DE3108331C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausbildung eines Gesteinsfilters in einem der Grundwassergewinnung oder -absenkung dienenden Bohrbrunnen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Ausbildung eines Gesteinsfilters in einem der Grundwassergewinnung oder -absenkung dienenden Bohrbrunnen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für die Herstellung von Grundwasserbrunnen und für die Grundwasserabsenkung, wobei beim Herstellen des Grundwasserbrunnens vorzugsweise mittels Spülbohrung ein Schutzrohr (9) bis auf den tiefsten zu entwässernden Grundwasserhorizont abgeteuft wird, an dessen unterem Ende sich eine Düseneinrichtung (10) befindet, die nach Beendigung des Abteufvorganges und bei gleichzeitigem Einbau der Unterwasser-Pumpeneinheit (11) mit Hilfe eines hochgespannten Flüssigkeits-Düsenstrahles (10) bis zu 500 bar, vorzugsweise eines Wasserstrahles, die an das Schutzrohr (9) angrenzenden gewachsenen Bodenschichten (1) in einem weiten Bereich der Grundwasserfassungsstelle nach Korngrößen zerlegt. Der vom Düsenstrahl (10f) ausgespülte Feinkornanteil (2) wird in dem zwischen Schutzrohr (9) und Bohrloch (7) vorhandenen Ringraum zur Oberfläche abgefördert, während der verbleibende Grobkornanteil als poröser, kreisringförmiger Filterkörper (3) den anstehenden gewachsenen Boden (1) für das abzusenkende Grundwasser (6) in hohem Maße durchlässig und durchströmbar macht; der ausgespülte Feinkornanteil (2) wird durch stetige und überprüfbare Zugabe von Filterkies (4) in das Schutzrohr (9) von der Oberfläche her ersetzt, wobei der Filterkies (4) vom Filterkörper (3) aufgenommen wird, so daß ein grobkörniger, an der Unterwasser-Pumpeneinheit (11) anliegender Gesteinsfilter aufrechterhalten wird, der Bodenverlust, Setzungen und Hohlräume im ............

Description

-ι 1/ =*ij
rungsbührer durch ein hydraulisches Werkzeug ersetzt ; wird. Dieses besteh! erfindungsgemäß aus einer Hochdruckdüseneinrichtung, deren bis zu 500 bar hochgespannte Flüssigkeiisdüsenstrahlen den erweiterten Kiesfilterraum dadurch herstellen, caß mit der ί t ausgeübten Strahlkraft der Feinkornantei) des anste-' henden gewachsenen Bodens herausgeipült und zur Oberfläche abgefördert wird. Der freigespülte Raum wird durch dosierte, überprüfbare Zugabe von Filterkies von der Oberfläche her ausgefüllt, so daß Bodenverlust, m Setzungen und Hohlräume im Filterbereich verhindert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet demnach anstelle einer Kornumlagerung ein Materialaustausch statt, wobei das wenig oder überhaupt nicht wasserdurchlässige Lockergestein des anstehenden ι j Bodens durch ein Gesteinsfilter ersetzt wird, das in hohem Maß durchlässig und durchströmbar ist.
Von besonderer Bedeutung ist der Umstand, daß der • ' ' >' , ι K , horizontalen (radialen) Erstreckung des Filterraumes
nicht derart enge Grenzen wie bei dem mechanischen /?2i) - Erweiterungsbohrer gesetzt sind, sondern daß das '.Gesteinsfilter in einem gewünschten, vorgebbaren - weiten radialen und vertikalen Erstreckungsbereich des t Brnnnenschachtes ausgeführt werden kann Die jeweils * gewünschte horizontale Ausweitung des Gesteinsfilters laßt sich in einfacher Weise dadurch steuern, daß der Druck, mit dem die Flüssigkeitsdüsenstrahlen hochgespannt sind, in entsprechender Weise verändert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht somit auf dem Prinzip der Austauschbarkeit des Feinkornanteils so des gewachsenen Bodens gegen nachgeführten Filterkies mit gezieltem Kornaufbau. Dies bedeutet, daß der Anwender des Verfahrens bei der Herstellung des ,Gesteinsfilters unabhängig ist vom Spülvorgang, frei ist in der Wahl der örtlichen Anordnung des Gesteinsfilters am Brunnenschacht, frei ist in der Wahl der horizontalen und vertikalen Erstreckung des Gesteinsfilters und schließlich auch frei ist in der Wahl der Kornstruktur des herzustellenden Filters. Darüber hinaus kann auch das Gesteinsfiiter bei Bedarf erweitert oder von Verschmut- -to zungen gereinigt werden, wobei es hierzu nur einer Wiederholung des Verfahrens bedarf.
