Brunnenbau mit Entwicklung natürlicher Kornfilter – ein ... - GCI GmbH

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erforderliche Porenzahl e l [ ]
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
Technik
Brunnenbau mit Entwicklung natürlicher
Kornfilter – ein Praxisbericht
Wassergewinnung n Die Suche nach technisch effizienten Lösungen zur schrittweisen
Rekonstruktion und zum wirtschaftlichsten Betrieb der aus über 350 Heberbrunnen bestehenden
Grundwasserfassungen der Wasserwerke Canitz und Thallwitz der KWL – Kommunale
Wasserwerke Leipzig GmbH führte zur erfolgreichen Errichtung von drei Testbrunnen mit
Entwicklung natürlicher Kornfilter. Diese Filterbrunnen erreichen gleiche Leistungsparameter
wie konventionelle Brunnen mit groß dimensionierten Filterkornschüttungen und zeichnen
sich durch günstigere Zuflusseigenschaften aus.
In der Muldeaue zwischen Eilenburg und Wurzen betreibt
die KWL – Kommunale Wasserwerke Leipzig GmbH ihre
Großwasserwerke Canitz und Thallwitz. Das Wasserwerk
Canitz wurde bereits 1912 in Betrieb genommen und 1943
durch das Wasserwerk Thallwitz ergänzt. Entlang der Mulde
werden über 350 Vertikalfilterbrunnen im Heberbetrieb bewirtschaftet.
Die Brunnen sind etwa 10 bis 15 m tief und mit
4 bis 7 m Filter ausgerüstet. Der durch die Fassungen erschlossene
Grundwasserleiter wird durch die holozänen bis weichsel -
e I(S SW) für V H = 0 und V BF = 0
Ssuf = 1%
Ssuf = 5%
Ssuf = 9%
0 5 10 15 20 25 30 35
potenzieller Sedimentaustrag S SW [%]
Abb. 1 Potenziell möglicher Sedimentaustrag S SW in Abhängigkeit
von der erreichbaren Sedimentauflockerung e l und dem
suffosionsfähigen Sedimentanteil S Suf bei Ausfüllung des Bohrlochringraums
mit Stützkorn
kaltzeitlichen, im allgemeinen sehr steinig ausgebildeten,
Sand- und Kiesablagerungen der Mulde gebildet. Der Alterungszustand
der Fassung erfordert eine grundlegende Erneuerung,
die stufenweise erfolgen kann. Die in den vergangenen
Jahren im Rahmen einer Studie diskutierten Grundsätze
und Überlegungen zur umfassenden Standortertüchtigung
sollten 2011 mittels Brunnentests und geohydraulischen
Pumpversuchen zur Charakterisierung von Teilstandorten
ergänzt werden. Im Rahmen der Ausschreibung wurden ausdrücklich
Nebenangebote für standortbezogene Lösungen
zugelassen, die es bei Herstellung von Brunnen im Trockenbohrverfahren
gestatten, den Bohrdurchmesser ohne Nachteile
für den Brunnenbetrieb kostenreduzierend zu minimieren
und Kornfiltergrenzflächen möglichst filternah auszubilden,
um künftige Regenerierungsmaßnahmen technisch wirkungsvoller
als bisher durchführen zu können.
Anforderungen an natürliche Kornfilter
und Bemessungsgrundlagen
Bei der Brunnenerrichtung können Bohrkosten reduziert
werden, wenn der Bohrdurchmesser D B nur dem erforderlichen
Filterdurchmesser D F eines Brunnens anzupassen ist,
um z. B. eine bestimmte Unterwassermotor-Pumpe einbauen
oder das Saugrohr einer Heberleitung eintauchen und eine
gewünschte Förderrate Q B realisieren zu können. Bei der konventionellen
Brunnenkonstruktion ergibt sich der erforderliche
Bohrdurchmesser jedoch regelmäßig aus dem Fassungsvermögen
Q F des Brunnens, da die Mächtigkeit h F der ausbaufähigen
geologischen Schichten und deren Durchlässigkeiten
k f nicht verändert werden können.
Gleichung 1
k f
QF = * DB
,
hF� 15�
1 � � � 2
Der Ringraum V BF zwischen D B und D F außerhalb des Filterrohres
wird einfach oder mehrschalig mit Filterkies oder
-sand hinterfüllt, um in dem Hohlraum einen standsicheren
Kornfilter zu erzeugen, der den Wasserzufluss in den Brun-
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05/2012
Brunnenbau
D B [mm]: 620 D F [mm]: 400 e n : 0,7 e l : 0,9 S suf [%] : 5
S SW [%] : 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
D v V E,1m r w V H,1m
[m] [m³] [m] [m³] [m³] [m³] [m³] [m³] [m³] [m³] [m³] [m³] [m³]
0,70 0,083 0,15 0,172 0,176 0,181 0,185 0,190 0,195 0,199 0,204 0,209 0,213
0,75 0,140 0,18 0,168 0,176 0,184 0,192 0,200 0,207 0,215 0,223 0,231 0,239
0,80 0,201 0,20 0,165 0,176 0,187 0,199 0,210 0,221 0,232 0,243 0,255 0,266
0,85 0,265 0,23 0,161 0,176 0,191 0,206 0,221 0,235 0,250 0,265 0,280 0,295
0,90 0,334 0,25 0,157 0,176 0,195 0,213 0,232 0,251 0,270 0,288 0,307 0,326
0,95 0,407 0,28 0,153 0,176 0,199 0,222 0,244 0,267 0,290 0,313 0,335 0,358
1,00 0,483 0,30 0,149 0,176 0,203 0,230 0,257 0,284 0,311 0,338 0,365 0,392
1,05 0,564 0,33 0,145 0,176 0,208 0,239 0,271 0,302 0,334 0,365 0,397 0,428
1,10 0,648 0,35 0,140 0,176 0,212 0,249 0,285 0,321 0,357 0,393 0,430 0,466
Tab. 1 Schätzung des pro Meter Filterlänge entstehenden Hohlraums V H für konkreten Brunnenausbau ohne Stützkornfüllung
