14. Grundwasserhaltung

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1 14 Grundwasserhaltung Grundwasserhaltung Einführung Verfahren zur Grundwasserabsenkung Brunnenströmung Grundwasserabsenkung mittels Mehrbrunnenanlagen Pumpversuche zur Ermittlung der Durchlässigkeit Literatur Herth, W., Arndts, E.:Theorie und Praxis der Grundwasserabsenkung; 3. Auflage; Einführung Bauen im Grundwasser Beim Bauen im Grundwasser führenden Baugrund muss das Grundwasser während des Bauens a) ferngehalten (Bild 14.1) oder b) beseitigt (Bild 14.) werden. Bild 14.1: Grundwasseraussperrung mittels wasserdichtem Baugrubenverbau und undurchlässiger Bodenschicht

2 14 Grundwasserhaltung 14- Bild 14.: Grundwasserabsenkung mittels Brunnenanlage Bauen im Grundwasser Anforderungen an die Baugrunderkundung Für das Bauen im Grundwasser müssen im Zuge der Baugrunderkundung die Grundwasserverhältnisse geklärt werden: Durchlässigkeit des Bodens Zeitabhängige Schwankungen des GW-Spiegels Grundwasserqualität durch chemische Untersuchungen o eventuelle Aggressivität bezüglich der Baustoffe o vorhandene Verunreinigungen z.b. Altlasten Beim Bauen im GW müssen wasserrechtliche Gesichtspunkte geklärt und Genehmigungen eingeholt werden, da sowohl die Grundwasserabsenkung als auch das Einbinden von Bauwerken in das GW einen Eingriff in den Grundwasserhaushalt bedeuten.

3 14 Grundwasserhaltung Verfahren zur Grundwasserabsenkung Bild 14.3: Verfahren zur Grundwasserabsenkung (aus Firmenunterlagen Fa. Bauer) Offene Wasserhaltung Wenn das GW nur wenig abgesenkt werden muss oder der Boden nur wenig GW führt, kommt eine offene Wasserhaltung zum Einsatz: Drängräben oder mit Filterkies ummantelte und abgedeckte Dränrohre Pumpensumpf Bild 14.4: Dränrohr (Schmidt 001)

4 14 Grundwasserhaltung 14-4 Bild 14.5: Pumpensumpf (Schmidt 001) 14.. Schwerkraftbrunnen Für tiefer gehende GW-Absenkungen kommen Schwerkraftbrunnen zum Einsatz. Bei den Schwerkraftbrunnen handelt es sich um gebohrte Brunnen (Ø 0,6 m bis 1,0 m), die mit Tauchpumpen bestückt werden. Bild 14.6: Schwerkraftbrunnen (Schmidt 001)

5 14 Grundwasserhaltung Vakuumentwässerung Feinkörnige Böden mit einem merklichen Kapillarpotential lassen sich nicht mehr durch die Schwerkraft entwässern. Vakuumbrunnen Lanzendurchmesser: 1 bis Lanzenabstände: Praktisch erreichbare Absenktiefe: 1 m bis m 6 m (Atmosphärendruck Leitungsverluste) Bild 14.7: Vakuumbrunnen (nach Schnell) Entwässerung durch Elektroosmose Wenn im Boden ein elektrisches Gleichstromfeld erzeugt wird, verursacht der Potentialunterschied zwischen Anode und Kathode eine Diffusion des Porenwassers zur Kathode. k < 10-7 m/s beträchtlicher Energieaufwand

6 14 Grundwasserhaltung 14-6 Bild 14.8: Elektroosmose (Herth & Arndts 1994)) Grundwasserentspannung Bei gespannten Grundwasserverhältnissen ist zur Gewährleistung der Auftriebssicherheit und der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch eine Grundwasserentspannung erforderlich. Bild 14.9: Grundwasserabsenkung durch Entspannungsbrunnen (oben) bzw. Vertikaldränung (unten) (nach Schmidt 001)