Bei der Anwendung der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im einzelnen von der Oberfläche des Geländes aus das 4s Bohrloch mit Hilfe des Spülbohrrohres hergestellt, das in einem Schutzrohr steckt, das beim Spülbohren bis auf den tiefsten zu entwässernden Grundwasserhorizont abgeteuft wird. Wie bei allen bekannten Spülbohrmethoden erfolgt dieser Abteufvorgang in der Weise, daß so die Spülung mit entsprechendem Druck an die Spitze des Spülbohrrohres gepumpt wird, dort über die Spüldüsen austritt und dadurch den anstehenden Boden aufspült Der aufgespülte Boden wird mit dem Spülstrom in den Ringraum zwischen Schutzrohr und Bohrlochwand zur Oberfläche abgefordert. Nach dem Abteuf Vorgang, der bei Brunnentiefen von 10 bis 30 m normalerweise zwei Stunden in Anspruch nimmt, wird das Spülbohrrohr gezogen, die Unterwasserpumpeneinheit im Schutzrohr eingehängt und die an der Außenseite des Schutzrohres angeordnete Hochdruckdüseneinrichtung an der Oberfläche mit der Hochdruckpumpe verbunden. Hierbei wird im Verfahrensablauf jeglicher Zeitverlust dadurch vermieden, daß das Schutzrohr nach Einbau der Unterwasser-Pumpeneinheit und nach Inbetriebnahme der Hochdruck-Düseneinrichtung stetig gedreht und zur Oberfläche hin gezogen wird, wodurch der Filterkörper in dem angestrebten Vertikalbereich des Brunnens ausgebildet wird. Damit ist es möglich, ein der bekannten Filterkiesschüttung gleichwertiges Gesteinsfilter zu schaffen, das den Vorteil besitzt, daß die Eindringliefe der Flüssigkeitsdüsenstrahlen ir, dem anstehenden Boden, und damn die radiale Erstreckung des Filterkörpers, durch Regelung des Druckes der Hochdruckpumpe entsprechend der Beschaffenheit des anstehenden Bodens in gezielter Weise bestimmt werden kann.
Zur Inbetriebnahme des Brunnens genügt es dann, das Schutzrohr von der Oberfläche her zu ziehen und die Unterwasser-Pumpeneinheit einzuschalten.
