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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leckageüberwachung an Objekten und Bauwerken, insbesondere an Dämmen, Deichen, Uferbefestigungen, Klärbecken, sonstigen Wasserbauwerken, Speicher- und Rückhalteeinrichtungen für Flüssigkeiten und dergleichen, durch Ermitteln von thermischen Parametern im Boden mittels thermischer Sensoren, wobei als passive Temperatursensoren Lichtwellenleiter eingesetzt werden und wobei im Falle einer Leckage das Leck durch Ermitteln der Temperaturänderungen im Leckagebereich erfasst wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Leckageüberwachung an Objekten und Bauwerken, insbesondere an Dämmen, Deichen, Uferbefestigungen, Klärbecken, sonstigen Wasserbauwerken, Speicher- und Rückhalteeinrichtungen für Flüssigkeiten und dergleichen, durch Ermitteln von thermischen Parametern im Boden mittels thermischer Sensoren, wobei die Vorrichtung als passive Temperatursensoren einen oder mehrere Lichtwellenleiter umfasst.
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Die Früherkennung und Detektion von Leckagen ist beispielsweise bei den genannten Objekten und Bauwerken für deren Standsicherheit von vitaler Bedeutung. Veränderungen von Strömungsvorgängen in den Bauwerken selbst (z. B. Erddämmen) und in dem sie umgebenden Erdreich erfolgen meist sehr langsam, oft ohne äußerlich sichtbare Anzeichen. Eine einsetzende innere Erosion kann jedoch sehr rasch zum Versagen der Standsicherheit und damit zur Zerstörung des Bauwerks führen. Bei Speichereinrichtungen kann darüber hinaus der Austritt des Mediums, beispielsweise Abwasser, zu gravierenden Umweltschäden führen. Üblicherweise wurden zur Früherkennung von Schäden an den oben genannten Bauwerken verschiedene geotechnische Verfahren wie Geoelektrik, Georadar, chemische Tracer, Infrarot-Thermographie und Temperaturmessungen in Piezometern und anderen in das Bauwerk eingebrachten Rohren, eingesetzt. Alle diese Verfahren weisen verschiedene Nachteile auf und sind teilweise für eine Dauerüberwachung nicht geeignet.
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Geoelektrische Verfahren wie Eigenpotentialmessungen, geoelektrische Profile und sogenannte „mise-à-la-masse”-Verfahren lassen Aussagen über den elektrischen Widerstand des Erdreichs zu. Durch ein Leck eindringendes Wasser wird den elektrischen Widerstand verändern. Leider beeinflussen auch eine Reihe anderer Parameter den elektrischen Widerstand, so dass die Messergebnisse geoelektrischer Verfahren immer mehrdeutig sind.
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Die elektromagnetischen Wellen des Georadar dringen zwar mehrere Meter in den Untergrund ein; Daten unterhalb von ca. 2 m sind aber, insbesondere bei inhomogenem Untergrund, wie er in den oben genannten Bauwerken oft vorkommt, schwierig zu interpretieren.
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Chemische Tracer wie Salze, fluoreszierende oder radioaktive Stoffe werden zum Nachweis von Sickerströmungen in Erdbauwerken eingesetzt. Neben dem zum Teil erheblichen negativen Einfluss auf die Umwelt, haben die Tracer-Verfahren den Nachteil, dass Wiederholungsmessungen wegen der langanhaltenden Kontamination nicht oder nur nach sehr langer Zeit durchführbar sind. Eine Dauerüberwachung ist mit diesen Verfahren überhaupt nicht möglich.
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Der Nachweis von Sickerströmungen mittels Oberflächentemperaturverfahren wie Multispektral- oder Infrarot-Thermographie ist schwierig, da die durch Sickerwasser hervorgerufenen Temperaturanomalien an der Oberfläche durch klimatische und antropogene Faktoren nachhaltig beeinflusst werden.
