DE1698521B1

DE1698521B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Wasserdurchlaessigkeit eines gewachsenen Bodens

Info

Publication number: DE1698521B1
Application number: DE19611698521
Authority: DE
Inventors: Jacques Brillant
Original assignee: Soletanche SA
Current assignee: Soletanche SA
Priority date: 1960-06-01
Filing date: 1961-05-26
Publication date: 1970-05-27
Also published as: CH380039A; FR1267195A; SE311761B; US3158023A; GB964714A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Wasserdurchlässigkeit eines gewachsenen Bodens im Gelände durch Messung der Einsickergeschwindigkeit des Grundwassers in ein im zu untersuchenden Erdboden hergestelltes Bohrloch sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bereits bekannt (deutsche Patentschrift 310 058, französische Patentschrift 797 770, USA.-Patentschrift 2 448 955), bestimmte Versuchsstoffe, unter anderem auch Bodenproben, in eine Versuchsanordnung einzusetzen und durch die Erzeugung eines über- oder Unterdruckes innerhalb dieser Versuchsanordnung die Luft- oder Wasserdurchlässigkeit des jeweiligen Versuchsstoffes zu bestimmen. Die Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit von gewachsenem Boden erfolgt in diesem Fall dadurch, daß zuerst Bodenproben mit Hilfe von geeigneten Bohrelementen entnommen und anschließend innerhalb einer derartigen Versuchsanordnung im Hinblick auf die Wasserdurchlässigkeit untersucht werden. Da jedoch die Wasserdurchlässigkeit in sehr starkem Maß von dem auf dem Material lastenden Druck abhängig ist und da bereits kleine Verschiebungen der einzelnen Partikel innerhalb der zu untersuchenden Bodenproben Änderungen der Wasserdurchlässigkeit ergeben, haben die bisher verwendeten Versuchsanordnungen den Nachteil, daß sie in bestimmten Fällen sehr ungenaue Meßresultate liefern. Zudem stellt das Entnehmen von Bodenproben und die anschließende Messung der Wasserdurchlässigkeit zwei getrennte Arbeitsvorgänge dar, die einen nicht unerheblichen Arbeitsaufwand erfordern.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die Wasserdurchlässigkeit des Bodens an Ort und Stelle durch die Einbringung von Bohrlöchern und durch das Herauspumpen einer bestimmten Menge des Grundwassers zu errechnen. Nach dem Gesetz von Darcy gehorcht der Wasserzufluß in einem Bohrloch der folgenden Beziehung:

Q = CHK,

wobei Q die je Zeiteinheit aus dem Bohrloch gepumpte Wassermenge, H die Absenkung des Wasserspiegeis und K die Wasserdurchlässigkeit ist. C entspricht einer Konstanten, die durch die Geometrie des Bohrloches bestimmt ist und theoretisch und experimentell bestimmt werden kann.

Da ein kontinuierliches Pumpen wegen den dabei auftretenden langen Zeitkonstanten und somit wegen der sehr großen Meßdauer nicht gewünscht ist, begnügt man sich im allgemeinen damit, eine bestimmte Menge Wassers kurzzeitig wegzupumpen und das langsame Aufsteigen des Grundwasserspiegels kontinuierlich festzuhalten, indem beispielsweise zu Zeiten J₁ und t₂ die Wasserhöhen Ji₁ und H₂ festgestellt werden. Dabei kann die je Zeiteinheit in das Bohrloch nachsickernde Wassermenge Q wie folgt berechnet werden:

Q = S

H₁-H₂

h - h

wobei S der Innenquerschnitt des Bohrk>ches ist.

