April 2010 GRUNDWASSERFASSUNGEN Bau - Betrieb und Unterhalt - Werterhaltung - Sanierung

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1 Weiterbildungskurse April 2010 GRUNDWASSERFASSUNGEN Bau - Betrieb und Unterhalt - Werterhaltung - Sanierung RAETO M. CONRAD Dipl. Bau.-Ing. ETH/SIA, Geologe CHGEOL Konsulent für Wasser und Boden 8158 Regensberg/Schweiz

2 Schematische Darstellung des Wasserkreislaufs

3 Schematische Darstellung einer Wasserversorgungsanlage

4 ÜBERBLICK ÜBER DIE GEBRÄUCHLICHEN BRUNNENBAU-VERFAHREN Schacht- und Kesselbrunnen Vertikalfilterbrunnen Mehrbrunnenanlagen mit Heber- oder Pumpenbetrieb Grossfilterbrunnen (System Ingerle) Horizontalfilterbrunnen (klassische Verfahren) Sonderformen von Horizontal- und Schrägfassungen

5 WIRTSCHAFTLICHE ÜBERLEGUNGEN BEI DER BRUNNENPLANUNG Q < l/min. Vertikalbrunnen (1-2) sind in der Regel die günstigste Lösung Schachtbrunnen sind nicht mehr üblich ab Q = l/min.mehrbrunnenanlagen Grossfilterbrunnen System Ingerle Horizontalfilterbrunnen Q > l/min. Horizontalfilterbrunnen in der Regel wirtschaftlicher (evtl. Sonderformen prüfen) Achtung: Horizontalfilterbrunnen nur im Lockergestein! Horizontalfilterbrunnen nur bis max. 50 m Schachttiefe!

6 Schacht- oder Kesselbrunnen mit seitlichen Zuläufen (19. Jhdt.)

7 Vertikalfilterbrunnen im Lockergestein (Porengrundwasserleiter)

8 Bohrrohr mit Schnellverbindung Brunnenbohrung (Greiferbohrung/pennsylvanische Bohrung) im St.Galler Rheintal

9 Schwere Drehbohrgeräte, im Brunnenbau mit geeigneter Ausrüstung einsetzbar

10 Rotary-Bohrverfahren für Tiefbrunnen im Locker- und Festgestein (Direkt- und Umkehrspülung)

11 Mehrbrunnenanlage aus Vertikalbrunnen (Hebersystem oder Einzelbrunnen)

12 Grossfilterbrunnen System Ingerle

13 Schematische Darstellung eines Horizontalfilterbrunnens

14 Schachtbau im Ortsbeton-Verfahren

15 Absenkprobleme in aller Welt

16 Erste Vorfabrikationsversuche Courgevaux 1965 Schachtbau mit Fertigteilen Weinfelden 2009 Vorfabrikation beim Schachtbau

17 Ranney Fehlmann Preussag Überblick über die heute noch gebräuchlichen Horizontalbrunnen- Verfahren

18 Ausrüstung für die Erstellung von Ranney-Horizontalfiltersträngen

19 Strangvortrieb nach Preussag und Fehlmann

20 Einbau von Wickeldraht-Filterrohren in Fehlmann-Brunnen

21 Bohrkopf der WHD-Drehbohranlage zum Auffahren von Horizontalbrunnensträngen in schlecht bohrbarem Untergrund

22 Anlagen für HDD-Bohrungen (horizontal directional drilling)

23 Horizontalbrunnen im HDD-Verfahren (horizontal directional drilling), gebohrter Schacht mit HOBAS-Auskleidung

24 Blick in einen Horizontalbrunnen, von oben und von unten

25 Überblick über die gebräuchlichen Materialien für die Fabrikation von Brunnenfilterrohren Kupfer Eisen- oder Stahlblech, rohschwarz, verzinkt oder kunststoffbeschichtet Gusseisen/Stahlguss Edelstahl Holz (mit Melaninharz vergütetes Pressholz) Steinzeug Beton Asbestzement (Eternit) und Ersatzmaterial (Faserzement) Gewebe mit Stützrohren Hartgummi Kunststoffe (PVC, HDPE, Polypropylen, Polystyrol) Glasfaserverstärkte Kunstharze

