Grundvattnets interaktion med undermarkskonstruktioner

Transkript

1 Grundvattnets interaktion med undermarkskonstruktioner Fredrik Mossmark, Chalmers och Sweco Vectura Deltagare i projektet Lars O. Ericsson, Chalmers Lars-Olof Dahlström, NCC Malin Norin, NCC Katinka Klingberg-Annertz, Trafikverket

2 Ingående delar av doktorandprojektet Litteraturstudier (BeFo) Databasstudier - Äspö Fältstudier: - Hallandsås (SBUF/Trafikverket) - Kattleberg (SBUF) - Gårdsjön (SIVL/Naturvårdsverket) - Äspö, experiment med grundvattenuttag (SKB) - Lundbytunneln och Teliatunnlar, Göteborg (SBUF) Studier av regelverk och vattenkemi i tunnelprojekt (exjobb) - Peter Lidén och Sargon Saglamoglu Vattenkemisk modellering (BeFo/Formas)

3 Regelverk materialval ATB Tunnel/BV Tunnel ( ) gav tydliga kriterier om kompletterande korrosionsskydd (bultar): ph< 6.5 Totalhårdhet < 20 mg/l Ca 2+ och Mg 2+ Alkalinitet <61 mg/l HCO 3 - Konduktivitet >100 ms/m Sedan 2012 gäller TRVK/TRVR Tunnel Bedömning av om grundvattnet är av söt-, bräck- eller saltvattentyp utgör grund för val av stålbaserade material. För grundvatten används alltid högsta skyddsklass För cementbaserade tillämpas också SS-EN i tillägg till klassning enligt ovan.

4 Erfarenheter Romeriksporten Forsmark SFR Olkiluoto ONKALO Löttingetunneln E18 Kristiansand Gårdsjön Kattleberg Göteborgstunnlar Hallandsås Äspö gv-uttag Äspö HRL Bolmentunneln

5 Undersökningar Kattleberg Fältarbete genomfördes oktober 2010 till juni 2012 Projektet övervakade fem filterbrunnar, ett bergborrhål (från marknivå), två bergborrhål (inifrån tunnel) Artikel inskickad till Engineering Geology Tunneln är färdigbyggd och tagen i drift efterinjektering avslutades i maj 2012

6

7 Instumentering

8 Område under högsta kustlinje efter senaste glaciationen (lic) Redoxförändring -löslighet järn och mangan -oxidation av svavel -försurning -katjonutbyte Organiskt material -kalciumkarbonat -alkalinitet -redoxförändringar Klorid tillgängligt -grundvatten -marina leror Mossmark 2010, modifierade efter Eklund, 2002

9 Grundvattennivåer

10 Vattenkemi Kattleberg Avrinningsvatten Clear -cutting

11 Berggrundvatten -Ca

12 Berggrundvatten -ph

13 Berggrundvatten Mn

14 Slutsatser Kattleberg Under HK- Lera kan utgöra negativ rand liten kommunikation våtmarker-berggrundvatten Heterogenitet i tunnelns närhet ger varierad vattenkemi Alkalisk miljö av injektering påverkar problematik med utfällningar i dräner Gradvis mer aggressiv miljö i berggrundvatten enl. Langeliers index Arbeten med fyllnad ovan tunneln hade stor påverkan på vattenkemi i ytliga system (disk andra förhållanden, t.ex. Över HK)

15 Erfarenheter Romeriksporten Forsmark SFR Olkiluoto ONKALO Löttingetunneln E18 Kristiansand Gårdsjön Kattleberg Göteborgstunnlar Hallandsås Äspö gv-uttag Äspö HRL Bolmentunneln

16 Undersökningar Hallandsås Kompletterade Trafikverkets kontrollprogram provtagning varannan vecka i berggrundvatten, pågick till Trafikverket provtar ytvatten, loggar gv-nivåer Nyttjade Trafikverkets databas för Hallandsås Artikel skrivs i samarbete mellan Chalmers och Trafikverket (slutfas)

17 Utströmningsområde över HK Redoxförändring -löslighet järn och mangan -oxidation av svavel -försurning -katjonbyte Organiskt material -kalciumkarbonat -alkalinitet -redoxförändringar

18 Studieområde Hallandsås Flintalycke

19 Påverkan ytvatten Basflödet (d.v.s. tillförande av grundvatten) försvann/minskade nära tunnellinjen, Jonsvagare vatten, minskad alkalinitet, SO 4 Oxidation av våtmarker, SO 4 -pulser Kombinerad effekt av dessa två förändringar, sänkning av ph Generellt svagare och kortvarigare påverkan vid drivning av det västra tunnelröret ( ) jämfört med det östra ( )

