Hydrogeologische Grundlagen - IBF

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" Seite 12.1
12. HYDROGEOLOGISCHE GRUNDLAGEN
(Grundwasser, Porosität, Durchlässigkeit, Quellen, Karst)
Wasser im Untergrund hat bei der baugeologischen Beurteilung einen besonders hohen
Stellenwert. Hydrogeologische Untersuchungen sind darum ein wesentlicher Bestandteil
der baugeologischen Erkundung u.a. mit den folgenden Zielsetzungen:
- Wasserzuflüsse in Baugruben, Einschnitten oder unterirdischen Anlagen,
- Veränderung der mechanischen Gebirgseigenschaften durch Änderung des Wasserstandes
und Sickerung,
- Möglichkeit der Auslaugung wasserlöslicher Gesteine im Baugrund,
- Prüfung der aggressiven Eigenschaften unterirdischer Wässer,
- Möglichkeit von Wasserverlusten durch Um- und Unterläufigkeit an Talsperren.
12.1 Wasserkreislauf (marin - atmosphärisch - terrestrisch)
Abb. 12.1: Schema des Wasserkreislaufes auf der Erde (Watson und Burnett, 1995)
Das Grundwasser wird von den meteorischen Niederschlägen gespeist.
Für den Wasserhaushalt der Erde gilt folgende Bilanzgleichung:
NIEDERSCHLAG = ABFLUSS + VERDUNSTUNG + SPEICHERUNG

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" Seite 12.2
Niederschlag (meteorisch): Regen, Schnee, Eis, Tau
Verdunstung: Gegenteil des Niederschlags
Abfluss der Niederschläge über Flüsse und Seen in die Meere:
- entlang der Erdoberfläche
- unterirdisch (> 90% )
- ca. 37 000 km 3 /Jahr
Speicherung (Reservoir):
- Gletscher
- Seen
- Grundwasser
- Bodenfeuchte (Haftwasser)
- Biomasse (Pflanzen, Tiere)
Abb. 12.2: Bilanzierung von Niederschlägen und Verdunstung auf der Erde
12.2 Grundwasser (GW)
Grundwasser ist alles im Boden natürlich auftretende Wasser:
(a) oberhalb des GW-Spiegels: Haftwasser, Kapillarwasser
(b) unterhalb des GW-Spiegels: ungespannt, gespannt oder artesisch

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" Seite 12.3
Kapillar aufsteigendes Wasser: Die Steighöhe ist stark von der Größe und Art der Poren
abhängig:
- Kies und Grobsand: unter 0,1 m
- Mittelsand: bis zu 0,5 m
- Feinsand: bis zu 2 m
- Schluff: bis zu 5 m über GWS
Haftwasser: Grundwasser, das in den Zwickeln der Poren blockiert ist
Wasserdampf: Ist in den nicht wassergefüllten Poren enthalten.
Gebundenes Wasser: Ist z.B. durch Tonmineralien chemisch gebunden.
1 Grundwasser
2 Grundwasserspiegel
3 geschlossenes Kapillarwasser
4 offenes Kapillarwasser
5 Haftwasser
6 Porenwinkelwasser
7 Gas (Grundluft mit Wasserdampf)
8 Mineralkorn mit adsorbiertem Wasser
9 Sickerwasser
Abb. 12.3: Erscheinungsformen des Grundwassers (nach ZUNKER, 1930)
Grundwasser-Speichergesteine vermögen in zahlreichen Poren oder Klüften große Wassermengen
aufzunehmen und dank der geringen Reibung rasch fortzuleiten: Kiese, Sande,
poröse Sandsteine, geklüftete Kalke, Dolomite und magmatische Gesteine.
Grundwasserstauende Gesteine sind i.Allg. ungeklüftet und haben eine sehr geringe Porosität:
Schluffe und Tone.
Der Grundwasserspiegel ist die obere Begrenzung des Wasserstandes in einem GW-
Leiter. Man unterscheidet zwischen freiem und gespanntem GW-Spiegel.
Ein Grundwassersee hat einen horizontalen GW-Spiegel und daher stationäres GW.
Ein Grundwasserstrom hat ein Druckgefälle im GW-Spiegel und daher fließendes GW.
Grundwasserstockwerke sind verschiedene Grundwasserleiter, die durch GW-stauende
Gesteins- oder Bodenschichten vertikal voneinander getrennt sind.

