Planung und Bau eines Brunnens mit ... - GCI GmbH

Quelle: FixEmotions(mg) 

Technik 

Planung und Bau eines Brunnens 

mit Hochleistungsentsandung 

Wassergewinnung n Die Wasserwerk Gifhorn GmbH & Co. KG nutzt bei der schrittweisen 

Rekonstruktion ihrer Grundwasserfassung innovative Technologien beim Brunnenbau. Auf 

Grundlage einer zum DVGW-Merkblatt W 113 modifizierten Filterkornbemessung wurde ein 

zweischalig ausgeführter Filterbrunnen mit Konsolidierung der Hinterfüllung und Filterentwicklung 

mittels Hochleistungsentsandung errichtet. 

Die Wasserwerk Gifhorn GmbH & Co. KG versorgt mit 

dem seit 100 Jahren bestehenden Wasserwerk ca. 

35.000 Einwohner. In den 1970er-Jahren wurde die 

derzeit mit sieben 3 bis 37 Jahre alten Vertikalfilterbrunnen 

betriebene Grundwasserfassung eingerichtet. Die sowohl bei 

den langjährig betriebenen als auch den nur wenige Betriebsjahre 

alten Brunnen voranschreitende Brunnenalterung war 

Veranlassung anhand der Dokumentationen zum Brunnenbau 

und zu Instandhaltungsmaßnahmen sowie Aufzeichnungen 

von Betriebsdaten eine Brunnenanalyse [1] durch die GCI 

GmbH erstellen zu lassen. Im Ergebnis dieser Auswertung 

wurde im Jahr 2009 eingeschätzt, dass einerseits die aus der 

Grundwasserbeschaffenheit herrührende Verockerung der 

Brunnenfilter die Erhöhung der Brunneneintrittswiderstände 

verursacht, aber andererseits auch hydromechanische Kolmation 

infolge Sedimenttransports aus dem Aquifer in den 

Filtersand/-kies und auch ungünstige Konstruktionsmerkmale 

einiger Brunnen zur Leistungsminderung beitragen. 

78 02/2012

Analyse der Grundwasserfassung 

Die sieben Vertikalfilterbrunnen sind im Spülbohrverfahren 

mit Bohrdurchmessern zwischen 900 und 1.100 mm und 

Teufen um ca. 45 m unter Gelände errichtet worden. Die zwischen 

7 und 14 m langen Brunnenfilter haben Durchmesser 

von DN 350 und DN 400. Sie erschließen mit Ton bedeckte 

pleistozäne Schmelzwassersande. Fünf Filterrohre bestehen 

aus quer zur Rohrachse geschlitztem PVC-Material. In zwei 

neueren Brunnen wurden Wickeldrahtfilter aus V4A-Edelstahl 

eingebaut. 

Alle Brunnenfilter sind wegen der vorherrschend feinkörnigen 

und in geringen Schichtmächtigkeiten wechselhaft abgelagerten 

Sedimente des erschlossenen Aquifers mit zweischaliger 

Filterkies/-sandhinterfüllung ausgestattet, wobei die Korngrößen 

der äußeren Kies- oder Filtersandschüttung dem anstehenden 

Gebirge teilweise zu grob angepasst wurden. Der 

Unterschied der Korngrößen zwischen innerer und äußerer 

Hinterfüllung ist bei den beiden ältesten Brunnen größer und 

damit hydraulisch ungünstiger gewählt worden als bei den 

jüngeren. An einigen Brunnen ist die Überschüttung der Fil - 

teroberkante mit Filterkies/-sand zu gering, sodass bei betriebs - 

induzierter Konsolidierung der Hinterfüllung mit deren Absinken 

bis unter die Filteroberkante gerechnet werden muss. 

Fast alle Brunnen wurden bei der Herstellung nicht vollständig 

entwickelt. Insbesondere die äußere Hinterfüllung wurde 

wahrscheinlich nicht vollständig entsandet und die Bohraureole 

nicht ausreichend entwickelt. Im Ergebnis der für jeden 

Brunnen detailliert begründeten Zustandsbeurteilung wurden 

für drei Brunnen konkrete Rehabilitations- und Sanierungsmaßnahmen 

empfohlen und im Jahr 2010 detailliert geplant 

und erfolgreich ausgeführt. Für zwei Brunnen wurden mittelfristige 

Pflegemaßnahmen sowie maßgebende Über - 

wachungs- und Entscheidungskriterien festgelegt. Für zwei 

Brunnen wurden weitere Rehabilitationsmaßnahmen als 

unwirtschaftlich eingeschätzt, weshalb für diese Ersatzbrunnen 

nach dem Stand der Technik zu errichten sind. 