26 Überblick über die gebräuchlichen Bauformen Schlitzlochung längs und quer (gefräste oder gestanzte Schlitze in verschiedenen Rohrmaterialien) Schlitzbrückenlochung (in Metallrohren) Hochleistungs-Schlitzbrückenlochung (in Metallrohren) Jalousielochung (in Metallrohren) Wickeldrahtfilter (vor allem aus Edelstahl, neuerdings auch aus Kunststoff) Lamellen- und Scheibenfilter (aus Edelstahl oder Kunststoff, ähnlicher Aufbau wie Filterkerzen) Filter aus ringförmigen Kunststoff-Elementen (Polystyrol- Spritzguss) Filter aus ringförmigen Gusseisenelementen Filter aus Betonringen mit Längs- oder Querschlitzen obo-filter (spiralförmig angeordnete Filtersegmente aus Pressholz) Kombinationen unterschiedlicher Bauformen, z.b. Wickeldraht auf grobgelochtem Stützrohr, Doppel-WD etc.

27 Filterrohr aus Gusseisenelementen sog.kegelringfilter von Roll (1935)

28 Elementfilter obo aus Pressholz, in Melaninharz getränkt

29 Sandreiche Kiese Kies-Sand mit Ausfallkörnung Wasserführende Sande feingeschlitzte Filter (Wickeldrahtfilter, Lamellenfilter, Scheibenfilter) Lamellenfilter Polypropylen (links aussen) Ringelementfilter Polystirol (2. von links) Wickeldrahtfilter Edelstahl

30 Ein altes Filtersystem, neu aufgelegt: Scheibenfilter

31 Filtereinbau in einem Vertikalfilterbrunnen (Schlitzbrückenfilter Edelstahl)

32 Grosskalibrige Schlitzbrückenfilter DN 1000

33 Neuentwicklung als Alternative zur doppelten Schüttung: Zweifach-Wickeldrahtfilter mit gesinterter Filterfüllung

34 Überblick über die gebräuchlichen Rohrverbindungen Laschenverbindung Flanschenverbindung Bördelverbindung Schraubverbindung Klammerverbindungen Verbindung mit zugfesten Steckmuffen

35 Filterstrangkollaps wegen Tressenumwicklung

36 Kiesklebefilter

37 Einbau Funktionsstrecke SDKK + Hydropuls zur Hochleistungsentsandung

38 Bachauslass eines Zwischenpumpversuchs in einer Grossfassung Grosspumpversuch im Winter

39 URSACHEN FÜR FEHLER UND MÄNGEL IN PLANUNG UND AUSFÜHRUNG Geburtsfehler beim Brunnenbau sind hauptsächlich auf Mängel in den Vorgaben, in der Planung oder in der Ausführung zurückzuführen. Vorgaben Die meisten schlechten Randbedingungen sind auf Vorgaben der Bauherren bzw. deren Berater zurückzuführen. Planung Die meisten Verstösse gegen die Regeln des Brunnenbaus werden von Ingenieuren und Planern begangen. Ausführung Die meisten Verstösse gegen die Sorgfaltspflicht begehen die ausführenden Unternehmen.

40 Konkrete Verstösse gegen die Regeln des Brunnenbaus Bauherren, Berater, Planer und Brunnenbauunternehmer begehen folgende Fehler : Wahl ungünstiger Fassungsstandorte Unzweckmässige Systemwahl Wahl ungeeigneter Erstellungsverfahren Unrichtige Wahl von Ausrüstungen und Materialien Nichtberücksichtigung hydraulischer Anforderungen (Absenkung, Eintrittsverluste, Granulometrie, Durchlässigkeit des Grundwasserleiters) Unrichtiges Verhalten bei Vortriebsproblemen (Schächte und/oder Bohrungen) Fehlende oder unrichtige Risikobeurteilung (artesische Verhältnisse, Absenkverhalten, Entwicklungsfähigkeit) Ungenügende Brunnenentwicklung