Gegenüber der bekannten Filterkiesschüttung hat der erfindungsgemäß mit Hilfe der Flüssigkeits-Düsenstrahlen der Hochdruck-Düseneinrichtung geschaffene Filterkörper den Vorteil, daß er sich über die gesamte Tiefe des Brunnens erstreckt, obwohl die einzelnen, grundwasserführenden Schichten des anstehenden Bodens durch wasserundurchlässige Schichten voneinander getrennt sein können. Hierdurch kann die .,Grundwasserabsenkung im gesamten vertikalen Bereich des Brunnens unterhalb des ruhenden Grundwasserspiegels auch aus unterteilten Tiefenlagen der wasserführenden Schichten ausgeführt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Bohrbrunnen beim Abteufen eines Schutzrohres;
F i g. 2 einen Längsschnitt durch den Bohrbrunnen bei Verwendung eines Spülbohrrohres als Schutzrohr;
F i g. 3 einen Längsschnitt durch den Bohrbrunnen nach Beendigung des Abteufens und nach dem Ziehen des Spülbohrrohres, mit eingehängter Unterwasser-Pumpeneinheit;
Fig.4 schematisch eine Hochdruck-Düseneinrichtung in Seitenansicht und
F i g. 5 in Draufsicht;
F i g. 6 vergrößtert als Detail aus F i g. 4 das untere Schutzrohrende und einen Düsenträger im Längsschnitt sowie
F i g. 7 in Querschnitt;
F i g. 8 den Bohrbrunnen in Längsschnitt zu Beginn der Herstellung eines Filterkörpers im anstehenden Boden mittels der Hochdruck-Düseneinrichtung und
F i g. 9 am Ende der Herstellung des Filterkörpers;
Fig. 10 einen Längsschnitt durch einen Vakuumtiefbrunnen nach Herstellung des Filterkörpers, Ausbau des Schutzrohres und Inbetriebnahme der Unterwasser-Pumpeneinheit;
F i g. 11 einen Längsschnitt durch den Vakuumtiefbrunnen bei Grundwasserabsenkung aus zwei durch eine undurchlässige Bodenschicht getrennten wasserdurchlässigen Bodenschichten und
F i g. 12 einen Brunnen vorschacht im Längsschnitt.
Der Tiefbrunnen nach F i g. 1 wird im anstehenden gewachsenen Boden 1 mit Hilfe eines Spülbohrrohres 8 und dessen am unteren Ende angeordneten, mit Spüldüsen versehenen Spülbohrkopf 8a hergestellt. Das Spülbohrrohr 8 steckt in einem Schutzrohr S, das mit dem Spülbohrrohr 8 zusammen bis zur Endtiefe des Brunnens abgeteuft wird. Der vom Spülbohrrohr 8 im Bohrloch 7 aufgespülte Boden 1 wird mit dem Spülst-om im Ringraum des Bohrloches 7 zwischen Schutzrohr 9 und Bohrlochwand zur Oberfläche abgefördert.
Am äußeren Umfang djs Schutzrohres 9 ist eine Hochdruck-Düseneinrichtung 10 (Fig.4) angebracht,
deren Düsenträger 1Odam unteren Ende des Schutzrohres 9 angeordnet ist. Das Grundwasser soll durch den Tiefbrunnen vom ruhenden Grundwasserspiegel 6 abgesenkt werden.
Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 übernimmt das Spülbohrrohr 8 zusätzlich die Funktion des Schutzrohres 9 (F i g. 1). In diesem Fall ist der Spülbohrkopf 8a als aufgesetztes Fertigteil ausgebildet, das bei Erreichen der Endteufe abgestoßen wird und als verloren im Boden verbleibt.
Fig.3 zeigt den Tiefbrunnen nach Beendigung des Abteufvorganges und nach dem Ziehen des Spülbohrrohres 8 aus dem Schutzrohr 9 heraus zur Oberfläche sowie nach dem Einhängen einer geschlossenen Unterwasser-Pumpeneinheit 11 im Schutzrohr 9 mit Pumpenaggregat 11a, Pumpenfilter 116, Steigleitung 11 cund Ein- und Ausschaltelektroden iid, He.
Wie aus Fig.4 und 5 im einzelnen zu ersehen, ist die Hochdruck-Düseneinrichtung 10 versehen mit einer an der Oberfläche aufgestellten Hochdruckpumpe 10a, Hochdruckschläuchen 106, an der Außenseite des Schutzrohres 9 befestigten Hochdruckrohrleitungen 10c und mit dem Düsenträger 1Od, der auswechselbare Hochdruckdüsen 1Oe aufweist.
F i g. 6 und 7 zeigen vergrößert die an der Außenseite des Schutzrohres 9 an dessen unterem Ende angeordneten Einzelteile der Hochdruck-Düseneinrichtung 10, d. h. die Hochdruckleitungen 10c, die Düsenträger iod und die darin auswechselbar befestigten Hochdruckdüsen 1Oe.
