TDR Messungen in der Ingenieurgeologie

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1 TDR Messungen in der Ingenieurgeologie TDR Measurements in Engineering Geology J. Singer, J. Festl, K. Thuro 1 Zusammenfassung Das Time Domain Reflectometry (TDR) Messsystem kann für verschiedene Messaufgaben in der Ingenieurgeologie eingesetzt werden. Am weitesten verbreitet sind dabei die Bestimmung der Bodenfeuchte und Deformationsmessungen an diskreten Scherzonen in Bohrlöchern (z.b. bei Hangbewegungen) oder in bzw. zwischen Bauwerksteilen. Seltener wird TDR auch für Pegelmessungen eingesetzt. Dabei wird die jeweilige Messaufgabe durch den Einsatz von speziellen Messsonden und Messkabeln definiert; die eigentliche Messapparatur ist bei allen Anwendungen dieselbe. Durch den Einsatz von Multiplexern kann so ein Messgerät gleich mehrere verschiedene Messaufgaben übernehmen. Generell sind mit TDR hohe Messfrequenzen realisierbar, die je nach Komplexität des Messsystems meist eine quasi kontinuierliche Überwachung aller Messstellen ermöglicht. Dies erlaubt den Einsatz von TDR insbesondere auch bei zeitkritischen Messaufgaben, wie z.b. bei Alarmsystemen. Oft stellt das TDR Messsystem so eine kostengünstige Alternative zu den jeweiligen Standardmessverfahren dar. Schlüsselworte: Zeitbereichsreflektometrie, Hangbewegungen, Bodenfeuchte, Deformation Abstract The Time Domain Reflectometry measuring system can be used for several different typical measuring tasks in engineering geology. Most widespread are the determination of the soil moisture content and deformation measurements of localized shear zones in boreholes (e.g. for landslide monitoring) or within or between building elements. Less frequent TDR is used for (ground)water level measurements. For each measuring task special measuring probes or measuring cables are used; the measuring device thereby essentially stays the same. The use of a multiplexer, to which different probes/cables are attached, allows performing several different measuring tasks with one measuring device. In general TDR can achieve high measuring frequencies, which depending on the complexity of the measuring system makes a nearly continuous monitoring of all measuring sites possible. Therefore TDR can ideally be used in time critical measuring tasks, as e.g. in alarm systems. Often TDR is a cost effective alternative to the standard measurement methods. Key words: Time Domain Reflectometry, landslides, soil moisture, deformation 1 Einleitung Moderne Messmethoden sind ein elementarer Bestandteil der ingenieurgeologischen Arbeitsmethodik. Egal ob im Labor oder im Gelände durch die Anwendung verschiedenster Messverfahren werden häufig eine nachvollziehbare, objektive Erfassung und quantitative Beschreibung der vielfältigen Phänomene und Prozesse mit denen sich Ingenieurgeologen beschäftigen überhaupt erst möglich. Die Time Domain Reflectometry Messmethodik kann gleich für mehrere typische Messaufgaben in der Ingenieurgeologie verwendet werden: Für Deformationsmessungen entlang von diskreten Scherzonen (z.b. in Bohrlöchern für die Überwachung von Hangbewegungen oder zwischen Bauwerksteilen), für die Bestimmung der Bodenfeuchte (z.b. für die Überwachung von Deichen) und für die Ermittlung von (Grund)wasserpegelständen. Im Folgenden werden die Grundlagen der TDR Messtechnik vorgestellt und einige wichtige Anwendungen präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf den an der TU München weiterentwickelten Deformationsmessungen liegt. 2 Grundlagen der Time Domain Reflectometry Ein TDR Messsystem besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: dem TDR Messgerät und einer Übertragungsleitung, wofür meist Koaxialkabel eingesetzt werden. Diese bestehen aus einem Innenleiter, der getrennt durch einen Isolator (z.b. PE Schaum) röhrenförmig von einem Außenleiter umgeben wird (vgl. Antennenkabel). Durch diese Bauweise sind konstante elektrische Eigenschaften entlang der Übertragungsleitung gewährleistet. Das TDR Messgerät schickt vergleichbar mit einem Radar elektromagnetische Pulse in die Übertragungsleitung und empfängt ggf. auftretende Reflexionen, die immer dann entstehen, wenn sich der Wellenwiderstand (Impedanz) der Übertragungsleitung verändert. Dies ist z.b. am offenen Ende einer Übertragungsleitung der Fall, oder wenn das Koaxialkabel so deformiert wird, dass sich der Abstand zwischen Außen- und Innenleiter verändert. 1 1 Dr. John Singer, M.Sc. Judith Festl & Prof. Dr. K. Thuro, Technische Universität München, Lehrstuhl für Inegenieurgeologie; singer@tum.de, festl@tum.de, thuro@tum.de.