41 Deutlich begrenzte Grundwasserleiter (schmale Talfüllungen, Flussauen in Bergtälern, Begrenzung des Fassungsgebietes durch Siedlungen und Bauzonen) Sorgfältige Standortwahl mit rechtzeitiger Beurteilung des Schutzzonenbedarfs Schmales Fassungsgebiet in einem alpinen Hochtal Stark eingeengtes Fassungsgebiet im Tessin (Bauzone, Fluss, Umfahrungsstrasse)

42 Systemwahl: Unterschiedliches Kontaminationspotenzial bei Horizontal- und Vertikalbrunnen berücksichtigen

43 Problematische Wahl der Filtermaterialien

44 Arteserausbruch Spülungsverlust ungespannter Wasserspiegel Wsp. gespannter Wasserspiegel Deckschicht Undurchlässige Gesteine z.b. tertiäre Tongesteine Gefahr des totalen Spülungsverlustes Wsp. Gefahr des Arteser-Ausbruchs Durchlässige Gesteine z.b. mesozoische Kalke Problem der Risikobeurteilung bei undurchlässigen Deckschichten

45 Nebenmängel: Vollrohrtiefe ungenügend Pumpe im Filterrohr Ungenügende Brunnenentwicklung

46 Problematische Filterwahl Vertikalfilterbrunnen mit verrohrter Bohrung Ø 1500/1300 mm Tiefe ca. 50 m Dünnwandiges Edelstahl-Filterrohr mit Verstärkungsrippen

47 Fehlervermeidung Prävention Die Prävention muss alle Beteiligten umfassen, also den Bauherrn, seine Berater und seine Beauftragten auf allen Stufen. Wichtige Regeln zur Vermeidung der meisten Geburtsfehler : Der Bauherr muss genügende Mittel bereitstellen und seine Beauftragten mit grösster Sorgfalt auswählen. Die Berater sorgen für eine ausreichende Abklärung aller für eine zuverlässige Dimensionierung erforderlichen Grundlagen. Die Planer und Ingenieure setzen kompetente Fachleute ein, beurteilen alle denkbaren Risiken und Störfallszenarien und führen sorgfältige Ausschreibungen ohne Abgebotsrunden durch. Die Unternehmer wählen ihre Ausrüstung so, dass alle denkbaren Untergrundprobleme überwunden werden können; sie setzen erfahrenes Brunnenbau-Personal ein, welches alle fassungsrelevanten Probleme rechtzeitig erkennt und meldet.

48 Brunnenbohrung in Italien ca (unverrohrt) Brunnenbau in der Ostschweiz um ca (verrohrt)

49 Blick in den Schacht Brunnenschacht von 1889 im Caissonverfahren erstellt, später durch Bohrung vertieft, in Basel heute noch in Betrieb

50 Schrägfassung von Mannesmann, ca. 1955

51 Brunnenschonende Betriebsweise Hauptproblem: Der intermittierende (kostengünstige) Pumpbetrieb beansprucht die Stressbereiche der Fassungen sehr stark beschleunigte Brunnenalterung 3-Stufen-Stress: Leerung der Fassung Absenkung in der Formation Stationäre Entnahme

52 "Fachmännischer" Unterhalt? Tiefbrunnen Aziziyah/Libyen

53 Gedankenspiel zur Werterhaltung: Personifizierung der Grundwasserbrunnen Wollte man Brunnenbauwerken eine Persönlichkeit zumessen, könnte als Ziel etwa hohes Alter bei guter Gesundheit und geringem Leistungsabfall formuliert werden. Spinnt man solche Überlegungen aus dem Gesundheitswesen weiter, wären zur Zielerreichung folgende Voraussetzungen ausschlaggebend: Gesunde Grundkonstitution (... keine Geburtsfehler...), und wenn erforderlich Frühkorrekturen von festgestellten Fehlbildungen. Angemessene Betriebsweise (... nicht überanstrengen...) Fachmännischer Unterhalt (gute medizinische Betreuung mit periodischem Checkup ) Werterhaltungssysteme ( medizinische Massnahmen)

54 Brunnenalterung Als Brunnenalterung werden alle Vorgänge bezeichnet, welche für den Leistungsabfall einer Fassung zuständig sind. Die Brunnenalterung kann sich zeigen durch: Verockerung (chemisch oder biologisch) Versandung Korrosion Verschleimung Versinterung Aluminiumfällung Diese Erscheinungen können die Brunnenleistung negativ beeinflussen.