7 14 Grundwasserhaltung Brunnenströmung Voraussetzungen für die analytische Lösung Strömung ist laminar Gültigkeit des Darcy schen Gesetzes waagrechter undurchlässiger Horizont Inkompressibilität von Korngerüst und Wasser Konstanz von Durchlässigkeit, Zähigkeit und Dichte Fehlen von Kapillar- und Oberflächenkräften und von Quellen und Senken im Strömungsfeld keine vertikalen Geschwindigkeitskomponenten In den folgenden Abschnitten werden zunächst vollkommene Brunnen betrachtet, d.h. der Brunnen erfasst die gesamte Mächtigkeit des Grundwasserleiters. Die Unterkante des Brunnens fällt mit der Oberkante der undurchlässigen Schicht zusammen. In Abschnitt folgen unvollkommene Brunnen (unvollständige Erfassung der Mächtigkeit des Grundwasserleiters) Brunnenströmung - axialsymmetrischer Fall Bild 14.10: Grundwasserhaltung mit Einzelbrunnen (Schmidt 006) x, y Koordinaten für die Wasserspiegellinie r 0 Reichweite, Abstand des unabgesenkten Wasserspiegels vom Brunnen r gebohrter Brunnenradius, d.h. inkl. Brunnenfilter h 0 unabgesenkte Wasserspiegelhöhe, gemessen von der undurchlässigen Schicht (=UK Brunnen) h Wasserspiegelhöhe im Brunnen k Durchlässigkeitsbeiwert q Wassermenge

8 14 Grundwasserhaltung 14-8 DARCYsches Gesetz dy v = k i = k (14.1) dx Kontinuitätsgleichung Durch Integration ergibt sich dy q = v A = k i A = k π x y dx q 1 bzw. y dy = dx π k x 1 q y x ± C = π k ln Die Integrationskonstante C wird mit folgenden Randbedingungen bestimmt (14.) (14.3) y = h 0 ; x = r 0 y = h; x = r Damit wird die Gleichung der Spiegelfläche des Absenktrichters q h0 h = (ln r0 ln r) π k q bzw. allgemein : y1 y = (ln x1 ln x ) π k (14.4) Zur Berechnung der Wassermenge q ergibt sich aus Gleichung (14.4) durch Umformung die THIEMsche Brunnengleichung h0 h q = k π (14.5) ln r 0 ln r

9 14 Grundwasserhaltung Brunnenströmung ebener Fall Bild 14.11: Grundwasserhaltung mit Einzelfassung, ebener Fall (Schmidt 001) x, y Koordinaten für die Wasserspiegellinie r 0 Reichweite, Abstand des unabgesenkten Wasserspiegels vom Sickerschlitz h 0 unabgesenkte Wasserspiegelhöhe, gemessen von der undurchlässigen Schicht h Wasserspiegelhöhe im Sickerschlitz, gemessen von der undurchlässigen Schicht q Wassermenge Für einseitigen Wasserzufluss berechnet sich die Wassermenge nach k h0 h q = (14.6) r Reichweite 0 Bild 14.1: Reichweite der Absenkung