2 Dadurch, dass sich die elektromagnetischen Pulse im Koaxialkabel mit konstanter Geschwindigkeit ausbreiten, kann über eine Messung der Zeit, die zwischen dem Aussenden eines Pulses und dem Empfang seiner Reflexion verstreicht, die präzise Position der die Reflexion verursachenden Störstelle entlang der Übertragungsleitung ermittelt werden (O Connor und Dowding, 1999). Eine genauere Auswertung der Signale ermöglicht es zudem Aussagen über die Magnitude und Art der Störung in der Übertragungsleitung zu treffen. Diese Information kann für die Quantifizierung von Deformation mit TDR (vgl. Kap. 3.1) und für TDR-Pegelmessungen (vgl. Kap. 3.3) verwendet werden. Die Geschwindigkeit mit der sich eine elektromagnetische Welle in der Übertragungsleitung ausbreitet hängt unter anderem von der Dielektrizitätskonstante des Isolators zwischen den beiden Leitern ab (Fellner-Feldegg, 1969). Lässt man also alle anderen Parameter der Übertragungsleitung gleich, äußert sich eine Änderung der Dielektrizitätskonstante in einer Verlängerung oder Verkürzung der Zeit, die das Signal zum Durchwandern der Übertragungsleitung benötigt. Dies führt bei den TDR Messungen zu einer virtuellen Änderung der Länge des betrachteten Abschnitts der Übertragungsleitung. Der Zusammenhang zwischen der scheinbaren Kabellänge und der Dielektrizitätskonstante des Isolators wird für die Bestimmung der Bodenfeuchte mit TDR (Kap. 3.2) verwendet. Mit zunehmender Kabellänge wird das in das Koaxialkabel eingespeiste TDR Signal durch Leitungsverluste gedämpft (Andrews, 1994). Dies führt zu einer deutlichen Verminderung der Signalstärke, welche bei der Auswertung von TDR Signalen berücksichtigt werden muss. Abb. 1 zeigt die Dämpfung eines TDR-Signals (Amplitude) in Abhängigkeit von der Kabellänge für verschiedene Kabeltypen. In diversen Feld- und Laborversuchen hat sich gezeigt, dass eine Signaldämpfung 6 db noch zuverlässig korrigiert werden kann. Dementsprechend sollte die gesamte Kabellänge (Zuleitung und Messkabel) bei Verwendung von hoch qualitativen Koaxialkabeln in der Regel 100 m nicht überschreiten (Singer, 2010). 3 Messaufgaben 3.1 Deformationsmessung Die Deformationsmessung ist eines der Hauptanwendungsbereiche von TDR in der Ingenieurgeologie. Die Grundlagen hierzu wurden bereits von (Dowding et al., 1988) in den 1980er Jahren gelegt. Vor allem in den USA ist das TDR Messsystem bereits in vielen Projekten insbesondere zur Überwachung Hangbewegungen zum Einsatz gekommen Grundprinzip Die TDR Deformationsmessungen nutzen die Tatsache aus, dass sich der Wellenwiderstand eines Koaxialkabels lokal ändert, wenn dieses so deformiert wird, dass sich der Abstand zwischen Innen- und Außenleiter ändert. Diese Änderung des Wellenwiderstands führt zu einer Reflexion, wenn das Koaxialkabel mit TDR überprüft wird. Durch die Analyse der von einer Kabeldeformation verursachten Signale können Informationen über den Betrag und die Art der Deformation gewonnen werden. Dazu werden die TDR Signale parametrisiert, wobei insgesamt 15 verschiedene Größen aus den Signalen abgeleitet werden (Singer, 2010). Dies ist z.b. die Amplitude, Fläche, Breite und Symmetrie des Signals, wobei die Amplitude und Fläche des Signals Indikatoren für die Signalstärke mit dem Deformationsbetrag korrelieren und damit zur Quantifizierung der Deformation verwendet werden können (Abb. 2). Die