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Glas-Faser-Manschette für Trinkwasserbrunnen, Geothermiebrunnen und Grundwassermessstellen

Wie können Schäden an der Ausbauverrohrung punktuell saniert werden, wenn VA Manschetten nicht gesetzt werden können und kein Einschubrohr eingebaut werden soll?

Ursprünglich war die Fragestellung wie Schäden (Risse, Löcher, offenen Rohrverbindungen & Rohrveratz) in Brunnen und Grundwassermessstellen von DN50 bis DN125 repariert werden können.

Seit etwa 10 Jahren kann ab dem Durchmesser DN150 partielle Schadstellen mit VA-Manschetten saniert werden. Für kleinere Durchmesser war für den Brunnenbereich kein preislich vertretbares Verfahren auf dem Markt erhältlich.

Deshalb wurden Überlegungen angestellt, ein Verfahren aus der Kanalsanierung im Brunnenbereich anzuwenden. Dafür musste aber ein geeignetes Harz gefunden werden.

Dann ergab sich eine Möglichkeit das Sanierungsverfahren in einem großen Brunnen zur Anwendung zu bringen.

Ein Stadtwerk betreibt ein etwa 100 Jahre altes Wasserwerk. Das Wasserwerk wird als Reservewasserwerk betrieben und kommt in Zeiten von erhöhtem Wasserbedarf zu Einsatz.

Geologisch liegt das Wasserwerk im Bereich eines großen Senkungsfeldes einer Flussterrasse. Darin hat der Fluss im Laufe der jüngeren erdgeschichtlichen Entwicklung Sande und Kiese in einer Mächtigkeit von bis zu 30 m als wichtigstes Grundwasserreservoir abgelagert. Das Grundwasser ist bei einem Flurabstand von durchschnittlich 5 - 9 m leicht zugänglich und strömt mit einer Geschwindigkeit von 1- 3 m/Tag im Untergrund dem Fluss zu.

Die Brunnen liegen etwa 400 m entfernt vom Flussufer in einer mächtigen Grundwasserschicht. So wird die Wasserqualität nicht vom Flusswasser und -höhe beeinflusst. Die Wasserfassungsanlagen bestehen aus einer unterirdischen Brunnengalerie mit vier Vertikalbrunnen welche als Hebeanlage betrieben wird, wobei die vier Brunnen durch einen Stollen miteinander verbunden sind um die unterirdische Wassersammelleitung mit den Brunnenköpfen zu verbinden. Über den Brunnen geht jeweils ein Schacht zu Tagesoberfläche um Wartungs- und Servicearbeiten an den Brunnen durchführen zu können. Die Gesamte Anlage wurde damals in offener Bauweise erstellt.

Die Brunnen sind damals mit Steinzeug Voll- und Filterrohren DN 400 ausgebaut worden. Die Brunnenköpfe sind mit einem Konus auf DN 250 verjüngt. Diese Besonderheit sollte allen Beteiligten noch Kopfzerbrechen bereiten. Aus damaliger Sicht war Steinzeug Rohr eine gute Wahl weil relativ preisgünstig und korrosionsbeständig und für damalige Regenerierverfahren mit Bürsten, Kolben und Behandlung mit Säuren keine Probleme darstellte. Kunststoffrohre für Brunnen gab es zu dieser Zeit noch nicht, Stahlrohr war teuer und nicht korrosionsbeständig, Kupferrohr war noch teurer dafür aber relativ korrosionsbeständig und Edelstahl war gerade erst erfunden und sehr teuer.

Einer dieser Brunnen war seit Jahren stillgelegt und sollte wieder in Betrieb genommen werden.

Im Rahmen einer generellen Überprüfung und Instandsetzungsmaßnahme der Brunnengalerie wurden alle Brunnen mit einer Kamerabefahrung von Firma Martin Knobbe EXXplore in Augenschein genommen.

Bei diesen TV Untersuchungen wurden an dem stillgelegten Brunnen Schäden festgestellt.

Dabei handelte es sich um Scherbenbildung und einem Loch im Muffenbereich in etwa 14,5 m Teufe, wobei der Filterkies sichtbar war. Auf dem Brunnenboden war ebenfalls Kies erkennbar. Der Wasserspiegel war zu diesem Zeitpunkt etwa 0,5 m unter dem Brunnenkopf.

Damit war eine konkrete Gefahr für den Brunnen nachgewiesen. Durch das Loch können der Filterkies und auch das anstehende Lockengestein, welches aus Sand und Kiesablagerungen der Rheinterasse besteht, in den Brunnen infiltrieren. Das Einfließen von Filterkies in den Brunnen zerstört die Kiesschüttung um das Brunnenfilterrohr und kann bei Kiessturz zu einem Zusammenbruch des Brunnenausbaus sowie bei fortschreitendem Prozess das ganze Brunnenbauwerk durch langsame Absenkung der Tagesoberfläche oder durch plötzlichen fallenden Tagesbruch zerstören.

