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Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertesbei erhöhtem bindigen Anteil

- erste Untersuchungsergebnisse -

Seddiner See / Potsdam, 20.-22.11.2014Grundwassermonitoring und –probennahmeFortbildung 2014

Dipl.-Ing. Kerry F. PaulIBB Ingenieur- und Beratungsbüro für Brunnenbetriebstechnik und –instandhaltung GmbH

Am Pichelssee 12, 13595 Berlin • Tel. 030 - 36 28 63 50 / 01577 – 45 31 936 • kfp@ibb-berlin.de

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Kerry F. Paul* 1954, Berlin

• Studium Technischer Umweltschutz, TU Berlin Schwerpunkt „Wasserreinhaltung“

• seit 1971 im Bereich Brunnenuntersuchung tätig;ab 1976 auch Brunnenregenerierung; ab 1991 auch Planung & Bauleitung Brunnenbau

• seit 1989 Geschäftsführer der IBB Ingenieur- und Beratungsbüro für Brunnenbetriebstechnik und –instandhaltung GmbH

• seit 1993 Mitglied im DVGW-TK „Wassergewinnung“

• 1999 – 2001 Mitglied im Beirat zum DVGW-Forschungsvorhaben W 55/99 "Untersuchung zur Bewertung von Gerätetechnik auf die Wirksamkeit in der Kiesschüttung"

• Mitarbeit als Projektkreismitglied am DVGW-Regelwerk

- W 113 „Bestimmung des Schüttkorndurchmessers und hydrogeologischer Parameter aus der Korngrößenverteilung für den Bau von Brunnen“(Merkblatt, 2001 – aktuell in Überarbeitung)

- W 119 „Entwickeln von Brunnen durch Entsanden- Anforderungen, Verfahren, Restsandgehalte“(Merkblatt, 2002 – aktuell in Überarbeitung)

- W 130 „Brunnenregenerierung“(Merkblatt, 2001 & Arbeitsblatt, 2007)

• seit 2008 DVGW-Experte zur Zertifizierung nach DVGW W 120 Kernkompetenz „Brunnenausbau“ und „Brunnenregenerierung“

• seit 2008 Kooperation mit der TU Berlin, FG Ingenieurgeologie F&E Untersuchung der Eigenschaften von Böden und Schüttgütern für den optimierten Bau und Betrieb von Brunnen; Begleitung von Studien-, Bachelor- und Masterarbeiten mit Bezug zum Brunnenbau

• seit 2014 IBB-Labor, spezialisiert auf Kennwertuntersuchungen von Bohrproben & Schüttgütern für den Brunnenbau

• 2014 Verleihung der DVGW-Ehrennadel – in Anerkennung der herausragenden, wasserfachlichen Kompetenz, die insbesondere auf dem Gebiet der Planung, des Baus und Betriebs von Brunnen in die DVGW-Regelwerksarbeit eingebracht wird

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„Zahlen-Spiele“

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GliederungGrundlagen

der „wahre“ kf-WertLagerungsartWechsel von der flächigen zur räumlichen BetrachtungUngleichkörnigkeitsfaktor CUPorenanteilTemperatur-AbhängigkeitGültigkeitsgrenzen (Beispiel kf-Wert nach Hazen)

kf-Wert nach BEYER & SCHWEIGER (1969)k-f BEYER 1964 => k-f BEYER & SCHWEIGER 1969Koeffizienten zur Bestimmung des ProportionalitätsfaktorsBeispiel-Berechnung

bindiger Anteilin BohrprobenBrunnenalterungsart „Partikelfiltratíon“Einteilung Entnahmekategorien & Güteklassen

erste UntersuchungsergebnisseVorstellung der Bachelorarbeit T.Netzker, 2014

Zusammenfassung

Bestimmung des kf-Wertesbei erhöhtem bindigen Anteil

– erste Untersuchungsergebnisse

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Der „wahre“ kf - Wert Es gibt keinen „wahren“ Durchlässigkeitsbeiwert (kf – Wert) ,

mit dem Mess- und Berechnungsergebnisse verglichen werden können !

Zur Angabe des kf - Wertes gibt es:

Definitionen- z. B. nach DARCY

Berechnungen aus Messungen zur Korn-Summenverteilung- über 50 Formeln

mit unterschiedlichen Ergebnissen durch (Nicht-) Berücksichtigung - der Lagerungsart - der Ungleichkörnigkeit - von Gültigkeitsgrenzen - der Temperaturabhängigkeit

Labormessungen- z. B. nach DIN 18130-1

Feldmessungen- z. B. nach DIN 18130-2

Alle Angaben zum kf-Wert [m/s] gelten grundsätzlich nur für laminare Strömungsbedingungen