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Es sind verschiedene Temperaturverfahren zur Leckortung bekannt und werden in „Messung von thermischen Feldern zur Überwachung von Dämmen”, H. Armbruster, Symposium für Erd- und Grundbau, München, Geotechnik, 1983, Seiten 249–254, und in der deutschen Patentschrift
DE 41 27 646 C2 beschrieben. Den Verfahren ist gemeinsam, dass ausgenutzt wird, dass über Temperaturmessungen im Boden Sicker- oder Grundwasserströmungen nachgewiesen werden können, und dass einzelne Sensoren, vorzugsweise Messwiderstände, in verschiedenen Tiefen in das Erdreich des jeweiligen Objektes oder Bauwerks eingebracht werden. Im Verfahren nach der
DE 41 27 646 C2 wird zur Bestimmung thermischer Parameter im Boden ein Hohlgestänge aus zylindrischem Rohr mit einer Kegelspitze in den Boden eingebracht, wobei im Hohlgestänge eine Messsonde mit in einer Sensorkette angeordneten Sensoren vorgesehen ist.
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Aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 93 18 404 U1 ist eine Einrichtung zum Bestimmen von Temperaturen unter Zuhilfenahme von Lichtwellenleitern (LWL) bekannt. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit der Rückstreuung in Lichtwellenleitern ausgenutzt, wobei auf das zugrundeliegende physikalische Grundprinzip weiter unten noch näher eingegangen wird. Diese Einrichtung wird zur Überwachung der Temperaturentwicklung in Deponien verwendet. Nach der
DE 93 18 404 U1 kommen als flächiges Gebilde mit Mäanderform angeordnete Lichtwellenleiter, aber auch in Schneckenform, nach Art konzentrischer Kreise oder mit Überkreuzungen angeordnete Lichtwellenleiter zum Einsatz. Der Lichtwellenleiter kann auch innerhalb der Deponie in je einer unterhalb und oberhalb der abdichtenden Basistonschicht angeordneten Messebenen verlegt werden. Aus den gemessenen Temperaturwerten kann der geothermische Gradient und die thermische Diffusivität im Bereich der abdichtenden Basistonschicht und aus den Werten der thermischen Diffusivität das räumliche und zeitliche Verhalten der Dichtheit der abdichtenden Basistonschicht bestimmt werden. Die Erfassung von Wasserströmungen, etwa Aussickerungen aus dem Innenbereich der Deponie in den Außenbereich der Deponie, werden in
DE 93 18 404 U1 nicht erwähnt und betrachtet. Für diesen Anwendungsfall oder für die Verwendung zur Leckagedetektion bei den eingangs genannten Objekten und Bauwerken sind die aus der
DE 93 18 404 U1 bekannten Lichtwellenleiteranordnungen nicht geeignet, da nach der bekannten Art der Anordnung die Verlegung von Lichtwellenleitern in sehr großem Ausmaße notwendig wären, was einen erheblichen materiellen und einen immensen technischen (Auswertung) Aufwand bedeuten würde.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 40 19 980 A1 ist ferner eine Temperatursensoranordnung bekannt, die über eine Faseroptik verteilt ist und Raman-Streulicht ausnutzt.
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Die japanische Patentanmeldung
JP 07092054 A beschreibt die Leckortung an einer Wasserbarrierenfläche durch Anordnung eines exotherm mit Wasser reagierenden Materials zwischen zwei entlang der Wasserbarrierenfläche angeordneten Schichten. Die Temperaturmessung erfolgt über einen dem exotherm mit Wasser reagierenden Material zugeordneten Temperatursensor aus einer optischen Faser über Ausnutzung des Raman-Streulichtes.
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Aus 1. DGG-Kolloquium „Wärmetransport in der Kruste-Beiträge zur allgemeinen und angewandten Geothermik”, Wennigsen, 2.–3. November 1995, E. Hurtig et al.: „Untersuchung von Sickerströmungen durch Dämme und Deiche mit Hilfe faseroptischer Temperaturmessungen”; in: Sonderband II/1996, ISSN-Nr. 0947-1944, Seiten 118 bis 121, ist bekannt, dass die zeitgleiche Messung der Temperaturverteilung längs großer Strecken neue Möglichkeiten im Vergleich zu Temperaturmessungen mit Einzelsensoren oder kurzen Sensorketten eröffnet und für eine Dauerüberwachung ein faseroptisches Kabel in einer bestimmten Tiefe auf der Binnenseite eines Dammes horizontal und gleichzeitig vertikal in Bohrungen installiert werden kann, so dass eine zeitgleiche zweidimensionale Vermessung des Temperaturfeldes und des Durchströmungsverhaltens eines Dammes möglich ist.
