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Brunnen

[111] Brunnen (well; puits; pozzi) sind allgemein senkrecht in das Erdreich gehende, durch Wandungen gegen Einsturz geschützte Hohlräume zur Verdrängung, Sammlung oder Ableitung von Wasser, im engeren Sinne senkrechte Schachte mit kreisförmigem Querschnitt zur Erschließung von unterirdischem Grundwasser.

Bei den B. unterscheidet man nach ihrer Bestimmung:

I. Gründungs- oder Senkbrunnen. Sie dienen zur Herstellung von Fundamenten bei wasserhaltigem Baugrund. Ihre Wandungen bestehen aus Mauerwerk, Beton, Holz, seltener Eisen. Sie werden bis auf den tragfähigen Baugrund geführt, mit Mauerwerk oder Beton ausgefüllt und bilden, miteinander verbunden, einen Teil des Fundaments. Die Größe ihres Querschnitts hängt von der zulässigen Belastung des Baugrundes und den zu übertragenden Gewichten ab, die Wandstärke von der Form des Querschnitts und der Tiefe (mit Rücksicht auf den Erddruck). Größere B. werden mit rechteckigem oder rundem Querschnitt aus Mauerwerk (scharfgebrannte Steine in Zementmörtel) hergestellt. Die Wandstärke ist wenigstens einen Stein stark, wenn erforderlich nach unten zunehmend, die Außenfläche glatt und zuweilen wasserdicht. Die Herstellung ist wie bei den unter IV a beschriebenen Schachtbrunnen.[111]

II. B. zur Grundwassersenkung gehören zu der Gattung der Rohrbrunnen (vgl. unter IV b). Während aber die dort behandelten eine möglichst ausgiebige Wassergewinnung bei geringer Absenkung des Wasserspiegels anstreben, sollen die B. zur Grundwassersenkung geringe Wasserförderung mit großer Absenkung vereinen; ferner sind sie durch ihre vorübergehende Verwendung gekennzeichnet, indem sie nach Gebrauch wieder beseitigt werden. Sie dienen entweder vor Ausführung von Baulichkeiten zur Verbesserung des Baugrundes, weil durch Entziehen von Wasser Sandschichten festeres Gefüge erhalten, Lehm oder Ton tragfähig werden, oder aber während der Gründungsarbeit zum Trockenhalten der Baugruben. Hierbei ersetzen sie die Spundwände, deren Nachteile – wie Erschütterungen und Lärm beim Einbringen und Gefahr von Erdbewegung – sie bei geringeren Kosten vermeiden. Dagegen haben sie infolge der Senkung des Grundwasserstandes in ihrer Umgebung häufig ein Versiegen anderer zur Wassergewinnung dienen der B. zur Folge. Ihre Aufstellung erfolgt am Rande der Baugrube in einem gegenseitigen Abstande von etwa 10 m, der in der Nähe von Gewässern bis auf 5 und sogar 3 m verringert wird. Das zunächst eingebohrte Futter- oder Mantelrohr besitzt einen Durchmesser von 180 bis 230 mm und kann nach Einbringung des mit Filterkorb versehenen Saugrohres behufs Weiterverwendung herausgezogen werden. Der Filterkorb erhält Abmessungen, die einen starken der Absenkung günstigen Wasserzufluß ermöglichen. Die B. werden reihenweise an Pumpen angeschlossen, die das Wasser unmittelbar oder vermittels Preßluft fördern.

III. Sammelbrunnen dienen zum Ansammeln des Wassers als Zwischenglied zwischen der eigentlichen Wassergewinnung und der Förderung. Sie werden aus wasserdicht gemauerten oder betonierten Schächten gebildet, denen das Wasser aus Rohrbrunnen, die in ihre Sohle hineinragen (Abb. 99) aus Heberleitungen oder aus Oberflächengewässern (Flüssen, Teichen) zufließt; den letzteren wird es durch Vermittlung von Sieben oder Kiesschüttungen entnommen. Bei tiefem Wasserstande werden die Pumpmaschinen häufig in dem entsprechend erweiterten Sammelbrunnen (Brunnenkessel) in einer Höhe untergebracht, die auch bei dem niedrigsten Wasserspiegel das Ansaugen sichert (Abb. 100).

