Riskanalys av dricksvattensystem

Transkript

1 Andreas Lindhe & Lars Rosén Institutionen för bygg- och miljöteknik Chalmers tekniska högskola Fel i beredning Förorening av råvattentäkt Forecast: Leveransav brott 1 Trials Frequency Chart 92 Outliers,16 158,12 118,5,,48,95,143,19,37,98,158,219,28 Påhittade beta-fördelningar för sannolikheten att det uppstår fel i beredningen samt att råvattentäkten förorenas.,8,4, 79 39,5,115,18,245,31,375 Råvattenintaget vid Lärjeholm. Lackarebäcks vattenverk. Vattentornet i södra Guldheden. Riskanalys av dricksvattensystem Vattenförsörjningen är utsatt för olika typer av faror. För att riskerna skall kunna hanteras på ett effektivt sätt bör de riskanalyser som genomförs beakta såväl råvatten som beredning och distribution. Sannolikhet Sannolikheten för topphändelsen presenteras som en fördelning, vilket gör att osäkerheterna illustreras. P(Leveransavbrott) = 1-(1-P(A))x(1-P(B)xP(C))x(1-P(D)) Ofta genomförs riskanalyser för enskilda delar av dricksvattensystemet, exempelvis råvatten, beredning eller distribution. Om riskerna i de olika delarna av systemet inte jämförs kan det leda till en felaktig prioritering av de riskreducerande åtgärderna. Ett riskbaserat arbetssätt som inkluderar samtliga delar av vattenförsörjningen, från råvatten till tappkran, förespråkas bland annat av WHO. Inom ramforskningsprogrammet för dricksvatten, DRICKS, analyseras Göteborgs dricksvattensystem med hjälp av felträdsteknik. Syftet är att utvärdera möjligheten att tillämpa felträdsteknik inom vattenförsörjningen. För att göra en riskberäkning måste det finnas en matematisk modell som beskriver hur beräkningen skall göras. Exempelvis så kan en felträdsmodell användas. Ett felträd beskriver sambandet mellan olika händelser och hur dessa kan leda till den oönskade händelsen som studeras, topphändelsen. För att beskriva sambandet mellan olika händelser används logiska grindar (Booleanska operatorer), OCH- samt ELLER-grindar. ELLER-grind OCH-grind I det förenklade exempel av ett felträd som illustreras ovan är topphändelsen (den oönskade händelsen som studeras) avbrott i leveransen av dricksvatten. Detta uppstår om det blir fel i beredningen ELLER om råvattenförsörjningen inte fungerar ELLER om det uppstår distributionsproblem. Råvattenförsörjningen slutar fungera om råvattentäkten förorenas OCH reservvattentäkten inte är tillgänglig. Sannolikheten för de olika händelserna beskrivs med statistiska fördelningar i stället för punktvärden. Detta innebär att osäkerheterna i händelserna beaktas. Fördelningarna kan baseras på tillgänglig mätdata eller på expertuppskattningar. Genom ett Bayesianskt angreppssätt kan även mätdata och expertuppskattningar vägas samman. För att beskriva subjektiva uppskattningar av sannolikheter kan så kallade beta-fördelningar användas, vilket har använts i exemplet som beskrivs ovan. Med hjälp av statistiska simuleringar, exempelvis Monte Carlo simuleringar, beräknas sannolikheten för topphändelsen. Vidare kan den händelse som bidrar mest till osäkerheten i svaret bestämmas med en känslighetsanalys. Felträdsmodellen kan också användas till att undersöka vilken effekt olika riskreducerande åtgärder får på risken. Arbetet med felträdsanalysen av Göteborgs dricksvattensystem genomförs i samarbete med Thomas Pettersson, Johan Åström och Mia Bondelind vid Bygg- och miljöteknik samt Tommy Norberg vid Matematiska vetenskaper.

