Projektbeschreibung
(Deutsch)
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UVEK/ASTRA Forschung im Strassenwesen
VSS Vereinigung Schweizerischer Strassenfachleute
Forschungsgesuch
Geohydraulische Versuche im Fels
Beschreibung
früher Beilage 3 (neu Anhang 1)
Dr. W. Steiner, Dr. A.Thut, H.R. Fisch
1 Zielsetzung
Die Ermittlung hydrogeologischer Verhältnisse im Fels ist für den Grundwasserhaushalt, den Schutz der natürlichen Lebensgrundlagen und die Planung und Ausführung von Baumassnahmen wie Tunnel wichtig.
1.1 Technische Notwendigkeit
Mit dem Bau der Talsperren in den Alpen zu Beginn des 20.Jahrhunderts wurde ein Kontrollverfahren eingeführt, das zu Ehren des welschen Geologen, Maurice Lugeon, Lugeon-Test genannt wird. Im deutschsprachigen Raum ist die Methode auch unter der Bezeichnung "Wasserabpressversuche" und Wasserdruck-versuche (WD-Tests) be-kannt. Das Verfahren wurde entwickelt, um abzuklären, ob unter einem Damm Injektionen notwendig sind. Für die zuverlässige Ermittlung der geohydraulischen Parameter Transmissivität (T), Durchlässigkeit (K) und statische Druckhöhe (h) ist es jedoch oft unzureichend.
Es bestehen keine anerkannten Vorschriften über die Durchführung von hydraulischen Tests im Fels. Die Expertenkommission EK 5.07 "In-Situ Versuche" hat sich zum Ziel gesetzt, eine entsprechende Norm auszuarbeiten, und dabei auch neuere Verfahren einzubeziehen. Diese Arbeit ist eine Fortsetzung der kürzlich veröffentlichten Norm SN 670 390 "Wasserdurchlässigkeitsversuch nach Lefranc" für die Durchführung von Durchlässigkeitsversuchen im Lockergestein unterhalb des Grundwasserspiegels.
Vor Aufnahme der Normierungsarbeit hat die Expertenkommission festgestellt, dass wesentliche Grundlagen zur Bearbeitung der Norm fehlen und in der Literatur viel unter-schiedliche Ansätze veröffentlicht wurden. Die Expertenkommission EK 5.07 hat beschlossen eine Literaturstudie durchzuführen und ein Forschungsgesuch einzureichen.
1.2 Umwelteinflüsse
Zuverlässige Kenntnisse über hydrogeologische Verhältnisse sind auch zum Schutz der Umwelt nötig. Gemäss dem Gewässerschutzgesetz bleiben die Beeinflussungen durch Untertagbauten gering oder unterbleiben ganz. Das BUWAL hat vor einiger Zeit (Moser & Steiger, 1994) einen Bericht veröffentlicht. Dieser geht nur wenig auf Grenzen und Möglichkeiten der Untersuchungsmethoden und Bauverfahren ein.
2 Historische Entwicklung und Erfahrungen
2.1 Grundsätzliches zur Felsdurchlässigkeit
Die Durchlässigkeit von Fels wird in den meisten Fällen von den Klüften und Schwachstellen, dem Trennflächengefüge bestimmt. Bekannte Ausnahmen bilden in der Schweiz die wenig zementierten grobkörnigen Sandsteine der Unteren Süsswassermolasse (Rinnensandsteine), ebenso Sedimentgesteine wo Erdöl gespeichert ist.
Die Durchlässigkeit hängt von Kluftweite, Durchtrennungsgrad und weitern Parametern ab. Die Durchlässigkeit von geklüftetem Fels bildete das Thema verschiedener Sympo-sien (Stuttgart, 1972); europäisches Felsmechanik Symposia (Eurock) und internationa-len Konferenz über Felsmechanik, welche alle vier Jahre stattfinden (Stephansson und Steiner, 1999). Für die Beurteilung verlässt man sich meist auf Feldversuche.
Eine Voraussage der Durchlässigkeit aufgrund der Beschreibung des Trennflächenge-füges ist schwierig, wenn nicht fast unmöglich. Die theoretischen Überlegungen sind aber wesentlich zum Verständnis der Strömungsvorgänge (Snow, 1972, 1966, 1968a, 1968b, 1969).