20 Övervakning tre bergborrhål Tunnelframdrift april 2011 BP08 MK56 MK60

21 Nivåer berggrundvatten

22 Tunnelframdrift september 2011 BP08 MK56 MK60

23 Nivåer berggrundvatten Flintalycke

24 Tunnelframdrift december 2011 BP08 MK56 MK60

25 Nivåer berggrundvatten Flintalycke

26 Berggrundvatten Skeadal-Flintalycke (syd, MK56)

27 Berggrundvatten MK56 -Fe

28 Berggrundvatten Flintalycke Norr (BP08)

29 Flintalycke Norr Loggning ph MK60

30 Berggrundvatten Aggressivitet mot cement EN206-1 (BP08) Förhöjd skyddsklass XA1 Förhöjd skyddsklass XA1

31 Beräknat korrosionsindex

32 Slutsatser Hallandsås Flerdubbling av SO 4 i två bergborrhål (Flintalycke Norr), en av dessa hade känd förekomst av pyrit Koncentrationen av Ca, Mg, Na, Mn parallel med SO 4 Redoxberoende minskning av löst Fe under avsänkning Små vattenkemiska förändringar vid relativt homogen berggrund, inströmningsområde (MK56). Förändringar för redox, således Fe, Mn Svag SO 4 ökning vid återhämtning, Ca frigörs, alkalinitet Ökning av TOC i berggrundvattnet, men otillräckligt för att nedbrytning ska motverka redoxhöjning Mer aggressiv miljö för cement- och stålbaserade material

33 Återhämtning Snabb återhämtning Fe, Mn efter lyckad tätning I stort sett parallel med återhämtning för nivåer Återhämtning av dominerande an-, katjoner är ofta långsam (år) Betydligt långsamare återhämtning av parametrar viktiga för cement och stål än för grundvattennivåer Återhämtning avrinningsflöden långsamare än för grundvattennivåer

34 Några slutsatser från projekten Ofta stora rumsliga och tidsberoende variationer. Variationer även på djupet i enskilda borrhål. Geologiska och hydrologiska förhållanden avgör. Flera för cement- och stålbaserade material viktiga parametrar påverkas ofta: SO 4, Alkalinitet, ph, Ca, Mg. Ibland också Cl. Vanligen, men inte alltid, blir den vattenkemiska miljön mer aggressiv mot cement och stål. Krävs kunskap för att provta rätt. Myndigheternas riktlinjer för vattenkemi och materialval bör förtydligas.

35 Modellering med PHREEQC Numeriskt modelleringsverktyg U.S.G.S. Hanterar bl.a.: Vattenkemiska reaktioner, ex. syra-bas, jonbytesprocesser, redox, mättnadsindex 1-dimensionellt flöde (i sitt grundutförande) Inversmodellering

36 Fas 1 Gårdsjön (pågående) 1D Flöde från våtmark till uttagspunkt/tunnel Definiera processer längs flödesbanan Beräkna P CO2 och redox Byggs gradvis ut med fler processer I ett första steg Uttagsperioden Återhämtning

37 Gårdsjön Månatliga data för perioden Relativt väl undersökt område, forskning sedan 1970-talet Två vetenskapliga artiklar om dessa undersökningar har publicerats av forskargruppen

38 Fas 1 blandning, processer

39 Fas 1 blandning, processer Result End-member 1 End-member 2 Bedrock gw

40 End-member 1 End-member 2 Validering (resultat) Pumpningsperiod

41 Fas 1 blandning, processer Result End-member 1 End-member 3 GW glacial till End-member 2 Bedrock gw

42 End-member 1 End-member 2 Validering (resultat) End-member 3 Pumpningsperiod

43 Processer och blandning pågående arbete Blandning i 10 steg Blandning av påverkat grundvatten våtmarken- med opåverkat grundvatten berggrund- Olika blandningsförhållanden Jämvikt med sprickmineral Aktiva processer jonbyte Resultat jämförs med analys av påverkat berggrundvatten Kalibrering prel. mot kloridkoncentrationer

44 Preliminära resultat Blandning i ett steg Analytical results Transport modelling, 10 steps GV3 HGF33-1 HGF33-2 Mixing, 10 steps, ratio per mixing step Units Fracture Sampling date Matrix bedrock pco 2 atm ph Alkalinity mg/l HCO Na mg/l K mg/l Ca mg/l Mg mg/l Cl mg/l S mg/l

45 Beräknade koldioxidtryck Koldioxidtryck går av (om det är högre än atmosfäriskt) vid provtagning ph stiger, alkalinitet oförändrad Berggrundvatten, PCO 2 Beräkningar visar på att vi har atmosfäriskt koldioxidtryck i berggrundvattnet (öppet system) under uttagsperioden

46 Beräkning av redoxförhållanden Beräkning baserad på N-species Data finns enbart för ett tiotal mättillfällen Validering mot uppmätt redox i uttaget vatten under pumpning Kvalitativ validering med konc. löst Fe Preliminärt reducerande miljö under återhämtning