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In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 43 04 545 A1 ist ein Sensorkabel beschrieben, welches mindestens ein Paar von auf der gesamten Länge im Sensorkabel liegenden Lichtwellenleitern umfasst, welches am Ende des Sensorkabels eine geschlossene Schlaufe bildet. Die Lichtwellenleiter sind in das Sensorkabel eingebettet. Ein Austausch von Lichtwellenleitern im Sensorkabel ist nicht vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, die es ermöglichen, Dämme, Deiche, sonstige Uferbefestigungen, Klärbecken, Speicher- und Rückhalteeinrichtungen und dergleichen auf Leckagen zu überwachen. Dabei sollte die Erfindung insbesondere einen nachträglichen Einbau in bestehende Objekte oder Bauwerke zulassen. Die Erfindung sollte außerdem eine permanente und dauerhafte Überwachung ermöglichen. Die Überwachung und Leckagedetektion sollte dabei einerseits möglichst genau, aber andererseits auch auf einfache Art und Weise erfolgen. Das Verfahren sollte ferner eine automatisierte Überwachung ermöglichen und insbesondere auf manuelle Messungen gänzlich verzichten können.
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Verfahrensgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem ein rohrförmiges Element senkrecht in das Bauwerk eingebracht wird, wobei ein Röhrchen oder Schlauch im Innern des rohrförmigen Elements oder entlang dessen Außenseite schlaufenförmig angeordnet ist, und ein oder mehrere Lichtwellenleiter nachträglich in das Röhrchen oder den Schlauch eingebracht werden.
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Durch die schlaufenartige Verlegeweise wird bei entsprechend gewähltem Abstand der einzelnen rohrförmigen Elemente eine flächenhafte Erfassung des Temperaturfeldes ermöglicht. Ein weiterer Vorteil dieser Verlegeanordnung ist die Datenredundanz, die durch die doppelte Erfassung der Temperaturen in jeder einzelnen Schlaufe möglich wird. Und durch die Verlegung der Lichtwellenleiter in einem Röhrchen oder einem Schlauch sowie dadurch, dass das Röhrchen oder der Schlauch in die rohrförmigen Elemente eingebracht werden oder an der Außenseite der eingerammten rohrförmigen Elemente entlang geführt werden, können die Lichtwellenleiter nachträglich in die Röhrchen oder Schläuche eingeführt werden. Vorteil dieser Methode ist es, dass zum einen der Lichtwellenleiter gut geschützt ist und außerdem ohne Ausbau der eingerammten rohrförmigen Elemente leicht ersetzt werden kann.
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Die Erfindung nutzt dabei aus, dass sich Temperaturänderungen infolge des konvektiven Wärmetransports über eine (aus-)strömende Flüssigkeit im Außenbereich einstellen.
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Die Temperaturverteilung in Dämmen, Deichen, sonstigen Uferbefestigungen und Wasserbauwerke, Speicher- und Rückhalteeinrichtungen und im Erdreich in der Umgebung solcher Bauwerke, in denen keine Leckagen vorhanden sind, wird durch reine Wärmeleitung bestimmt. In Klimazonen, in denen ein jahreszeitlicher Temperaturgang vorhanden ist, zeigt auch die Temperaturverteilung in oben genannten Bauwerken eine jährliche, von der Tiefe abhängige Variation. Bedingt durch die geringe Wärmeleitfähigkeit und die große Wärmekapazität der üblicherweise verwendeten Baumaterialien klingt die jahreszeitlich bedingte Temperaturvariation mit der Tiefe rasch ab. In ca. 10–20 m ist nahezu keine Temperaturänderung mehr zu beobachten. Neben der Amplitudenabnahme der Temperaturstörung mit der Tiefe, verursachen die geringe Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherungsprozesse eine Phasenverschiebung der Temperaturstörung. In Europa wird in ca. 10 m Tiefe die höchste Bodentemperatur im Winter und die niedrigste Temperatur im Sommer erreicht.
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Die durch ein Leck verursachte Sickerwasserbewegung ist immer mit konvektivem Wärmetransport verbunden. Schon bei Fließgeschwindigkeiten von 10–7–10–6 m/s überwiegt der an das Sickerwasser gebundene konvektive Wärmetransport den konduktiven Anteil. Deshalb wird das Temperaturfeld in von Sickerwasser durchströmten Bereichen des Bauwerks von der Temperatur des Sickerwassers nachhaltig gestört. Durch Temperaturmessungen kann diese Temperaturstörung und damit die Leckage detektiert werden.