Planung Ersatzbrunnen Nr. 20 

Zur Errichtung des Ersatzbrunnens Nr. 20 für den Brunnen 

Nr. 17 forderte der Auftraggeber ausdrücklich die Berücksichtigung 

des fortgeschrittenen Kenntnisstandes in der Brunnenkonstruktion 

und die Anwendung neuer Technologien 

beim Brunnenbau, worüber anlässlich der Berlin-Brandenburger 

Brunnentage regelmäßig berichtet worden ist. Der 

Brunnen soll 70 bis 80 m³/h dauerhaft fördern können und 

mit natürlichen Sanden und Kiesen hinterfüllt sein. Die Hinterfüllung 

sollte beim Einbau konsolidiert und mittels Hochleistungsentsandung 

entwickelt werden. Deshalb wurde zunächst 

in rd. 10 m Entfernung vom Altbrunnen eine Aufschlussbohrung 

niedergebracht, in der über den Teufenbereich 

des zu erschließenden Aquifers 1 m lange Bohrkerne gewonnen 

wurden. Mit der Errichtung des Ersatzbrunnens an diesem 

Standort ist gewährleistet, dass sich möglicherweise in bis zu 

ca. 4 m radialer Entfernung [2] vom Altbrunnen betriebsbedingt 

entstandene Verockerungen nicht im unmittelbaren 

Anstrombereich des Filters des Ersatzbrunnens Nr. 20 befinden 

können. Die von 26 bis 44 m u. GOK gewonnenen 18 Bohrkerne 

wurden detailliert vermessen (Abb. 1) und jede visuell 

02/2012 

Brunnenbau 

Abb. 1 Vermessene Bohrkerne der Aufschlussbohrung 

für Brunnen 20 im Teufenbereich 32 bis 38 m u. GOK 

abgrenzbare Sedimentschicht mit einer Mächtigkeit > 0,1 m 

einzeln beprobt und siebanalytisch untersucht. Mängel in 

der Filterkonstruktion können auch dadurch entstehen, dass 

die Auswertung einer Aufschlussbohrung generell in 1 m-Intervallen 

und daraus resultierenden Mischproben durchgeführt 

wird. Von 35 abgegrenzten Sedimentschichten wurden Bohrgutproben 

mittels Nasssiebung ausgewertet. Dabei wurden 

14 Siebe verwendet, mit denen insbesondere die Verteilung 

der kleinen Korngrößen differenzierter möglich ist, als gemäß 

ISO 3310-1 im DVGW-Merkblatt W 113 empfohlen wird. 

79 

Quelle: Dipl.-Ing. David Nillert Hydrogeotechnik Service

Technik 

Abb. 2 Anhand der Vorbohrung Br.17a-VBV3 geplantes 

Ausbauprofil von Brunnen 20 

Quelle: GCI GmbH 

Voraussetzung für eine qualifizierte Hochleistungsentsandung 

ist die Möglichkeit der stringenten Entwicklung eines Stützkorngerüstes 

in der Bohraureole, wobei die durch hydromechanischen 

Transport initiierte Nachlieferung von feinkörnigem 

Sediment aus dem Aquifer in die Filterkornhinterfüllung durch 

deren richtige Bemessung begrenzt sein muss. Mit der im 

DVGW-Merkblatt W 113 empfohlenen Bestimmung eines 

Schüttkorndurchmessers D S als Produkt aus dem sog. maßgeblichen 

Korndurchmesser d g und einem Filterfaktor F g, der 

auf der Einstellung eines in der DVGW-Schriftenreihe Wasser 

1982 [3] empirisch ermittelten „instationär stabilen“ Zustands 

des Filters basiert, sowie der Auswahl einer Schüttkorngruppe 

nach DIN 4924 kann diese Forderung nicht immer erfüllt werden. 

Da insbesondere Sedimentschichten mit hohem Feinkornanteil 

– auch wenn sie nur wenige Dezimeter mächtig 

sind – hydromechanische Kolmation des Brunnenfilters auch 

über die Schichtmächtigkeit hinausgehend verursachen und 

zu Änderungen der Lagerungsverhältnisse in unmittelbarer 

Brunnenumgebung im angrenzenden Aquifer beitragen können, 

ist es zweckmäßig, alle erkennbaren Sedimentschichten 

zunächst auf ihre Wirkung in der Filterkonstruktion zu überprüfen 

und angemessene Schüttkorndurchmesser zu bestimmen. 

Anschließend ist aus diesem ersten Entwurf durch die 

Wahl einheitlicher Ausbauparameter im Rahmen zulässiger 

Kompromisse ggf. für mehrere aneinander grenzende Schichten 

eine brunnenbautechnisch praktikable Filterkonstruktion abzuleiten. 

Diese Vorgehensweise hat das Ziel, mit verhältnismäßigem 

Aufwand die bestmögliche Anpassung an das auszubauende 

geologische Schichtenprofil herzustellen. 

In der Entwurfsplanung für den Brunnenfilter wurden zunächst 

die schichtbezogene Bestimmung der Schüttkorngruppe 

nach W 113 und anschließend die praktisch ausführbare 

zweischalige Konstruktion gemäß Tabelle 1 abgeleitet. 

Da U d (Sp. 6) in allen Schichten kleiner als 5 ist, wurden die 

Korngruppen (in Sp. 7) gemäß W 113 auf Grundlage des 

Filter faktors F g = 5+U d ermittelt und für praktikable Ausbauabschnitte 

angepasste Korngruppen (Sp. 8) gewählt und 

danach die Werte des potenziellen Sedimentaustrages 

S pot, W (Sp. 9) mit e = 0,9 (lockere Lagerung) und F = 0,6 

(Schaltbetrieb UWM-Pumpe) ermittelt. S pot ist der prozentuale 

Anteil des Sediments einer Schicht, welcher aufgrund deren 

Korngrößen und der hydraulisch wirksamen Porenkanalweite 

D P,hydr der angrenzenden äußeren Hinterfüllung des Filterrohres 

bei Vorhandensein ausreichender Transportkräfte 

durch die äußere Hinterfüllung transportiert werden kann. 

Gleichung 1 

Dp , hydr 

0, 455* 

F * 6 U * e* 

D17 

Die hydraulisch wirksame Porenkanalweite kann unter Verwendung 

der Porenzahl e, eines Durchgangsfaktors F, der Ungleichkörnigkeit 

U des Filtermaterials und des Korndurchmessers 

D 17 bei 17 % der Kornsummenlinie des Filtermaterials 

abgeschätzt werden ([4], S. 125 ff.). Die für den oberen Filterabschnitt 

ermittelte Korngruppe 1 bis 2 mm könnte ent- 

80 02/2012 

=

sprechend dem Regelwerk in der inneren Schale mit Filterkies 

der Korngröße 3,15 bis 5,6 mm kombiniert werden. Die äußere 

Hinterfüllung des unteren Filterabschnitts mit der Kornklasse 

2 bis 3,15 mm könnte mit Kies der Kornklasse 5,6 bis 8 mm 

oder auch noch eine Klasse größer in der inneren Schale kombiniert 

werden. 

