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

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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 Quelle: FixEmotions(mg) 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
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