2017-02-08 Vortrag Bad Düben Geologische Untergründe und ...2017+Geologische+Untergr$C3... · Fließsande/ Schwemmsande • Gleichkörnige Sande, wassergesättigt und frei beweglich

Geologische Untergründe Geologische Untergründe

und damit verbundene Risiken

Datum: 10.02.2017Uhrzeit: 9.15-9.45 UhrVeranstaltungsort: Hotel Heide SPA, Bitterfelder Straße 42, 04849 Bad Düben

Geologisches Ingenieurbüro Doris Heike Grieswald | Waldenburger Str. 3 d | 09212 Limbach-OberfrohnaMobil: 0162 9880798 | Mail: [email protected]

Gliederung des Skriptes(dick gedruckt: Inhalte des Vortrags)

1. Einleitung2. Maßgebliche Gesteinseigenschaften für die Wahl des Bohrverfahrens3. Problematisches Verhalten des Gebirges

4. Betonaggressive Stoffe und ihre Wirkung5. Hohlräume im Gestein

6. Karst

7. Fließsande / Schwemmsande7. Fließsande / Schwemmsande

8. Arteser

9. Gasvorkommen

10. Störungszonen/ Kluftzonen11. Braunkohle

12. Hebungsprozesse durch quellfähige Tonminerale

13. Fluss-Schotter mit großen Geröllen14. Stabilisierungsmaßnahmen bei Sedimenten

15. Orientierungshilfen bei Störungen16. Literatur

© GIB D. H. Grieswald

Problematisches Verhalten des Gebirges

• Wechselfolgen unterschiedlicher Gesteine z.B. der Pechstein in Chemnitz: ist max. 10 m dick, darüber kann mit der Schnecke, darunter mit dem Flügelmeißel gearbeitet werden

Teneriffa: Wechselfolge Phonolith (Basalt)/ Bims.


Teneriffa: Obsidian (ähnlich Pechstein).


• Versätze im Untergrund

• z. B. Hallesche Marktplatzverwerfung, Hohenstein-Ernstthal

Teneriffa: Tektonischer Versatz einer Pyroklastischen Fallablagerung durch Erdbeben.

Steinbruch Diethensdorf: TektonischerVersatz eines metamorphen Gesteinsdurch Gebirgsbildungsprozesse.



• horizontale oder Schrägschichtung

Kleiner Fallstein: Steilgestellte Schichtung von sedimentären Meeresablagerungen.



• Winkel der Schieferung -> z.B. verantwortlich für Ablenkung des Bohrlochs

Steinbruch Diethensdorf: Granulit. Bahnlinie bei Wolkenburg: Glimmerschiefer mit Quarzknauern.



• Gleitflächen (Harnische) im Schiefer oder an Schichtgrenzen

Kleiner Fallstein: Stylolithen. Zöblitz: Querfaserserpentin.



• Klüftung

Kleiner Fallstein: Sedimentschichten. Steinbruch Elzing: Granulit.



• Störzonen

Steinbruch Diethensdorf: Stark gestörtes Gebirge.

Bei Treuen: Ausgeprägte Störungszonen.



• Härtlinge/ Weichstellen

Vogtland, an der Talsperre Pöhl: herausgewitterte Xenolithe.



• Rutschungen

Wangerooge: Sedimentfächer im Watt.


Fluss-Schotter mit großen Geröllen

• Merkmale: • Lockere Sande und Kiese über Fluss-Schottern mit gerundeten Steinen und

Blöcken

• Maßnahme: • Mit Schneckenbohrung als Trockenbohrung arbeiten. Standrohr mitführen.

Sollten die Bohrhindernisse zu groß werden, abbrechen und auf Doppelkopf-bzw. Odexsystem umstellen. Keine Imlochhammerbohrung, da durch bzw. Odexsystem umstellen. Keine Imlochhammerbohrung, da durch Vibrationen und Druck die Bohrlochwandung instabil wird und das Bohrgestänge und der Bohrkopf verloren gehen.