Zu erwähnen sind hier auch die Brunnenstuben oder -kammern (well chamber; chambre ou puits de la prise d'eau; camera del pozzo), die zum Sammeln von Quellwasser und zum Schutze gegen Versandung und Verschmutzen um Quellen herumgebaut werden und als Anfangspunkt der Fortleitung einen wesentlichen Bestandteil der Quellfassung bilden.

IV. B. zur Wassergewinnung (procuring of water; captage de l'eau; presa del acqua).

a) Schachtbrunnen (Sickerbrunnen) werden mit Durchmesser von mehr als etwa 1 m aus Mauerwerk, Beton (auch mit Eiseneinlagen) ausgeführt oder aus Beton oder gußeisernen Ringen zusammengesetzt. Das Wasser sickert durch die Bodenfläche oder durch offen gelassene Fugen des Umfangs in den Schacht,[112] aus dem es gefördert wird. Maßgebend für die Ergiebigkeit ist die Größe des für den Wassereintritt nutzbaren Querschnitts. Sein Verhältnis zum Umfang ist bei eisernen B. infolge der Möglichkeit einer gedrängten Anordnung von Schlitzen am günstigsten, so daß ihr Durchmesser kleiner wird als bei der Verwendung anderer Baustoffe. Der freie Querschnitt am Boden und am Umfang wird außen durch Packungen von Kies geschützt, die das Zuschlemmen durch den Sand der wasserführenden Schicht verhindern. Bei den Filterbrunnen werden die Kiespackungen in den Zwischenräumen zwischen den doppelt ausgeführten Wandungen untergebracht.

b) Rohrbrunnen haben mit den Fortschritten der Bohrtechnik in wachsendem Maße Verwendung gefunden u. zw. mit Rücksicht auf folgende Vorteile: Ihre Ausführung ist billig; sie ermöglichen die Aufschließung sehr tiefer Grundwasserströmungen, wobei das Wasser aus ganz bestimmten wasserführenden Schichten entnommen werden kann; sie sind trotz geringer Durchmesser sehr ergiebig, weil das Wasser in ununterbrochenem Strome aus den wasserführenden Schichten abgesaugt wird und hierbei die Absenkung und damit der Zufluß in stärkerem Maße herbeigeführt werden kann, als bei Sickerbrunnen; die Wasserentnahme kann mit Sicherheit vor Verunreinigung geschützt werden. Man bezeichnet die Rohrbrunnen bis zu einer Tiefe von 8 m als Flachbrunnen, darüber hinaus als Tiefbrunnen. In Ausnahmefällen steigt das Wasser, falls es sich in den Schichten unter Druck befindet, bis zu einer diesem Druck entsprechenden Höhe, unter Umständen über den Erdboden (artesische B.). Die einfachsten Rohrbrunnen bestehen aus einem Rohr, das eingerammt oder eingeschraubt wird und zu diesem Zweck an seinem Ende eine Stahlspitze oder -schraube trägt. Das Wasser tritt durch Löcher oder Schlitze in dieses Rohr und wird aus ihm abgesaugt (Norton- oder Abessinier-Brunnen).

In der Regel besteht ein Rohrbrunnen aus drei Teilen (Abb. 101):

1. Das eigentliche Bohr-, Brunnen-, Mantel oder Futterrohr (M) schützt den beim Absenken geschaffenen Hohlraum gegen die nachdringenden Erdmassen. Es wird bis zu einem lichten Durchmesser von etwa 500 mm aus nahtlos geschweißten Rohren, bei größeren Abmessungen aus vernieteten Blech- oder aus Gußrohren hergestellt. Die einzelnen Stücke werden derartig miteinander verbunden, daß ein glatter Umfang entsteht (Rohrgewinde, Muffen mit Schraubenverbindung). Selten wird ein besonderes, später wieder zu entfernendes Bohrrohr zum Einbringen des Futterrohres abgesenkt.

