Deiche schützen das Landesinnere vor Hochwasserereignissen.
Ihr spezieller Aufbau sorgt dafür, dass kein Wasser den Deich
überwindet.
Dennoch dringen im Belastungsfall gewisse Wassermengen in den Aufbau
ein und können ihn an schadhaften Stellen sogar aushöhlen.
Regelmäßige Überprüfungen des Wassergehalts im Deichkörper sind also
notwendig, um dessen Stabilität zu gewährleisten.
Solche Analysen können mit geophysikalischen Methoden durchgeführt
werden.
Besonders geeignet dazu ist die Geoelektrik.
Mit ihrer Hilfe können Unterschiede in der spezifischen elektrischen
Leitfähigkeit und somit der Wassersättigung im Inneren des Deichs
bestimmt werden, ohne ihn zu beschädigen.
Wasser erhöht die Leitfähigkeit, weil sich darin freie Ionen befinden,
die einen höheren Stromfluss ermöglichen.
Hallo und herzlich willkommen!
Welche physikalischen Größen misst man in der Geoelektrik und welche
Untergrundeigenschaften kann man daraus ableiten?
Welcher Versuchsaufbau ist dazu nötig?
In diesem Video erkläre ich Ihnen das Konzept der Geoelektrik und auf
welchen physikalischen Grundlagen sie beruht.
Sie werden erfahren, wie elektrische Spannungen künstlich in der Erde
angelegt werden und wie man aus den Messungen an der Erdoberfläche auf
die Eigenschaften des Untergrundes schließen kann.
Ich zeige Ihnen das Vorgehen am Beispiel eines Versickerungsversuchs.
Geoelektrische Messungen erlauben dabei, den Weg des Wassers
nachzuverfolgen.
Das grundlegende Vorgehen der Geoelektrik ist es, einen Strom in die
Erde einzuspeisen und damit die elektrische Leitfähigkeit des
Untergrunds zu untersuchen.
Ein Material ist leitfähig, wenn es freie Ladungsträger besitzt, die
den Ladungstransport ermöglichen.
Dann kann ein Strom fließen.
In metallischen Leitern sind die Ladungsträger Elektronen.
In Gesteinen hingegen erfolgt Ladungstransport hauptsächlich durch
freie Ionen, die in Wasser gelöst sind.
Die physikalischen Größen dieses Vorgangs erkläre ich Ihnen an einem
zylindrischen Testkörper.
Das kann zum Beispiel ein Draht sein, durch den Strom fließt.
Ich verwende dabei den Kehrwert der Leitfähigkeit, das ist der
elektrische Widerstand r.
Er ist abhängig von der Länge des Körpers, seiner Querschnittsfläche a
und dem spezifischen Widerstand ρ.
r gleich ρ mal L durch a.
Bei angelegter Spannung u und einem Strom i ergibt sich daraus für ρ u
durch i mal a durch L.
Der spezifische Widerstand ρ ist eine Materialeigenschaft und hängt
nicht von der Ausdehnung des Leiters ab.
Anders als in der Elektronik ist der Stromfluss in der Erde nicht auf
einen metallischen Draht beschränkt.
Man kann also den spezifischen Widerstand des Untergrundes nicht
direkt messen.
Vielmehr legt man in der Praxis zwischen zwei Edelstahlspießen den
Elektroden eine Spannung an.
So kann der Strom durch den Untergrund von der einen Elektrode zur
anderen fließen.
Dabei stellt sich ein elektrisches Potentialfeld und zwischen den
beiden Elektroden eine Potentialdifferenz ein.
Diese Potentialdifferenz enthält aber zusätzlich den Spannungsabfall
an den Spießen, weil es einen Übergangswiderstand zwischen den
Kontaktflächen der Spieße zum Untergrund gibt.
Damit dieser Effekt die Messung nicht beeinflusst, muss die
Potentialdifferenz immer mit getrennten Sonden gemessen werden.
Für den Versuchsaufbau wird deshalb typischerweise eine
Vierpolmessgeometrie verwendet.
Zwischen die beiden Elektroden zur Stromeinspeisung setzt man zwei
weitere Spieße, sie werden auch Sonden genannt.
Mit ihnen misst man die elektrische Potentialdifferenz an der
Oberfläche.
Und der Spannungsabfall an den einspeisenden Elektroden wird so nicht
mitgemessen.
Das Verhältnis der gemessenen Potentialdifferenz u zur angelegten
Stromstärke i multipliziert mit einem Geometriefaktor f ergibt den
scheinbaren spezifischen Widerstand ρa der stromdurchflossenen
Materialien.
Dieser scheinbare spezifische Widerstand ist letztlich die Messgröße
der Geoelektrik.
Er ist abhängig von der Messgeometrie und der Verteilung des
spezifischen Widerstands im Untergrund.
Um die Verteilung des spezifischen Widerstands zu untersuchen, muss
die Messgeometrie, man kann auch sagen der Versuchsaufbau, auf den
Zielbereich im Untergrund abgestimmt werden.
Zwei typische Messgeometrien sind die sogenannte Wenner- und
Schlumberger -Anordnung.
