ANALYS ÖVER INLÄCKAGE AV GRUNDVATTEN TILL FÖRBIFART STOCKHOLM FÖR DELTUNNEL UNDER LOVÖ

Transkript

1 ANALYS ÖVER INLÄCKAGE AV GRUNDVATTEN TILL FÖRBIFART STOCKHOLM FÖR DELTUNNEL UNDER LOVÖ David Barkels Alejandra Silva Parra Maj 2010 LWR-KAND-EX-2010:06

2 David Barkels, Alejandra Silva Parra TRITA LWR Kandidatarbete 2010:06

3 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön David Barkels, Alejandra Silva Parra 2010 Kandidatarbete Mark- och Vattenteknik Kungliga Tekniska Högskolan SE STOCKHOLM, Sweden iii

4 David Barkels, Alejandra Silva Parra TRITA LWR Kandidatarbete 2010:06 1. TILLKÄNNAGIVANDEN Vi vill tacka Bosse Olofsson för alla värdefulla råd och uppmuntran under arbetets gång. Vår handledare Hans Bergh för bra vägledning och uppmuntran. Ulla Mörtberg för all hjälp med ArcMap. David Gustafsson för sitt stöd med programmet MatLab. Roger Thunvik för värdefull hjälp med COMSOL. Joanne Fernlund för hjälp med formateringen av arbetet. Gunno Renman för organiseringen av föreläsningar, gästbesök och arbetsgången. Och sist men inte minst ett stort tack till våra nära och kära som har stått ut med alla långa dagar och sena kvällar!

5 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön 2. ABSTRACT Stockholm infrastructure today does not have sufficient capacity to cope with the demands placed on it. Long queues and poor connections are what motorists and commuters expect when they are going out on the roads. The Government is therefore making major infrastructure investments over the next few decades. Transport Administration has long planned to build a bypass around Stockholm that will bind together the southern and northern parts of Stockholm. Transport workers will be able to go past Stockholm without having to pass through inner parts of the city, which is currently the case. On 3 September 2009 the government announced Förbifart Stockholm granted permissibility. The planned route is 21 km long, of which 17 km is located in the tunnel. This means that it is Scandinavia's longest tunnel. Very large parts of the tunnel route are located deep, the average depth is according to the project manager, Kjell Windehed, 60 meters. This places high demands on the design, so that the water flows to the tunnel reaches allowed water leakage levels. Part of the tunnel is located under the World Heritage Lovö which also is a nature reserve and a national interest for cultural environment. A lowering of the groundwater level can be devastating to the fragile natural and cultural environment. Therefore we have chosen to study the water flows into the tunnel and if the groundwater recharge will compensate for the losses. To achieve this we will use both analytical and empirical methods to determine the hydraulic properties of the rock. Such as; the hydraulic conductivity, the kinematic porosity and the fracture patterns. v

6 David Barkels, Alejandra Silva Parra TRITA LWR Kandidatarbete 2010:06 3. INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1. Tillkännagivanden... iv 2. Abstract... v 4. Abstrakt Nyckelord Sammanfattning Inledning Syfte Frågeställning Geologiska förhållanden - bakgrund Berggrunden Jordarter Grundvatten Betydelsen av grundvatten Naturliga grundvattenfluktuationer Effekter av grundvattennivåsänkning Undersökningsmetoder för sprickor Beräkningsmetodik Tillrinningsområdet Marktäcket Den hydrauliska konduktiviteten Göran Bergmans infiltrationsförsök Utvärdering av den hydrauliska konduktiviteten från SGU:s brunnsregister Utvärdering av den hydrauliska konduktiviteten genom arbete i fält Metoder för beräkning av grundvattenbildning Metod Metod Förbifart Stockholm Inläckage till tunnlar Inläckage från sprickzon Påverkansområde Injektering och tätningsteori Metod för beräkning av grundvattensänkning Metod för beräkning av sättningar Fältundersökning på Lovö Sprickkartering Område Område Område Område

7 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Bearbetning av sprickkarteringsdata i Joint for Windows RESULTAT Grundvattenbildning Infiltrationskoefficienterna Den hydrauliska konduktiviteten Utvärderat från SGUs brunnsregister Utvärderat från Göran Bergmans infiltrationsförsök Utvärderat från sprickkarteringen Storleken på grundvattnets infiltration till berget Grundvattensänkningen Sättningarna Sättningar över ett år Sättningar över 20 år Inläckage vid olika bergstätheter då injekteringsradien varieras Inläckage mot injekteringsradien då injekteringsmaterialets tähet är 0.5* espektive Porositet, kinematisk porositet Område Område Område Område Lovö Det primära inläckaget Resultat av inläckage till tunnel Resultat av påverkansområdet Resultat från Groundwater Balance Slutsatser Injektering Von Brömssen Den hydrauliska konduktiviteten Inläckage till tunnel Sprickor Källor... Error! Bookmark not defined. 13. Bilagor Bilaga Bilaga Bilaga Bilaga Bilaga Bilaga vii

8 David Barkels, Alejandra Silva Parra TRITA LWR Kandidatarbete 2010: Bilaga Joint for Windows Område Område Område Område Alla områden illustreras tillsammans grafiskt Bilaga: Sprickrosor och bergkvalitetskartan Bilaga:Beräkningar Areor av jord- och berglager Porositet, kinematisk porositet Område Den hydrauliska konduktiviteten Göran Bergman, Utvärderat från SGUs brunnsregister Utvärderat från sprickkartering Matlab Von Brömssen Den hydrauliska konduktiviteten och injekteringsmaterialets mäktighet samt inläckaget till tunneln med kontinuumekvationen Infiltration till berget, grundvattensänkningar och sättningar Det primära inläckaget i tunneln Inläckage från ovanliggande lerlager Beräkning av inläckage till tunneln Inläckage från homogent berg Inläckage från sprickzoner Tätningens svårighetsgrad Påverkansområde Analytisk beräkning Groundwater balance... 71

9

10 4. ABSTRAKT 5. NYCKELORD Stockholms infrastrukturnät har idag inte tillräckligt hög kapacitet för att klara de krav som ställs på det. Långa köer och dåliga förbindelser karaktäriserar trafiken. Därför kommer regeringen göra stora infrastruktursatsningar de närmsta årtiondena. Trafikverket har sedan länge planer på att bygga en förbifart runt Stockholm som ska binda ihop de södra och norra delarna av Stockholmsregionen. Yrkesverksam trafik ska kunna åka förbi Stockholm utan att behöva passera innerstaden vilket idag är fallet. Den 3 september 2009 gav regeringen Förbifart Stockholm tillåtlighet. Den planerade sträckningen är 21 km lång varav 17 km är förlagd i tunnel. Det innebär att det är Skandinaviens längsta tunnel. Under väldigt stora delar av sträckan är tunneln förlagd djupt ner i berg. Medeldjupet är enligt projektledare, Kjell Windehed, 60 meter. Detta ställer höga krav på konstruktionen så att inte för höga vattenflöden skall ske till tunneln. En del av tunneln är förlagd under Världsarvet Lovö som dessutom är ett Naturreservat och ett Riksintresse för Kulturmiljö. En allför stor sänkning av grundvattenytan där kan vara förödande för den känsliga natur- och kulturmiljön. Vi har därför valt att med hjälp av analytiska och empiriska metoder undersöka vattenflödena till tunneln. Även grundvattenbildningen undersöks för att få svar på om denne kan kompensera för förlusterna. Hydraulisk konduktivitet, Porositet, Kinematisk porositet, Sekundär porositet, Grundvattennivå, Sprickor i berg, Inläckage till tunnlar, Infiltration