Die Überwachungsergebnisse der Hochleistungsentsandung 

einer Vielzahl von Brunnenfiltern zeigen, dass bei korrekt 

nach W 113 bemessenen Kornfiltern, jedoch hohen S pot -Werten, 

eine sog. instationär stabile Filterstruktur nicht entsteht, 

sondern unter den Bedingungen kontinuierlicher oder auch 

schockartiger Grundwasserförderung bei simultanem Impulseintrag 

fortdauernd hohe Sedimentaustragsraten auftreten. 

Mithin ist davon auszugehen, dass die in [3] unterstellte Entwicklung 

von Filterstufen in der Bohraureole – in W 113, S. 9, 

auch als verbleibendes „Stützkorngerüst“ bezeichnet – nicht 

zustande kommt. Dieses Phänomen tritt insbesondere bei 

02/2012 

Brunnenbau 

Lfd. von bis SEP-Code kf (BEYER) Ud Korngr. n. W 113 (1 30…~300 sehr hoch 

> 25…35 hoch > 10…30 hoch 

> 15…25 moderat > 1…5 (..10) gering 

≤ 15 gering > 0…1 sehr gering 

Tabelle 2 Beurteilung des Aufwandes für HLE sowie der potenziellen 

Gefahr hydromechanischer Kolmation bei Brunnen - 

betrieb und Schätzung der restlichen Sedimentaustragsrate 

in Abhängigkeit des potenziellen Sedimentaustragswertes 

einer Sedimentschicht 

kleinen Ungleichkörnigkeiten U d < 2,5…3 auf. Die zulässige 

Grenze für qualitativ hochwertige Filterentwicklung und Vermeidung 

betriebsbedingter hydromechanischer Kolmation 

beim Ausbau solcher Sedimente liegt bei S pot ≈ 30 % und verringert 

sich mit kleiner werdender Ungleichkörnigkeit. Die 

Beurteilung der S pot,W -Werte der gemäß W113 bemessenen 

Filterkonstruktion in Sp. 9 der Tabelle 1 unter Beachtung 

der in Tabelle 2 angegebenen Richtwerte zeigt, dass weniger 

als 5 % der möglichen Ausbaulänge durch akzeptable S pot - 

Werte gekennzeichnet ist. Alternativ wurde die Bemessung 

gemäß W 113 mit F g = 5 für „Erschütterungen im Boden … 

bzw. intermittierenden Betrieb des Brunnens“ (Zitat aus 

W 113, S. 12) in den Sp. 10 bis 12 durchgeführt. Auch dieses 

Ergebnis ist mit nur ca. 43 % Filterlänge, die sich durch Werte 

von S pot,W* < 30…50 % ausweisen, unbefriedigend, weil dies 

bedeutet, dass über die Hälfte des Filters nicht optimal entwickelt 

werden können, sondern bereits bei der Entwicklung 

durch irreversiblen Sedimenteintrag in das Porengerüst des 

Kornfilters hydromechanische Kolmation initialisiert wird. 

Über zwei weitere Entwürfe – davon einer mit Stufenfilter 

und Vollrohr im Teufenabschnitt 32 bis 33 m u. GOK – wurde 

schließlich mit dem Auftraggeber die in Tabelle 1 ab Sp. 13 

angegebene Ausführungsvariante gemäß Abbildung 2 abgestimmt. 

Dazu wurde zunächst für jede durch den in Sp. 4 

der Tabelle 1 angegebenen SEP-Code bezeichnete Schicht 

anhand der Kornsummenlinie für den höchstens zulässigen 

S pot -Wert die größte zulässige hydraulisch wirksame Porenkanalweite 

der äußeren Hinterfüllung ermittelt und dafür 

die passende Korngruppe bestimmt. Diese wurde in einigen 

Schichten im Ergebnis der nachfolgend dargelegten Konstruktionskriterien 

noch präzisiert und in größeren Ausbauabschnitten 

vereinheitlicht. Die von 29,5 bis 42,0 m u. GOK 

geplante Filterstrecke bezieht die hydraulisch wenig attraktiven 

Sedimentschichten oberhalb 33,84 m u. GOK mit ein, um 

DK 

81

Technik 

einen annähernd vollkommenen Ausbau zu erzielen. Würde 

man nur den unteren Abschnitt ausbauen, so würde etwa ein 

Fünftel der Förderrate oberhalb der Filteroberkante (FOK) 

zum Brunnen strömen und unmittelbar unter der FOK in 

das Filterrohr eintreten. Eine derartige strömungsmechanische 

Stresssituation am Filterkopf würde dort die Brunnenalterung 

forcieren. Auch die Vermeidung eines Blindrohrstücks über 

den Filterabschnitt der {fS, u1}-Schicht von 32,66 bis 

33 m u. GOK in Verbindung mit der durchgehenden inneren 

Hinterfüllung mit der Korngruppe 2 bis 3,15 mm bei einer 

einheitlichen Filterschlitzweite von 1,5 mm des 12,5 m langen 

Wickeldrahtfilters tragen zur Harmonisierung der Filteranströmung 

im Brunnenbetrieb bei und erleichtern gleichzeitig 

die bautechnische Ausführung. Die mit e = 0,7 (verdichtete 

Lagerung) und F = 0,6 ermittelten S pot,Betr -Werte in Sp. 14 der 

Tabelle 1 garantieren sehr geringe bis geringe Gefahr für hydromechanische 

Kolmation während des Brunnenbetriebes. 

