Praktische Erfahrungen Einsatz von Glaskugeln im Brunnenbau Dr. Marion Schulte, B. Vormann GmbH & Co. KG, D-48301 Nottuln Hof, 17. Juni 2010 17.-18.Juni 2010 in Hof
Gliederung Allgemeines Dimensionierung der Schüttung Beispiele Kostenvergleich Erfahrungen verschiedener Nutzer Grenzen und MöglichkeitenM
Allgemeines zum Einsatz von Glaskugeln als Stützmaterial tzmaterial im Brunnenbau Erste Einsätze in Deutschland bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts Seit den 80er Jahren in Amerika Stand der Technik (z.b. in einigen Ländern der USA Bestandteil von Behördenvorgaben als ausdrückliche Alternative zu Filtersand und kies beim Ausbau von Messstellen genannt.) Seit 2007 vermehrt in Deutschland im Einsatz Gegenstand verschiedener Forschungsprojekte
Zusammensetzung von Glaskugeln (Kalk-Natron Natron-Glas) Quelle: Sigmund Lindner GmbH, Oberwarmensteinacher Str. 38, 95485 Warmensteinach
Vorteile von Glaskugeln im Vergleich zu Filterkies Kein Eintrag von Feinkornanteilen und Mineralien mit der Filterkiesschüttung in den Ringraum Glatte Oberfläche Rundungsgrad Mechanische Stabilität Feine Fraktionsabstufung
1. Untersuchungen zur ausgewählten brunnenbauspezifischen Eigenschaften von Glaskugeln im Vergleich zu Filterkiesen (Treskatis et al. 2010) Sandrückhalteverhalten (Filterwirkung) Verockerungsneigung unter Laborbedingungen Einbauverhalten 2. Untersuchungen zu: Bemessungsgrundlagen, Regenerierfähigkeit, Lagerungseigenschaften Durchlässigkeiten (IBB et al.)
Lagerungsform / Gleichförmigkeit Würfellagerung Tetraederlagerung Geringe Ungleichförmigkeit Große Ungleichförmigkeit Durchschnittliche Porosität 48 % 26 % 32 % 17 % 1,20 m
Dichteste Kugelpackung kann bei einem Schüttvorgang aufgrund der Begrenzung des Raumes nicht erreicht werden. Lagerungsdichte Lockerste Kugelpackung Mittlere Lagerungsdichte Filterfaktor D/d = 2,4 D/d = 4,4 Hoher Energieeintrag führt zu Setzungen. Dichteste Kugelpackung D = Kugel-Durchmesser d = größtmöglicher Durchmesser einer passierenden Kugel D/d = 6,4 Vertikal differenziert geschüttete Materialien (Wechsel Glaskugeln Filterkies Glaskugeln) bleiben nicht stabil.
Durchmesser 10,50-11,50 mm 11,50-12,50 mm 13,50-14,50 mm 15,50-16,50 mm 17,50-18,50 mm Fraktionen Glaskugeln 0,25-0,50 mm 0,50-0,75 mm 0,75-1,00 mm 1,00-1,30 mm 1,25-1,65 mm 1,75-2,10 mm 2,00-2,40 mm 2,85-3,45 mm 3,40-4,00 mm 4,75-5,30 mm 5,60-6,30 mm 9,50-10,50 mm Schüttgewicht 1,51 kg/dm³ 1,49 kg/dm³ 1,48 kg/dm³ 1,47 kg/dm³ 1,47 kg/dm³ 1,55-1,85 mm 1,47 kg/dm³ 1,00-2,00 mm 1,5 kg/m³ 1,47 kg/dm³ 1,47 kg/dm³ 2,40-2,90 mm 1,47 kg/dm³ 2,00-3,15 mm 1,5 kg/m³ 1,46 kg/dm³ 1,46 kg/dm³ 3,80-4,40 mm 1,45 kg/dm³ 3,15-5,60 mm 1,5 kg/m³ 1,45 kg/dm³ 1,45 kg/dm³ 1,45 kg/dm³ 1,45 kg/dm³ 1,45 kg/dm³ 1,43 kg/dm³ 1,43 kg/dm³ 1,43 kg/dm³ Fraktionen Filterkies Durchmesser (DIN 4924) 0,40-0,60 mm 1,50 kg/dm³ 0,4-0,8 mm 1,5 kg/m³ 0,71-1,25 mm 5,60-8,00 mm 8,0-16,00 mm 16,00-32 mm Schüttgewicht 1,5 kg/m³ 1,5 kg/m³ 1,5 kg/m³ 1,5 kg/m³