2.2 Wasserabpressversuche (Lugeon Tests) im Bauwesen
Wasserabpressversuche wurden während der ersten Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts beim Bau der ersten Talsperren (Schwergewichtsmauer, Bogenmauern) angewandt und entwickelt. Es wurde ein Kriterium gesucht, wann eine Abdichtungsinjektion notwendig erachtet wurde. Ein wesentlicher Teil der Arbeit wurde vom welschen Geologen Maurice Lugeon geleistet, der seine Erkenntnisse im Buch "Barrages et Géologie" zusammen-fasste (Lugeon, 1932).
Als Grenzkriterium wurde ein Wasserverlust pro Meter Bohrloch bei 10 bar Überdruck in Liter/min. während 10 Minuten gemessen. Die Masseinheit des Wasserverlustes wurde als Lugeon bezeichnet. Dieser Wert ist empirisch und stellt eine Transmissivität dar.
Die Methode wurde beim Dammbau angewandt. Houlsby (1976) schlug eine Interpreta-tionsmethode mit drei Druckstufen vor.
Die Methode wurde weiterentwickelt und von Houlsby (1985, 1990) in Veröffentlichungen dargestellt. Dieser modifizierte Versuch wird bei drei verschiedenen Druckstufen anstei-gend von p1 zu p2 zu p3 und dann absteigend zurück gefahren.
Bei jeder Stufe wird der Wasserverlust während 10 Minuten bestimmt. Zur Auswertung wird der Verlauf der Wassermenge bei den Druckstufen verglichen und einem Verhalten der Strömung aufgrund der fünf Messungen (laminar, turbulent, Auswaschungen, Ver-stopfungen) zugeordnet. Das Verfahren wird international bei Dammbauten und Unter-tagbauten (Weltbank-Projekte oder ähnliche) sehr häufig angewandt.
Bei der Festlegung der zulässigen Wasserdrücke der einzelnen Druckstufen, meist linear, in Abhängigkeit der Tiefe ergeben sich sehr oft heftige Diskussionen.
Unabhängig davon schlug Louis (1967, 1974) die Anwendung von Doppelpackern und mehrstufigem Druckaufbau vor.
2.3 Durchlässigkeitsversuche in der Erdölprospektion
Die Anwendung von Durchlässigkeitsversuchen bei der Erdölprospektion gehört zum Stand der Technik. Die Druckniveaus sind meist wesentlich höher als im Bauwesen, die Matrixdurchlässigkeit spielt oft eine wesentliche Rolle, wie Temperatur und Viskosität der Flüssigkeit. Über diese Methoden wird an Tagungen der Internationalen Gesellschaft für Felsmechanik (ISRM) und der Petroleumgeologen viel veröffentlicht.
2.4 Hydraulic Fracturing and Jacking
Wird ein genügend hoher Druck aufgebracht, so ist es möglich, intakten Fels aufzu-sprengen, man spricht von "Hydraulic Fracturing". Ebenso können im geklüfteten Fels Klüfte erweitert werden (Hydraulic Jacking).
In der Felsmechanik entwickelte sich parallel die Technik des hydraulischen Aufspaltens (Hydraulic Fracturing), um die Spannungen im intakten Fels zu messen (Amadei und Stephansson, 1997). Dabei sind Zunahme der Durchflussmenge und der zugehörige Druck ein Kriterium für den Spannungszustand. Durchflussmenge und Spannungszu-stand sind voneinander abhängig. Ähnliche Verfahren können im geklüfteten Fels (Hydraulic Jacking) angewandt werden.
Die Änderung der Durchflussmenge (Durchlässigkeit), die sprungweise erfolgt, wird ver-wendet um den Spannungszustand zu ermitteln. Diese Überlegung kann nun umgekehrt werden: Wird der Spannungszustand bei Wasserabpressversuch zu stark verändert, so trifft eine starke Veränderung der Durchlässigkeit auf. Dieser "Grenzdruck" muss bei der Versuchsdurchführung beachtet werden.
Fairhurst und Roegiers (1972) haben in ihrem Beitrag auf diese Problematik hingewiesen.
2.5 Erkundung von Deponiestandorten
Für die Untersuchung von Lagerstätten von radioaktiven Abfällen mussten sehr un-durchlässige Formationen untersucht werden. Dazu wurden moderne Einbohrlochtest-verfahren aus der Erdölexploration (vgl. Earlougher 1977) für das Testmedium Wasser angepasst (vgl. Almen et al. 1986 und Adam & Wyss). Die Anwendung mehrphasiger Versuche mit Abfolgen von Pulse-, Slug und Constant Head/Rate-Tests hatte zum Ziel, verlässliche Werte für die Parameter Transmissivität (T) und statisches Druckpotential (h) zu ermitteln. Dabei werden auch gezielt die Druckerholungsphasen ausgewertet (Agarwal, 1980, Ehlic-Economides & Ramey, 1981). Die Auswertemethodik wurde mit diagnostischen Verfahren hinsichtlich des Erkennens von Fliessmodellen sowie von Brunnen- und Begrenzungseffekten weiterentwickelt (Bourdet et al. 1989).
