Vertikalbrunnen versus Horizontalbrunnen

Transkript

1 Vertikalbrunnen versus Horizontalbrunnen Systemevaluation für Grundwasserfassungen mit grosser Entnahmemenge Berlin- Brandenburger Brunnentage Potsdam,12./13. Mai 2014 Raeto M.Conrad Dipl.Ing.ETH/SIA,Geologe CHGEOL Konsulent für Wasser und Boden Regensberg/Schweiz

2 Vertikalbrunnen versus Horizontalbrunnen Systemevaluation für Grundwasserfassungen mit grosser Entnahmemenge Ein paar einleitende Erläuterungen zur historischen Entwicklung des Brunnenbaus

3 Der Mensch gewinnt seit Jahrtausenden Grundwasser für seinen Bedarf, und für den seines Umfelds wo immer es frei zu Tage tritt (Quellen) oder aus Bohrungen, vorgetrieben in wasserführende Schichten oder aus Schächten aller Bauarten, dies vorwiegend bei oberflächennahen Wasservorkommen Berlin Brandenburger Brunnentage

4 Der Mensch gewinnt seit Jahrtausenden Grundwasser für seinen Bedarf, und für den seines Umfelds wo immer es frei zu Tage tritt (Quellen) oder aus Bohrungen, vorgetrieben in wasserführende Schichten oder aus Schächten aller Bauarten, dies vorwiegend bei oberflächennahen Wasservorkommen Wie schon von Pindar um 500 BC postuliert: Das Beste aber ist das Wasser Berlin Brandenburger Brunnentage

5 Schon die alten Chinesen waren mit den wichtigsten Prinzipien der Bohrtechnik vertraut Berlin Brandenburger Brunnentage

6 Berlin Brandenburger Brunnentage und der alte Leonardo selbstverständlich auch

7 Berlin Brandenburger Brunnentage technisch umgesetzt und bereits mit einem effizienten Schlagwerk versehen um 1850

8 Berlin Brandenburger Brunnentage und weiterentwickelt im frühen 20. Jahrhundert

9 Berlin Brandenburger Brunnentage und ungefähr so betrieben bis heute

10 Der Vollständigkeit halber, aber mit dem Vortragsthema nicht in direktem Zusammenhang: Brunnenbau mittels Rotary-Tiefbohrungen Berlin Brandenburger Brunnentage

11 Im Gegensatz zu Bohrungen, deren Erstellung stets besondere Kenntnisse erforderte, war die Wassergewinnung aus schachtartigen, meist von Hand gegrabenen Bauwerken seit Jahrtausenden weit verbreitet. Eigentlich überall dort, wo keine Quellen gefasst werden konnten, und keine geeigneten Oberflächengewässer genutzt werden konnten. Berlin Brandenburger Brunnentage

12 Im Gegensatz zu Bohrungen, deren Erstellung stets besondere Kenntnisse erforderte, war die Wassergewinnung aus schachtartigen, meist von Hand gegrabenen Bauwerken seit Jahrtausenden weit verbreitet. Eigentlich überall dort, wo keine Quellen gefasst werden konnten, und keine geeigneten Oberflächengewässer genutzt werden konnten. Ein paar eindrückliche Beispiele >>> Berlin Brandenburger Brunnentage

13 << Bronzezeitlicher Schachtbrunnen mit Bohlenverbau; Asparn (A) Schachtbrunnen der Nàzca-Kultur (Peru) Berlin Brandenburger Brunnentage

14 Bronzezeitliche (um1500 v.chr.) Fassung einer Mineralquelle unter dem Talgrundwasser, St.Moritz (CH) Germanischer Opferbrunnen, (ca. 100 n.chr.) Berlin-Spandauer Forst Berlin Brandenburger Brunnentage

15 Mittelalterlicher Burgbrunnen (um 1244) in Regensberg/Schweiz mit Ergebnissen der TV- Befahrung 2005 >>>> Berlin Brandenburger Brunnentage

16 Mittelalterliche (Sod-)Brunnendarstellungen Berlin Brandenburger Brunnentage

17 Früh schon haben die Schachtbauer herausgefunden, dass man den wasserführenden Schichten nachgraben kann, um den Zufluss zu steigern. Dies liess sich bis ins 20. Jahrhundert aber nur in standfestem Gebirge mit Erfolg bewerkstelligen, war aber in dieser Weise weit verbreitet in ariden und semiariden Gegenden (Qanate/Foggaras im Mahgreb, Vorderasien, Mittlerer Osten etc.) Berlin Brandenburger Brunnentage