Vergleich verschiedener Berechnungsverfahren für Schüttkorndurchmesser Bemessung der Schüttung: Die deutliche feinere Fraktionierung der Glaskugeldurchmesser erlaubt und erfordert eine exakte Bestimmung des Kennkorns Kennkorn nach W 113 : Wendepunktmethode bei Kornsummenauftragung Maxima Bestimmung bei Kornverteilung dg-30 Korngröße
Bestimmung des Schüttkorns
Erwartete / maximale Setzung Empfehlung äußere KS 0,45 m 1,25 1,65 mm 0,07 m Empfehlung Faktor: d innere / d äußere = 2,9 3,1
Digitale Partikelmessung Kornverteilung Partikelform: Rundheit (b/l), Breite zu Länge Sphärizität Umfang / Fläche der Partikelprojektion Digitale Partikelmessung IBB in Zusammenarbeit mit TU Berlin, FG Ingenieurgeologie & FG Hydrogeologie
Ausbau - Kornverteilung Durchlässigkeiten - Untersuchung k f -Filter > k f -Ringraumverfüllung > k f -Bohraureole > k f -Grundwasserleiter
Nach Durchführung von Laborversuchen gewählte Glaskugelfraktion: 2,0 2,4 mm
Geophysikalische Messungen an einem Glaskugelbrunnen Pumpversuch: 110 m³/h, Absenkung: 1,23 m sandfrei Quelle: BLM-Storkow GmbH
Setzungsverhalten der Glaskugelschüttung bei verrohrter Trockenbohrung Glaskugelschüttung: 8,3m Setzung nach Kolben: 0,1m L
L
20 19,11 18 Anteil an Herstellungskosten 16 14 prozentualer Anteil 12 10 8 6 5,34 6,26 6,13 6,15 Lockergestein, glazialer Ursprung, Betonsohle B 1 4 2 0 B 1 B 2 L 2,93 B 2 Brunnen B 3 B 3 B 4 4,51 B 4 4,6 Entsandung Stützmaterial einschl. Einbau Ausbautiefe 15 17,5 15,5 14,5 Unterkante Filter 14 16 14,5 13,5 Filterlänge 4 4 5 4 Schlitzweite [mm] 2 1,5 1,5 1,5 Material Ed.-Widra Ed.-Widra Ed.-Widra Ed.-Widra Ausbau Ø/ Bohr Ø [mm] 600 / 1200 400 / 1200 400 / 1200 400 / 1200 Stützmaterial Filterkies Glaskugeln Filterkies Filterkies Schüttkorn [mm] 1-2 1,7-2,1 1-2 1-2 3,15-5,6 3,8-4,4 3,15-5,6 3,15-5,6 Spez. Ergiebigkeit m /s 7,147E-3 5,486E-3 4,222E-3 1,041E -2
18,00 16,69 16,00 Anteil an Herstellungskosten 15,78 14,00 13,19 12,00 prozentualer Anteil 10,00 8,00 6,00 9,52 4,19 4,59 6,95 6,83 Gering verfestigte Sandsteine, fest gelagerte Sande Monolithisches Schachtbauwerk 4,00 2,00 0,00 B 5 B 5 B 6 L B 6 Brunnen B 7 B 7 B 8 B 8 Entsandung Stützmaterial einschl. Einbau Erstellung 2007 2007 2008 2009 Ausbautiefe 82,5 85 91 92 Unterkante Filter 80,5 83 89 90 Filterlänge 24,5 25 25 25 Schlitzweite 0,75 0,75 0,75 0,75 Material Widra Widra Widra Widra Ausbau Ø / Bohr Ø 400 / 1000 400 / 1000 400 / 1000 400 / 1000 Stützmaterial Kies Kies Glaskugeln Glaskugeln Schüttkorn 1-2 1-2 1,7-2,1 1,7-2,1 Spezifische Ergiebigkeit m/s 8,717E-03 7,992E-03 8,533E-03 2,769E-03
20 18,39 18 Anteil an Herstellungskosten 17,03 16 14 prozentualer Anteil 12 10 8 6 7,31 4,7 7,22 4,9 5,98 4 5,19 Flussablagerungen, 0 gleichkörnig, ohne B 9 Schacht B 9 2 B 10 L B 10 Brunnen B 11 B 12 B 11 B 12 Stützmaterial einschl. Einbau Entsandung Erstellung 2001 2001 2009 2009 Ausbautiefe 18 22 20 21,10 Unterkante Filter 16 20 18 18,10 Filterlänge 6,0 6,0 6,0 6,0 Schlitzweite 1,5 1,5 1,5 1,5 Material Ed.-Widra Ed.-Widra Ed.-Widra Ed.-Widra Ausbau Ø / Bohr Ø 400 / 1200 400 / 1200 500 / 1200 500 / 1200 Stützmaterial Filterkies Filterkies Glaskugeln Glaskugeln Schüttkorn 1-2 1-2 1,25-1,65 1,25-1,65 Spezifische Ergiebigkeit m/s 2,97E-03 1,48E-03 2,24E-03 3,69E-03