in Abhängigkeit vom austragfähigen Sedimentanteil S SW und dem angestrebten virtuellen Bohrdurchmesser D v
nenfilter mit möglichst geringem Widerstand befördert, jedoch
den Transport von Sedimentkörnern aus dem Gebirge in den
Brunnen nach Herstellung eines Stützkorngerüsts in der Bohr -
aureole unterbindet (DVGW-Merkblatt W 113). Ein natürlicher
Kornfilter kann im Ringraum V E außerhalb des Bohrrohres
nur durch Entnahme von feinen Kornfraktionen aus
dem anstehenden Lockergestein entstehen, sodass in den verbleibenden
gröberen Kornfraktionen ein größerer Porenraum
resultiert und auf diese Weise ein Kornfilter mit ähnlichen
Eigenschaften wie ein konventionell geschütteter Kornfilter
erzeugt wird. In Abhängigkeit von der Körnungslinie des zu
entwickelnden Sediments, der gewählten Filterschlitzweite
SW und der Entwicklungsleistung entstehen bei der in [1]
beschriebenen Technologie Hohlräume, die eine vertikale
Umlagerung von Sediment bewirken. Wenn im angrenzenden
Gebirge keine Hohlräume entstehen sollen und es nicht zum
Versturz der Sedimentschichten im Ringraum des Brunnens
kommen soll, darf feinkörniges Sediment, das größer als das
größte suffosionsfähige Korn d suf ist, nur in begrenzter Menge
entnommen werden. Insofern durch die Entnahme feinkörniger
Fraktionen mit dem Volumen V SW (Teilmenge des natürlichen
Kornfiltervolumens V E), deren Korngröße d > d suf
ist, aus den dicht gelagerten natürlichen geologischen Schichten
ein Volumendefizit im beeinflussten Ringraum entsteht, kann
dieses durch Übergang der verbleibenden gröberen Kornfraktionen
V SK (SK: Stützkorngerüst) in eine lockere Lagerungsform
mit entsprechend größerem Volumen ausgeglichen
werden. V SW ist das Volumen der Kornfraktionen bis zu der
Korngröße d SW einer zu entwickelnden Sedimentschicht, die
bei der Filterentwicklung gerade noch durch die Schlitzweite
SW des Filterrohrs passen. Das anteilige Volumen V suf aus-
� �� �� �� �
getragener kleiner Kornfraktionen mit Korndurchmessern,
die kleiner als das größte suffosionsfähige Korn d suf einer
Sedimentschicht sind, muss nicht ausgeglichen werden. Der
in jedem Fall auszufüllende Ringraum V BF zwischen Bohrund
Filterrohr wird durch die Wahl des technisch möglichen
kleinsten Bohrdurchmessers minimiert. Mit den Indizes n
für natürliche dichte Lagerung und l für technisch verursacht
lockere Lagerung muss demnach in der folgenden Bedingung
ein theoretisches Restvolumen V H gleich Null sein, wenn ein
lage rungsstabiler natürlicher Kornfilter erzeugt werden
soll:
Gleichung 2
dfsdffsdffsfsdfsdfsdfsf
fdssdfsdfsf VH = VBF + VSW,n –Vsuf,n –(VSK,I –VSK,n )
Unterstellt man für diese Schätzung, dass auf Grundlage der
Kornsummenlinie näherungsweise der Gewichtsanteil S SW
[%] der kumulierten Fraktionen eines Sediments bis zu einem
Korndurchmesser SW dem entsprechenden Volumenanteil
V SW äquivalent ist, ergibt sich der austragfähige Sedimentanteil
S SW bzw. V SW anhand der Kornsummenlinie des zu ent -
wickelnden Sediments aus der Korngröße SW, welche der
für den Brunnen gewählten Filterschlitzweite entspricht.
Wählt man weiterhin einen virtuellen Brunnendurchmesser
D v, der durch die Entwicklung des natürlichen Kornfilters
erzeugt werden soll, kann abgeschätzt werden, welchen Wert
V H tatsächlich annehmen wird, wobei e die Porenzahl des
Sediments ist.
Hochleistungsentsandung von Vertikal- und Horizontal filterbrunnen
bei Neubau, Regenerierung und Sanierung
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41

Hohlraum V H , Sedimentaustrag V SW,l [L/m]
600
500
400
300
200
100
0
Technik
Gleichung 3
��
2 2
VH
= hF
�D
B DF
+ v
4 ��
�
– –
�
2 2 S S SW suf
( ) ( 100 � SSW)
D D * � �
B
�
�100
� 1+
e ��
l ��
�
� �1
��
1 e �
�
� + n ����
Die Prüfung von V H ergibt für praktisch relevante Brunnenparameter,
wie z. B. Filter DN 400, Bohrdurchmesser 620 mm
und einen potenziellen Sedimentaustrag S SW = 50 % bei Filter -
schlitzweite 4 mm, wie sich aus den Kornsummenlinien der
Siebanalysen von Kernbohrproben aus Vorbohrungen an
künftigen Brunnenstandorten ableitet, und für einen Suffosionskornanteil
im Sediment von S suf = 5 % bei einem an -
gestrebten virtuellen Bohrdurchmesser von 0,9 m gemäß
Tabelle 1 einen Resthohlraum von etwa 307 Liter je Meter
Filterlänge. D. h., dass die Herstellung eines Brunnens mit
der gewählten Filtergeometrie und einem natürlichen Kornfilter
ohne Hohlraumbildung und Versturz der Sedimentschichten
praktisch nicht möglich ist. Um die Hohlraumbildung
zu vermeiden, kann jedoch eine Stützkornhinterfüllung
beim Ziehen der Bohrrohre eingebaut und ggf. während der
Entwicklung des natürlichen Kornfilters ergänzt werden.
