DE4040803A1

DE4040803A1 - Determining required underpressure for causing ground water table to settle - extracting soil sample and deriving soil transmissivity to air phase, using direct relationship between relative air-water transmissivity and saturation potential function

Info

Publication number: DE4040803A1
Application number: DE19904040803
Authority: DE
Inventors: Michael Pfeifer
Original assignee: COTTBUS BAUWESEN HOCHSCHULE
Current assignee: UMWELT-PROJEKT-COTTBUS GMBH, O-7500 COTTBUS, DE
Priority date: 1990-12-14
Filing date: 1990-12-14
Publication date: 1993-03-11

Abstract

A method of determining the required underpressure for causing ground water to settle in a needle filter under vacuum involves extraction of soil samples and deriving the soil transmissivity to the air phase from a product of a local transmissivity coefficient and a reduction factor using a given equation. The required underpressure is then derived graphically from a direct relationship between the relative transmissivities for water and air and a saturation potential function. USE -Water removal from ground on which ground work or construction work is to be conducted. Fitting needle filter pipe for use as fountain.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des notwendigen technischen Unterdruckes bei der Vakuumgrund wasserabsenkung in einem als Brunnen ausgebildeten Nadel filterrohr.The invention relates to a method for determining the necessary technical vacuum at the vacuum base Lowering water in a needle designed as a well filter tube.

Zur Ausführung von Erd- sowie Bau- und Montagearbeiten in wasserhaltigen Böden sind temporäre Bodenentwässerungen die am häufigsten angewandten Verfahren.For performing earthworks, construction and assembly work in water-containing soils there is temporary soil drainage the most common procedures.

Bei der geschlossenen Wasserhaltung werden dabei Gravita tionsentwässerungen und Vakuumgrundwasserabsenkung unter schieden.When water is closed, Gravita ion drainage and vacuum groundwater lowering divorced.

Nadelfilteranlagen bestehen aus eng nebeneinander einge brachten Unterdruck-Grundwasserfassungen mit kleinem Quer schnitt - Nadelfilter genannt -, die miteinander durch Sammelleitungen mit einem Pumpenaggregat verbunden sind. Das Aufstellen der Nadelfilter kann auf dem Wege der Ein spülung oder durch Bohren erfolgen. Beim Vakuumverfahren wird durch Einführen des Vakuums in das Filterrohr das im Boden enthaltene Wasser in den Filter gesaugt und anschlie ßend gefördert. Dabei wird zunächst so verfahren, daß von der Pumpe über eine Sammelleitung Wasser und Luft zusam men angesaugt werden. Diese Praxis wird meist als Nach teil angesehen, besonders wenn die Böden nicht homogen sind und sich sandige und bindige Schichten abwechseln. Luft einbrüche und damit Wassereinbrüche auf Teilstrecken der Baugrube sind die Folge.Needle filter systems consist of being placed close together brought negative pressure groundwater wells with a small cross cut - called needle filters - that go through with each other Bus lines are connected to a pump set. Setting up the needle filter can be done on the way rinsing or drilling. In the vacuum process by inserting the vacuum into the filter tube Soil contained water sucked into the filter and then promoted eating. The first procedure is that of the pump together via a manifold water and air men are sucked in. This practice is mostly called after Partly viewed, especially if the floors are not homogeneous and alternate sandy and cohesive layers. Air and therefore water ingress on sections of the Excavation pits are the result.

