Gunter Gschwandtner

Hydrogeologie im Gipskarst als Basis geotechnischer Langzeitprognosen im Bergbau

ZusammenfassungDie Hydrogeologie des „Haselgebirges“ ist im Zusammenhang mit Gipsbergwerken von praktischer Bedeutung. Kenntnis über den Grundwasserumsatz, Herkunft und Verweilzeit der Wässer und deren Hydrochemie bilden Grundlagen für die Beurteilung der Standsicherheit der oft oberflächennahen Grubengebäude. Neben kurzfristig über Karsthohlräume zu- und abfließenden Wässern eines lokalen Fließsystems bilden regional zirkulierende Wässer einen Teil des Gesamtabflusses. Während die lokalen Niederschlagswässer wegen ihres hohen Lösungspotenzials intensiv zur Verkarstung über dem Grubengebäude beitragen, weisen Wässer des regionalen Fließsystems bei ihrem Eintritt in das Grubengebäude Sättigung der im Gebirge vorhandenen Mineralphasen (Gips und Anhydrit) auf und sind für die Verkarstung wenig relevant.Am Beispiel eines aufgelassenen Gipsbergbaues am Kalkalpennordrand wurde eine mengenmäßige Separation von niederschlagsabhängigem Abfluss des lokalen Fließsystems und Basisabfluss eines regionalen Fließsystems vorgenommen und dabei eine Verteilung von etwa 1:3 ermittelt. Während im lokalen Fließsystem ein Umsatz innerhalb weniger Tage stattfindet, ergeben Schüttungsganglinien und Isotopenzeitreihen, dass ein wesentlicher Anteil der Wässer eine bedeutend längere Verweilzeit aufweisen muss. Die Verteilung zwischen lokalem und regionalem Fließsystem wurde mithilfe hydrochemischer Modellierungen verifiziert.AbstractThe hydrogeology of the “Haselgebirge” is of great significance in the context of gypsum mining. Knowledge of water balance, recharge areas and mean residence times, as well as hydrochemistry is crucial to assessing the long term stability of mines. Aside from a karstified local aquifer, a regional flow system can also contribute appreciable proportions to the total discharge. Groundwater from the local flow system with low mineralization is subsaturated, thus holding a high potential for karstification. Water from the regional system infiltrates the mine in a status of saturation with regard to gypsum and anhydrite. Hence, these waters have only negligible influences on karstification.The presented example of a gypsum mine in Austria describes the quantitative proportions of local and regional flow which is in the range of 1:3. The results were verified by means of hydrochemical modeling.

Stabilitätsanalyse eines aufgelassenen Gipsbergbaus – von der geologisch-hydrogeologisch-geotechnischen Datenerfassung zur numerischen 3D-Simulation

ZusammenfassungDie Beurteilung der Stabilität von Hohlraumbauten umfasst ein interdisziplinäres Aufgabengebiet, welches die Bereiche Geologie, Hydrogeologie, Vermessungswesen sowie Gebirgsmechanik umfasst. Dieser Beitrag zeigt anhand eines aufgelassenen Gipsbergbaues, wie die Methoden und Informationen der einzelnen Fachbereiche ineinander greifen, um ein komplexes drei-dimensionales Simulationsmodell zu erstellen. Dies soll aufzeigen, dass vor allem die Komplexität von alten, „gewachsenen“ Hohlraumbauten nicht mit zwei-dimensionalen Analysen bzw. Modellen dargestellt werden kann und diese kein realistisches Ergebnis für die Stabilitätsbeurteilung liefern. Ein nicht zu vernachlässigender Faktor auf die Stabilität des Grubenbaues ist der Einfluss von Wasser, sei es Oberflächen- bzw. Niederschlagswasser oder Grundwasser. Der Laugungsprozess des Gipses führt zu einer Schwächung des umliegenden Gebirges und damit einhergehend zu einer Verringerung der Festigkeit. Dieser Entfestigungsprozess muss auf längere Sicht in der Simulation berücksichtigt werden. Mit Hilfe der vorhandenen analytischen und numerischen Methoden bietet sich die Möglichkeit, ein zeitabhängiges Auftreten/Entstehen von Schwachstellen im Gebirge vorherzusagen, um frühzeitig Stützmaßnahmen einbringen zu können.AbstractThe assessment of the stability of underground structures is an interdisciplinary task which consists of geology, hydrogeology, surveying and geotechnical engineering. This paper gives an example of how these disciplines, their methods and the acquisition of data work together to create a complex three-dimensional computer-model of underground structures. It demonstrates, that especially the complex layout of old and “grown” underground structures cannot be represented accurately in two-dimensional analyses or models and provide no realistic results for stability investigations. Related to the stability of underground structures, a non-negligible factor is the influence of water, whether surface, rain or groundwater. The occurring leaching process of gypsum leads to a weakening of the surrounding rock which causes a strength reduction. This softening of the material must be considered in long-term simulations. The presented comprehensive approach tries to provide a possibility to predict the time-dependent occurrence of vulnerabilities in the rock mass and thus gives the possibility to install support measures in an early stage.