2 Pareto distribution Transmissivity (m2/s) of 3m sections 1,E-1 1,E-9 1,E-8 1,E-7 1,E-6 1,E-5 1 Number of fractures per 3m sections , Section no Section no p(T<Tr),1,1 y = 4E-5x -,4227 R 2 =, ,1 1,E-1 1,E-9 1,E-8 1,E-7 1,E-6 1,E-5 Transmissivity (m2/s), Tr Christian Butron Nygårdstunneln - Tunnel Grouting Design with Cement and Silica Sol for Drip Sealing The Nygård tunnel is located in the south part of Sweden and will be used as a railway transport. With approximately 3 km long, this tunnel will connect two communities Nygård and Hältorp; and it consists of one main tunnel and one service tunnel. The tunnel is located between 4 to 5 m below the mountain surface. The grouting design of this tunnel was based on two different materials which have different properties and aims. The base and the walls of the tunnel will be grouted with cement and the ceiling with silica sol. Cement is widely used as a grout and silica sol was tested before (Funehag J. & Gustafson G., 25). The grouting design was based on rock mass characterisation from where the number of fracture per 3 meter section and the transmisivity for the same sections were obtained. With the use of this data a pareto-distribution curve was computed and plotted, and the hydraulic apertures of the fractures were established. At the end the inflows to the tunnel were estimated, and the demands gave the hydraulic aperture needed to be sealed (.1 mm). Cement based grouts can penetrate and seal fractures that are bigger than approximately.1 mm; silica sol on the other hand can penetrate and seal fractures smaller than.1 mm which cause the problem of dropping in tunnels. In Nygård tunnel 99% of the fractures have a hydraulic aperture smaller than.1 mm. Therefore the need to come up of a design of drip sealing that has the combined characteristics of cement and silica sol. Silica sol Cement

3 KA3376B1 APSE-tunneln med dess två injekteringsskärmar Injektering i sprucket berg analys av injekteringen i en sektion av APSE-tunneln En 7 m lång sektion av den injekterade delen av APSE-tunneln har utvärderats med hjälp av fyra kärnborrade kontrollhål i tunnelns vänstra vägg. Hålen är i bilden nedan illustrerade med ringar, vilka var och en representerar.5 m av hålens längd. Kontrollhålen har analyserats på två sätt: Inflödet i hålen har uppmätts i.5 metersintervaller. Kärnorna har analyserats m a p förekomster av injekteringsbruk. Ungefärligt läge för de fyra kontrollhålen. Informationen från kontrollhålen har jämförts med data från ett kärnborrhål som borrats före tunnelns drivande, KA3376B1, längst upp i figuren ovan. Detta hål är detaljerat analyserat m a p sprickor, vilkas tjocklek anges i hydraulisk apertur, b [μm]. I figuren framgår att sprickorna nr 2, 3, 4, 5 och 6 korsar tunneln inom det studerade området; av dessa sprickor har nr 4 och 5 b > 5 μm, och de övriga har b < 5 μm. När injekteringen designades, användes antagandet att det cementbruk som valdes kunde tränga in i sprickor med b 5 μm. I figuren till vänster visas det relativa läget mellan de ursprungliga sprickorna, och positionerna för var det i kontrollhålen visade sig att berget läckte samt var bruk påträffades. no m no. 5 and 4 no. 3 no. 2 KQ53A4 KQ53A3 KQ53A2 KQ53A1 KA3376B m.5 m interval with no inflow.5 m interval with inflow corresponding to b <5 μm Substantial grout occurrence Borehole intersects grouting hole Fractures found in the original cored borehole. Black color indicates inflow > 2 L/min. Gray color indicates inflow < 2 l/min. Det faktum att hålen är täta i närheten av de tjocka sprickorna nr 4 och 5 tyder på att dessa kunde tätas helt. De åtta förekomsterna av bruk längst ut i kontrollhålen kan relateras till samma sprickor, och bekräftar bilden av att dessa var injekterbara. De läckande sektionerna i borrhålen sammanfaller ungefärligt med de tunna sprickorna nr 2 och 3, vilket tolkas som att de alltså inte kunde tätas helt. De tre förekomster av bruk inom kontrollhålens första halva (borträknat stället där ett injekteringshål korsar det nedersta kontrollhålet) är svårare att relatera till sprickor i KA3376B1. De förmodas härröra sig från delar av spricknätverket som inte syns där. Slutsats Analysen tyder på att designantagandet, att det skulle gå att täta sprickor med b 5 μm men inte tunnare, i detta fall stämmer.

