DE4319976A1

DE4319976A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Durchlässigkeit eines Bodenkörpers

Info

Publication number: DE4319976A1
Application number: DE19934319976
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dr Ing Voigt; Armin Astl; Rolf Dr Ing Wagner
Original assignee: BLZ GEOTECHNIK GmbH
Current assignee: BLZ GEOTECHNIK GmbH
Priority date: 1993-06-11
Filing date: 1993-06-11
Publication date: 1995-02-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Durchlässigkeit eines durch eine Bohrung aufgeschlossenen oder als Probe vorliegenden Bodenkörpers.

Die Bestimmung von Durchlässigkeiten in Bodenkörpern ist für deren unterschiedliche Nutzungsmöglichkeiten aber auch für die Bearbeitung der Böden von Bedeutung. Beispielsweise werden bei der Auswahl von Standorten zur Errichtung von obertägigen Deponien, bei der Prüfung der mineralischen Dichtungen während und nach der Bauphase von Deponien oder bei der Projektierung von Strömungsprozessen zur Bodenreinigung Aussagen über die Eigenschaften der Bodenkörper insbesondere seiner Durchlässigkeit benötigt. In der bisherigen Praxis erfolgt die Bestimmung der Durchlässigkeiten durch Labormessungen mit Wasserdurchströmungsanordnungen oder durch Wasserdrucktests, Pumpversuche oder ähnliche Testverfahren, die in situ am Bodenkörper mit dem Strömungsmedium Wasser durchgeführt werden. Aus praktischen Untersuchungen ist bekannt, daß die Durchlässigkeit mit verschiedenen Strömungsmedien ermittelt werden kann.

Die bekannten Anordnungen und Verfahren weisen den Nachteil auf, daß die Sättigungsverhältnisse im luft(gas)gesättigten Bodenkörper durch die Wasserinjektion verändert werden und dadurch ein kompliziert zu beurteilender Mehrphasenfluß zu bewerten ist. Weiterhin erfordert die Untersuchungsmethodik mit Wasser einen wesentlich höheren Zeitaufwand, der sich insbesondere bei schlecht durchlässigem Bodenkörper erheblich auswirkt. Ebenso führt eine Anwendung von Wasser als Strömungsmedium in Bohrungen, deren Öffnung nach unten weist, zu einer schlecht handhabbaren Anordnung für derartige Tests.

Ziel der Erfindung ist es, eine Bestimmung der Durchlässigkeit mit geringem Zeitaufwand sowohl im Bodenkörper in situ als auch an Proben des Bodenkörpers mit einem Gas als Strömungsmedium und eine einfache Handhabung sowie Meßwerterfassung zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gasmenge nach einer definierten Prozedur in den Bodenkörper zu leiten oder abzuziehen und so aus dem Druckverlauf eine Aussage über die Durchlässigkeit zu erhalten.

Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß zwischen dem Bodenkörper und einem definierten Volumen plötzlich ein Druckausgleich erzeugt und über dessen Verlauf die Durchlässigkeit des Bodenkörpers bestimmt wird. Zur Realisierung ist erfindungsgemäß der Bodenkörper über eine plötzlich auslösbare Absperreinrichtung mit einer volumendefinierten Druckluftquelle verbunden, wobei Druckmeßgeräte vor sowie nach der Absperreinrichtung angeordnet sind.

Damit wird in einem geschlossenen System, das aus einem mit dem Bodenkörper verbundenen Behälter besteht, in dem anfangs ein Druckunterschied zwischen dem Gasdruck im Behälter und dem Porenraumdruck im Bodenkörper vorgegeben wird, ein Druckausgleich erzeugt.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Anordnung für die in situ-Untersuchung,

Fig. 2 die Anordnung für die Proben-Untersuchung,

Fig. 3 die Darstellung des Druckverlaufs.

In einer Brunnen- oder Pegelbohrung 1, die durch Bohren oder Rammen hergestellt werden kann, ist das Rohr 2 mit dem Dichtungselement 3 eingebaut. Das Rohr 2 ist über das Auslaßventil 4 mit dem obertägigen Druckluft-Behälter 8 verbunden. Im Rohr 2 ist das sensible Druckmeßgerät 5 installiert, das übertägig mit der Registriereinrichtung 6 zur Registrierung der Druckveränderung im Bereich der Bohrlochwand 7 verbunden ist. Am Druckluft-Behälter 8 ist der Druckmesser 9 zur Drucküberwachung angeordnet. Vor dem Druckluft-Behälter 8 ist das Einlaßventil 10 angeordnet.

Die Wirkungsweise ist folgende:
Zur Bestimmung der Durchlässigkeit der Bodenschicht 11 wird der Druckluft-Behälter 8 bei geschlossenem Auslaßventil 4 mit Luft 12 aufgepumpt und dann das Einlaßventil 10 geschlossen. Im Anschluß daran wird das Auslaßventil 4 plötzlich geöffnet, so daß die Luft unter Überdruck in die Bohrung 1 strömt. Mit diesem Zeitpunkt beginnt der eigentliche Strömungs- und Meßvorgang zur Bestimmung der Durchlässigkeit. Die im Druckluft-Behälter 8 und im Rohr 2 unter Druck stehende Luft 12 strömt über die Bohrlochwand 7 in die poröse Bodenschicht 11. Der dadurch hervorgerufene Druckabfall wird mit dem Druckmeßgerät 5 gemessen sowie mit der Registriereinrichtung 6 registriert und für die Durchlässigkeitsbestimmung genutzt.