Die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen werden bei der hydrogeologischen Charakterisierung von belasteten Standorten, Deponien und für die Ermittlung der geo-hydraulischen Parameter bei Tunnelprojekten angewandt. Der Einsatz von Packer-systemen zur hydraulischen Isolation von definierten Testabschnitten, sowie die online-Datenaufzeichnung/Verarbeitung entspricht dem heutigen Stand der Technik. Für die optimierte Durchführung von hydraulischen Tests während Bohrfortschritt in Tief- und Horizontalbohrungen stehen seit Kurzem neuentwickelte Testgeräte zur Verfügung (Bühler C. und Thut A., 1999).
2.6 Durchführung von Injektionen
Die Kommission der Internationalen Gesellschaften für Felsmechanik über Injektions-technik (ISRM Commission on Grouting, 1996) hat wenig über die Ermittlung der Durch-lässigkeit als Grundlage der Injektionen ausgesagt. Die Voraussage der Injizierbarkeit mittels Wasserabpressversuch ist meist nicht sehr zuverlässig. Ob der Grund nur beim unterschiedlichen Injektionsmittel (Wasser gegenüber Zementsuspension) liegt, ist nicht klar, die Art der Durchführung der Versuche könnte auch eine Rolle spielen.
Bei der Durchführung von Injektionen werden elektronische Aufzeichnungsgeräte ange-wandt, die sowohl Pumpmenge und aufgebrachten Druck mit grosser Genauigkeit messen. Der Druck kann in der Bohrung beim Packer gemessen werden.
Bei Injektionen werden die modifizierten Lugeon-Versuche (Druck) mehrstufig nach Houlsby durchgeführt und mit elektronischen Aufzeichnungsgeräten durchgeführt. Die Durchführung der Versuche auf der Baustelle nutzt aber die Möglichkeiten genauer Messgeräte, neuer Datenaufzeichnungen und darauf aufbauender Interpretations-methoden nicht. Die zeitabhängige Veränderung von Druck und Durchfluss werden nicht verwendet.
Lugeon Versuche mit zu hohem Druck können zu Aufsprengungen führen und eine fal-sche Durchlässigkeit vortäuschen. Für die Durchführung von Injektionen kann es jedoch wichtig sein, diesen Druck zu kennen. Wird während Injektionen dieser Druck über-schritten, so kann Injektionsgut in die Trennfläche eindringen und diese ausfüllen. Die Kluft schliesst sich nach der Injektion wieder und blockiert das Injektionsgut.
2.7 Grenzen bisheriger Versuche
Die Resultate aus modernen Packertests und aus Lugeon-Versuchen sind oft nicht ver-gleichbar. Dies hat im wesentlichen zwei Ursachen: Einerseits werden Lugeon-Tests meist nach empirischen Verfahren ausgewertet, andererseits sind die Resultate von Lugeon-Tests stark durch Bohrlocheffekte und bohrlochnahe Strömungseffekte beein-flusst. Bei sehr weit geklüftetem Fels mit hohen Lugeon-Werten (> 20) ist das Strö-mungsverhalten um eine Bohrung nicht mehr laminar (Rissler, 1982; Kutzner, 1991).
Trotzdem werden Lugeon-Tests von Tunnel- und Dammbau-Ingenieuren gegenüber den modernen Packer-Testverfahren bevorzugt, da bei Lugeon-Tests das Gebirgsverhalten bei variablen Injektionsdrücken beobachtet werden kann. Dies ist insbesondere für ge-plante Gebirgsvergütungen für die Beurteilung der Injizierbarkeit von Interesse. Ein modifiziertes Lugeon-Testverfahren wird von Fisch & Ziegler (2001) vorgeschlagen. Dieses erlaubt die Beobachtung des Gebirgsverhaltens bei unterschiedlichen Drücken weiterhin, ermöglicht aber zusätzlich eine zuverlässigere Abschätzung der Transmissi-vität und der statischen Druckhöhe.
3 Von der Forschungsstelle geleistete Forschungsarbeit
Die Forschungsstelle setzt sich aus Personen mit unterschiedlichem Erfahrungshinter-grund zusammen, nämlich:
· Anwendung, Auswertung und Erkennen von Grenzen in unterschiedlichem Gebirgs-formationen (W. Steiner, H.J. Gysi) der Durchlässigkeit.
