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Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertesbei erhöhtem bindigen Anteil
- erste Untersuchungsergebnisse -
Seddiner See / Potsdam, 20.-22.11.2014Grundwassermonitoring und –probennahmeFortbildung 2014
Dipl.-Ing. Kerry F. PaulIBB Ingenieur- und Beratungsbüro für Brunnenbetriebstechnik und –instandhaltung GmbH
Am Pichelssee 12, 13595 Berlin • Tel. 030 - 36 28 63 50 / 01577 – 45 31 936 • [email protected]
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Kerry F. Paul* 1954, Berlin
• Studium Technischer Umweltschutz, TU Berlin Schwerpunkt „Wasserreinhaltung“
• seit 1971 im Bereich Brunnenuntersuchung tätig;ab 1976 auch Brunnenregenerierung; ab 1991 auch Planung & Bauleitung Brunnenbau
• seit 1989 Geschäftsführer der IBB Ingenieur- und Beratungsbüro für Brunnenbetriebstechnik und –instandhaltung GmbH
• seit 1993 Mitglied im DVGW-TK „Wassergewinnung“
• 1999 – 2001 Mitglied im Beirat zum DVGW-Forschungsvorhaben W 55/99 "Untersuchung zur Bewertung von Gerätetechnik auf die Wirksamkeit in der Kiesschüttung"
• Mitarbeit als Projektkreismitglied am DVGW-Regelwerk
- W 113 „Bestimmung des Schüttkorndurchmessers und hydrogeologischer Parameter aus der Korngrößenverteilung für den Bau von Brunnen“(Merkblatt, 2001 – aktuell in Überarbeitung)
- W 119 „Entwickeln von Brunnen durch Entsanden- Anforderungen, Verfahren, Restsandgehalte“(Merkblatt, 2002 – aktuell in Überarbeitung)
- W 130 „Brunnenregenerierung“(Merkblatt, 2001 & Arbeitsblatt, 2007)
• seit 2008 DVGW-Experte zur Zertifizierung nach DVGW W 120 Kernkompetenz „Brunnenausbau“ und „Brunnenregenerierung“
• seit 2008 Kooperation mit der TU Berlin, FG Ingenieurgeologie F&E Untersuchung der Eigenschaften von Böden und Schüttgütern für den optimierten Bau und Betrieb von Brunnen; Begleitung von Studien-, Bachelor- und Masterarbeiten mit Bezug zum Brunnenbau
• seit 2014 IBB-Labor, spezialisiert auf Kennwertuntersuchungen von Bohrproben & Schüttgütern für den Brunnenbau
• 2014 Verleihung der DVGW-Ehrennadel – in Anerkennung der herausragenden, wasserfachlichen Kompetenz, die insbesondere auf dem Gebiet der Planung, des Baus und Betriebs von Brunnen in die DVGW-Regelwerksarbeit eingebracht wird
Foto
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GliederungGrundlagen
der „wahre“ kf-WertLagerungsartWechsel von der flächigen zur räumlichen BetrachtungUngleichkörnigkeitsfaktor CUPorenanteilTemperatur-AbhängigkeitGültigkeitsgrenzen (Beispiel kf-Wert nach Hazen)
kf-Wert nach BEYER & SCHWEIGER (1969)k-f BEYER 1964 => k-f BEYER & SCHWEIGER 1969Koeffizienten zur Bestimmung des ProportionalitätsfaktorsBeispiel-Berechnung
bindiger Anteilin BohrprobenBrunnenalterungsart „Partikelfiltratíon“Einteilung Entnahmekategorien & Güteklassen
erste UntersuchungsergebnisseVorstellung der Bachelorarbeit T.Netzker, 2014
Zusammenfassung
Bestimmung des kf-Wertesbei erhöhtem bindigen Anteil
– erste Untersuchungsergebnisse
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Der „wahre“ kf - Wert Es gibt keinen „wahren“ Durchlässigkeitsbeiwert (kf – Wert) ,
mit dem Mess- und Berechnungsergebnisse verglichen werden können !
