Können Glaskugeln beim Brunnenbau Filterkies einfach ersetzen?

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1 Können Glaskugeln beim Brunnenbau Filterkies einfach ersetzen? Berlin-Brandenburger Brunnentage, bis

2 Vergleich Korngrößenklassen von Filterkiesen und Glaskugeln Filterkiese (DIN 4924) [mm] 0,4-0,8 0,63-1,0 0,71-1,25 Glaskugeln Silibeads [mm] Typ S 0,25-0, ,40-0, ,50-0, ,75-1, ,00-1, Jedem handelsüblichen Filterkies stehen 2 4 Typen Glaskugeln mit deutlich enger gestuftem Kornspektrum gegenüber. 1,0-2,0 2,0-3,15 1,25-1,65 1,55-1,85 1,70-2,10 2,00-2,40 2,40-2, ,85-3, ,15-5,6 3,40-4,00 3,80-4, ,70-5, ,60-6, ,6-8,0 [mm] Typ M Quelle: Produktdatenblatt V2/2008 der Firma Sigmund Lindner GmbH D Warmensteinach... 9,50-10,50 10,50-11,

3 Glaskugeln und Kiese für norddeutsche Lockergesteinsgrundwasserleiter 1,0 2,0 mm 0,7 1,1 mm 2,0 3,15 mm 1,7 2,1 mm 3,15 5,6 mm 3,4 4,0 mm 2

4 Vergleich hydraulischer Parameter von Filterkiesen und Glaskugeln kf [m/s] 1,1E-03 2,3E-03 UD 1,4 1,3 D60 [mm] 0,62 0,94 D10 [mm] 0,43 0,77 Filterkies DIN 4924 [mm] 0,4-0,8 0,71-1,25 Glaskugeln Silibeads [mm] 0,40-0,60 0,50-0,75 0,75-1,00 1,00-1,30 D10 [mm] 0,41 0,51 0,77 1,01 D60 [mm] 0,51 0,64 0,95 1,17 UD 1,25 1,25 1,24 1,16 k f [m/s] 1,1E-03 1,7E-03 2,2E-03 4,0E-03 Die hydraulischen Durchlässigkeiten von Kiesen / Sanden und Glaskugeln vergleichbarer Korngrößen sind ähnlich. 1,00-1,30 1,01 1,17 1,16 4,0E-03 5,0E-03 1,6 1,6 1,03 1,0-2,0 1,25-1,65 1,55-1,85 1,27 1,57 1,48 1,73 1,17 1,10 6,7E-03 1,1E-02 1,70-2,10 1,72 1,93 1,12 1,3E-02 2,00-2,40 2,02 2,24 1,11 1,9E-02 2,4E-02 1,4 2,88 2,1 2,0-3,15 2,40-2,90 2,43 2,69 1,11 2,9E-02 2,85-3,45 2,88 3,20 1,11 4,3E-02 2,85-3,45 2,88 3,20 1,11 4,3E-02 6,4E-02 1,4 4,55 3,3 3,15-5,6 3,40-4,00 3,80-4,40 3,43 3,83 3,76 4,16 1,09 1,08 6,4E-02 8,2E-02 4,70-5,30 4,73 4,99 1,05 1,3E-01 2,3E-01 1,2 7,2 5,8 5,6-8,0 5,60-6,30 5,64 6,02 1,07 2,0E-01 3

5 Glaskugeln im Detail Rundheit nahe der Kugelform Geringe Maßtoleranzen Glatte Oberfläche Mechanische und chemische Stabilität hoher Preis 4

6 Qualitative Verschlechterung der Filterkiese Plattige, spitze Körner und Bruchstücke sowie Unterkorn verstopfen die Filterschlitze. Wickeldrahtfilter Schlitzweite 1,25 mm Filterkies 2,0 3,15 mm (DIN 4924) 5

7 Praxiserfahrungen: Brunnen im Lockergestein mit Glaskugelschüttungen im Filterbereich Brunnen 9c WW Potsdam - Nedlitz Brunnen 392 Chemiepark Dormagen Bauzeit Oktober 2009 November 2009 Grundwasserleiter Mittelsande, feinsandig bis grobsandig, an der Basis Kiese und Geröll, U = 1,6-4,3 Feinkiese und Mittelkiese, grobsandig, steinig, U= 6,5-17,5 Teufe 39,5 m 28,0 m Lufthebeverfahren, Bohrverfahren teilverrohrt verrohrte "Trockenbohrung" Bohrduchrchmesser 700 mm 622 mm Ausbau 350 mm Wickeldraht 350 mm Wickeldraht teufendifferenziert, Ringraumschüttung im Filter Glaskugeln + Filterkies Glaskugeln Brunnenentwicklung SDKK + hydropuls SDKK + hydropuls 6 hydropuls ist ein eingetragenes Markenzeichen von M. Steinbrecher SDKK ist ein eingetragenes Markenzeichen der Teftorec GmbH

