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Bohrlochsonde zur Messung von Wasserdrucken
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im Baugrund Die Erfindung betrifft eine Bohrlochsonde zur Messung
von Wasserdrucken in verschiedenen Tiefen eines Baugrundes, bestehend aus einem
Rohr kleineren Durchmessers als das Bohrloch, an dem Rohr außenseitig in vorgegebenem,
axialem Abstand voneinander angeordneten, durch ein Druckmittel gegen die Lochwandung
aufblähbaren Dichtungen und jeweils zwischen diesen angeordneten mit dem Raum außerhalb
des Rohrs verbundenden Druckaufnehmern mit zum Rohrkopf geführten Anschlußleitungen.
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Bohrlochsonden des vorgenannten Aufbaus sind in verschiedenen Ausführungsformen
bekannt. Sie dienen insbesondere bei der Errichtung großer 3auwerke,wis Staudämme
etc.,dem die hydraulischen Eigenschaften des Baugrundes vor Errichtung des Bauwerks
zu ermitteln bzw. nach Fertigstellung des Bauwerks zu überwachen, um mögliche Gefährdungen
des Bauwerks rechtzeitig zu erkennen. Mit solchen Bohrlochsonden wird insbesondere
der sogenannte Porenwasserdruck gemessen, d. h. der im Baugrund vorhandene statische
Wasserdruck. Hierzu wird die Sonde in eine Probebohrung eingebracht. Die in axialem
Abstand voneinander angeordneten Dichtungen werden durch ein Druckmittel, z. B.
Druckwasser aufgebläht, so daß sie sich an die Lochwandung anlegen
und
zwischen sich definierte Räume zwischen dem Rohr und der Lochwandung abgrenzen,
in denen der Porenwasserdruck mittels der Druckaufnehmer gemessen wird. Auf diese
Weise ist es möglich, den Porenwasserdruck in verschiedenen Tiefen und damit gegebenenfalls
in verschiedenen Gesteinsschichten mittels einer einzigen Einrichtung aufzunehmen.
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Es sind ferner Bohrlochsonden bekannt (FR-PS 2 127 151),mit deren
Hilfe die Wasserdurchlässigkeit der Gesteinsschichten in verschiedenen Tiefen gemessen
wird. Konstruktiv sind diese Sonden im wesentlichen in gleicher Weise aufgebaut,
wobei jedoch am Rohr die Druckaufnehmer fehlen. Statt dessen wird in den Zwischenraum
zwischen die Dichtungen von der Rohrinnenseite her Druckwasser eingespeist. In gleicher
Höhe wie die Druckwasser-Einspeisung sind mit Abstand von dem Rohr in parallelen
Bohrungen, die in das Gestein hineingeführt sind, Druckaufnehmer angeordnet, die
den Wasserdruck innerhalb des Gesteins in einem definierten Abstand vom Rohr aufnehmen.
Aus der Differenz zwischen dem Speisedruck und dem Meßdruck läßt sich auf die Durchlässigkeit
der Gesteinsschicht im Bereich der Meßstelle schließen.
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Dieses Verfahren ist wegen der Vielzahl der notwendigen Bohrungen
und der genauen Justierung der Druckaufnehmer mit Bezug auf die Druckwasser-Einspeisung
in das Gestein sehr aufwendig. Außerdem ist die Meßmethode wenig zuverlässig, da
der Druckaufnehmer innerhalb eines großen Bereichs nur eine punktförmige Messung
ermöglicht, so daß der Meßwert nicht unbedingt repräsentativ für die gesamte Gesteinsschicht
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bohrlochsonde der eingangs
geschilderten Aufbaus so auszubilden, daß bei geringstmöglichem bautechnischem Aufwand
sowohl eine Messung des Porenwasserdrucks, als auch der Wasserdurchl ässigkeit möglich
ist.
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Ausgehend von der eingangs genannten Bohrlochsonde, die in dieser
Form zur Messung des Porenwasserdrucks geeignet ist, wird die Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß in dem Rohr eine Druckwasserleitung geführt ist, die jeweils
zwischen den Dichtungen über einen Kanal und eine Bohrung im Rohr mit dem Raum außerhalb
des Rohrs verbunden ist.