Weiterhin belegen die für jede Sedimentschicht bestimmten 

Durchlässigkeitskontrastwerte zwischen dem Sediment und 

der äußeren Hinterfüllung (Sp. 17) sehr günstige Strömungsbedingungen 

bzw. sehr geringe Grenzflächenprobleme sowie 

zwischen dieser und der inneren Hinterfüllung (Sp. 16) überwiegend 

sehr günstige bis moderate Verhältnisse und nur im 

oberen Filterabschnitt ungünstigere Kontrastwerte. Dies ist 

Abb. 3 hypop® zur Kornfilter-Konsolidierung von Br. 20 

im Demonstrationsmodus 


bei den hier verwendeten relativ kleinen Filterkorngrößen 

jedoch weniger problematisch als bei größeren, weil die Gefahr 

turbulenter Strömung mit der Porengröße wächst. Als Durchlässigkeitskontrast 

DK wird der Quotient aus den Durchlässigkeitswerten 

(k f-Werten) aneinander grenzender Sedimente 

bezeichnet, wobei der k f-Wert des Sediments, welches in Strömungsrichtung 

zuerst durchflossen wird, den Divisor bildet. 

Für die Grenzfläche zwischen äußerer Hinterfüllung und 

natürlichem Sediment können Werte DK < 50 als günstig, 

50 ≤ DK < 150 als moderat und größere Werte als ungünstig 

gelten. Ein gut ausgebildetes Stützkornskelett in der Bohr - 

aureole mildert die Grenzflächenproblematik. Für die Grenzfläche 

zwischen innerer und äußerer Hinterfüllung gelten 

wegen der infolge größerer Porenkanalweiten wachsenden 

Gefahr turbulenter Fließverhältnisse aufgrund theoretischer 

Ableitungen und praktischer Feldtestergebnisse deutlich 

kleinere Grenzen für DK (günstig: DK < 3,5; moderat: 

3,5 ≤ DK < 8). Große Kontrastwerte bewirken sprunghafte 

Änderungen der physikalischen Bedingungen an den Grenzflächen. 

Dies begünstigt hydromechanische Kolmationsprozesse 

und Ausfällungen, sofern im Wasser gelöste Gase vorhanden 

sind, die infolge Partialdruckabfall entweichen und 

dadurch das Lösungsgleichgewicht beeinflussen können. 

Das Fassungsvermögen Q Fass des Brunnenfilters mit Bohrdurchmesser 

d B = 1.000 mm wurde über die Filterlänge 

schichtweise (Δh i) nach dem Grenzgefälle von Sichardt [5] 

unter Berücksichtigung eines Sicherheitszuschlages nach 

Huismann [6] von 100 % (σ = 2 in Gl. 2) unter Verwendung 

von k f,Aq -Werten der Aquifersedimente nach Beyer [7] zu rd. 

86 m³/h bestimmt. 

Gleichung 2 

B 

Q Fass = hi 

* k f, 

Aq, 

i 

� * 15 i 

Um zu gewährleisten, dass der Brunnenfilter mit Durchmesser 

d F gleich DN 400 über seine gesamte Länge möglichst nur 

radial angeströmt wird bzw. dass vertikale Ströme in der zweischaligen 

Hinterfüllung und damit auch der Brunneneintrittswiderstand 

zumindest im Neubauzustand konstruktiv 

minimiert werden, wurde der äußere Durchmesser d SR der 

inneren Hinterfüllung mit 600 bis 700 mm so festgelegt, dass 

das Fassungsvermögen der jeweiligen inneren Schale jeder 

Schicht „i“ größer ist als dasjenige der äußeren (Hfa: Hinterfüllung 

außen; Hfi: Hinterfüllung innen). 

Gleichung 3 

� * d 

� � 

d F * k f, 

Hfi, 

i > dSR 

* k f, 

Hfa, 

i > dB 

* k f, 

Aq, 

i 

Schließlich wurde unter der plausiblen Annahme, dass die 

gewählte Filterkonstruktion den ausschließlichen radialen 

Zufluss gewährleistet, die gemäß Technischer Regel DVGW- 

W 118 empfohlene kritische Geschwindigkeit v krit von 2 bis 

82 02/2012

Kornsummen KS, Kornverteilung KV, 

potentieller Sedimentaustrag S pot [%] 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

0,63-1 

1,4-2,2 

1 - 2 

3 mm/s beim Verlassen des Kornfilters am äußeren Filterdurchmesser 

d F ebenfalls für jede einzelne Schicht i der Mächtigkeit 

Δh i überprüft und bestätigt. 

Gleichung 4 

= � * � * * � 

Q zul, 

i h i dF 

vkrit 

QFass, 

i 

In Gleichung 4 wird die aus v krit resultierende schichtbezogene 

zulässige Zuflussrate Q zul,i mit der sich bei normalem Brunnen - 

betrieb mit einer Förderrate Q Betrieb einstellenden anteiligen 

Zuflussrate verglichen. In den potenziell am stärksten beanspruchten 

Zuflussabschnitten direkt unter der Filteroberkante 

und über der Filterunterkante wurden die jeweiligen Zuflüsse 

aus nicht ausgebauten hangenden und liegenden Aquifer - 

bereichen mit berücksichtigt. Weitere Nachweise betreffend 

Filterrohr, Stabilität und Einbau einer UWM-Pumpe vervollständigen 

die Planung des Brunnens. 

