Study on the long-term stability issues of the headrace tunnel of Ulset Hydropower Project

Abstract

Den norske vannkraftindutrien er et resultat av over hundre år med erfaring fra utvikling av design og bygging av vannkraftprosjekter. Erfaringene har resultert i en norsk spesialitet, ufôrete trykktunneler og -sjakter. Ufôrete trykktunneler og -sjakter kommer av en sikringsfilosofi som godtar noe nedfall gjennom driftstiden til kraftverket. Sikring er bare installert i områder med ekstremt dårlig bergmassekvalitet.

En deregulering av energimarkedet i 1991 førte til en forandring av produksjonsmønsteret, fra kontinuerlig produksjon til effektivkjøring, av noen vannkraftverk. Denne forandringen gir opphav til en økning i antall start-og-stopp sekvenser av turbinene, som setter igang trykksvingninger langs tunnelsystemet. Det nye produksjonsmønsteret har blitt implementert hos Ulset Kraftverk, hvor en inspeksjon i 2017 avslørte mange ustabiliteter langs tilløpstunnelen. En vurdering av langtidsstabiliteten til tunnelen har derfor blitt gjennomført i denne opggaven. Fokuset har vært på vann og trykksvingningers påvirkning på stabiliteten til tilløpstunnelen.

Ingeniørgeologiske forhold og ustabiliteter langs tilløpstunnelen har blitt studert gjennom litteratur, tunnelbefaringsrapporter, felttur og laboratorieundersøkelser i prosjektarbeidet gjennomført høsten 2018. Disse dataene, sammen med ny informasjon har blitt brukt i denne avhandlingen for å identifisere ustabilitetene i tilløpstunnelen til Ulset Kraftverk og systematisere disse i fire kategorier. Disse kategoriene er avskalling/sprak (spalling), nedfall pga. høye spenninger (stress induced rock fall), nedfall pga. strukturer (structurally controlled rock fall) og svakhetssoner. Hovedårsaken til mye av nedfallet i tunnelen er høye horisontalspenninger som virker parallelt med foliasjonen til en meget anisotropisk kvartsitisk skifer. Det struktur-genererte nedfallet er begrenset til den sprengte delen av tilløpstunnelen.

Stabilitetsvurdering av ustabilitetene har blitt utført. Potensialet for spraking og dens dybde har blitt evaluert gjennom emipiriske metoder. Bedømmelse av sprekkeavløste blokker og kiler har blitt utført med likevektsberegninger og med programvaren Unwedge fra Rocscience. Spennningsrelaterte nedfall har blitt undersøkt gjennom numerisk modellering i RS2. Den største teoretiske trykkøkningen fra massesvingninger er beregnet og inkorporert i analysen.

Det er laget en tidslinje over bruddene som har oppstått i tunnelen. Den avslørte at det har vært en økning i antall og størrelse av nedfall etter dereguleringen av energimarkedet. Denne trenden antyder at massesvingningene kan ha og fortsatt har innvirkning på langtidsstabiliteten til tunnelen. Denne påvirkningen er derimot ikke godt nok undersøkt, og videre forskning kreves for å forstå interaksjonen mellom trykksvingningene og bergmassen.

The Norwegian hydropower industry is a result of over 100 years of experience in the development of design and construction of hydropower projects. The experience has resulted in a Norwegian speciality, the unlined high pressure tunnels and shafts. Unlined water tunnels have been possible due to a support philosophy which allows some rock fall during the operation time of the hydropower plant. Support is only applied in areas with very poor rock conditions.

A de-regulation of the power market in 1991 caused a change in the production scheme, from supply to demand driven, of some hydropower plants. The change results in higher frequencies of start-and-stop cycles of the turbines, which initiates pressure fluctuations along the tunnel system. This production pattern has been implemented at Ulset Hydropower Project, where an inspection in 2017 revealed various instability issues along the headrace tunnel. An assessment of the long-term stability of the tunnel has been carried out in this thesis. The focus has been on how water and pressure fluctuations, due to mass oscillations, impact the stability of the headrace tunnel.

Engineering geological conditions and instability issues along the headrace tunnel were studied through literature, tunnel inspection reports, field mapping and laboratory work during the Project work of fall 2018. This data together with new information were in this thesis used to identify the instabilities and failures experienced at Ulset, which were systematised into four categories. The categories are spalling, stress induced rock fall, structurally controlled rock fall and weakness zones. The major contributors to the rock falls are high horizontal stresses which are parallel to the foliation of a highly anisotropic quartzitic schist. The structurally controlled rock falls are restricted to the D&B part of the tunnel system.

Back analysis of the failures have been carried out. Spalling potential and depth have been evaluated through empirical methods. Assessment of block and wedge falls have been conducted with limit equilibrium analysis and the Rocsceince software Unwedge. The stress induced rock falls are examined through numerical modelling in RS2. The worst case pressure increase due to mass oscillations have been calculated and incorporated in the analyses.

A timeline of the failures has been made, which reveals an increase in the number and size of rock falls in the headrace tunnel after the de-regulation of the power market. This trend suggests that the pressure fluctuations, due to mass oscillations, may have had and still have an impact on the long-term stability of the tunnel. However, the effect of pressure fluctuations is not well studied, and further research is necessary to understand the interaction between pressure fluctuations and the rock mass.