Hydraulic Scale Modeling of Sediments for Pressurized Sand Traps

Abstract

I senere år har flere norske vannkraftverk opplevd driftsproblemer på grunn av sedimenter i turbinvannet. Dette kan føre til redusert virkningsgrad på turbin og dermed økonomiske tap. Et forskningsprosjekt på sandfang har blitt startet for å løse dette problemet. I Norge er sandfang normalt plassert oppstrøms trykksjakta med det formål å la sedimenter bunnfelle, og dermed redusere middelpartikkelstørrelsen og den totale sedimentmengden i turbinvannet. Alle sandfang fungerer imidlertid ikke optimalt og denne oppgaven er en del av et større forsknings-prosjekt som går på å optimalisere utformingen til norske sandfang.

I denne oppgaven var målet å foreslå hvilke modellsedimenter som skulle brukes til fremtidig fysisk modellering av trykksatte sandfang. For å kunne bestemme dette, ble det gjennomført et litteraturstudie som beskriver tidligere forskning rundt temaene hydraulisk modellering, skalering av sedimenttransport og -erosjon, og trykksatte sandfang. Dette ble etterfulgt av generell teori om hydraulikk, likhet og dimensjonsanalyse. Den teoretiske delen av avhandlingen legger grunnlaget for en bedre forståelse av skaleringen og mekanikken bak sedimenttransport i tunneler og sandfang.

En felttur ble organisert til Sandfang 3, som er en del av Tonstad kraftverk (960 MW) i Norge og det sandfanget som er i fokus. Denne turen ble lagt til den årlige tømmingen av sandfanget. En rekke sedimentprøver ble tatt fra sandfanget og analysert på vassdragslaboratoriet ved NTNU. De resulterende kornfordelingskurvene la noe av grunnlaget for å bestemme hvilke modellsedimenter som skulle testes i en eksperimentell renne før ferdigstillelsen av sandfang-modellen.

Tre forskjellige modellsedimenter som var tilgjengelige i laboratoriet ble valgt til testing. Dette var (i) sand, (ii) karbonatstein og (iii) PMMA. Modellsedimentene hadde forskjellige egenskaper og oppførte seg derfor forskjellig fra hverandre i modellen. En spørreundersøkelse utført viste at sand ofte er det foretrukne modellsedimentet for hydrauliske modeller på grunn av dets like egenskaper til naturlige sedimenter. Ved testing av sanden i modellen med en hastighet som tilsvarer prototypen, oppsto bølgeslagslinjer på bunnen langs hele lengden av modellen. Karbonatsteinen hadde samme tetthet som sanden, men større partikler og deponerte derfor kun i den oppstrøms delen av sandfanget. PMMA var det eneste lettvekts modellerings-materiale og representerte de minste fraksjonene av prototype sedimenter som ble gjenskapt i modellen. Dette materialet gav det deponeringsmønsteret i modellen mest lik prototypen og er sammen med sand, anbefalt for videre bruk i modellering av trykksatte sandfang.

In recent years, several Norwegian hydropower plants have experienced operational problems due to entrainment of sediments in the turbine water. This may lead to reduced turbine efficiency and hence financial losses. To address this problem, new research on sand traps has been initiated. The sand traps are located upstream or inside the headrace tunnel with the purpose of allowing sediments to settle, reducing the mean particle size and overall sediment load in the turbine water. All sand traps do unfortunately not function optimally, and this thesis is part of an ongoing research project aiming to improve Norwegian sand traps.

In this thesis, the aim was to propose which modeling materials to use for future physical modeling of pressurized sand traps. In order to properly address this, a literature review outlining the previous contributions on the topics hydraulic scale modeling, scaling of sediment transport and erosion, and pressurized sand traps was conducted. This was followed by general theory regarding hydraulics, similitude and dimensional analysis. The theoretical part of the thesis lays the foundation for a better understanding of the scaling and the mechanics behind sediment transport in tunnels and sand traps.

A field trip was organized to Sand trap 3 in the 960 MW Tonstad hydropower plant in southern Norway. This trip was set for the annual draining and cleaning of the sand trap. A series of sediment samples were taken from the sand trap and analyzed back at the Hydraulic Laboratory at NTNU. The resulting grain size distribution curves became the basis for deciding on which modeling sediments to test in an experimental flume prior to the completion of the sand trap model.

Three different modeling materials available in the laboratory were selected for testing. Those were (i) sand, (ii) carbonate rock and (iii) PMMA. The modeling materials had different properties and hence behaved differently in the model. A survey showed that sand often is the preferred modeling material for hydraulic scale models due to its similar properties to natural sediments. When testing the sand in the model at a velocity equivalent to the prototype, the sand formed ripple marks throughout the length of the model upon settling. The carbonate rock had the same density as the sand, but larger particles and settled therefore in the upstream part of the sand trap. PMMA was the only lightweight modeling material and represented the smallest fraction of prototype sediments recreated in the model. The PMMA also gave the deposition pattern in the model most similar to the prototype and is together with sand, recommended for further use in the modeling of pressurized sand traps.