DE4127646A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung thermischer parameter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung thermischer Parameter durch Meßsonden im Boden.

Die Ermittlung thermischer Parameter im Erdboden ist für verschiedenartige Anwendungsgebiete von Bedeutung. So können über Temperaturmessungen im Boden Sicker- bzw. Grundwasserströmungen allgemein nachgewiesen werden. Speziell kann die Temperaturbestimmung im Erdboden dazu beitragen, Leckagen an Dämmen und sonstigen Uferbe­ festigungen, Aussickerungen aus Deponien mit organischen Inhaltsstoffen und anderen Bereichen mit exotherm ablaufenden Reaktionen, Undichtigkeiten in Kanal- und Rohr­ leitungssystemen, aufsteigendes Thermal- oder Karstwasser oder Abwärmeeinleitungen in den flachen Untergrund anzu­ zeigen und zu erfassen. Eine in situ-Bestimmung der Wärme- und/oder der Temperaturleitfähigkeiten im Boden dient beispielsweise zur Ermittlung der Eingangsparameter für die Berechnung von erdverlegten Hochspannungskabeln oder Fern­ wärmeleitungen. Sie ist aber auch für allgemeine geo­ thermische Untersuchungen von Interesse.

Üblicherweise wurde zur Bestimmung thermischer Parameter zunächst eine Vorbohrung mit einem Bohrgestänge erstellt. Anschließend wurde das Bohrgestänge aus dem Erdreich gezogen und Meßsonden in den durch die Vorbohrung ent­ standenen Freiraum eingebracht. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in "Messungen von thermischen Feldern zur Überwachung von Dämmen", H. Armbruster, Symposium für Erd- und Grundbau, München, Geotechnik, 1983, Seiten 249- 254, beschrieben.

Dieses Verfahren hatte den Nachteil, daß die Vorbohrungen häufig nicht standsicher waren. Dieser Nachteil trat ins­ besondere bei Messungen in Lockermaterialien, meist Sedimentböden, auf. Als Folge konnten die Meßsonden nicht in die gewünschte Tiefe eingebracht werden. Außerdem war die Gefahr einer Beschädigung der Meßsensorik beim Heraus­ ziehen durch die Reibung an der Bohrlochwand erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, mit dem die beschriebenen Nachteile auf einfache Art und Weise überwunden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Hohlgestänge in den Boden eingebracht wird, in das eine Meßsonde für die Messung eingeführt wird.

Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, daß eine genaue Messung thermischer Parameter auch mit Meßsonden in einem Hohlgestänge durchgeführt werden kann. Das Hohl­ gestänge wird, je nach Bodenbeschaffenheit, mit einem Hammer eingeschlagen oder in den Boden eingerammt. In das Hohlgestänge wird daraufhin erfindungsgemäß die Meßsonde mit einem oder bevorzugt mehreren Meßsensoren eingebracht. Dabei kann zur Messung problemlos die ganze Länge des Hohl­ gestänges genutzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren können ohne Schwierigkeiten Bohrtiefen bis zu 10 m bewältigt werden. Die Gefahr einer Beschädigung der Meß­ sonde wird durch die glatte Innenwandung des Hohlgestänges unterbunden. Die Sensoren können aber auch zusätzlich zum Schutz und zur besseren thermischen Ankopplung in Metall­ hülsen eingegossen werden.

Mit Vorteil werden für die Bestimmung einzelner thermischer Parameter spezifische Meßsonden eingesetzt. Die Meßsonden beinhalten dabei überwiegend als Temperaturfühler verwendete elektrische Meßwiderstände.

Als besonders vorteilhaft erwiesen sich Meßsonden, in denen mehrere Sensoren, in einer Sensorkette angeordnet, zur Bestimmung der thermischen Parameter eingesetzt werden. Damit können mehrere Messungen in verschiedenen Tiefen gleichzeitig durchgeführt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Meßsonde über einen Heizdraht gezielt und definiert erwärmt. Das erweist sich vor allem bei der Bestimmung der Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit als außerordentlich nutzbringend.

Vorteilhafterweise besteht das Hohlgestänge aus Metall, bevorzugt aus Stahl. Diese Materialien eignen sich aufgrund ihrer mechanischen Beanspruchbarkeit und ihrer thermischen Eigenschaften.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durch­ führung des eingangs beschriebenen Verfahrens. Erfindungs­ gemäß ist das Hohlgestänge aus einem zylindrischen Rohr und einer massiven Kegelspitze zusammengesetzt, die das Rohr an seinem unteren Ende abschließt. Ferner besteht die Meßsonde erfindungsgemäß aus einem Körper, dessen Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser des zylindrischen Rohres ist.

Mit besonderem Vorteil ist das zylindrische Rohr des Hohl­ gestänges aus mehreren starr verbindbaren Rohrsegmenten zusammengesetzt. Die Rohrsegmente können miteinander ver­ schraubt oder über Flansche bzw. Muffen verbunden sein. Durch die einzelnen Rohrsegmente ist das Hohlgestänge zer­ legbar und damit leicht transportierbar. Rohrsegmente mit unterschiedlichen Längen können miteinander kombiniert werden. Die Rohrsegmente weisen beispielsweise eine Länge zwischen 0,5 m und 1,5 m, vorzugsweise 1 m, auf.