2. Im Innern wird der Saug- oder Filterkorb f – Sauger genannt – eingelassen, der die Versandung des B. verhindern soll. Er wird aus einem mit Löchern versehenen Rohr gebildet oder besser zur Vergrößerung des Durchgangsquerschnitts aus einem Netze von verzinktem Eisen- oder Kupferdraht, über das je nach der Beschaffenheit der wasserführenden Schicht mehr oder weniger feinmaschiges Gewebe aus gleichem Stoff gelegt wird. Der Saugkorb ist häufig 12 m lang. Das untere Ende des Futterrohres dient, falls es mit Öffnungen versehen ist, als Grobfilter (Abb. 101 c). Zu gleichem Zweck kann ein besonderer Filterkorb oder eine Kiesschüttung zwischen Sauger und Futterrohr eingebracht werden, wonach jedoch das letztere bis zur Oberkante des Saugers wieder herausgezogen werden muß, um einen ungehinderten Wasserzutritt zu ermöglichen (Abb. 101 a und b). Saug- und Filterkörbe werden besonders bei feinkörnigem Sand zum Herausnehmen eingerichtet, damit durch Reinigung der freie Querschnitt und die Ergiebigkeit wiederhergestellt werden kann. Vorher wird häufig das Futterrohr, bis der B. wieder in Betrieb genommen wird, um die Länge des Saugers nach unten verschoben.

3. Das Wasser wird durch das Saugrohr s entnommen, das mit dem Sauger fest verbunden sein kann (Abb. 101 a), aber zuweilen auch in einem Abstand von ihm endet (Abb. 101 b) und zum Schutze des B. häufig gegen das Mantelrohr durch Gummiringe, Kupfermanschetten u.s.w. abgedichtet wird. Sein Ende muß in genügender Tiefe unter dem abgesenkten Wasserspiegel liegen, damit Eindringen von[113] Luft in die Saugleitung mit Sicherheit verhindert wird. Die Abmessungen dieser Leitung sowie die des Saugkorbes sind von der Beschaffenheit der auszunutzenden Schicht und von der Wassermenge abhängig, die in der Zeiteinheit entnommen werden soll. Die Rohrbrunnen endigen nach Abb. 100 oben meist in einem Einsteigeschacht (Brunnenkessel) in dem die Vorrichtungen zum Absperren, zur Probeaufnahme von Wasser, ferner die Zuführungspumpe bei Heberleitungen untergebracht werden.

Herstellung der B. mit großem Durchmesser, wie Gründungs-, Schacht-, Sammelbrunnen und Brunnenkessel können in wasserfrei gehaltener Baugrube unter Verwendung von Aussteifungen hergestellt werden. Hierbei ist es möglich, etwa zu Filterzwecken erforderliche Kiesschüttungen sorgfältig auszuführen oder auch die Wandungen wasserdicht zu machen. Wirtschaftlich ist dieses Verfahren nur bei nicht zu großer Tiefe und geringem Wasserandrang. Sonst ist die Absenkung vorzuziehen. Bei dieser senkt sich, wenn die im Innern befindlichen Erdmassen (mittels Spaten, Bohrern, Baggern oder indischen Schaufeln; von Hand oder maschinell) entfernt werden, die Brunnenröhre infolge des Eigengewichts oder besonderer Belastung. Die Wandungen werden entsprechend dem Senkvorgang aufgebracht. Zur Erzielung gleichmäßigen Setzens bedarf es großer Aufmerksamkeit und Erfahrung. Daher hängt man zur Sicherheit den B. auch an einem Gerüst auf und läßt ihn allmählich herunter. Am unteren Ende wird ein keil- oder schneidenförmiger Ring (Brunnenschling oder Kranz) aus Holz, Eisen oder Stein angebracht. In Abständen eingelegte und miteinander durch Längsanker verbundene Ringe werden zur Verhinderung von Rissen eingelegt (Abb. 99). Rohrbrunnen werden bei kleinem Durchmesser (bis 8 cm) und geeigneten Bodenverhältnissen eingerammt oder eingeschraubt. Die größeren werden, meist mit Belastung, eingebohrt, wobei die Erde aus dem Innern des Rohres mittels Wasserspül- oder (trockenen) Seilbohrverfahrens herausgeschafft wird; bei dem ersteren in Form von Schlamm durch eingepreßtes Wasser, bei dem letzteren in natürlichem Zustande durch Ventil- oder Sackbohrer, in denen sie sich bei deren wiederholtem Herabfallen sammelt. Entgegenstehende Steine werden erforderlichenfalls durch Sprengen zerkleinert. Die Kosten für das fallende m Bohrung wachsen mit zunehmender Tiefe und werden zuweilen auch von der Beschaffenheit der angetroffenen Schichten abhängig gemacht.