Setzt man in Gl. (2) V H = 0, wird keine Hohlraumbildung zugelassen.
Geht man weiterhin von einer eingebauten Stützkornhinterfüllung
aus, darf auch V BF = 0 gesetzt werden.
100
100
Damit kann unter Beachtung eines im zu entwickelnden
Sediment vorhandenen Suffosionskornanteils S suf die Porenzahl
e l der erforderlichen Auflockerung in Abhängigkeit des
von der Filterschlitzweite abhängigen auszutragenden Kornsummenanteils
S SW bestimmt werden.
Gleichung 4
100 � S
100 � S
( 1+
en)
�1
Die in Abbildung 1 dargestellten Funktionen für Suffosionskornanteile
zwischen 1 und 9 % zeigen, dass für sehr lockere
Lagerung mit e l = 0,9 die maximal auszutragenden Sedimentanteile
S SW etwa 16,5 bis 23,5 % betragen.
Schließlich stellt sich die Frage, wie viel Hohlraum V H entsteht,
der ggf. durch Stützkornnachfüllung ausgeglichen werden
muss, wenn bei einer gewählten potenziellen Sedimentaustragsmenge
S SW ein bestimmter virtueller Bohrdurchmesser
D v bei der Entwicklung erzielt werden soll, wobei der Ring -
raum V BF bei der Brunnenerrichtung bereits hinterfüllt worden
ist. Dieser Sachverhalt ist für drei Sedimente mit verschiedenen
Suffosionskornanteilen in Abbildung 2a und
für verschiedene virtuelle Bohrdurchmesser in Abbildung
V H u. V SW,I für D B = 420 D V = 900 e n = 0,6 e I = 0,9 V H u. V SW,I für D B = 420 D V = 900 e n = 0,6 e I = 0,9
V SW,I
VH (Ssuf = 1%)
VH (Ssuf = 5%)
VH (Ssuf = 9%)
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e
l
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
potenzieller Sedimentaustrag SSW [%] potenzieller Sedimentaustrag SSW [%]
Abb. 2a Schätzung des entstehenden Hohlraumes V H und
der ausgetragenen Sedimentmenge V SW in Abhängigkeit von
der potenziell austragfähigen Sedimentmenge S SW und dem
suffosionsfähigen Sedimentanteil V Suf
Hohlraum V H , Sedimentaustrag V SW,l [L/m]
50
0
= ( )
suf
SW
VSW,I (Dv = 0,8 m)
VH (Dv = 0,8 m)
VSW,I (Dv = 1 m)
VH (Dv = 1 m)
VSW,I (Dv = 1,2 m)
VH (Dv = 1,2 m)
Abb. 2b Schätzung des entstehenden Hohlraumes V H und
der ausgetragenen Sedimentmenge V SW in Abhängigkeit von
der potenziell austragfähigen Sedimentmenge S SW und dem
vir tuellen Bohrdurchmesser D v

2b dargestellt. Es wird deutlich, dass größere potenzielle
Sedimentaustragsmengen S SW > 30 % und größere radiale
Wirktiefen r w = (D v – D B)/2 bei der vollständigen Entsandung
des Gebirges mit allen Korngrößen bis zur Filterschlitzweite
SW erhebliche Hohlräume hervorrufen würden, wenn diese
nicht durch Stützkornmaterial ausgeglichen werden.
Technisches Verfahren zur Entwicklung
natürlicher Kornfilter
Die oben getroffenen Annahmen zum Austrag von Sediment
aus natürlicher Lagerung bis zu der einer gewählten
Filterschlitzweite SW entsprechenden Korngröße aus dem
Ring raum mit Durchmesser D v um das Filterrohr setzen
voraus, dass das Sediment im Entsandungsraum derartig
aufgelockert wird, dass hydraulisch wirksame Porenkanäle
in dem im Aquifer verbleibenden Sedimentanteil mit Korngrößen
d = SW transportiert werden können. Weiterhin
müssen die durch strömendes Wasser erzeugten Transportkräfte
ausreichend groß sein, damit die Partikel durch
die Porenkanäle des verbleibenden Sediments in das Filterrohr
transportiert werden. Hierzu eignet sich ein modi -
fiziertes Druckwellenimpulsverfahren (DWI, z. B. [2]) mittels
zwei gegenläufigen Doppeldüsenrotoren in Verbindung
mit einer asymmetrischen Doppelkolbenkammer und gekapselter
UWM-Pumpe, wie in Abbildung 3 skizziert ist.
Die Hochdruckstrahlen der rotierenden Düsen erzeugen
in Strahlrichtung in dem dort vorhandenen Stützkorn-
/Sediment-Ringraum während der Einwirkzeit ein hoch
dynamisches „Wirbel-Korn-Bett“, in dem sich die Körner
in turbulenter Weise bewegen und kurzzeitig sehr große
Porenkanäle bzw. Transportwege für auszutragende Sedimentkörner
erzeugen.
Die groben Sedimentkörner werden primär mit dem Injektionswasserstrom
Q I , der durch den Druckgradienten zwischen
dem Wirbelkornbett der Hochdruckstrahlblase und dem umgebendem
Grundwasser initiiert wird, auf kürzestem Fließweg
dem geringsten Widerstand folgend ins Filterrohr gespült.
Die Sedimentkörner sinken in den Brunnensumpf und das
Wasser tritt durch das Filterrohr wieder in den Aquifer aus.
Die radiale Reichweite in Abhängigkeit vom Injektionsstrom
Q I , dem Injektionsdruck P I sowie dem Durchmesser d A der
Düsenöffnung ist entsprechend Messergebnissen an einer
Versuchseinrichtung [3] praktisch auf etwa 2 dm begrenzt.
