Reduction of scale formation by optimized drainage conditions - Insights from field testing / Reduzierung von Versinterung durch optimierte Drainagebedingungen - Erkenntnisse eines Feldversuchs

A field test was carried out in Koralmtunnel in order to enhance process understanding and to optimize the drainage system in a tunnel section that is complex in terms of hydrochemistry, water inflow and mineral (calcareous scale, iron ochre) and biological (microbial mats) deposits. The field test comprised three test fields with different system components and flow characteristics. The development of critical waters and deposits was recorded by continuous measurements of relevant water and air parameters by means of autonomous sensors/data loggers. Furthermore, the components were “forensically” examined with respect to scale formation. The experiments show the crucial importance of gas exchange (CO2, oxygen ingress), filling level (flow geometry/regime), residence time of waters and water-air interaction in the drainage system. The type, material consistency, and amount of scale and biofilms depend significantly on specific gradients. Floating scale crusts formed in stagnant sections, biofilms and iron ochre deposits of soft consistency formed at higher flow rates. Seepage packs and siphons turned out to be potential sediment traps with decreasing flow-through with no access. Drainage hoses and dimpled membranes tend to be beneficial because they can prevent air exchange at relatively high flow rates. High CO2 partial pressure within these components (measured and modeled) inhibits carbonate precipitation. The drainage system is locally designed as a series of direct cross-drains with simple flow paths, restricted air exchange, precautionary cleaning access, and optional water hardness stabilization (liquid conditioning).
Im Koralmtunnel wurde ein Feldversuch zwecks Prozessverständnis und Optimierung des Entwässerungssystems in einem hinsichtlich Hydrochemie, Wasserzutritt und mineralischer (Kalksinter, Verockerungen) wie biologischer (mikrobielle Matten) Ablagerungen komplexen Tunnelabschnitt durchgeführt. Drei Testfelder mit unterschiedlichen Systemkomponenten und Fließverhalten wurden eingerichtet. Die Entwicklung der Wässer und Ablagerungen wurde durch kontinuierliche Messungen relevanter Wasser- und Luftparameter mittels autonomer Sensoren/Datenlogger aufgezeichnet und die Bauteile wurden hinsichtlich Versinterung “forensisch” untersucht. Die Versuche zeigen die große Bedeutung des Gasaustauschs (CO2, Sauerstoffzutritt), des Füllstands (Fließgeometrie/-regime), der Verweilzeit der Wässer und der Wechselwirkung Wasser-Luft im Entwässerungssystem. Art, Konsistenz und Menge von Versinterung und Biofilmen hängen wesentlich von spezifischen Gradienten ab. In eingestauten Abschnitten bildeten sich aufschwimmende Sinterkrusten, bei höheren Fließraten Biofilme und Verockerungen weicher Konsistenz. Sickerpackungen und Siphons sind potenzielle Sedimentfallen mit abnehmendem Durchfluss bei fehlender Zugänglichkeit. Abschlauchungen und dichte Noppenbahnen sind tendenziell vorteilhaft, da sie den Luftaustausch bei relativ hohen Fließraten unterbinden können. Ein hoher CO2-Partialdruck innerhalb dieser Komponenten (gemessen und modelliert) unterbindet Kalkausfällung. Die Drainage wurde lokal als eine Reihe direkter Querausleitungen mit einfachen Fließwegen, eingeschränktem Luftaustausch, vorsorglichen Reinigungszugängen und optionaler Härtestabilisierung (Flüssigkonditionierung) ausgeführt.