Die Wenner-Anordnung dient der Kartierung des Untergrunds in einer
festen Tiefe.
Dazu wird der Abstand aller vier Sonden untereinander gleich gewählt.
Dieser Aufbau ist besonders sensitiv für Tiefen von 0,3 bis 0,5 mal
dem Abstand der Messsonden.
Um damit ein Profil zu vermessen, schlägt man in der Praxis viele
Metallspieße im gewählten Abstand hintereinander ein und schließt vier
benachbarte Spieße an die Messapparatur an.
Der scheinbare spezifische Widerstand ρa berechnet sich dann aus 2π
mal u durch i mal a.
Dann versetzt man die Anschlüsse entlang des Profils und wiederholt
die Messung.
So erhält man Messwerte im gleichen Abstand entlang des Profils.
Um ein Tiefenprofil des spezifischen Widerstands zu berechnen,
verwendet man die Schlumberger-Anordnung.
Auch sie nutzt vier Elektroden.
Anders als bei der Wenner-Anordnung bleiben die beiden äußeren
Elektroden, die den Strom einspeisen, fest mit einem Abstand L.
Die beiden Messsonden sind variabel und symmetrisch zum
Profilmittelpunkt mit Abstand a angeordnet.
ρa ergibt sich aus π Viertel mal u durch i mal L Quadrat minus a
Quadrat geteilt durch a.
Nach jeder Messung ändert man nun ausschließlich den Abstand der
beiden Messsonden.
Je weiter sie auseinanderstehen, für desto tiefere Untergrundbereiche
ist die Messanordnung sensitiv.
Hier gilt als Faustregel, dass der Bereich von der Oberfläche bis zum
etwa doppelten Sondenabstand Einfluss auf die Messung hat.
Darüber hinaus gibt es noch viele andere Messgeometrien, die jeweils
einen unterschiedlichen Fokus haben.
Für eine Tomografie kombiniert man zum Beispiel viele verschiedene
Wenner - und Schlumberger-Anordnungen, die automatisch gemessen
werden.
Eine Tomografie in der Geoelektrik invertiert also die Messdaten
verschiedener Wenner- und Schlumberger-Anordnungen.
Für die Tomografie und für die Wenner-Anordnung zeige ich Ihnen hier
das Beispiel eines Versickerungsversuchs.
Wie bei einem Deich kann man hier die Wasserausbreitung im Boden
untersuchen.
Dazu haben wir Wasser über einen Behälter ohne Boden gezielt in die
Erde geleitet, um mithilfe der Geoelektrik zu messen, wie es sich
ausbreitet.
Hier sehen Sie eine Auftragung der scheinbaren spezifischen
Widerstände von zwei Wenner-Messungen.
Einmal vor dem Wassereinlass in orange und einmal danach in blau.
Der Vergleich erlaubt die Auswirkungen der Wasserausbreitung
nachzuverfolgen.
Das Messprofil führt direkt an dem Wasserbehälter vorbei.
Er befindet sich bei Profilmeter 5.
Der Sondenabstand ist hier 50 cm.
Das heißt, der sensitive Tiefenbereich liegt in 15 bis 25 cm Tiefe.
Deutlich sehen Sie, wie die blaue Kurve im Bereich von Profilmeter 2
bis 7 abfällt.
Davor und dahinter behält sie das Niveau der ersten Messungen.
Offensichtlich ist also Wasser in den Boden eingedrungen und hat damit
den spezifischen Widerstand verringert.
Als zweiten Teil der Auswertung zeige ich Ihnen hier ein
tomografisches Modell für den spezifischen Widerstand des
Tiefenschnitts unterhalb des Profils.
Es stellt das Modell dar, welches die Messdaten an der Oberfläche vor
dem Wassereinlass am besten erklärt.
Im Vergleich sind hier die Ergebnisse einer Messung etwa 60 Minuten
nach dem Einlassen des Wassers abgebildet.
Sie sehen, wie sich der blaue Bereich mit verringertem spezifischem
Widerstand unter den Behältern einer Tiefe von etwa 2 Metern seitlich
ausbreitet.
Offensichtlich trifft das Wasser hier auf eine Barriere, die ein
weiteres Vordringen verhindert.
Ähnliche Analysen sind auch an Deichen oder Dämmen möglich und
erlauben dort die Bewertung der Stabilität.
Ich habe Ihnen in diesem Video die Methode der Geoelektrik am Beispiel
eines Versuchs zur Wasserversickerung erklärt.
Wasser verringert den spezifischen Widerstand im Untergrund und
mithilfe der Geoelektrik können solche Bereiche aufgesucht werden.
Dazu wird über zwei Elektroden Strom eingespeist und über zwei weitere
Sonden der Spannungsabfall gemessen.
Daraus kann dann die Messgröße des scheinbaren spezifischen
Widerstands bestimmt werden.
Es gibt verschiedene Messgeometrien für die Kartierung entlang von
Profilen, Sondierungen in der Tiefe oder Tomografien.
Bei allen Varianten kann die Untergrundeigenschaft des spezifischen
Widerstands abgeleitet werden.