11 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön 6. SAMMANFATTNING 17 km av Förbifart Stockholms 23 km långa vägsträckning kommer vara förlagd i 60 m djup tunnel(medeldjupet). Strax över tre av dessa går under Lovön som är viktig ur ett flertal aspekter i ett regionalt och nationellt perspektiv. Då tunnlar fungerar som horisontella dräneringsrör om de inte tätas ordentligt så finns det naturligtvis risk för försämrade grundvatten- och byggnadstekniska förhållanden längs sträckan. Vi har analyserat uttag och infiltration av grundvatten på Lovön och kommit fram till att det finns en risk att uttagen kommer bli större än infiltrationen om Förbifarten inte tätas ordentligt. Två metoder har använts för att beräkna infiltrationen; vattenbalansekvationen (där nederbörd minus avdunstning antas utgöra grundvattenbildningen) och av infiltrationskonstanter för respektive jordart. Infiltrationskonstanterna har vi själva beräknat genom att matematiskt analysera Von Brömssens doktorsavhandling från 1968 vid namn Grundvattenbildning i geologiskt olika terrängavsnitt, försök till bestämning av infiltrationskoefficienter. Med hjälp av programmet ArcMap har areor av Förbifartens tillrinningsområde samt dess jord- och bergarter beräknats med kartalgebra. Något som är fundamentalt när det gäller att beräkna en tunnels dränerande effekt är den hydrauliska konduktiviteten. D.v.s. bergets vattenledande förmåga vilken är väldigt svår att förutsäga eftersom det flödar genom till synes helt slumpmässiga sprickor som bildats p.g.a. spänningar och rörelser i manteln. Vi har gjort ett försök att bestämma ett spann inom vilken konduktiviteten ligger inom. Worst Case och Best Case scenario. Vi har använt oss av SGU:s brunnsregister, fältundersökningar (bestående av sprickkartering) och matematisk bearbetning av dessa samt Göran Bergmans licentiatavhandling Bestämning av infiltrationskoefficienter för bergytor och perkolationsbanor i jordlager från Självklart har vi även brukat SGU:s framtagna regionalvärden för den hydrauliska konduktiviteten och lagt störst vikt vid den i våra räkneexempel då den får räknas som det mest exakta närmevärdet. De metoder som använts vid beräkning av inflödet till tunneln är Stilles och Erikssons kontinuum- och diskreta modell. Eftersom tryckgradienten(djupet till tunneln) är så hög kommer det innebära stora svårigheter att täta tunneln tillräckligt vilket båda metoderna har visat. Påverkansområdet kommer variera över årstiderna beroende av nederbörden. Det kommer dock sträcka sig mellan ett par hundra meter och ett par kilometer beroende av graden av sprickighet i bergrunden. Inläckaget av vatten kommer leda till en grundvattensänkning som varierar med storleken på grundvattenmagasinet. I en stor akvifer kommer grundvattenytan eventuellt endast sänkas ett par decimeter. I en liten kan den sänkas flera meter. Då vatten dräneras ur framförallt finkorniga jordarter som leror sker sättningar då jorden krymper. Även dessa sättningar kommer vara störst i leror som utgör små grundvattenmagasin och vice versa. Sättningarna kommer variera från ett fåtal centimeter till storleken ett par decimeter. Där sättningarna befaras överstiga en decimeter och bebyggelse finns i området rekommenderas återinfiltration av grundvatten för att undvika skador och påverkan på närmiljön. Även stora ekonomiska kostnader p.g.a. förstörd egendom kan förhindras. Just på Lovön bör tunneldrivningen bedrivas med stor försiktighet eftersom det är ett riksintresse för kulturmiljö, Natura 2000 område och ett världsarv enligt UNESCO. 7. INLEDNING Stockholm har en stjärnformad bebyggelse där alla motorfordon som passerar över Saltsjö-Mälarsnittet via E4/E20 måste passera den så kallade getingmidjan vilket leder till trafikstockning. Både privatpersoner och yrkesverksamma får svårt att hålla tider. Sedan E4/E20 öppnades för användning 1967 har invånarna i länet ökat med ca

12 David Barkels, Alejandra Silva Parra TRITA LWR Kandidatarbete 2010: Syfte men infrastrukturen har inte byggts ut för att möta de ökade krav en större befolkning ställer på framkomligheten. Trafikverkets förstudie visade att kapaciteten över Saltsjö- Mälarsnittet behöver ökas för att möta transportbehovet. E4/E20 är den mest trafikerade vägen i landet och trafikeras varje dygn av ett årsmedelgenomsnitt av ca fordon. Med årsmedelgenomsnitt menas antal passerande fordon per år dividerat med antalet dagar på ett år. Enligt Trafik- och Regionplanekontoret förväntas befolkningsmängden i Stockholms län öka med personer till 2030 och trafiknätet måste därför byggas ut för att möta detta behov. Planer på en förbifart som underlättar och sammanbinder trafiken mellan södra och norra Stockholm har sedan länge varit aktuella. Vi har valt att begränsa vårt arbete till att endast hantera den del av Förbifart Stockholm som passerar via och under Lovö. Det är en delsträcka som är intressant ur framför allt två perspektiv. Det ena är att sträckan tangerar buffertzonen för världsarvet Drottningholms slott med omnejd som 1991 togs upp på FN/UNESCOs världsarvlista. Det andra skälet att Ekeby hage på Lovö, som ligger inom det område där Trafikverket bedömer att grundvattennivån kommer påverkas, är ett Natura 2000 område. Syftet med arbetet är att analysera inläckagen till deltunneln under Lovön samt att utröna hur dess tillgångar till rent grundvatten kommer påverkas av Förbifart Stockholm. Vi kommer försöka analysera de direkta och långsiktiga effekterna på grundvattennivån med analytiska metoder. Dessutom kommer vi undersöka hur pass tät tunneln måste göras för att klara de riktlinjer på inläckage till tunnlar Trafikverket har Frågeställning Hur stort kommer dräneringen av grundvatten till tunneln bli? Vilken hydraulisk konduktivitet har bergrunden på Lovö? Hur stor är grundvattenbildningen i området? Hur stort blir påverkansområdet? Hur mycket kommer grundvattenytan sänkas? Vilka ungefärliga sättningar kan förväntas av denna sänkning?