Aus Fig.S ist der Vorgang der Herstellung des Filterkörpers 3 im anstehenden gewachsenen Boden 1 ersichtlich. Hierbei löst die an der Außenseite des Schutzrohres 9 angeordnete Hochdruck-Düseneinrichtung 10 mit Hilfe ihres bis etwa 500 bar hochgespannten Fiüssigkeitsdüsenstrahls 10/ den Feinkörnanteil 2 aus dem anstehenden gewachsenen Boden 1 heraus und fördert ihn im Ringraum zwischen dem Schutzrohr 9 und der Wand des Bohrloches 7 zur Oberfläche. Dieser Vorgang spielt sich unter stetigem Drehen des Schutzrohres 9 zur Oberfläche hin ab. Im anstehenden Boden I verbleibt der aus dem Grobkornanteil bestehende Filterkörper 3 zurück, der als Gesteinsfilter wirkt und den anstehenden Boden 1 für das abzusenkende Grundwasser 6 in hohem Maß durchlässig macht. Die im Schutzrohr 9 eingehängte Unterwasser-Pumpeneinheit 11 mit Pumpenaggregat 11a. Pumpenfilter 116, Steigleitung lic und Ein- und Ausschaltelektroden Hd, 11 e ist einschaltbereit für die Absenkung des Grundwasserspiegels 6.
In Fig.9 ist der schon nahezu abgeschlossene Vorgang der Herstellung des Filterkörpers 3 dargestellt. Der FIüssigkeits-Düsenstrahl lO/hatden Fifterkörper 3 durch Herausspülen des Feinkornanteils 2 aus dem gewachsenen Boden 1 fertiggestellt, so daß die Unterwasser-Pumpeneinheit 11 mit Pumpenaggregat
I ta, Pumpenfilter 116, Steigleitung lic und Einschaltelektrode iid bereits,vollständig von dem Filterkörper 3 eingehüllt ist. Zur Vermeidung von Bodenverlust und
!Hohlräumen im Brunnenbereich ist eine Filterkiesnachifüllung 4 im Schutzrohr 9 in der Nähe der Oberfläche
;- 'tyorhanden.'.Hierdurch kann Filterkies in einer solchen ; .Menge nachgeführt werden, wie sie von einem
SilFiiierkiesbegrenzungsanzeiger 5 als notwendig nachge-
fordert wird.
'< ' F i g. 10 zeigt einen Vakuumtiefbrunnen nach Herstellung des vollständigen Filterkörpers 3 und nach dem Ziehen des Schutzrohres 9 aus dem Brunnen. Zur Aufrechterhaltung des von einer Vakuumsonde 13 im Brunnenraum erzeugten Vakuums ist dieser durch eine Vakuumdichtung 12, vorzugsweise aus Ton bestehend, gegen das Eindringen von Luft von der Oberfläche her abgedichtet. Die Unterwasser-Pumpeneinheit 11 ist mit Pumpenaggregat 11a, Pumpenfilter 116, Steigleitung lic, Ein- und Ausschaltelektroden iid, He,allseitig vom Filterkörper 3 umschlossen und damit einschaltbereit, um den Grundwasserspiegel 6 abzusenken und zwischen den Stellungen des Einschaltwasserspiegels 6a und des Ausschaltwasserspiegels 66 einzuregeln.
Fig. U zeigt einen solchen Vakuumtiefbrunnen, bei dem die Grundwasserabsenkung aus zwei durch eine undurchlässige Bodenschicht la getrennten, wasserdurchlässigen Bodenschichten 1 erfolgt. Der Filterkörper 3 ist mit Hilfe der Flüssigkeitsdüsenstrahlen 10/der Hochdruck-Düseneinrichtung 10 in den beiden wasserdurchlässigen Bodenschichten ausgebildet worden. Der Durchlaß für das Grundwasser aus dem oberen in den darunterliegenden Filterkörper 3 ist durch das Spülbohren gemäß F i g. 1 oder 2 geschaffen worden. Das Pumpenaggregat 11a der Unterwasser-Pumpeneinheit
I1 hat das Grundwasser von dem ruhenden Grundwasserspiegel 6 auf den Regelbereich 6a, 66 abgesenkt, hält es mit Hilfe der Ein- und Ausschaltelektroden iid, He auf diesem Spiegel und 'ordert es über die Steigleitung Hc zur Oberfläche ab. Das Vakuum im Tiefbrunnen wird durch die Vakuumsonde 13 aufrechterhalten. Gegenüber der Oberfläche ist der Tiefbrunnen durch die Vakuumdichtung 12 luftdicht verschlossen.