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Durch die Verwendung eines oder mehrer Lichtwellenleiter als ausgedehnter linienförmiger Temperatursensor und bei entsprechend gewählter Verlegeweise ist die flächen- bzw. volumenhafte Erfassung des Temperaturfeldes auf einfache Art und Weise möglich.
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Wird für die Verlegung ein Lichtwellenleiter mit mehreren Fasern gewählt, so kann parallel zur Temperaturmessung, eine oder auch mehrere Fasern zur Datenübertagung genutzt werden. Mit dieser Verlegetechnik lassen sich nicht nur einzelne oder mehrere zueinander parallel verlaufende Längsprofile realisieren; auch Querprofile sind möglich. Ein Vorteil dieser Art der Verlegung von Lichtwellenleitern bei Querprofilen oder bei mehreren zueinander parallel verlaufenden Längsprofilen besteht darin, dass kein Rohr oder Kabel in Richtung des hydraulischen Gefälles verlegt werden muss. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung bei der Installation von Querprofilen oder mehreren zueinander parallel verlaufenden Längsprofilen ist die Möglichkeit der Bestimmung der Sickergeschwindigkeit des Mediums und die Abschätzung des austretenden Volumens aus dem Temperaturfeld im jeweiligen Bauwerk oder Objekt.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann der Lichtwellenleiter auch teilweise durch die gespeicherte oder eingedämmte Flüssigkeit geführt werden. Damit kann die Temperatur der Flüssigkeit, beispielsweise als Referenz, miterfasst werden und, falls erwünscht, kann die Temperatur der Flüssigkeit auch überwacht werden.
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Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem ein rohrförmiges Element senkrecht in das Bauwerk eingebracht ist, wobei ein Röhrchen oder Schlauch im Innern des rohrförmigen Elements oder entlang dessen Außenseite schlaufenförmig angeordnet ist, und ein oder mehrere Lichtwellenleiter nachträglich in das Röhrchen oder den Schlauch einbringbar sind. Werden ein oder mehrere Lichtwellenleiter schlaufenförmig so verlegt, dass Temperaturen in unterschiedlichem Abstand zum eingedämmten oder gespeicherten Medium, beispielsweise Wasser, erfasst werden können, so kann im Falle einer Leckage aus den gewonnenen Temperaturdaten die Sickergeschwindigkeit des Mediums bestimmt und das austretende Volumen abgeschätzt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung und Verlegung der Lichtwellenleiter, durch deren große Länge über die kontinuierlich Temperaturen bestimmt werden können, und durch die flächenhafte oder räumliche Erfassung des Temperaturfeldes, ist eine kontinuierliche Leckageüberwachung an Dämmen, Deichen, Uferbefestigungen, sonstigen Wasserbauwerken, Klärbecken, Speicher- und Rückhalteeinrichtungen auf einfache Art und Weise möglich. Die mittels Computer gesteuerte, vollautomatisierte Temperaturmessung längs des oder der Lichtwellenleiter ermöglicht eine permanente Dauerüberwachung ohne manuelle Eingriffe.
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Das erfindungsgemäße Verfahren oder die erfindungsgemäße Vorrichtung können in äquivalenter Weise zur Überwachung von Flüssigkeitsströmungen aus einer Deponie verwendet werden. Dabei werden ein oder mehrere Lichtwellenleiter im Seitenbereich einer Deponie angeordnet.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Darstellung des bekannten physikalischen Grundprinzips der temperaturabhängigen Rückstreuung in Lichtwellenleitern,
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2 eine Darstellung der schlaufenförmigen Anordnung des Lichtwellenleiters in einem Damm,
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3 ein Ausführungsbeispiel eines vertikal angeordneten Schlaufenastes der erfindungsgemäßen schlaufenförmigen Anordnung des Lichtwellenleiters, und
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines vertikal angeordneten Schlaufenastes der erfindungsgemäßen schlaufenförmigen Anordnung des Lichtwellenleiters.
