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System zur Überwachung von gedichteten Wasserbauwerken Die Erfindung
betrifft ein Meßverfahren und Auswertverfahren, mit dem an gedichteten Bauwerken
z.B. schiffbaren Kanälen, künstlichen Staubecken u.s.w. Schäden der Dichtungsschicht
erkannt werden können. Durch ein besonderes Meßverfahren soll eine möglichst frühzeitige
Erfassung von austretende Wasser ermöglicht werden.
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Die bis heute üblichen Verfahren zur Erkennung von Undichtigkeiten
basieren auf folgenden zwei Grundprinzipien: - System mit überwachtem Sicherheitsraum
- Systeme, die zwei räumlich getrennte Mengenmessungen miteinander vergleichen Beide
oben erwähnte Verfahren sind wegen der großen räumlichen Ausdehnung eines schiffbaren
Kanals oder eines künstlichen Stausees nicht anwendbar.
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Die Aufgabe wird erfindergemäß dadurch gelöst, daß zur Erfassung
des austretenden Wassers ein elektrisch arbeitendes Meß- und Auswertverfahren angewandt
wird. Es nutzt die Tatsache, dß sich der spezifische Widerstand von Sand verringert,
sobald dieser Wasser aufgenommen hat. Die Auswerteinrichtung unterscheidet durch
eine Diffennzschaltung jahreszeitliche Feuchtigkeitsschwankungen von möglichen Schäden
der Dichtungsschicht des zu überwachenden Dammbauwerkes.
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Um die Verhältnisse besser beurteilen zu können, soll eine Detaildarstellung
die Arbeitsweise des Verfahrens erläutern: 1.Bautechnische Anforderungen für den
Einbau des Systems: Voraussetzung für die Anwendung des vorgeschlagenen Meßverfahrens
ist die Grundwasserfreiheit des Einbauortes. Dies ist zum Beispiel bei hohen Kanaldämmen
sichergestellt. Hier ist auch das Schutzbedürfnis am höchsten.
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In Fig.1 wird schematisch ein Kanalquerschnitt dargestellt.
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Große Wasserbauwerke bedürfen eines tragfähigen Untergrundes.
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Dies gilt ganz besonders für gedichtete Bauwerke, da der Untergrund
unmittelbar die Dichtungsschicht f stützen muß. Vielfach muß deshalb nicht tragfähiges
Material ausgekoffert werden und durch eine Sandschicht ersetzt werden.
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In die Sandschicht werden in gleichem Abstand übereinander zwei Elektroden
p und q eingebracht, deren einzelne parallele Strahlen sich recht winklig kreuzen;
(andere Elektrodenformen sind ebenfalls möglich) . Die Abmessungen richten sich
nach der Wasserspiegelbreite g.
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Der Einbau ist relativ einfach, da große Dämme schichtenweise geschüttet
werden. Es müssen also vor dem Schütten der letzten Schichten die Elektroden eingebaut
werden.
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Dabei sollten die Abstände a zwischen der Dichtungsschicht f und der
oberen Elektrode q bzw. unteren Elektrode p ungefähr gleich sein. Außerdem soll
das Sandmaterial über und zwischen den Elektroden homogener Art sein. Drainagerohre
müssen auBerhalb der Elektroden eingebaut werden. Die Flächendrainage d ist bei
undurchlässigem Untergrund e erforderlich.
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Obige Maßnahmen dienen dazu, austretendes Wasser möglichst gleichmäßig
zu verteilen.
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Damit wird sichergestellt, daß die in bestimmter Maschenweite angeordneten
Elektrodenstrahlen teilweise benetzt werden.
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Als Material für die Elektroden wird verbleites Kupferseil, alternativ
verbleiter oder verzinkter Stahl verwendet, um eine gute Langzeitstabilität zu erreichen
und um Korrosionseinflüsse zu vermeiden. Die Kabelverbindungen h vom Meßschacht
i zu den Elektrodenstrahlen werden als isolierte Leitungen ausgeführt.
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2.MeBtechnisches Prinzip und Aufbau: Das Meßverfahren nutzt die Eigenschaft
vieler feinkörniger Materialien (z.B.Sand), die mit zunehmendem Wassergehalt ihren
elektrischen Widerstand verringern. Von einigen Baumaterialien liegen Kurvenzüge
vor, die in Abhängigkeit von der aufgenommenen Feuchtigkeit (in Gewichtsprozenten)
den spezifischen Widerstand angeben ( siehe BBC Mitteilung 1980 Heft 1 für Sand,
Ton und Moorboden).
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Wenn nun mit einer Erdungsmeßbrücke nach dem Wennerverfahren der
spezifische Widerstand eines bekannten Materials gemessen wird, läßt sich über die
zugehörige Kurve der Feuchtegehalt des gemessenen Materials bestimmen.
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Als Meßmedium liegt bei Kanalbauten- wie schon zuvor erwähnt -vielfach
Sand vor, der ca. 7 % Wassergehalt im eingebauten Zustand aufweisen dürfte.