Die bei einem derartigen Verfahren auftretenden Schwierigkeiten bestehen jedoch darin, daß unmittelbar nach dem Abpumpen des Grundwasserspiegels innerhalb des Bohrloches eine Reihe von Messungen der Grundwasserspiegel gleichzeitig mit Zeitmessungen vorgenommen werden müssen. Dies ist jedoch äußerst schwierig, da die Pumprohre oft nicht schnell genug entfernt werden können. Ferner müssen laut obiger Gleichung Zeit- und Grundwasserspiegeldifferenzen festgestellt werden, so daß die mit einem derartigen Verfahren erzielbaren Meßgenauigkeiten nicht immer zufriedenstellend sind.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das die obengenannten Nachteile nicht aufweist und das in einer sehr einfachen und unkomplizierten Weise ein äußerst rasches und genaues Messen der Wasserdurchlässigkeit von gewachsenem Boden ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein mit einem Füllventil versehenes Meßgefäß bekannten Volumens in das Bohrloch abgesenkt und bei geöffnetem Füllventil voll in das in dem Bohrloch stehende Grundwasser zum Eintauchen gebracht wird, daß anschließend das Meßgefäß bei geschlossenem Füllventil mit der in ihr befindlichen Grundwassermenge so weit angehoben wird, bis der entsprechend der mitangehobenen Wassermenge außerhalb des Meßgefäßes absinkende Grundwasserspiegel sich in einer Höhe oberhalb des unteren Gefäßrandes befindet, daß während des Nachsickerns des Grundwassers in das Bohrloch und des Ansteigens des Grundwasserspiegels bis auf die ursprüngliche Spiegelhöhe die das Anheben des Meßgefäßes bewirkende Hebekraft aufrechterhalten wird und daß während des Ansteigens des Meßgefäßes die Geschwindigkeit dieses Aufsteigens gemessen wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Bohrloches ein mit einer Umlenkrolle versehenes Gerüst angeordnet ist und daß über die Umlenkrolle ein Kabel geführt ist, das einerseits mit dem Meßgefäß, andererseits mit einem Hebegewicht verbunden ist, wobei das Hebegewicht ein geringeres Gewicht als das Gewicht des von dem Meßgefäß aufgenommenen Wasservolumens aufweist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Meßgefäß eine nach unten offene, zylinderförmige Meßglocke ist, deren Durchmesser nur etwas geringer als der der Bohrwand ist.

Im folgenden soll an Hand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

F i g. 1 eine seitliche schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2 eine schematische Ansicht der Meßglocke beim Absenken bis unterhalb des Grundwasserspiegels,

F i g. 3 eine schematische Ansicht der Meßglocke kurz nach dem Lösen des Gewichts P vor dem Nachströmen des Grundwassers,

F i g. 4 eine schematische Ansicht der Meßglocke am Ende des Nachströmens von Grundwasser,

F i g. 5 ein Diagramm der zeitabhängigen Bewegung der Meßglocke und

F i g. 6 ein schematisches Diagramm der in regelmäßigen Zeitabständen festgehaltenen Positionen der Umlenkrolle.

Im folgenden soll auf die Figuren, insbesondere Fig. 1 bis 4, Bezug genommen werden, in welchen eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt ist.

3 4

Wie man in F i g. 1 erkennen kann, ist ein Gerüst 1
am oberen Ende eines Auskleidungsrohres 2 eines
Bohrloches befestigt. Das Gerüst 1 weist eine Umlenkrolle 3 auf, über welche ein Kabel 4 gelegt ist. An
dem in das Bohrloch hineinragenden Ende des 5 wobei P das Gewicht des Gewichtes P, c das spezi-Kabels 4 ist eine hohlzylinderförmige Meßglocke 5 fische Gewicht des Wassers = 1 g/cm³, s der Querangeordnet, welche an ihrem unteren Ende offen schnitt der Meßglocke 5 und S der Querschnitt des und an ihrem oberen Ende mit Hilfe einer eine Ventil- Bohrloches ist. funktion ausübenden Kugel 6 am Kabel 4 befestigt ist. Durch das Nachsickern von Grundwasser inner-

