Assessment of swelling pressure on sprayed concrete lining at the headrace tunnel of Moglice Hydropower Project.

Abstract

Tilløpstunellen ved Moglice vannkraftverk er drevet gjennom bergarten flysch. Denne bergarten er sterkt heterogen og består av sterke lag av sandstein og konglomerat som veksler med svake lag dominert av leir og siltstein. Slike bergarter kan svelle og har lav motstandsdyktighet mot vekslinger i vannmetning (slake durability). Desintegrasjon og svelling i slike bergarter kan i verste fall føre til tunnelkollaps.

Svelle og «slake durability» egenskapene til flysch hentet fra tilløpstunellen har blitt vurdert iCITE, som er forløperen til denne masteroppgaven. Alle flysch-prøvene viste en viss grad av svelling med ett gjennomsnittlig svelletrykk på 0.25 MPa. Prøvenes gjennomsnittlige «slake durability index» var 70\%, med en variasjon fra 43\% til 98\%.

I denne masteroppgaven har de bergmekaniske egenskapene til flysch og sprøytebetong fra tilløpstunellen blitt vurdert ved bruk av UCS test, punktlasttest, braziltest samt målinger av tetthet og lydhastighet. Sterke konglomerat og sandsteinslag hadde en gjennomsnittlig trykkfasthet på 137 MPa. Trykkfastheten til silt og leirsteinseksemplarene ble estimert til å være 8 MPa ved bruk av punktlasttesten, da materialet var for svakt til å prepareres for UCS test. Sprøytebetongen hadde en trykkfasthet på 41 MPa og strekkfasthet på 4.9MPa.

Det numeriske modelleringsverktøyet RS$^2$, et todimensjonal FEM program ble brukt for å evaluere effekten svelling har på stabiliteten til tunellen. Laboratorieresultatene ble brukt som inngangsparametere i denne modellen.

To versjoner av flysch, en sterk og en svak ble evaluert samt to versjoner av sikringen bestående av sprøyebetongbuer. Den svake flyschen gikk i brudd for ett omfattende område rundt tunellen før svelling var lagt til. Deformasjonene av veggene var på dette punktet 7 mm. Den sterke flyschen hadde en mindre bruddsone og kun en deformasjon på 2mm.

Det er vanskelig å vurdere hvor mye svelling og hva slags svelletrykk som kan forventes in-situ. Svelletrykk fra 0.06 MPa til 5 MPa var derfor testet i en sensitivitetsanalyse. Trykket ble ført på sikringen som en konstant uniform last rundt profilet. Svelletrykket som ble vurdert som et sannsynlig maks, 0.5 MPa, resulterte i en ekstra deformasjon på 0.4 mm i veggene. Ingen sprøytebetongelementer gikk i brudd i modellen.

Metoden brukt til å simulere svelling påvirket ikke den omliggende bergmassen på en realistisk måte, og førte til strekkbrudd i både bergmassen og etter hvert bolter. Gyldigheten til resultatene er derfor tvilsomme. Videre modellering er nødvendig for å vurdere effekten svelling har på bergsikring. I tillegg bør den kombinerte effekten av svelling og lav «slake durability» undersøkes nærmere for å vurdere den langsiktige stabiliteten av tunellen.

Moglice hydropower tunnel is excavated through flysch rock. Flysch rock is a severely heterogeneous rock type comprised of weak and strong layers of clay, silt and sandstone with varying thickness. Another characteristic of flysch rock is the varying slake durability and the potential to disintegrate and/or swell in contact with water. A combination of these characteristics may cause deterioration of the rock mass and in worst case collapse.

The swelling and slaking characteristics of flysch rock collected in the headrace tunnel have been investigated in \citet{Frengen2019}, a specialisation project conducted as a precursor to this master thesis. All the specimens tested showed some degree of swelling, with an average swelling pressure of 0.18 MPa. The slake durability index of flysch rock ranged from 43\% to 98\% with an average of 70\%.

Further laboratory investigations conducted during this thesis work included the UCS test, the Point load index test, the Brazil test as well as measurements of material density and sound velocity. For the rock specimens, some tests could not be performed due to poor quality or lack of sufficient material. Strong specimens dominated by sandstone and conglomerate had an average dry UCS of 137 MPa. Clay dominated specimens could only be tested with the point load test, from which an estimated UCS of 8 MPa was found. Sprayed concrete from the cores were also tested and had a dry UCS of 41 MPa and a tensile strength of 4.9 MPa.

Following up on these findings, the effect of swelling on the tunnel support consisting of reinforced ribs of sprayed concrete (RRS) have been evaluated by use of numerical modelling in RS$^2$, a two dimensional FEM model. The aforementioned laboratory results have been used as material parameters in this analysis.

Two versions of flysch rock, a strong and a weak flysch and two versions of the RRS have been modelled. Extensive yielding of the rock mass was found for the weak flysch. The deformations of the tunnel wall prior to swelling was found to be 7 mm. The strong flysch showed deformations of the wall up to 2 mm, and a minimal yielded zone around the excavation.

Accurate levels of swelling are hard to model due to the uncertainty in how laboratory values relates to in-situ pressure. A range of pressures from 0.06 MPa to 5 MPa were tested by applying a uniform load onto the lining. This method produced an additional displacement of 0.4 mm for a swelling pressure of 0.5 MPa, which was evaluated to be a reasonable value. No RRS elements yielded for any pressure applied in the model.

The direct application of the swelling pressure did however not affect the encompassing rock mass in a realistic manner, which caused a reduction of rock stresses. Tensile forces thus yielded bolts and the rock mass around the tunnel, which seeds doubts to the validity of the results. Additional research is thus needed to confidently predict the extent swelling affect the long term stability. Furthermore, the combined effect of swelling and slaking may be a cause for concern. This effect should thus also be investigated further.