übrigen Parameter erlauben Rückschlüsse auf die Art und den Ort der Deformation. Das Verhältnis zwischen der Signalstärke und der Deformation hängt immer stark von den Rahmenbedingungen der Messung ab, wie z.b. dem Typ des verwendeten Koaxialkabels sowie dem Material in das das Koaxialkabel eingebettet ist. Somit müssen TDR Deformationsmessungen für jede Messaufgabe in Labor- oder in In-situ-Versuchen kalibriert werden, bevor eine Quantifizierung des Deformationsbetrags möglich wird. Durch die Definition von an die jeweilige Messaufgabe angepassten Installationsstandards (z.b. für die Überwachung von verschiedenen Hangbewegungstypen, Tab. 1) kann dieser Aufwand jedoch für Endnutzer vermieden werden. Abb. 1: TDR Leitungsverlust (Signal Amplitude) für verschiedene Koaxialkabel. Eine Dämpfung um 6 db entspricht in etwa 50 % Verlust (verändert nach Singer, 2010). Abb. 1: TDR signal loss (signal amplitude) for different coaxial cables. An attenuation of 6 db corresponds to about 50% signal loss (changed according to Singer, 2010) 2 Abb. 2: a, Durch Scherung eines Koaxialkabels verursachte TDR Signale. b, Aus TDR Signalen abgeleiteter Zusammenhang zwischen Deformation und Signal- Amplitude (Singer, 2010). Abb. 2: a, TDR signals produced by shearing a coaxial cable. b, dependancy between deformation and signal amplitude as derived from TDR signals (Singer 2010).

3 Abb. 3: Installationsschema eines TDR Messsystems für die Hangbewegungsüberwachung (verändert nach Singer, 2010). Abb. 3: Installation scheme of a TDR measuring system for landslide monitoring (changed according to Singer, 2010) Zu beachten ist, dass bei einer nur leichten Biegung eines Koaxialkabels meist keine ausreichende Geometrieänderung eintritt und die Deformation so für TDR nicht detektierbar wird. Dies hat zur Folge, dass sich TDR Deformationsmessungen in der Regel nur für die Untersuchung von Scherdeformationen entlang diskreter Bewegungsbahnen eignen. Eine Bestimmung des Bewegungssinnes ist generell nicht möglich Überwachung von Hangbewegungen Bei der Überwachung von Hangbewegungen wird das Koaxialkabel in ein Bohrloch installiert, das die basale Scherfläche der Hangbewegung durchtäuft, und mit Hilfe eines Injektionsgutes mit dem Gebirge kraftschlüssig verbunden (Abb. 3). Generell sollte das Gebirge dabei eine vergleichbare oder höhere (Scher-) Festigkeit bzw. Steifigkeit besitzen als das Injektionsmittel und dieses wiederum eine höhere als das verwendete Koaxialkabel. Nur so kann die Deformation des Gebirges zuverlässig auf das Injektionsmittel und dann auf das Kabel übertragen werden. Im Idealfall bricht das Injektionsmittel im Bereich der Scherzone entlang einer einzelnen Bruchlinie, so dass die gesamte Deformation im Bereich dieses Bruches punktuell auf das Koaxialkabel übertragen wird. Treten z.b. bei mächtigeren Scherzonen mehrfache Brüche des Injektionsmittels auf, so kann jede einzelne Bruchzone untersucht und die dort aufgetretenen Scherdeformationen bestimmt werden. Die Anwendung von TDR für die Überwachung von Hangbewegungen ist in der Vergangenheit in mehreren Labor- und Feldtests als praktikabel bewiesen worden 3 (z.b. O Connor und Dowding, 1999; Beck und Kane, 1996). Allerdings wurden lang nur wenige systematische Versuchsreihen durchgeführt, so dass lang noch keine auf verschiedene Hangbewegungstypen optimierte Installationsstandards