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Aus der Kurve ergibt sich hiermit ein Widerstand von ca.450R.
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Bei wassergesättigtem Sand (ca. 22 % Wassergehalt) beträgt der Widerstand
ca. 110n. Damit ergibt sich ein Änderungsverhältnis von ca. 1:4.
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Die horizontal angeordneten Elektroden mit dem dazwischenliegenden
Sandmaterial kann man sich in einem Rechenmodell wie eine Vielzahl von parallelgeschalteten
Widerständen vorstellen.
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Annahme: 100 Widerstände RT sind gleichmäßig über die gesamte Elektrodenfläche
verteilt.
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Im ungestörten Zustand ( 7% Wassergehalt ) ergibt sich iRTGes = RT/100
= 0,01 RT. Bei der Durchfeuchtung von 4% der Elektrodenfläche ergibt sich für die
trockenen Widerstände" R R 96 Gemäß obiger Ableitung werden sich die "feuchten Widerstände"
auf RF = 2 reduzieren, wenn der Wassergehalt dieses Sand stückes 4 von 7 % auf 22
% steigt.
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Bei 4 8 durchfeuchteter Fläche entspricht dies RF RF1 = 4 - 16 Daraus
ergibt sich RT1 X RF1 = 0,00893 RT RGesF - RT1 + RF1 Damit relative Widerstandsverringerung
: 10,7 % Vorläufige Modellversuche haben ergeben, daß bei Austritt von ca. 25 m2
Wasser (umgerechnet auf Kanalmaße) sich der gemessene Strom um ca. 10 % erhöht.
Dies dürfte für eine sichere Erfassung kleiner Schäden ausreichen.
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Bei längerem Wasseraustritt in das Sandbett würde nach und nach eine
größere Sandmenge durchfeuchtet, wodurch sich schließlich die Sickerlinie erhöhen
würde. Spätestens dann würde ein starker Stromanstieg den gestiegenen Feuchtigkeitsgehalt
signalisieren.
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Die im Bauwerk eingebauten Elektroden können verschieden angeordnet
und gestaltet sein; (z.B. einzelne Elektrodenseile oder Spieße beidseitig , parallel
des Dammes oder nebeneinander im Damm). Diese Anordnungen haben aber Nachteile auf
die Zuverlässigkeit des Verfahrens, wie sie auch. von der Meßmethode zur Bestimmung
des spezifischen Erdwiderstandes nach Wenner bekannt sind.
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-leichte Beeinflussung durch leitende Materialien bzw. Metallteile
über-und unterhalb der Meßstrecke -relative große, nicht definierte Ausbreitung
der Meßströme ( z.B. Beeinflussung durch den schwankenden Grundwasserspiegel) -unempfindliches
Verhalten bei Befeuchtung von kleinen Sandmengen zwischen den Elektroden
Aufgrund
folgender Überlegungen ergab sich eine waagrechte Anordnung de,r Elektroden p und
q unter dem zu überwachenden Bauwerk. Die Strahlen der oberen und unteren Elektroden
kreuzen sich senkrecht im Abstand a.
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- schnelle Erfassung des austretenden Wassers bei Dichtungsschäden
- durch die kreuzweise Strahlenanordnung der Elektroden wird eine optimale räumliche
Feldverteilung und somit verbesserte Empfindlichkeit, besonders bei kleinen durchfeuchteten
Stellen erwartet - genau definierte Überwachungsbereiche - verringerte Beeinflussung
durch vagabundierende Ströme, da diese sich überwiegend in der waagrechten Ebene
ausbreiten Bei Erdmessungen muß außerdem versucht werden, die Elektrodenübergangswiderstände
möglichst zu unterdrücken, z.B. durch Hilfselektroden.
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Im Gegensatz dazu sollen hier die Übergangswiderstände der Elektroden
dazu beitragen, die Änderung der Feuchtigkeit besser zu erfassen. Außerdem ist nicht
der absolute Wert der Messung entscheidend, sondern die relative Änderung.
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Um fehlerhafte Messungen zu vermeiden, müssen verschiedene Störeinflüsse
ausgeblendet werden. Dazu trägt die besondere Elektrodenanordnung (horizontal) mit
relativ geringen Abständen und dem abgegrenzten Meßbereich bei. Dennoch müssen zur
Unterdrückung von vagabundierenden Strömen und Spannungen besondere Maßnahmen ergriffen
werden, wie sie auch bei den gebräuchlichen Erdungsmeßverfahren angewandt werden.
In Fig.2 ist das Meß-und Auswertverfahren dargestellt. Die Elektroden p und q werden
von einem Generator s mit einer Sinusspannung von z.B. 210 hz gespeist, die weder
ein Vielfaches von 50 Hz noch von 16 2/3 Hz sind. Der resultierende Strom wird von
einer Meßeinrichtung r über ein schmalbandiges Filter gemessen (alternativ getaktetes
Meßverfahren) und in ein genormtes Analog-oder Digitalsignal umgeformt.
