DE102007009037A1

DE102007009037A1 - Horizontalfilterbrunnen

Info

Publication number: DE102007009037A1
Application number: DE102007009037A
Authority: DE
Inventors: Johannes Abt
Original assignee: ABT WASSER und UMWELTTECHNIK G; ABT WASSER- und UMWELTTECHNIK GmbH
Current assignee: ABT WASSER und UMWELTTECHNIK G; ABT WASSER- und UMWELTTECHNIK GmbH
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-09-11
Also published as: AT10281U1; DE102008039567A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Horizontalfilterbrunnens, umfassend: Abteufen eines im Wesentlichen vertikalen Schachts (S1); Abteufen mehrerer vertikaler Bodenbohrungen, benachbart zu dem Schacht (S2); Befüllen der Bodenbohrungen mit Filterkies (S3); im Wesentlichen horizontales Einbringen von Schutzrohren vom vertikalen Schacht aus in den eingefüllten Filterkies (S4), insbesondere unter einem Winkel von höchstens 10° zur Waagerechten; Einbringen von Filterrohren in die Schutzrohre (S5); Entfernen der Schutzrohre (S6) und Verbinden der Filterrohre mit dem Schacht (S7).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Horizontalfilterbrunnens, sowie auf einen solcherart hergestellten Horizontalfilterbrunnen.
Allgemein dienen Horizontalfilterbrunnen dazu, Wasser aus geringmächtigen Aquiferen bereitzustellen. Kürzlich wurde dazu das sogenannte "Hori-Well-Verfahren" beschrieben, dem gemäß, ausgehend von einem Vertikalschacht, gesteuerte Horizontalbohrungen im Vollschnitt-Vortriebsverfahren in der grundwasserführenden Schicht durchgeführt werden (Studie der Fa. Bertram Brunnenbau, September 2006), wobei das Bohrgut zerkleinert und mit einem hydraulischen System abgefördert wird. Die zwischenzeitliche Stabilisierung der Bohrungen erfolgt mit 2 m langen Schutzrohren des Durchmessers 520 mm.
Dieses Verfahren ist sehr aufwändig und kostenintensiv und wird daher als nachteilig empfunden.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein effizienteres Verfahren zur Herstellung eines Horizontalfilterbrunnens bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor, benachbart zu einem vertikalen Pumpschacht mehrere Bodenbohrungen abzuteufen, die Bodenbohrungen mit Filterkies zu befüllen, vom vertikalen Schacht aus horizontal Schutzrohre in den eingefüllten Filterkies einzubringen, Filterrohre in die Schutzrohre einzubringen, die Schutzrohre zu entfernen und die Filterrohre mit dem Pumpschacht zu verbinden.
Dabei kann das Einbringen der Schutzrohre in den Filterkies je nach den Bedingungen wie z. B. dem verwendeten Filterkies und der Horizontaldistanz unter Spülbohren oder ohne Spülfluid erfolgen. In beiden Fällen kann dem Schutzrohrstrang eine konische Spitze vorgesetzt sein. Trotz des im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren geringeren Aufwands sind damit überraschend große Distanzen bewältigbar.
Bei nicht zu geringmächtigen Aquiferen ist es vorteilhaft, mehrere horizontale Filterrohre in unterschiedlichen Tiefen einzubringen, um das Grundwasseraufkommen möglichst effizient zu nutzen.
Ferner ist es vorteilhaft, die peripheren Bodenbohrungen in Mitten-Abständen vorzunehmen, die geringer sind als die Summe der Radien dieser Bodenbohrungen, insbesondere kleiner als 90% dieser Summe, so dass sich die Bohrungen in einem gewissen Bereich überschneiden. Ein gesondertes Entsanden des Umgebungsbereichs der Filterrohre wird damit unnötig.
Einer der Vorteile des hier vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin, dass es mit vergleichsweise geringem Aufwand möglich ist, den zu nutzenden Aquifer auch dann bis zu seiner unteren Grenze auszuschöpfen, wenn – wie meistens – diese untere Grenze nicht eben ist, sondern Welligkeiten aufweist, indem solche etwaigen Lageunregelmäßigkeiten im Zuge des Abteufens der Bodenbohrungen auf einfache Weise beseitigt werden. Das herkömmliche Verfahren erzwingt demgegenüber kompliziertere Maßnahmen, um lateral durch nichtwasserführende und eventuell feinkörnige, tonige oder gar felsige Schichten zu bohren.