entwickelt und kalibriert werden konnten. Abb. 4: Die für TDR Deformationsmessungen nutzbaren Zement-Bentonit Suspensionen (schattierter Bereich) können basierend auf deren Beeinflussung der TDR Messung in drei Kategorien geteilt werden (Singer, 2010). Abb. 4: Based on their influence on the TDR deformation measurents the usable bentonite-cement grouts (shaded areas) can be divided into three categories (Singer, 2010). Um geeignete Injektionsmittelzusammensetzungen im häufig verwendeten 3-Phasen-System Zement-Bentonit- Wasser zu ermitteln, wurde eine große Anzahl von

4 Scherversuchen an Injektionsmittel-Messkabel-Strängen durchgeführt, deren Ergebnisse teilweise in Abb. 4 zusammengefasst sind. Injektionsmittel mit Norm- Festigkeiten (nach DIN EN 196-1, 2005) ab etwa 8 MPa sind für eine Übertragung der Deformation auf das hier verwendete halbsteife Kabel Commscope P3-500 JCA gut geeignet, was sich vor allem in einer niedrigen Anfangssensitivität (Deformation des Stranges eine messbare Reflexion auftritt), aber auch in einer erhöhten Reproduzierbarkeit (und damit Genauigkeit) der Messungen äußert. Die Zusammensetzung des Injektionsmittels beeinflusst auch den maximal möglichen Messweg einer TDR Messtelle, der durch den nach einer zu großen Deformation auftretenden Kabelbruch limitiert wird. Unter Berücksichtigung der Gesamtdeformation, der Sensitivität, der Viskosität und des Schrumpfungsverhaltens wird der Bereich der für den Ausbau von TDR Messstellen geeigneten Suspensionen eingegrenzt (grau hinterlegte Flächen in Abb. 4). Unter anderem auf Grundlage dieser Untersuchungen konnten Installationsstandards für verschiedene Hangbewegungstypen in Abhängigkeit ihres Mechanismus und ihrer Geschwindigkeit definiert werden (z.b. Tab. 1). Für diese wurden dann polynome Kalibrierungskurven ermittelt, die eine quantitative Ermittlung des Deformationsbetrages erlauben (Singer, 2010). Tab. 1: TDR Installationsstandards für Hangbewegungen mit dem Mechanismus Rutschung im Festgestein. Tab. 1: TDR installation standards for use in landslides with the mechanism slide in hard rock. extrem langsam ( mm/jahr ) sehr langsam ( cm/jahr ) langsam ( m/jahr ) Mittel ( m/monat ) schnell, sehr schnell, extrem schnell Koaxialkabel Typ, Durchmesser halbsteif, kleiner Ø (< 12 mm) halbsteif, mittlerer Ø (12 mm) halbsteif, großer Ø (> 12 mm) flexibel, großer Ø (> 12 mm) beliebig Geschwindigkeit der Hangbewegung Zusammensetzung des Injektionsmittels* [Gew.- %] ZWB ZWB ZWB ZWB ZWB ZWB ZWB ZWB beliebig Durchsch. Lebensdauer und Sensitivität [mm] 30 / 3 50 / 6 55 / 8 > 60 / 10 nur Ereignisdetektion & Lokalisierung * Suspensionszusammensetzung: Zement (Z), Wasser (W), Bentonit (B). Das TDR Messsystem wurde in den letzten Jahren in einer ganzen Reihe von Feldinstallationen auf seine Praxistauglichkeit für die Überwachung von Hangbewegungen geprüft. Dabei kam es meist als Einzelsystem wie beispielsweise am Gschliefgraben (Erd-Schuttstrom nahe Traunstein, Österreich) im Zuge der Monitoringmaßnahmen des Ereignisses von 2007 / 2008 zum Einsatz. Dort wurden die TDR Koaxialkabel parallel zu Inklinometerrohren installiert, wodurch ein direkter Vergleich der Messdaten von beiden Systemen möglich wurde. Dabei hat sich gezeigt, dass die TDR- und Inklinometermessungen generell vergleichbare Ergebnisse liefern. Durch den parallelen Einbau von Koaxialkabel