Brunnenbau

Schematische Ausbauzeichnung eines Bohrbrunnens mit geologischem Schichtenprofil

Zum Brunnenbau umgenutzter Sprengschachtfertiger B3A auf Magirus-Deutz 310D26FAK der Bundeswehr in Matabaan (Somalia)

Der Brunnenbau dient der Errichtung von Bauwerken zur Förderung und Überwachung des Grundwassers. Diese Bauwerke umfassen in der Regel Brunnen und Grundwassermessstellen.

Folgende Bauarten sind gebräuchlich:

Schachtbrunnen

Durch manuellen oder maschinellen Aushub wird ein vertikaler Schacht bis in den Grundwasserkörper errichtet. Im Zuge des Tieferschreitens wird der Schacht mit Mauerwerk oder Betonfertigteilen gesichert, die aus (Stahl)beton vorgefertigt wurden. Die Zuströmung des Grundwassers zum Brunnen erfolgt durch die Sohle des Schachtes und/oder eine vertikale Filterstrecke. Das Verfahren eignet sich nur für geringe Tiefen (zumeist wesentlich weniger als 40 m).

Üblicherweise erfolgt die Errichtung eines Schachtbrunnens bei einfacher Bauweise für kleine Tiefen und Einzelobjekte wie folgt (diese Arbeit ist gefährlich und sollte von einem Fachunternehmen ausgeführt werden):

• Es werden Beton-Schachtringe (Durchmesser z. B. 1.000 mm) verwendet.
• Es erfolgt ein geringer Erdaushub, auf dem der erste Schachtring (ohne Steigeisen) exakt horizontal aufgesetzt wird. Dieser erste Ring kann an der Unterseite mit einer Stahlschneide versehen sein.
• Der Boden unter dem ersten Schachtring wird ausgehoben, der Schachtring sinkt nach, weitere Schachtringe können aufgesetzt werden.

Diese Form des Brunnenbaus gibt es auch bei gemauerten Brunnen und wird Senkbrunnen genannt. Statt vorgefertigter Betonringe wird ein Brunnenkranz gemauert und dieser stetig abgeteuft, bis das Grundwasser erreicht ist. Nach jeder Abteufung wird der Mauerkranz oben erneut aufgemauert.

Eine Sonderform des Schachtbrunnes ist der Kanat. Burgbrunnen sind sehr häufig Schachtbrunnen.

Ramm- und Schlagbrunnen

→ Hauptartikel: Rammbrunnen

Ein Rohr mit Spitze und unten angeordneter Filterstrecke (offener Teil des Rohres) wird bis in das Grundwasser durch Rammen vorgetrieben. Diese Methode wird besonders von Hobbywerkern bei kleinen Anlagen und geringen Tiefen verwendet. Der Schlagbrunnen wird auch als Abessinierbrunnen oder „Norton- Brunnen“ bezeichnet. Vorteil: leicht und kostengünstig zu errichten. Nachteil: die Fördermenge ist aufgrund der kleinen Filteroberfläche gering. Bei zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten am Filter aufgrund zu großer Wasserentnahme, bilden sich schnell Ablagerungen, die die Lebensdauer in Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit auf wenige Jahre verringern können.

Bohrbrunnen

Eine Bohrung wird bis in den Grundwasserleiter vorgetrieben. Im Bereich der wasserführenden Schicht ist eine Filterstrecke vorgesehen. Die Filterstrecke entsteht üblicherweise durch die Kiesschüttung, welche bei verrohrter und unverrohrter Bohrung ausgeführt werden kann. Oft erfolgt eine einfach oder mehrfach abgestufte Schüttung, wobei die größte Korngröße direkt am Filterrohr anliegt. Selbst bei Bohrungen im Festgestein wird oft Kies eingebracht, hier aber vor allem mit einer Stützfunktion und präventiv hinsichtlich der Erosion. Alternativ werden auch Glaskugeln verwendet. Diese Methode kann bis in große Tiefen (über 1.000 m) eingesetzt werden.

