Design of an Underground Water Storage Tank in Coral Stone and Ferrocement at Eco Moyo Education Centre

Abstract

Eco Moyo Education Centre i Kilifi, Kenya, har gjennomgått stor utvikling de siste årene, men pålitelig og sikker vanntilgang er fortsatt en utfordring. Regn er sesongbasert, grunnvannet er vanskelig å benytte, og det kommunale vannet er upålitelig. Denne oppgaven undersøker de geotekniske forholdene ved Eco Moyo, og tar for seg utformingen av en undergrunns vannlagringstank i den hensikt å forbedre vannforsyningen for lengre tørkeperioder. Oppgavens formål er å utarbeide et designforslag for en underjordisk vannlagringstank med utgangspunkt i geotekniske-, konstruksjonstekniske- og bestandighetsaspekter.

Designforslaget er utviklet med fokus på å benytte lokale byggematerialer og byggeteknikker. Resultatene er basert på et feltstudie gjennomført ved en feltreise til Kilifi i perioden februar til mars 2022, og er støttet av et omfattende litteraturstudie. Feltarbeidet omfattet en rekke undersøkelser, inkludert intervjuer med sentrale personer, byggeplassbefaringer, rekognosering av prosjektområdet, geoteknisk feltstudie, samt geotekniske og konstruksjonstekniske laboratorietester ved Technical University of Mombasa. Videre ble jordprøver brakt med for geoteknisk og geokjemisk laboratorieanalyse ved NTNU og NMBU.

Undersøkelsene viser at lokale bygningsmaterialer er økonomisk fordelaktige og tilfredsstiller krav til design. En kombinasjon av korallsteinblokker, nettingarmert ferrocement og armert betong er benyttet som designbasis. Tre 2 m dype prøvegroper ble gravd på tomten for geoteknisk og geokjemisk testing. Sikteanalyser klassifiserer jorden som ensgradert sand, mens geokjemiske analyser indikerer et moderat kjemisk aggressivt miljø. Jordas bæreevne er estimert til 1090 kPa ved overflaten, og 1600 kPa ved 2 m dybde, gitt en fundamentbredde på 8.7 m. Setningsberegniner indikerer setninger på 3.8 mm eller 4.4 mm ,avhengig av beregningsmetode. Stabilitetsanalyser indikerer en sikkerhetsfaktor på 1.8, og sannsynligheten for likvifaksjon anses som svært liten. Kvanitifiserbare levetidsvurderinger er unnlatt på bakgrunn av stor usikkerhet i tilgjengelige data.

Et designforslag er etablert for en sylindrisk underjordisk vanntank. Tanken er 2.2 m høy og 8.7 m i diameter, med en kapasitet på 100 m3. Designet legger til rette for å benytte tanken som fundament for en fremtidig konstruksjon. Vurderinger angående konstruksjonens levetid baseres på tiltak for å motvirke nedbrytningsmekanismer, med gitte instruksjoner for å sikre god herding og bestandighet. De geotekniske undersøkelsene indikerer at grunnforholdene er egnet for gjennomføringen av prosjektet. Utfordringer relatert til vanninnsamling og vannbehandling omfattes ikke i denne oppgaven og må vurderes i videre arbeider.

Eco Moyo Education Centre in Kilifi, Kenya, has experienced large developments in recent years, but a reliable source of clean water remains an issue. The rainfall is seasonal, the groundwater is difficult to use, and the municipal water is unreliable. This thesis investigates the geotechnical conditions at Eco Moyo and the design of an underground water storage tank, to enhance the water storage supply for prolonged droughts. The purpose of the thesis is to establish a design solution for an underground water storage facility, based on geotechnical, structural, and durability aspects.

The design is developed with a focus on utilizing local building materials and construction techniques. The acquired results are based on a field study conducted through a field trip to Kilifi in the period February to March 2022, supported by a literature review. A wide range of investigative methods were employed in the fieldwork, including interviews with key stakeholders, construction site inspections, reconnaissance of the project area, geotechnical field study and geotechnical and structural laboratory tests at the Technical University of Mombasa. Furthermore, soil samples were brought for geotechnical and geo-chemical analysis at NMBU and NTNU laboratories.

The investigations indicate that local building materials are economically preferable, and satisfy requirements for design. A combination of coral stone blocks, wire mesh reinforced ferrocement, and reinforced concrete is used as design basis. Three 2 m deep test pits were excavated for geotechnical and geo-chemical testing on the plot. Sieving analyses classify the soil as poorly graded sand, while geo-chemical analyses indicate a moderately aggressive environment. The bearing capacity is estimated to 1096 kPa at the soil surface and 1600 kPa at 2 m depth, for a foundation width of 8.7 m. The total settlement of the structure is calculated to 3.8 or 4.4 mm, depending on the method. Slope stability analysis puts the Factor of Safety equal to 1.8, and the probability of liquefaction is considered to be very small. A quantifiable service life assessment is avoided due to the large uncertainties of available data.

A design is proposed for a cylindrical underground water storage tank. The tank is 2.2 m tall and 8.7 m in diameter with a capacity of 100 m3. The design facilitates using the tank as foundation for a future structure. An avoidance of deterioration approach is considered for the service life assessment, with instructions of procedure provided to ensure proper curing and durability. The geotechnical investigations indicate favorable soil conditions, suitable for the execution of this project. Challenges regarding the collection and treatment of stored water is not covered by this thesis and must be assessed in further works.