Brunnenbau Techniken

Wie in den vorhergehenden Artikeln beschrieben, ist die weit überwiegende Anzahl der Brunnen durch Bohrungen entstanden. Brunnenbohrungen können von wenigen Metern bis über 1000 m Tiefe gehen. Immer in Abhängigkeit der Lage des Grundwasservorkommens. Gewöhnliche Durchmesser der Bohrlöcher liegen zwischen 400 und 1000 mm. Bei bestimmten geologischen und/oder hydrologischen Verhältnissen werden aber auch Bohrungen mit größerem Durchmesser durchgeführt. Um ein lotrechtes und maßhaltiges Bohrloch mit vertretbarem Aufwand zu erreichen, werden je nach Gegebenheiten unterschiedliche Bohrverfahren eingesetzt.

Bohrverfahren

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Trockenbohren und Spülbohren.

Trockenbohren

Bei einer Trockenbohrung wird das Bohrloch während des Bohrprozesses fortlaufend verrohrt. Dadurch wird ein Zusammenbrechen der Bohrung verhindert. Das Bohrklein wird durch Bohrwerkzeuge gefördert und nach oben ausgetragen. Wenn der Untergrund eine einfache Bohrung nicht zulässt – z.B. im Felsgestein - so wird mittels eines Meißels der Untergrund zunächst gelöst und erst anschließend gefördert.

 

Eine Methode ist, dass mittels eines Gestänges ein Bohrkopf (z.B. eine Schnecke) gedreht und abgesenkt wird. Mit Bohrfortschritt werden nach und nach immer mehr Rohre angesetzt. Das Bohrklein wird durch die Wendeln nach oben gefördert und entfernt.

 

Alternativ wird schlagend mit einem Seil gearbeitet, an dem ein Werkzeug geführt wird. Bei jedem Fall wird die Bohrung vorangetrieben und das Bohrklein wird im Werkzeug aufgenommen (Ventilbohrer oder Rammschappe). Das Werkzeug wird an die Oberfläche geholt und dort entleert.

Abb. 1 Prinzip der Trockenbohrverfahren

Spülbohren

Abb. 2 Prinzip der Spülbohrungen

Bei einer Spülbohrung wird das Bohrloch durch den Einsatz einer speziellen Spülung gesichert. Es findet i.d.R. keine Verrohrung statt. Das Bohrklein wird durch das Bohrwerkzeug am Bohrlochtiefsten gelöst und mittels einer Flüssigkeit, der Bohrspülung nach oben gefördert. Zunächst wird der obere Bohrlochmund mit einem Standrohr geschützt. Unittelbar neben der Bohrung wird Reservoir für die Spülung geschaffen. Dieses geschieht entweder durch einen flachen Schurf (Spülteiche oder Spülgruben genannt) oder durch spezielle Container die neben dem Bohrloch platziert werden. Im letzteren Fall wird das Standrohr bis über Gelände verlängert, so dass die Container angeschlossen werden können. Noch vor Bohrbeginn wird die Spülflüssigkeit angesetzt und eingefüllt.

 

Die Spülbohrung wird als direkte oder indirekte Spülbohrung ausgeführt. Bei der direkten Spülbohrung, auch Rotary-Verfahren genannt, wird die Spülung mittels Pumpe im Bohrgestänge zum Bohrlochtiefsten gefördert. Durch das Bohrwerkzeug, i.d.R. ein Bohrmeißel, wird das anstehende Gebirge gelöst und anschließend durch den Spülungsumlauf nach oben abgefördert.

Bei der indirekten Spülbohrung (Lufthebeverfahren oder Saugbohrverfahren) läuft die Bohrspülung im Ringraum zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwand im Bohrloch ein. Durch Einblasen von Luft in das Gestänge (Lufthebeverfahren) oder durch Anschließen einer Saugpumpe (Saugbohrverfahren) steigt die Spülflüssigkeit im Bohrgestänge nach oben und fördert so das Bohrklein zutage.