Am anderen Ende des Kabels 4 sind Gegen- 10 halb des Bohrloches entsteht eine Bewegung der

gewichte ρ und P befestigt, von denen das erstgenannte Meßglocke 5, die schematisch in F i g. 5 dargestellt

neben einer Aufwickeleinrichtung für die überschüssige ist. Wie man an Hand dieser Figur erkennt, tritt

Kabellänge eine Gewichtskompensation der Meß- eine mehr oder weniger gedämpfte Schwingbewegung

glocke 5 in volleingetauchtem Zustand ermöglicht. auf, durch welche der zur Auswertung verwendbare

Zum Anheben der Meßglocke 5 dient das Gewicht P, 15 Teil des Diagramms auf den schwingungsfreien Be-

das mit Hilfe eines Stiftes 8 an dem Gerüst befestig- reich begrenzt wird.

bar ist. Das Gewicht P ist mit einer axialen Bohrung Die durch die Massen des Systems bedingten

für die Durchführung des Kabels 4 versehen und Schwingungen sind jedoch relativ stark gedämpft, da

weist eine Klemmeinrichtung 7 auf, mit Hilfe welcher durch dieselben eine intensive Querbewegung der

das Gewicht an dem Kabel 4 festgeklemmt werden 20 Wasserteilchen zwischen der Meßglocke 5 und dem

kann. Die Festklemmung erfolgt gewöhnlich, nach- Bohrloch auftritt. Um die Dämpfung möglichst groß

dem die Meßglocke 5 gemäß F i g. 2 im volleinge- zu machen, besteht demzufolge der Wunsch, den

tauchten Zustand ins Gleichgewicht gebracht wor- Querschnitt s der Meßglocke 5 so groß wie möglich

den ist. gegenüber dem Querschnitts des Bohrloches zu

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- 25 machen, was jedoch nicht immer möglich ist, da es

gemäßen Verfahrens weist ferner eine Einrichtung manchmal notwendig wird, eine bereits existierende

zum Registrieren der Bewegung der Meßglocke 5 Meßglocke in Bohrlöchern mit verschiedenen Durch-

beim Steigen des Grundwasserspiegels auf. Eine der- messern zum Einsatz zu bringen,

artige Einrichtung kann beispielsweise aus einer an An Hand von F i g. 5 ergibt sich, daß im ungün-

der Umlenkrolle 3 befestigten Papierscheibe und 30 stigsten Fall — d. h. beim Auftreten von ungedämpf-

einem an dem Gerüst 1 angeordneten, in regelmäßigen ten Schwingungen — die dynamische Anhebung der

Zeitabständen gegen das Papier gedrückten Schreib- Meßglocke 5 gegenüber dem Wasserspiegel den dop-

stift 9 bestehen, wobei mit Hilfe einer derartigen pelten Wert der statischen Anhebung BC derselben

Einrichtung die sukzessiven Drehbewegungen der über den Wasserspiegel ausmacht, welche — wie

Umlenkrolle 3 mit Hilfe von Punktmarkierungen fest- 35 _{ld h auszurechnen} __ Z. _{beträgt Damit also keine}

gehalten werden. es

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- Gefahr besteht, daß die Meßglocke 5 aus dem Grundgemäßen Verfahrens arbeitet wie folgt: Zuerst wird wasserspiegel vollends auftauchen und sich dabei die Meßglocke 5 durch das durch ein Auskleidungs- entleeren kann, ist es nötig, derselben eine Länge zu

^iL^gli ^B,^0hrL⁰i ^ ^Han<! ^aUS _c ^a!l ^dT ⁴° geben, die etwas größer als 2 JL ist.