10 14 Grundwasserhaltung r 0 h 0 h s k Reichweite, Abstand des unabgesenkten Wasserspiegels vom Brunnen, in [m] unabgesenkte Wasserspiegelhöhe, gemessen von der undurchlässigen Schicht, in [m] Wasserspiegelhöhe im Brunnen, gemessen von der undurchlässigen Schicht, in [m] Absenkung im Brunnen, in [m] Durchlässigkeitsbeiwert, in [m/s] Im axialsymmetrischen Fall beträgt die Reichweite r 0 : r0 = 3000 ( h0 h) k (14.7) Fassungsvermögen (Brunnenergiebigkeit) eines Einzelbrunnens Fassungsvermögen =Wassermenge pro Zeiteinheit, die der Brunnen aufnehmen kann Diese Maximalmenge kann auch durch höhere Pumpenleistung nicht gesteigert werden. Das Fassungsvermögen ist abhängig vom Wasserspiegelgefälle (und damit auch von k), von der benetzten Filterhöhe h und vom Brunnenradius r. In der Praxis verwendet man immer noch die von SICHARDT (197) gefundene empirische Bestimmungsmethode. Danach ist der Eintrittsgradient in den Brunnen k in [m/s], nicht dimensionstreu i = 1 max (14.8) 15 k Nach Gleichung (14.) wird damit das maximale Fassungsvermögen des Brunnens Für die zuströmende Wassermenge gilt Gleichung (14.5). k q = π r h (14.9) 15 In Bild dargestellt ist das maximale Fassungsvermögen des Brunnens (= Brunnenergiebigkeit, linear) und der Wasserandrang (parabel-ähnliche Kurve). Mit zunehmender Absenkung h wird der Wasserandrang zum Brunnen hin größer, das Fassungsvermögen des Brunnens aber kleiner (weil die Eintrittsfläche in den Filter kleiner wird). Im Schnittpunkt A erhält man die maximale theoretische Absenkung. Mit dem dargestellten Brunnen ist also eine Absenkung größer s max nicht möglich.

11 14 Grundwasserhaltung h q q' s max q max q; q Bild 14.13: Zusammenhang zwischen zuströmender Wassermenge q und Brunnenergiebigkeit q h Wasserspiegelhöhe im Brunnen q Wassermenge q Fassungsvermögen (Brunnenergiebigkeit) s max maximal mögliche GW-Absenkung zugehörige Wassermenge q max Unvollkommener Brunnen h 0 Bild 14.14: Unvollkommener Brunnen

12 14 Grundwasserhaltung 14-1 h 0 a q v q u unabgesenkte Wasserspiegelhöhe, gemessen von UK Brunnen Abstand zwischen UK Brunnen und der undurchlässigen Schicht Wassermenge im vollkommenen Brunnen Wassermenge im unvollkommenen Brunnen Beim unvollkommenen Brunnen muss berücksichtigt werden, dass der Wasserzustrom auch über die Sohle des Brunnens erfolgt. Entsprechend erhöht man die Wassermenge im Vergleich zum vollkommenen Brunnen um einen pauschalen Faktor. Es gilt a h 0 q u = 1,1 q v a > h 0 q u = 1, q v a h 0 q u = 1,3 q v Grundwasserversickerung Bild 14.15: Grundwasserversickerung (nach Schmidt 001) r 0 h 0 h h s k s Reichweite, Abstand des unaufgestauten Wasserspiegels vom Brunnen unaufgestaute Wasserspiegelhöhe, gemessen von der undurchlässigen Schicht Wasserspiegelhöhe im Brunnen, gemessen von der undurchlässigen Schicht Aufstau im Brunnen abgeminderter Durchlässigkeitsbeiwert für die Versickerung Beim Versickern wird die Wassermenge als negative Größe eingeführt. Anstelle eines Absenktrichters bildet sich ein Aufstaukegel, die ursprüngliche Höhe h 0 ist um die Höhe h s erhöht. Analog zu Gleichung (14.5) ergibt sich

13 14 Grundwasserhaltung q = k s π h0 ln r ( h + h ) 0 0 s + ln r (14.10) bzw. h0hs + hs q = k s π (14.11) ln r ln r 0 Erfahrungen mit Versickerungsanlagen zeigen, dass Sickerbrunnen gegenüber Entnahmebrunnen eine geringere Leistungsfähigkeit haben. Ursachen hierfür sind insbesondere Verstopfungen der Sickerbrunnen aufgrund von Ablagerungen, i.d.r. Verockerungen (Ausfällung von Eisen- und Manganverbindungen) der Aufstau im Sickerbrunnen mit zunehmender Versickerungsdauer Herth/Arndts (1994) schlagen daher eine Abminderung des Durchlässigkeitsbeiwerts von vor. k s = 0, 5 k (14.1) 14.4 Mehrbrunnenanlagen Zur Trockenhaltung einer Baugrube werden gewöhnlich mehrere Brunnen angeordnet. Wenn man sich die Baugrube ringförmig mit n Brunnen umgeben denkt, kann man die ganze Grube als einen großen Ersatzbrunnen mit der n-fachen Kapazität der Einzelbrunnen und dem Ringradius als Brunnenradius auffassen. Bei allgemeiner Grundrissform der Baugrube ist deren Fläche in eine gleich große Kreisfläche umzurechnen.

