Effekten av hurtig vannsenking på løsmasseskråninger

Abstract

Hurtig vannsenking forekommer ofte i reservoarer og regulerte elver. Det skjer både i tilknytning til dambrudd og ved kontrollert senking av vannstanden. Dette har vist seg å føre til instabilitet i løsmasseskråninger som går ut i elva. For bedre å kunne forutsi hvilke situasjoner som er kritiske, kreves en god forståelse av mekanismene som skjer i jorda.

Totalspenningsanalyser er en enkel metode for å vurdere stabiliteten i leirskråninger kort tid etter vannsenkingen, men poretrykket blir ikke beregnet. Effektivspenningsanalyser gjør det mulig å analysere virkningen av poretrykksendringer. Endringene i poretrykket påvirker styrken i jorda og dermed stabiliteten i skråningen, vurdert etter Mohr-Coulomb-kriteriet, som er et effektivspenningsbasert styrketak. Udrenerte effektivspenningsanalyser er gjort på en idealisert skråning, samt på en skråning ved Nidelva.

Det er vist at poretrykket reduseres umiddelbart som følge av avlastningen vannsenkingen gir. Deretter er forandringen i poretrykk med tiden mer kompleks, med en ytterligere reduksjon i nedre del av skråningen og økning i den øvre. Det er vist en sterk sammenheng mellom poretrykk og stabilitet i løsmasseskråninger. Sikkerheten vil reduseres umiddelbart ved vannsenking, for så å bedres litt over tid i takt med at poreovertrykket dissiperer. Drenerte analyser gir høyere sikkerhet enn udrenerte. Dette tyder på at hurtig vannsenking er mest kritisk for skråninger av jordtyper med lav permeabilitet, som leire. Disse har udrenert oppførsel og nedsatt sikkerhet i lang tid.

Morgensterns stabilitetsdiagrammer for jorddammer er brukt som inspirasjon i den teoretiske delen av oppgaven. Dette arbeidet viser at de er uegnet til å beregne sikkerhet mot brudd i skråninger. Geometri og strømning etter nedtapping vil ofte avvike fra Morgensterns jorddammer. Diagrammene gir en større sikkerhet mot brudd enn Plaxis-beregninger gir for skråninger med samme geometri og nedtappingsgrad. Dette gjør at stabilitetsdiagrammene har liten overføringsverdi ved vurdering av skråningsstabilitet.

En skråning ved Ner Osen er undersøkt med hensyn til hurtig vannsenking som følge av nedtapping av Nidelva. Analyser er gjort av korttidstilstanden, når jorda er antatt å være udrenert. Det ble gjort både totalspenningsanalyser og udrenerte effektivspenningsanalyser på to profiler i skråningen. Stabiliteten reduseres lite som følge av 4 meter vannsenking i en 40-46 meter høy skråning. Likevel er sikkerheten svært lav, og det vil være fare for brudd. Den høyeste og bratteste delen av skråningen påvirkes minst av vannsenkingen, men har likevel lavest sikkerhet og er mest utsatt for brudd. Mer nøyaktige målinger kreves for mer presise og pålitelige analyser.

Rapid drawdown is frequently seen in reservoirs and dammed rivers. It is a result of dam breakage or controlled lowering of the water level. It is proven that rapid drawdown causes instability in riverside slopes. A good understanding of mechanisms in the soil is needed for predicting critical situations.

Considering clay slopes short time after drawdown, total stress analyses make a good stability assessment. The pore pressure is not calculated using this method. Using effective stress analyses enables evaluation of the consequences due to changes in pore pressure. The increase of pore pressure affects the soil strength, and thus the stability of the slope, according to the Mohr-Coulomb criteria, which is based on effective stresses. Undrained effective stress analyses are performed for an idealized slope and for a slope in Nidelven.

It is shown that the pore pressure decreases immedeately as a result of the unloading. Then, the pore water pressure changes with time in a more complex manner, decreasing in the lower part and increasing in the upper part of the slope. It is shown a distinct correlation between pore water pressure and stability in earth slopes. The safety factor is immediately reduced, then increasing with time, as the pore water pressure dissipates. Drained analyses results in a higher safety factor than the undrained ones. This indicates that rapid drawdown is more critical for slopes of low permeability soils, such as clay. The undrained behavior, and thus the lowered safety factor lasts for a long time.

Morgenstern's stability charts for earth dams have been used for inspiration in the theoretical part of this study. This research demonstrates that they are unsuitable for determining safety against failure in earth slopes. Geometry and flow after drawdown will deviate from Morgenstern's earth dams. The diagrams estimate a higher safety factor than the Plaxis-calculations do for slopes of the same geometry and drawdown ratio. Therefore the stability charts have limited value when evaluating stability of slopes.

An earth slope close to Ner Osen is investigated, considering rapid drawdown as a consequence of lowering the water level in Nidelva. Analyses of the short-time situation have been done, assuming undrained behavior of the soil. Both total stress analyses and effective stress analyses were performed, examining two profiles of the slope. Only a small reduction in the stability is discovered as a result of the 4 meters of drawdown in a slope which is 40-46 meters tall. However, the safety is very low, and there is a risk of slope failure. The tallest and steepest part of the slope is the one least affected by the drawdown. However, it has the lowest safety factor and is more in danger of failing. More accurate investigations are required for more precise and reliable analyses.