Außerdem werden hauptsächlich feine Sedimentkörner über
den Förderstrom durch die Entnahmekammer ausgetragen.
Korngrößen und radiale Reichweite dieser sekundären Entsandungswirkung
sind von der Kammerförderrate Q K abhängig,
wobei sehr große Reichweiten mit proportional abnehmenden
Korngrößen erzielt werden können. Die erforderliche
Porenraumstimulation zur Aufrechterhaltung des
Partikelstroms bzw. zur wiederholten Beseitigung von entstehenden
Kornbrücken leisten die Hochdruckstrahlen der
Rotationsdüsen durch die Erzeugung von Impulsen mit hoher
Frequenz (sog. „Impuls-Druck-Wellen“). Ein geeignetes Kombinationswerkzeug
(Abb. 4) wurde auf Grundlage einer gemeinsamen
Entwicklung der GCI GmbH und der BLZ Geotechnik
Service GmbH, NL Bohren und Brunnenbau Torgau,
von der Fa. Teftorec® GmbH hergestellt. Durch die Fokussierung
der von den Rotationsdüsen ausgehenden Hoch-
05/2012
Brunnenbau
druckstrahlen und Druckwellen vor der Entnahmekammer
wird in deren direktem Zuflussbereich die optimale Porenraumstimulation
gewährleistet. Eine effiziente Austragsleistung
wird durch hohe Strömungskräfte mit der asymmetrischen
Doppelkolbenkammer infolge gezielter Beeinflussung lokaler
Zuflusswiderstände erreicht.
Entwicklung natürlicher Kornfilter an drei Testbrunnen
An drei mit Aufschlussbohrungen erkundeten Standorten
wurden im Abstand von jeweils etwa 3 bis 5 m von der Vorbohrung
Testbrunnen mit den in Tabelle 2 angegebenen
Kennwerten errichtet, wobei die Entwicklung eines natürlichen
Filterkorngerüsts mittels DWI-Technik bei Br. 1 zur Porenreinigung
mit einer Intensiventnahme (IE) mittels Doppelkolbenspaltkammer
(DKSK®) abgeschlossen wurde (Abb. 5).
Bei den Br. 2 und 3 wurde außerdem zur Konsolidierung der
entwickelten natürlichen Kornfilter noch eine Hochleistungsentsandung
(HLE) mittels DKSK® und simultanem Impulseintrag
mit hypop®-Technik (hydro power pulse) zwischengeschaltet.
Während in Br. 1 und 2 als Stützkornmaterial Glas-
Injektionswasserstrom
Grundwasser-Förderung mit
Sediment
Wasserströmungen
Sedimenttransport
U
W
M
P
P
�P
Impuls-
Druckwellen
4 Injektionswasserstrahlen mit
Volumenstrom Q I und Druck PI Druck Grundwasser
Abb. 3 Funktionsprinzip der Entwicklung eines natürlichen
Kornfilters mittels DWI-Technik in Kombination mit Intensiv -
entnahme über eine asymmetrische Doppelkolbenkammer
r
43
Quelle: Dr. Nillert, GCI GmbH

Quelle: Dr. Nillert, GCI GmbH
Technik
Abb. 4 DWI-Aggregat mit asymmetrischer Doppelkolbenkammer
und gekapselter UWM-Pumpe
kugeln der Größen 9 und 14 mm eingebaut wurden, kam in
Br. 3 ein Filterkies der Körnung 8-16 mm zum Einsatz. Am
Br. 1 wurde der Filter über seine gesamte Länge von 5 m natürlich
entwickelt. Bei Br. 2 wurden die Bohrrohre abschnittweise
gezogen (1,25 m; 1,25 m; 2,50 m) und der jeweils frei
gezogene Abschnitt entwickelt. Bei Br. 3 wurde der gesamte
Filter frei gezogen und anschließend in zwei Abschnitten (4
und 3 m) entwickelt. Um bei der DWI-Entwicklung ggf. entstehende
Hohlräume auszugleichen, wurde die Stützkornhinterfüllung
bis 1 m über der Filteroberkante (FOK) eingebaut.
Die Verwendung von Glaskugeln wurde getestet, weil
deren Reibungswiderstände im Haufwerk sehr viel geringer
sind als bei Filterkies und deshalb eine bessere Ausfüllung entstehender
Hohlräume durch radiale Ausbreitung und vertikales
Nachrücken des Stützkornmaterials erwartet wurde. Bei der
DWI-Entwicklung wurden mit einer 3-Kolben-Plunger-Hochdruckpumpe
ein Volumenstrom von ~90 l/min mit 286 bar
in Br. 1, 220 bis 240 bar in Br. 2 und mit 320 bis 340 bar in Br.
3 über 45 m Hochdruckschlauch DN 20 auf vier Düsen mit
d A = 1,4 mm verteilt und gleichzeitig über die asymmetrische
Doppelkolbenkammer eine Entnahme von 75 bis 125 m³/h
realisiert.
Die IE wurde mittels DKSK® mit Werkzeug- und Arbeitsabschnittslänge
von 1,25 m und Kammerförderraten von etwa
Testbrunnen 1 2 3
Bohr-Ø [mm] 521/426 800/620 800/620
Filter-Ø [mm] DN 300 DN 400 DN 400
Filter- SW [mm] 4 4 4
Filterlänge [m] 5 5 7
Stützkorn-Material Glaskugeln Glaskugeln Filterkies
Stützkorn-Ø [mm] 9 ± 0,5 14 ± 0,5 8 - 16
Phasen 1. DWI DWI DWI
der Filter- 2. ./. HLE HLE
entwicklung 3. IE IE IE
Art der gesamte Filter- Filter frei
D W I-Filter- Filterlänge abschnitte ziehen u.
entwicklung frei ziehen 2 Abu.