13 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön 8. GEOLOGISKA FÖRHÅLLANDEN - BAKGRUND 8.1. Berggrunden Stockholmsområdet domineras av äldre intrusivbergarter som granit och sedimentär gnejsgranit. Till skillnad från många andra länder har Sverige till största del en berggrund av kristallina bergarter. Dessa hårda bergarter har många bra mekaniska egenskaper och är därför i praktiken ett bra material att bygga i. Kristallina bergarter kan praktiskt taget anses vara vattentäta, däremot är det vanligt med sprickor och det är här vatten förekommer i berget. Dessa goda byggnadsgeologiska förutsättningar har gjort att inget annat land i världen har byggt så många tunnlar och bergrum i hårt berg som Sverige (Knutsson, Morfeldt, 2002). Området präglas av kraftiga veckningar vilket tydligt syns på kartor och satellitfoton. Den kraftiga veckningen har bidragit till det karaktäristiska utseendet med många öar och stora sprickzoner. Veckningen blir ännu tydligare när man studerar bergartskartor. I och med veckningen präglas landskapet av områden som varierar vad gäller bergarter. Ur tunnelsynpunkt kan detta skapa stora osäkerheter då olika bergarter har olika egenskaper. Då sprickor är de geologiska bildningar där vatten rör sig i berg, är det speciellt viktigt att kartlägga sprickor vid undermarksbyggande(bergman, 1977). Att ha full kunskap om ett områdes sprickor är idag i princip omöjligt då berget för det mesta är heterogent och anisotropt. Sprickigheten respektive flödespreferensen kan därför vara helt annorlunda i två punkter med bara ett kort avstånd från varandra. Vid strömning i material brukar man tala om hydraulisk konduktivitet. Detta är ett mått som anger hur stort flöde som sker genom en ytenhet vid den hydrauliska gradienten lika med 1, och är ett uttryck för ett materials genomsläpplighet. Denna varierar stort och är olika för de flesta material. I detta arbete talar vi om jordars och bergs hydrauliska konduktivitet. De viktigaste faktorerna som bestämmer storleken på hydrauliska konduktiviteten i jordar är kornstorlek och kornstorleksfördelning. Jordar med stor kornstorlek tenderar att ha större porer och därmed större hydraulisk konduktivitet. Kornstorleksfördelningens betydelse påverkar huruvida jorden kan packas och därmed minska sin porositet eller ej. Den hydrauliska konduktiviteten beror dock inte endast på de totala hålrummen i en jordmassa, den viktigaste faktorn är porernas samspel och hur de är kopplade till varandra. Den hydrauliska konduktiviteten beror endast på den del av porerna som är sammankopplade och där vatten kan flöda genom. Denna porositet kallas hydraulisk eller kinematisk porositet. Porositet hos material brukar delas in i primär och sekundär porositet. Den primära porositeten är de hålrum som bildas när berget stelnar. Berg är ett väldigt kompakt material där den primära porositeten har en väldigt liten betydelse. Den dimensionerande porositeten i det aktuella kristallina berget utgörs istället av sekundär porositet vilket motsvaras av sprickor. Sprickor uppkommer genom verkan av spänningar i berget, dessa skapade av de tektoniska rörelserna i jordskorpan. Då dessa spänningar och rörelser är så komplexa är det mycket svårare att veta hur den hydrauliska konduktiviteten i berg är i jämförelse med jord. Dock gäller samma villkor här; konduktiviteten bestäms av de porer som är sammankopplade och där vatten kan flöda genom. En annan betydelsefull parameter vid uppskattning av flödet genom berg är den så kallade sprickfrekvensen. Detta är ett mått som anger antalet sprickor, vanligtvis som ett medelvärde med enhet sprickor per meter (Eriksson, Stille, 2005). 5

14 David Barkels, Alejandra Silva Parra TRITA LWR Kandidatarbete 2010: Jordarter Jordlagerföljden är en betydande faktor när man talar om grundvatten och hur vatten flödar i marken. Framför allt bestämmer jordlagrens infiltrationskapacitet av vatten och perkolationen (processen då vattnet rör sig ner mot grundvattnet) genom dessa, ett områdes förmåga att bilda grundvatten. D.v.s. Vid täckt berggrund har förekomsten av genomsläppliga jordar den största betydelsen för hur mycket vatten som kan infiltreras till berggrunden. Jordarter med stor genomsläpplighet är sand- och grusavlagringar, medan jordarter med liten kornstorlek, som lera och silt, har låg genomsläpplighet. Dessa jordarter har med hjälp av adsorption möjlighet att starkt binda vattnet i jordkroppen och kan därmed fungera som en akviklud (ett ogenomträngligt material som begränsar ett grundvattenmagasin uppåt). Den hydrauliska konduktiviteten hos lera varierar mellan 1*10-8 till 1*10-10 (m/s). Vilket kan motsvaras med kristallina bergarter som beroende av sprickfrekvens varierar mellan 1*10-4 och 1*10-10 m/s (Knutsson, Morfeldt, 2002) Grundvatten Betydelsen av grundvatten Grundvatten har en stor betydelse för ett områdes flora, men spelar även en stor roll i en jords egenskaper. I humida områden som Sverige, då nederbörden är större än avdunstningen, befinner sig grundvattennivån relativt nära markytan. Grundvattenytans nivå beror inte bara av de humida förutsättningarna utan även vilken typ av jord som finns i området. Grundvattennivåns påverkan på växtligheten i ett område beror på den omättade markens egenskaper. Viktiga egenskaper som spelar roll är markens bindningstryck, vilket påverkar fältkapacitet och vissningsgräns. Figur 1 visar olika jordarters karaktäristiska pfkurvor, dessa kurvor visar sambandet mellan bindningstryck och vattenhalt. Med fältkapacitet menas ett pf-värde på 2.0 och vissningsgränsen har ett värde på 4.2, det är mellan dessa två som det växttillgängliga vattnet i jorden finns. Skillnaderna mellan olika jordar är som synes stor, vilket beror på de olika jordarnas kornstorlek och kornstorleksfördelning. Sand är en jordart som relateras till att ha egenskaper som bra akvifer. När man tolkar sandens pf-kurva visar den dock att en vattenhaltsminskning på bara 3%, från 5% till 2%, ger en mycket stor ändring i bindningstryck, från mindre än 1 meter vattenpelare (mvp) till över 100 mvp. Vid jämförelse med morän kan vattenhalten ändras med ca 30 % innan man får en lika dramatisk ökning av vattenbindningstrycket. Resultatet är att olika jordar reagerar på olika sätt vid minskning av vattenhalt. Växternas förmåga att klara stora grundvattenfluktationer är även en betydande faktor på hur växter reagera vid ändringar. En viss typ av växtlighet kan vara väldigt känsliga medan andra kan tåla stora dramatiska nivåändringar. Det har även betydelse om området tidigare haft större nivåändringar, då det är lättare för växter att snabbt anpassa sig. (Florgård et al, 2000) En annan viktig omständighet att beakta är att det är mycket vanligt att det finns flera akviferer ovanför varandra i jorden eller berget. Detta leder till att det kan vara viktigt att veta hur jordlagren ser ut för att kunna veta hur in- och utflöde av vatten påverkar magasinet och grundvattennivån (Florgård et al, 2000). Som exempel ges två typer av jordlager. Figur 2 visar fall 1, då vi har ett enkelt lager med sand. I detta fall finns en direkt koppling mellan uttag och grundvattensänkning, ett större uttag kommer genast märkas. Fall 2 där det finns en mer komplex lagerindelning med två grundvattennivåer, kommer effekterna av ett större uttag från det underliggande sandlagret inte direkt att märkas i den ytligare grundvattennivån. Det täta lerlagret påverkas inte direkt av underliggande tryckändring. Vid en längre tid med sänkt nivå i sandlagret, kommer