Um diese Gefährdung für die Brunnengalerie zu unterbinden wurden Überlegungen zur Wiederherstellung der Standsicherheit des Brunnen angestellt und verschiedene Reparaturverfahren diskutiert.

Das einfachste und schnellste Verfahren ist das setzen einer VA-Manschette in den beschädigten Abschnitt. Diese Möglichkeit schied aber aus da der Mindestdurchmesser von 280 mm einer eingefahrenen VA-Manschette für einen Rohrdurchmesser DN400 nicht durch den Brunnenkopf mit DN250 passt.

Eine weitere Möglichkeit wäre das Einbauen einer Einschubverrohrung und Hinterfüllung des Ringraumes zwischen Brunnenrohr und Einschubrohr mit Filterkies. Dabei war aber zu beachten, dass die Förderfähigkeit des Brunnen reduziert würde.

Als Alternative zu den etablierten Sanierungsverfahren wurde von der Firma Martin Knobbe EXXplore vorgeschlagen eine GFK-Manschette in das Steinzeugrohr einzukleben. Es müsste nur überprüft werden ob GFK-Material und Harze mit Trinkwasserzulassung vorhanden sind. Diesem Vorschlag stimmten die Stadtwerke zu.

Ein entsprechender Sanierungspacker, der durch die Öffnung des Brunnenkopfes passte und sich auf DN 400 auf dehnen konnte war schnell gefunden.

Nach aufwendiger Recherche bei den Harzherstellern konnte ein Epoxidharz gefunden werden, welches die erforderlichen Eigenschaften für den Sanierungsfall unter Wasser erfüllt, denn dieses Harz muss im kalten Wasser von ca. 8 °C aushärten, eine ausreichende Topfzeit von mindestens 20 Minuten haben und darf keine nennenswerte Stoffe ins Trinkwasser abgeben. Eigentlich verstoßen diese Anforderungen gegen alle Regeln der Sanierungstechnik, denn Kälte ist für die Aushärtung
der normal verwendeten Sanierungsharze nicht zuträglich.

Nach dem ein Epoxidharz mit den entsprechenden technischen Eigenschaften und vor allem erteilter Trinkwasserzulassung,  d.h. mit erfolgreichen Prüfungen nach KTW A und DVGW W 270,  gefunden war, wurde ein neuartiger GFK-Strickstrumpf anstatt einer herkömmlichen Glasfasermatte ausgewählt. Dieser Strumpf wird auf Maß für den jeweiligen Anwendungsfall gefertigt und kann alle Dehnbewegungen des Setzpackers mitmachen.

Nachdem alle Komponenten für das Sanierungsprojekt vorhanden waren, wurde ein Test auf dem in einem Versuchsstand unter ähnlichen Bedingungen wie in dem zu Sanierenden Brunnenbauwerk durchgeführt.

Dazu wurde ein Steinzeugrohr DN150 vorbereitet und in ein mit Wasser gefülltes PVC Rohr gestellt.

Dann wurden alle Arbeitsschritte für die, Konfektionierung des GFK-Strumpfes, die Harzanmischung, das Einlaminieren des Harzes in den GFK-Strumpf und das Überstülpen desmit Harz getränkten GFK-Strumpfes unter Einsatzbedingungen durchgeführt.

Nach Fixieren der GFK—Manschettte auf dem Setzpacker wurde der Packer in das Steinzeugrohr eingefahren und mit Druckluft aufgeweitet. Nach ca. 6 Stunden Aushärtezeit wurde der Packer entspannt und gezogen.

Die Manschette saß erwartungsgemäß glatt und gleichmäßig an der Rohrwand an und hatte glatte harmonische Übergänge.

Da dieser Test ohne Probleme geklappt hatte, wurde in einer Besprechung mit den Stadtwerken Düsseldorf die Ergebnisse vorgestellt. Da das Ergebnis des Setzversuches erfolgreich war, wurden die Firma Martin Knobbe EXXplore aufgefordert den Brunnen mit den GFK-Strumpf zu sanieren.

Nach Bestellung und Erhalt aller benötigten Komponenten wurde kurzfristig ein Termin anberaumt da steigende Grundwasserstände keine lange Wartezeit mehr zuließen.

Die Firma Martin Knobbe EXXplore setzte für die Arbeiten eine typische Brunnenservice Kolonne mit einem Servicewagen sowie einem Allrad-LKW mit Heckladekran mit Winde ein. Der Kran mit Seilwinde wurde benötigt um den mit ca. 180 kg Gewicht beschwerten Packer schnell in den Brunnen einfahren zu können. Das enorme Gewicht wurde benötigt um den Packer beim Aufweitprozess nicht auftreiben zu lassen. Der Setzvorgang musste schnell erfolgen da nach 10 Minuten Anmischen und Einlaminierung nur noch 10 Minuten für das Einfahren und die Aufweitung des Packers zur Verfügung standen.

Dieses enge Zeitfenster hat verständlicher Weise zu einem enormen Stress bei allen beteiligten geführt, da ein Setzversuch mit einer GFK-Manschette in dieser Teufe, unter Wasser noch kein Beteiligter durchgeführt hatte und somit bei diesem Prototyp auch keine Erfahrungswerte vorlagen.