Es ist ebenfalls möglich, in dem Druckluft-Behälter 8 einen Unterdruck zu erzeugen und somit eine Gasentnahme aus der Bodenschicht 11 zu gewährleisten. Diese Methode bietet sich insbesondere in Verbindung mit einer Schadstoffkontrolle und der Entnahme einer Bodenluftprobe an. Das Anlegen eines Unterdruckes gibt gleichzeitig noch Hinweise auf die Sättigungsverhältnisse in der Bodenschicht 11. Für den Fall, daß kein Wasser in die Bohrung 1 eingedrungen ist, kann man schlußfolgern, daß kein freies Wasser in der getesteten Bodenschicht 11 enthalten ist.

Zur Durchführung der Durchlässigkeitsbestimmung an einem aus der Bodenschicht 11 entnommenen Bodenkörper im Labor ist die Probe 14 in den Probenhalter 13 fixiert (Fig. 2). Dabei ist der Probenhalter 13 über das Auslaßventil 4 mit dem Druckluft-Behälter 8 verbunden.

Die Wirkungsweise entspricht der in situ-Untersuchung. Die Erfindung ist besonders gut geeignet für schlecht durchlässige Bodenkörper. Mit unterschiedlichem Volumina für den Druckluft-Behälter ist eine meßtechnische Anpassung auf verschiedene Durchlässigkeitsbereiche möglich. Bei unbekannten Bodenschichten 11 ist die erste Messung mit einem kleinen Volumen für den Druckluft-Behälter 8 zu beginnen und danach die optimale Größe auszuwählen. Bei großen Durchlässigkeiten ist auch eine kontinuierliche Gasinjektion oder -entnahme über einen längeren Zeitraum zur Bestimmung der Durchlässigkeit anwendbar. Hier ist es dann erforderlich, neben der Messung des Druckes auch den Volumenstrom zu registrieren. Für k_f-Werte im Bereich von 10^-6 bis 10^-11 m/s ist mit geschlossenen Behältern eine sichere Durchlässigkeitsbestimmung zu erreichen. Zur Bestimmung der Durchlässigkeit aus dem registrierten Druckverlauf (Fig. 3) wird die diesem Vorgang zugrunde liegende Strömungsgleichung mit den entsprechenden Anfangs- und Randbedingungen halbanalytisch gelöst. Damit läßt sich der Druckverlauf für diesen Vorgang berechnen. Ein solcher Druckverlauf ist für unterschiedliche Parameter der Schicht- und Testanordnung zu berechnen und grafisch darzustellen. Diese für den beschriebenen Prozeß typischen Kurven sind unmittelbar für die Bestimmung der Durchlässigkeit nach der bekannten Typkurvenprozedur verwendbar. Ebenso ist unter Nutzung bekannter Suchalgorithmen eine unmittelbar "on-line"-Bestimmung der Durchlässigkeit auf effektive Weise über einen Computer möglich.

An einem Beispiel wird die Bestimmung der Durchlässigkeit erläutert:

Zur Auswertung wird nur der Druck-Zeit-Verlauf benötigt, der durch den Druckabfall wiedergegeben wird (Fig. 3). Die Bestimmung der Durchlässigkeit wird im Falle der Verwendung typischer Kurven doppelt logarithmisch dargestellt. Für die Auswertung ist eine Darstellung eines dimensionslosen Druckes auf der Ordinate und der Zeit auf der Abszisse vorzunehmen, wobei die Zeit zu Beginn des Druckabfalls auf Null gesetzt wird. Bei Angleichung der Meßpunktfolge an die typischen Kurven, die für verschiedene k_f-Werte und geometrische Bedingungen vorbestimmt sind, werden Deckungspunkte ermittelt und mit diesen Angaben die Berechnung des k_f-Wertes für den Bodenkörper vorgenommen.

Im Falle der automatischen rechnergestützten Suche wird ausgehend von einem geschätzten k_f-Wert durch systematische Veränderung dieses Wertes ein theoretischer Druckverlauf errechnet, der dem gemessenen so angepaßt wird, daß die Abweichung beider Kurven ein Minimum ergibt. Das Ergebnis ist wiederum der k_f-Wert des Bodenkörpers, der unter Berücksichtigung der Strömungseigenschaften und des Gasgesetzes ermittelt wird.

Bezugszeichenliste

1 Brunnen- oder Pegelbohrung
2 Rohr
3 Dichtungselement
4 Auslaßventil
5 Druckmeßgerät
6 Registriereinrichtung
7 Bohrlochwand
8 Druckluft-Behälter
9 Druckmesser
10 Einlaßventil
11 Bodenschicht
12 Luft
13 Probenhalter
14 Probe

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Durchlässigkeit eines durch eine Bohrung aufgeschlossenen oder als Probe vorliegenden Bodenkörpers, wobei der Bodenkörper mit Druck beaufschlagt wird und die eintretenden Druckänderungen ausgewertet werden, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Bodenkörper und einem definierten Volumen plötzlich ein Druckausgleich erzeugt und über dessen Verlauf die Durchlässigkeit des Bodenkörpers bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Druckausgleich durch Über- oder Unterdruck erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Druckausgleich nacheinander mit unterschiedlich großen Volumina erzeugt wird.

4. Anordnung zur Bestimmung der Durchlässigkeit eines durch eine Bohrung aufgeschlossenen oder als Probe vorliegenden Bodenkörpers, wobei der Bodenkörper über eine Absperrvorrichtung mit einer Druckluftquelle verbunden und ein Druckmeßgerät angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß der Bodenkörper über eine plötzlich auslösbare Absperrvorrichtung mit einer volumendefinierten Druckluftquelle verbunden ist und Druckmeßgeräte vor sowie nach der Absperreinrichtung angeordnet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Druckluftquelle mit unterschiedlich großen Volumina versehen ist.