Anlage der B. Sämtliche erwähnten Ausführungen finden bei den Eisenbahnen Anwendung. Für den Betrieb sind die B. zur Wassergewinnung am wichtigsten. Der Aufstellungsort hängt von dem Vorhandensein von Wasser ab. Dies kann mittels Wünschelrute festgestellt werden, über deren Wert jedoch die Meinungen verschieden sind. Ein sicheres Urteil gewinnt man häufig, falls B. in der Nähe vorhanden sind, aus deren Schichtenprofilen (Bohrregister). Diese lassen die Eigenart und Stärke der aufeinander folgenden Schichten erkennen und werden bei jeder Bohrung sorgfältig festgestellt. Ihr Vergleich gestattet, die Lage und Mächtigkeit der wasserführenden Schichten zu ermitteln. Erforderlichenfalls werden landesgeologische Anstalten zu Rate gezogen. Bei größeren Anlagen sind systematisch angeordnete Probebohrungen (Rohrbrunnen von 3–5 cm Durchmesser) zu empfehlen, aus denen nach besonders ausgebildeten Verfahren ein Überblick über die Richtungs- und Gefällverhältnisse der Grundwasserströmungen gewonnen werden kann. Man erweitert auch einzelne Probebohrungen zu Probebrunnen, um durch anhaltendes Pumpen die Ergiebigkeit festzustellen.

Die Beschaffenheit des Wassers beeinflußt die Wahl des Anlageortes. Das zum Genuß bestimmte Wasser muß in erster Linie keimfrei sein (weniger als 100–200 Keime in einem cm³) und soll daher bei Erschließung von Grundwasser in einer Tiefe von mindestens 4 m und in ausreichender Entfernung von Unratstätten (auch verlassenen) gewonnen werden. Die Entnahme muß gegen Eindringen von Tageswasser (auch bei Überschwemmung) und von Schmutz sorgfältig geschützt sein. Das Wasser darf keine dem menschlichen Körper schädlichen Bestandteile enthalten, soll durch Aussehen und Temperatur zum Genuß anregen und auch bei längerem Stehen keine Trübung erfahren (Eisengehalt). Vor der Benutzung und in bestimmten Zeiträumen ist das Wasser zu untersuchen. Das eigentliche Gebrauchswasser wird außer zu Feuerlösch- und sonstigen Betriebszwecken hauptsächlich zur Speisung von Dampfkesseln und Lokomotiven verwendet. Es muß daher so beschaffen sein, daß es weder die Kesselwandungen angreift, noch die Bildung von Kesselstein hervorruft. Es darf nicht sauer, nicht zu eisenhaltig und nicht zu sehr durch Salze, die Verdampfungsrückstände bilden, verunreinigt sein. Bei einem Gehalt – auf 1 l Wasser bezogen – bis 150 mg Kesselsteinbildner gilt das Wasser als gut, bei 150–250 mg als ziemlich gut, bei 250–350 als gerade[114] noch brauchbar; in letzterem Falle ist jedoch eine chemische Reinigung empfehlenswert. Die Kesselsteinbildner sind (unlösliche) Karbonate und Sulfate des Kalziums und Magnesiums. In erster Linie kommen in Betracht: Kalk (Ca O), der fast in jedem Wasser in gewisser Menge enthalten ist, kohlensaurer Kalk (Ca CO₃), der besonders in kohlensäurehaltigem Wasser nach Entweichen der Kohlensäure durch Übergang des gelösten doppeltkohlensauren Kalkes in das unlösliche (Ca CO₃) entsteht, ferner Gips (Ca SO₄) und Magnesia (Mg O). Das Wasser wird nach dem Gehalt an diesen Kesselsteinbildnern durch die Zahl der »Härtegrade« gekennzeichnet. In 1 l ergeben: 10 mg Ca O oder 7∙15 mg Mg O einen deutschen Härtegrad (H. Gr.), 10 mg Ca CO₃ einen französischen, 7 mg Ca CO₃ einen englischen Härtegrad. Die nicht als Einheit dienenden Salze werden jedesmal mit Hilfe der Molekulargewichte in gleichwertige Mengen der Grundstoffe umgerechnet. 1 deutscher Härtegrad = 1∙25 englischen = 1∙79 französischen Härtegraden. Bei mehr als 15 deutschen Härtegraden ist eine Reinigung ins Auge zu fassen, gegebenenfalls ist die Verwertung von Oberflächenwasser vorzuziehen (vgl. Wasserstationen).