Findlinge des Tagebau NochtenDresden: Schotter in der Elbe.© GIB D. H. Grieswald

Hohlräume im Gestein

• inhomogen, meist ist die Ausdehnung im Untergrund unbekannt• Unterscheidung in:

• Poren-Hohlräume• Kluft-/Trennflächen-Hohlräume• Karst-Hohlräume• anthropogen: Tunnel, Schächte, Altbergbau

• Merkmale bei großen Hohlräumen: • rascher Durchfall des Bohrgestänges, große Verpressmengen beim Verfüllen

des Ringraumes• rascher Durchfall des Bohrgestänges, große Verpressmengen beim Verfüllen

des Ringraumes• Maßnahmen:

• Kamerabefahrung, seismische 3d-Erfassung des Hohlraumes• Packer oberhalb des Hohlraumes einsetzen und Ausbau im Hangenden

durchführen.• Im Notfall mit einem verlorenen Rohr den Hohlraum überbrücken und

weiterbohren.• Bei bekanntem Hohlraumvolumen Verpressung von Mehrmengen einplanen.


Hohlräume im Gestein

Teneriffa: Ignimbrit mit Blasenhohlräumen (oben)Bimslapillituff mit Poren- bzw. Zwickelhohlräumen (unten)

Hohenstein-Ernstthal: Altbergbau mit Sinterbildungen


Karst

Vorkommen• Europa: in Karbonat-, Sulfat- und Salzgesteinen

• warm-humide Tropen: Silikatkarst (= Pseudokarst)

• Permafrostgebiete: Thermokarst (Hohlraumbildung durch Gefrieren und Schmelzen von Eis)

• horizontal und vertikal möglich, auch über wasserstauenden mergeligen Horizonten

Plitvicer Seen (Kroatien): rezenter Kalkkarst© GIB D. H. Grieswald

Karst

Vorgang der Verkarstung

• Verkarstung beginnt an Gesteinsflächen, vor allem an wasserwegsamen Trennflächen, primären Großkapillaren, in Störungs- und Zerrüttungszonen

• Vorgang: Kluftaufweitungen -> Karstgänge -> Schlotten • Vorgang: Kluftaufweitungen -> Karstgänge -> Schlotten und kleine Hohlräume -> ausgedehnte Höhlensysteme

Dolinenformen nach BÖGLI 1980 in /3/. C - Senkungsdoline, D - Einsturzdoline.


Karst

Probleme

• Bohrgestänge bzw. Bohrhammer können verloren gehen

• Bohrspülung bzw. Verpressmaterial wird in sehr großen Mengen genutzt oder verschwindet in Spalten

• Einsturz des Gebirges und Lebensgefahr • Einsturz des Gebirges und Lebensgefahr

• kein Ausbau als dauerhafter Brunnen möglich, da Karstgrundwasser starken Schwankungen unterliegt

• an Stellen, wo nur Luft, keine thermische Interaktion zwischen Erdsonde und Gebirge


Karst

Maßnahmen

• wenn stabiler Hohlraum, Kamerabefahrung

• Verwendung eines Erdsondenpackers oberhalb des Hohlraums als Pfropfen

• Abteufen bis zur Endteufe, Verrohrung im Bereich des • Abteufen bis zur Endteufe, Verrohrung im Bereich des Hohlraumes verbleibt im Bohrloch, Verpressung wie vorgesehen


Karst

Jahreszeitlich wechselnde Grundwasserstände und Druckverhältnisse in einem Karstsystem, in /3/. 1 und 2 stellen karstgrundwasserfördernde Bohrungen dar.