14 14 Grundwasserhaltung Abschätzung eines Ersatzbrunnenradius Bild 14.16: Abschätzung eines Ersatzbrunnenradius h 0 unabgesenkte Wasserspiegelhöhe h Wasserspiegelhöhe in der Baugrube h Wasserspiegelhöhe im Brunnen s Absenkung in der Baugrube a/b längere/kürzere Seite der von den Brunnen eingeschlossenen Fläche Ersatzradius r A Bei rechteckigen Baugruben mit a/b < 3 kann der Ersatzbrunnenradius r A mit r A a b = (14.13) π angesetzt werden. Bei sehr lang gestreckten Baugruben gilt a r A = (14.14) 3 Anstelle der Umwandlung kann man r A auch aus Bild ermitteln, es gilt r A = η b (14.15)

15 14 Grundwasserhaltung Bild 14.17: Ermittlung des Ersatzradius bei rechteckigen Baugruben (aus Herdt&Arndts 1994) η a/b Beiwert längere/kürzere Seite der von den Brunnen eingeschlossenen Fläche Abschätzung der insgesamt anfallende Wassermenge Bezeichnungen siehe Bild Die insgesamt anfallende Wassermenge bei Baugruben kann folgendermaßen abgeschätzt werden: h0 h Q = k π (14.16) ln r 0 ln r A Für den Fall, dass lnr 0 lnr A < 1 ( ln(r 0 /r A ) wird, gilt die Gleichung nicht. Nach dem empirischen Ansatz von Weyrauch rechnet man für Fälle mit r A /r 0 > 0,5 mit Q k ( ) ra h0 h + 0, r0 = π 5 (14.17)

16 14 Grundwasserhaltung Abschätzung der Eintauchtiefe der Brunnen s Bild 14.18: Brunneneintauchtiefe bei gleichem Abstand (aus Schmidt 006) h 0 unabgesenkte Wasserspiegelhöhe h Wasserspiegelhöhe in der Baugrube h Wasserspiegelhöhe im Brunnen s Absenkung in der Baugrube k Durchlässigkeitsbeiwert q Entnahmemenge des Einzelbrunnens (Q/n) r A Ersatzradius r gebohrter Brunnenradius b Brunnenabstand Wichtig für das Erreichen der Wasserspiegelhöhe h in der Baugrube (= Absenkziel) ist die Berechnung der Eintauchtiefe des Brunnens. Dabei bestimmt die Wasserspiegelhöhe im Brunnen, h, das Fassungsvermögen des Brunnens mit (vgl. Gleichung (14.9). Für den Einzelbrunnen gilt h = h ln b ln r 1,5q k π (14.18) Wenn die Brunnen sehr eng stehen, muss der Faktor 1,5 bis auf erhöht werden.

17 14 Grundwasserhaltung Mehrbrunnenanlage Ansatz nach Forchheimer Da die Brunnen nicht unendlich dicht beieinander stehen strömt Wasser ins Innere des Brunnenrings, so dass das Absenkziel in der Ringmitte höher liegt als das des Einzelbrunnens. Es ist nachzuweisen, wie tief im Einzelbrunnen abgesenkt werden muss, damit das Absenkziel in allen Punkten der Baugrube eingehalten wird. h 0 h Bild 14.19: Mehrbrunnenanlage in Schnitt und Grundriss (aus Vorlesungsskript Hochschule Wismar) Berechnungsannahmen für den Ansatz von Forchheimer: alle Brunnen liefern die gleiche Wassermenge alle Brunnen haben die gleiche Tiefe h 0 unterhalb des GW-Spiegels alle Brunnen stellen vollkommene Brunnen dar die Reichweite r 0 ist sowohl für den Einzelbrunnen als auch für die Anordnung von n Brunnen gleich