Bekannt ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Absen kung des Grundwasserspiegels, insbesondere zwecks Entwäs serung von Baustellen, wobei ein als Filterlanze ausge bildetes Mantelrohr zunächst durch Druckwasserzufuhr bis zu einer vorbestimmten Tiefe in den zu entwässernden Boden eingespült und das sich in dieser Tiefe ansammelnde Wasser durch ein Vakuum abgesaugt wird, so daß das Innere des Mantelrohres mindestens zu Beginn des Ab saugvorganges mit der atmosphärischen Außenluft oder einer Druckluftquelle verbunden wird, derart, daß sich die einströmende Luft mit dem unter Einfluß des Vakuums nach oben strömenden Wasser vermischt. Die dazugehörige Einrichtung beinhaltet ein Mantelrohr, in das mindestens eine Leitung eingeführt ist, durch welche Luft in steu erbarer Menge in das Innere des Mantelrohres eingelassen wird (DE-OS 23 23 537).A method and a device for the outside are known Groundwater level, especially for drainage Replacement of construction sites, one being used as a filter lance formed casing pipe first by supplying pressurized water to to a predetermined depth in the soil to be drained washed in and that which accumulates at this depth Water is sucked off by a vacuum, so that Interior of the casing tube at least at the beginning of the Ab suction process with the atmospheric outside air or a compressed air source is connected such that the inflowing air with that under the influence of the vacuum mixed up flowing water. The Associated Facility includes a casing tube in which at least a line is introduced through which air in steu amount that can be inserted into the inside of the casing tube will (DE-OS 23 23 537).

Im Gegensatz zur vorgeschlagenen Erfindung wird dieses Verfahren nur dort funktionieren, wo relativ durchlässi ge Böden entwässert werden sollen. Das technisch reali sierbare Vakuum von Pumpen liegt bei durchschnittlich 6-8 mWs, nutzbar sind ca. 5-7 mWs. Durch das Ein strömen der Luft wird der technische Unterdruck reduziert, so daß bindige Böden, welche nicht infolge Gravitation entwässern, mit dieser Methode bei Fördertiefen ab ca. 6 m nicht mehr zu entwässern sind. Außerdem ist zu be achten, daß die Vermischung von Luft und Wasser eine wei tere Reduzierung der Förderhöhe bedeutet. Dieses Verfah ren ist als Kombination von Vakuumanlage und Mammutpumpe zu bezeichnen, welches ausschließlich für Böden geeignet ist, die großteils auch mit dem Gravitationsverfahren zu entwässern sind, insbesondere unter Berücksichtigung der angegebenen Förderhöhe. Der hauptsächliche Nachteil aller bisher bekannten Verfahren liegt darin, daß zur Förderung des Wassers atmosphärische Luft in das System eingelassen werden muß, wodurch die Effektivität wesent lich verringert wird. Weiterhin festzustellen ist, daß die spezifischen bodenphysikalisch-geohydraulischen Para meter, wie die Saugspannungs-Sättigungs-Funktion und die Saugspannung-Durchlässigkeits-Funktion des Bodens, nicht zur Bestimmung des erforderlichen technischen Unterdruckes verwendet werden. In contrast to the proposed invention, this is Processes only work where relatively permeable ge soils are to be drained. The technically real The vacuum that can be pumped is average 6-8 mWs, approx. 5-7 mWs can be used. By the one flow of air, the technical vacuum is reduced, so that cohesive soils which are not due to gravitation dewater using this method at depths of approx. 6 m can no longer be drained. In addition, be make sure that the mixing of air and water a white means a reduction in the delivery head. This procedure ren is a combination of a vacuum system and a mammoth pump to designate which is only suitable for floors which is mostly with the gravitational process are to be drained, especially taking into account the specified delivery head. The main disadvantage of all previously known methods is that for Convey water atmospheric air into the system must be let in, whereby the effectiveness is essential Lich is reduced. It should also be noted that the specific soil-physical-geohydraulic para meters, like the suction voltage saturation function and the Suction tension permeability function of the floor, not to determine the required technical vacuum be used.