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" Seite 12.4
Abb. 12.4: Grundwasser in einem zusammenhängenden Aquifer (DIN 4021, Teil 3)
12.3 Wasserdurchlässigkeit (Permeabilität)
Die Wasserdurchlässigkeit (Permeabilität) hängt ab von der Porengröße, Porenverbindung,
Querschnittsgestaltung und Wasserbindung der Festsubstanz. Die Permeabilität ist
für viele bautechnische Fragen von Bedeutung, z.B. bei Grundwasserabsenkungen, Frosterscheinungen
und anderen Verwitterungsfolgen in Locker- oder Festgesteinen usw. Die
Durchlässigkeit ist bei Tonen sehr klein, bei Feinsand mittel und bei Kiesen sehr hoch.
12.3.1 DARCY-Gesetz
Laminares Fließen des Grundwassers:
Q / F = k (h1 – h2) / l
worin Q Abflußmenge in [m 3 /s]
F Querschnittsfläche in [m 2 ]
l Länge der Filterstrecke in [m]
h1 – h2 Potenzialdifferenz in [m Wassersäule]
(h1 – h2) / l hydraulischer Gradient [-]
k hydraulische Leitfähigkeit [m/s]
(= Durchlässigkeits-Koeffizient, "k-Wert")
Der "k-Wert" hängt bei Lockergesteinen maßgeblich von der Kornverteilung, Korngröße,
Kornform und vom Tongehalt ab. Beim Fels sind die Verhältnisse i.Allg. sehr viel komplexer.

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" Seite 12.5
Abb. 12.5: Bestimmung des Durchlässigkeits-Koeffizienten k
12.3.2 Gesteins-Durchlässigkeit
Gesteinsart
1. Kalksteine
2. Sandsteine
Karbon
Devon
3. Mischgesteine
sandig-kalkig
tonig-sandig
kalkig-tonig
4. Granit
5. Schiefer
6. Kalkstein
7. Dolomit
Durchlässigkeitsbeiwert
[cm/s]
0,36 - 23 x 10 -13
0,29 - 6 x 10 -11
0,21 - 2 x 10 -11
0,33 - 33 x 10 -12
0,85 - 130 x 10 -13
0,27 - 80 x 10 -12
0,50 - 2,0 x 10 -10
0,70 - 1,6 x 10 -10
0,70 - 120 x 10 -10
0,50 - 1,2 x 10 -8
Tab. 12.1: Beispiele für Durchlässigkeitsbeiwerte verschiedener Gesteine
12.3.3 Kluft-Durchlässigkeit
Spaltweite 2a
[mm]
0,1
0,2
0,4
0,7
1,0
2,0
4,0
6,0
Durchlässigeitsbeiwerte in der Kluftrichtung
[cm/s]
0,7 x 10 -4
0,6 x 10 -3
0,5 x 10 -2
2,5 x 10 -2
0,7 x 10 -1
0,6 x 10 0
0,5 x 10 1
1,6 x 10 1
Tab. 12.2: Beispiele für Durchlässigkeitsbeiwerte einer Felskluft bei unterschiedlichen
Öffnungsweiten der Kluft (pro lfm)