Leistungsentwicklung ausgewählter Brunnen in quartärem Aquifer Neuzustand / nach 1 bzw. 2 Jahren Betriebsdauer 9,00E-03 8,00E-03 7,00E-03 6,00E-03 5,00E-03 4,00E-03 B 1 (2008) Filterkies B 2 (2009) Glaskugeln 3,00E-03 2,00E-03 Leistungsrückgang % 1,00E-03 16,0 0,00E+00 Neuerstellung 1 a 2 a spez. Ergiebigkeit neu m/s spez. Ergiebigkeit 2010 m/s 14,0 12,0 10,0 14,7 spez. Ergiebigkeit m²s 8,0 6,0 4,0 7,1 2,0 0,0 B 1 (2008) Filterkies B 2 (2009) Glaskugeln
Ausgewählte Vorteile von Glaskugeln gegenüber Filterkies Gleichförmigkeit Erhöhte Festigkeit Rundheit Glatte Oberfläche Breites Kornklassenspektrum Nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit in gleichbleibender Qualität Erhöhtes Porenvolumen Erfordert genauere Ansätze zur Berechnung des Kennkorns ++ ++ ++ ++ ++ In Abhängigkeit von der Lagerungsdichte auch Verringerung im Vergleich zu Filterkies möglich
Kritische Aspekte beim Einbau / Verwendung von Glaskugeln gegenüber Filterkies Kosten - - ++ + : : sehr positiv positiv Lieferzeiten - 0 - : : neutral negativ -- : sehr negativ Lagerhaltung - - Mechanische / chem. Eigenschaften ++ Nachhaltigkeit?
Auszug aus derzeitigen Erkenntnissen Für optimale Bemessung der zu wählenden Glaskugelfraktion sind repräsentative Korngrößenanalysen aus Vorbohrungen erforderlich (zu beachten: Bohrverfahren, Art der Probengewinnung, Siebsatz, Auswertung) Lagerungsdichte entscheidet über Porosität Stabile Lagerung wichtig Innere Reibung der Glaskugeln gering (verhalten sich wie Flüssigkeiten) Glaskugeln lassen sich durch Eintrag mechanischer Energie aufgrund geringerer innerer Reibung besser als Filterkies in eine stabile Lagerungsform überführen Glaskugeln nehmen in verrohrten Trockenbohrungen beim Schütten bzw. Ziehen der Verrohrung eine nahezu stabile Lagerung ein Glaskugeln können vermutlich geophysikalisch von Filterkies unterschieden werden (GGD, NN ) Hydraulische Eigenschaften von Glaskugeln und Filterkies bei Neuerstellung vergleichbar Zu hoher Energieeintrag bei Intensiventsandung kann zu einer Destabilisierung der Schüttung führen, zusätzlich Gefahr der Vermischung bei vertikaler Differenzierung der Schüttung
Forschungsbedarf: Lagerungsformen Grenzflächenverhalten Auswirkungen der Vermischung von Glaskugeln mit Gebirge / Filterkies Regenerierfähigkeit Stabilität bei hohem Energieeintrag Setzungsverhalten nach Entsandung / Regenerierung Durchlässigkeiten / Entwicklung von Durchlässigkeiten Erhebung von Daten durch Betreiber / Vergleichbarkeit
Ich höre und ich vergesse. Ich sehe und ich erinnere mich. Ich tue und ich verstehe. Chinesische Weisheit des Philosophen Konfuzius Vielen Dank für r Ihre Interesse!!