Grundwasserspiegel im Sommer Grundwasserspiegel im Winter


Karst

Besonderheit: Sulfatkarst

Quellversuch an der TU DarmstadtDarstellung des Quellvorgangs aus /4/:

1 2 3

4 5


Fließsande/ Schwemmsande

• Gleichkörnige Sande, wassergesättigt und frei beweglich• Körnung 0,5-2 mm, kaum Feinanteile, wenig Haftreibung• nicht standfest, können in Bohrloch nachfallen, das umliegende Gebirge kann nachbrechen• Suffosionsvorgänge:

• Abtransport von Feinkornanteil aus nicht bindigen Böden durch Grundwasser• Zunahme Porosität und Durchlässigkeit des Bodens

• Probleme: • plötzliche Abnahme der Stabilität• Gefahr von Kornzusammenbrüchen und Sackungen• Grundbruchgefahr bei Wasserzufluss oder Vibration!

• Maßnahmen: • Tiefenbegrenzung der Bohrung. • Standrohr bis zur Endteufe setzen. Keinen Brunnen in das Niveau

der Schwemmsande setzen! Die Setzungen lassen sich nicht vorhersagen. Es gilt das Prinzip der dichtesten Kugelpackung. Die Körner werden versuchen, sich diesem Zustand zu nähern.

• extrem gelstarke Spülung oder Spülung mit hoher Dichte verwenden

• Grundbruchgefahr bei Wasserzufluss oder Vibration! • Standrohr bricht ein• Es kann zu trichterförmigem Nachbrechen bis zur Geländeoberfläche kommen.

gleichförmige Sande unterschiedlicher Körnung. Herstellung mittels Siebanalyse.


Gasvorkommen

• Besonders bei porösen Sand- und Kalksteinen und gasführenden Grundwässern. Dabei muss das Speichergestein von einem gasdichten Deckgestein, z.B. Tonstein, überlagert sein, damit sich das Gas in einem Horizont sammeln kann.

• Drei Gefahren: • Drei Gefahren: • Erdgas: Methan, Ethan, Propan,

Butan: Explosions- und Brandgefahr• Stickstoff, Kohlendioxid:

Erstickungsgefahr durch Sauerstoffmangel

• Vergiftung• PE ist nicht gasdicht• Methan in Deponien beachten

Laacher See: Mofetten (CO2).


Gasvorkommen

• Austritt beim Anbohren: • plötzlich unter großem Druck • oder konstanter stetiger Zufluss. • In Abhängigkeit der Reservoirgröße nehmen Druck und

Zufluss rasch ab oder bleiben konstant hoch.

• Feststellen von Gasvorkommen: • Bei Arbeit mit Imlochhammer Zutritt nur bei hohem

Gasdruck bemerkbar. Bei Spülbohrung steigen Gasblasen in der Spülung auf.


Gasvorkommen

• Gegenmaßnahmen: • diffusionsbeständiges Sondenmaterial nutzen (z.B.

Mehrschichtmaterial mit zwischengelagerter Metallfolie)• Gasmessgerät auf Baustelle

• Sicherheitsvorkehrungen bei Gas im Untergrund von tiefer • Sicherheitsvorkehrungen bei Gas im Untergrund von tiefer geplanten Bohrungen:

• Aufwichtung der Bohrspülung, sodass der Druck im Bohrloch größer ist als der Druck in den Poren des Gesteins.

• Ausbildung Filterkuchen• Einsatz von Spülungsentgasern, spezielle Spülungszusätze


Braunkohle

• saugt Bohrspülung beim Bohren aus, ist sulfathaltig• Gegenmaßnahmen:

• sulfatresistente Schwerspülung• sulfatresistentes Verpressmaterial

Pyrit FeS2, kubisch kristallisiert. Sulfide und Sulfate sind oft in Braunkohlen enthalten.


Hebungsprozesse durch quellfähige

Tonminerale• Montmorillonit, Illit, Vermiculit• große Quelldrücke• bei Wasserzutritt quellfähig und aufweitbar, das Wasser wird gespeichert• bei Wasserentzug Schrumpfungsrisse• Maßnahme:

• Arbeit mit Schwerspülung. Das Bohrloch muss fachgerecht abgedichtet werden, damit kein Wasser aus dem Ringraum in die quellfähigen Schichten eindringen kann.kann.

Tonmineral quillt bei Wasserzutritt an der Kluftfläche auf. Bildausschnitt 4,5 mm.