Zur Angabe des kf - Wertes gibt es:
Definitionen- z. B. nach DARCY
Berechnungen aus Messungen zur Korn-Summenverteilung- über 50 Formeln
mit unterschiedlichen Ergebnissen durch (Nicht-) Berücksichtigung - der Lagerungsart - der Ungleichkörnigkeit - von Gültigkeitsgrenzen - der Temperaturabhängigkeit
Labormessungen- z. B. nach DIN 18130-1
Feldmessungen- z. B. nach DIN 18130-2
Alle Angaben zum kf-Wert [m/s] gelten grundsätzlich nur für laminare Strömungsbedingungen
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durch Setzung Veränderung der Lagerungsdichte
locker → dicht ; irreversibel
„gemischtkörnige“ („fraktale“) Lagerunglocker & dichtSieblinie doppelt-gekrümmt=> bi-modale Dichteverteilung CU > … >> 5 # n fraktal signifikant kleiner als n gleichkörnig
„ein-“ bzw. „gleichkörnige“ (abhängig von Kornform) Lagerunglocker & dichtSieblinie einfach S-förmig=> Dichteverteilung mit einem MaximumCU < … << 5 # n gleichkörnig mit steigendem CU abnehmend
Lagerungsart
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Wechsel von der flächigen …
… zur räumlichen Betrachtung
Theo
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Schnitt durch Verguss mit Kies DIN 4924 Korngruppe 2 – 3,15 mm
Porenanteil ca. 39 %
Rea
lität
Schnitt durch Verguss mit Glaskugeln einer Korngruppe mit geringer Durchmesser-Varianz; verdichtete Lagerung
3,8 bis 4,4 mm 11,5 bis 12,5 mm
• regellose Struktur• Stapelfehler• Partikelbrückenbildung• Partikelmittelachsen nicht in denselben Ebenen
• Porenquerschnitte sehr unregelmäßig.
Durch ungleichmäßig große Partikel kein Erkennen der Real-Bedingungen
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Ungleichkörnigkeitsfaktor CU
gleichkörnigCU < 5Porenanteil dichte Lagerung 35 … 38 %
lockere Lagerung + ca. 7 … 10 %Korn-Summenverteilung einfach gekrümmte SieblinieKorn-Dichteverteilung ein MaximumGenese überwiegend marin / äolischEntsandungsfähigkeit nein (vgl. DVGW W 118)
gemischt-körnig („fraktal“)CU alle VariantenPorenanteil mit steigendem CU abnehmend
dichte Lagerung 30 … 20 % u. geringerlockere Lagerung + ca. 7 … 10 %
Korn-Summenverteilung mehrfach gekrümmte SieblinieKorn-Dichteverteilung mehrere MaximaGenese überwiegend fluvial / glazialEntsandungsfähigkeit ja - nach W 118 bei CU > 8
Theo
rieTh
eorie
real
–3D
real
–3D
lockere – Lagerung - dichte
lockere – Lagerung - dichte
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Porenanteil in Abhängigkeit CU und Lagerungsart(Messungen IBB # Paul in bbr 04/05.2011)
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Temperatur-AbhängigkeitKorrekturfaktoren α zur Normierung des kf-Wertes auf Wassertemperatur 10°C
(nach DIN 18130-1 # inkl. kf-Kreuzvergleich mit 100% bei 10°C)
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kf nach Hazen (1893) / Übersetzung der Bundeswehr (2012)
Terzaghi & Peck (1948) / ins Deutsche übersetzt durch Bley (1961)„HAZENS Ergebnisse verführten andere Forscher zu der mehr oder weniger willkürlichen Annahme, daß die Größen d10 und U auch geeignet seien, die Kornzusammensetzung gemischtkörniger natürlicher Erdstoffe auszudrücken.“
Gültigkeitsgrenzen Beispiel: kf-Wert nach Hazen
„Auf der Grundlage der vorliegenden Daten ist die Anwendung dieser Formel nur bei Sanden mit einem Gleichförmigkeitskoeffizienten unter 5 und einer effektiven Korngröße von 0,10 bis 3,00 mm angebracht.
Für Material mit einer Größe von mehr als 3 mm liegen bedeutend weniger Daten vor, als man sich wünschen würde. Die Daten wurden ausschließlich auf der Grundlage untersuchter Kiese mit Gleichförmigkeitskoeffizienten 1,4 bis 2,0 bei einer Temperatur von 10°C oder leicht darüber erhoben.“
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kf BEYER, 1964 = C d10²
mit C = f (CU, Lagerungsart)
kf BEYER & SCHWEIGER, 1969 = C d10²
mit C = f (CU)
kf [m/s] DurchlässigkeitsbeiwertC [ - ] Proportionalitätsfaktord10 [mm] Korndurchmesser bei 10% Gewichtsanteil der Korn-SummenverteilungCU [ - ] Ungleichkörnigkeitsfaktor; CU = d60/d10
In der Literatur von BEYER & SCHWEIGERfehlen die Koeffizienten zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors in Abhängigkeit der Lagerungsart
WWT 1964 Heft 6
WWT 1969 Heft 2
kf-Wert nach BEYER & SCHWEIGER (1969)
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logarithmische Darstellungin Beyer & SchweigerWWT 1969 Heft 2
lineare Darstellung zur Koeffizienten-Bestimmung
in Paulgeofora 2010
Koeffizienten zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors
C lockere Lagerung = 0,0148 CU-0,1493 # R² = 0,9973
C mittlere Lagerung = 0,0119 CU-0,2016 # R² = 0,9989
C dichte Lagerung = 0,01 CU–0,2313 # R² = 0,9981
kf-Wert nach BEYER & SCHWEIGER (1969)
Proportionalitätsfaktorin Abhängigkeit Lagerungsart und Ungleichkörnigkeitsfaktor
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Beispiel-Berechnung
kf BEYER & SCHWEIGER, 1969 = C d10²
mitC lockere Lagerung = 0,0148 CU
-0,1493
C mittlere Lagerung = 0,0119 CU-0,2016
C dichte Lagerung = 0,01 CU–0,2313
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bindige Anteile (Partikel < 0,063 mm) haften hauptsächlich an Feinsand (0,063 – 0,200 mm)
Bohrproben mit erhöhtem Feinsand-Anteil bedürfen vor einer TROCKEN-SIEBUNG (DIN 18123) immer einer NASS-ABTRENNUNG (DIN 18123)
Es besteht keine Korrelation zwischen dem bindigen Anteil bestimmt mit einer Trocken-Siebung und dem bindigen Anteil bestimmt mit einer Nass-Abtrennung
bindiger Anteil in Bohrproben
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Der Begriff „feinkörniger Boden“ für Partikel < 0,063 mm (DIN EN ISO 14688-1) ist (aus Sicht des Autors) missverständlich.
