Analysis on the extent of water inflow in the tunnel system of SmiSto Hydropower Project in Nordland

Abstract

SmiSto vannkraftprosjekt, som bygges ut ved Gjervalenfjorden i Nordland, er et nytt bidrag til vannkraftindustrien i Norge. Ved drivingen av tunnelsystemene har det vært betydelige problemer knyttet til innlekkasje av vann og behov for berginjeksjon.

Vanninnlekkasjer og berginjeksjon er velkjente problemstillinger i tunnelindustrien. Innlekkasje av vann kan ha negative konsekvenser på miljøet utenfor tunnelen. For tunnelarbeidere kan forholdene inne i tunnelen også bli meget utfordrende. Problemene kan føre til at prosjektet ikke blir ferdigstilt innen planlagt tid, og en kan få omfattende budsjettoverskridelser. De nevnte forhold vil gi hodebry for både eiere, de utførende og konsulenter i prosjektet.

Denne masteroppgaven analyserer ingeniørgeologiske forhold i SmiSto-prosjektet som, fra erfaring, antas å ha påvirkning på både potensial for vanninnlekkasje og injeksjonsforbruk. Arbeidet omfatter også en statistisk sammenligning mellom parametere knyttet til bergmasseforholdene og de opplevde vannlekkasjene. En semi-analytisk tilnærming er blitt brukt for å estimere vannlekkasjene i enkelte områder av tunnelsystemene. Resultatene er deretter blitt sammenlignet med de faktiske innlekkasjene i prosjektet. En multippel lineær regresjon er også blitt utviklet for å undersøke om bergmasseparametere for et gitt område i tunnelen kan gi en prognose for injeksjonsforbruket. Resultater av bergmassekvalitet, sonderboring og injeksjon i prosjektet er også blitt fremstilt in en geografisk modell ved bruk av ESRI’s ArcGIS Pro.

De undersøkte forhold viser likhetstrekk mellom kjennetegn ved de vannførende sprekkene i prosjektet og diskontinuiteter knyttet til fjærsprekker som er kjent for å ha en høy ledningsevne av vann i andre tunnelprosjekter. Resultater fra den statiske analysen antyder en svak kobling mellom parametere knyttet til bergmassens kvalitet ved Q-systemet og opplevde vannmengder under tunneldriving. Det synes å være en tendens til at vanninnlekkasjene øker med bergoverdekning. Estimering av vanninnlekkasjer med en semi-analytisk metode viser en generell overvurdering av lekkasjemengdene. En multippel lineær regresjon synes ikke å gi en modell av tilfredsstillende kvalitet for å vurdere injeksjonsforbruk, basert på datasettet som er blitt brukt. Andre statistiske metoder kan gi modeller av bedre kvalitet for sammenligning mellom bergmasseparametere og injeksjonsforbruket. Parametere som ikke er blitt inkludert i modellen, men som kan å ha påvirkning på forbruket av injeksjon, antas å kunne gi bedre presisjon dersom de ble tatt med.

The SmiSto hydro power project, situated near the Gjervalen fjord in Nordland, is a recent initiative in the Norwegian hydro power industry. During excavation of the tunnel systems, considerable problems related to groundwater inflow and rock mass grouting have been encountered.

Groundwater inflow and the need for grouting the rock mass are not new issues in tunneling. Inrushes of water can have a negative effect on the environment outside of the tunnel. The working conditions can also become very unpleasant for the workers inside the underground structure. The final consequences can be significant delays in project completion and cost-overruns, which can trouble owners, contractors and consultants involved in the project.

This thesis analyzes the engineering geological conditions in the SmiSto hydro power project which, from experience, are considered to potentially influence both the inflow of groundwater and the consumption of rock mass grout. The study also includes a statistical comparison between parameters regarding the rock mass conditions and the groundwater inflows. A semi-analytical approach was used to estimate groundwater inflows and compare these to the actual water inflow quantities. A multivariate linear regression model was also developed to assess if parameters regarding the rock mass conditions could give a satisfactory model for predicting the grout consumption. Further, a geographic model has been developed with ESRI’s ArcGIS Pro, where gathered data related to rock mass quality, groundwater inflows and grout consumption have been presented.

The analysis reveals resemblances between the character of the water-conducting joints in the SmiSto project and discontinuities related to pinnate fissures associated with high hydraulic conductivity observed in other tunneling projects. The statistical analyses indicate a weak relationship between parameters related to the rock mass quality by the Q-system and the groundwater inflow quantities. Of the analyzed parameters, a higher groundwater inflow seems to be associated with higher rock cover above the tunnel level. The applied semi-analytical approach generally overestimates the groundwater inflow amounts. In certain areas, the estimated quantities correspond fairly well with the actual inflow rates. The developed multivariate linear regression model does not seem to give a good fit to the data set regarding the consumption of rock mass grout. Other statistical methods may be more appropriate for analysing the relationship between the rock mass parameters and the grout take. It is assumed that an improved model could have been developed by including other parameters relevant for the grout consumption, which were not included in this analysis.