und Inklinometerrohr in ein Bohrloch reagierten allerdings die TDR Messungen in der Regel etwas später auf die Deformation als die Inklinometermessungen. Dafür zeigten die TDR Messungen meist einen deutlich längeren Messweg von zu über 10 cm. Gleichzeitig erlaubten die TDR Messungen die Erfassung eines zeitlich hochaufgelösten Deformationspfades, was mit den sporadisch durchgeführten Inklinometermessungen nicht möglich war. Die Reaktion des Hanges auf etwaige Triggereinflüsse (z.b. Niederschlag) kann so besser beurteilt werden. In einem weiteren Feldversuch an der Aggenalm- Hangbewegung (Sudelfeld nahe Bayrischzell, Bayerische Alpen) wurde das TDR Messsystem im Rahmen des Forschungsprojekts alpewas ( als Teil eines drahtlosen Geosensornetzwerks installiert (vgl. Singer et al., 2009a, Beitrag von Thuro et al. anderenorts in diesem Tagungsband) Überwachung von Bauwerken TDR kann auch zur Überwachung von Bauwerken eingesetzt werden. Da dabei in der Regel die Installation im Vergleich zu den Hangbewegungen wesentlich flexibler gestaltet werden kann und gleichzeitig die Rahmenbedingungen (z.b. der erwartete Deformationsmechanismus) in der Regel bereits im Vorfeld recht genau bekannt sind, können TDR Messungen in Bauwerken meist vergleichbar hohe Genauigkeiten erzielen. Dazu muss das Messkabel angepasst an die jeweilige Messaufgabe möglichst so in das Bauwerksteil integriert werden, dass die auftretende Deformation optimal auf das Messkabel übertragen wird. Ein Beispiel für die Bauwerksüberwachung mit TDR ist die Erkennung, Lokalisierung und Quantifizierung von Brüchen in der Spritzbetonschale von Tunnelbauwerken. Dies ist insbesondere in der Tunnelsohle von Interesse, da diese häufig von einer temporären Fahrbahn bedeckt ist und damit mit geodätischen Verfahren nicht vermessen werden kann. Die Koaxialkabel werden dabei gemäß Abb. 5 quer zur Tunnelachse in die Spritzbetonschale integriert (Singer et al., 2009b). Tritt ein Bruch der Spritzbetonschale auf, werden die darin enthaltenen Koaxialkabel deformiert, was mithilfe des TDR Messsystems erkannt und lokalisiert werden kann. Durch den Einbau mehrerer Kabel wird so eine genaue Bestimmung der Position und ggf. auch eine Eingrenzung der Orientierung und Länge eines solchen Bruches ermöglicht. Die Verwendung eines Datenloggers 4

5 erlaubt dabei eine nahezu kontinuierliche Messerfassung mit typischen Zeitintervallen zwischen 5 Minuten und 1 Stunde, so dass durch eine automatisierte Auswertung der Messdaten im Falle eines Versagens der Spritzbetondecke zeitnah eine Warnung erfolgen kann. Koaxialkabel in die Spritzbetonschale integriert. Die Messkabel wurden quer zur Tunnelachse über die gesamte Tunnelbreite verlegt (Abb. 5). Sie wurden dazu auf die untenliegende Armierung aufgelegt und mittels Kabelbinder an dieser befestigt. Jedes Messkabel hatte dabei eine Länge von ca. 15 m. Während die Messkabel auf der einen Seite der Sohle bereits mit Spritzbeton und der zweiten Lage der Bewehrung überdeckt wurden, konnten auf der anderen Seite die Messkabel an die Zuleitungskabel angeschlossen werden. Die Verzögerung im Bauablauf konnte so auf wenige Minuten beschränkt werden. Nach der Installation wurden alle 15 Messkabel von einem TDR Messgerät aus alle 30 Minuten vermessen. Alle Daten wurden im Datenlogger gespeichert und ca. 1x wöchentlich ausgelesen. Das TDR Messsystem war über