„Korn“ deutet auf ein Partikel mit Volumen hin.
Partikel < 0,063 mm weisen eine andere Textur als Partikel > 0,063 mm auf und können nicht mehr mit der Volumen-basierenden „Kugelmodell-Theorie“interpretiert werden.
Partikel < 0,063 mm sind daher zur Verständnis-Abgrenzung sinnvoller als „bindiger Anteil“ zu bezeichnen.
Hintergrund: die Grundwasserströmung ist hauptsächlich Oberflächen-abhängig. Je kleiner Partikel werden, desto größer wird deren Oberfläche / der Strömungswiderstand steigt an. Die Oberfläche von bindigen Partikeln ist wegen verschiedener Randbedingungen sehr schwer zu bestimmen.
REM-Aufnahmenvon Ton-Mineralien
Illit – Kaolinit – Montmorillonit(von li nach re)
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Brunnenalterungsart „Partikelfiltration“
Durchflussbehinderung durch „bindige Anteile“
bindige Partikel: < 0,063 mm bzw. < 63 µm
Durchfußbehinderung in Fließrichtung vom Boden zum Filterrohr
- Brückenbildung im angrenzenden Grundwasserleiter
- Akkumulation (1) vor Störungen an der Bohrlochwand; Störungen = entsprechend Bohrverfahren nicht entfernte Spülung
bzw. verschleppte / „verschmierte“ Bodenpartikel
- Akkumulation (2)in anderen Brunnenalterungsarten, bevorzugt Verockerung
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Einteilung Entnahmekategorien & Güteklassen(Abb.-Entwurf für Neufassung DVGW AB W 113)
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präzise Kennwerte bedürfen der Probennahme
mit Entnahmekategorie A (nach DIN EN ISO 22475-1)
der Güteklasse 2 (nach DIN EN 1997-2 EUROCODE 7)
der selektiven Proben(ent)nahme aus dem Bohrgut
der Bestimmung durch angepasster Laborversuche
und der Anwendung geeigneter Laborversuche
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20 Fotos: Zentrum für Geoinformationswesen der Bundeswehr, Euskirchen
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Herstellung eines definierten Ausgangsmaterials
zur Befüllung des Versuchszylinders
1.) Abtrennung des bindigen Materials mit Nass-Abtrennung
2.) Trockensiebung mit enger Klassierung
0,063 – 0,080 – 0,100 –0,125 – 0,150 – 0,180 –0,200 – 0,250 – 0,315 –0,400 – 0,500 – 0,630 –0,800 – 1,000 – 1,600 mm
BA Netzker (2014)
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Ausgangsmaterial ohne bindigen Anteil Ausgangsmaterial mit bindigem Anteil 10%
Korn-Summenverteilung & Korn-Dichteverteilung Korn-Summenverteilung & Korn-Dichteverteilung
BA Netzker (2014)
Kornzusammensetzung Kornzusammensetzung
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BA Netzker (2014)
Ausgangsmaterial mit unterschiedlich bindigem Anteil
Bodenbeschreibung nach DIN EN ISO 14688-1
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Untersuchung des bindigen Anteils
wegen Gleichartigkeit des bindigen Anteils (< 0,063 mm) für Versuche=> Auswahl Sackware aus Tongrube Ruppach, Lieferant BÖRKEY TERATECH
Sedimentation nach DIN 18123 von 3 Stichproben („Schlämmanalyse“)Masseanteile: Ton ca. 2/3 # Schluff ca. 1/3 # > 0,063 mm ca. 2%
BA Netzker (2014)
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Labor-Untersuchungen zur Bestimmung des kf-Wertes nach DIN 18130-1
Befüllung des Versuchszylinders mit Ausgangsmaterial + bindiger Anteil 0 … 10% in 1%-Schritten in lockerer & dichter Lagerung
BA Netzker (2014)
Maßangaben des Versuchsaufbaus
Durchmesser des Versuchszylinders 0,100 m
Fläche Messkörper 78,5 cm²
Durchströmte Probenlänge 0,298 m
Füllvolumen Versuchszylinder 2.340 cm³Füllmenge abhängig von Lagerungsart