 

Die Bohrspülung besteht i.d.R. zum größten Teil aus Wasser. Damit die Spülung das Bohrloch ausreichend stützen und das Bohrklein schnell genug austragen kann, werden dem Wasser sogenannte Spülungsadditive zugegeben. Dafür kommen i.d.R. Bentonite, Polymere und weitere Zusatzstoffe zum Einsatz.

 

Bei sehr harten Formationen wie Fels, kann die Bohrung als sogenannte „Imlochhammerbohrung“ abgeteuft werden. Der Bohrmeißel wird dabei wie bei einer Schlagbohrmaschine in Vibration versetzt, um die Löseenergie zu erhöhen. Der Antrieb erfolgt durch die Bohrspülung, die in diesem Fall sogar in Form von Luft eingesetzt werden kann.

 

Die bei der Spülbohrung zum Einsatz kommenden Bohrwerkzeuge (Flügelmeißel, Rollenmeißel, Flachkopfmeißel, etc.) werden je nach anstehender Geologie mehr oder weniger stark beansprucht. I.d.R. panzert man die Bohrwerkzeuge mit einer speziellen Verschleißschicht, die immer wieder erneuert werden kann. Es können auch Wolfram- oder Diamantbesätze zum Einsatz kommen.

Verschiedene Ausführungen

  1. Unvollkommener Ausbau

  2. Vollkommener Ausbau

  3. Starrer Ausbau

  4. Sperrrohrausbau (häufige süddeutsche Variante)

  5. Verlorener Ausbau (häufige norddeutsche Variante)

  6. Filter mit Blindrohrstrecke

  7. Stufenfilter (ist nicht zulässig, aufgrund der geforderten Stockwerkstrennung)

  8. Mehrfachfilter (kommt nur bei Grundwassermessstellen zum Einsatz)

 

Welche Ausbau- bzw. Ausführungsart vom Brunnenbauer gewählt wird, richtet sich nach den Verhältnissen vor Ort und den Anforderungen, die der neue Brunnen bewältigen muss. Jede der Ausführungen hat ihre Vor- und Nachteile.

Abb. 3 Unterschiedliche Ausbauarten

Anforderungen an den Filterkies

Filterkies AQUAGRAN® muss mit einem SiO2-Anteil von über 96 % sehr hart und exakt klassiert sein. Die Details werden in der DIN 4924 geregelt. Hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung muss der Filterkies so beschaffen sein, dass keine wassergefährdenden Stoffe abgegeben werden und der Kies inert ist.

 

Der Filterkies hat im Brunnen verschiedene Neben-Aufgaben. Zum einen wird das Filterrohr gestützt und in etwa in der Mitte der Bohrung gehalten. Zum anderen werden durch die kantengerundete Form, welche in der Schüttung eine Formschlüssigkeit ergibt, die durch Eigengewicht auftretenden Kräfte hauptsächlich an das Gebirge abgetragen.

 

Anmerkung:

 

Zum besseren Verständnis kann man sich ein mehrzölliges Rohr vorstellen, welches an einer Hauswand hängt, die 20 m hoch ist. Füllt man dieses Rohr mit Filterkies, so kann man es trotz des großen Gewichtes, welches in der Vertikalen entsteht, mit einer Hand zuhalten. Der Grund dafür ist der, dass sich die einzelnen Körner gegenseitig und an der Rohrwand „verklemmen“ (oder technisch gesagt, die Kraft auf das Rohr abtragen). Das ganze Gewicht lastet nicht auf der Hand (bzw. in der Praxis auf dem Filterkorb).