den gesamten Versuchszeitraum von nahezu einem Monat ohne Unterbrechungen in Betrieb. Technische Ausfälle traten keine auf. Insgesamt wurden im Versuchszeitraum pro Messstelle zu 1200 Einzelmessungen durchgeführt. Die Auswertung der Messungen erfolgte auf Grundlage von zuvor im Labor durchgeführten Kalibrierungsversuchen. Dabei wurden im Lainzer Tunnel mit den Originalmaterialien hergestellte Spritzbeton-Kabel-Proben Scherversuchen unterzogen und der tatsächliche Deformationsbetrag sowie die dadurch entstandenen TDR Signale aufgezeichnet. Von den 15 Messstrecken konnte nur in einer eine Deformation nachgewiesen werden. Da genau zum Zeitpunkt der Deformation die Ausbrucharbeiten des nächsten Abschlags stattfanden, ist anzunehmen, dass dabei das Kabel deformiert wurde. Nach der ersten Deformation änderte sich das gemessene Signal in den Folgemessungen nicht weiter, was auch auf eine einmalige baubedingte Ursache hinweist. Abb. 5: Aufbau eines TDR Messsystems für die Überwachung von Deformationen in der Spritzbetonschale einer temporären Kalottensohle im Grundriss und im Profil. Die Messkabel werden in die Spritzbetonschale integriert und über Zuleitungskabel und Multiplexer (MP) mit dem TDR Messgerät verbunden (aus Singer et al., 2009b). Abb. 5: Schematic layout (plan and profile) of a TDR measuring system for deformation monitoring of top heading inverts. The measuring cables are integrated into the shot concrete and connected to the TDR device via lead cables and a multiplexer (MP) (from Singer et al 2009). In einem ca. 4 wöchigen Zeitraum im Herbst 2008 war ein erster Prototyp eines solchen TDR Überwachungssystems für Brüche in der Kalottensohle im Lainzer Tunnel, Baulos LT31, Vortrieb W erfolgreich im Einsatz (Singer et al., 2009b). Insgesamt wurden dort 5 Abschläge á 2 m messtechnisch überwacht. Dazu wurden in jedem Abschlag Bodenfeuchte Die Bestimmung der Bodenfeuchte mit Hilfe von TDR wurde erstmals von Davis und Chudobiak (1975) unter Verwendung von koaxialen Probenbehältern vorgestellt. Später entwickelte Topp et al. (1980) die Methodik für die einfacher einsetzbaren Sonden mit parallelen Elektroden weiter Grundprinzip Bei der Bodenfeuchtemessung kommen Sonden mit parallelen Elektroden zum Einsatz, die in den Boden eingeführt werden. Werden TDR Pulse in diese Sonden eingespeist, werden die Signale zunächst aufgrund der Änderung des Wellenwiderstandes teilweise an der Oberfläche des Bodens reflektiert (1. Signal). Die elektromagnetischen Pulse wandern weiter entlang der Elektroden durch den Boden sie deren Ende erreichen, wo erneut ein Signal zum TDR Gerät reflektiert wird (2. Signal). Die Zeit die zwischen dem 1. und 2. Signal verstreicht ist die Laufzeit des Pulses durch den Boden. Diese ist direkt von der dielektrischen 5

6 Konstante des Bodens abhängig, welche wiederum vor allem von dem volumetrischen Wassergehalt abhängt. Topp et al. (1980) und diverse andere Autoren stellen auf diesem Weg einen Zusammenhang zwischen den TDR Messungen und der Bodenfeuchte her, wobei jeweils unterschiedliche Zusatzparameter wie z.b. die Dichtes des Bodens mit einfließen. Noborio (2001) und Černý (2009) geben jeweils einen Überblick über neuere Verfahren in diesem Bereich. Hüber (1999) wendet dasselbe Verfahren erfolgreich für die Messung der Schneedichte bzw. des Wassergehalts von Schnee an. 3.3 Pegelstand von