Dadurch wird auch die Wirkung bisheriger Steuersysteme herabgesetzt, da eine exakte Anwendung unter o.g. Prämissen nicht erfolgte. Außerdem ist zu beachten, daß bei der Abschätzung des Unterdruckes gegenwärtig Parametermodelle verwendet werden, die nicht dem ak tuellen Stand der Wissenschaft entsprechen.This also has the effect of previous tax systems reduced because an exact application under the above Premises did not occur. It should also be noted that presently in the estimation of negative pressure Parameter models are used that are not the ak correspond to the current state of science.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Berück sichtigung der bodenphysikalischen Parameter, das Ver haltnis von Wasser- und Luftvolumenstrom so zu gestal ten, daß ein notwendiger technischer Unterdruck erreicht werden kann, der eine effektivere Entwässerung des Bo dens zur Folge hat.The invention is based, with Berück the task consideration of the soil physical parameters, the ver ratio of water and air volume flow that a necessary technical vacuum is reached can be a more effective drainage of the Bo dens has the consequence.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Durchlässigkeit des Bodens gegenüber der Luftphase aus einem Produkt eines auf der Grundlage der statistischen Verteilungsfunktion als Mittelwert der aus den Boden proben ermittelten lokalen Durchlässigkeitskoeffizienten (Kf) und eines als Abminderungsfaktor in Abhängigkeit von der Wassersättigung wirkenden relativen Durchlässig keitskoeffizienten (Krel) der ungesättigten Bodenzone gegenüber der Luft nach der BeziehungThis is achieved in that the Permeability of the soil to the air phase a product one based on the statistical Distribution function as the mean of that from the soil local permeability coefficients (Kf) and one as a reduction factor depending relative permeability due to water saturation efficiency coefficient (Krel) of the unsaturated soil zone towards the air after the relationship

wobeiin which

Krel, a - relative Durchlässigkeit für Luft
sr - Restsättigung
s - Speicherkoeffizient für die gesättigte Strömung
K + rel - grafisch ermittelbarer DurchlässigkeitsbeiwertKrel, a - relative permeability to air
sr - residual saturation
s - storage coefficient for saturated flow
K + rel - graphically determined permeability coefficient

bedeuten, ermittelt und anschließend der erforderliche Unterdruck (pu) aus dem direkten Zusammenhang zwischen den relativen Durchlässigkeiten des Wassers und der Luft sowie der Saugspannungs-Sättigungs-Funktion (SSF) über eine grafische Darstellung der entsprechenden Kurven aus dem Schnittpunkt der relativen Luft- und Wasserdurchläs sigkeiten bestimmt wird.mean, determined and then the required Negative pressure (pu) from the direct connection between the relative permeability of water and air as well as the suction voltage saturation function (SSF) a graphical representation of the corresponding curves the intersection of the relative air and water passages is determined.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll nachstehend die Erfindung näher erläutert werden.Based on an embodiment, the Invention will be explained in more detail.

Neben der entsprechenden Meß-, Steuer- und Regeltechnik gehören zum optimalen Betrieb von Vakuumgrundwasserab senkungsanlagen in entscheidendem Maße auch Kenntnisse über den erforderlichen technischen Unterdruck im Nadel filter. Dabei spielen sowohl die relativen Durchlässig keiten von Luft und Wasser in Abhängigkeit vom jeweili gen Sättigungsgrad als auch die Saugspannungs-Sättigungs-Fun ktion (SSF) des Bodens die entscheidende Rolle. Die SSF wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren auf der Grundlage der Kornverteilung berechnet, wobei hier so genannte Drucktopfversuche zum Vergleich herangezogen werden. Andere bekannte Verfahren weichen wesentlich von den physikalisch begründeten Erkenntnissen über den Ver lauf einer SSF bzw. SDF des Bodens ab.In addition to the corresponding measurement, control and regulation technology belong to the optimal operation of vacuum groundwater countermeasures to a decisive extent also knowledge about the required technical vacuum in the needle filter. Both play the relative permeability air and water depending on the respective saturation level as well as the suction voltage saturation fun ction (SSF) of the soil. The SSF will follow the proposed procedure at the Calculated the basis of the grain distribution, so here mentioned pressure pot tests used for comparison will. Other known methods differ significantly the physically based knowledge of Ver run an SSF or SDF of the soil.

Von der Exaktheit der Berechnung der relativen Luftdurch lässigkeit hängt der gesamte Erfolg der Grundwasserab senkung nach dem Vakuumverfahren ab, da im Ergebnis des sen maßgeblich Einfluß auf das Volumenstromverhältnis von Luft und Wasser genommen werden kann.The exactness of the calculation of the relative air flow The overall success of groundwater depends on nonchalance reduction according to the vacuum process, as a result of the significantly influence the volume flow ratio can be taken from air and water.

