Entwicklung eines Frühwarnsystems zur vollautomatischen Setzungsüberwachung bei Naturgefahren, Gebäude- und Brückendeformationen und bei der Regeneration von Bodenverdichtungen im Agrarsektor (Kurztitel: Bodensetzung-Frühwarnsystem)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 386.20.11

Schlüsselwörter (Deutsch)

Messsystem, Bodenveränderungen, Geländeveränderungen, Bodenschutz, Gefahrenprävention

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Überwachung von Setzungen und Hebungen bei Gebäude- und Brückendeformationen, Rutschungen als Folge von Naturgefahren oder Untertagebau ist ein wichtiges Element der Gefahrenprävention und ermöglicht, dass rechtzeitig Schutzmassnahmen eingeleitet werden können. Herkömmliche optische Messsysteme zur Erfassung von Geländeveränderungen versagen bei ungünstigen Witterungs­bedingungen wie Regen, Schnee oder Nebel. Hydrostatische Messsysteme, bei denen Messdosen im Boden plaziert werden, funktionieren unabhängig von den Witterungsbedingungen. Die bisherigen Systeme (Large Area Settlement (LAS)-Meter, Hydrostatic Soil Displacement Meter HSDM) weisen jedoch Messfehler auf, die durch Lufteintritt und Blasenbildung in den Rohren und durch Flüssigkeitsverlust entstehen. Unter dem Namen „GRiMonit“ (GroundRiskMonitor) soll nun der LAS-Meter für den vollautomatischen Betrieb weiterentwickelt und in Bezug auf Messfehler optimiert werden. Dazu werden die Messrohre in gewissen Zeitabständen automatisch durchgespült und die Messflüssigkeit in den Messdosen nach jeder Spülung zur Kalibrierung wieder auf das Anfangsniveau abgesaugt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

Optimierte Application Software sowie Logging und Control Unit für jetzigen LAS-Meter (Meilenstein 1)

Testgerät für mobile Anwendungen mit für grosse Höhenunterschiede und Pumpeffekt optimierter Software, inkl. Testresultate (Meilenstein 2)

Testgerät für den Wintereinsatz, inkl. Testresultate (Meilenstein 3)

Testgerät für den Einsatz im Bodenschutz, inkl. Testresultate (Meilenstein 4)

Strategie für die Vermarktung des Messsystems

Variantenvergleich Wasser-Glykol-Lösung mit anderen Lösungen

Eine Masterarbeit klärt den praktischen Einsatz des Systems ab.

Eine Software für die automatische Befüllung mit Dokumentation und Bedieneranleitung steht zur Verfügung. Sie erlaubt die Adaption an die vom Standort abhängigen Grössen (Konfiguration des Systems, benötigte Flüssigkeitsmenge, Höhendifferenzen, Grundlagen für Neukalibrierung im Testaufbau) bzw. deren Berechnung.

Projektziele (Deutsch)

In diesem Projekt soll auf Basis eines LAS-Meters ein robustes und einfach zu betreibendes Messsystem zur Erfassung von Gelände- oder Gebäudeveränderungen entwickelt werden, das vollautomatisch funktioniert und Messfehler korrigiert.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Im Rahmen der Gefahrenprävention ist es von zentraler Bedeutung, Setzungen/Hebungen und/oder Deformationen beispielsweise von Brücken, Staudämmen, Gebäuden oder im Untertagbau kontinuierlich zu überwachen, die als Folge von Naturgefahren oder baulichen Massnahmen auftreten können. Darüber hinaus stellen bewaldete Gebiete, durch diejenigen Strassen und/oder Eisenbahnlinien führen, grosse Herausforderung dar.
Mit «Grimonit» (GroundRiskMonitor) wurde ein hydrostatisches Messsystem entwickelt, das den eben genannten Anforderungen gewachsen ist.
Im Vergleich zu ihren optischen Gegenspielern verfügen hydrostatische Messsysteme über entscheidende Vorteile, wobei Witterungsbedingungen wie Regen, Schnee oder Nebel, keine verfälschenden Auswirkungen auf die Messresultate haben.
Beim Grimonit handelt es sich um die Weiterentwicklung des LAS-Meter, das bereits 1994 kooperativ von der ETH Zürich sowie der Edi Meier und Partner AG entwickelt wurde. Die Tatsache, dass das LAS-Meter mit Lecks und Lufteinschlüssen im Messflüssigkeitskreislauf zu kämpfen hatte, war Stein des Anstosses, um unter dem Namen «Grimonit» (Ground Risk Monitor) dessen Weiterentwicklung voranzutreiben. Ziel war es, ein Messgerät zu schaffen, das in der Lage ist Messdosen vollständig automatisiert zu befüllen und die Messleitungen periodisch zu spülen. Dank der finanziellen Unterstützung durch das BAFU konnte diese Zielsetzung teilweise erreicht werden. Noch sind nicht alle Prozesse vollständig automatisiert, doch dieses Ziel liegt mittlerweile in greifbarer Nähe.
Eine Patentanmeldung wurde nicht durchgeführt.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

1. Im Sommer 2021 konnten erste praktische Messungen in einer Deponie durchgeführt werden. Zu diesem Zweck wurden eine Referenz- sowie eine weitere Mess-Dose über ein 50m messendes Well-Rohr angeschlossen. Anschliessend schob man die Mess-Dose in 1-Meter-Schritten in das Inklinometer-Mess-Rohr. Bereits im Jahr 2010 vermassen wir anhand des LAS-Meters dieselbe Deponie. Die nun anhand der Grimonit-Messung ermittelten Daten sind zuverlässig und belastbar, woraus wir schliessen können, dass der Grimonit einwandfrei funktioniert (siehe Bericht unten).

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Mittlerweile stehen 3 feldtaugliche Geräte für Messaufgaben zur Verfügung. Die Messdosen lassen sich über eine Remote-Verbindung via Internet befüllen und die Messleitungen können bei Bedarf durchgespült werden können. Das noch nicht ganz erfüllte Ziel der vollständigen Automatisierung wird im Rahmen weiterer Messaufgaben beobachtet und zu Abschluss gebracht. Im Anschluss daran werden wir den Grimonit kommerziell anbieten. Aus diesem Grund suchen wir derzeit Messaufgaben mit Projektpartnern, die an einer konstruktiven Zusammenarbeit interessiert sind. Dabei spielt es keine Rolle ob eine fixe Installation erforderlich ist oder ob eine mobile Anwendung gefragt ist. Das Messgerät wird im Vorfeld für jede Anwendung individuell konfiguriert und mit der Flüssigkeit mit entsprechendem spezifischem Gewicht befüllt. Der Grimonit ist nicht nur für Langzeitmessungen konzipiert. Während Messdosen im Boden verbleiben, lässt sich das Messgerät entfernen. So besteht die Möglichkeit zu einem späteren Zeitpunkt flexibel, weitere Messungen durchzuführen.
Aktuell sind wir damit beschäftigt weiter Praxiserfahrung mit dem Gerät zu sammeln, die in die nächste Geräte-Serie einfliessen wird.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Bericht über die Nachmessung in der Deponie Zingel, Schwyz: Be234_3_Zingel_2010_2021.pdf