Konsolidierung der Hinterfüllung 

Die Brunnenbohrung wurde von der Firma Wilhelm Kolkhorst 

GmbH im Trockenbohrverfahren niedergebracht und die 

zweischalige Hinterfüllung in Abschnitten von etwa 2 bis 

< 4 m oder bis zum Wechsel der Korngruppe mittels Füllrohr 

02/2012 

SSchluff 

Feinsand Mittelsand Grobsand Feinkies Mittelkies Grobkies 

KS,Pr13,Spline 

Spot,zul,Pr13 

Ds,KS,Pr13-Z(1) 



Pr13-KS,W113 

Pr13-KV,W113 

Ds,Pr13,W113 


Spot,zul,Pr14 




Pr14-KS,W113 

Pr14-KV,W113 

Ds,Pr14,W113 


Spot,zul,Pr29 




Pr29-KS,W113 

Pr29-KV,W113 

Ds,Pr29,W113 

Q 

Q 

Betrieb 

Fass 

1-2 

0,71- 1,25 

1,4-2,2 

1,4-2,2 

2-3,15 

2-3,15 

Brunnenbau 

0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 

Maschenweite Sieb, Porenkanalweite DP,hydr. ,KorndurchmesserdS [mm] 

Pr13 Pr14 Pr29 

Abb. 4 Kornsummenlinien der drei Sedimentproben Pr13, Pr14 und Pr29 und entsprechend W 113 und S pot gewählte Filterkorngrößen 

sowie für HLE und Brunnenbetrieb geschätzte D P,hydr und S pot -Werte 

� �� 

eingespült und von der Fa. Teftorec® GmbH mit dem Impulshochdruckverfahren 

hypop® verdichtet, wobei ein mit 

rd. 280 bar erzeugter Wasserhochdruckstrahl mit einer Frequenz 

von 4 Hz pulsierend in die Rohrwassersäule abgegeben 

und das Werkzeug (Abb. 3) jeweils über den neu hinterfüllten 

Ausbauabschnitt abwechselnd aufwärts und abwärts bewegt 

wurde. Bei zweischaliger Hinterfüllung darf die innere Hinterfüllung 

– auch wenn diese mit einheitlicher Korngruppe 

ausgeführt wird – nicht zu hoch über die Unterkante des die 

innere und die äußere Hinterfüllung trennenden Schüttrohres 

eingebaut werden, da durch die Impulsverdichtung eine kraftschlüssige 

Verbindung zwischen dem Schüttrohr und dem 

Filterrohr entstehen kann. Aufgrund der relativ kleinen bis 

sehr kleinen Filterkorngrößen betrug die Setzung der Hinterfüllung 

innen rd. 0,45 m und außen nur rd. 0,23 m. Dennoch 

ist die Konsolidierung gerade bei den auszubauenden 

Wechsellagerungen mittlerer und feiner Sande erforderlich, 

wenn bei der anschließenden Filterentwicklung der irreversible 

Eintrag von Schluff und Feinsand aus dem Aquifer in das Filterkorngerüst 

und daraus resultierende Kolmation dessen 

Porenraumes vermieden werden sollen. In Abbildung 4 sind 

die Kornsummenlinien der ausgewählten Proben 13, 14 und 

29 aus dem Filterbereich des Brunnens mittels einer spezifischen 

Spline-Interpolation, die alle Messwerte reproduziert 

und monoton stetig verläuft, abgebildet (z. B. „KS,Pr13,Spline“). 

Vergleichsweise sind die aus dem in W 113, Abschn. 

Hochleistungsentsandung von Vertikal- und Horizontal filterbrunnen 

bei Neubau, Regenerierung und Sanierung 

Tel. 0 28 41-1 69 56 89 oder 0 28 41-9 79 16 93 

Fax 0 28 41-1 69 56 88 oder 0 28 41-9 79 16 95 

info@teftorec-gmbh.de | www.teftorec-gmbh.de 

83 

Quelle: GCI GmbH


Technik 

Abb. 5 Symmetrische Doppelkolbenkammer SDKK®-400.500 

mit integriertem Impulsgeber hypop® und Duplexsiebbehälteranlage 

(Bildhintergrund) zur Prozessüberwachung und 

-steuerung 

5.2.2 „Analysensiebe“, empfohlenen Siebsatz mit jeweils doppelter 

Maschenweite sich ergebenden Kornsummenlinien als 

Polygone (z. B. „Pr13-KS,W113“) und die zugehörigen Kornverteilungslinien 

(z. B. „Pr13-KV,W113“) dargestellt. Die sich 

nach dem Merkblatt W 113 ergebenden Filterkorngruppen 

(vgl. Tab. 1) sind in der Grafik erwähnt und durch Marker 

(z. B. „Ds,Pr13,W113“) so platziert, dass sie für eine Porenzahl 

e = 0,9 (locker, nicht verdichtet) und einen im Regelwerk als 

Durchschnittswert empfohlenen Durchgangswert F = 0,6 auf 

der Abszisse die hydraulisch wirksame Porenkanalweite des 

Kornfilters (bei Probe 13 D P,hydr = 0,29 mm) und auf der 

Ordi nate den für die angrenzende Sedimentschicht anzunehmenden 

potenziellen Sedimentaustrag (93,1 % für Filtersand 

1-2 mm) kennzeichnen. In [4], Bild 3/7, wird für den Durchgangswert 

0,12 < F < 0,4 in Gleichung 1 eine funktionale 

Abhängigkeit vom charakteristischen Korndurchmesser, der 

von der Korngröße der transportierten und der den Porenkanal 

bildenden Körner abhängig ist, angegeben. Busch & 

Luckner [4] erwähnen: „Bei pulsierender Strömung und Er- 

schütterungen können die F-Werte bis zum Doppelten ansteigen.“ 

Durch Beschränkung auf den Maximalwert von 

F = 0,4 (für Sediment mit d 50 > 2 mm) und dessen 1,5-fache 

Erhöhung zur Berücksichtigung hydromechanischer Kräfte 

beim Pumpbetrieb resultiert daraus der üblicherweise verwendete 

Durchgangswert F = 0,6. Wendet man Gleichung 1 

auf den Kornfilter an, um zu prüfen, welche Kornfraktionen 

aus dem in der Bohraureole angrenzenden Sediment den 

Kornfilter in Abhängigkeit von dessen Verdichtung (e = 0,7: 

verdichtet; e = 0,9: unverdichtet) und vom Strömungszustand 

(pulsierend, Impulseintrag: F = 0,8; intermittierender Pumpbetrieb: 

F = 0,6) passieren können, so ergeben sich in Abhängigkeit 

von der Ungleichkörnigkeit des Aquifersediments unterschiedlich 

große Spannweiten des potenziellen Sedimentaustrages, 

wie z. B. die für drei Zustände ermittelten S pot -Werte 

Ds,KS,Pr13-Z(1), –Z(2) und –Z(3) in Abbildung 4 belegen. 

Zustand Z(1) beschreibt mit e = 0,9 und F = 0,8 die größtmöglichen 

hydraulisch wirksamen Porenkanalweiten, Z(2) 

kennzeichnet den Kornfilterzustand bei der HLE nach erfolgter 

Impulskonsolidierung (e = 0,7; F = 0,72) und Z(3) den künftigen 

Brunnenbetrieb mit UWM-Pumpe (e = 0,7; F = 0,6) 

nach der HLE. Mit der äußeren Hinterfüllung gemäß Sp. 13 

in Tabelle 1 werden sich die Schichten 14 und 29 sehr gut 

mittels HLE entwickeln lassen (s. Sp. 15), während die Schicht 

13 mit S pot,HLE ≈ 50 % eine erhöhte Restaustragsrate kennzeichnet. 

Im normalen Betrieb (Sp. 14) sind alle drei Filterabschnitte 

mit S pot,Betr-Werten von 23 %, 5 % und 3 % gering 

bzw. nicht gefährdet hinsichtlich hydromechanischer Kolmation 

des Kornfilters durch Sedimenteintrag aus der angrenzenden 

Schicht. Würden auf Grundlage der Empfehlung 

W 113 die in Sp. 8 oder Sp. 11 bautechnisch angepassten Korngruppen 

eingebaut, nicht konsolidiert und konventionell entwickelt 

werden, ergäben sich die S pot,W-Werte in Sp. 9 bzw. 12 

der Tabelle 1, wobei die Ampelfarbe rot hohe hydromechanische 

Kolmationsgefahr anzeigt, gelb moderate und grün 

geringe. Die in Sp. 13 unter Beachtung von S pot,Betr und S pot,HLE 

gewählte technisch noch gut herstellbare äußere Hinterfüllung 

gewährleistet normalen Brunnenbetrieb ohne Gefahr hydromechanischer 

Kolmation (Sp. 14), erfordert allerdings wegen 

der ausgeprägten Wechsellagerungen in einigen Abschnitten 

besondere Sorgfalt bei der HLE (s. Sp. 15). 

Hochleistungsentwicklung des Brunnenfilters 

Ziel der HLE ist eine ein- oder mehrschalige verdichtete „instationär 

stabile“ Filterkornschüttung, deren Poren keine Verschmutzungen 

und kein Sediment aus dem angrenzenden 

Aquifer enthalten und an die sich in der Bohraureole ein in 

radialer Richtung abgestuftes Stützkornskelett anschließt, das 

den Transport von Sedimentkörnern in den Kornfilter beim 

Brunnenbetrieb verhindert. Am Br. 20 wurde die HLE von 

der Teftorec® GmbH durch Intensiventnahme mit einer gemantelten 

UWM-Pumpe über eine symmetrische Doppelkolbenkammer 

SDKK®-400.500 durchgeführt. Der Sedimenttransport 

wurde durch simultanen Impulseintrag mittels eines 

im unteren Kolben der SDKK integriertem hypop®-Impulsgenerators 

(s. Abb. 5) mit 270 bar Impulsdruck und 1,7 Hz 

Impulsfrequenz stimuliert. Die HLE wurde in zwei Phasen 

ausgeführt. In Phase 1 wurde der Filter mit der 1,5 m langen 

SDKK® in 25 Arbeitsabschnitten der Länge 0,5 m von oben 

84 02/2012

Quelle: Teftorec® GmbH 

Feststoffaustragsmenge [L/AA]. 

12 

11 

10 

9 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

AA: 29,3 - 29,8 m 

nach unten mit einer für die Filterkonstruktion berechneten 

erforderlichen Förderrate von 80 m³/h zur Reinigung des 

Kornfilters sowie zum Aufbau des Stützkornskeletts in der 

Bohraureole während insgesamt 27,6 Stunden behandelt, was 

einschl. Verrücken der Kammer 30,1 Arbeitsstunden erforderte. 

Die Behandlung jedes Arbeitsabschnittes (AA) wurde gemäß 

Abbildung 6 überwiegend bei geringer Sedimentrestaustragsrate 

zwischen < 0,1 und 1 ml/m³ beendet, wobei sich die AA 

an der realisierten Filtereinbauteufe von 29,3 bis 41,8 m u. 

GOK orientieren. Anschließend wurde in Phase 2 mit der 

Doppelkolbenspaltkammer DKSK®-400.500.250 in 10 jeweils 

1,25 m langen Arbeitsabschnitten mit einer auf den Filter abgestimmten 

Kammerförderrate von 30 m³/h eine Feinreinigung 

des Kornfilters in insgesamt 5,1 Stunden Behandlungszeit 

durchgeführt, wobei die Abschnittbehandlung überwiegend 

bei Sedimentaustragsraten < 0,1 ml/m³ beendet worden ist. 