Es wurde gefunden, daß der relative Durchlässigkeits koeffizient gegenüber Luft nach der BeziehungIt was found that the relative permeability coefficient against air according to the relationship

wobeiin which

bedeuten, ermittelt werden kann.mean can be determined.

Anschließend wird erstmals der Zusammenhang zwischen den relativen Durchlässigkeiten von Luft und Wasser sowie der SSF grafisch nach Fig. 1 hergestellt. Aus dieser speziellen grafischen Anordnung einzelner mathematisch ermittelter Kurvenzüge wird der exakte notwendige tech nische Unterdruck ermittelt, der wiederum Grundlage für eine bestmögliche Grundwasserabsenkung ist. Der Schnitt punkt der Luft- und Wasserdurchlässigkeitskurve wird senkrecht auf die darunter angeordnete Saugspannungs- Sättigungs-Kurve des Bodens gezogen. Der ermittelte Punkt ergibt horizontal auf der dazugehörigen Druckskala den notwendigen Unterdruck.The relationship between the relative permeabilities of air and water and the SSF is then graphically established according to FIG. 1 for the first time. From this special graphical arrangement of individual mathematically determined curves, the exact necessary technical vacuum is determined, which in turn is the basis for the best possible lowering of groundwater. The intersection of the air and water permeability curve is drawn vertically onto the suction voltage saturation curve of the floor below. The point determined gives the necessary negative pressure horizontally on the associated pressure scale.

Des weiteren ist zu berücksichtigen, daß bei zu gerin gem Unterdruck die Saugspannung im Boden nicht überwunden werden kann, eine Absenkung des Grundwassers deshalb un möglich ist. Wird jedoch ein zu großer Unterdruck ange legt, werden anfänglich gute Ergebnisse erreicht, bei Überschreiten des Lufteintrittspunktes, also bei direkter Zufuhr atmosphärischer Luft, reißt die Luftphase von der Wasserphase ab, der Luftvolumenstrom steigt in nicht ver tretbarem Maß infolge der Ausbildung separater Luftporen kanäle. Außerdem kommt es zum teilweisen Aufsättigen be reits entwässerter Bereiche. It should also be borne in mind that if too small due to negative pressure, the suction tension in the floor is not overcome can be a lowering of the groundwater un is possible. However, if the vacuum is too great good results are initially achieved with Exceeding the air entry point, i.e. with direct Supply of atmospheric air, the air phase tears from the Water phase, the air volume flow does not increase reasonable amount due to the formation of separate air pores channels. There is also partial satiety already drained areas.

Die exakte Kenntnis des notwendigen technischen Unter druckes ermöglicht eine hohe Energieeinsparung und eine wesentliche Vergrößerung des Abstandes der Nadelfilter brunnen untereinander, wodurch eine beträchtliche Kosten einsparung erreichbar ist.The exact knowledge of the necessary technical sub pressure enables high energy savings and a Significant increase in the distance between the needle filters fountain among themselves, creating a considerable cost savings can be achieved.

Claims

Method for determining the necessary technical vacuum in the vacuum groundwater lowering in a needle filter, whereby soil samples are taken and then the suction voltage saturation function and the relative permeability of the soil are determined, characterized in that the permeability of the soil to the air phase from one Product of a based on the statistical distribution function as the mean of the local permeability coefficients (Kf) determined from the soil samples and a relative permeability coefficient (Krel) of the unsaturated soil zone with respect to the air according to the relationship, which acts as a reduction factor depending on the water saturation whereKrel, a - relative permeability to air
sr - residual saturation
s - storage coefficient for saturated flow
K + rel - graphically determinable permeability coefficient mean, determined and then the required vacuum (pu) from the direct relationship between the relative permeabilities of water and air as well as the suction voltage saturation function (SSF) via a graphical representation of the corresponding curves from the intersection the relative air and water permeability is determined.