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Während üblicherweise die zwischen den Dichtungen angeordneten, mit
dem Raum außerhalb des Rohrs verbundenen Druckaufnehmer zur Messung des Porenwasserdrucks
dienen können, indem sie den statischen Druck in dem Zwischenraum zwischen den Dichtungen
aufnehmen, wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung eine Messung der Wasserdurchlässigkeit
möglich, indem über die im Rohr verlegte Druckwasserleitung Wasser mit nennenswert
höherem Druck in die Zwischenräume eingespeist, anschließend die Druckwasserleitung
abgeschlossen und dann mittels der Druckaufnehmer der Druckabfall in den Räumen
zwischen den Dichtungen aufgenommen wird. Je nach Durchlässigkeit der benachbarten
Gesteinsschicht wird der Druckabfall schneller oder langsamer erfolgen und im übrigen
asymptotisch wieder die Größe des Porenwasserdrucks annehmen. Auf diese Weise ist
es mittels einer einzigen Bohrlochsonde möglich, entweder den Porenwasserdruck oder
die Wasserdurchlässigkeit in verschiedenen Tiefen des Baugrundes zu messen.
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In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß in dem
Rohr im Bereich jeweils zwischen den Dichtungen eine Trennwand dicht eingesetzt
ist, durch die die Druckwasserleitung dichtend hindurchgeführt ist, und daß die
Trennwand mit einer radial verlaufenden, den Kanal bildenden Bohrung versehen ist,
die einerseits mit einer Öffnung am Umfang der Druckwasserleitung, andererseits
mit der Bohrung im Rohr fluchtet.
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Auf diese Weise lassen sich die Kanäle zum Einspeisen des Druckwassers
in die Zwischenräume zwischen den Dichtungen in beliebigem Abstand voneinander und
damit in beliebiger Tiefenstaffelung anordnen.
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Mit Vorteil ist in die Trennwand auch der Druckaufnehmer eingesetzt
und über eine radiale Bohrung in der Trennwand mit dem Raum außerhalb des Rohrs
verbunden, wobei die Trennwand als Scheibe ausgebildet sein kann.
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Zweckmäßigerweise ist die Druckwasserleitung als Schlauch ausgebildet.
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Für die Messung des Porenwasserdrucks ist gemäß einem weiteren Merkmal
der Erfindung in dem Rohr ein zweiter Druckwasserschlauch geführt, der jeweils im
Bereich der Dichtungen über einen Kanal mit dem Raum zwischen dem Rohr und der Dichtung
verbunden ist. Es wird also erfindungsgemäß für die Zuführung des Druckmittels zu
den aufblähbaren Dichtungen das gleiche konstruktive Prinzip angewandt, wie für
die Zuführung des Druckwassers für die Durchlässigkeitsmessung. So können auch hier
im Bereich der Dichtungen jeweils eine Trennwand dicht eingesetzt sein, durch die
die Druckwasserschläuche dicht hindurchgeführt sind und es kann ferner die Trennwand
mit einer radial verlaufenden, den Kanal bildenden Bohrung versehen sein, die einerseits
mit einer Öffnung am Umfang des Schlauchs, andererseits mit einer Bohrung im Rohr
fluchtet, durch di e dann das Druckwasser zum Aufblähen der Dichtungen eingespeist
wird.
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Um eine sichere Abdichtung zwischen den Dichträumen einerseits und
den Meßräumen andererseits zu erhalten, kann vorgesehen sein, daß jeweils zwischen
den Trennwänden in dem Rohr Trennscheiben eingesetzt sind, durch die die Druckwasserschläuche
und die Anschlußleitungen der Druckaufnehmer dichtend hindurchgeführt sind und die
außenseitig einen der Rohr wandung anliegenden O-Ring aufnehmen.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen
Ausführungsbeispiels beschrieben.
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In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine Ansicht der
Bohrlochsonde im eingebauten Zustand; Figur 2 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt
der Bohrlochsonde in vergrößertem Maßstab; Figur 3 einen der Figur 2 entsprechenden
Schnitt in weiterhin vergrößertem Maßstab im Bereich einer Meßstelle (um 900 gedreht)
und Figur 4 eine Ansicht einer Trennwand etwa gemäß Schnitt IV-IV in Figur 2.
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Die Bohrlochsonde 1 besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen
Rohr 2, das an seinem in der Einbaulage unteren Ende durch eine Platte 3 und an
seinem oberen Ende durch eine Kopfplatte 4 abgeschlossen ist. An:der Außenseite
des Rohrs sind in axialem Abstand voneinander ringförmige Dichtungen 5, 6 jeweils
paarweise angeordnet. Diese Dichtungen 5, 6 sind jeweils von einem elastischen Schlauchabschnitt
gebildet, der von der Innenseite des Rohrs her durch ein Druckmittel, z. B. Druckwasser
aufblähbar ist. Jedes Paar von Dichtungen 5, 6 begrenzt zwischen sich eine Meßstelle
7.