Ein weiterer Vorteil des hier vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass es mit ihm vergleichsweise wenig aufwändig ist, in verschiedenen Tiefen Filterrohrstränge einzubringen, denn gemäß dem herkömmlichen Verfahren wäre dazu jeweils eine eigene Horizontalbohrung im Vollschnitt-Vortriebsverfahren erforderlich.
Noch ein Vorteil des hier vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin begründet, dass keine besonderen Vorkehrungen getroffen zu werden brauchen, nach Abschluss der Filterrohreinbringung einen kostspieligen Bohrkopf wie den in dem herkömmlichen Verfahren verwendeten zu bergen, da die gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren eventuell verwendeten Spülbohrköpfe weniger Wert besitzen und daher ohne Weiteres im Boden verbleiben können.
Die Erfindung wird nachfolgend durch Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 einen in einem herkömmlichen Verfahren zu verwendenden Bohrkopf;
2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein beispielhaftes Anordnungsschema von Pumpschacht und peripheren Bodenbohrungen in Seitenansicht;
4 ein beispielhaftes Anordnungsschema von Pumpschacht und peripheren Bodenbohrungen in Aufsicht;
5 einen Ausschnitt aus 4.
In 1 ist schematisch ein Bohrkopf dargestellt, der für ein herkömmliches Vollschnitt-Vortriebsverfahren verwendet wird: Links ist ein Schneidrad 1 zu erkennen, das mit einem Abbauwerkzeug 2 verbunden ist. Dahinter folgt ein Brecherraum 3 mit Düsen 4 zur Zerkleinerung größerer Brocken. Dieser Teil wird von einem Drehantrieb 6 angetrieben und durch ein Hauptlager 5 gelagert. Die Ziffer 7 bezeichnet eine Schildgelenkdichtung, die Ziffer 8 einen Steuerzylinder und die Ziffer 11 eine ELS-Zieltafel. Durch die Speiseleitung 10 wird Wasser zugeführt, und das Bohrgut durch die Förderleitung 9 abgeführt.
In 2 ist ein Flussdiagramm dargestellt, welches den Ablauf der erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch erläutert, wobei die Abfolge nicht aller einzelnen Schritte entsprechend dem Diagramm festgelegt ist: Zunächst werden ein vertikaler Pumpschacht und periphere Bodenbohrungen abgeteuft (S1, S2). Die Bodenbohrungen werden dann mit Filterkies geeigneter Körnung befüllt (S3); Schritt S3 erfolgt also nach Schritt S2. In die Filterkiesfüllungen werden vom Pumpschacht aus Schutzrohre eingebracht (S4), nämlich durch fluidloses Pressen mittels eines hydraulischen Pressjochs, oder durch Spülbohren; Schritt S4 erfolgt also nach den Schritten S1, S2 und S3. In die Schutzrohre werden Filterrohre eingebracht (S5) und die Schutzrohre danach wieder entfernt (S6). Schließlich werden die Filterrohre mit dem Pumpschacht verbunden, damit aus ihnen Wasser gefördert werden kann.
3 zeigt in Seitenansicht und 4 in Aufsicht ein beispielhaftes Anordnungsschema von Pumpschacht 1 und peripheren Bodenbohrungen 2 in dem Aquifer 3: In der Seitenansicht nach 3 sind die Filterkiesfüllungen 4 der peripheren Bodenbohrungen 2 sowie die oben anschließenden Sand- und Erdfüllungen 6 angedeutet. Zusätzlich oder alternativ können die Bodenbohrungen 2 durch eine Tonlage gegen Verunreinigung von der Oberfläche her geschützt werden. Die radialen Filterrohrstränge 5, 5', 5'' des fertiggestellten Brunnens liegen hier zwischen der Obergrenze 3' und der Untergrenze 3'' des ursprünglichen Aquifers. Zumindest einige der Bodenbohrungen reichen aber bis unterhalb der ursprünglichen Untergrenze 3'' des Aquifers, um den Grundwasserstrom voll zu erfassen. Die beiden Filterrohrstränge 5' und 5'' auf der linken Seite liegen direkt übereinander, so dass zwischen ihnen Filterkies angeordnet ist. Mit dem Pumpschacht 1 sind die Filterrohrstränge 5, 5', 5'' über Anschlussstücke 7 verbunden. Während der vertikale Schacht 1 nur allenfalls sehr geringfügig von der Lotrechten abweichen sollte, ist es bei den hier als "horizontal" bezeichneten Schutz- und Filterrohrsträngen 5, 5', 5'' besser, eine geringe Neigung zur Waagerechten vorzusehen, damit das vom fertiggestellten Brunnen gesammelte Wasser zum Pumpschacht hin abläuft. Eine sinnvolle Neigung liegt hier zwischen 1° und 10° je nach den Umständen, z. B. wenn bei Betrieb des Brunnens mit Materialeintrag gerechnet werden muss und eine gewisse Spülwirkung der geförderten Wassers ausgenutzt werden soll. Diese Neigung kann entlang der Filterrohrstränge 5, 5', 5'' variieren und zwischen diesen unterschiedlich sein, z. B. um Welligkeiten der Aquifer-Untergrenze 3'' zu folgen. Im Übrigen werden die oberen Filterrohre 5' in einem von der geplanten Wasserentnahmerate und der erwarteten Wasserzustromrate abhängigen Tiefen-Abstand von der Oberkante 3' des ursprünglichen Aquifers 3 eingebracht, denn im Betrieb des Brunnens kommt es zu einer deutlichen Absenkung des Grundwasserspiegels in der Umgebung der Brunnenanlage.
In der Aufsicht gemäß 4 erkennt man die überlappende Anordnung einander benachbarter Bodenbohrungen 2, die durch gestrichelte Kreislinien angedeutet ist, sowie die radiale Ausrichtung der Filterrohrstränge 5 in dem fertiggestellten Brunnen nebst Anschlussstücken 7 zum Pumpschacht. Ebenfalls zu erkennen ist die Filterkies-Umgebung 4 der Filterrohrstränge 5 nach den Seiten, woraus eine verringerte Versandungsneigung resultiert. Die Korngrößen-Untergrenze liegt über der größten Schlitz- oder Lochweite der Filterrohre.
Während in dem Beispiel der 4 kein Überschneiden des Pumpschachts 1 mit den angrenzenden Bodenbohrungen 2 vorgesehen ist, wird in einer Variante zunächst wenigstens eine der angrenzenden Bodenbohrungen 2 abgeteuft und mit Filterkies 4 gefüllt, und erst dann der Pumpschacht 1 in Überschneidung mit der wenigstens einen angrenzenden Bodenbohrung 2 abgeteuft. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch aus der unmittelbaren Umgebung des Pumpschachts 1 kein Sandeintrag in die Filterrohre 5 erfolgt.
In 5 ist gezeigt, dass der Mittenabstand D, gemessen als Abstand zwischen den Bohrlochachsen M' und M'' benachbarter Bodenbohrungen 2, geringer ist als die Summe der beiden Bohrlochradien R' und R''. Während in dem Beispiel nach den 4 und 5 alle Bohrlochradien R', R'' gleich groß sind, sind in einer Variante nicht alle Bohrlochradien R', R'' gleich groß. In dem Beispiel der 5 beträgt der Mittenabstand D etwa 63% der Radiensumme; in anderen Beispielen kann er aber bis zu 90% betragen. Wegen des erhöhten Aufwands sind Abstände unter 50% der Radiensumme ineffizient, Abstände zwischen 60% und 80% hingegen bevorzugt. Unter günstigen Bedingungen des Aquifers 3 kann der Abstand D einzelner Bohrlochnachbarn auch etwas (beispielsweise bis zu 10%, oder bis zu 1 m) größer sein als die Radiensumme R' + R'', falls die dann zwischen den Bodenbohrungen 2 bestehenbleibende Erdschicht leicht durchdrungen werden kann und im Brunnenbetrieb kein erheblicher Materialeintrag in die Filterrohre 5 zu befürchten ist.
Die Bohrlochradien R', R'' betragen beispielsweise 400 mm bis 800 mm, vorzugsweise 440 mm bis 750 mm, weiter bevorzugt 500 mm bis 650 mm und insbesondere etwa 600 mm. Die Zahl dieser Bohrlöcher hintereinander pro Filterstrang beträgt beispielsweise 15 bis zu (und sogar über) 100; bevorzugt sind Lochzahlen von zwischen 40 und 80. Dabei werden Filterstranglängen von beispielsweise 20 m bis 100 m, vor zugsweise 40 m bis 70 mm erreicht. Der Durchmesser des zentralen Schachts liegt beispielsweise zwischen 2,8 m und 3,5 m, vorzugsweise zwischen 3 m und 3,2 m; die Tiefe der Bodenbohrungen beträgt beispielsweise 7 m bis 20 m, vorzugsweise 10 m bis 15 m, insbesondere bis zu etwa 12 m. Die Filterrohre haben Durchmesser von beispielsweise 200 mm bis 350 mm, und Wandstärken von beispielsweise 2 mm bis 10 mm. Insbesondere können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Wickeldrahtfilter eingesetzt werden, da deren Empfindlichkeit wegen des Einbringens der Filterrohre in Schutzrohre hier eine untergeordnete Rolle spielt. Der Schutzrohrdurchmesser beträgt beispielsweise 250 mm bis zu 400 mm, insbesondere etwa 50 mm bis 100 mm mehr als der Filterrohrdurchmesser. Die Rohrstücklängen liegen beispielsweise zwischen 1,5 m und 2,5 m. Die Bohrungen werden zweckmäßig im Trockenbohrverfahren, beispielsweise mittels Greifer oder im Schneckenbohrverfahren abgeteuft.
Der eingefüllte Filterkies weist zweckmäßigerweise Korngrößen und -verteilungen entsprechend den Gegebenheiten des Aquifers auf, also beispielsweise eine Verteilung mit jeweils weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 3%, weiter bevorzugt weniger als 1% nach Gewicht Unterkorn bzw. Überkorn; wobei die nominelle Korngrößen-Obergrenze jeweils höchstens das Doppelte, vorzugsweise 9/7 bis 16/9 der nominellen Korngrößen-Untergrenze beträgt, beispielsweise eine Obergrenze von 5,6 mm bei einer Untergrenze von 3,15 mm, eine Obergrenze von 8 mm bei einer Untergrenze von 5,6 mm, oder eine Obergrenze von 31,5 mm bei einer Untergrenze von 16 mm.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, mit geringem Aufwand und daher zügig und kostengünstig einen ergiebigen Horizontalfilterbrunnen zu errichten, mit dem insbesondere oberflächennahe geringmächtige wasserführende Schichten in optimiertem Maß ausgenutzt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Studie der Fa. Bertram Brunnenbau, September 2006 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Horizontalfilterbrunnens, umfassend: Abteufen eines im Wesentlichen vertikalen Schachts (1); Abteufen mehrerer vertikaler Bodenbohrungen (2) benachbart zu dem Schacht (1); Befüllen der Bodenbohrungen (2) mit Filterkies (4); im Wesentlichen horizontales Einbringen von Schutzrohren vom vertikalen Schacht (1) aus in den eingefüllten Filterkies (4), insbesondere unter einem Winkel von höchstens 10° zur Waagerechten; Einbringen von Filterrohren (5, 5', 5'') in die Schutzrohre; Entfernen der Schutzrohre; und Verbinden der Filterrohre (5, 5, 5'') mit dem Schacht (1)
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schutzrohre durch Spülbohren eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schutzrohre durch Pressen ohne Spülfluid eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend Einbringen eines ersten Teils der Filterrohre (5') oberhalb eines zweiten Teils der Filterrohre (5'').
Verfahren nach Anspruch 4, wobei zwischen dem ersten Teil der Filterrohre (5') und dem zweiten Teil der Filterrohre (5'') Filterkies (4) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei der Bodenbohrungen (2) einen seitlichen Mitten-Abstand D voneinander haben, der kleiner ist als die Summe der Radien, R' + R'', der beiden Bodenbohrungen (2).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der seitliche Mitten-Abstand D weniger als 90% der Summe der Radien, R' + R'', beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der seitliche Mitten-Abstand D mehr als 50% der Summe der Radien, R' + R'', insbesondere 60% bis 80% von R' + R'' beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend Abteufen wenigstens einer der Bodenbohrungen (2) bis unterhalb des ursprünglichen Aquifers (3) an dieser Stelle.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend Einbringen wenigstens eines Teils der Filterrohre (5'') so, dass sie unterhalb des ursprünglichen Aquifers (3) an dieser Stelle zu liegen kommen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend das Aufbringen einer Deckschicht (6) auf den Filterkies (4).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Verbinden der Filterrohre (5, 5', 5'') mit dem Schacht (1) Anschlussstücke (7) verwendet werden und die Anschlussstücke (7) mit einer Pumpe zum Abpumpen des bereitgestellten Wassers verbunden werden.