bewurzelte Steckling wird eingesetzt und der verbleibende Hohlraum mit Humus beziehungsweise nährstoffreicher Erde verfüllt.

Für einen raschen Anwuchserfolg hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Stecklinge bereits vor dem Einbau zu bewurzeln. Hierzu können sie vor der Pflanzung mehrere Wochen in Wasser gestellt werden, bis sich erste Wurzeln entwickelt haben. Dabei sollte alle paar Tage das Wasser ausgetauscht werden.

Die Versuche zeigen zudem, dass eine möglichst vielfältige Vegetation gegenüber einer ausschließlichen Bepflanzung mit Weidenstecklingen Vorteile bietet. Bewurzelte Stecklinge können mit autochthonem Saatgut kombiniert werden. Humus beziehungsweise nährstoffreiches Substrat fördert die Wurzelentwicklung; eine ausreichende Wasserversorgung, während der Anwuchsphase unterstützt die Etablierung.

Grundsätzlich sollten Pflanzenarten gewählt werden, die an die lokalen Bedingungen hinsichtlich Boden, Feuchtigkeit, Licht und Nährstoffangebot angepasst sind.

7. Schlussfolgerungen und Ausblick

Die verschiedenen Forschungs- und Pilotprojekte zeigen, dass Holzwolle-Produkte eine technisch und ökologisch interessante ingenieurbiologische Lösung für unterschiedliche Aufgaben im Tiefbau darstellen.

Holzwollevliese schützen erosionsgefährdete Bodenoberflächen, speichern Wasser und unterstützen Keimlinge während der kritischen Anfangsphase. Holzwolle-Faschinen übernehmen darüber hinaus eine temporäre mechanische Stabilisierungsfunktion an Böschungen und Ufern.

Ein wesentliches Merkmal beider Anwendungen ist das Zusammenspiel zwischen dem biologisch abbaubaren Baustoff und der sich entwickelnden Vegetation. Unmittelbar nach dem Einbau übernimmt die Holzwolle die erforderliche Schutz- beziehungsweise Stabilisierungsfunktion. Parallel dazu entwickelt sich die Vegetation. Mit fortschreitender Verrottung der Holzwolle übernimmt deren Wurzelwerk zunehmend die langfristige Sicherung.

Die bisherigen Untersuchungen zeigen zugleich, dass der Erfolg wesentlich von den jeweiligen Standortbedingungen und einer fachgerechten Ausführung abhängt. Dazu gehören die Auswahl geeigneter Holzarten, eine sichere Verankerung, ein guter Kontakt zum Baugrund und eine standortgerechte Begrünung. Bei Faschinen ist insbesondere darauf zu achten, dass die Pflanzenwurzeln bis in den gewachsenen Boden reichen.

Für zukünftige Anwendungen empfiehlt es sich, Holzwolle-Produkte bereits in der Planungs- und Ausschreibungsphase zu berücksichtigen. Weiteres Optimierungspotenzial besteht insbesondere in der Abstimmung von Holzrezeptur und gewünschter Verrottungsdauer sowie in der Kombination mit autochthonen Pflanzen.

Holzwolle ermöglicht damit ingenieurbiologische Bauweisen, bei denen eine temporäre technische Sicherung schrittweise in eine dauerhafte Stabilisierung durch Vegetation übergeht.