Effekten av svellende og svakt berg i vanntunneler

En bedre metode for å teste bergarter kan spare kraftbransjen for store penger og bidra til sikrere vannkrafttunneler, både i norske og utenlandske vannkraftprosjekter. Det viser forskning fra HydroCen.

God sikring av vannkrafttunneler er viktig for å unngå dyre og tidkrevende reparasjoner av berg som kollapser inne i tunnelen. Kunsten er å sikre og forsterke nok av tunnelen der det trengs, samtidig som man ikke vil bruke tid, krefter og byggematerialer på å sikre der det ikke er nødvendig.

Testingen av bergmaterialets egenskaper er derfor viktig for å si noe om hvor og hvor mye av tunnelen som trenger ekstra sikring.

Dagens målinger er for dårlige

For å kunne vite hvor i tunnelen man bør sikre blir det allerede i dag tatt prøver av bergmaterialet, det blir prosessert og analysert for å teste egenskapene til berget. Dessverre er det flere tilfeller hvor disse vurderingene ikke strekker til da de blir for generelle til å fange opp alt bergmaterialet blir utsatt for i vanntunnelene. I tillegg kan bergmassene endre seg over tid når de blir utsatt for store fysiske endringer som forskjeller i trykk- og temperatur. Det er derfor viktig å også ta hensyn til disse potensielle endringene for å unngå at tunnelen raser sammen.

Har testet berg i laboratorie og i felt

I samarbeid med SINTEF Energi og NTNU har Lena Selen gjennom sitt arbeid sett på effekten svellemekanismer og forvitringen av bergmateriale har i forvitret/svakt berg.

Dette er gjort ved å se på de forskjellige metodene som ofte blir brukt for å vurdere forskjellige bergmaterialers sammensetning, styrke, svelleegenskaper (hvordan de reagerer med vann),samt hvordan egenskapene endres når bergmaterialet blir vått og tørket i flere sykluser slik de ofte blir i vannkrafttunnelene.

I tillegg har hun arbeidet med å forbedre laboratorieundersøkelser av svellende eller svakt berg for å forutsi potensielle utfordringer med stabiliteten og behov for sikring i vanntunneler. Hun har også testet målinger av in-situ svellepotensiale og forvitring under fullskala drift av vannkraftverket.

Gjennom forskningen som er gjort i prosjektet har flere kritiske begrensninger ved dagens testmetoder for svakt og forvitret bergmateriale blitt belyst, noe som igjen kan føre til for lite sikring av svake områder eller unødvendig mye sikring i deler av tunnelen som ikke trenger det.

FAKTA OM HOVEDFUNNENE I PROSJEKTET

Bergprøver tatt fra det samme området kan se like ut selv om de er slitt eller forvitret i ulik grad, og derfor være potensielt svake. Det er derfor svært viktig å ta hensyn til de mekaniske egenskapene til bergmaterialet, og ikke kun se på om de er visuelt like.
Ved å kun se etter spesifikke berg- og leiremineraler som er kjent for å ha et stort svellepotensiale kan andre svellende bergartskomponenter bli neglisjert. Mistolkning kan oppstå når flere mekanismer spiller sammen på svellingsadferden til intakte bergarter.
Det er svært viktig å kunne identifisere forvitrede strukturer i bergmaterialet, siden endring av struktur grunnet forvitring kan føre til svelling i bergmaterialet selv om det inneholder lite eller ingen svellende leirmineraler.
Testmetoden for å måle “worst case scenario” hos svellepotensialet til bergmaterialet som brukes i dag kan være misvisende når de brukes for å estimere svellepotensialet til intakt bergmateriale. Metoden kan føre til økt mengde svelling fra svellende leirmineraler i bergmaterialet, uten at andre viktige faktorer som normalt ville kontrollert denne svelleadferden blir inkludert.
XRD-analyse, som ser på det sammensetningen av mineraler i bergmassen, klarer ikke bestandig å måle innholdet av mineraler i forvitret bergmateriale godt nok. Svake og svulmende deler i bergmateriale kan enten kamufleres, ødelegges eller blir neglisjert i analyseprosessen.
Forskjellige laboratorier opererer med ulike fremgangsmåter for å utføre målinger på bergmaterialet. Dette gjør det vanskelig å opprette en felles database med sammenlignbare resultater for klassifiseringsformål.
Fordelingen av svellende leirmaterialer i intakt bergmateriale kan påvirke svellepotensialet i det intakte bergmaterialet mye. Når fordelingen av svellende leirmineraler ikke egner seg for at vannet trenger inn til materialet og svelling, kan det føre til overestimering av behovet for støtte i tunnelen. På den andre siden kan det føre til underestimering av behovet for forsterking i tunnelen i bergmaterialer forvitret bergmateriale favoriserer andre svellemekanismer.

Mer forskning og oppdaterte tester er nødvendig

For å kunne få mer nøyaktige analyser og målinger av både innholdet av svellende mineraler i delvis intakt og intakt berg, og effekten av svellende mineraler i delvis intakt og intakt berg, er det et behov for utbedring av metodikk og analyseteknikker og mer forskning.

Resultatene fra prosjektet peker mot at det er trengs en oppdatering av dagens retningslinjer når det kommer til valg av undersøkelsesmetodikk og valg av laboratorieundersøkelser.

Det er også et stort behov for vannkraft-spesifikke laboratorieundersøkelser av svellende berg. I tillegg bør etablerte undersøkelsesmetoder spesifiseres slik at resultater kan sammenlignes på tvers av prosjektene.