Mandalsvassdraget - optimalisering av tunnelsystem med hensyn til ingeniørgeologiske forhold

Abstract

I det tverrfaglige forskningprosjektet «AlternaFuture» benyttes Mandalsvassdraget til forskning på ekstrem ombygging av et eksisterende vannkraftsystem. Dette skal kombineres med å forbedre miljøforholdene i vassdraget. Det befinner seg i dag seks større kraftverk i vassdraget, som strekker seg mer enn 100 km fra nord til sør gjennom Vest-Agder. I denne oppgaven presenteres designforslag til to ulike kraftverksprosjekter, med hovedfokus på tunnelsystemer og ingeniørgeologiske forhold tilknyttet disse. Prosjektene omfatter et pumpekraftverk fra Ørevatn til Bjelland og et flomkraftverk mellom Øyslebø og Tryfjorden. I sistnevnte prosjekt skal tunnelene ved behov kunne anvendes til flomavledning i vassdraget.

Tunneltraséer er valgt på bakgrunn av topografiske kart og kartlegging av svakhetssoner, som er partier med svakere og ofte oppknust berg. Topografien er viktig fordi større bergoverdekning tilsier høyere bergspenninger. Dette er sentralt for å unngå at vanntrykket forårsaker hydraulisk jekking, som innebærer at vanntrykket jekker opp bergsprekker og fører til lekkasjer. De ingeniørgeologiske vurderingene av tunnelsystemene er basert på regionale erfaringer i tilsvarende berggrunn, i tillegg til flyfoto og kartstudier.

For pumpekraftverket foreslås en 3 km lang tilløpstunnel og en avløpstunnel på 14,8 km. Avløpstunnelen vil utgjøre et nedre pumpemagasin, som følge av begrensede magasinmuligheter i selve vassdraget. Designforslaget til flomkraftverket innebærer lang tilløpstunnel (12,2 km) og kort avløpstunnel (1,4 km), med en «bypass-tunnel» forbi kraftstasjonen for flomavledning.

Ved begge prosjekter forventes utfordrende svelleleire å forekomme i svakhetssoner, mens lekkasjer kan forekomme i soner uten svelleleire. Oppsprukket bergmasse, i kombinasjon med dynamiske påkjenninger under drift, gjør utfall fra tunnelkonturen til en forventet stabilitetsutfordring ved begge prosjekter. Foreløpige estimater indikerer at tunnelsystemene unngår problemer med hydraulisk jekking, og at tunnelene kan designes uten stålfôring. Driving med tunnelboremaskin (TBM) er aktuelt for deler av prosjektene, på grunn av tunnelenes lengde. Utfordrende og varierende stabilitetsforhold i svakhetssoner og begrensninger med tanke på riggområder, kan tale til fordel for konvensjonell driving med boring og sprengning.

I neste fase må det vurderes om prosjektene kan være aktuelle å gå videre med. I så fall må det utarbeides planer for ingeniørgeologisk feltkartlegging og grunnundersøkelser. Dette vil være viktig for videre optimalisering av design.

The multidisciplinary «AlternaFuture» project uses the Mandal hydropower system for research on extreme rebuilding of existing hydropower systems. The purpose is to combine this with environmental improvements in the watercourse. Currently there are six major power plants in the watercourse, which extends more than 100 km from north to south through Vest-Agder county. This thesis presents suggestions for layout of two different hydropower projects, with main focus on the tunnel systems and their engineering geological conditions. One of the projects is a pumped-storage plant between Øre and Bjelland. The other potential hydropower plant between Øyslebø and Tryfjorden, can be used for flood management in the watercourse.

Suggestions for tunnel alignments are based on topographical maps and mapping of weakness zones, which are areas of weaker and often crushed rock. The topography is important, as larger overburden indicates larger rock stresses. Sufficient rock stresses are critical to avoid hydraulic jacking, which means that the water pressure lift up rock joints and causes leakage problems. The engineering geological conditions of the suggested tunnel systems are evaluated based on project reports from the region, as well as aerial photos and map studies.

The suggestion for design of the pumped-storage plant consists of a 3 km pressure tunnel and a 14,8 km tailrace tunnel. The tailrace tunnel will work as a lower pump reservoir, due to limited reservoir opportunities in the watercourse. The “flood power plant” design is based on a relatively long pressure tunnel (12,2 km) and a short tailrace tunnel (1,4 km). In flood cases, a bypass tunnel enables flood water to pass outside the turbines.

Challenging swelling clay is expected to appear in the weakness zones, while leakage problems might occur in zones without this type of clay. Jointed rock mass increases the risk of rockfalls in the tunnel systems, and pressure fluctuations under operation can intensify this kind of stability problems. Preliminary estimates indicate that hydraulic jacking can be avoided, and that the tunnel systems therefore can be designed without expensive steel lining. Due to the tunnel lengths, tunnel boring machines (TBM) can be appropriate for parts of the projects. Challenging and varying conditions related to the weakness zones and limited alternatives for rig placements, are factors that can favor the conventional drill and blast method.

In the next project phase, it must be assessed whether or not the projects should proceed. If so, plans for engineering geological field mapping and ground investigations should be prepared. This will be important for further design optimization.