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" Seite 12.6
12.4 Porosität und Wasseraufnahme
Jedes Gestein enthält neben den festen Bestandteilen (Minerale und Gesteinskörner, organische
Gemengteile) auch gas- oder flüssigkeitsgefüllte Poren. Das Porenvolumen ist
der von Gas oder Flüssigkeit erfüllte Raum im Gestein. Die Kenntnis der Porosität ist für
viele bautechnische Fragen von Bedeutung, z.B. bei der Frostbeständigkeit oder bei der
Zusammendrückbarkeit. Festgesteine haben in den meisten Fällen eine geringere Porosität
als Lockergesteine.
Die Wasseraufnahme hängt ebenfalls von der Korngröße, dem Mineralbestand und den
organischen Beimengungen ab. Viele Tonminerale besitzen zwischen ihren Schichten eine
sehr starke Wasseraufnahmefähigkeit.
12.4.1 Porosität von Lockergestein
Gesamtporosität n:
n = Volumen der Hohlräume / Gesamtvolumen der Probe
Nutzbare Porosität n':
n' = durchfließbares Porenvolumen / Gesamtvolumen der Probe
Abb. 12.6: Porenraum bei gleichkörnigen und ungleichkörnigen Sanden.
Eine dichte Lagerung vermindert k, n und n'. Ebenso abmindernd wirkt eine Mischung
(Abstufung) der Korngrößen. Tonmineralien bewirken eine weitere Reduktion.
Fließgeschwindigkeit v im Lockergestein = Filtergeschwindigkeit pro nutzbarer Porosität
v = vF/n´ = k( h1 - h2 ) / (l n ` )`
12.4.2 Porosität von Festgestein
- Porenziffer analog zum Lockergestein (Porenraum zwischen den Körnern)
- n und n‘ sind oft kleiner als bei Lockergesteinen wegen Kompaktion und Zementierung
(Diagenese).
- Bei magmatischen oder metamorphen Gesteinen ist oft n < 1% und selten n > 3%.
- Die nutzbare Porosität ist oft klein wegen der Isolation der Poren.
- Dennoch können ausgedehnte, mächtige Felskörper bedeutende Wasserspeicher
sein.

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" Seite 12.7
12.5 Quellen
Abb. 12.7: Verschiedene Arten von Quellen
d = durchlässiges Gestein, u = undurchlässiges Gestein
12.6 Karst
Landschaft aus überwiegend Kalksteinen, in denen sich der Kalk durch Wasserzuflüsse
löst. Dadurch kann oberirdisch ein Netz von Trockentälern und unterirdisch ein System
von Spalten, Höhlen und Flüssen entstehen.
Lösungsverwitterung direkt bei Gips und Steinsalz
Kohlensäureverwitterung bei Karbonatgesteinen (Kalk, Dolomit)
- Wichtig: Partialdruck des im Wasser gelösten CO2 ist abhängig von der Temperatur.
- CO2 entsteht durch biochemische Oxidation von organischem Material im Boden.
- Kalklösung bei Untersättigung des Wassers mit Ca 2+ oder Mg 2+
Abb. 12.8: CO2 -Löslichkeit als Funktion der Temperatur bei atmosphärischem Druck

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" Seite 12.8
Vorkommen:
- weltweit verbreitet
- an der Oberfläche erfolgt Lösung längs der Fallinie oder an Schwächezonen
- in der Tiefe wird das Gebirge ausgehöhlt:
weiträumige, weitverzweigte Höhlensysteme mit Tropfsteinen
- Hauptrichtungen sind Schwächezonen und Kluftscharen
- tief und flächig lösen sich besonders die Salze NaCl, KCl usw.
- Lösungsrückstände: Ton, Schluff, Feinsand, Mergel: Höhlenlehm
Abb. 12.9: Karstlandschaft mit Höhle, Naturschacht, Einsturz-Dolinen
12.7 Hydrogeologie im Bauwesen
(1) Auftreten des Grund- und Bergwassers:
- im Lockergestein und Boden
- im Fels
(2) Hydrologische Typen von Gesteinen
(3) Technische Auswirkungen des Grund- und Bergwassers
- Auftrieb
- Strömungsdruck
- Kluftwasserschub
- Entfestigung des Grundkörpermaterials
- Plastifizierung der Kluftzwischenmittel
- Porenwasserüberdruck in den Kluftzwischenmitteln
- chemische Zersetzung von Beton und Mörtel
(4) Wasserzudrang zu Tunneln und Bauwerken
(5) Quellen und Quellbeeinflussung durch Bauwerke
(6) Geologische Bedingungen für Dichtungs- und Drainagemaßnahmen