· Entwicklung und Anwendung neuer Verfahren in "undurchlässigem" Gebirge (Ent-sorgung) und in grosser Tiefe (Alpen-Basistunnel) für die hydrogeologischen Erkun-dung (Solexperts: Dr. A. Thut, Dr. C. Bühler, Hr. H.R. Fisch).
· Anwendung von Hydraulic Fracturing.
· Durchführung von Injektionsarbeiten im Fels.
Diese Erfahrungen und Forschungen zeigen, dass in der Praxis oft ungenügende Ver-fahren angewandt werden, welche zu unbefriedigenden Resultaten führen und neuere Erkenntnisse mit den vorhandenen neuen Geräten gar nicht benutzt werden.
Lücken zeigten sich auch an internationalen Konferenzen, wo Personen der For-schungsstelle Generalberichte (Stephansson + Steiner, 1999) und Key-Note Lectures (Kaiser, Steiner, et al. 2000) mitverfassten.
4 Vorgehen
4.1 Literaturrecherche
Bei den Forschungsstellen besteht eine umfangreiche Sammlung von Literatur, welche teilweise laufend ausgewertet wird.
Aufgrund einer vertieften Auswertung der Literatur wird der gegenwärtige Kenntnisstand aufgearbeitet und die Grenzen und Unzulänglichkeiten der verschiedenen Methoden dargelegt.
4.2 Felsmechanische und hydrogeologische Überlegungen
Natürlicher Spannungszustand im Gebirge, natürlicher Wasserdruck und der im Versuch angewandte Wasserdruck beeinflussen das System, und es ergeben sich daraus Rand-bedingungen für die Versuchsdurchführung. Es handelt sich oft um ein nichtstationäres Problem, das entsprechend zu untersuchen ist.
Beim klassischen "Lugeon"-Versuch wird von einer Versuchsdauer von 10 Minuten aus-gegangen und die Interpretation als stationäres Problem vorgenommen. Die Auswirkung nicht stationärer Vorgehen ist zu untersuchen und in baustellentaugliche Regeln umzuwandeln.
4.2.1 Natürlicher Wasserdruck und maximaler zulässiger Wasserdruck
Der natürliche Wasserdruck muss als Randbedingung für die Versuchsauswertung be-kannt sein. Deshalb müssen Methoden angegeben werden, die dessen Bestimmung erlauben.
Der Druck, welcher Aufsprengungen und Aufweitungen erzeugt, muss bekannt oder darf nicht überschritten werden. Es sind entsprechende Messmethoden darzulegen.
4.2.2 Zeitabhängige Veränderung des Wasserdruckes
Die Art des Durchflusses aus der Bohrung in den Untergrund muss erkannt werden. Es muss erkennbar sein, ob es sich um einen stationären oder transienten Vorgang handelt. Die entsprechenden Erkennungsregeln müssen dargelegt werden. Ebenso sind Interpretationsmethoden notwendig.
4.2.3 Anforderungen an Geräte
Viele Geräte für Injektionen weisen heute automatische Druck- und Durchflussregistrier-einrichtungen auf. Die Methoden sollten davon Gebrauch machen.
4.3 Synthese der Überlegungen
Aus Literaturrecherchen und felsmechanischen Überlegungen werden anwendungs-spezifisch Anforderungen an die Versuchsdurchführung und Auswertemethodik abge-leitet. Die einzelnen Verfahren werden bezüglich Ihrer Eignung und Aussagekraft bei unterschiedlichen Fragestellungen und für unterschiedliche Rahmenbedingungen be-wertet. Diese bilden Grundlagen für eine Norm über Durchlässigkeitsversuche im Fels, insbesondere im Zusammenhang mit Untertage- und Tunnelbau.
5 Zeitprogramm
Die Arbeiten sollen im Herbst 2001 aufgenommen und im Sommer 2002 abgeschlossen werden. Der Schlussbericht steht im Sommer (Juli) 2002 zur Verfügung.
Es ist keine Fortsetzung der Forschungsarbeiten geplant.
6 Personal
Zur Durchführung ist der Einsatz folgender Spezialisten mit umfassender praktischer Erfahrung vorgesehen (siehe CV):
- Projektleiter: Dr. Walter Steiner, B+S Ingenieur AG, Bern
- Projektleiter-Stv.: Dr. A. Thut, Solexperts AG, Schwerzenbach
- Mitarbeiter:
H.R. Fisch, Solexperts AG, Schwerzenbach
H.J. Gysi, Gysi Leoni Mader AG
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Literatur
(Deutsch)
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