Fig. 12 zeigt einen Brunnenvorschacht 14, der aus
*s einer Schachtsohle 15 und einem Schachtring 16 gebildet ist, wobei in die Schachtsohle 15 ein Standroh! 17 als Führungselement für das Teufen und Ziehen des Schutzrohres 9 sowie zum Einhängen und Ziehen der Unterwasser-Pumpeneinheit 11 fest eingestellt ist. Die
so aus den Brunnen austretenden Bohrspülungen und der von der Hochdruck-Düseneinrichtung 10 ausgespülte Feinkornante/I 2 des anstehenden Bodens ί werden in den Brunnenvorschacht 14 eingeleitet und von einer Abförderpumpe 18 gezielt abgefördert.
Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Ausbildung eines Gesteinsfilters in einem der Grundwassergewinnung oder -absenkung dienenden Bohrbrunnen, mit einem erweiterten Filterraum im Lockergestein, insbesondere in einem Kiesfilterbrunnen mit erweitertem Kiesfilterraum, wobei die Brunnenbohrung durch Spülbohrung mit weitgehend nach unten gerichteten Spülflüssigkeitsstrahlen niedergebracht und der erweiterte Filterraum durch Erweiterungsbohren gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das den Filterraum ausbildende Erweiterungsbohren nach Abschluß des Spülbohrens erfolgt und von unten nach oben mittels radial nach außen gerichteter, bis zu 500 bar hochgespannter Flüssigkeitsdüsenstrahlen durchgeführt wird, die den
' 'Feinkornanteil der beaufschlagten angrenzenden ^"gewachsenen Lockergesteinsschicht im radialen und
axialen Bereich der Grundwasserfassüngsstelle
* herausspülen und in einem im Bohrloch gebildeten
ι Ringraum zur Oberfläche hin abfördern, so daß der
verbleibende Grobkornanteil einen porösen Filter-, körper bildet, und daß der ausgespülte Feinkorrian-
/teil durch dosiert zugegebenen Filterkies ersetzt
. wird, der von der Oberfläche her radial innerhalb des vom Ringraum umgebenen Raumes eingegeben und vom Filterkörper zur Bildung des Gesteinsfilters aufgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Flüssigkeitsdüsenstrahlen ausstoßende Hochdruckdüseneinrichtung unter stetigem Drehen von der Bohrlochsohle zur Oberfläche hin hochgezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch /gekennzeichnet, daß die radiale Erstreckung des
Filterkörpers mittels des Druckes, unter dem die Flüssigkeitsdüsenstrahlen hochgespannt sind, gesteuert wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem gegebenenfalls von einem Schutzrohr umgebenen Spülbohrrohr, das am unteren Ende einen Spülbohrkopf zum Austritt von im wesentlichen nach unten gerichteten Spülflüssigkeitsstrahlen aufweist, und mit einer Erweiterungsbohreinrichtung zur Ausbildung des erweiterten Filterraumes, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterungsbohreinrichtung eine außenseitig an oder nahe dem unteren Ende des Spülbohrrohres (8) bzw. des Schutzrohrs (9) angeordnete Hochdruckdüseneinrichtung aufweist, die weitgehend radial nach außen gerichtete Hochdruckdüsen (1OeJ zum Austritt von bis zu 500 bar hochgespannten Flüssigkeitsdüsenstrahlen (10/? aufweist und über Hochdruckleitungen (10ö, 10c) an eine Hochdruckpumpe (1OaJ angeschlossen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckdüsen (1OeJ auswechselbar in Düsenträgern (lOc/J der Hochdruckdüseneinrichtung angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die Hochdruckdüseneinrichtung tragende Rohr (8 bzw. 9) unter gleichzeitigem Drehen aus dem Bohrloch (7) herausziehbar ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines Gesteinsfilters in einem der Grundwassergewinnung oder -absenkung dienenden Bohrbrunnen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehene Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Bei einem bekannten Verfahren der gatojngsgemäßen Art (Buch von E. Bieske, »Bohrbrunnen«, 6. Aufl., 1973. S. 28-37) erfolgt die Spülbohrung derart, daß mit einem Bohrdurchmesser gebohrt wird, der gerade das vorgesehene Brunnenrohr (Spülbohrrohr) aufnehmen kann und den zur Schaffung eines erweiterten Kiesfilterraumes dienenden Erweiterungsbohrer hindurchläßt.