55 und wenn eine Grundwasserfassung in die Jahre kommt? Zustandsanalyse spätestens nach 15 Jahren Betriebszeit (TV-Befahrung, Kontroll-Pumpversuch) Werterhaltungskonzept mit wirtschaftlichen Erwägungen Werterhaltungsprojekt Regenerierung mit bewährtem Verfahren wie Hydropuls, Welljet, Jetmaster, Sprengschocken; in der Schweiz kaum chemische Regenerierung wenn erforderlich: Einschubverrohrung (Inlinersanierung)

56 Zustandsanalysen Erfassung und Auswertung aller verfügbaren Unterlagen TV-Befahrungen Moderne Kamerasysteme für alle Vertikal- und Horizontalfilterbrunnen, auch für grosse Brunnendurchmesser axial und radial; Einsatztiefen von 500 m und mehr. Zoomtechnik erlaubt Erfassung von Schadstellen oder Ablagerungen, Lasertechnik erlaubt Streckenmessungen. Fahrwagen für Befahrung der Stränge von Horizontalfilterbrunnen. Mobile Kleinkamerasysteme für Befahrungen durch 2 3 grosse Öffnungen. Vorbehalt bezüglich Einsatz von Kanalfernsehkameras. Brunnentest Kurzpumpversuch mit Mengen- und Absenkmessung zur Erfassung der momentanen Leistungsfähigkeit des Brunnens, verglichen mit dem Neubau-Zustand.

57 Brunnenfernsehkameras für Vertikal-, Schräg- und Horizontalbefahrungen

58 Zustandsanalysen: Ergebnisse positiv

59 Zustandsanalysen: Ergebnisse negativ

60 Zustandsanalysen und weitere Untersuchungen bei Bedarf Geophysikalische Untersuchungen Mit Flowmeter-Messungen kann das Leistungsverhalten der Filterbereiche eines Brunnens erfasst werden, mit Gammamessungen allfällige tonige Hinterfüllungen Biologische Aktivierungs- und Reaktionstests Geben Aufschluss über die bakterielle Aktivität im Brunnen zur Interpretation derbrunnenalterung. Mineralogische und geochemische Analysen Ursachenklärung zur Brunnenalterung, erlauben Rückschlüsse auf die Regenerierbarkeit des Brunnens.

61 Werterhaltungsplanung Brunnenertüchtigungsprogramm RETROFIT Brunnenprüfung mit Brunnenfernsehen, Pumptests und Analytik Brunnenregenerierung mit geeigneten, der Fassungscharakteristik angepassten Methoden Brunnensanierung durch Ersatz oder Neuauskleidung von Fassungssträngen bzw. Filterstrecken Rückbau störender alter Fassungen und Beobachtungsstellen in Brunnennähe Festlegung optimierter Pumpregimes (z.b. bei Fassungen von Uferfiltrat oder gegenseitiger Beeinflussung von Fassungen) Bauliche Massnahmen zum Fassungs- und Grundwasserschutz - Hydraulische Infiltrationsbarrieren - Schutzbrunnengalerien - Ergänzung zu Fassungen mit selektivem Entnahmeregime - Feste Abschirmungen Revision und/oder Anpassung von Schutzzonen

62 Welche Ergebnisse sollen durch werterhaltende Massnahmen an Grundwasserfassungen im Einzelnen erzielt werden? Reinigung der Filter-Innenfläche (Rohrputz) Freilegen der Filterschlitze Regeneration der Filterkies-Schüttung, Entfernen von Ablagerungen bzw. eingetragenem Feinmaterial Umlagerung / Entsandung der Bohraureole Reparatur von defekten Filterrohren Reparatur von defekten Rohrverbindungen Stützung von kollapsgefährdeten Filterbereichen Aufbrechen von maroden Altfiltern Ersatz von maroden oder nicht mehr dem aktuellen Standard entsprechenden Einbauteilen Sicherstellung des Grundwasserschutzes und des Korrosionsschutzes