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In 1 ist eine schematische Darstellung der physikalischen Prinzipien der Temperaturmessung mittels Lichtwellenleitern nach dem Stand der Technik dargestellt. In 1a ist zu sehen, wie auf der einen Seite des Lichtwellenleiters LWL ein Lichtpuls 2 eines gepulsten Lasers in den Lichtwellenleiter LWL eingespeist wird. Bei der Ausbreitung des Lichtes wechselwirkt dieses mit den Molekülen 3 des Lichtwellenleiters LWL und wird teilweise zurückgestreut. Das Rückstreulicht setzt sich aus drei Anteilen zusammen (siehe dazu 1b und 1c):
- – dem nicht temperaturabhängigen Rayleigh-Streulicht,
- – der Stokes-Komponente Is und
- – der Anti-Stokes-Komponente Ia,
die durch Stöße der Photonen mit optischen Phononen entstehen. Dadurch kommt es zu temperaturabhängigen Frequenzverschiebungen des rückgestreuten Lichts. Durch die Temperaturabhängigkeit vor allem des Anti-Stokes-Anteils ist es nun durch einfache Verhältnisbildung zwischen dem Stokes- und dem Anti-Stokes-Anteil möglich, die Temperatur im LWL selbst zu bestimmen. Durch die Verwendung sehr kurzer Laserpulse (5–10 ns) ist es möglich, über die Laufzeit des Lichts den Ort der Streuung und damit die Temperatur an dieser Stelle zu bestimmen. Die Ortsauflösung handelsüblicher Systeme liegt bei ca. 1 m, die Temperaturauflösung bei ca. 1°K oder darunter. Der Lichtwellenleiter LWL kann, wie in 1a dargestellt, von einer Ummantelung 4 umgeben sein. Am Ende des Lichtwellenleiters LWL tritt ein in der Intensität verringerter Lichtimpuls 5 aus.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist die flächen- oder volumenhafte Erfassung der Temperaturverteilung in dem zu überwachenden Objekt oder Bauwerk.
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In 2 ist die schlaufenförmige Verlegung des Lichtwellenleiters LWL in senkrecht in das Bauwerk eingebrachte rohrförmige Elemente 8 schematisch dargestellt. Der Lichtwellenleiter LWL ist in vertikal verlaufenden Schlaufenästen 6 zwischen horizontal verlaufenden Schlaufenverbindungsstücken 7 angeordnet. Die Schlaufenverbindungsstücke 7 weisen dabei bevorzugt eine einheitliche Länge auf, so dass die Schlaufenäste 6 äquidistant angeordnet werden. Die Länge L der horizontal verlaufenden Schlaufenverbindungsstücke 7 beträgt beispielsweise 20 m und die Tiefe T der vertikalen Schlaufenäste 6 beispielsweise 10 m. Zwischen den einzelnen rohrförmigen Elementen 8 wird der Lichtwellenleiter LWL in einem Kabelgraben abhängig vom Kabelaufbau entweder direkt im Erdreich oder in einem Schutzelement, beispielsweise einem Schutzrohr, verlegt. Der Durchmesser der vertikal verlaufenden rohrförmigen Elemente 8, beispielsweise zwischen 15 und 150 mm, wird im wesentlichen vom minimal möglichen Biegeradius des verwandten Lichtwellenleiter-Kabels bestimmt.
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3 und 4 zeigen schematisch die Verlegung eines Lichtwellenleiters LWL in Röhrchen oder Schläuchen 10, die entweder im Inneren der eingerammten rohrförmigen Elemente 8 (3) oder entlang deren Außenseite (4) verlegt sind. In diese Röhrchen oder Schläuche 10 wird dann nachträglich der oder die Lichtwellenleiter LWL eingebracht. Um zu große Lichtverluste am Schlaufenende im Bereich der im Ausführungsbeispiel teilweise kegelförmigen Spitze 9 zu vermeiden, muss der Biegeradius des Lichtwellenleiters LWL möglichst groß sein. Deshalb wird hier der Durchmesser der Spitze 9 des eingerammten rohrförmigen Elements 8 größer als der Durchmesser des eigentlichen rohrförmigen Elements 8 gewählt. In dieser Spitze 9 ist dann die Schlaufe des Schlauches bzw. Röhrchens 10 untergebracht. Wird das Röhrchen oder der Schlauch 10 und darin der Lichtwellenleiter LWL an der Außenseite des eingerammten rohrförmigen Elements 8 entlang geführt, so kann das Röhrchen 10 im Bedarfsfall mit Befestigungselementen 11 an dem rohrförmigen Element 8 befestigt werden.
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Beim Einsatz einer „verlorenen” Spitze besteht die Möglichkeit, nach dem Einbringen des Röhrchens die Spitze vom Führungsrohr abzutrennen und Abdichtungsmaterial in den entstandenen Hohlraum über ein Führungshohlrohr beim Herausziehen des Führungsrohres zu verpressen.