4 12 Exempel på resultat från triaxialförsök Permanent deformation 1 Deviatorspänning q [kpa] Belastning 1 Belastning 2 Belastning 1 Efterpackning Post Compaction Antal Number belastningar/överfarter of loadings/passes Axiell töjning [microstrain] Analys av deformationer i obundna lager Jan Hansson Doktorandprojektet behandlar permanenta deformationstillväxten i vägkonstruktionens obundna material omedelbart efter att vägen tagits i bruk, det vill säga efterpackningen. En stor del av vägens livslängd kan förloras med hänsyn till spårdjup om efterpackningen blir för stor. Kan efterpackningens storlek uppskattas i fält i byggnationsskedet, finns möjligheten att förbättra konstruktionen om det är ekonomiskt lönsamt. I dagsläget finns ett flertal materialmodeller för beräkning av den permanenta deformationstillväxten i obundna vägbyggnadsmaterial. De flesta modellerna beaktar emellertid endast skedet efter efterpackningen. Hypotesen som används i detta doktorandprojekt är att de elastiska (resilienta) deformationsegenskaperna förändras på grund av efterpackningen. I fält kan de resilienta egenskaperna uppskattas med hjälp av tung fallvikt. Indata till doktorandprojektet kommer bland annat från accelererade spårbildningsförsök med hjälp av HVS (Heavy vehical simulator), som ägde rum sommaren 23.

5 Johan Funehag, Div. of GeoEngineering Grouting design based on penetration length The research aimed to find suitable design methods for sealing of rock in underground constructions. This involves understanding of the need to seal narrow fractures as well how different methods can be applied. The project is strongly connected to the industry via the financial support. The research within this project aims studying gelling liquids and especially silica sol. Silica sol behaves as a Newtonian fluid and models describing the penetration length has been developed. In Figure 1 a design window is shown based on the necessary penetration length, the grouting time (gel induction time of the silica sol) and grouting pressure. Imax, 2-D [m] 3 2,5 2 1,5 1 I required Design window 2 bar 15 bar 1 bar 5 bar Thanks to SBUF, KK- foundation, National road and railway administration, SKB, AB Besab, Swedpower and Eka Chemicals The grouting design is as simple as it is effective. It basis is that the fractures are seen as discrete features (DFN). By drilling boreholes through as many fractures as possible the fractures can be sealed by means of grouting. Knowing the minimum aperture necessary to be sealed to cope with the stipulations the design of grouting can be done for this fracture; consequently the larger fractures will be also sealed. The design is in summary: 1) Decide the minimum aperture to be sealed, 2) Decide grouting pressure and grouting time, 3) Calculate the penetration length in 2-D for the minimum fracture aperture 4) Calculate the borehole distance, giving an overlap of some 5% of the penetration length. Fractures of varying lengths and apertures Tunnel, Gel induction time, t G [min] 5 bar 1 bar 15 bar 2 bar 2 grouting boreholes I I L Penetration lengths, I derived for an aperture of 14 μm shown for grouting pressures and grouting time Required grout penetration, I Conceptual model for design of grouting