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durch Setzung Veränderung der Lagerungsdichte

locker → dicht ; irreversibel

„gemischtkörnige“ („fraktale“) Lagerunglocker & dichtSieblinie doppelt-gekrümmt=> bi-modale Dichteverteilung CU > … >> 5 # n fraktal signifikant kleiner als n gleichkörnig

„ein-“ bzw. „gleichkörnige“ (abhängig von Kornform) Lagerunglocker & dichtSieblinie einfach S-förmig=> Dichteverteilung mit einem MaximumCU < … << 5 # n gleichkörnig mit steigendem CU abnehmend

Lagerungsart

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Wechsel von der flächigen …

… zur räumlichen Betrachtung

Theo

rie

Schnitt durch Verguss mit Kies DIN 4924 Korngruppe 2 – 3,15 mm

Porenanteil ca. 39 %

Rea

lität

Schnitt durch Verguss mit Glaskugeln einer Korngruppe mit geringer Durchmesser-Varianz; verdichtete Lagerung

3,8 bis 4,4 mm 11,5 bis 12,5 mm

• regellose Struktur• Stapelfehler• Partikelbrückenbildung• Partikelmittelachsen nicht in denselben Ebenen

• Porenquerschnitte sehr unregelmäßig.

Durch ungleichmäßig große Partikel kein Erkennen der Real-Bedingungen

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Ungleichkörnigkeitsfaktor CU

gleichkörnigCU < 5Porenanteil dichte Lagerung 35 … 38 %

lockere Lagerung + ca. 7 … 10 %Korn-Summenverteilung einfach gekrümmte SieblinieKorn-Dichteverteilung ein MaximumGenese überwiegend marin / äolischEntsandungsfähigkeit nein (vgl. DVGW W 118)

gemischt-körnig („fraktal“)CU alle VariantenPorenanteil mit steigendem CU abnehmend

dichte Lagerung 30 … 20 % u. geringerlockere Lagerung + ca. 7 … 10 %

Korn-Summenverteilung mehrfach gekrümmte SieblinieKorn-Dichteverteilung mehrere MaximaGenese überwiegend fluvial / glazialEntsandungsfähigkeit ja - nach W 118 bei CU > 8

Theo

rieTh

eorie

real

–3D

real

–3D

lockere – Lagerung - dichte

lockere – Lagerung - dichte

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Porenanteil in Abhängigkeit CU und Lagerungsart(Messungen IBB # Paul in bbr 04/05.2011)

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Temperatur-AbhängigkeitKorrekturfaktoren α zur Normierung des kf-Wertes auf Wassertemperatur 10°C

(nach DIN 18130-1 # inkl. kf-Kreuzvergleich mit 100% bei 10°C)

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kf nach Hazen (1893) / Übersetzung der Bundeswehr (2012)

Terzaghi & Peck (1948) / ins Deutsche übersetzt durch Bley (1961)„HAZENS Ergebnisse verführten andere Forscher zu der mehr oder weniger willkürlichen Annahme, daß die Größen d10 und U auch geeignet seien, die Kornzusammensetzung gemischtkörniger natürlicher Erdstoffe auszudrücken.“

Gültigkeitsgrenzen Beispiel: kf-Wert nach Hazen

„Auf der Grundlage der vorliegenden Daten ist die Anwendung dieser Formel nur bei Sanden mit einem Gleichförmigkeitskoeffizienten unter 5 und einer effektiven Korngröße von 0,10 bis 3,00 mm angebracht.

Für Material mit einer Größe von mehr als 3 mm liegen bedeutend weniger Daten vor, als man sich wünschen würde. Die Daten wurden ausschließlich auf der Grundlage untersuchter Kiese mit Gleichförmigkeitskoeffizienten 1,4 bis 2,0 bei einer Temperatur von 10°C oder leicht darüber erhoben.“

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kf BEYER, 1964 = C d10²

mit C = f (CU, Lagerungsart)

kf BEYER & SCHWEIGER, 1969 = C d10²

mit C = f (CU)

kf [m/s] DurchlässigkeitsbeiwertC [ - ] Proportionalitätsfaktord10 [mm] Korndurchmesser bei 10% Gewichtsanteil der Korn-SummenverteilungCU [ - ] Ungleichkörnigkeitsfaktor; CU = d60/d10

In der Literatur von BEYER & SCHWEIGERfehlen die Koeffizienten zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors in Abhängigkeit der Lagerungsart

WWT 1964 Heft 6

WWT 1969 Heft 2

kf-Wert nach BEYER & SCHWEIGER (1969)

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logarithmische Darstellungin Beyer & SchweigerWWT 1969 Heft 2

lineare Darstellung zur Koeffizienten-Bestimmung

in Paulgeofora 2010

Koeffizienten zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors

C lockere Lagerung = 0,0148 CU-0,1493 # R² = 0,9973

C mittlere Lagerung = 0,0119 CU-0,2016 # R² = 0,9989

C dichte Lagerung = 0,01 CU–0,2313 # R² = 0,9981

kf-Wert nach BEYER & SCHWEIGER (1969)