15 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön lerans högre porvattentryck vilja jämna ut sig. Detta leder till en långsam dränering av lerans vatten och kan därmed orsaka en grundvattensänkning även i den ytliga grundvattennivån. Figur 1. (Till vänster) pf-kurva för olika jordarter. Figur 2. (ovan) Två fall av jordlager och verkan mellan uttag och grundvattensänkning Naturliga grundvattenfluktuationer Naturliga förändringar i grundvattennivån sker hela tiden. Störst skillnad märks vid jämförelser mellan olika tider på året vilket beror på temperaturer och mängden nederbörd. De viktigaste faktorerna som påverkar storleken på fluktuationerna är hur genomsläpplig jordarten är, den omättade markens mäktighet och fukttillstånd och storleken på vattenmagasinet Ett stort magasin ger en liten ändring av grundvattenytans nivå eftersom då eventuella förändringar är små i jämförelse med magasinets totala volym(knutsson, Morfeldt, 2002). I exempelvis stora rullstensåsar kan stora vattenuttag göras utan att påverka grundvattennivån, detta kan ske eftersom vattenflödet genom åsen är så stort. Om uttagen nu är så stora att de märks, sker nivåändringen i princip direkt Effekter av grundvattennivåsänkning Effekter av en grundvattennivåsänkning har som tidigare sagts vara påverkan av växtligheten i det påverkade området. Andra effekter som sker är påverkan av jordens egenskaper, viktigaste ur byggandets synpunkt är hållfastheten av jorden. Vid en ändring av grundvattenytan ändras även porvattentrycket i marken. Då porvattentrycket höjs eller sänks, ändras även markens stabilitet. Det beror på att porvattentrycket kompenserar en del av lasten i finkorniga jordar som leror. Då vattnet dräneras bort minskar lerans volym och marken sjunker ihop. Effekter från detta är normalt att sättningar bildas i befintliga anläggningar och byggnader. Dessa sättningar är proportionella mot grundvattennivåförändringen. En grundvattenhöjning kan även orsaka stora skador. Tydligast är detta vid lera där en ökad vattenhalt kan åstadkomma hög instabilitet och orsaka lerskred. Ett stort problem inom byggindustrin är påverkan på grundläggningen av äldre byggnader som grundlagts med exempelvis träpålar. Dessa har utan problem bevarats i århundraden då de befinner sig i anaeroba förhållanden (utan kontakt med syre). När grundvattennivån sjunker och de exponeras för syre påbörjas dock nedbrytning av det organiska materialet. Även korta exponeringar där vattennivån snabbt återställts kan orsaka problem om man har otur, nedbrytningen pågår så länge syret den exponerats för 7

16 David Barkels, Alejandra Silva Parra TRITA LWR Kandidatarbete 2010:06 har förbrukas. Därför är det av stor vikt att övervaka nivåändringar och att snabbt åtgärda innan problem uppstår. Förruttning av träpålar leder till stora problem i stabiliteten av byggnader. Konsekvenser av detta är skadade stommar, brott på ledningar, sprickor i väggar och fasad samt i värsta fall ras. En annan negativ effekt är då flödet till brunnar som befinner sig i det påverkade området minskar. Kraftiga sänkningar av grundvattennivån kan torrlägga brunnar och lämnar därmed människor utan tillgång till vatten. Grundvattensänkning orsakar även förändringar i vattenkemin och vattenkvalitet i befintliga brunnar kan försämras. Till exempel genom järnutfällningar i vattnet då järnet i jorden utsätts för syre och rostar (Knutsson, Morfeldt, 2002) Undersökningsmetoder för sprickor Det finns flera sätt att upptäcka sprickor och framför allt sprickzoner, vilka orsakar störst problem vid byggande. Ett av de enklaste sätten att skapa sig en bild av ett bergs sprickighet är att via studier undersöka berget vid de platser där berget är blottat. Med stöd av en relativt enkel sprickkartering, då strykning, stupning, längd och bredd dokumenteras, kan man bland annat få information om sprickfrekvens, porositet och vattengenomsläpplighet. Andra relativt enkla sätt att upptäcka sprickor är att studera olika typer av kartor, exempelvis bergartskartor, höjdkartor och resitivitetskartor. När man studerar exempelvis en höjdkarta brukar man säga att högre partier i topografin består av bättre berg än de vid lägre nivåer (Knutsson, Morfeldt, 2002). Detta beror på att de svagare områdena av berget med tiden redan eroderats bort, med stor hjälp av inlandsisarna, och det som är kvar kan därför antas vara det tåligaste berget. Vid dalgångar kan man ana att de kan förekomma en zon med ett svagare berg, normalt sätt en sprickzon. En metod som används flitigt vid prospektering av vattenförande sprickor är VLFmetoden (Very Low Frequency). Denna elektromagnetiska metod använder lågfrekventa radiovågor som vid kontakt med ett ledande material ger upphov till sekundära magnetfält. På detta sätt kan man hitta vattenförande sprickor i berggrunden. Fördelen med denna metod är att den kan användas för att kartera sprickor på stora djup, radiovågorna kan tränga ner flera hundra meter. Undersökningen kan normalt sett göras relativt billigt vilket kan ha stor betydelse vid val av undersökningsmetod (SGU, 2010). En nackdel däremot är att den kan vara känslig och ge missvisande resultat om undersökningsområdet innehåller andra ledande kroppar som exempelvis elledningar. För att korrekt tolka resultaten krävs det därför kunskap om området och tillgång till kunnig personal. En annan noggrannare metod att undersöka bergets mekaniska och hydrauliska egenskaper, är att göra s.k. kärnborrningar. Det innebär att en del av berget tas upp ur sin miljö och undersöks tekniskt på laboratorium. Dessa undersökningar ger ett exakt värde för en specifik punkt och kan vara till stor hjälp för att få information om hydraulisk konduktivitet och huruvida sprickorna är fyllda av andra mineraler så som lera. Detta är något som kan vara svårt att förutspå på annat sätt, främst för sprickor i större djup. Nackdelen med denna typ av undersökning är att den är mycket kostsam och används därför främst vid kritiska områden.