Laugungsversuche als Grundlage zur Stabilitätsuntersuchung von Grubengebäuden in wasserlöslichen Gebirgsformationen

ZusammenfassungDie Beurteilung der Stabilität von Grubengebäuden umfasst ein interdisziplinäres Aufgabengebiet verschiedener Fachbereiche. Neben den Bereichen Geotechnik und Geologie spielt die Hydrogeologie, in Abhängigkeit der geologischen Gegebenheiten, eine große Rolle. Wasser kann die Stabilität eines Grubengebäudes stark beeinträchtigen. Dies gilt vor allem für wassersensitive Bereiche wie beispielsweise bei Salzen und Gips. Je nach Herkunft und Verweilzeit im Untergrund können Gruben- sowie Oberflächenwässer die Standfestigkeit des Bergwerkes beeinflussen. In Verbindung mit hydrochemischen Analysen der Grubenwässer kann die Herkunft der Wässer, ihre untertägigen Verweilzeiten sowie die damit verbundenen Lösungsprozesse, welche die Standfestigkeit des Grubengebäudes beeinflussen können, bestimmt werden. Ein nicht zu vernachlässigender Lösungsanteil des Berg- und Niederschlagswassers, der in den meisten Betrachtungen bis dato unberücksichtigt blieb, wird bedingt durch die Austragung feinstkörniger Materialanteile, die chemisch nicht in Lösung gehen. Diese Feinstkornanteile können nach chemischer Umwandlung der wasserlöslichen Bestandteile ausgeschwemmt werden und erhöhen somit den gesamten Materialaustrag. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Versuchsaufbau zur Ermittlung der Feinstkornanteile dargestellt und die Auswirkung von Laugungsprozessen auf Gesteine an verschiedenen Beispielen und Varianten zur Implementierung derartiger Prozesse in numerische Simulationen aufgezeigt.AbstractThe assessment of the stability of underground structures comprises an interdisciplinary area of various special fields. In addition to the fields of geotechnical engineering and geology, hydrogeology plays a major role depending on the geological conditions. Water can heavily influence the stability of underground structures. This applies especially for water-sensitive areas such as salt and gypsum. Depending on the origin and residence time in the subsurface, rainwater and groundwater can affect the stability of the underground structure. In combination with different hydro-chemical water analyses, the origin and the residence time of the water, which is responsible for the leaching process and accompanying stability reduction, can be determined. A non-negligible part of the leaching process of the water, which so far has not always been taken into account, is fine-grained material which does not go chemically in solution. These fine particles can be washed out with the chemical leaching process and increase the whole amount of material loss. In this paper, a new experimental setup for the determination of very fine particles is presented. The effect of the leaching process on the stability, including different variants for the implementation of such processes in numerical simulations, will be shown.