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Eine Auswertung der Phasenlage zwischen Speisespannung und gemessenem
Strom kann bei hohen Meßfrequenzen zusätzlich Feuchteänderungen kennzeichnen.
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Die erforderlichen Geräte Generator s und Meßeinrichtung r werden
vor Ort, d.h. am Dammfluß im Schacht i angeordnet.
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Die Elektroden p und q werden sinnvoll nur in einer bestimmten Größe
ausgeführt, z.B. 50 x 50 m mit 10 Strahlen, Abstand a ca. 1 m.
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Zur Uberwachung eines Kanalstückes müssen mehrere Elektrodenpaare
aneinander gereiht werden. Um eine gegenseitige Beeinflussung der Messungen zu vermeiden,
werden die Elektrodenpaare mit verschiedenen Wechselspannungen f1, f2, f3 betrieben,
entsprechend der Frequenzabstimmung der Generatoren s1,s2,s3.
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Andere Einflüsse, wie witterungsbedingte Änderungen werden weitgehend
durch den geschützten Einbau der Elektroden vermieden. Die relativ starken Schwankungen
der Bodenfeuchtigkeit (ca.30 %) im Laufe eines Jahres müssen im Ausswertverfahren
berücksichtigt werden.
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3. Auswertverfahren: Prinzipiell ist das nachfolgend beschriebene
Auswertverfahren auf alle Überwachungseinrichtungen anwendbar, wenn die Auswertung
über längere Zeit erfolgt und Witterungseinflüsse unterdrückt werden sollen. Es
bedarf nur geringer Abwandlungen, wenn statt der vorreschlagenen Elektroden andere
Fühler oder Sensoren eingesetzt werden, die den Feuchtigkeitsgehalt bzw. deren Änderung
durch Mikrowellen,Ultraschall, thermische, mechanische oder andere Verfahren erfaßt
werden sollen.
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Ebenso ist es gleichgültig, ob vor Ort oder zentral oder an sonst
einer Stelle die Geräte für die Auswertung aufgestellt werden.
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Der Grundgedanke des Auswertverfahrens ist der Vergleich von mehreren
benachbarten Meßabschnitten.
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Werden z.B. drei Elektrodenpaare mit den Meßeinrichtungen rl, r2,
r3 herangezogen, so vergleicht man 150 m Meßstrecke miteinander (Fig.2). Diese drei
Meßwerte werden laufend im Vergleicher v gegenseitig auf Veränderungen überwacht.
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Solange sich alle Werte gemeinsam nach oben oder nach unten ändern,
ist die MeBeinrichtung und der überwachte Kanalabschnitt fehlerfrei. Ergibt einer
der drei Meßwerte einen niedrigeren bzw. höheren Wert als die übrigen beiden, dann
ist eine Leckstelle zu vermuten bzw. eine der Meßeinrichtungen liefert falsche Meßwerte.
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Diese Schlußfolgerung zieht der Auswerter u erst, wenn ein gewisses
Toleranzband überschritten wurde. Dieses Band kann zusätzlich variabel sein, abhängig
von Temperatur und Niederschlag u.s,w.
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Ein weiteres Auswertkriterium ist die Erfassung der Änderungsgeschwindigkeit,
aus der Rückschlüsse auf die Größe des Dichtungsschaden bzw. Standfestigkeit des
Dammes gefolgert werden können. Ähnliche Schlüsse müssen bei der Überschreitung
eines besonders hohen Feuchtigkeitsgehalts des Sandes gezogen werden.
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Alle oben aufgeführten Anregekriterien bewirken eine Meldung über
die Fernwirkanlage t in gestaffelten Dringlichkeitsstufen, wie Vorwarnung, Warnung,
Alarmierung. Damit ist die Möglichkeit gegeben vor Ort eventuell rechtzeitig einzugreifen.
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In der Prozentechnik sind heute weitergehende Korrektur-, zufzeichnungs-und
Auswertmöglichkeiten üblich. Zur besseren Überwachung könnten hier außerdem Tendenzerfassung
und Protokollierung w des Störverlaufes zur Anwendung kommen.
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Das aufgezeigte Auswertverfahren wird zweckmäßig vor Ortdurchgeführt
und nur die gestaffelten Alarmmeldungen werden an eine zentrale Überwachungsstelle
gemeldet. In einem Stationshäuschen k werden die analogen und (oder) digitalen Geräte
aufgestellt, mit denen die Ergebnisse, z.B. für den 300 m Kanal ausgewertet werden.
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Dieser Systemaufbau wird preiswerter und ausfallsicherer sein, wie
die Übertragung sämtlicher analoger Meßwerte jeder Meßstelle an eine zentrale Großrechenanlage.
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Die Erfindung wurde vorstehend in Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben,
jedoch können Abweichungen bzw. andere Kombinationen und Variablen im Rahmen des
Erfindergedankens gemacht werden, wie dies bereits teilweise an entsprechender Steile
angedeutet wurde.