Proportionalitätsfaktorin Abhängigkeit Lagerungsart und Ungleichkörnigkeitsfaktor

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Beispiel-Berechnung

kf BEYER & SCHWEIGER, 1969 = C d10²

mitC lockere Lagerung = 0,0148 CU

-0,1493

C mittlere Lagerung = 0,0119 CU-0,2016

C dichte Lagerung = 0,01 CU–0,2313

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bindige Anteile (Partikel < 0,063 mm) haften hauptsächlich an Feinsand (0,063 – 0,200 mm)

Bohrproben mit erhöhtem Feinsand-Anteil bedürfen vor einer TROCKEN-SIEBUNG (DIN 18123) immer einer NASS-ABTRENNUNG (DIN 18123)

Es besteht keine Korrelation zwischen dem bindigen Anteil bestimmt mit einer Trocken-Siebung und dem bindigen Anteil bestimmt mit einer Nass-Abtrennung

bindiger Anteil in Bohrproben

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Der Begriff „feinkörniger Boden“ für Partikel < 0,063 mm (DIN EN ISO 14688-1) ist (aus Sicht des Autors) missverständlich.

„Korn“ deutet auf ein Partikel mit Volumen hin.

Partikel < 0,063 mm weisen eine andere Textur als Partikel > 0,063 mm auf und können nicht mehr mit der Volumen-basierenden „Kugelmodell-Theorie“interpretiert werden.

Partikel < 0,063 mm sind daher zur Verständnis-Abgrenzung sinnvoller als „bindiger Anteil“ zu bezeichnen.

Hintergrund: die Grundwasserströmung ist hauptsächlich Oberflächen-abhängig. Je kleiner Partikel werden, desto größer wird deren Oberfläche / der Strömungswiderstand steigt an. Die Oberfläche von bindigen Partikeln ist wegen verschiedener Randbedingungen sehr schwer zu bestimmen.

REM-Aufnahmenvon Ton-Mineralien

Illit – Kaolinit – Montmorillonit(von li nach re)

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Brunnenalterungsart „Partikelfiltration“

Durchflussbehinderung durch „bindige Anteile“

bindige Partikel: < 0,063 mm bzw. < 63 µm

Durchfußbehinderung in Fließrichtung vom Boden zum Filterrohr

- Brückenbildung im angrenzenden Grundwasserleiter

- Akkumulation (1) vor Störungen an der Bohrlochwand; Störungen = entsprechend Bohrverfahren nicht entfernte Spülung

bzw. verschleppte / „verschmierte“ Bodenpartikel

- Akkumulation (2)in anderen Brunnenalterungsarten, bevorzugt Verockerung

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Einteilung Entnahmekategorien & Güteklassen(Abb.-Entwurf für Neufassung DVGW AB W 113)

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präzise Kennwerte bedürfen der Probennahme

mit Entnahmekategorie A (nach DIN EN ISO 22475-1)

der Güteklasse 2 (nach DIN EN 1997-2 EUROCODE 7)

der selektiven Proben(ent)nahme aus dem Bohrgut

der Bestimmung durch angepasster Laborversuche

und der Anwendung geeigneter Laborversuche

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20 Fotos: Zentrum für Geoinformationswesen der Bundeswehr, Euskirchen

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BA Netzker (2014)

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Herstellung eines definierten Ausgangsmaterials

zur Befüllung des Versuchszylinders

1.) Abtrennung des bindigen Materials mit Nass-Abtrennung

2.) Trockensiebung mit enger Klassierung

0,063 – 0,080 – 0,100 –0,125 – 0,150 – 0,180 –0,200 – 0,250 – 0,315 –0,400 – 0,500 – 0,630 –0,800 – 1,000 – 1,600 mm

BA Netzker (2014)

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Ausgangsmaterial ohne bindigen Anteil Ausgangsmaterial mit bindigem Anteil 10%

Korn-Summenverteilung & Korn-Dichteverteilung Korn-Summenverteilung & Korn-Dichteverteilung

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Kornzusammensetzung Kornzusammensetzung

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BA Netzker (2014)

Ausgangsmaterial mit unterschiedlich bindigem Anteil

Bodenbeschreibung nach DIN EN ISO 14688-1

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Untersuchung des bindigen Anteils

wegen Gleichartigkeit des bindigen Anteils (< 0,063 mm) für Versuche=> Auswahl Sackware aus Tongrube Ruppach, Lieferant BÖRKEY TERATECH

Sedimentation nach DIN 18123 von 3 Stichproben („Schlämmanalyse“)Masseanteile: Ton ca. 2/3 # Schluff ca. 1/3 # > 0,063 mm ca. 2%