Die Prozessüberwachung wurde kontinuierlich mit Intervallmessungen 

über jeweils 6 Minuten im Teilförderstrom von 

10 m³/h über abwechselnd beschickte Siebbehälter (s. Abb. 

5, Hintergrund) mit Maschenweite 0,063 mm und Sediment- 

Beratung Gutachten Planung 

Bauüberwachung Projektmanagement 

Grundwasser Hydrogeologie Wasserwirtschaft 

Grundwassermanagement Monitoring Altlasten Sanierung 

Grundwassermodellierung Softwareentwicklung 

Brunnen 

Zustandsanalyse und Planung für Neubau, Regenerierung und Sanierung 

02/2012 

Kontrollmessungen in Arbeitsabschnitten (AA) 

bei 80 m³/h Intensiventnahme mittels SDKK ® 

und hypop ® -Impulstechnologie mit 270 bar und 1,7 Hz 

AA: 29,8 - 30,3 m 

AA: 30,3 - 30,8 m 

AA: 30,8 - 31,3 m 

AA: 31,3 - 31,8 m 

AA: 31,8 - 32,3 m 

AA: 32,3 - 32,8 m 

AA: 32,8 - 33,3 m 

AA: 33,3 - 33,8 m 

AA: 33,8 - 34,3 m 

AA: 34,3 - 34,8 m 

AA: 34,8 - 35,3 m 

AA: 35,3 - 35,8 m 

AA: 35,8 - 36,3 m 

Brunnenbau 

� Schlamm/Sand/Kies � Sand � Schlamm � Kies Abschnittbearbeitungszeit Abbruchkriterium 

Abb. 6 Ergebnisse der Prozessüberwachung in jedem Arbeitsabschnitt (AA) der SDKK® bei der HLE von Br. 20 in Phase 1 

AA: 36,3 - 36,8 m 

AA: 36,8 - 37,3 m 

AA: 37,3 - 37,8 m 

AA: 37,8 - 38,3 m 

AA: 38,3 - 38,8 m 

AA: 38,8 - 39,3 m 

AA: 39,3 - 39,8 m 

messungen im Imhofftrichter realisiert. Ins gesamt wurden 

mit der HLE in Phase 1 rd. 48,5 L und in Phase 2 noch rd. 0,5 L 

Sediment ausgetragen. Der abschließend in vier Stufen mit 

60, 80, 100 und 120 m³/h durchgeführte Brunnentest ergab 

in jeder Stufe mit < 0,1 ml/m³ keinen technisch messbaren 

restlichen Sedimentaustrag und eine spezifische Ergiebigkeit 

von 21,5 (m³/h)/m bei einer Förderrate von 80 m³/h. Die Leistungsparameter 

der HLE Impulsdruck, Impulsfrequenz und 

Kammerförderraten in den Phasen 1 und 2 wurden bereits 

bei der Planung des Brunnens gewählt und im Leistungsverzeichnis 

(LV) der Ausschreibung festgelegt. Die im LV für die 

Angebotskalkulation anhand des Filterausbaues geplante Filterbehandlungszeit 

von 30 Stunden wurde mit 32,7 Stunden 

bei Einhaltung aller Qualitätskriterien nur geringfügig überschritten. 

Die Prüfung der bei der HLE ausgetragenen Feststoffe zeigte, 

dass nur Sedimente aus dem Aquifer ausgetragen wurden, jedoch 

kaum Filtermaterial. Abrieb aus dem gut gerundeten 

Filtermaterial war als Menge zu gering für eine separate 

GCI GmbH GCI 

Grundwasser Consulting Ingenieurgesellschaft 

AA: 39,8 - 40,3 m 

AA: 40,3 - 40,8 m 

15711 Königs Wusterhausen, Bahnhofstraße 19 

Tel. 0 33 75 / 29 47 85; Fax 0 33 75 / 29 47 18 

E-Mail mail@gci-kw.de; Internet: www.gci-kw.de 

AA: 40,8 - 41,3 m 

AA: 41,3 - 41,8 m 

120 

110 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

Abschnittbearbeitungszeit [min], 

Feststoffaustrag-Abbruchkriterium [ml/m³]. 

85

Technik 

Erfassung. Die maximalen Korngrößen der abschnittweise 

ausgebrachten Sedimente entsprachen sehr gut den anhand 

der äußeren Hinterfüllung abgeschätzten hydraulisch wirksamen 

Porenkanalweiten der drei Filtersande. Bezieht man 

die ausgebrachten 49 L Sediment mit Korngrößen < ~0,4 mm 

auf die Bohraureole und verwendet einen über die Schichtmächtigkeiten 

der 12,5 m Filterlänge gewichteten mittleren 

potenziellen Sedimentaustrag von rd. 28 %, so resultiert daraus 

eine durchschnittliche Dicke des Stützkorngerüsts der Bohr - 

aureole von ca. 9 mm. Dieses Maß erscheint in Anbetracht 

der relativ kleinen Korndurchmesser der ausgebauten Sedimente 

für die Realisierung der in [2] postulierten Filterstufen 

in der Bohraureole nach deren Konsolidierung plausibel. 

Die bohrlochgeophysikalische Kontrolle des Brunnens bestätigte 

den planungstreuen Ausbau mit vernachlässigbaren 

Maßtoleranzen betreffend die Hinterfüllung mit Kornfiltern 

und Ringraumsperren, die alle ohne Hohlräume und gleichmäßig 

verdichtet nachgewiesen wurden. Der spezifische Zufluss 

ist oberhalb der Filterunterkante am größten und deutet 

auf größere Aquifermächtigkeit oder bessere Zuflussbedingungen 

an der Basis des Brunnens hin als in der Aufschlussbohrung 

festgestellt werden konnte. Das Zuflussprofil über 

die Filterlänge ist sehr ausgeglichen und zeigt im oberen Filterabschnitt 

erwartungsgemäß sehr geringen spezifischen 

Zufluss mit einer moderaten Zuflusserhöhung unter der Fil - 

teroberkante. 