8 Ausführungsvarianten Brunnen 9c Ringraumverfüllung mit Filterkies Geologisches Profil Ringraumverfüllung mit Glaskugeln 7

9 Einbringen der Glaskugelschüttung in den Ringraum des Brunnens 8

10 Massenkontrolle der eingebrachten Schüttgüter Br. 9c Annahme: Die Rundheit nahe der idealen Kugelform und die sehr geringe innere Reibung lassen erwarten, dass eine Glaskugelschüttung bereits beim Schütten eine dichte Lagerung einnimmt. von bis Höhe Volumen Material Schüttbedarf eingebaut Soll/Ist Bemerkung Ist-Volumen Ist-Durchmesser m u. GOK m u. GOK m m³ kg kg % m³ m 25,00 26,00 1,00 0,304 Filterkies 0,71-1,25 mm aufgelockerte Lagerung oder mit Nachfall 26,00 28,00 2,00 0,608 Glaskugeln 0,75-1,1 mm leicht aufgelockerte Lagerung 28,00 31,00 3,00 0,912 Glaskugeln 1,25-1,65 mm leicht aufgelockerte Lagerung 31,00 34,80 3,80 1,155 Glaskugeln 1,7-2,1 mm leicht aufgelockerte Lagerung 34,80 35,10 0,30 0,091 Filterkies 2,0-3,15 mm Kalibervergrößerung 0,100 0,744 35,10 35,80 0,70 0,213 Filterkies 3,15-5,6 mm Kalibervergrößerung 0,300 0,821 35,80 38,50 2,70 0,821 Glaskugeln 3,4-4,0 mm Kalibervergrößerung 1,088 0,801 38,50 40,10 1,60 0,487 Filterkies 0,71-1,25 mm i.o. Sohle 15,10 4, Oberhalb der Kalibervergrößerung konnten weniger Glaskugeln platziert werden, als berechnet. Eine aufgelockerte Lagerung ist daher zu vermuten. 9

11 Ringraumverfüllung Brunnen 9c WW Potsdam-Nedlitz geplant ausgeführt 10

12 Lagerungsverdichtung der Schüttgüter mit hydropuls Brunnentiefe: Höhe Schüttung: 40,05 15,1 Glaskugeln / Filterkies 24,95 m u. GOK Lagerungsverdichtung mittels Hydropuls Vordruck 30 bar; Arbeitsdruck 60bar Generator wurde von 28,5-37,5 m im Filterbereich auf und ab bewegt Dauer einer Fahrt ca. 60 sec., ca. 30 Impulse je min Nr. Richtung Lot vor Beginn Lot nach Ende Setzung m u. ROK m u. ROK m 1 hoch 24,95 25,05 0,10 2 runter 25,05 25,25 0,20 3 hoch 25,25 25,60 0,35 4 runter 25,60 25,70 0,10 5 hoch 25,70 26,05 0,35 6 runter 26,05 26,15 0,10 7 hoch 26,15 26,30 0,15 8 runter 26,30 26,35 0,05 9 hoch 26,35 26,55 0,20 10 runter 26,55 26,65 0,10 11 Summe Setzung m Setzung % 1,70 11 bei 26,65 Lagerungsverdichtung unterbrochen; Nachschütten von Filtersand 0,71-1,25 mm während des Nachschüttens: nach 2 Sack (50 kg, ca. 10 cm) starker Nachfall aus der Bohrlochwand, Lot auf 23,50! Nachverdichtung eingestellt Tonsperre geschüttet

13 Geophysikalische Untersuchung und Videokontrolle der Ringraumschüttung vor der Brunnenentwicklung 12

14 Geophysikalische Untersuchung und Videokontrolle der Ringraumschüttung vor der Brunnenentwicklung 13

15 Brunnenentwicklung mit SDKK und hydropuls Kammerförderrate: 98 m³/h Ausgetragene Sandmenge: L sehr hohe Plateauwerte mit SDKK Restaustragsraten mit DKSK 3-8 ml/m³ Leistungspumpversuch: 96 m³/h/m, sandfrei Berlin-Brandenburger Brunnentage, bis

