Analyse av deformasjoner og mulige tiltak ved Brattset kraftverk

Abstract

I kraftstasjonshallen til Brattset vannkraftverk ved Berkåk er det registrert observasjoner og målinger som tilsier en pågående langtidsdeformasjon i bergmassen. Deformasjonene fremstår som en liten konvergerende bevegelse mellom hallens langsidevegger. Dette har skapt problemer for blant annet kranbane og gulvluker i hallen. I denne oppgaven undersøkes og analyseres deformasjonene ved Brattset, med utgangspunkt i ingeniørgeologisk kartlegging, laboratorieundersøkelser, deformasjonsmålinger og numerisk modellering. Deformasjonsreduserende tiltak kan bli aktuelt, og er derfor også undersøkt.

Langtidsdeformasjoner i bergmasse er ikke et ukjent problem for kraftstasjonshaller, selv om deformasjoner primært skjer i forbindelse med utsprengningsprosessen. Årsaken til langtidsdeformasjoner avhenger av geologi og spenningsforhold, men kan f.eks. komme av fenomener som kryp, skvising, svelling eller forskyvning mellom diskontinuiteter i bergmassen.

Geologien ved Brattset består av to bergarter tolket som kvartskeratofyr og grafittglimmerskifer. Førstnevnte er finkornig, massiv og blokkig. Enaksiell trykktest og Schmidthammermåling viser en sterk og stiv bergart. Sistnevnte er skifrig, svært anisotropisk, og inneholder grafitt både på sprekkeflater og i foliasjonen. Schmidthammer-måling viser relativt høy bergartsstyrke, men lavere enn kvartskeratofyrens. Bergartenes foliasjonsplan ligger parallelt med hverandre, med et fall på ~45° mot hallen fra nedstrøms sidevegg.

Fra 1988 til 2020 har det blitt gjennomført uregelmessige konvergensmålinger i kraftstasjonshallen. Siste måling ble gjennomført i forbindelse med denne oppgaven. Måleresultatene viser en tilnærmet lineær bevegelse med total konvergens i størrelsesorden 1 cm i hallens midtparti. Ettersom bevegelsen ikke ser ut til å avta, forventes det at deformasjonene vil fortsette også i nærmeste fremtid.

Gjennom numerisk modellering i RS2 er effekten av blant annet nærliggende bergrom, potensielt glideplan og mulige tiltak studert i forhold til deformasjoner og spenningsbilde. Inngangsparameterne til modellen er samlet inn fra ingeniørgeologisk kartlegging, laboratorietesting og litteratur. Det er også utført en parameterstudie av enkelte parametere.

Ulike teorier for mulige deformasjonsårsaker har blitt lagt frem på bakgrunn av observasjoner og ingeniørgeologisk kartlegging i hallen. Etter diskusjon av både observasjoner og numeriske analyser, vurderes teorien om glidende bevegelse mellom kvartskeratofyr og grafittglimmerskifer som mest sannsynlige årsak for deformasjonene. Det er ikke usannsynlig at bevegelsen også er kombinert med krypdeformasjon av grafittglimmerskiferen, som den numeriske analysen gir en indikasjon på. Av undersøkte tiltak for å redusere videre deformasjon i hallen, vurderes installasjon av høykapasitets stag som beste strukturelle tiltak. Utstøpning av betongdekke gir også gode resultater i numerisk analyse, men av praktiske årsaker må dette tiltaket antagelig modereres til pilarer/bjelker.

Videre vil det være viktig å opprette en god plan for regelmessig konvergensmåling i hallen, for fremtidig overvåking av deformasjonene. Det anbefales også å vurdere installasjon av borhullsekstensometer, ettersom dette kan gi ny informasjon om forholdene inne i bergveggen.

In the power station of Brattset hydropower plant in Norway, observations and measurements indicate an ongoing long term deformation in the rock mass. The deformations appear as a small convergent motion between the longitudinal walls of the cavern. This has caused problems for crane beam and floor hatches in the cavern. In this thesis, the deformations at Brattset are investigated and analysed, based on engineering geological mapping, laboratory work, deformation measurements and numerical modelling. Measures to reduce further deformations may be applicable, and have therefore also been investigated.

Long term deformations in rock masses are not an unknown problem for power station caverns, although deformations occur primarily in connection with the excavation. The cause of long term deformations depends on geology and stress conditions, but can for instance come from phenomena such as creep, squeezing, swelling or displacement between discontinuities in the rock mass.

The geology of Brattset consists of two types of rocks, interpreted as quartz keratophyre and graphite mica schist. The quartz keratophyre is fine-grained, massive and blocky. Uniaxial compressive test and Schmidt hammer test indicates a strong and stiff rock. The graphite mica schist is schistose, very anisotropic, and contains graphite on both joint surfaces and inside the foliation. The Schmidt hammer test shows relatively high strength, however lower than that of quartz keratophyre. The rocks are oriented parallel to each other, with a dip of ~45° towards the cavern from the downstream longitudinal wall.

From 1988 to 2020, irregular convergence measurements have been carried out in the cavern. The latest measurement was carried out in relation to this thesis. The results show an approximate linear motion with total convergence of about 1 cm in the centre part of the cavern. As the deformation rate does not seem to decrease, it is expected that the deformations will continue in the near future.

Through numerical modelling in RS2, the effect of i.a. nearby caverns, potential sliding planes and possible measures have been studied in relation to deformations and stresses. The input parameters of the model are collected from engineering geological mapping and literature. A parameter study of some parameters has also been carried out.

Various theories for possible deformation causes have been presented on the basis of observations and engineering geological mapping in the cavern. After discussing both observations and numerical analysis, the theory of sliding motion between quartz keratophyre and graphite mica schist is considered the most likely cause of the deformations. It is not unlikely that the movement is also combined with creep deformation of the graphite mica schist, for which the numerical analysis gives an indication. From the investigated measures to reduce the deformation in the cavern, installation of high capacity cable bolts is considered to be the best option. Concrete casting also produced good results in numerical analysis, but for practical reasons this measure must probably be moderated to less effective pillars/beams.

Furthermore, it is important to create a thorough plan for regular convergence measurements in the cavern, for future monitoring of the deformations. It is also recommended to consider the installation of multipoint borehole extensometer, as this may provide new information about the conditions inside the rock wall.