Nach erfolgter Laminierung wurde der GFK-Strumpf schnell auf den Packer gestülpt. Anschließend wurde der Packer mit dem Ladekran über den Brunnen gehoben und mit dem bereits vorab am Brunnen abgehängten 180 Kilo Gewicht verbunden.

Dann wurde mit höchster Geschwindigkeit der Packer in den Brunnen eingefahren und unter ständiger Beaufschlagung mit Druckluft auf Setzteufe gefahren. Bei Erreichen der Setzteufe von 14,5 m, mit der Manschettenmitte, wurde die hydraulische Kranwinde angehalten und der Packer unverzüglich auf geweitet.

Alle Arbeiten im Brunnen wurden permanent mit einer kleinen Brunnenkamera überwacht.

Der Aushärteprozess wurde ständig kontrolliert durch Überwachung des Packerdrucks, durch kontinuierliches Beobachten des Packers mit der Brunnenkamera sowie durch stündliches Beobachten eines laminierten Teststück welches in den Brunnen unter Wasser eingehängt wurde.

Nach etwa 6 Stunden wurde der Packer entspannt und gezogen. Im Anschluss wurde eine Kamerabefahrung durchgeführt und die Sanierungsstelle begutachtet.

Wie erwartet saß die GFK-Manschette an der richtigen Stelle und hatte die Schadstelle abgedeckt. Die Manschette lag glatt und ebenmäßig mit glatten Übergängen am Rohr an.

Obwohl das Verfahren eigentlich nur für kleine Durchmesser angedacht war, kam relativ schnell die zweite Einsatzmöglichkeit für die Glasfaser Manschette.

Ein Betriebsbrunnen aus Eternit Rohr DN600 in einer Raffinerie hatte 6 undichte Rohrverbindungen im oberen Vollrohrbereich. Diese Undichtigkeiten führten zu einem erheblichen Grundwasserkurzschluss. Dabei strömte das Grundwasser des ersten Grundwasserstockwerkes durch die undichten Muffen in den Brunnen.

An einer Muffen war in der Vergangenheit schon ein Sanierungsversuch mit einer VA-Manschette erfolgt, diese war aber undicht.

Die sechs Muffen wurden dann erfolgreich mit den Glasfaser Manschette abgedichtet. Dabei wurde neben dem Glasfaserstrumpf auch eine normale Glasfasermanschette eingesetzt.

Der Erfolg zeigte sich sofort, da der Wasserspiegel im Brunnen nach der Sanierung um 2 m gefallen war. Durch die sanierten Rohrverbindungen konnte kein Grundwasser des oberen Grundwasserstockwerkes in den Brunnen infiltrieren.

Die dritte Anwendungsmöglichkeit war wieder eine Herausforderung.

In einem Geothermiebrunnen DN200 sollten 2,5 m Filtersterecke aus VA-Wickeldraht abgedichtet werden, weil die Filteroberkante im Pumpbetrieb trocken fiel und der Brunnen dadurch in kürzester Zeit verockerte.

In diesem Fall wurde ein 3,5 m langer Sanierungspacker ausgewählt und die Filterstrecke in einem Setzvorgang zugesetzt und abgedichtet, bei minimalster Querschnittsveringerung.

Der bisher vierte Einsatzfall lag dann endlich einmal im ursprünglichen Durchmesserbereich. Ein Betriebsbrunnen mit PVC Ausbau DN100 hatte ein faustgroßes Loch im Filterbereich.

Ohne das Sanierungsverfahren mit Glasfasermanschette hätte der Brunnen überbohrt oder verfüllt werden müssen.

Mit der erfolgreich gesetzten Glasfaser Manschette war der Brunnen nach einem Sanierungstag wieder einsatzbereit.

Damit war der Beweis erbracht das schadhafte Brunnenrohre über und unter Wasser mit GFK-Strumpf Manschetten repariert und abgedichtet werden können. Somit ist ein neues Sanierungsverfahren für Brunnen und Grundwassermessstellen geschaffen welches ab Durchmessern von DN50 bis DN1000 eingesetzt werden kann.

Vorteile des GFK-Manschetten Verfahren:

  • Einsetzbarkeit ab DN50, VA-Manschetten können erst ab DN150 eingesetzt werden.
  • Glatte Übergänge im Rohr
  • Geringe Wanddicke
  • Günstige Materialien
  • Manschettenlänge frei wählbar, Begrenzung nur durch Packerlänge
  • Deformationen und Knicke in der Rohrwand werden überbrückt
  • Die Druckfestigkeit ist veränderbar
  • Die Manschette kann durch entlüften des Packers wieder gezogen werden

Die Nachteile :

  • Lange Aushärtezeit
  • Relativ kurze Topfzeit

 Wenn sie mehr über uns und unseren Brunnen und Pumpenservice wissen wollen, schauen sie doch einmal auf unserer Internseite unter www.brunnen-dienst.de vorbei.