47 Beräkning av mättnadsindex Resultat från blandningsmodeller visar på mättnad gentemot CaCO 3 Kalcit Pågående arbete med att studera mättnad mot andra mineral Vid genomförda modelleringar befanns andra mineral som ej aktiva Detta skiljer sig från gjorda handberäkningar där vi ser en påverkan från kalifältspat. Inkludera modelleringar av ej störda förhållande

48 Pågående arbete med PHREEQC 1D Flöde från våtmark till uttagspunkt/tunnel Definiera processer längs flödesbanan Arbete pågår med att beräkna P CO2 och redox Arbete pågår med att inkludera fler processer I ett första steg Uttagsperioden Återhämtning

49 Försökgrundvattenuttag Två små avrinningsområden F1 och F3 Våtmark Bergborrhål Damm (avrinning) Mikroklimatstation Observationsbrunnar Manuell nivåövervakning Automatisk nivåövervakning Ytvattendelare Hydrologi och vattenkemi i försöksområdet F3 sedan 1997 Borrhål HGF33 och borrhål HGF31 Avslutad studie utgör dataunderlag

50 Modelleringsstrategi

51 Processer och blandning Blandning i 10 steg Blandning av påverkat grundvatten våtmarken- med opåverkat grundvatten berggrund- Olika blandningsförhållanden Jämvikt med sprickmineral Aktiva processer jonbyte Resultat jämförs med analys av påverkat berggrundvatten

52 Preliminära resultat Analytical results Transport modelling, 10 steps GV3 HGF33-1 HGF33-2 Mixing, 10 steps, ratio per mixing step Units Fracture Sampling date Matrix bedrock pco 2 atm ph Alkalinity mg/l HCO Na mg/l K mg/l Ca mg/l Mg mg/l Cl mg/l S mg/l

53 Groundwater Chemistry and its Influence on the Selection of Construction Materials - A review of four traffic tunnels in Sweden and evaluation of technical requirements Peter Lidén & Sargon Saglamoglu

54 The objectives Evaluate how the groundwater chemistry in bedrock can influence the selection of construction material for tunnelling projects in Sweden. Describe how the tunnelling industry handle water chemistry related issues. Conduct an evaluation of suitable groundwater parameters and threshold values for technical requirements Predict if future hydro chemical changes may occur in the Kattleberg Tunnel and Löttinge tunnel based upon the geologic- and hydrologic conditions in the surroundings of the tunnels.

55 Technical requirements BV-Tunnel 2004 (expired) Water is aggressive (corrosive) if: ph < 6,5 Total hardness < 20 mg/l (Ca 2+ +Mg 2+ ) Alkalinity < 1 meq/l (Approximately 61 mg/l HC0 3- ) Electrical conductivity > 100 ms/m. Corrosivity classes according to TRVK Tunnel Im1 Type of environment The groundwater is assessed to be none aggressive and the bedrock is systematically pre grouted or where bedrock of good quality do not need grouting Corrosion protection measures Untreated steel and cement embedment that fulfills the requirements according to AMA, EBE Im2 Other environment Hot-dip galvanized steel and cement embedment that fulfills the requirements according to AMA, EBE TRVK/TRVR- Tunnel 11 Replaced the expired BV-tunnel Parameters that define the aggressive groundwater removed Im3 Marine environment or the groundwater is assessed to be aggressive Hot-dip galvanized steel combined with heat cure epoxy with a thickness off 80µm and cement embedment that fulfills the requirements according to AMA, EBE Threshold values developed for other purposes than tunnelling

56 Discussion Kattleberg Tunnel Dispensation of requirements of extra corrosion protection Aggressive CO 2 was not measured Stockholm City Line Dispensation denied by the Swedish Transport Administration Sulphate resistent grout Sulphate resistent grout Löttinge Tunnel Groundwater of Löttinge tunnel was assessed to be slightly corrosive according to BV Tunnel Stockholm Bypass The planning is still under progress Focus on chlorides and changes in water chemistry

57 Discussion Gathering of data/information Did not work as planned due to ambiguities related to the database from the Swedish Transport Administration Difficult to get total understanding Selection of tunnels Technical requirements from the Swedish Transport Administration Old threshold values removed Need for adjustment Amount of aggressive samples Electrical conductivity should be replaced with chloride conc. Need for describing rock that contain strong water bearing zones

58 Conclusions and recommendations Groundwater chemistry can be assessed differently depending on the pre-knowledge of the corrosive aspects of water SR-cement grout is selected in a routine way even though not needed It is more expensive to use ordinary bolts than bolts with extra corrosion protection due to the requirement of shotcrete cover The influence of flowing water is probably a larger issue for construction material rather than the chemical composition of it Need for describing rock that holds strong water bearing zones in TRVK-Tunnel Suitable parameters and threshold values should be established for TRVK-Tunnel