Bergerosion i utskovskanaler

• Main Author: Mörén, Lena
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper 2005
• Subjects: Erodibility Index; Erosion of rock mass; Scour; Spillway channel; Water load; Geoengineering; Geoteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-88882

Today’s climate changes will probably give rise to precipitation in Sweden, which will cause more floods in Swedish rivers. Many of the Swedish rivers are regulated and have lots of hydro-electro power plants. Higher floods in the rivers will give greater water loads on the dams, which mean that a higher discharge through the sluice gates and in the spillway channels is needed. High discharge of water in a spillway channel can create scour of the material in the channel. Usually, for spillways in Swedish hydropower plants, this material is rock and the scour is in form of rock blocks. Scour downstream of dams can in the worst case endanger the dam construction. The purpose of this study was to identify the extent and the type of rock scour that may appear in spillway channels of Swedish hydro power plants. The scour in rock material in a spillway channel is usually caused by pressure fluctuations in the water, which can cause large differences in pressure on the top and bottom surfaces of blocks. This pressure difference can be high enough to lift whole blocks. The main factors that affect this kind of scour are the crack pattern of the rock mass, the geometry of the spillway, the discharge of water and the surface fluctuation in the water. In this study a numeric model analyse, a field study and a literature study has been made in order to examine the influence on scour of the orientation of cracks in a rock mass. A rock mass containing a group of cracks with small or no dip is more likely to scour when it is exposed to discharging water. The orientation of the cracks in a rock mass relative to the direction of the water flow has also an impact on the capacity of the rock mass to resist scour. In the field study the scour pattern in the spillway channels of the hydro power plants in Ligga, Harsprånget, Porjus, Satisjaure and Seitevare was examined. The scour of rock mass in the spillway channels in Ligga, Harsprånget and Porjus has been extensive. The rock mass in these channels has bedding cracks of small distances. This is probably the reason why these rock masses are sensitive for loads from discharging water. The rock mass in the spillway channel in Satisjaure has lots of cracks and is also very sensitive for loads from discharging water. This channel has been rebuilt during 2004. There are different methods to predict the ability of a rock mass to resist scour. The Erodibility Index Method is a semi-empirical method that is verified by field observations in the USA. In this work the ability to apply this method on Swedish channels has been examined with field observations from Porjus, Harsprånget and Seitevare. As the Erodibility Index Method seemed to work in the case of these three spillways, it was also applied on the spillways in Satisjaure and Ligga. Measures to reduce the energy in the discharging water in the spillways are very effective to reduce the risk of scouring in the rock mass. Blasted stairs in the rock mass in a channel or a stilling basin downstream the sluice gate is something that can reduce the energy in discharging water. Further documentary of spillway channels, like mapping and laser scanning, would contribute to a further verification of the Erodibility Index Method and to get a general survey of the risk of scour in Swedish spillways. === Dagens klimatsituation ser ut att ge ökad mängd nederbörd i Sverige, vilket innebär att de svenska älvarna kommer att utsättas för allt högre vattenflöden. De flesta av Sveriges älvar är reglerade, d v s längs älvarna finns en mängd större och mindre dammar. Ett högre flöde i älvarna innebär även rikligare tillrinning till dammarna vilket medför att avbördningen från dem måste bli större. Avbördningen från dammarna sker genom utskov och höga vattenflöden i utskovskanalerna kan orsaka erosion på det berg som kanalen vanligen består av. Erosionen är av typen ”blockerosion” där hela bergblock av större eller mindre storlek lösgörs från bergmassan. I värsta fall kan blockerosionen krypa uppströms och erodera dammkroppen bakifrån, vilket skulle kunna innebära att dammen brister. Syftet med detta arbete var att identifiera omfattning och typ av bergerosionsproblem som uppkommer i utskovskanaler. Blockerosion uppkommer i regel då forsande vatten skapar tryckskillnader mellan övre och undre ytan på block. Tryckskillnaden kan då skapa tillräckliga lyftkrafter för att block ska lossna. De huvudsakliga faktorerna som styr blockerosionen är bergmassans sprickighet och material, utskovskanalens geometri och vattnets flöde och ytfluktuation. Genom litteraturstudie, numerisk modellanalys samt fältstudie har inverkan på blockerosionen av sprickriktningar utretts. En bergmassa som innehåller sprickgrupper som har liten, nära horisontell, stupning är känslig för vattenbelastning. Stupningsriktningen i förhållande till flödesriktningen har också betydelse för blockerosionen. Stupningsriktning i flödesriktningen gör bergmassan mer känslig för belastning av forsande vatten och gynnar därmed erosionen. Utskovskanalerna i Ligga, Harsprånget, Porjus, Satisjaure samt Seitevare har undersökts med avseende på erosionsrisk. Erosionen i Ligga, Harsprånget och Porjus har varit omfattande och detta beror troligtvis på att dessa kanaler har subhorisontella bankningssprickor med litet sprickavstånd. I Satisjaure är bergmassan mycket sprickig, varför denna kanal är mycket känslig för vattnets belastning. Där har dock åtgärder vidtagits så att kanalen ska tåla sitt dimensionerande flöde. I Seitevare är erosionsrisken i kanalens övre del liten. Det finns olika metoder för att bedöma erosionsrisken i en bergmassa. Erosionsindexmetoden är en semiempirisk metod som är verifierad med platsobservationer i USA. Med hjälp av observationer från Porjus, Harsprånget och Seitevare har erosionsindexmetodens tillämplighet på svenska kanaler undersökts. För dessa tre observationer verkar metoden fungera bra och har därför även använts i kanalerna i Satisjaure och Ligga. Energidämpande åtgärder i kanalerna, såsom energiomvandlargropar och utsprängda trappor i kanalerna, har visats sig vara mycket effektivt för att minska erosionsrisken. En noga dokumentering av utskovskanaler, som t ex kartering och inmätningar, skulle bidra till att erosionsindexmetoden kunde verifieras ytterligare och att en översiktlig bedömning av erosionsrisken i utskovskanaler enkelt kan erhållas.