Länge zwischen den Messpunkten 0,229 m
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Rückgewinnung nach Versuchs-Durchführungzur definierten Weiterverwendung im nächsten Versuch
BA Netzker (2014)
Nass-Abtrennung
Trocken-Siebungmit erweitertem, angepassten Siebsatz
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BA Netzker (2014)
Gegenüberstellung der kf - Werte einer Probe mit konstantem Anteil > 0,063 mm & variablem bindigen Anteil (< 0,063 mm) bei lockerer und dichter Lagerungsart: berechnet nach BEYER & SCHWEIGER und gemessen nach DIN 18130-1
Messung bis 3% bindiger Anteil
zunehmende, durchflussbehinderndeVerstopfung von Engstellen
Messung über 3%bindiger Anteil
Textur-bedingte Anlagerung auf den Oberflächen des Trägermaterials „Feinsand“, die sich in der dichten Lagerung bei geringerem Porenanteil stärker bemerkbar macht
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BA Netzker (2014)Korrekturfaktoren nach Netzker (2014)zur kf-Berechnung nach BEYER & SCHWEIGER (1969)
in Abhängigkeit des bindigen Anteils und der LagerungsartFaktor = nach DIN 18130-1 gemessene, normierte kf-Werte / nach BEYER & SCHWEIGER berechnete kf-Werte
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kf-Bestimmung nach BEYER & SCHWEIGER in Anwesenheit bindiger Anteile
Randbedingungen für Berechnungs-Anwendung
• ein-modale Korn-Dichteverteilung bzw. einfach gekrümmte Korn-Summenverteilung
• Hauptbestandteil Feinsand
• hoher Tonanteil im Bereich < 0,063 mm
Proben-Bereitstellung
• Entnahmekategorie A (nach DIN EN ISO 22475-1)
• Güteklasse 2 (nach DIN EN 1997-2 EUROCODE 7)
• „richtige“ Art der Proben(ent)nahme aus dem Bohrgut / Bohrprobe (selektiv)
Durchführung
• Nass-Abtrennung des bindigen Anteils
• Trocken-Siebung mit erweitertem, angepassten Siebsatz
• Ermittlung d10 & d60 unter Einbeziehung des bindigen Anteils aus der Nass-Abtrennung
• Berechnung kf-Wert nach BEYER & SCHWEIGER (1969) bis 10% bindigen Anteilzuzüglich Multiplikation mit Korrekturfaktor nach NETZKER
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kf-Kreuzvergleich
100 % = Boden bei FOK
Böden sind inhomogen – anisotrop
Boden-Kennwerte für den GWM- & Brunnnenbau müssen teufendifferenziert und geeignetbestimmt werden = präzise
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Zusammenfassung
kritischer Umgang gegenüber „kf-Fremdangaben“• ein kf-Wert für gesamtes Profil – axial und radial ?• Art der Bohrproben-Gewinnung ?
Mischung (C5) – „reine“ Probe (A2)• Proben(ent)nahme aus Bohrprobe / Bohrgut
Mischung – selektiv (Hinweise in aktueller Überarbeitung DVGW AB W 113)• Bestimmung bindiger Anteil ? (Nass-Abtrennung)
Siebanalyse / Interpolation ? (erweiterter, angepasster Siebsatz)• Berechnungsmethode ?
• Es gibt keinen „wahren“ kf-Wert.
Die Berechnungsmethode nach BEYER & SCHWEIGER (1969) mit Berücksichtigung CU und Lagerungsart ist einigermaßen korrekt;bei bindigem Anteil bis 10%: Anwendung Korrekturfaktor nach NETZKER
Andere Formeln haben (signifikante) Anwendungsgrenzenoder sind zu schwierig in der Basisdatenermittlung.
Bestimmung des kf-Wertes bei erhöhtem bindigen Anteil – erste Untersuchungsergebnisse
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
fraktale Kugelpackung (nach Apollonius von Perge, ca. 200 v. Chr.)
= mehrfach gekrümmte Summenkurve mit mehreren Maxima
dichteste Kugelpackung(nach Johannes Keppler 1571-1630)
Partikel-Umlagerung
PDF zu diesem Vortrag auf eMail-Anforderung an [email protected]