63 Konkrete Massnahmen zur Werterhaltung Mechanische Reinigung Bürsten und Kolben Wasserhochdrucktechnik Hydromechanische Regenerierung Niederdruckwasserspülung Wasserhochdrucktechnik Impulsverfahren Sprengschocken Chemische Regenerierung Ultraschall-Regenerierung Hochleistungsentsandung Inlinersanierung Aufbohren und Neuverfiltern Betriebliche Massnahmen Bauliche Schutzmassnahmen

64 Ergänzung Pulsen Zustandsanalyse vollständig j Druckwasser Filterkolonne stabil j Mech. Reinigung Regenerierung n n HL-DKK n Entwicklung Regeneration erfolgreich j Sprengschocken n Ergänzung Inliner Entwicklung Chemie Entscheidungsbaum Regenerierung von Grundwasserfassungen Ergänzung andere

65 Beispiel für die Anwendung der Hochdrucktechnik

66 Sprengschocken Erste Versuche mit Explosivstoffen zur Regenerierung von Brunnen ab 1990 in Berlin. Die Bezeichnungen Sprengschocken und Inlineschocken sind geschützt. Anwendung vor allem für die Entfernung von hartnäckigen Ablagerungen und zur Aufwältigung der Altfilter bei der Inlinersanierung. Sprengung mittels zentrisch in der Filterstrecke angeordneter gestreckter Ladung. Starke Sprengungen sind nur in stabilen Inlinern zulässig. Charakteristisch für die Wirkungsweise sind der durch die Detonation hervorgerufene, über den Filter gleichzeitig verlaufende elastische Primärimpuls, der zur Lösung von Inkrustationen führt. die anschliessenden Sekundärimpulse (Gasblasenszyklus durch Umsetzung des Sprengstoffes), welche die gelösten Ablagerungen entfernen.

67 Versuche zur Sprengwirkung in einem Filterstrang im Wasser

68 Vorbereitungen zum Sprengschocken in einem Horizontalfilterbrunnen

69 Vorbereitung chemische Regenerierung

70 Beispiel einer Brunnenregenerierung: Einsatz des impulsgestützten Doppelkammerverfahrens

71 Schematische Darstellung der Wirkungsweise einer Doppelkolbenkammer

72 Einbau einer Wickeldraht-Einschubverrohrung (Inliner) DN 700 in einen Vertikalbrunnen

73 Blick auf einen fertig verkiesteninliner Blick in einen Inliner in einem Horizontalfilterbrunnen

74 Bauliche Massnahmen zum Schutz von Fassungen und Grundwasser Hydraulische Abschirmungen von Fassungen mittels Entnahme- oder Versickerungsanlagen Ziel: Schutz vor hohen Zutrittsraten an Uferfiltrat Verbesserung der Schutzzonenwirkung Schutz vor möglichen Kontaminationsträgern, wie z.b. Verkehrsachsen Schutz vor Freisetzungen aus Deponien und Altlasten Elimination von Versuchs- und/oder Beobachtungsbrunnen in Fassungsnähe. In-situ-Verfahren zur Elimination störender Inhaltsstoffe im Umfeld, zb Vyredox

75 Horizontalbrunnen mit Störung der Zuströmung durch einen alten Versuchsbrunnen

76 Bau von Abschirmungsbrunnen zum Schutz eines Grundwasserleiters

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78 Brunnenrückbau Ausbaumaterial Verfüllung Rückbau X möglich o bedingt möglich - nicht möglich Ringraumbarrieren Zerbohren Überbohren Schneiden Lanzen- Verpres-sung Packerverpressung mit Perforation Stahl beschichtet unbeschichtet x x - x x Gusseisen x x - x - Edelstahl x x - x x Kunststoff x o x o o Steinzeug x - x x o Beton x o - o - obo (Holz) x o x o o

79 Zustandsanalysen Regenerierungen Sanierungen sind dann wirtschaftlich, wenn sie rechtzeitig und von den richtigen Fachleuten vorgenommen werden und nicht erst

80 ...wenn der Esel schon im Brunnen liegt!