16 Siebanalyse des Sandaustrags bei der Intensiventsandung 100,00 Kornsumme nkurv e Siebdurchgang Gewichtsprozente [%] 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 Sedimentes. 40,00 30,00 20,00 10,00 Glaskugelschüttung. 0,00 0,01 0, [mm] Der Sandaustrag erfasst das Kornspektrum bis d 20 des GWL- 90 % der ausgetragenen Körner sind kleiner als die theoretisch ermittelte Porenkanalweite der Ton + Schluff Feinsand Mittelsand Grobsand Feinkies Mittelkies Probe 9c_9-32 m bis 33 m Probe e12_1-31,5 m bis 33 m Probe e12_6-31,5 m bis 33 m Sediment GW L Sandaustrag bei der Intensiventsandung Glaskugelschüttung 1,7-2,1 mm mit w irksamen Porenkanalw eiten 0,26-0,37 mm 15

17 Siebanalyse des Sandaustrags bei der Intensiventsandung 100,00 Kornsumme nkurv e Siebdurchgang Gewichtsprozente [%] 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 Der Sandaustrag erfasst das Kornspektrum bis d 30 des GWL- Sedimentes 85 % der ausgetragenen Körner sind kleiner als die theoretisch ermittelte Porenkanalweite der Glaskugelschüttung. 0,00 0,01 0, [ mm] Ton + Schluff Feins and M ittels and Grobsand Feinkies M ittelk ies Probe 9c_8-31 m bis 32 m Probe e13_1-31 m bis 32,5 m Probe e13_6-31 m bis 32,5 m Sediment GW L Sandaustrag bei der Intensiventsandung Glaskugelschüttung 1,25-1,65 mm mit w irksamen Porenkanalw eiten 0,17-0,28 mm 16

18 Geophysikalische Untersuchung und Videokontrolle der Ringraumschüttung nach der Brunnenentwicklung 17

19 Geophysikalische Untersuchung und Videokontrolle der Ringraumschüttung nach der Brunnenentwicklung 18

20 Ausbauplan Br. 392 Bemessung D S der Schüttung nach zulässiger prozentualer Sandaustragsmenge S pot < ~20 % bezogen auf Kornanalysen geologischer Schichten. 19

21 Verdichtung der Glaskugelhinterfüllung beim Schüttvorgang Maßnahme Sohle Bohrschuh Schüttgut Höhe Höhe Verdichtung Höhe Verdichtg. Rate Schütthöhe Abschnitt Schüttgut Schüttsäule Höhe Σ Höhe Abschnitt Verdichtung [m] u.ap [m] u.ap [m] u.ap [m] u.ap [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m/m] Schütten 28,00 25,50 Sand 1-2 mm 24,90 3,10 3,10 0,00 Schütten GK 5,6-6,3 mm 20,10 7,90 7,90 1. Pulsgang 20,60 7,40 7,40-0,50-0,50 Schütten GK 5,6-6,3 mm 20,00 8,00 8,00 2. Pulsgang 20,15 7,85 7,85-0,15-0,65 3. Pulsgang 20,30 7,70 7,70-0,15-0,80 Ziehen 21,70 20,30 7,70 7,70 4. Pulsgang 20,50 7,50 7,50-0,20-1,00 Ziehen 21,20 20,50 7,50 7,50 5. Pulsgang 20,75 7,25 7,25-0,25-1,25 6. Pulsgang 20,93 7,07 7,07-0,43-1,68 7,50 2,81 0,37 16 x Nachschütten 5,5-6 mm /Pulsen auf 20,30 und Absenken um 5 cm -0,80-2,48 Nachschütten/Pulsen auf 20,30 und Absenken um 5 cm bis Konsolidierung Schüttsäule -0,23-2,71 Ziehen 20,95 20,30 7,70 7,70 Pulsgang 20,30 7,70 7,70 Ziehen 20,70 20,30 5,20 7,70 Pulsgang 20,40 5,10 7,60-0,10-2,81 Schütten GK 5,5-6 mm 20,30 5,20 7,70 Pulsgang 20,30 5,20 7,70 Ziehen 20,50 20,30 5,20 7,70 Pulsgang 20,30 5,20 7,70 Schütten GK 3,8-4,4 mm 19,80 0,70 8,20 Ziehen 20,00 19,85 0,65 8,15-0,05-2,86 Schütten GK 3,8-4,4 mm 19,80 0,70 8,20 Pulsgang 19,85 0,65 8,15-0,05-2,91 0,50 0,10 0,20 Schütten GK 3,8-4,4 mm 19,80 0,70 8,20 Pulsgang 19,80 0,70 8,20 Schütten GK 2,85-3,45 mm 19,30 0,70 8,70 Ziehen 19,50 19,35 0,65 8,65-0,05-2,96 Schütten GK 2,85-3,45 mm 19,10 0,90 8,90 0,50 0,15 0,30 Pulsgang 19,20 0,80 8,80-0,10-3,06 Schütten K 1-2 mm 18,70 0,80 9,30 Ziehen 19,00 18,80 0,70 9,20-0,10-3,16 Schütten K 1-2 mm 18,70 0,80 9,30 Pulsgang 18,75 0,75 9,25-0,05-3,21 0,50 0,20 0,40 Pulsgang 18,80 0,70 9,20-0,05-3,26 Schütten K 1-2 mm 18,70 0,80 9,30 Pulsgang 18,70 0,80 9,30 Schütten K 0,5-1 mm 18,20 0,80 9,80 Ziehen 18,50 18,25 0,75 9,75-0,05-3,31 Schütten K 0,5-1 mm 18,20 0,80 9,80 Pulsgang 18,25 0,75 9,75-0,05-3,36 0,50 0,15 0,30 Pulsgang 18,30 0,70 9,70-0,05-3,41 Schütten K 0,5-1 mm 18,20 0,80 9,80 Pulsgang 18,20 0,80 9, ,80 3,41 0,35