Kabel 4 herabgesenkt. Sobald das untere Ende der es

Meßglocke 5 das Wasser berührt, löst sich die das Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, daß ein

Ventilteil des Füllventils bildende Kugel 6 von ihrem Interesse daran besteht, im Gebiet der kritischen

Sitz. Durch das Entweichen des Luftinhaltes der Dämpfung zu arbeiten, was dadurch- erreicht werden

Meßglocke 5 sinkt dieselbe zusammen mit der Kugel 45 kann, daß die Querschnitte s und S nicht wesentlich

nach abwärts, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist. voneinander verschieden gemacht werden.

Die Meßglocke 5 wird dabei vollkommen unter den Um bei Abwesenheit einer Dämpfung die Länge

Grundwasserspiegel abgesenkt, wie dies beispiels- der Meßglocke 5 trotzdem auf eine Länge beschrän-

™^eif s;^richP^unktierLⁱⁿ ·^Ρκ^ί§·]- ^Sestett ist- Das _{ken fc die ß f} ^ χ .

Kabel 4 wird daraufhin über die Umlenkrolle 3 ge- 50 ^s es

legt und die Meßglocke 5 in ihrer untergetauchten kann an dem unteren Ende der Meßglocke 5 ein

Stellung durch das Anbringen eines Gegengewichtes ρ feines metallisches Drahtgeflecht angeordnet werden,

ins Gleichgewicht gebracht. Sobald das Gleichgewicht Auf Grund dieses Drahtgeflechtes entleert sich die

hergestellt ist, wird das mittels des Stiftes 8 am Meßglocke 5 selbst dann nicht, wenn dieselbe über

Gerüst 1 befestigte Gegengewicht P mit Hilfe der 55 den Wasserspiegel hinausgezogen wird. Durch das

Klemmeinrichtung 7 am Kabel 4 festgeklemmt. Anbringen eines Drahtgeflechtes wird ferner ver-

Der eigentliche Versuch beginnt, sobald das Ge- mieden, daß auf dem Grundwasserspiegel schwimwicht P durch Ziehen des Stiftes 8 von dem Gerüst 1 mende Fremdkörper in das Innere der Meßglocke 5 gelöst wird. Dadurch ergibt sich eine Störung des gelangen und ein Abschließen des Füllventils 6 verGleichgewichts, demzufolge die Meßglocke 5 aus 60 hindern können.

dem Wasser gehoben wird. Durch dieses Ansteigen Um die Bewegung der Meßglocke 5 beim Wieder-

der Meßglocke 5 mit der darin befindlichen Wasser- aufstieg des Grundwasserspiegels aufzeichnen zu

menge tritt ein entsprechendes Absenken des Grund- können, ist ein Schreiber vorgesehen, der beispiels-

wasserspiegels innerhalb des Bohrloches auf. weise aus einer an der Umlenkrolle 3 befestigten

Unter der Annahme, daß kein zusätzliches Grund- ⁶5 Papierscheibe und einem an dem Gerüst 1 befestigten wasser_von der Seite nachströmt, kann der Auf- Schreibstift 9 bestehen kann, wobei letzterer beistieg AB der Meßglocke 5 gegenüber ihrer Ursprungs- spielsweise in Sekundenabständen gegen die Papierlage wie folgt ausgedrückt werden: scheibe gedrückt wird. Es entsteht somit ein Meß-

diagramm gemäß F i g. 6, wobei die an aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t_t, t₂, t₃ sich ergebenden Winkelabstände αχ, α₂, α₃ dem erfolgten zeitlichen Aufstieg der Meßglocke 5 entsprechen.

Unter Zugrundelegung des in F i g. 6 dargestellten Meßdiagramms kann für die Berechnung der Wasserdurchlässigkeit K folgende Gleichung verwendet werden:

Ίζ

RC '

wobei die Durchlässigkeit K in m/sek, der Bohrlochdurchmesser S in cm², die Konstante C in m einzusetzen ist.

Der Faktor R kann auf folgende Weise berechnet werden:

Ji

1 h '

In

J/in

wobei Ah₁ und Ah_n die während zweier gleicher Zeitintervalle Jii und Jfn gemessenen Höhenänderungen und Ji der Zeitabstand zwischen diesen beiden Zeit-Intervallen ist.