17 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön 9. BERÄKNINGSMETODIK 9.1. Tillrinningsområdet Vi har genom att använda oss av GIS avgränsat ett tillrinningsområde till Förbifarten på Lovö, se figur 3. Kartor i ArcMapformat har erhållits av Ulla Mörtberg, forskarassistent på Institutionen för Miljöbedömning på KTH. Ett tillrinningsområde definieras av landskapets topografi i ett område. Vattnets kretslopp drivs av gravitationen och solenergin. Då temperaturen stiger, höjs vattnets viskositet, det vill säga att dess flödesegenskaper förbättras. Flödet i och på marken beror till allra största delen av gravitationen samt markens lutning. Vattnet söker sig till lägre nivåer i landskapet och flödet stannar inte av förrän det hejdas av en barriär i landskapet. För att definiera ett tillrinningsområde används därför med fördel storskaliga kartor där s.k. vattendelare identifieras. En vattendelare är t.ex. en åsrygg, ett berg eller en kulle. Längs de högsta punkterna dras en linje, vinkelrätt mot höjdkurvorna. Då nederbörden når denna linje rinner vattnet åt två håll, från varandra, längs normalen. Detta upprepas tills ett område slutits så att det har en klar hydraulisk gräns mot resten av landskapet(knutsson, Morfeldt, 2002) Marktäcket En digital karta över Lovös marktäcke har erhållits från Ulla Mörtberg och har bearbetats med ArcMap där vissa förenklingar har gjorts. Se bilaga 1. De olika moräntyperna har slagits ihop till en, lerorna till en, sandavlagringarna till en, grusavlagringarna till en, de yngre graniterna samt grönsten till en samt de organiska jordarterna till en. Arean av de olika jord- och bergarterna har räknats ut i ArcMap genom att multiplicera antalet pixlar med pixelstorleken(25m*25m). Med hjälp av jordarternas areor kan en beräkning på hur stor grundvattenbildning som sker i området göras. Denna beräknas på två sätt för att sedan ta ett medelvärde för att komma så nära som möjligt den verkliga grundvattenbildningen. Dessa två metoder redovisas längre fram i uppsatsen. 9

18 David Barkels, Alejandra Silva Parra TRITA LWR Kandidatarbete 2010:06 Figur 3. Förbifartens tillrinningsområde på Lovö

19 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön 9.3. Den hydrauliska konduktiviteten Göran Bergmans infiltrationsförsök Göran Bergman gjorde år 1972 infiltrationsförsök på bl.a. Lovö för att bestämma hur mycket av nederbörden som infiltreras i berg. Försöket gick till så att ett förhållandevis kalt berg med en diameter på ca 20 meter och en lutning på 1:3 valdes ut. Omkringliggande jordlager är väl markerade och jordlagerföljden är enligt Göran Bergman den normala. D.v.s. från botten; morän, lera och svallgrus. Berget vallades in med plastfilm som med hjälp av en plastmassa härdades ihop med berget. Plastfolien formades med träribbor så att det avrinnande vattnet samlades till avtappningsställen där uppmätning av de avrinnande vattenmängderna gjordes. Själva försöket gick till så att området bevattnades artificiellt med en sprinkler tills jämviktstillstånd inträdde. Ett jämviktstillstånd i detta fall råder när tillflödet och avrinningen båda är konstanta. Då kan infiltrationen i berget erhållas som I =Bevattningen Sprayförlust Evapotranspirationen Ytavrinningen. Sprayförlusten beräknades med hjälp av Frosts formel från 1963 där kända data så som relativ luftfuktighet, lufttemperatur, ångtryck, sprutans munstyckediameter, vattentrycket i sprutmunstycket och vindstyrkan beaktas. För att beräkna avdunstningen användes ett vattenfyllt kärl vars innehåll mättes kontinuerligt och på så sätt kunde avdunstningen per tidsenhet beräknas. Till sist beräknades infiltrationskoefficient för yngre granit och för gnejsgranit som ekv. 1: ekv. 1 Infiltrationskoefficienten, I, är dimensionslös och anges i procent av nederbörden. Eftersom Göran Bergman gjorde försöken på sprinklade ytor då sprickorna blivit mättade med vatten, bör värdet på infiltrationskoefficienten bli densamma som den hydrauliska konduktiviteten i berget eftersom det således är sprickornas genomsläpplighet som blir bestämmande för flödet i berget (Olofsson, 2010). Vi kommer därför använda oss av detta värde i våra beräkningar längre fram i uppsatsen Utvärdering av den hydrauliska konduktiviteten från SGU:s brunnsregister I SGUs brunnsarkiv finns information om ca brunnar och varje år tillkommer cirka brunnar. Det är information om brunnars tekniska utformning, djup, vattenkapacitet, grundvattennivå, geografiska läge, jorddjup m.m. Enligt lag måste alla brunnsborrare skicka in denna information, så som borrprotokoll och utredningar, sedan SGUs brunnsarkiv är offentligt och används bl.a. i samband med översiktsplanering, grundvattenprospektering, utformning av skyddsområden för vattentäkter, anläggning av deponier samt geologisk och hydrogeologisk verksamhet. (SGU, 2010) (Knutsson, Morfeldt, 2002). Vi ämnar använda oss av information om jorddjup, brunnsdiameter, 11

20 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR brunnsdjup, läge och uttagsmöjligheter för att bestämma den hydrologiska konduktiviteten för gnejs och granit på Lovö genom att göra antagandet att brunnens hydrauliska konduktivitet gäller för berget den ligger i. En förenklad formel kommer att användas för detta ändamål genom att dela vattenföringen med brunnens mantelarea i berget. Dock kommer vi att utesluta brunnar för hushållsändamål eftersom de oftast borrats i områden i berget som har rika vattenflöden som sprick- och krosszoner. Oftast slutar brunnsborraren borra när denne fått tillräckligt stora vattenflöden i brunnen. De ger därför ofta en skev bild av vattenföringen i berget. Däremot så tänker vi använda oss av energibrunnar eftersom de borras till ett visst djup utan hänsyn till vattenföringen eftersom en viss temperaturgradient måste uppnås (Olofsson, 2010) Utvärdering av den hydrauliska konduktiviteten genom arbete i fält En tredje metod att beräkna den hydrauliska konduktiviteten är att i fält skapa sig en tredimensionell bild av hur sprickorna genomskär berget. Detta kallas sprickkartering. För att kunna beräkna den hydrauliska konduktiviteten genom att utvärdera data från en sprickkartering måste tre parametrar bestämmas. Spricklängden per ytenhet, c. De rumsliga förhållandena analyseras och utgörs rent matematiskt av en konstant, α. Den uttrycker i hur många plan sprickorna går i berget och är vanligtvis betydligt lägre än 3. (Olofsson, 2010) Medelsprickbredden, b. ekv. 2 Den kinematiska porositeten Anders Carlsson och Tommy Olsson publicerade i år 1981 en rapport som heter Hydraulic Properties of Fractured Granitic Rock Mass at Forsmark, Sweden. Syftet med den är att undersöka hur olika hydrauliska parametrar som den hydrauliska konduktiviteten, sprickkonduktiviteten, porositeten, spricköppningar m.m. korrelerar sinsemellan. Forsmark ligger nedan högsta kusten linjen på östkusten av Sverige, knappt 12 mil norr om Lovö, se figur 4. Forsmarks bergrund består (precis som mestadels av Sveriges bergrund) av gnejs och granit. I undersökningsområdet är berget är till största del täckt av morän och lera. Det är ett flackt område som ligger mellan en och fem meter över havet.