entwickeln schnitte
entwickeln
Sediment- DWI 1147 449 729
austrag HLE [L] 91 89,3
IE 4,3 3,4 1,1
Arbeits- DWI 13,4 7,4 8,2
zeit HLE [h] 2,7 6,2
IE 3,2 2 1,2
Austrags- DWI [L/ 17,12 12,14 12,7
leistung HLE (hm)] 6,74 2,06
IE 0,03 0,34 0,13
virtueller Bohr-Ø [m] 0,95…1,14 1,00 0,98
Setzungsmaß [m] 0,06 0,20 0,08
E (40m³/h) [(m³/h)/m] 136 179 140
e (40m³/h) [%] 25 21 14
S (Rest,PV) [ml/m³]

Eigenschaften und Qualität der Testbrunnen
In allen drei Brunnen wurde beim Abnahmepumpversuch
nach den Kriterien gemäß DVGW-Merkblatt W 119 eine hohe
Qualität bezüglich des Restsandgehaltes nachgewiesen. Da
die Brunnen in der Heberfassung durchschnittlich ca. 30 m³/h
liefern sollen, sind die außerordentlich hohen spezifischen
Ergiebigkeiten E und die spezifischen Brunneneintritts -
widerstände ε in Tabelle 2 für Förderraten von 40 m³/h ausgewiesen.
Die z. B. an Br. 1 vor und nach der Entwicklung
durchgeführten Brunnentests ergaben für die Bezugsförderrate
40 m³/h eine Erhöhung der spezifischen Ergiebigkeit von
91,3 (m³/h)/m um 48,5 % auf 135,6 (m³/h)/m, während sich
der Eintrittswiderstand von 14 auf 24,6 % erhöhte. Letzteres
ist die unvermeidliche Folge der am Filterrohr anliegenden
sehr groben Körner und der zwischen diesen entstandenen
großen Porenkanäle, was schon bei moderaten Durchflussraten
zu turbulenten Strömungsverhältnissen führt, die allerdings
im konventionell erstellten Brunnen in einer groben inneren
Filterkiesschüttung ebenso auftreten. Aus der eingebauten
Stützkornhinterfüllung, Glaskugeln bei Br. 1 und 2 (Abb. 6)
sowie Filterkies 8-16 mm bei Br. 3 (Abb. 7) und Kiesen
d > 4 mm aus den entwickelten Sedimentschichten ist jeweils
ein Mischkornfilter erzeugt worden. Im reinen Kies-Mischkornfilter
sind im Vergleich zum Glaskugel-Kies-Mischkornfilter
die Porosität und damit auch der spezifische nicht lineare
Brunnen eintrittswiderstand geringer und die Dichte größer
(Tab. 2). Da als eine wesentliche Ursache dieser Effekte die
Ungleichkörnigkeit des eingebauten Stützkornmaterials mit
U Kies > 1,4 und U Glask. < 1,1 anzunehmen ist, sollte als Stützkornmaterial
Filterkies mit möglichst geringer Ungleichkör-
Sedimentaustragsrate [ml /m³], Förderrate [m³/h]
10.000
1.000
100
10
1
0
05/2012
Druckwellen-Impuls-Entsandung und Intensiventnahme mittels asymetrischer
Doppelkolbenkammer
Brunnenbau
nigkeit eingebaut werden. Die Verwendung von handels -
üblichen Glaskugeln als Stützkornmaterial ist bei der Entwicklung
natürlicher Kornfilter nicht zu empfehlen, weil ein
beachtlicher Anteil der Glaskugeln bei der DWI-Filterentwicklung
in Br. 1 und 2 zerstört und als Bruchstücke und
Gries mit dem Sediment gefördert worden ist. Die in Tabelle
2 angegebenen Aufwandszahlen für Arbeitszeit, Sedimentaustrag
und Austragsleistung sollen nur Anhaltspunkte liefern,
jedoch nicht Vergleichen zwischen den drei Brunnen dienen,
da die planmäßig durchgeführten Tests mit unterschiedlichen
Prozessparametern der Filterentwicklung nicht das alleinige
Ziel verfolgten, den besten möglichen Filter mit geringstem
Aufwand herzustellen, sondern gleichzeitig auch technologische
Erkenntnisse zu gewinnen.
Natürliche Kornfilter zur Realisierung von Brunnen in sehr
guter Qualität können in vergleichbaren Situationen un -
abhängig von der Verfahrenskombination mit einer spezifischen
Entwicklungszeit von etwa 1,5…2 h pro Meter Filterlänge
sicher hergestellt werden. Das Setzungsmaß der Stützkornhinterfüllung
liegt bei allen drei Brunnen im Bereich der
Konsolidierung und deutet darauf hin, dass kein Ausgleich
von durch die Entwicklung verursachten Hohlräumen erforderlich
war, obwohl sich auf Grundlage der Massenbilanzierung
gemäß Gl. 2 virtuelle Bohrdurchmesser zwischen 0,95
und 1,14 m errechnen lassen und das Nachfüllen von Stützkorn
zunächst erwartet worden war.
Die Planung der Filterentwicklung basierte auf den Siebanalysen
von Bohrgutproben aus Kernrohren Ø 110 mm von
Vorbohrungen Ø 325 mm, bei denen für die k f-Wert-Schätzung
in üblicher Weise Grobkies und Steine nicht aufgenom-
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
420
450
480
510
540
570
600
630
660
690
720
750
780
810
840
870
900
930
960
990
Filterbearbeitungszeit [min]
Intensiventnahme
mittels DKSK®
Phase 1a Phase 1b Phase 1c Phase 2
Sedimentsaustragsrate
Förderrate DKSK
Sediementaustragsvolumen
DWI-Injektionsdruck
AA1 AA2 AA3 AA3 AA4
Abb. 5 Aufzeichnung der Messdaten der Filterentwicklung am Testbrunnen 1 in vier Testphasen mit Variation der Prozessparameter
1020
1.300
1.200
1.100
1.000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Sedimentaustragsvolumen [L], Injektionsdruck [bar]
45
Quelle: Dr. Nillert, GCI GmbH

Quelle: Bohrlochmessung – Storkow GmbH
Technik
Abb. 6 Misch kornfilter aus Stützkorn-Glaskugeln Ø 9 mm
und Sedimentkies am Br. 1 hinter Filter SW 4 mm
men wurden. Hieraus ergaben sich z. B. die in Abbildung 8
dokumentierten Kornsummenlinien für zwei Proben „Vb
BR2 Pr1“ und „Vb BR2 Pr2“ von Br. 2 und die potenziellen
Sedimentaustragsmengen von 49 und 56 % für SW 4 mm
bzw. eine zulässige Filterschlitzweite SW ~ 0,5 mm für einen
stabilen natürlichen Kornfilter ohne Hohlraum-Ausgleichsschüttung
mittels Stützkorn für S SW ~ 20 %. Tatsächlich sind
für die beprobten Teufenintervalle jedoch die Kornsummenlinien
aus den repräsentativen Bohrgutproben „BR2 Pr1“ und
„BR2 Pr2“ der Brunnenbohrung maßgeblich, in denen mit
Probenmengen von 12.192 und 9.337 g das gesamte Kornspektrum
untersucht worden ist und sich für SW 4 mm nur
noch potenzielle Austragsanteile S SW von 18,6 und 20,1 %
ableiten, die nach Gl. 4 die Herstellung eines stabilen natürlichen
Kornfilters ohne Nachfüllen von Stützkornmaterial
gewährleisten.
kum ulierter Siebdurchgang, pot. Sedimentaustrag [%]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Vb BR2 Pr1
Vb BR2 Pr2
BR2 Pr1
BR2 Pr2
Abb. 7 Mischkornfilter aus Stützkorn-Kies Ø 8 – 16 mm und
Sedimentkies am Br. 3 hinter Filter SW 4 mm
Ziel der Entsandung ist die Entnahme aller Kornfraktionen
aus dem Sediment bis zur Korngröße d = SW, wie mit den
hypothetischen Kornsummenlinien „BR2 Pr1 bis 4 mm“ und
„BR2 Pr2 bis 4 mm“ sowie einer abgeleiteten mittleren Kornsummenlinie
(a) bzw. „BR2 bis 4 mm“ dargestellt ist. Zum
Vergleich mit dem ausgetragenen Sediment sind zusätzlich
die Kornsummenlinien des natürlichen Sediments für Fraktionen
d ≤ 1 mm „BR2 bis 1 mm“ und d ≤ 0,2 mm „BR2 bis
0,2 mm“ dargestellt. Tatsächlich wurden bei der DWI-Entsandung
etwa 100 l Sediment aus dem Sumpf mit der Kornsummenlinie
„Sumpf-Sediment“ und etwa 350 l über den
Kammerstrom mit der Kornsummenlinie „Kammer-Sediment“
ausgetragen, wobei die Austragsrate über den Sumpf
mit fortschreitender Entwicklungszeit abnahm und gegen
Null strebte, während der Austrag über den Kammerstrom
bei gleichbleibenden Leistungsparametern der Entsandung
Schluff Feinsand Mittelsand Grobsand Feinkies Mittelkies
BR2 Pr1 bis 4 mm
BR2 Pr2 bis 4 mm
(a): BR2 bis 4 mm
BR2 bis 1 mm
BR2 bis 0,2 mm
Sumpf-Sediment
Kammer-Sediment
Sumpf+Kammer-Sediment
(b): S+ K-Sed. - (a)
S+K-Sed. - (a) - (b)
Filterschlitzweite
SW ~ 0,5 mm
S SW = 56 %
0,0 1 0,10 1 ,00 10,00 100,00
Maschenweite Sieb, Filterschlitzweite, Korndurchmesser [mm]
S SW = 49 %
S SW = 20,1 %
S SW = 18,6 %
Filterschlitzweite
SW = 4 mm
46 05/2012
Grobkies
Abb. 8 Kornsummenlinien zur Charakterisierung der ausgebauten natürlichen Sedimentschichten und der über die Kammer
und den Brunnensumpf austragfähigen und ausgetragenen Sedimentanteile
Quelle: Bohrlochmessung – Storkow GmbH
Quelle: Dr. Nillert, GCI GmbH

durch allmählich kleiner werdende Korngrößen gekennzeichnet
war, ohne dass sich die Austragsrate merklich verringerte.
Die Kornsummenlinien zeigen, dass etwa 75 % der über den
Sumpf ausgebrachten Sedimente größer als 0,55 mm sind,
während 75 % der über die Kammer ausgetragenen Kornfraktionen
kleiner als 0,55 mm sind. Die über die ausgebrachten
Mengen gewichtete resultierende Kornsummenlinie
„Sumpf+Kammer-Sediment“ zeigt im Vergleich mit der
„Sumpf-Sediment-Linie“, dass erhebliche Anteile des ausgetragenen
Sediments aus größerer radialer Entfernung ausgetragen
worden sein müssen, als in radialer Richtung vollständig
bis zur Korngröße d = SW entsandet worden ist, wie umfangreiche
Sedimentmessungen und dokumentierte Korngrößenanalysen
auch bestätigen. Das bedeutet, dass der gemäß
Gl. 2 angenommene natürlich entwickelte Kornfilter im Ringzylinder
zwischen D v und D B bzw. D F, in dem bis zum Durchmesser
D v alle Kornfraktionen kleiner SW entfernt sein sollten,
tatsächlich in radialer Richtung nicht durch eine derartige
Grenzfläche konturiert ist, sondern allmählich in die natürliche
Sedimentkörnung übergeht. Die Bilanzierung der ausgetragenen
Sedimente ergibt einen mittleren Durchmesser
D SW ≈ 0,86…0,9 m über die Filterlänge, bis zu dem alle Kornfraktionen
d ≤ SW entfernt worden sind. Reduziert man das
gesamte ausgetragene Sediment um den Anteil der in dieser
Ringzone natürlich vorhandenen Fraktionen bis 4 mm, bleibt
die Kornsummenlinie (b) bzw. „S+K Sed. – (a)“ übrig. Sie
verläuft links von der Linie „BR2 bis 1 mm“ und weist darauf
hin, dass über die Ringzone D SW bis D 1mm ≈ 1,40 m, in der
komplett bis Korngröße 1 mm (entspricht etwa S pot = 8 %)
entsandet worden ist, noch weiter hinausreichend noch feineres
Sediment entfernt wurde. Dies bestätigt die weitgehende
Übereinstimmung der Kornsummenlinie des nochmals reduzierten
ausgetragenen Sediments „S+K Sed. – (a) – (b)“
mit der Kornsummenlinie „BR2 bis 0,2 mm“, woraus
D 0,2mm > 1,40 m resultiert. Die Messergebnisse belegen, dass
der natürliche Kornfilter radial tief reichend entwickelt wurde,
wobei die Größe der ausgebrachten Körner und der entstehenden
Poren mit der radialen Entfernung abnehmen und
infolge der bei der Entwicklung in Wirkrichtung kontinuierlich
abnehmenden Transportkräfte ein harmonischer Übergang
in die natürlichen Sedimentschichten erzeugt wird, ohne dass
die bei konventionell geschütteten Filtern typischen Grenzflächen
entstehen. Auffällig ist, dass nach Reduktion der Kornsummenlinie
des ausgebrachten Sediments „Sumpf+Kammer-Sediment“
um die durch DWI-Entsandung entfernten
Anteile „BR2 bis 4 mm“ bis zum Durchmesser D SW in der
größeren Restmenge des ausgebrachten Sediments Kornfraktionen
SW > d > 1 mm nur in sehr geringem Umfang vertreten
sind. Berücksichtigt man in diesem Zusammenhang, dass der
Durchmesser des größten suffosionsfähigen Korns d suf beider
Beratung Gutachten Planung
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Grundwasser Hydrogeologie Wasserwirtschaft
Grundwassermanagement Monitoring Altlasten Sanierung
Grundwassermodellierung Softwareentwicklung
Brunnen
Zustandsanalyse und Planung für Neubau, Regenerierung und Sanierung
05/2012
dS K
dSW dSuf 0
D F
D B
d nF
r
Stützkorn-
Hinterfüllung
D SW
D SW/Suf
Brunnenbau
4 3 2 1 D 1 2 3 4
Suf
D Suf/0
Proben „BR2 Pr1“ und „BR2 Pr2“ etwa 1,1 mm beträgt, resul -
tiert daraus, dass sich die Größe der ausgebrachten Sedimentkörner
außerhalb des Durchmessers D SW in relativ kurzer
radia ler Entfernung auf die Größe des maximalen Suffo sions -
korns reduziert. Die Kornfraktion d < d suf wird in Abhängigkeit
der Kammerförderrate und der Arbeitszeit jedoch sehr weit
reichend ausgetragen, wie die geförderten Sedimentmengen
belegen.
Der aus Stützkornhinterfüllung und Sediment (Abb. 9, links)
zu entwickelnde natürliche Kornfilter gliedert sich demnach
in vier Ringzonen (Abb. 9, rechts), die ohne Grenzflächen
durch allmähliche Änderung der Korngrößenverteilung ineinander
und schließlich in den natürlichen Aquifer übergehen.
Die innere Ringzone zwischen D F und D SW , in Abbildung 9
mit „1“ markiert, ist ein Mischkornfilter aus Stützkornmaterial
und natürlichem Sediment mit Korngrößen d > SW. Ihre radiale
Ausdehnung wird insbesondere durch die Parameter
Strahldruck, Injektionsstrom und Fahrgeschwindigkeit des
Düsenrotors sowie Behandlungszeit bestimmt. Eine vergleichsweise
dünne Ringzone zwischen D SW und D SW/suf (mit
„2“ markiert) trennt die innere von der äußeren Entwicklungszone
(„3“). Darin verringert sich die Größe der aus -
d SK
dSW dSuf Abb. 9 Bohrbrunnen mit Stützkornhinterfüllung vor der
Entwicklung (links) und mit entwickeltem natürlichen
4-Zonen-Kornfilter (d nF : Korngrößen im Filterringraum)
GCI GmbH GCI
Grundwasser Consulting Ingenieurgesellschaft
0
D v
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d nF
r
47
Quelle: Dr. Nillert, GCI GmbH

Technik
getragenen Sedimentkörner radial nach außen gerichtet von
d SW auf d suf. In der durch die Kammerförderrate und die Behandlungszeit
bestimmten radialen Ausdehnung der äuße -
ren Zone („3“) mit der Ausdehnung D suf ist der feinkörnige
Sedimentanteil d suf > d > 0 vollständig entfernt. In der Übergangszone
(„4“) zum natürlichen Sediment verringert sich
schließlich die Korngröße d < d suf der ausgetragenen Partikel
in radialer Richtung nach außen bis zum Durchmesser
D suf /0, bis kein Partikeltransport mehr möglich ist.
Geophysikalische Messungen an allen drei Brunnen weisen
schichtabhängig sehr differenzierte Zuflussverhältnisse aus,
die hinsichtlich der Durchlässigkeit im Aquifer Unterschiede
um zwei Potenzen (10 -4 …10 -2 m/s) belegen und aus den natürlichen
geologischen Lagerungsverhältnissen resultieren.