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" Seite 12.9
Abb. 12.10: Talsperre in metamorphen Schiefern:
Felsgleitung auf Schieferflächen am Hang (a) und
tiefreichende Verwitterungszone (Wasserverluste) am Hang (b)
12.8 Übungsaufgaben
Ü 12.1 Nennen Sie typische geotechnische Probleme von Karstlandschaften.
Ü 12.2 Wo gibt es in Deutschland Karstlandschaften?
Ü 12.3 Welchen Einfluss hat das Bergwasser auf die Standfestigkeit der
Felswiderlager von Talsperren?

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" Seite 12.10
Ergänzende Stichworte zu Kapitel 12
Abfluss: Alle Transportvorgänge, die die meteorischen Niederschläge (Regen, Schnee,
Eis, Tau) über die Flüsse und Seen in die Meere zurückführen. Gegenteil: Versickerung.
Artesisches Wasser: Gespanntes Grundwasser, das zwischen muldenförmig nach unten
gebogenen, wasserundurchlässigen Bodenschichten liegt und an einer höher gelegenen
Stelle einen Zufluss erhält. Durchörtert man die darüberliegende Stauschicht so entsteht
durch den dort herrschenden Überdruck ein natürlicher Springbrunnen (artesischer Brunnen),
wenn der Entnahmepunkt tiefer liegt als der freie Grundwasserspiegel im Speichergestein.
Bergwasser: Alles im Fels auftretende Wasser wie Porenwasser im Gestein und in den
Kluftzwischenmitteln oder freies Kluftwasser.
Grundwasserbeschaffenheit: Qualitative und quantitative Zusammensetzung des GW
nach Art und Menge der darin enthaltenen und transportierten Stoffe; Maß für die Filterwirkung
des Bodens
Grundwasserleiter (Aquifer): Wasserdurchlässige Gesteinsformation, die mit GW teilweise
oder ganz gefüllt sein kann
Grundwasserstauer: gering durchlässige Gesteinsformation, die einen GW-Leiter nach
oben oder unten abgrenzt
Hydrogeologie: Lehre vom Wasserhaushalt des Untergrundes (Vorräte, Dynamik, Zusammensetzung
des Grundwassers)
Kapillarität: Grundwasseranstieg in den Kapillaren des Bodens durch die Oberflächenspannung
an der Grenzfläche von Wasser und Luft
Thermen (=Thermalquellen): Quellen von aus größeren Tiefen - meist an geologischen
Verwerfungen - aufsteigenden warmen oder heißen, mineralhaltigen Wässern (z.B. Thermen
von Baden-Baden); eruptive Quellen von Wasserdampf und heißem Wasser in vulkanischen
Gebieten nennt man dagegen Geysire (z.B. in Island).
Tropfsteine: In Karsthöhlen tropft aus Spalten und Poren gewöhnlich kalkhaltiges Wasser.
An der Aufschlagstelle scheidet sich Kalkspat aus (Tropfsteine) und bildet zapfenähnliche
Gebilde, die in die Höhe wachsen (Stalagmiten). Die von den Decken herabwachsenden,
hängenden Zapfen heißen Stalaktiten. Verwachsen Stalagmiten mit Stalaktiten
entstehen Tropfsteinsäulen oder Stalagnaten.
Wasserhärte: Maß für gelöste Ca- und Mg-Verbindungen im Wasser: ein deutscher Härtegrad
(1° d. H.) entspricht 10 mg CaO oder 18 mg CaCO3 pro Liter Wasser.
Wasserwegigkeit: Eigenschaft klüftigen Gebirges, dem Wasser entlang der Klüfte bevorzugte
Sickerwege zu bieten; die Wasserwegigkeit kann in verschiedenen Richtungen sehr
unterschiedlich sein.