21 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Pegmatit 13 % Grönstenar 5 % Gnejs Granit 82 % Grönstenar 1.6 % Gnejs-Granit 98.4 % Figur 4. Karta över berggrunden på Lovö och Forsmark. 13

22 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Enligt Carlsson och Olsson kan en grov uppskattning av den kinematiska porositeten göras med följande samband: ekv. 3. Bosse Olofsson har modifierat Carlsson och Ohlssons formel för att omfatta samtliga sprickor i ett område. ekv. 4 Vi har använt oss av ekvation fyra för att beräkna den kinematiska porositeten i vart och ett av de fyra områdena och sedan uppskattat den mängd vatten som kommer tömmas in i tunneln under själva tunneldrivningen. En okulär uppskattning av har gjorts genom att granska den stereografiska projektionen av strykningen och stupningen som gjorts i Joint för Windows. Dessa har stämts av med Bosse Olofsson för att uppnå bästa möjliga resultat Metoder för beräkning av grundvattenbildning Två metoder för beräkning av grundvattenbildningen i området Lovön har använts Metod 1 Ulf von Brömssen gjorde år 1968 ett försök att bestämma infiltrationskoefficienter för olika terrängsnitt i sin licentiatavhandling Grundvattenbildning i olika terrängavsnitt. Syftet med avhandlingen var att bestämma infiltrationskoefficienter för olika jordarter då nederbörden infiltreras i mark och berg. Med infiltrationskoefficient menas förhållandet mellan infiltrerad vattenmängd och fallen nederbörd i procent. Vid grundvattenprospektering är det viktigt att kunna beräkna den infiltrerade nederbörden i ett avrinningsområde. Vi har använt oss av von Brömssens resultat för olika likartade områden och med hjälp av arealdata över dessa områden ställt upp ekvationer för den totala infiltrerade nederbörden. Dessa ekvationer bildar en matris som är fullt lösbar med hjälp av Matlab.

23 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Efter att ha erhållit infiltrationskoefficienterna för de olika jordarterna multipliceras den totala nederbörden med infiltrationskoefficienten och den totala arean inom Förbifartens tillrinningsområde för respektive jordart eller bergshäll. Detta delas med antal sekunder på ett år för att få enheten [m 3 /s]. Delareor är beräknade i ArcMap Metod 2 Vattnets kretslopp i naturen kan beskrivas av den så kallade vattenbalansekvationen. ekv. 5 Om vattenbalansen avser en längre tidsperiod kan magasinförändringarna försummas. Evapotranspirationen står för de totala förlusterna av vatten till atmosfären via avdunstning från fria vattenytor och transpirationen från växternas klyvöppningar. I Stockholmsområdet uppgår evapo transpirationen till ca två tredjedelar av nederbörden(smhi, 2010). Magasinförändringarna utgörs av en ökning eller minskning av yt- eller grundvattenmagasin samt av markvatten. (Knutsson, Morfeldt, 2002). Beroende av de geologiska och topografiska förhållandena kan det vara svårt att hitta en klar gräns mellan dessa två, utan de kommer samverka med varandra (Skoglund, 1973). Den totala avrinningen i ett område kallas även effektiv nederbörd eftersom det är det vattnet som potentiellt kan bilda grundvatten. Det är genom att multiplicera avrinningen med arean över ett väl avgränsat område som den totala, potentiella grund vattenbildningen i ett område erhålls. Enheten blir då m 3 /år (Bergh, 2010) Förbifart Stockholm Förbifarten kommer bestå av två tunnlar som ligger på 15 meters avstånd från varandra. Eftersom de ligger så pass nära varandra kommer flödet till den ena tunneln påverka flödet till den andra och vice versa. Det innebär att vi inte kan räkna på inläckage till den ena tunneln utan att ta med den andra i beräkningarna. För att få fram ett approximerat värde har vi antagit att inflödet beror av tunnlarnas totalareor. Vi har därför adderat dessa och räknat ut en hydraulisk radie som om det var en stor, cirkulär tunnel i stället för två mindre, rektangulära. Den hydrauliska radien beräknas med följande ekvation(häggström, 1999): ekv. 6 15

24 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Tunnelns längd har beräknats genom att mäta grafiskt längs sträckningen i den hydrogeologiska kartan över Lovö som kan hämtas på Vägverkets hemsida, bilaga 2. Programmet som använts i mätningarna är Adobe Figur 5. Tvärsnitt av tunnelsektion. Acrobat Professional. Tunneln kommer utgöras av två tunnelrör som löper parallellt med varandra. De har en bredd på 16.3 m och en maxhöjd på ca m Inläckage till tunnlar Det primära inläckaget i en tunnel är det största och sker momentant vid tunneldrivningen och beror av bergets kinematiska porositet. När dessa sprickor tömts på vatten dräneras grundvatten från de jordlager som vilar ovanpå berget. Det långsamma droppande som tillslut infinner sig är det vatten som lerlagrena sakta släpper ifrån sig p.g.a. den ökade last som kommer av att portrycket sänks i och med dräneringen (Knutsson, Morfeldt 2002). Inläckage till tunnlar kan beräknas på två olika sätt Kontinuumanalys Diskret analys Dessa två analyser skiljer sig genom deras sätt att se på bergskroppen. I kontinuumanalysen används ett medelvärde av sprickornas vattenförande egenskaper för att approximera en konduktivitet för bergsmassan. Inflödet kan därefter räknas ut med hjälp av Wibergs formel (Eriksson, Stille, 2005; Ormann, 2006), vilken har härleds från Darcy s lag: ekv. 7