Flüssigkeiten Grundprinzip Für die Bestimmung des Pegels von Flüssigkeiten wird im Wesentlichen derselbe Aufbau verwendet, wie für die TDR Deformationsmessungen, nur dass nun Koaxialkabel zum Einsatz kommen, die Luft als Isolator verwenden. Diese werden mit offen gelassenem Ende in die Flüssigkeit getaucht, deren Füllstand bestimmt werden soll (z.b. Standrohr einer Grundwassermessstelle). Zusätzlich ist es meist sinnvoll den Außenleiter des Koaxialkabels am oberen Ende mehrfach zu perforieren, damit das innere des Koaxialkabels entlüftet werden kann und sich der Wasserpegelschwankungen im Koaxialkabel einstellen können. Die Wasser-Luft Grenze innerhalb des Koaxialkabels wirkt als massive Änderung in der Kabelimpedanz und erzeugt so bei TDR Messungen einen deutlichen Reflex, deren Position im Kabel genau bestimmt werden kann. Somit kann die Lage der Wasseroberfläche genau festgestellt werden. Abb. 6 zeigt den in Laborversuchen festgestellten linearen Zusammenhang zwischen dem tatsächlichen Wasserstand und der TDR Kabellänge. Die Laborversuche belegen, dass unter idealen Umständen Wasserspiegelschwankungen im Millimeterbereich aufgelöst werden können. 4 Fazit Das TDR Messsystem kann unter Verwendung unterschiedlicher Messsonden bzw. Messkabel zur Messung von diskreten Scherdeformationen, Boden- und Schneefeuchte sowie von Wasserständen verwendet werden. Auf Grundlage der in den Labor- und Feldversuchen gewonnenen Erfahrungen wurden die TDR Deformationsmessungen im Vergleich zu den etablierten Inklinometer- und Extensometer-Messsystemen hinsichtlich der Funktionalität und Genauigkeit charakterisiert (Tab. 2), wobei von der Überwachung einer diskreten Scherzone ausgegangen wurde. Tab. 2: Vergleich der Charakteristika von TDR-, Inklinometer- und Extensometermessungen. Tab. 2: Comparison of the characteristics of TDR, inclinometer and extensometer measurements. Funktionalität TDR Ketteninklinometer Extensometer Messrichtung horizontal horizontal vertikal Lokalisierung Deformation (Genauigkeit) Quantifizierung Deformation (Genauigkeit) Bestimmung Orientierung Maximaler Messweg Überwachung der gesamten Bohrlochlänge Automatische Erfassung, Datenfernübertragung cm cm gute qualitative Bestimmung dm - m mm m (je nach Anzahl) mm - ü - cm - dm cm dm - m ü ü ü ü ü Nur mit autom. Messgeber Abb. 6: Ergebnisse von im Labor durchgeführten Kalibrierversuchen für TDR Pegelmessungen. Fig. 6: Results of laboratory calibration tests for TDR water lever measurements. 6 Beim Einsatz des TDR Messsystems für die Überwachung von lokalisierten Scherzonen in Hangbewegungen oder Bauwerken kann mit einer vergleichbar hohen Genauigkeit bei der Positionierung einer Deformationszone gerechnet werden, jedoch müssen bei der Quantifizierung der Deformation geringfügige Abstriche gegenüber den etablierten Inklinometer- und Extensometer-Messsystemen gemacht werden. Nachteilig ist zudem die Blindheit des TDR Messsystem im Bezug auf graduelle Deformationen (Biegen) entlang längerer Messstreckenabschnitte, wobei in diesem Kontext der Messstellenausbau (Interaktion Gebirge-Hinterfüllung-Messkabel) eine bedeutende Rolle spielt (vgl. Singer, 2010). Ist der Deformationsmechanismus einer Hangbewegung unbekannt, kann das TDR Messsystem deshalb nicht die Aufdeckung aller stattfindenden Bewegungen garantieren hier ist das Inklinometermesssystem klar im Vorteil.