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Figur 2 zeigt einen vergößerten Detailschnitt der Bohrlochsonde im
Einbauzustand im Bereich einer Meßstelie 7. Es ist insbesondere erkennbar, daß die
ringförmigen Dichtungen 5, 6 aus Schlauchabschnitten aufgebläht sind und sich in
diesem Zustand an die Wandung 8 des Bohrlochs dichtend anlegen, wobei sie zwischen
sich je einen ringförmigen Meßraum 9 in axialer Richtung abgrenzen. Die seitliche
Abgrenzung geschieht durch die Bohrlochwandung 8 einerseits und das Rohr 2 andererseits.
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Im Bereich jeder Meßstelle 7 ist ein Druckaufnehmer 10 angeordnet,
der über einen Fühler 11 und eine Bohrung 12 im Rohr 2 mit dem Meßraum 9 in Verbindung
steht. Sämtliche Druckaufnehmer 10 sind jeweils über ein Anschlußkabel 13 mit der
außerhalb des Bohrlochs angeordneten Meßeinrichtung verbunden. Zur Fixierung des
Druckaufnehmers 10 dient, wie insbesondere Figur 3 erkennen läßt, eine scheibenförmige
Trennwand 14, die dichtend in das Rohr 2 eingesetzt ist. Sie weist eine radiale
Bohrung 15 für den Fühler 11 des Druckaufnehmers sowie eine axiale Bohrung 16 auf,
in der der Druckaufnehmer 10 mit seinem Kopf befestigt, z. B. eingeschraubt ist.
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Innerhalb des Rohrs ist ferner ein Druckwasserschlauch 17 geführt,
der im Bereich jeder Trennwand 14 über einen Kanal mit dem Meßraum 9 verbunden ist.
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Der Kanal wird von einer radialen Bohrung 18 in der Trennwand gebildet,
die über eine Öffnung 19 im Schlauch 17 einerseits und über eine Bohrung 20 (s.
Figur 2) im Rohr 2 andererseits die Verbindung zwischen dem Druckschlauch 7 und
dem Meßraum 9 herstellt. Der Druckwasserschlauch 17 ist dichtend durch die Trennwand
14 hindurchgeführt, beispielsweise an den Stellen 21, 22 mit der Trennwand verklebt.
Die Anordnung gemäß Figur 3 findet sich im Bereich jeder der in Figur 1 angegebenen
insgesamt sechs Meßstellen 7 wieder.
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Innerhalb des Rohrs ist einweiterer Druckwasserschlauch 23 geführt,
der im unteren Bereich der Darstellung gemäß Figur 2 (versetzter Längsschnitt) erkennbar
ist. Auch er ist durch eine Trennwand 24 geführt und dort dichtend eingeklebt. Über
eine Öffnung und einen radialen Kanal 25 sowie eine Bohrung 26 im Rohr 2 steht dieser
Druckwasserschlauch 23 mit dem Innenraum der ringförmigen Dichtungen 5, 6 in Verbindung.
Über diesen Druckwasserschlauch 23 werden die Dichtungen 5, 6 aufgebläht und gegen
die Bohrlochwandung 8 gepreßt.
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Zwischen den Trennwänden 14 und 24 sind jeweils Trennscheiben 27 (Figur
2) eingesetzt, durch die die elektrischen Anschlußleitungen 13 und die Druckwasserschläuche
17, 23 wiederum dichtend hindurchgeführt sind. Zwischen den Trennscheiben 27 und
der Wandung des Rohrs 2 sind O-Ringe 28 als Dichtungen eingesetzt. Zur Zentrierung
der Trennwände und zur Erleichterung des Einbaus dient ein in der Achse angeordneter
Zentral stab 29 der beispielsweise aus glaserverstärktem Kunststoff mit geringem
Ausdehnungskoeffizient besteht.
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Über die Durckaufnehmer 10 kann der in den Gesteinsschichten in der
Umgebung der Meßstelle 7 befindliche Porenwasserdruck gemessen werden. Es läßt sich
folglich über eine größere Tiefe von beispielsweise 50m dieser Porenwasserdruck
in den verschiedenen Schichtungen feststellen. Bei dieser Messung ist der Druckwasserschlauch
17 außer Betrieb. Ferner erlaubt die Bohrlochsonde 1 eine Durchlässigkeitsmessung.
Zu diesem Zweck wird über den Schlauch 17 und die Bohrung 18 in den Trennwänden
14 sowie die Bohrung 20 im Rohr 2 Druckwasser in die Meßräume 2 eingespeist und
anschließend der Schlauch 17 abgesperrt. Über die Druckaufnehmer 10 wird der Höchstdruck
und der mit der Zeit erfolgende Druckabfall aufgrund des Einsickerns des Druckwassers
in die benachbarten Gesteinsschichten gemessen. Dieser aufgebrachte Druck nähert
sich asymptotisch wiederum dem Porenwasserdruck.
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Aus dem zeitlichen Druckabfall läßt sich auf die Durchlässigkeit der
diversen Gesteinsschichten schließen.