Sickerrohrleitungen

Zur Erschließung flach liegender und gering mächtiger, aber ausgedehnter wasserführender Schichten dienen horizontale Sickerrohrleitungen, ursprünglich entwickelt aus offenen Sickergräben. Dazu werden in mindestens 4 bis 5 Metern Tiefe meist Brunnenfilterrohre verwendet, die auf Länge und Umfang vollständig durchlässig ausgebildet sind.

Quellfassungen

Eine potentielle Quelle soll möglichst an der Austrittsstelle, vor Verunreinigungen geschützt, ohne ein Anstauen gefasst werden. Quellfassungen sind oft in hygienischer Hinsicht problematisch.

Horizontalfilterbrunnen

Von einem Schacht ausgehend werden horizontale Bohrungen mit Filterstrecken in den Grundwasserkörper vorgetrieben (Horizontalbrunnenbau). Diese Brunnen ermöglichen große Entnahmemengen. Die Brunnen sind durch eine Abdeckung und eine seitliche Abdichtung des Schachtes oder der Bohrung gegenüber der Oberfläche gegen das Eindringen von Verunreinigungen zu sichern.

Die Wasserförderung kann durch saugende Pumpen oder Tauchpumpen bzw. Unterwassermotorpumpen erfolgen. Die Wasserentnahme richtet sich nach der Ergiebigkeit des Grundwasservorkommens und der Leistungsfähigkeit der Filterstrecke, die ein Ausschwemmen des Bodens in den Brunnen zu vermeiden hat.

Entwurf und Ausführung

Die maximale Saughöhe einer Pumpe entspricht dem Luftdruck der Atmosphäre minus dem Dampfdruck von Wasser (Faustregel für kaltes Grundwasser: 5–12 Torr bei 5–12 °C). Dies entspricht auf Meereshöhe dem Druck einer 10,13 Meter hohen Wassersäule. Aus diesem Grund lässt sich mit einer Saugpumpe theoretisch Wasser nur aus einer Tiefe bis maximal 10,13 Meter fördern, praktisch nur aus einer Tiefe von etwa sieben bis acht Metern.

Noch um 1970 wurden elektromotorisch angetriebene Kreiselpumpen von Hauswasseranlagen typisch am Grund eines besteigbaren Schachts von etwa 1 m Durchmesser aufgestellt. Der Schachtgrund sollte dauerhaft oberhalb des schwankenden Grundwasserspiegels liegen, da der Elektromotor nicht wasserfest ausgeführt war und ein Mensch hier stehend oder hockend arbeiten können sollte.

Das eigentliche Brunnenrohr besteht in der Regel aus Stahl, hat etwa 12–20 cm Durchmesser, ist maximal 10 m lang und wird bis unterhalb des niedrigsten zu erwartenden Grundwasserspiegels abgeteuft. Zweckmässig hat es im ins Grundwasser eintauchenden Bereich seitliche Bohrungen, Schlitze oder feine Drahtgitter, um den Eintritt des Grundwassers zu ermöglichen, während Sand und Kies außen gehalten werden.

In das Brunnenrohr wird das Saugrohr, ein Gewinderohr mit etwa 3 cm Durchmesser, für die Motorpumpe hinuntergelassen. Am unteren Rohrende befindet sich ein Saugkorb mit etwa 6 cm Durchmesser (geschlitztes Gusseisen oder Siebgitter) und ein Rückschlagventil, das die Wassersäule im Rohr hält, wenn die Pumpe stillsteht.

Das Saugrohr kann oben von über dem Brunnenrohr liegenden Querriegeln gehalten werden. Die Tiefenlage des Saugrohrs wird so eingestellt, dass der Saugkorb über dem Grund des Brunnensumpfs liegt, um das Einsaugen von Feinteilen zu verhindern. Das Saugrohr wird beispielsweise über einen Holländer oder Flansch mit der Pumpe verbunden.