7 Um, wie mit TDR möglich, kontinuierlich über die gesamte Bohrlochlänge lokalisierte Messungen der Deformation zu erhalten, mussten her das kostenintensive Ketteninklinometer oder Multi-Point Extensometer zum Einsatz kommen. Hinsichtlich der Kosten ist TDR damit sehr konkurrenzfähig, insbesondere wenn mehrere Messkabel mit einem TDR Messgerät ausgelesen werden können. Ein zusätzlicher Kostenvorteil kann entstehen, wenn eine bereits existierende, jedoch abgescherte Inklinometermessstelle mit TDR ausgestattet wird. Das TDR Messsystem hat sich im Feldeinsatz als sehr zuverlässig erwiesen. Eine hochfrequente, kontinuierliche Datenerfassung und Fernabfrage aller Messdaten ist einfach zu realisieren, so dass TDR sich insbesondere auch für den Einsatz in Alarmsystemen eignet, wo die Ereignisdetektion und nicht die absolute Messgenauigkeit im Vordergrund steht. Bei Installation einer Solar- Stromversorgung ist ein langfristiger autarker Betrieb möglich. Unter Umständen kann die Kombination der verschiedenen möglichen TDR-Messverfahren sinnvoll sein. So ist der Einsatz von Deformationsmessungen, Pegelmessungen und Scheefeuchtemessungen in einem integrierten Überwachungssystem für Hangbewegungen vorstellbar. Dabei ließe sich über die Schneefeuchtemessungen ggf. eine Aussage über den Wassereintrag in den Hang während der Schneeschmelze ableiten und mit den Pegelmessungen der Einfluss der Schneeschmelze auf das Grundwasser ermittelt werden. Parallel dazu können TDR Messungen etwaig auftretende Deformationen aufdecken. Damit kann das TDR Messsystem für bestimmte Messaufgaben eine kostengünstige und effiziente Ergänzung oder sogar ein Ersatz der etablierten Messsysteme darstellen. Literatur Andrews, J. R. (1994): Time Domain Reflectometry. In: Kevin M. O Connor, Charles H. Dowding und C. C. Jones (Hg.): Symposium and Workshop on Time Domain Reflectometry in Environmental, Infrastructure and Mining Applications. Evanston, Illinois, September 7-9, 1994, U.S. Bureau of Mines (U.S. Bureau of Mines Special Publication, SP 19-94), S Beck, T. J.; Kane, W. F. (1996): Current and Potential Uses of Time Domain Reflectometry for Geotechnical Monitoring. In: T. Vredenburg und M. Schulte (Hg.): 47th Highway Geology Symposium. Cody, Wyoming, September 6-9, Wyoming Department of Transportation; Wyoming Geological Survey, S Černý, R. (2009): Time-domain Reflectometry Method and its Application for Measuring Moisture Content in Porous Materials: A review. Measurement, 42 (3): Davis, J. L.; Chudobiak, W. J. (1975): In Situ Meter for Measuring Relative Permittivity of Soils. In: 7 Geological Survey of Canada (Hg.): Report of Activities Part A. S , Paper 75-01A. Dowding, Ch. H.; Su, M. B.; O Connor, K. M. (1988): Principles of Time Domain Reflectometry Applied to Measurement of Rock Mass Deformation. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 25 (5): Fellner-Feldegg, H. (1969): The Measurement of Dielectrics in the Time Domain. The Journal of Physical Chemistry, 73 (3): Hüber, Ch. (1999): Entwicklung hochfrequenter Meßverfahren zur Boden- und Schneefeuchtebestimmung. Dissertation. Forschungszentrum Karlsruhe, Fakultät für Elektrotechnik, Karlsruhe. Noborio, K. (2001): Measurement of Soil Water Content and Electrical Conductivity by Time Domain Reflectometry: A Review. Computers and Electronics in Agriculture, 31 (3): O Connor, K. M.; Dowding, Ch. H. (1999): GeoMeasurements by Pulsing TDR Cables and Probes. 402 S., Boca Raton (CRC Press). Singer, J.; Schuhbäck, St.; Wasmeier, P.; Thuro, K.; Heunecke, O.; Wunderlich, Th. (2009a): Monitoring the Aggenalm Landslide using Economic Deformation Measurement Techniques. Austrian Journal of Earth Sciences, 102 (2): Singer, J.; Grafinger, H.; Thuro, K. (2009b): Monitoring the Deformation of a Temporary Top Heading Invert Using Time Domain Reflectometry. Geomechanik & Tunnelbau, 2 (3): Singer, J. (2010): Development of a continuous monitoring system for instable slopes using Time Domain Reflectometry (TDR). Dissertation, 189 S., Technische Universität München, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, München. Topp, G. C.; Davis, J. L.; Annan, A. P. (1980): Electromagnetic Determination of Soil Water Content: Measurements in Coaxial Transmission Lines. Water Resources Research, 16 (3):