18 Qanate und Foggaras (Iran, Nordafrika) < Qanat-Prinzip < Qanat-Schächte in der persischen Wüste

19 Umgesetzt für Fassungsvorhaben im Lockergestein im 20. Jahrhundert: Erstellung eines Senk- Schachtes, früher Druckluft- Caisson Berlin Brandenburger Brunnentage

20 Umgesetzt für Fassungsvorhaben im Lockergestein im 20. Jahrhundert: Erstellung eines Senk- Schachtes, früher Druckluft-Caisson Dichte Unterwasser- Betonsohle Berlin Brandenburger Brunnentage

21 Umgesetzt für Fassungsvorhaben im Lockergestein im 20. Jahrhundert: Hydraulischer Strangvortrieb aus dem gelenzten Schacht Berlin Brandenburger Brunnentage

22 Strangvortrieb nach drei gebräuchlichen Verfahren Ranney ab 1937 Fehlmann ab 1944 Preussag ab 1953 Berlin Brandenburger Brunnentage

23 Berlin Brandenburger Brunnentage

24 Und wie soll die Evaluation Vertikalbrunnen versus Horizontalbrunnen ablaufen? Auf welcher Basis? Nach welchen Krtiterien? Mit welchen Mitteln?

25 Basisvorgaben für Evaluationsaktion Basis 1: Hoher Entnahmebedarf > 500 m3/h Basis 2: Leistungsfähiger Lockergesteins- Grundwasserleiter Basis 3: Oberflächennaher Grundwasserleiter (Flurabstand <20 m) Basis 4: Nachhaltige Wasserförderung über Jahrzehnte, d.h. Dimensionierung auf maximal möglichen Bedarf nach Jahrzehnten Berlin Brandenburger Brunnentage

26 Leistungsfähiger Grundwasserleiter Transmissivität > 1 x 10 E-02 m2/sec, also in der Regel Durchlässigkeit kf > 5 x 10 E-4 m/sec und Aquifermächtigkeit H > 20 m Berlin Brandenburger Brunnentage

27 Oberflächennaher Grundwasserleiter Flurabstand in vernünftiger Relation zur Mächtigkeit des Grundwasserleiters: Bestvariante bei etwa 8-12 m Flurabstand und > 25 m Mächtigkeit Problematisch bei Flurabstand > 20 m Ausnahmen realisiert für Horibrunnen bis 50 m Flurabstand (mit ausgesprochen hohem Aufwand) Berlin Brandenburger Brunnentage

28 Beispiel: Schotterfluren in Alpenrandtälern Berlin Brandenburger Brunnentage

29 Beispiel: Fassungsgebiet mit Evaluationseignung Berlin Brandenburger Brunnentage

30 Vergleich der brunnenhydraulischen Verhältnisse Berlin Brandenburger Brunnentage

31 Ergo: Zwei Evaluations-Hauptgruppen Horizontalbrunnen Mehrbrunnenanlage Berlin Brandenburger Brunnentage

32 Wenn das Resultat der Abklärungen Vertikalbrunnen lautet, ist die Systemevaluation abgeschlossen; bleibt nur noch die Frage, wie viele Vertikalbrunnen es zur Zielerreichung (Qmax) braucht, wie die Brunnen angeordnet werden sollen/können/dürfen, und ob allenfalls eine Zusammenfassung der Bohrungen zu einem Grossfilterbrunnen (Ingerlebrunnen) Sinn macht Berlin Brandenburger Brunnentage

33 Zusammen-fassung von Vertikalbohrungen zu einem Grossfilterbrunnen (nach Ingerle) vor allem in Österreich gebräuchlich Berlin Brandenburger Brunnentage

34 Wenn das Resultat Horizontalbrunnen lautet, ist eine Sekundärevaluation erforderlich, nicht nur zur Ermittlung des geeigneten klassischen Verfahrens, sondern auch zur Prüfung von Sonderlösungen, welche allenfalls Vorteile bieten können. Wichtig: Jeder Anbieter hat nach seiner Auffassung das beste und günstigste Verfahren, und angesichts der Systemunterschiede ist der Vergleich höchst anspruchsvoll, jedenfalls sehr viel schwieriger als bei Bohrbrunnen. Berlin Brandenburger Brunnentage