Selbstansaugende Pumpen können auch ohne Wasserfüllung einen Unterdruck erzeugen, der ausreicht, um die Wassersäule bis zur Pumpe zu heben. In einfache Pumpen müssen zunächst über einen obenliegenden Füllstutzen (mit Verschlussschraube) mehrere Liter Wasser gegossen werden, um das Saugrohr zu befüllen und die Pumpe zu entlüften. Erst wenn die Pumpe mit Wasser gefüllt ist, arbeitet sie effektiv und erreicht den vorgesehenen Druck.

Tauchpumpen, die sich unter dem Grundwasserspiegel befinden, können über eine verlängerte Achse von einem im Trockenen aufgestellten Elektromotor angetrieben werden.

Heute werden vielfach korrosionsfeste und abgedichtete Unterwasserpumpen eingesetzt. Diese haben die Form eines Zylinders und sind ab 75 mm Durchmesser erhältlich. Typisch ist ein Durchmesser von 93 mm zur Verwendung mit Brunnenrohren mit 100 mm Innendurchmesser. Sie werden an einem Seil bis etwa 1 m oberhalb des Brunnensumpfs bzw. dem Ende des Brunnenrohrs abgelassen, um keine Sandpartikel einzusaugen, welche Pumpenmechanik und Rohrarmaturen verschleissen lassen.

Wird ein Polypropylenrohr mit dünner Wandstärke als Druckrohr verwendet, sollte eine Pumpe mit Sanftanlauf verwendet werden, um Druckschläge auf das Rohr zu reduzieren. Beim Betrieb ist auf Frostfreiheit der wasserführenden Elemente zu achten. Auch wenn der Grund des Brunnenschachts in frostfreier Tiefe im Boden liegt, kann die stillstehende Pumpe binnen mehrerer Stunden durch die in den Schacht eindringende Kaltluft einfrieren. Bei großer Kälte kann auch der Wärmeverlust durch den Schachtdeckel hierfür ausreichen.

Handpumpen mit Pumpenschwengel tauchen mit ihrem Rohr von typisch 1 1/4 Zoll Nenndurchmesser in das Grundwasser. Am oder nahe dem oberen Ende des Rohrs ist ein Rückschlagventil eingebaut. Darauf sitzt ein gusseiserner Zylinder mit etwa 75 mm Innendurchmesser, in dem der Kolben mit Lederdichtung und Ventil von einem Pleuel durch den Schwengel auf- und abbewegt wird. Bei größerer Saughöhe ist es hilfreich, den Zylinder der Pumpe zunächst manuell mit Wasser zu füllen.

Um einen gleichmäßigeren Druckverlauf zu erreichen und einen allzu häufigen Anlauf der Pumpe zu vermeiden, werden Druckkessel (Membran- oder Windkessel) verwendet, die auch im Brunnenschacht untergebracht werden können.

Siehe auch

• Bandkeramischer Brunnenbau

Literatur

• Erich Bieske, Wilhelm Rubbert und Christoph Treskatis: Bohrbrunnen. R. Oldenbourg Verlag München, Wien 1998.
• Edward E. Johnson, Inc.: Ground Water and Wells. Saint Paul, Minnesota 1966.
• Raymond Rowles: Drilling for Water- A Practical Manual. Cranfield Press, Bedford UK 1990.
• Drilling: the manual of methods, applications and management/ produced by the Australian Drilling Industry Training Committee Limited, - 4th edition, 1997.
• Bohrtechnik: Normen Hrsg.: DIN, Deutsches Institut für Normung e.V., 1. Auflage. Stand der abgedr. Normen: August 1998, Berlin, Wien; Zürich: Beuth, 1999 (DIN Taschenbuch; 272).
• Fachmagazin bbr Leitungsbau Brunnenbau Geothermie, wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbh, Bonn.