Stabilisierungsmaßnahmen

bei Sedimenten

Stabilisierung rolliger Sedimente

• Sande und Kiese, schwach bindige Schluffe, Löß, Meeressand• Standfest, wenn hydrostatischer Überdruck der Spülung 0,3-0,4

bar ist. Hydrostatischer Druck wirkt auf Bohrlochwand. Dadurch wird Filtration der Bohrspülung in die Bohrlochwandung verursacht.Bohrlochwandung verursacht.

• Hydrostatischer Druck steigt mit zunehmender Tiefe und mit zunehmendem spezif. Gewicht der Bohrspülung.

• Maßnahmen:• bei grobkörnigen Lockergesteinen Spülung mit hoher

Gelstärke und Viskosität nutzen• bei Schwemmsanden und Kiesen Spülung mit hoher Dichte

oder extrem gelstarke Spülung nutzen


Stabilisierungsmaßnahmen

bei Sedimenten

Stabilisierung bindiger Sedimente• Tone und Schluffe haben im Laufe der Zeit während ihrer

Konsolidierung einen Teil des Wassers durch Überlagerungsdruck verloren. Infolge dessen saugen Sie das nicht gebundene Wasser der Spülung auf.

• Maßnahmen: • Maßnahmen: • Einsatz von quellhindernden Polymeren (Ton inhibitierend).• Ionenaustausch durch Spülungszusatz von Salzen oder Gips

haben stabilisierende Effekte auf Ton.


Bei allen Bohrungen gilt: Bei allen Bohrungen gilt:

Informieren Sie sich bitte im Vorfeld über die

geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


Literatur

/1/ http://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/geologie/5641/2/ PRINZ, H. & STRAUß, R. (2011): Ingenieurgeologie.- 5. Aufl.- 738 S.- Spektrum, Heidelberg./3/ JORDAN, H. & WEBER, H.-J. (1995): Hydrogeologie - Grundlagen und Methoden, Regionale Hydrogeologie:

Mecklenburg-Vorpommern, Brandenburg und Berlin, Sachsen-Anhalt, Sachsen, Thüringen.- 603 S.- Ferd. Enke Verlag, Stuttgart.

/4/ SASS, I. & BURBAUM, U. (2009): Artesisches Grundwasser, Anhydrit und Karsterscheinungen im Konflikt mit Erdwärmesonden: Überlegungen zur Schadensursache im Fall Staufen im Breisgau.- Institut für Angewandte Geowissenschaften, Fachgebiet Angewandte Geothermie, Technische Universität Darmstadt.- Vortrag vom 29.06.2009 auf dem Kolloquium des Instituts für Geowissenschaften der Universität Freiburg.

/5/ HÖLTING, B. & COLDEWEY, W. G. (2013): Hydrogeologie.- Einführung in die Allgemeine und Angewandte /5/ HÖLTING, B. & COLDEWEY, W. G. (2013): Hydrogeologie.- Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie.- 8. Aufl., 438 S., Springer-Verlag, Berlin Heidelberg.

/6/ REICH, M. (2009): Auf Jagd im Untergrund.- Der ideale Einstieg in die faszinierende Welt der Tiefbohrtechnik.- 168 S.- add-books, Bad Salzdetfurth.

/7/ THOLEN, M. & WALKER-HERTKORN, S. (2008): Arbeitshilfen Geothermie - Grundlagen für oberflächennahe Erdwärmesondenbohrungen.- WVGW mbH, Bonn.

/8/ ELBE, L. & BAYER, H.-J. (2010): Bohrspülungen für HDD- und Geothermiebohrungen.- 272 S.- Vulkan-Verlag, Essen.

/9/ ARNOLD, W. (1993): Flachbohrtechnik.- 1. Aufl.- 968 S.- Dt. Verl. für Grundstoffindustrie, Leipzig, Stuttgart.

Bildnachweise: Wenn nicht anders angegeben © D. H. Grieswald

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