6 Torrdensitet (t/m3) M1 M2 N1 Ev 2 (MPa) q (kpa) Plastisk zon Elastisk zon Fuktkvot (%) 5% 7% 9% 11% 13% 15% Fuktkvot (%) p (kpa) Morän i vägen Utnyttjande av finkorniga material inom vägbyggnad för minskade kostnader och förbättrad naturhushållning. Den årliga användningen av ballastmaterial uppgår till ca 6-8 ton per person och år i de industrialiserade länderna. I Sverige används hälften av ballasten för vägbyggnads ändamål. Det befintliga vägnätet är i stor utsträckning uppbyggt av bergkross och naturgrus. Ett ökat användande av material som morän i linjen minskar inte enbart transport och massförflyttning utan leder även till reducerad deponerings kostnad av outnyttjat material. Den totala kostnaden för transport och massförflyttning utgör 35-7 % av den total kostnaden i ett vägprojekt. Mer än 75% av Sveriges yta täcks av morän och trots denna utbredning används materialet i försumbar omfattning inom vägbyggnad. Förklaringen till detta är materialets variation i kornsammansättning, vilket leder till svårighet vid prediktering av materialets mekaniska egenskaper. Detta projekt syftar till att fastställa blandkorniga moräners vägtekniska egenskaper, samt vilka förutsättningar som måste vara uppfyllda för att materialet skall fungera tillfredställande i en vägkonstruktion. Inom projektet utförs utvärdering av materialens packnings-, bärighets-, hållfasthets- och permanentdeformationsegenskaper och hur dessa egenskaper påverkas av fuktvariation. Utöver detta görs en långtidsmätning på fuktvariation i en vägkonstruktion.

7 Effektiv spricköppning för en spricka som skall injekteras Gunnar Gustafson Forskargrupp Geologi bedriver forskning kring 6 4 injektering. En viktig fråga är vilken effektiv 2 öppning en spricka har för en cementsuspension Finns det en väg genom rastret? Sannolikhet att det finns en förbindelse mellan två noder är p. Sannolikhet för att det finns en förbindelse genom hela rastret är P. Perkolationsteorin säger p < p c medför P =, p > p c medför P = 1 Kvadratisk nät ger p c =,5 allmänt p c. w 2 w är koordinationstalet, dvs. antalet vägar från nodpunkterna Man kan alltid bygga ett samband mellan sprickans öppna delar (b > b eff ) genom triangulering Dvs. w = 3, p c,67 bcrit d 95 Sambandet mellan brukets kornstorlek och spaltvidden cement mixtures inert mixtures bcrit=3*d95 p(bi<b) 1,8,6,4,2 1 - pc =,33 b Lognormal distribution d 95 b > 3 d 95 bc= Aperture b(my) p(b<b c ) =,33 ger: ln b eff = μ lnb -,43σ lnb b eff = 161 μm Empiriska data säger b eff b h = (12μT/ρg) 1/3 T = 1,2E-5 m 2 /s vilket ger b h = 245 μm I alla händelser är sprickan injekterbar!