35 Klassisches Verfahren nach Ranney Berlin Brandenburger Brunnentage

36 Klassisches Verfahren nach Fehlmann Berlin Brandenburger Brunnentage

37 Klassisches Verfahren nach Preussag Berlin Brandenburger Brunnentage

38 Sonderlösung: Verfahren Abt mit Materialersatz Vorgehen: Festlegung von Schachtstandort und 2-4 Strangfluchten Schachterstellung wie üblich Abbohren der Strangfluchten mittels überschnittenen Greiferbohrungen, mit gut durchlässigem (Filter-)Kies (unten) und tonhaltigem Schüttgut (oben) verfüllt. Stranglänge m Auffahren der Fassungsstränge im Ersatzkies nach klassischen Methoden Schema: (Quelle: UBV)

39 Exotische Sonderlösungen: Schrägfassungen System Nebolsine Quelle: HWW System Mannesmann Berlin Brandenburger Brunnentage

40 Sonderlösung: Offene Bauweise Grundriss: Erstellung in umspundeter Baugrube Schnitt: Schacht und Stränge auf Halterungen Berlin Brandenburger Brunnentage

41 Sonderlösungen: Stränge gebohrt WHD (water hydraulic drilling) >> Bohrkopfmit Bestückung << Systemskizze Hori- Well-Verfahren (Bertram)

42 Sonderlösung: Fassungsstränge im HDD- Verfahren aufgefahren (horizontal directional drilling) Berlin Brandenburger Brunnentage

43 Phasen bei HDD-Bohrungen mit Rohreinzug Berlin Brandenburger Brunnentage

44 Beispiele für HDD-Einsätze Pilotbohrung Räumen und Rohreinzug Berlin Brandenburger Brunnentage

45 Sonderlösung: Trockenaufstellung (Abschirmung der Wasserförderung z.b. aus hydrochemischen Gründen) Berlin Brandenburger Brunnentage

46 Schlussfolgerungen Bei der Wahl Vertikalbrunnen genügt der vorschriftsgemässe Ausschreibungs- und Beschaffungsablauf, unter Berücksichtigung erstklassiger Planung und unter Vorgabe hoher Qualitätsanforderungen an die Ausführung Bei der Wahl Horizontalbrunnen genügt dieses Vorgehen in der Regel nicht; es kann angesichts der unterschiedlichen (firmenspezifischen) Modifikationen auch bei einwandfreiem Vorgehen zu ungeeigneten Lösungen führen. Deshalb ist eine Sekundärevaluation unabdingbar. Berlin Brandenburger Brunnentage

47 Sekundärevaluation nach Beschaffenheit (Granulometrie) des Aquifers Kriterium Ranney Abt Fehlmann Preussag Bohrvortr. HDD Gut abgestuft Sehr unregelmässig 0 Spez. Filter Spez. Filter Hoher Feinanteil 0 Spez. Filter WD- Filter Grobe Gemengteile/Blöcke 0 (+) (+) Lockergestein zementiert Festgestein (+) + + Berlin Brandenburger Brunnentage

48 Weitere Kriterien für die Sekundärevaluation System Ranney Fehlmann Preussag Abt Bohrverfahren HDD Offene Bauweise Trockenaufstellung Vorbehalt Korrosionsanfällig (Filter = Vortriebsrohr), sehr grobe Schlitzung, nur in sehr gut abgestuften Böden Alle Filtertypen einsetzbar, ohne Kiesmantel Brunnentechnisch beste Lösung für Problemböden, Kiesmantel wirkungsvoll, relativ aufwendig Nur anwendbar, wo oberflächlich Platz für Bohrungen verfügbar; ökonomische Tiefenlimite bei ca. 20 m Noch zu wenig erprobt, gute Zukunftsaussichten Technisch verwendbar; wenig Erfahrungen im Brunnenbau (Probleme: Bohrspülung, Filtermaterial) Nur für geringe Tiefen < 10 m Für alle Verfahren möglich, wenn hydrochemisch erforderlich Berlin Brandenburger Brunnentage

49 Fazit Besonders die Sekundärevaluation der Horizontalbrunnen-Verfahren bedarf des Einsatzes von in jeder Hinsicht unabhängigen Gutachtern mit Erfahrung im speziellen Brunnenbau. Solche Spezialisten wachsen nicht am Weges-rand, aber es gibt sie, und die aufzuwendenden Honorare werden durch gescheite Systemwahl in aller Regel mehr als kompensiert Berlin Brandenburger Brunnentage

50 zum guten Ende: Vertrauen ist (fast) alles Berlin Brandenburger Brunnentage

51 Danke für Ihr Interesse und Ihre Aufmerksamkeit Berlin Brandenburger Brunnentage