Kegelspitzen mit einem eingeschlossenen Winkel zwischen 10° und 90°, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, eignen sich besonders, da sie ein leichtes Eindringen des Hohlgestänges in den Boden ermöglichen.

Als vorteilhaft haben sich zylindrische Rohre des Hohlge­ stänges mit einem Außendurchmesser zwischen 15 mm und 50 mm, vorzugsweise zwischen 20 mm und 35 mm, erwiesen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand dreier schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele (nicht maßstabsgerecht), sowie zweier Meß-Diagramme näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Hohlgestänge mit Meßsonde,

Fig. 2 eine Meßsonde zur Bestimmung der Temperaturen,

Fig. 3 eine Meßsonde zur Bestimmung der Wärme- und/oder der Temperaturleitfähigkeiten

Fig. 4 ein Diagramm einer durchgeführten Bestimmung der Temperaturen im Boden einer Dammkrone.

Fig. 5 ein Diagramm einer durchgeführten Messung zur Bestimmung der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit des Bodens.

Fig. 1 zeigt ein in den Boden eingebrachtes Hohlgestänge mit der Kegelspitze 1 und den Rohrsegmenten 2′-2 ^x, bei­ spielsweise mit Rohrsegmenten von 1 m Länge. In das Hohlgestänge ist zur Bestimmung thermischer Parameter im Boden eine Meßsonde 3 eingeführt.

In Fig. 2 ist eine Meßsonde zur Messung der Temperaturen im Boden dargestellt. Die Temperatursensoren 4′ und 4′′ befinden sich in Hülsen 5′ und y′′. Die einzelnen Hülsen 5′ und 5′′ sind über Verbindungssegmente 6′ und 6′′ verbunden. Am oberen Ende wird die Meßsonde mit dem Endsegment 6 ^x ab­ geschlossen. Elektrische Anschlüsse der Sensoren sind in Fig. 2 nicht dargestellt.

Fig. 3 zeigt eine Meßsonde zur Bestimmung der Wärme- und Temperaturleitfähigkeiten. Die Temperatursensoren 4′ bis 4′′′′′ bilden eine Sensorkette und sind mit einem Heizdraht 7 im Meßsegment 8 enthalten. Die Meßsonde wird mit dem Endsegment 6 abgeschlossen. Elektrische Anschlüsse sind in Fig. 3 ebenfalls nicht gezeigt.

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm im Gelände gemessene Temperaturprofile innerhalb eines Dammes. Gemessen wurde in 3, 4, 5 und 6 m Tiefe unterhalb der Dammkrone. Auf der Ordinate ist die Temperatur in °C, auf der Abszisse die Entfernung der Meßpunkte in Einheiten von 0,02 km aufgetragen. Die Kanalwassertemperatur betrug zum Zeitpunkt der Messung ca. 20°C. Im Bereich zwischen ca. km 0,06 und km 0,1 tritt eine Temperaturanomalie auf. Sie gibt Hinweis auf eine Leckage im Damm. An dieser Stelle strömt warmes Kanalwasser durch den Damm und erwärmt den Boden in diesem Bereich.

Fig. 5 zeigt als Beispiel den Temperaturverlauf in einer Meßsonde bei der Bestimmung der Wärme- und Temperatur­ leitfähigkeit des Bodens. Auf der Ordinate ist die Tempe­ ratur der Meßsonde in °C, auf der Abszisse die relative Heizdauer in Sekunden aufgetragen. Zum Zeitpunkt -4000 wurde die Wärmeleitfähigkeitsmeßsonde in das zuvor eingerammte Hohlgestänge eingebracht. Die Temperatur der Meßsonde gleicht sich rasch an das, zu diesem Zeitpunkt noch etwas kältere Hohlgestänge an. Die Meßsonde und das Gestänge haben sich bereits zum Zeitpunkt -3500 an die, in der Meßtiefe herrschende Bodentemperatur (ca. 12,5°C) angeglichen. Ab dem Zeitpunkt 0 wird die Meßsonde für die Dauer von 37 700 Sekunden aufgeheizt. Der Anstieg der Temperatur in der Sonde ist proportional zur Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit des die Meßanordnung umgebenden Bodens. Nach Abschluß der Messung werden die thermischen Parameter Wärme- und Temperaturleitfähigkeit anhand der Meßdaten ermittelt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung thermischer Parameter durch Meßsonden im Boden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlgestänge in den Boden eigebracht wird, in das eine Meßsonde für die Messung eingeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung einzelner thermischer Parameter spezifische Meßsonden eingesetzt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Meßsonde mehrere in einer Sensorkette angeordnete Sensoren zur Messung ein­ gesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde über einen Heizdraht erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlgestänge aus Metall, vorzugweise aus Stahl, besteht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlge­ stänge aus einem zylindrischen Rohr (2) und einer mas­ siven Kegelspitze (1) besteht, die das Rohr (2) an seinem unteren Ende abschließt, und daß die Meßsonde (3) aus einem Körper besteht, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des zylindrischen Rohres (2).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Rohr (2) aus mehreren starr ver­ bindbaren Rohrsegmenten (2′-2 ^x) besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelspitze (1) einen Winkel zwischen 10° und 90°, vorzugsweise zwischen 30° und 60° einschließt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des zylindri­ schen Rohres (2) zwischen 15 mm und 50 mm, vorzugs­ weise zwischen 20 mm und 35 mm liegt.