18 14 Grundwasserhaltung Der Ansatz nach Forchheimer ergibt sich aus Überlagerung der Gleichung für n Einzelbrunnen mit x 1, x,,x n Q = k bzw. Q = k π π n ln r 0 n 1 ln r0 ln n ( h h ) ( ln x + ln x ln x ) ( h h ) 0 1 ( x x... x ) 1 0 n n (14.19) Abstand der einzelnen Brunnen vom Punkt P mit GW-Spiegelhöhe h Die Gleichung für die resultierende Spiegelfläche wird somit Q 1 h = h0 ln r0 ln( x1 x... xn (14.0) k π n Arbeitsschritte bei der Bemessung einer Mehrbrunnenanlage 1. Festlegung der Absenkung s und der Brunnentiefe h 0 h0 (, 3, 0) s (14.1). Ermittlung des Ersatzradius r A a/b 3 3 < a/b < 7 a/b 7 a b r A = r A = η b π a r A = 3 3. Abschätzen der Reichweite r 0 und der Gesamtwassermenge Q r 0 = 3000 s k Q = k 4. Wahl der Brunnenanzahl n und Anordnung π h0 h ln r 0 ln bzw. ( ) 0 r0 r A r A Q = k π h h + 0, 5 5. Dimensionierung der Brunnen: Es wird der Brunnen mit der größten Absenkung betrachtet.! 1 h = min ln( x1 x... xn ) = min n Wahl des Brunnenradius r Überprüfung der erforderlichen Fördermenge q 6. Überprüfung des Absenkziels im ungünstigsten Punkt q q (Fassungsvermögen)

19 14 Grundwasserhaltung h 1 max ln 1 n! = n ( x x... x ) = max Q 1 h h0 ln r0 ln( x1 x... x k π n = n Beispiel: Bemessung einer Mehrbrunnenanlage Bild 14.0: Baugrube: Situation im Berechnungsbeispiel Erforderliche Absenkung: Brunnentiefe GW: unter s =,0 + 0,5 =,5 m h 0 = (, 3,0) s = 5,5 7,5 m gewählt: h 0 = 7 m h = h 0 - s = 4,5 m Reichweite: r 0 = 3000 s k = 3000, = 37 m ln r 0 = 5,46 Wassermenge für Ersatzbrunnen: a/b = 60/30 r A = π = 4m lnr A = 3,18 m h Q = π k ln r 0 0 h ln r A = π ,5 5,46 3,18 = 0,0396 m 3 s Q i = Q / n = 0,0396 / 6 = 0,0066 m 3 /s Überprüfung des Absenkziels für den Punkt A: h n Q 1 = h0 ln r0 ln π k n i= 1 A x i

20 14 Grundwasserhaltung 14-0 Abstände: x 1 = x 4 = 61,8 m ln 61,8 = 8,5 x = x 5 = 33,5 m ln 33,5 = 7,04 x 3 = x 6 = 15 m ln 15 = 5,44 h A = 3 ln x i = 0,73 0, ,46 0,73 = 3,7 m π 10 6 h A = 4,86 m > h erf = 4,50 m Absenkziel nicht erreicht! Erforderliche Wassermenge zur Gewährleistung des Absenkziels: Q Q i 3 7 4,5 = π 10 0,73 5, ,045 m = = 0, s Dimensionierung der Brunnen: m = 0,045 s 3 > 0,0396 Es wird der Brunnen (5) betrachtet, für den die größte Absenkung zu erwarten ist und der somit für die Bemessung maßgebend ist. Der Brunnendurchmesser wird zu 400 mm gewählt n Q 1 h = h0 ln r0 ln π k n i= 1 x 1 = x 3 = x 5 = 30 m 3 ln 30 = 10, x 4 = x 6 = 4,5 m ln 4,5 = 7,5 x = 0, m ln 0, = -1,6 x i ln x i = 16,1 0,045 16,1 h = 7 5,46 = 9, m 3 h = 3,03 m π 10 6 Überprüfung des Fassungsvermögens: m s 3 q = π r 0 h k 15 = π 0, 3, m = 0,008 s 3 > m 0,0075 s 3