8 Estimation of thermal conductivity in igneous rocks from in situ density logging Jan Sundberg (1), Pär-Erik Back (1, 2), Lars O. Ericsson (2), John Wrafter (1) (1) Geo Innova AB, Teknikringen 1c, SE Linköping, Sweden (2) Dep. of Civil and Environmental Engineering, Chalmers University of Technology, SE Göteborg, Sweden Background Characterisation of thermal conductivity of rock and its spatial variability by laboratory measurements is costly and time-consuming. There is an incentive to find more cost-efficient and rapid methods (Sundberg J et al., 27). It is logical to assume that the thermal conductivity of a crystalline rock depends largely on: 1) mineral composition, 2) density and 3) the thermal conductivity of the minerals. Mineral composition of igneous rocks The temperature-dependent order of crystallisation according to Bowen's reaction series offers guidance in describing a composition for typical igneous rock types, (figure modified from Tarbuck E, et al., 25). The figure to the right (QAP modal) shows an example with a number of rock analyses of Ävrö granite and diorite-gabbro from surveys conducted at Simpevarp and Laxemar, Oskarshamn. The Ävrö granite has a wide range in mineralogical composition, ranging from granite (sensu stricto) to quartzdiorite. Chart 1 Density and thermal conductivity of minerals The average density of rock types in the earth's crust is 2,85 kg/m 3 (although the average density of the globe is almost twice this figure). The density of a rock depends on the density of the minerals in the rock. The density of a mineral depends on its chemical composition and crystalline structure. Most common rock-forming minerals have a density of between 2, and 3, kg/m 3. Igneous rock type densities are roughly: granite 2,67 kg/m 3, diorite 2,84 kg/m 3, gabbro 2,98 kg/m and peridotite 3,23 kg/m 3. Quartz has the highest thermal conductivity (7,69 W/(m,K)) of the common rock-forming minerals. For some minerals, thermal conductivity varies with chemical composition. Alteration of minerals may change their thermal conductivity. Common values are found in the interval 2-3,8 W/(m,K). Fig 2 Composition Rock types Percent per volume Quartz Potassium feldspar Muscovite Felsic (Granitic) Biotite Intermediate (Andesitic) Amphibole Plagioclase feldspar Mafic (Basaltic) Pyroxene Ultramafic Granite/Rhyolite Diorite/Andesite Gabbro/Basalt Peridotite/Komatiite Increasing density Increasing silica, potassium and sodium Olivine Fig 1 Thermal conductivity vs density of igneous rock types, principal relationship A relationship between density and thermal conductivity has been investigated on the basis of the mineral compositions of common igneous rocks, Fig 3.. The mineral composition of each synthetic sample was taken from Fig. 1., (Rock thermal conductivity as geometric mean of the thermal conductivity of the constituent Increasing iron, magnesium and calcium 1.5 minerals; Density as arithmetic mean Increasing temperature at which melting begins Density [kg/m³] of the mineral densities). Thermal conductivity [W/m K)] Felsic Intermediate Mafic Ultramafic Fixed mineral properties Adjusted mineral properties Model Laxemar 1.2 Model Laxemar 2.1 Fig 3

9 Estimation of thermal conductivity in igneous rocks from in situ density logging, cont.. Empirical relationship - density vs thermal conductivity Equations for an emperical relationship between density and measured (TPS) thermal conductivity for Ävrö granite (see Fig 2.) have been presented in different reports (e.g. Sundberg et al, 26; Wrafter et al, 26). The relationship varies slightly (diff. models) due to the somewhat different data sets used in the reports, (see Fig. 4). An unambiguous relationship between thermal conductivity and density is also apparent for diorite-gabbro, see Fig. 4, but in contrast to Ävrö granite, thermal conductivity of diorite-gabbro increases with increasing density. The empirical relationships thus correspond to the general and principal trends in Fig. 3. Thermal conductivity, W/(m K) Density, kg/m³ Fig 4 Ävrö granite - Laxemar subarea diorite/gabbro - Laxemar subarea Model Laxemar 1.2 Model Laxemar 2.1 Estimation of thermal conductivity and variability from density loggings When the relationship between density and thermal conductivity is applied to density loggings (gamma- gamma logging) in deep boreholes the distribution of thermal conductivity within the boreholes can be illustrated by investigation data, see Fig. 5. For the purposes of modelling thermal conductivity from density loggings, it is assumed that the established relationship is valid within the density interval kg/m³, i.e felsic and partly intermediate rock types. Conclusions Based on idealised mineral compositions a general relationship between density and thermal conductivity for rock types could be demonstrated. Trends in the general relationship have been verified from laboratory testing on core samples. The relationship between density and thermal conductivity can be used to estimate thermal conductivity from geophysical logging (density), as well as spatial variability within rock types. Thermal conductivity from density logging Borehole length, m ROCK NAME Lithology Ävrö granite Fine-grained granite Pegmatite Diorite/Gabbro Thermal cond., W/m K 2. Fig 5 Chart KLX4 3.5 Fine-grained diorite-gabbro Fine-grained dioritoid Quartz monzodiorite Granite References: Sundberg J, Wrafter J, Back P-E, Ländell M, 26. Thermal modelling, Preliminary site description Laxemar subareas version 1.2. R-6-13, Svensk Kärnbränslehantering AB. Sundberg J, Back P-E, Ericsson L O, Wrafter J, 27. A method for estimation of thermal conductivity and its spatial variability in igneous rocks from in situ density logging. (Submitted to International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Elsevier) Tarbuck E, Lutgens F, 25. Earth: introduction to physical geology. 8th ed. Pearson Higher Education, Upper Saddle River, NJ. Wrafter J, Sundberg J, Ländell M, Back P-E, 26. Thermal modelling, Preliminary site description Laxemar subareas version 2.1., Svensk Kärnbränslehantering AB, under preparation.