Da das dimensionslose Verhältnis -rr- gemäß

F i g. 6 gleich dem Winkelverhältnis

-^- ist, können Ja₁₁

an Stelle der Ausdrücke Ah₁ und Ah_n sofort Winkelbeträge Ja₁ und Ja₁, verwendet werden.

Die Wasserdurchlässigkeit K des Bodens soll im folgenden in Form eines Beispiels berechnet werden: S betrage 120cm², C 1,32m. An Hand von Fig. 6

ergibt sich für Ji = 6 ein Wert von

a_n

= 2,5.

Daraus berechnet sich R = 6,55. Für die Wasserdurchlässigkeit K ergibt sich somit:

40

Abschließend sei bemerkt, daß bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die durch die Gegengewichte bewirkten Zugkräfte ebenfalls mit Hilfe von Federn bzw. hydraulischen, pneumatischen, elektrischen oder elektromagnetischen Einrichtungen bewirkt werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Wasserdurchlässigkeit eines gewachsenen Bodens im Gelände durch Messung der Einsickergeschwindigkeit des Grundwassers in ein im zu untersuchenden Erdboden hergestelltes Bohrloch, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem Füllventil versehenes Meßgefäß bekannten Volumens in das Bohrloch abgesenkt und bei geöffnetem Füllventil voll in das in dem Bohrloch stehende Grundwasser zum Eintauchen gebracht wird, daß anschließend das Meßgefäß bei geschlossenem Füllventil mit der in ihm befindlichen Grundwassermenge so weit angehoben wird, bis der entsprechend der mitangehobenen Wassermenge außerhalb des Meßgefäßes absinkende Grundwasserspiegel sich in einer Höhe oberhalb des unteren Gefäßrandes befindet, daß während des Nachsickerns des Grundwassers in das Bohrloch und des Ansteigens des Grundwasserspiegels bis auf die ursprüngliche Spiegelhöhe die das Anheben des Meßgefäßes bewirkende Hebekraft aufrechterhalten wird und daß während des Ansteigens des Meßgefäßes die Geschwindigkeit dieses Aufsteigens gemessen wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Bohrloches ein mit einer Umlenkrolle (3) versehenes Gerüst angeordnet ist und daß über die Umlenkrolle (3) ein Kabel (4) geführt ist, das einerseits mit dem Meßgefäß (5), andererseits mit einem Hebegewicht (P) verbun- ( den ist, wobei das Hebegewicht (P) ein geringeres Gewicht als das Gewicht des von dem Meßgefäß (5) aufgenommenen Wasservolumens aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgefäß (5) eine nach unten offene, zylinderförmige Meßglocke (5) ist, deren Durchmesser nur etwas geringer als der der Bohrwand (2) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich der Meßglocke (5) eine Bohrung angeordnet ist und daß unterhalb dieser Bohrung eine mit dem Kabel (4) verbundene Kugel (6) bewegbar gelagert ist, welche das Abdichtungselement des Füllventils bildet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der untere offene Boden der zylinderförmigen Meßglocke (5) mit Hilfe eines Drahtnetzes abgedeckt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebegewicht (P) mit Hilfe eines lösbaren Stiftes (8) t am Gerüst (1) befestigbar ist und daß das durch das Hebegewicht (P) geführte Kabel (4) mit Hilfe einer Klemmeinrichtung (7) am Hebegewicht (P) befestigbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kabel (4) unterhalb des Hebegewichtes ein das Taragewicht des Meßgefäßes (5) kompensierendes Zusatzgewicht (p) vorgesehen ist, das eine Wickeleinrichtung für die überschüssige Kabellänge aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkrolle (3) mit einem in regelmäßigen Zeitabständen registrierenden Schreiber (9) verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen