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

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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 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 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%) 42 05/2012 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
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