10 Miriam Zetterlund Institutionen för Bygg- och Miljöteknik Avdelningen för Geologi och Geoteknik Karakterisering av berg Tillförlitligheten i gjorda undersökningar Den nya Europanormen för geokonstruktioner, EN , skall vara i full tillämpning i Sverige 21. Denna norm ger möjligheten att basera design av berganläggningar på Observationsmetoden (Peck, 1969). Metoden är kortfattat beskriven i normhandlingen och en tillämpning fullt ut kräver utveckling av både metodens teoretiska grund och dess tillämpningar i projektering och byggande. Projektets syfte är att ange tillförlitligheten i och värdet av gjorda undersökningar, före och under byggtid, för egenskaper som behöver fastställas och utnyttjas för design av anläggningen under alla skeden vid en tillämpning av Observationsmetoden. Projektet avser att: Skapa en grund för bergbeskrivning för praktisk tillämpning av Observationsmetoden Visa hur en bergbeskrivning baserad på en sannolikhetsbaserad modellering kan byggas upp Visa hur man från denna grund kan värdera data information för att styra design och utförande och därefter kontrollera utförandet. Projektet finansieras av SveBeFo och ingår som en del i deras arbete att utröna hur observationsmetoden ska implementeras i svenskt bergbyggande. Ytterligare två doktorandprojekt, varav ett vid KTH och ett vid LTU, har initierats för att undersöka beräkningsmodellernas giltighet och bergmassans deformation i samband med att observationsmetoden används.

11 Krav på hållfasthet för injekteringsmedel, Magnus Axelsson Vilka krav bör man ställa på hållfastheten för injekteringsmedel? Den största risken för mekanisk påverkan på ett injekteringsmedel är innan hållfasthetstillväxten startat. Det finns då risk för erosion från grundvattnet. Detta innebär att såväl injekteringsmedels hållfasthetsutveckling som grundvattnets krafter måste kartläggas. Injekteringsmedel Hur ser hållfasthetstillväxten ut? Detta har studerats framför allt för det nya icke-cementbaserade injekteringsmedlet, silica sol. Jämfört med traditionell cement har silica sol en snabbare och mer styrbar härdningstid. Dock krymper silica sol om det inte lagras under vatten. Hur ska man mäta hållfastheten? Det är enbart en materialparameter som styr den maximala inträngningen för ett cementbaserat injekteringsmedel, materialets skjuvgräns. I projektet har en robust fältmetod för att bestämma skjuvgränsen utvecklats. Med hjälp av denna kan såväl maximal inträngning som skjuvhållfasthet mätas i fält. Experiment har även utförts med låga respektive höga vct. Resultaten visar att det är olika stoppmekanismer som styr. Vid låga vct sker stopp vid jämvikt mellan injekteringstryck och skjuvspänning medan vid höga vct tränger cementkornen in mer enskilt och stopprocessen kan liknas vid en flitreringsprocess. Grundvatten Laboratorietester har utförts med injektering i strömmande vatten i ett rör. Resultaten visar att den viktigaste parametern är turbulens i vattenflödet. Då turbulens uppkommer ökar erosionen markant. Parametrar att styra vid injektering för att undvika hållfasthetsproblem: Skjuvhållfastheten (vct och/eller härdningstid) Injekteringsflöde Injekteringstryck Injekteringstid.