21 14 Grundwasserhaltung 14-1 Wassermenge zulässig! 14.5 Pumpversuche Ermittlung der Durchlässigkeit Der Durchlässigkeitskoeffizient k wird im Labor entweder im Durchlässigkeitsgerät oder nach empirischen Regeln, z.b von Hazen oder Beyer aus der Korngrößenverteilung bestimmt. Hazen m k = C d10 (14.) s 0,7 + 0,03 T mit d 10 in [mm] und C =, dabei ist T die Wassertemperatur in C 86,4 für T=10 C ist k = 0,0116 d 10 Beyer Verbesserte Formel nach Hazen unter Einbeziehung des Ungleichförmigkeitsgrades d 60 U = : d 10 In Abhängigkeit von U kann aus Bild 14.1 ein Wert c ermittelt werden, der k-wert nach Beyer ergibt sich dann zu m k = c d10 s (14.3)

22 14 Grundwasserhaltung 14- Bild 14.1: c-wert zur Ermittlung von k nach Beyer (aus Herth & Arndts 1994) Besser ist jedoch die Ermittlung mittels Feldversuchen wie z.b. Stationären und instationären Pumpversuchen Einschwingversuchen (dynamische Wasserspiegeländerungen mittels Druckluft) Stationärer Pumpversuch In einer zum Brunnen ausgebauten Bohrung wird Wasser abgepumpt. In mindestens Beobachtungspegeln wird die Spiegelbeeinflussung gemessen. Bis zum Erreichen eines stationären Spiegelverlaufs können bis zu 1 bis Wochen erforderlich sein.

23 14 Grundwasserhaltung 14-3 Bild 14.: Brunnen und Beobachtungsmessstelle bei Pumpversuch (aus Schmidt 006) k q ln x ln x = (14.4) π y y Einschwingversuch Beim Einschwingverfahren wird im Aquifer/Brunnen-System eine kurzzeitige Wasserspiegeländerung angeregt. Dazu wird in einer nach oben hermetisch abgeriegelten Grundwassermessstelle oder einem Brunnen der Ruhewasserspiegel mit Druckluft um ca. 50 cm abgesenkt (Bild 14.3). Durch plötzliches Öffnen des Verschlusses kehrt der Wasserspiegel wieder in seine Ausgangslage zurück. Mit einer elektrischen Druckmessdose werden die Wasserspiegelveränderungen aufgezeichnet (Bild 14.4). Aus der Art und Dauer des Schwingungsvorganges wird die Transmissivität T = k Dicke des Aquifers berechnet. Durch Messen bzw. rechnerisch-iterative Ermittlung der Eigenfrequenz ω0 und des Dämpfungskoeffizienten β lässt sich die Transmissivität (14.5) bzw. der Durchlässigkeitsbeiwert k (14.6) in Höhe des Brunnenfilters bestimmen: T ϖ 0 m = 1,3 rw (14.5) β s

24 14 Grundwasserhaltung 14-4 Mit h 0 = Mächtigkeit des Aquifers T k = (14.6) h 0 Bild 14.3: Vorrichtung für Einschwingversuch, aus Schmidt (006) nach Firmenprospekt Smoltczyk & Partner

25 14 Grundwasserhaltung 14-5 Bild 14.4: Schwingung der Wassersäule bei a) gut durchlässigen und b) gering durchlässigen Böden