Nach der Verwendung unterscheidet man im Eisenbahnbetrieb: Hausbrunnen und Wasserwerksbrunnen. Erstere versorgen die kleinen Bahnhöfe und Haltepunkte (die keinen Anschluß an Gemeindewasserwerke haben), die Wärterstellen auf der Strecke und Wohngebäude. Sie unterliegen vor allem den gesundheitlichen Bedingungen. Ihre Ergiebigkeit braucht nicht groß zu sein, weil sie nur zeitweise Wasser zu liefern haben. Hierfür sind Schachtbrunnen geeignet, in denen sich das langsam zusickernde Wasser ansammeln kann. Einfache Rohrbrunnen (Abb. 102), z.B. Rammbrunnen, werden jedoch bei tiefem Grundwasserstand angewendet und verdienen im allgemeinen den Vorzug, weil sie, vollkommen gegen fremde Einflüsse abgeschlossen und auf beliebige Tiefe gebohrt, den gesundheitlichen Bedingungen besser genügen. Da bei Hausbrunnen das Wasser meist von Hand zu den Verwendungsstellen gefördert wird, sind sie in möglichster Nähe von diesen anzulegen. Wasserwerksbrunnen (Wasserstationsbrunnen) dagegen bilden Zubehörteile von größeren Anlagen, die als Wasserstationen in Werkstätten und Bahnhöfen errichtet werden und häufig eine anhaltende und bedeutende Wasserförderung bewältigen. Nur wo der Bezug von Trinkwasser aus Gemeindewasserwerken unmöglich oder sehr unwirtschaftlich ist, muß zugleich auch solches beschafft werden. Die ganze Anlage muß hierbei den verschiedenartigen Bedingungen genügen. In erster Linie muß das Wasser für die Kesselspeisung geeignet und die Brunnenanlage genügend ergiebig sein. Diese ist von den Größenverhältnissen der Pumpanlage und der Hochbehälter abhängig. Letztere ermöglichen trotz der häufig auftretenden, durch den Fahrplan bedingten plötzlichen Wasserentnahme eine möglichst gleichmäßige Beanspruchung der Pump- und Brunnenanlage. Die Zeit, innerhalb der eine bestimmte Wassermenge zu liefern ist, ebenso wie die Pausen, die der Erholung der B. günstig sind, lassen sich hiernach von vornherein ermitteln. Jedoch sollen die Anlagen zur Wassergewinnung reichlich bemessen sein, damit bei Änderung der Fahrpläne und in trockenen Jahren keine Schwierigkeiten entstehen. Ihr Umfang ist sehr verschieden; bei kleineren genügt ein Schacht- oder Rohrbrunnen, bei größeren sind mehrere Rohrbrunnen erforderlich, die durch Heberleitungen, selbsttätig oder (bei großen Entfernungen oder ungünstigen Höhenverhältnissen) unter Zuhilfenahme von Zubringepumpen, das Wasser einem Sammelbrunnen zuführen (Abb. 99). Diese Leitungen werden mit Vorrichtungen zum Entlüften und zum Auffüllen versehen, ferner mit Fußventilen, die ein Ablaufen der Wassersäule bei Stillstand verhindern, und mit Ventilen, die ein Absperren der einzelnen B. ermöglichen (zwecks Instandsetzung, Verteilung der Leistung, Vornahme von Messungen u.s.w.). B., die aus der gleichen Grundwasserströmung schöpfen, legt man quer zu ihr an. Diejenigen, aus denen das Pumpwerk fördert, müssen in dessen Nähe liegen, damit im Interesse der Betriebssicherheit die Saugleitungen kurz werden. Die Pumpen werden zur Verringerung der Saughöhe auch im Brunnenkessel untergebracht (Abb. 99 und 100). In diesem Falle können die Maschinen durch ein zu hohes Ansteigen des Wasserstandes gefährdet werden. Daher läßt man durch seinen Einfluß etwa vorhandene Zubringepumpen ein- und ausschalten (Fernschaltung mit Hilfe des elektrischen Stromes, bei der meistens gleichzeitig optische oder akustische Signale gegeben werden.) Die Förderung des Wassers aus tiefen B. erfordert besondere Anordnungen, weil günstigenfalls nur eine Saughöhe von 7 bis 8 m erzielt werden kann. Um das Abreißen der Wassersäule und die sich daraus ergebenden Betriebsstörungen und Schäden an den Pumpen mit Sicherheit zu vermeiden, ist jedoch nur mit geringeren Werten zu rechnen,[115] die von der Art und Güte der Pumpmaschinen abhängen. Bei großer Leistung und nicht zu großer Tiefe der B. werden die Pumpen in genügend tiefen Schächten (Abb. 99 und 100) aufgestellt. Der Antrieb erfolgt unmittelbar elektrisch im Schachte selbst oder durch Riementrieb von irgend einer über Tage stehenden Antriebsmaschine. Wirtschaftlicher, besonders mit Beziehung auf die Anlagekosten ist es häufig, die Einrichtungen zur Wasserförderung unmittelbar in den eigentlichen Rohrbrunnen unterzubringen, deren Bauart dadurch mehr oder weniger beeinflußt wird. Das Wasser wird in einem Druck- oder Steigerohr zutage gefördert. Hierbei unterscheidet man:

a) Gestängepumpen; ein Messingzylinder mit Kolben und Ventilen und mit angehängtem Saugerohr, wird in das Mantelrohr eingelassen und durch über Tage stehende Motoren oder von Hand vermittels eines Gestänges angetrieben, dessen Gewicht häufig durch Gegengewicht ausgeglichen ist z.B. Abb. 102;

b) Tiefbrunnenkreiselpumpen mit senkrechter Welle. Die stets elektrische Antriebsmaschinesteht über Tage oder im Bohrloch.

c) Preßluft- (Mammut-) Pumpen; in den B. eingeführte Preßluft mischt sich in einem eigenartig ausgebildeten Saugkopf mit dem Wasser. Die im B. oberhalb des Saugkopfes stehende Wassersäule fördert das Wasser-Luft-Gemisch bis zu einer Höhe, die dem Unterschiede der spezifischen Gewichte entspricht. Die hierdurch bedingte tiefe Lage des Saugkopfes erfordert eine größere Brunnentiefe, die nur zum Teil ausgenutzt werden kann.

d) Wasserstrahlpumpen, bei denen Druckwasser durch Strahlwirkung (Ejektor) die Förderung bewirkt.

Literatur: Für Gründungsbrunnen: Hb. d. Ing.-W. I. Teil, Bd. III, Kap. 1, S. 37. – Für Grundwassersenkung: Ztschr. dt. Ing. 1906, S. 528; Zentralbl. d. Bauverw. 1899, S. 73. – Für Wassergewinnung: Hb. d. Ing.-W. III. Teil, Bd. III, Kap. 3; Handb. d. Eisenbahnmasch.-Wesens v. Stockert, Bd. II; Grundzüge f. Errichtung von Bahnwasserwerken (Preuß. Min. d. öff. Arb.); Taschenbuch d. Hütte. 20. Aufl., III. Teil. – Für Tiefpumpen; Organ. 1907, S. 240 (Mammutpumpen); Journal f. Wasserversorgung. 1910, S. 290; Gesundh. Ing. 1906, S. 185 (Heberleitung); Zeitschr. f. d. gesamte Turbinenwesen 1908, S. 446, und 1909, S 480 (Kreiselpumpen); Ztschr. dt. Ing. 1911, Nr. 16 ff.

Landsberg.

Abb. 99.

Abb. 100.

Abb. 101.

Abb. 102.