Hydrogeologie im Gipskarst als Basis geotechnischer Langzeitprognosen im Bergbau: Grundwasser - Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie

ZusammenfassungDie Hydrogeologie des „Haselgebirges“ ist im Zusammenhang mit Gipsbergwerken von praktischer Bedeutung. Kenntnis über den Grundwasserumsatz, Herkunft und Verweilzeit der Wässer und deren Hydrochemie bilden Grundlagen für die Beurteilung der Standsicherheit der oft oberflächennahen Grubengebäude. Neben kurzfristig über Karsthohlräume zu- und abfließenden Wässern eines lokalen Fließsystems bilden regional zirkulierende Wässer einen Teil des Gesamtabflusses. Während die lokalen Niederschlagswässer wegen ihres hohen Lösungspotenzials intensiv zur Verkarstung über dem Grubengebäude beitragen, weisen Wässer des regionalen Fließsystems bei ihrem Eintritt in das Grubengebäude Sättigung der im Gebirge vorhandenen Mineralphasen (Gips und Anhydrit) auf und sind für die Verkarstung wenig relevant.Am Beispiel eines aufgelassenen Gipsbergbaues am Kalkalpennordrand wurde eine mengenmäßige Separation von niederschlagsabhängigem Abfluss des lokalen Fließsystems und Basisabfluss eines regionalen Fließsystems vorgenommen und dabei eine Verteilung von etwa 1:3 ermittelt. Während im lokalen Fließsystem ein Umsatz innerhalb weniger Tage stattfindet, ergeben Schüttungsganglinien und Isotopenzeitreihen, dass ein wesentlicher Anteil der Wässer eine bedeutend längere Verweilzeit aufweisen muss. Die Verteilung zwischen lokalem und regionalem Fließsystem wurde mithilfe hydrochemischer Modellierungen verifiziert.AbstractThe hydrogeology of the “Haselgebirge” is of great significance in the context of gypsum mining. Knowledge of water balance, recharge areas and mean residence times, as well as hydrochemistry is crucial to assessing the long term stability of mines. Aside from a karstified local aquifer, a regional flow system can also contribute appreciable proportions to the total discharge. Groundwater from the local flow system with low mineralization is subsaturated, thus holding a high potential for karstification. Water from the regional system infiltrates the mine in a status of saturation with regard to gypsum and anhydrite. Hence, these waters have only negligible influences on karstification.The presented example of a gypsum mine in Austria describes the quantitative proportions of local and regional flow which is in the range of 1:3. The results were verified by means of hydrochemical modeling.

Numerical Simulation in the Field of Geotechnics and Underground Engineering—Examples of Research and Development Projects

The introduction of numerical simulation in underground engineering proved to be a major advancement compared to traditional analytical calculations. However, building an appropriate model of rock or soil is very difficult because some geomaterials show very complex material behaviour. In addition, reliable input parameters of the ground are rarely available because a geological exploration can only give punctual insights of the project area. Hence, results of simulations in geotechnics are never as accurate as in many other disciplines. The combination of exploration, well developed characterisation methods, material models and the right choice of software can however provide good results. The validity of a simulation result always needs to be checked carefully with the help of profound engineering judgement. This paper presents recent research and development projects in the field of numerical simulations in geotechnics carried out at the Chair of Subsurface Engineering and some of its partners.ZusammenfassungDie Einführung der numerischen Simulation in der Geotechnik brachte einen wesentlichen Fortschritt im Vergleich zum Gebrauch bewährter analytischer Berechnungsverfahren. Die Modellbildung ist in der Geotechnik jedoch oft schwierig zu bewerkstelligen, da Geomaterialien wie Fels oder Boden oft ein sehr komplexes Materialverhalten zeigen, das nur durch aufwändige Modelle beschrieben werden kann. Darüber hinaus können Eingangsparameter, welche für die Berechnung verwendet werden, in der Regel nur in gewissen Bandbreiten angegeben werden. Zusätzlich können geologische Erkundungen immer nur einen kleinen Teil eines Gesamtprojektes abbilden. Simulationsergebnisse können – auch bei sorgfältiger Wahl von Materialmodell, Eingangsparametern und Softwarepaket – daher immer nur als Richtschnur dienen, welche mit ingenieurmäßigem Wissen und Erfahrung sowie geotechnischem Monitoring ergänzt werden muss. In diesem Artikel werden aktuelle Forschungs- und Entwicklungsprojekte aus dem Bereich der numerischen Simulation vorgestellt, welche vom Lehrstuhl für Subsurface Engineering und einigen seiner Partner abgewickelt wurden.