22 Entwicklung Br. 392: SDKK mit hydropuls und DKSK Kammerförderrate: 114 m³/h Ausgetragene Sandmenge: 10 L Schnell niedrige Plateauwerte mit SDKK erzielt Restaustragsraten mit DKSK < 0,1 ml/m³ Leistungspumpversuch: 143 m³/h/m Phase 2: DKSK Phase 1: SDKK + hydropuls 21

23 Glaskugelschüttung nach Entwicklung Br

24 (Vorläufiges) Resümee 1 Das verfügbare Glaskugelsortiment ermöglicht eine gute Anpassung der Ringraumschüttungen an die in Deutschland genutzten Lockergesteinsgrundwasserleiter. Für eine optimale Auswahl der Glaskugelfraktionen sind repräsentative Korngrößenanalysen aus Vorbohrungen des auszubauenden Grundwasserleiterabschnitts erforderlich ( Bohrverfahren, Probengewinnung, Siebsatz). Die hydraulisch wirksamen Porenradien von Glaskugelschüttungen sind auf Grund ihrer Geometrie und der eng gestuften Körnungen größer als die vergleichbarer Filterkiese. Die geltenden Bemessungsregeln von Filterkiesen lassen sich nicht direkt übertragen. Berlin-Brandenburger Brunnentage, bis

25 (Vorläufiges) Resümee 2 Glaskugelschüttungen nehmen im Ringraum ohne besondere Maßnahmen keine dichte Lagerung ein. Glaskugelschüttungen lassen sich durch den Eintrag mechanischer Energie auf Grund ihrer geringeren inneren Reibung besser in eine annähernd dichte Lagerung überführen als Filterkiese. Die Lagerung von Glaskugelschüttungen sollte abschnittsweise während des Schüttvorgangs verdichtet werden. Teufendifferenzierte Glaskugelschüttungen erfordern eine weitgehend vollständige Lagerungsverdichtung jedes einzelnen Schüttungsabschnitts vor Schüttung der darüber folgenden Fraktion. Eine abwechselnde Schüttung von Glaskugeln und Filterkies ist nach gegenwärtigen Erkenntnissen nicht zu empfehlen. Die Zulässigkeit der Schüttung grober Glaskugeln über feine Glaskugeln ist ungeklärt. Berlin-Brandenburger Brunnentage, bis

26 Erfordernis: Erstellung von Bemessungsregeln für Glaskugelschüttungen und experimentelle Überprüfung mit natürlichen Sand- und Kiesgemischen. Zurzeit offene Fragen? Wie sind die Lagerungsverhältnisse von Glaskugelschüttungen in verschiedenen Medien (Wasser, Bohrspülung,...) ohne Verdichtung?? Wie kann die Lagerung optimal verdichtet werden?? Wie verhalten sich aneinander grenzende Glaskugelfraktionen in teufendifferenzierten Schüttungen bei Brunnenbetrieb?? Wie verhalten sich Filterkiese und Glaskugeln in Abhängigkeit der Korngrößen an Grenzflächen? Berlin-Brandenburger Brunnentage, bis

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 26