 

Die Hauptaufgabe des Filterkieses AQUAGRAN® ist es, den Zugang zum Filterkorb offen zu halten. Das im Grundwasserleiter geführte Wasser soll möglichst ungehindert in die Rohrleitung einströmen. Die DIN-Norm schreibt vor, dass die Filterkiese nur eine geringe Menge an Unterkorn (kleiner als die untere Nennkörnung) haben dürfen. Der Anteil an Unterkorn ist besonders schädlich, da die kleinen Körner den Filterkorb verstopfen können. Der Anteil an Überkorn ist ebenfalls geregelt, wobei die Störungen durch Überkorn nicht so gravierend sind.

 

Da die Filterkiese mit ihrem hohen SiO2-Anteil sehr hart sind, sind sie oft auch spröde. Es besteht das Risiko, dass durch unsachgemäßes Handling mehr Unterkorn entsteht, als im Anlieferzustand vorhanden. Eine unsachgemäße Behandlung ist daher in jedem Fall zu vermeiden (siehe Hinweise zum Umgang mit Quarzsand und Quarzkies).

 

Die DIN 4924 definiert verschiedene Filterkies-Körnungen, siehe AQUAGRAN® Körnungen DIN 4924.

 

Die Kiese werden in den Brunnen durch Schütten oder Einspülen eingebracht. Zu beachten ist dabei die Schüttgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Korngröße und der Größe des Ringraumes. Auf der einen Seite soll der Vorgang so zügig wie möglich vonstatten gehen, auf der anderen Seite muss vermieden werden, dass sich Brücken und Hohlräume bilden, die später einbrechen und zu allen möglichen unerwünschten Effekten führen.

Die Kiesschüttung

Abb. 4 Prinzip Kiesschüttungen

Unten an der Rohrleitung befindet sich ein Filterkorb, der dazu dient, das Grundwasser aufzunehmen. Um den Filterkorb werden die Filterkiese „geschüttet“. Die Filterkiese haben die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass einerseits genug Rohwasser in den Brunnen fließen kann und andererseits Feinstoffe, wie Sande aus dem umgebenden Gebirge, nicht in die Leitung geraten und diese verstopfen. Im Brunnenbau kommen unterschiedliche Bauweisen der Filterkörbe zum Einsatz: Schlitzbrückenfilter und Wickeldrahtfilter bei Stahlrohren oder einfach geschlitze Filter bei Kunststoffrohren.

Im einfachsten Fall werden die Filterkiese zwischen Filterrohr und Bohrlochwand entlang geschüttet. Wenn aufgrund der Beschaffenheit des umgebenden Gebirges eine so feine Filterkieskörnung geschüttet werden muss, dass die Schlitze des Filterkorbes verstopfen würden, so muss eine zweifache Schüttung hergestellt werden. Die dann geschütteten Filterkiese müssen genau aufeinander abgestimmt sein. Zur Herstellung von zweifachen Kiesschüttungen gibt es zwei unterschiedliche Verfahren. Bei dem einen wird ein festes Schüttrohr verwendet, das nach Herstellung der Schüttung nach und nach herausgezogen wird. Bei dem anderen Verfahren  werden schon beim Einbau der Filterrohre sogenannte Filterkörbe, bestehend aus einem Siebgewebe, gefüllt mit der inneren Filterkiesschüttung an die Filterrohre angebracht und eingebaut. Die äußere Schüttung wird dann analog zur einfachen Kiesschüttung eingebracht.

 

Im Brunnen wird nur der Bereich der Filterrohre, also da wo das Grundwasser in den Brunnen einströmt, mit Filterkies versehen. Die restlichen Bereiche werden zum Schutz des Grundwassers abgedichtet. Dies erfolgt i.d.R. mit Ton oder Ton-Zement-Gemischen. Um ein Eindringen der Abdichtung in den Filterkies zu verhindern, schüttet man oben auf den Filterkies eine Schicht feineres Filtermaterial. Eine solche Schicht nennt man „Gegenfilter“.

