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Technischer Bericht NTB 91-01

Felslabor Grimsel Bohrlochkranzversuch Durchströmung von Geklüftetem Fels

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Im Rahmen einer deutsch-schweizerischen Zusammenarbeit zwischen der Nationalen Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (Nagra), der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) und der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung (GSF) werden im Felslabor Grimsel Forschungsarbeiten zur Erkundung der hydrogeologischen, felsmechanischen, geophysikalischen und geochemischen Eigenschaften kristalliner Gebirgsformationen durchgeführt. Innerhalb des Projekts Bohrlochkranzversuch (BK) untersucht die BGR anhand von In-situ-Versuchen und numerischen Modellrechnungen die Bedeutung von Strömungs- und Transportvorgängen im geklüfteten Fels.

Im Mittelpunkt der Projektphase BK I (bis 1987) stand nach dem Abteufen von Kernbohrungen zunächst die geologische Erkundung und hydrogeologische Bewertung der in der ausgewählten Granit-Formation angetroffenen Kluftsysteme und nach dem Aufbau der Durchströmungsanlage die Durchführung kürzerer Versuche mit einer Dauer von einigen Stunden bzw. Tagen. Die Phase BK II (bis 1990) war, basierend auf Weiterentwicklungen der Versuchsgeräte, durch längere Versuchsperioden mit einer Dauer von mehreren Wochen bzw. Monaten gekennzeichnet. Im vorliegenden Bericht werden im Wesentlichen die Ergebnisse der Projektphase II dargestellt, in der insgesamt 100 In-situ-Versuche durchgeführt wurden.

Das Prinzip des Bohrlochkranzversuchs besteht zunächst darin, in dem betrachteten Gebirgsausschnitt während eines Versuchs die Reaktion in möglichst vielen Beobachtungspunkten zu ermitteln. Zur Ermittlung der erforderlichen Messdaten sind in den Bohrungen speziell entwickelte Sonden installiert, mit denen Druck, Temperatur und elektrischer Widerstand in den einzelnen Beobachtungsintervallen kontinuierlich registriert werden. Diese Messwerte werden in situ digitalisiert und von einer zentralen Computeranlage aufgezeichnet. Die ursprünglich in binärer Form anfallenden Daten werden zur weiteren Auswertung in ASCII-Daten konvertiert und archiviert.

Die genaue Kenntnis der wesentlichen hydraulischen Verbindungswege soll als Grundlage für dreidimensionale Modellrechnungen dienen, in denen das Gebirge nicht als homogenes Kontinuum, sondern als aus Kluftscharen bestehendes Diskontinuum angenommen wird. Die Auswertung der In­situ-Versuche zur Bestimmung von hydraulischen und den Stofftransport beschreibenden Kennwerten erfolgt zunächst durch vereinfachende analytische und numerische Berechnungen. Dabei zeigt sich jedoch, dass eine homogene Modellierung der betrachteten Gebirgsbereiche nur mit Einschränkungen möglich ist, da die Strömungsvorgänge offenbar durch Fliesskanäle beeinflusst werden und bei Langzeitversuchen ausserdem hydraulische Begrenzungen in Form von zwei Schieferungszonen wirksam werden.

Bei ersten dreidimensionalen Modellrechnungen hat sich das im Rahmen des Projekts entwickelte Finite-Elemente­Programmsystem DURST zur Simulation von Durchströmungs- und Stofftransport-Prozessen bewährt. Es liegt mittlerweile in Versionen für PCs und Grossrechner vor und wird gegenwärtig für die Simulation von Mehrphasen-Strömungen erweitert. Das Programm hat unter dem Namen ROCKFLOW eine internationale Verbreitung gefunden.

Der vorliegende Bericht entstand im Rahmen des vom Bundesministerium für Forschung und Technologie finanzierten Forschungsprojekts «Bohrlochkranzversuch» (Förderkennzeichen KWA 53045).

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