Ein Vorteil der Entwicklung eines natürlichen Kornfilters aus
der anstehenden geologischen Schichtenfolge äußert sich
darin, dass mit der beschriebenen Technologie jeweils schichtweise
eine den Leistungsparametern und Sedimenteigenschaften
adäquate Filterentwicklung mit unterschiedlicher
radialer Tiefenwirkung und entsprechender Sedimentaustragsmenge
realisiert wird, wobei auf Grundlage der dargelegten
Planungsansätze Filterbrunnen mit hoher Ergiebigkeit
und sedimentfreier Wasserförderung sicher hergestellt werden
können. Das Verfahren toleriert, wie festgestellt worden ist,
auch wechselhafte Sedimenteinlagerungen mit eingeschalteten
feinkörnigen Lagen, ohne dass deren Vorhandensein und
Lage genau bekannt sein müssen oder in besonderer Weise
bei der Filterentwicklung darauf geachtet werden müsste.
Zusammenfassung
Die dargelegten theoretischen Grundlagen zur Bemessung
der Filterschlitzweite bei der Entwicklung natürlicher Kornfilter
in Sedimenten mit großer Ungleichkörnigkeit konnten mit
der Errichtung von drei Testbrunnen bestätigt werden. Mithilfe
von Stützkornhinterfüllungen ist die Herstellung stabiler
Kornfilter sicher machbar. Ein mit der beschriebenen Technologie
erzeugter natürlicher Kornfilter ist durch vier ringförmige
Zonen unterschiedlicher Korngrößen gekennzeichnet,
die harmonisch ineinander und schließlich in das natürliche
Sediment übergehen, ohne dazwischen Grenzflächen auszubilden.
Dadurch werden sprunghafte Änderungen des Druckes
und der Fließgeschwindigkeit, wie sie bei konventionellem
Filterausbau unvermeidbar sind, in der Brunnenanströmung
ausgeschlossen. Das angewandte Druckwellen-Impulsverfahren
in Kombination mit asymmetrischer Doppelkolbenkammer
ist robust einsetzbar und toleriert Unsicherheiten in der Kenntnis
der natürlichen geologischen Schichtenfolge. Die erzielten
Ergiebigkeiten sind denen adäquater konventionell konstruierter
Brunnenfilter bei hoher Qualität sedimentfreier Wasser -
förderung mindestens ebenbürtig. Das technische Verfahren
der Filterentwicklung kann zur hydromechanischen Regenerierung
jederzeit wiederholt eingesetzt werden, um z. B. Verockerungsprodukte
zu entfernen, ohne dass irgendeine Gefahr
für den Kornfilter und seine Lagerungsstruktur besteht.
Für die KWL wurde mit den drei Testbrunnen der Nachweis
erbracht, dass unter den gegebenen Standortverhältnissen
Vorzüge des konventionellen und des sog. „angelsächsischen“
Brunnenbaues miteinander verbunden und Nachteile des
jeweiligen Konzeptes vermieden werden können. Da sich die
Fassungsstandorte durch geringe wassererfüllte Mächtigkeit,
große Ungleichkörnigkeit der Sedimente und schichtweise
sehr wechselhafte Durchlässigkeit auszeichnen, ist die Techno -
logie zur Errichtung von Brunnen mit natürlichen 4-Zonen-
Kornfiltern besonders vorteilhaft, weil diese verfahrensbedingt
in jeder geologischen Schicht in optimaler Weise ausgebildet
und eingeschlossene fein- bis mittelsandige Horizonte problemlos
eingebunden werden. Die wirtschaftlichen Vorteile
bei der Brunnenerrichtung und deren Betrieb, die erreichbaren
sehr hohen spezifischen Ergiebigkeiten, die Sandfreiheit und
stabilen Kornfilter sowie die Vermeidung von Setzungen in
der Brunnenumgebung bei Errichtung und Betrieb sind
triftige Gründe, die Fassungserneuerung mit Brunnen dieses
neuen Typs in Angriff zu nehmen, wobei noch wirtschaftliches
Optimierungspotenzial besteht.
Danksagung
Dank gilt an dieser Stelle der Bau ausführenden Firma BLZ, namentlich
Herrn Olaf Speichert, für die kalkulatorische Darstellung
der Projektidee und die Zusammenführung der beteiligten
Fachfirmen zur Umsetzung des Vorhabens sowie Herrn Dr.
Rolf Michael Wagner und Herrn Andreas Haase für die konstruktive
Mitwirkung bei der Umsetzung des Vorhabenskonzeptes.
Besonderer Dank gebührt Herrn Uwe Schmitz-Habben
und dem Team der Teftorec® GmbH, die in extrem kurzer Zeit
die konstruktiven Entwürfe und baulichen Modifikationen der
Entwicklungswerkzeuge technisch umgesetzt und auf der Baustelle
wirkungsvoll und störungsfrei eingesetzt haben.
SDKK®, DKSK® und hypop® sind eingetragene Wortmarken der Teftorec®
GmbH.
Literatur:
[1] Sterret, R. J. (2007): Groundwater and wells. 3rd ed. P. cm. Johnson Division
[2] Etschel, Ch. & M. Schmidt (2001): Das Druckwellen-Impulsverfahren
für die Regenerierung und Entwicklung von Brunnen, bbr 4/2001, S. 30-38
[3] Saaed, M. (1996): Vorbereitung und Durchführung von Modellversuchen
für die Brunnenreinigung unter Verwendung von Wasser
unter hohem Druck. Dipl.-Arbeit TU Bergakademie Freiberg
Autoren:
Dr.-Ing. Peter Nillert
GCI GmbH Grundwasser Consulting Ingenieurgesellschaft
Bahnhofstr. 19
15711 Königs Wusterhausen
Tel.: 03375 2947-85
Fax: 03375 2947-18
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Dipl.-Geol. Sven Mauder
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04003 Leipzig
Tel.: 0341 969-5693
Fax: 0341 969-95693
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