25 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Beroende på tunnels djup gäller ekvation 8 för ytligt förlagda tunnlar och ekvation 9 för djupgående tunnlar. I första fallet, för den ytliga tunneln minskas grundvattentrycket med radien av tunneln (Eriksson, Stille, 2005). I djupt belagda tunnlar har subtraktionen av tunnelradien liten betydelse, då djupet är mycket större. ekv. 8 ekv. 9 Skinfaktorn ξ är en typ av korrigeringsfaktor som tar hänsyn till vissa processer som sker i verkligheten och som påverkar inläckagets storlek. Exempelvis till transport av fina mineral, så som leror, som med tiden kan ansamlas i sprickor och därmed minskar genomsläppligheten. Det primära inläckaget är oftast större än det långsamma droppande som infinner sig på sikt. Det beror på det faktum att vissa sprickor inte står i hydraulisk kontakt med det vattenförande spricksystemet i berget. Därför töms dessa sprickor under tunneldrivningen men bidrar därefter inte till det kontinuerliga inflödet (Eriksson, Stille, 2005). Den diskreta analysen räknar till skillnad från kontinuumanalysen med varje enskild spricka längs tunneln sträckning. Analysen bygger på vissa antaganden; Flödet i en spricka antas ske på samma sätt som flödet mellan två planparallella skivor. Flödet är laminärt. Utifrån dessa antaganden kan en transmissivitet T i räknas ut, ekvation 10. Med transmissivitet menas en hydraulisk konduktivitet per meter, enhet m 2 /s. ekv. 10 Bredden b avser den hydrauliska vidden av varje enskild spricka. µ anger vätskans viskositet och ρ beskriver densiteten, dessa två faktorer beror av val av vätska och är temperaturberoende. Inflödet till tunneln kan därefter beräknas med hjälp av ekvation 11. Det totala inflödet Q beräknas som summan av alla Q i, eller som ekvation 12 nedan. motsvarar medelvärdet av alla T i och N är antal sprickor. ekv. 11 ekv

26 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR 9.6. Inläckage från sprickzon Inläckaget från områden med en större hydraulisk konduktivitet, oftast sprickzoner beräknas med hjälp av Alberts och Gustafson, 1983 vilka uttrycker läckaget enligt ekvation 13 nedan. Djupet d är avståndet ner till tunneln, bredden b beskriver mäktigheten av sprickzonen och r t är som tidigare tunnelradien. Q 2 d K b ln(4 d / 2 r) t ekv Påverkansområde Omgivningens påverkan kan förenklat beskrivas som en sänkningstratt beskriven i figur 6. Där x är avståndet till den punkt där avsänkningen S x är noll. Detta avstånd definierar påverkansområdet. S 0 Figur 6. Sänkningstratt ovanför tunnel. Sambandet som beskriver avsänkningen fås av Huisman, 1972, ekv. 14. S S e x 0 x ekv. 14 K S P r Injektering och tätningsteori Injektering är en viktig och nästan alltid nödvändig process vid tunnelbyggande. Normalt sätt krävs tätning av sprickzoner och vattenförande områden i berget för att uppfylla de krav på inläckage som ställs. Det allra vanligaste sättet att täta är att använda sig av cementbaserat injekteringsmedel. Det finns flera aspekter som måste ta hänsyn till när man planerar injektering. Bland annat sprickornas vidd och utbredning, sprickfrekvensen, orientering och sambanden i sprick systemet. Vidden är även viktig ur inträngnings synpunkt, för liten vidd kan orsaka ansamling av cementbrukskorn vilket kan skapa en propp och stoppa utbredningen av cementbruket. Andra faktorer som påverkar injekteringens utbredning är sprickans utseende, förekomst av svårfyllda områden, samt injekteringsmedlets flytegenskaper.

27 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Tabell 1. Beräkning av svårighetsgrad. Bedömd erforderlig tätningseffekt Bedömd erforderlig hydraulisk konduktivitet <90% 90-99% >99% > < Det finns främst två sätt att beskriva injekteringsresultaten (Eriksson, Stille, 2005; Ormann, 2006). Absolut mått; en hydraulisk konduktivitet som krävs för att uppnå accepterat inläckage. Relativt mått; tätningseffekten, den relativa minskningen före och efter injektering, vilket ges av ekvation 15. Qoinjekterat Qinjekterat Tätningseffekten % 100 Q oinjekterat ekv. 15 Vid planering av tätning kan man använda sig av tabell 1 ovan. Denna används för att grovt veta vilken svårighetsgrad det innebär att täta tunneln. Tabellen använder både absoluta och relativa mått för att få fram en svårighetsgrad(eriksson, Stille, 2005) Metod för beräkning av grundvattensänkning När vattnet i berget ovan tunneln har tömts kommer vatten från ovanliggande jordlager perkolera ned mot tunneln på grund av den sänkta hydrauliska gradienten i berget. I berget kommer grundvattnet sänkas och bilda en så kallad grundvattensänkningstratt. Då bredden av sänkningstratten, gradienten och den hydrauliska konduktiviteten går att beräkna så är det möjligt att uppskatta infiltrationen av grundvatten i berget från ovanliggande jordlager med Darcys lag. Vi ämnar beräkna ett medelvärde för den hydrauliska gradienten precis under bergytan med hjälp av en bild över flödeslinjerna in i tunneln. Se figur 6. Bilden är en grafisk presentation av vattenflödet in i tunneln då flödeslinjerna och vattnets hastighet räknas ut analytiskt för varje punkt i det tänkta berget. Vi har använt oss av den hydrauliska konduktiviteten för granit som SGU angivit som medelvärdet i Stockholmsregionen. Antagande som har gjorts är att berget är ett poröst material vilket innebär att flödeslinjerna i verkligheten kommer se helt annorlunda ut eftersom vattnet i stället kommer flöda genom sprickorna. Den hydrauliska gradienten, d.v.s. tryckfallet per längdenhet, får därför ses som ett grovt medelvärde och beräknas som tunneldjupet dividerat med flödeslinjens längd enligt anvisningar från Hans Bergh. Bilden har vi erhållit av Roger Thunvik och är gjord i COMSOL. För att beräkna grundvattensänknigen i lerlagren måste några grova förenklingar göras. Bergmassan står i hydraulisk kontakt med jordmaterialet över hela avsänkningsareans tratt. Under Högsta Kusten i överlagras berggrunden i de allra flesta fall av morän vilket ofta innehåller hårt packad lera som kan betraktas som 19