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Labor-Untersuchungen zur Bestimmung des kf-Wertes nach DIN 18130-1

Befüllung des Versuchszylinders mit Ausgangsmaterial + bindiger Anteil 0 … 10% in 1%-Schritten in lockerer & dichter Lagerung

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Maßangaben des Versuchsaufbaus

Durchmesser des Versuchszylinders 0,100 m

Fläche Messkörper 78,5 cm²

Durchströmte Probenlänge 0,298 m

Füllvolumen Versuchszylinder 2.340 cm³Füllmenge abhängig von Lagerungsart

Länge zwischen den Messpunkten 0,229 m

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Rückgewinnung nach Versuchs-Durchführungzur definierten Weiterverwendung im nächsten Versuch

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Nass-Abtrennung

Trocken-Siebungmit erweitertem, angepassten Siebsatz

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BA Netzker (2014)

Gegenüberstellung der kf - Werte einer Probe mit konstantem Anteil > 0,063 mm & variablem bindigen Anteil (< 0,063 mm) bei lockerer und dichter Lagerungsart: berechnet nach BEYER & SCHWEIGER und gemessen nach DIN 18130-1

Messung bis 3% bindiger Anteil

zunehmende, durchflussbehinderndeVerstopfung von Engstellen

Messung über 3%bindiger Anteil

Textur-bedingte Anlagerung auf den Oberflächen des Trägermaterials „Feinsand“, die sich in der dichten Lagerung bei geringerem Porenanteil stärker bemerkbar macht

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BA Netzker (2014)Korrekturfaktoren nach Netzker (2014)zur kf-Berechnung nach BEYER & SCHWEIGER (1969)

in Abhängigkeit des bindigen Anteils und der LagerungsartFaktor = nach DIN 18130-1 gemessene, normierte kf-Werte / nach BEYER & SCHWEIGER berechnete kf-Werte

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kf-Bestimmung nach BEYER & SCHWEIGER in Anwesenheit bindiger Anteile

Randbedingungen für Berechnungs-Anwendung

• ein-modale Korn-Dichteverteilung bzw. einfach gekrümmte Korn-Summenverteilung

• Hauptbestandteil Feinsand

• hoher Tonanteil im Bereich < 0,063 mm

Proben-Bereitstellung

• Entnahmekategorie A (nach DIN EN ISO 22475-1)

• Güteklasse 2 (nach DIN EN 1997-2 EUROCODE 7)

• „richtige“ Art der Proben(ent)nahme aus dem Bohrgut / Bohrprobe (selektiv)

Durchführung

• Nass-Abtrennung des bindigen Anteils

• Trocken-Siebung mit erweitertem, angepassten Siebsatz

• Ermittlung d10 & d60 unter Einbeziehung des bindigen Anteils aus der Nass-Abtrennung

• Berechnung kf-Wert nach BEYER & SCHWEIGER (1969) bis 10% bindigen Anteilzuzüglich Multiplikation mit Korrekturfaktor nach NETZKER

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kf-Kreuzvergleich

100 % = Boden bei FOK

Böden sind inhomogen – anisotrop

Boden-Kennwerte für den GWM- & Brunnnenbau müssen teufendifferenziert und geeignetbestimmt werden = präzise

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Zusammenfassung

kritischer Umgang gegenüber „kf-Fremdangaben“• ein kf-Wert für gesamtes Profil – axial und radial ?• Art der Bohrproben-Gewinnung ?

Mischung (C5) – „reine“ Probe (A2)• Proben(ent)nahme aus Bohrprobe / Bohrgut

Mischung – selektiv (Hinweise in aktueller Überarbeitung DVGW AB W 113)• Bestimmung bindiger Anteil ? (Nass-Abtrennung)

Siebanalyse / Interpolation ? (erweiterter, angepasster Siebsatz)• Berechnungsmethode ?

• Es gibt keinen „wahren“ kf-Wert.

Die Berechnungsmethode nach BEYER & SCHWEIGER (1969) mit Berücksichtigung CU und Lagerungsart ist einigermaßen korrekt;bei bindigem Anteil bis 10%: Anwendung Korrekturfaktor nach NETZKER

Andere Formeln haben (signifikante) Anwendungsgrenzenoder sind zu schwierig in der Basisdatenermittlung.

Bestimmung des kf-Wertes bei erhöhtem bindigen Anteil – erste Untersuchungsergebnisse

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

fraktale Kugelpackung (nach Apollonius von Perge, ca. 200 v. Chr.)

= mehrfach gekrümmte Summenkurve mit mehreren Maxima

dichteste Kugelpackung(nach Johannes Keppler 1571-1630)

Partikel-Umlagerung

PDF zu diesem Vortrag auf eMail-Anforderung an kfp@ibb-berlin.de