Bei einer für den vorgenannten Zweck geeigneten bekannten Vorrichtung (DE-PS 23 21 962) besteht der Erweiterungsbohrer aus einem mechanischen Aufweitungswerkzeug mit Aufweitungsmessern, die durch
', Schlitze des Spülbohrrohres hindurch ausschwenkbar 'sind und von einem im Spülbohrrohr angeordneten Gestänge betätigt werden. Nachdem dann das Bohrloch erweitert ist, erfolgt die Filterkiesschüttung von der Oberfläche her durch den Ringraum zwischen Brunnenrohr und Bohrschacht in den freigeschnittenen erweiterfen Kiesfilterraum hinein. Ein derartiger mechanischer Erweiterungsbohrer eignet sich daher dafür, Bohrschachterveiterungen mit relativ geringer Auskragung der Aufweitungsmesser aus den Durchtrittsschlitzen des tBohrrohres heraus auszuführen.
M jedoch ist die mit einem solchen Erweiterungsbohrer erreichbare horizontale (radiale) Erweiterung des Filterraumes in vielen Fällen nicht mehr ausreichend. Wenn dann versucht wird, einen derartigen Erweiterungsbohrer an größere Durchmesser des Filterraumes anzupassen, muß auch der Durchmesser des Bohrrohres wesentlich größer gewählt werden, um das verstärkte Antriebsgestänge aufnehmen zu können; hierdurch geht jedoch der Hauptvorteil des bekannten Verfahrens bzw. der bekannten Vorrichtung, nämlich mit einem geringen Bohrrohrdurchmesser auszukommen, verloren. Darüber hinaus läßt sich auch der bekannte Erweiterungsbohrer nicht unbegrenzt verstärken, da dann die Aufweitungsmesser besonders anfällig sind, weil sie bei verstärkten Antriebskräften, insbesondere bei konsi-
4S stenten Bodenschichten, sehr leicht abbrechen können.
Es hat daher der Brunnenbau nach wie vor ein
Verfahren gefordert, das in der Lage ist, in den zu entwässernden Bodenschichten einen der bisherigen Filterkiesschüttung gleichwertigen Gesteinsfilter in einem weiten horizontalen (radialen) und vertikalen (axialen) Bereich der Grundwasserfassungsstelle zu schaffen und auch aufrechtzuerhalten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung der gattungsgemäßen
5S Art derart auszugestalten, daß ein der üblichen Filterkiesschüttung wenigstens gleichwertiger Gesteinsfilter in einem vorgebbaren weiten horizontalen (radialen) und auch vertikalen (axialen) Erstreckungsbereich des Brunnenschachtes mit genau steuerbarer Filterstruktur ausgeführt werden kann und bei Wunsch später auch erweiterungs- sowie regenerierfähig ist.
Diese Autgabe wird verfahrensgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 und vorrichtungMnäßig durch die Merkmale im Anspruch 4 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Verfahren wird erreicht, daß der bekannte mechanische Erweite-
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