 

Die Filterkiese (AQUARGRAN®) werden entweder als Sackwaren oder in Big Bags angeliefert. Eine lose Anlieferung empfiehlt sich nicht, da durch das Abkippen Verunreinigungen in das Material und somit in das Grundwasser gelangen können. Zudem kann die Bewegung mit Radladern zu starken mechanischen Beanspruchungen führen, wodurch zu viel Unterkorn entstehen kann. Daher wird der Kies direkt aus der Verpackung in das Bohrloch eingebaut.

Besondere Schüttung – Tonsperre

Eine besondere Sorgfalt obliegt dem Brunnenbauer, wenn er bei der Bohrung in den gewünschten Grundwasserleiter mehrere „Grundwasserstauer“ durchbohrt. Aufgrund der Schwerkraft kommt es dann dazu, dass Grundwasser aus oberen Schichten in tiefere Schichten eindringen kann (siehe Abbildung Nr. 1). Diesen Vorgang nennt man hydraulischen Kurzschluss.

 

Grundwasser aus verschiedenen Schichten hat oft unterschiedliche Eigenschaften. Das Wasser in höheren Schichten kann zudem aufgrund direkter Umwelteinflüsse, wie z.B. Landwirtschaft, aber auch Schadensfällen, höher belastet sein. In jedem Fall muss der Kurzschluss zur Sicherung der Grundwasserqualität unterbunden werden.

 

 

Um das zusammenfließen der Wässer aus verschiedenen Grundwasserleitern zu verhindern, müssen Sperren eingebaut werden. Ein gängiges Mittel ist der Einbau von geschütteten Abdichtungsmaterialien aus Ton.

Abb 5. Prinzip geschüttete Abdichtungstone
  1. Darstellung einer Bohrung durch unterschiedliche Grundwasserleiter ohne Tonsperre.
  2. Darstellung einer Bohrung durch unterschiedliche Grundwasserleiter mit frisch geschütteter Tonsperre (vor dem Quellen).
  3. Darstellung einer Bohrung durch unterschiedliche Grundwasserleiter fertig ausgequollen.

Der Einbau der Tonsperren geschieht ähnlich wie beim Filterkies. Dabei wird wie üblich Filterkies bis kurz unter den Grundwasserstauer geschüttet. Im Bereich des Geringwasserleiters werden dann Tonpellets oder Tongranulate geschüttet. Anschließend wird wieder mit Filterkies geschüttet usw. Die Überdeckung mit Filterkies ist wichtig, da der Ton zu quellen beginnt und dabei sein Volumen vergrößern will (vervielfacht). Da eine Ausdehnung nicht möglich ist, entsteht gegen die Auflast des Kieses ein Druck (man sagt eine Spannung – genauer die sogenannte „Quelldruckspannung“). Da der Ton im ausgequollenen Zustand kein Wasser durchlässt, und er sich durch die Quelldruckspannung auch in kleinste Hohlräume hinein drückt, wirkt die Tonsperre sowohl am Rohr als auch am Gebirge wie eine genau angepasste Dichtung. Der Kurzschluss zwischen den verschiedenen Grundwasserleitern ist wirkungsvoll unterbunden.

 

Nicht jedes Tongranulat oder jeder Tonpellet ist gleich gut geeignet. Die Partikel müssen solange mit dem Quellen warten, bis sie sicher die gewünschte Tiefe erreicht haben. Quillt der Partikel zu schnell, löst er sich durch die Strömung beim Sinken auf und es entsteht eine Suspension und keine Schicht. Die Quellfähigkeit selbst entscheidet über die Größe der Quelldruckspannung und wann eine Dichtigkeit erreicht ist. Auch wichtig ist die sogenannte Ortsstabilität in Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit des Grundwasserleiters. Der ausgequollene Ton soll am Ort der Schüttung verbleiben und nicht langsam abgetrieben bzw. ausgespült werden. Wichtig ist hier, die richtige Auswahl zu treffen, die auf die Verhältnisse des Bohrloches passen.

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