Schlussfolgerungen 

Die Herstellung einer qualitativ hochwertigen Hinterfüllung 

eines Brunnenfilterrohres muss den größtmöglichen freien 

Porenraum in einem instationär stabilen Kornfilter gewährleisten 

und ein Stützkornskelett in der Bohraureole erzeugen, 

das Sedimenteintrag beim Brunnenbetrieb unterbindet. Dazu 

dient die sog. Entwicklung (auch Entsandung oder Aktivierung) 

des Filters, die mit verschiedenen Verfahren durchgeführt 

werden kann und deren Art bei der Filterkornbemessung zu 

berücksichtigen ist. Da betriebsbedingt immer eine Konsolidierung 

der Hinterfüllung eintritt, kann unerwünschter 

irreversibler Sedimenteintrag nur verhindert werden, wenn 

die Hinterfüllung bereits bei der Herstellung endgültig verdichtet 

wird. 

Die Filterkornbemessung gemäß DVGW-Merkblatt W 113 

gewährleistet bei kleinen Ungleichkörnigkeiten auszubauender 

Sedimente nicht immer die Möglichkeit optimaler Filterentwicklung. 

Unter Einbeziehung der Werte des potenziellen Sedimentaustrages 

kann für jedes Sediment und jede Art der 

Filterentwicklung eine zuverlässige Ausführung geplant werden. 

Die Qualität einer Brunnenkonstruktion kann dadurch 

erhöht werden, dass die Bemessung für jede erkannte Sedi - 

mentschicht durchgeführt und anschließend eine bautechnisch 

praktikable Konstruktion gewählt und deren Zulässigkeit geprüft 

wird. Die schichtweise Bemessung betrifft sowohl die 

Korngrößen des Kornfilters und die Entwicklung eines Stützkornskeletts 

in der Bohraureole für sandfreie Wasserförderung 

als auch die technische Durchführbarkeit einer optimalen 

Filterentwicklung wie auch strömungsmechanisch stressarmen 

Zufluss über die gesamte Filterlänge. 

86 

In Verbindung mit vorausgehender Impuls-Konsolidierung 

der Hinterfüllung kann die Hochleistungsentsandung mittels 

Doppelkolbenkammer und simultanem Impulseintrag bei 

richtig bemessenem Kornfilter in verhältnismäßig kurzer Arbeitszeit 

zur Herstellung qualitativ hochwertiger instationär 

stabiler Kornfilter mit ausgeprägtem Stützkornskelett in der 

Bohraureole angewandt werden. Das technische Verfahren 

der HLE kann z. B. bei „Verockerung“ wiederholt zur hydromechanischen 

Regenerierung in einem so entwickelten Brunnen 

eingesetzt werden, ohne dass Veränderungen in der Struktur 

des Kornfilters zu befürchten sind. 

Literatur 

[1] GCI, Nillert, P. (2009): Wasserwerk Gifhorn – Analyse der Brunnenfassung 

und Empfehlungen zu Erhaltungs- und Ersatzbaumaßnahmen. 

GCI GmbH für Wasserwerk Gifhorn GmbH & Co. KG, Königs Wusterhausen, 

36 S., unveröff. 

[2] Houben, G. & U. Weihe (2011): Verockerung im Grundwasserleiter eines 

Brunnens nach 38 Jahren Laufzeit. bbr 62 (11): 42-47. 

[3] Nahrgang, G. & W. Schweizer (1982): Untersuchung über die Stabilität 

und das Dichtfahren von Filtern aus Sanden und Kiesen bei Bohrbrunnen. 

Stufe I und II. DVGW-Schriftenreihe Wasser Nr. 11, Eschborn. 

[4] Busch, K.-F., & L. Luckner (1973): Geohydraulik. – VEB Deutscher Verlag 

für Grundstoffindustrie, Leipzig. 

[5] Sichardt, W. (1928): Das Fassungsvermögen von Rohrbrunnen und 

seine Bedeutung für die Grundwasserabsenkung, insbesondere für größere 

Absenkungstiefen 89 S., Berlin (Springer). 

[6] Huisman, L. (1972): Groundwater Recovery. Winchester Press, New York. 

[7] Beyer, W. (1964): Zur Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit von Kiesen 

und Sanden aus der Kornverteilungskurve. WWT 14(6), 165-168. 

Autoren: 

Dr.-Ing. Peter Nillert 

GCI GmbH Grundwasser Consulting Ingenieurgesellschaft 

Bahnhofstr. 19 

15711 Königs Wusterhausen 

Tel.: 03375 294785 

Fax: 03375 294718 

E-Mail: peter.nillert@gci-kw.de 

Internet: www.gci-kw.de 

Dipl.-Ing. Manfred Gades 

Wasserwerk Gifhorn 

Im Heidland 1 

38518 Gifhorn 

Tel.: 05371 8022140 

Fax: 05371 14244 

E-Mail: gades@wasserwerk-gifhorn.de 

www.wasserwerk-gifhorn.de 

Uwe Schmitz-Habben 

Teftorec® GmbH 

Liebrechtstr. 87d 

47445 Moers 

Tel.: 02841 16956-89 

Fax: 02841 16956-88 

E-Mail: u.schmitz-habben@teftorec-gmbh.de 

Internet: www.teftorec-gmbh.de 

02/2012

Planung und Bau eines Brunnens mit ... - GCI GmbH

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