28 David Barkels, Alejandra Silva Parra TRITA LWR Kandidatarbete 2010:06 tät. Moränen är ofta genomsprucken och vattnet kommer i stället flöda i sprickorna. Lerlagret utgör en sammanhängande akvifer. I verkligheten är jordlagerföljderna uppdelade i flera små akviferer. Dessa har ej ett sammanhängande porsystem som vattnet flödar i mellan utan måste betraktas som separata reservoarer. Medelgrundvattensänkningen i lerlagren beror av läckaget till berget och lerlagrens mäktighet. (Knutsson, Morfeldt, 2002; Larsson, 1984). Beräkningar görs med Matlab. Figur 6. Grafisk framställning av flödet till tunneln med COMSOL Metod för beräkning av sättningar Sättningarna som orsakas på grund av grundvattensänkningarna kommer till allra största del ske i leran. Eftersom vattentryck är lika stort i alla riktningar så trycker vattnet isär kornen i en jord. Effektivspänningen är ett mått på vilket tryck som de enskilda partiklarna i jorden utsätts för och ökar med djupet. När grundvattenytan sänks så ökar därför effektivspänningen i jorden och den trycks ihop. För att kunna beräkna dessa sättningar så används i Sverige en metod som kallas CRS-metoden, vilket är en förkortning för Constant Rate of Strain. Den går ut på att effektivspänningarna i ett jordprov mäts då den utsätts för tryck så att den komprimeras med en viss hastighet. På det sättet kan vissa fundamentala parametrar bestämmas som används för sättningsberäkningar i den jorden. Dessa parametrar beror av bland annat om jorden tidigare varit utsatt för ett högre tryck och hur packad jorden är vid ett visst djup. Om leran tidigare varit utsatt för ett tryck som är större än det som skapas av grundvattensänkningen så kommer inga sättningar uppkomma. Det beror på att leran antingen redan satt sig eller har en högre inre hållfasthet än trycket som inducerats. Eftersom vi inte har haft tillgång till några sådana parametrar för leran på Lovö har vi antagit att sättningarna kan beräknas med Hookes lag. Vi har sedan plottat sättningarna som en funktion av den inre hållfastheten för de olika grundvattensänkningarna vi fått som ett resultat av de olika hydrauliska konduktiviteterna i bergrunden. Faktorn som beskriver den inre hållfastheten i leran rent matematiskt kallas för den inre modulen, M (Das, 2010). M i graferna utgör ett viktat medelvärde på den inre hållfastheten över hela lerlagret. ekv. 16

29 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön 10. FÄLTUNDERSÖKNING PÅ LOVÖ Sprickkartering Sprickkarteringen skedde den 17 april 2010 på fyra lämpliga områden på Lovö. Karteringen utfördes på bergshällar eller bergssidor längs förbifartens sträckning. Sprickornas strykning och stupning dokumenterades och informationen bearbetades i Joint for Windows. På så vis har de huvudsakliga sprickriktningarna erhållits. Sedan infogas de så kallade sprickrosorna på respektive område i en karta över Lovö med Förbifartens sträckning. Linjer dras i de huvudsakliga strykningslinjerna och de huvudsakliga sprickriktningarna genom Förbifarten lokaliseras. Det finns en korrelation mellan den huvudsakliga sprickriktningen på ytan och på djupet i berget, även om sprickigheten avtar med djupet(knutsson, Morfeldt, 2002) Område 1 Bergssidan ligger längs en förkastning nästan rakt ovan en av tillfartstunnlarna till Förbifartens planerade huvudtunnel enligt bilaga 3-4. Nedanför och till öster, i samma riktning som berghällen vätter åt, ligger en lerdal som troligtvis täcker en sprickzon. Stora delar av bergssidan är kraftigt uppspruckna med mäktiga sprickor Område 2 Berghällen ligger ca 100 m öster Förbifartens planerade sträckning. Den är måttligt uppsprucken med relativt små sprickor Område 3 Berghällen ligger längs en lerdal som troligtvis går över en sprickzon som härör från en förkastning. Ca 1,2 km österut från området ligger Förbifartens planerade sträckning. Enligt Carl Olof Morfeldt, 1972 och Ingemar Larsson, 1984, så framträder de större sprickzonerna som dalgångar i landskapet. Även denna berghäll är måttligt sprickig och sprickorna av liten dignitet Område 4 Förbifartens sträckning går ungefär 200 m öster om område 4. Berghällen vätter åt sydost och har mäktiga sprickor Bearbetning av sprickkarteringsdata i Joint for Windows Data från sprickkartering har behandlats i programmet Joint for Windows. Med hjälp av den dokumenterade stupningen och strykningen har olika typer av grafer framställts. Figur 8 visar en 180 sprickros där alla fyra områdena är inkluderade och viktade. Viktningen görs med hjälp av (A+2B+C)/4 vilket gör att sprickorna viktas med de närliggande sprickornas värden. Denna viktning används när indata har en viss grad av osäkerhet, vilket antas gälla i detta fall. Sprickrosen visar att området har en något dominerande strykning mellan grader nordöst. Även en något dominerande strykning syns mellan grader nordöst. Detta kan även ses i figur 7, vilket visar ett histogram över sprickornas strykning. En stereografisk projektion av sprickornas strykning och stupning visas av figur 9. Även denna figur visar att sprickorna har en relativt stor variation i riktning. Ur denna typ av projektion kan ett värde på faktorn, vilket representerar sprickornas tredimensionella, inbördes förhållande, tolkas. Vid beräkningar har tolkats från varje områdes specifika stereografiska projektion, resterande grafer kan undersökas i Bilaga Joint for Windows. 21

30 David Barkels, Alejandra Silva Parra TRITA LWR Kandidatarbete 2010:06 Figur 7. Histogram över sprickornas strykningsfördelning. Figur graders sprickros över hela området (område 1-4). Figur 9. Stereografisk projektion över hela områdets sprickor, orginalvärden.

31 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön 10. RESULTAT Grundvattenbildning Tabell 2. Översikt över de områden somvon Brömssen undersökte och vi använt i våra beräkningar. Dessa värden över områdenas lermäktighet användes för att uppskatta hur stor andel av lerlagret på Lovö som skulle dras bort från infiltrationsberäkningarna av nederbörden Område Total areal av lera > 150 cm [%] Almunge 29 Marsta 18 Aspvik 30 Bärmö 25 Gustavsberg 14 Median för lera > 150 cm av lertot 25 Det ger att andelen lera med mäktigheten < 150 cm är lika med 75 %. Tabell 3. De olika jordarterna areor för Förbifartens tillrinningsområde samt den totala grundvattenbildningen med infiltrationskonstanter och med specifik avrinning. Jordarter Area [ha] Total area[ha] Q(vattenbalans) [m^3/s] Infiltrationskoefficient Q(Brömssen) [m^3/s] Torv, mosse Totalt= Lera Svallsand E-05 Grus E-05 Blockig morän E-06 Sandig, moig morän Vulkanisk gnejs och granit = ekv

32 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Infiltrationskoefficienterna ekv. 18

33 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Den hydrauliska konduktiviteten Utvärderat från SGUs brunnsregister Tabell 4. De hydrauliska konduktiviteterna utvärdeat från SGUs brunnsregister. K_gnejs [m/s]= 8.4E-08 Median gnejs Median granit K_granit[m/s]= 3.8E-07 Vattenförande Del [m] 194 Diameter [mm] 135 Vattenflöde [l/h] 25 Vattenförande Del [m] 173 Diameter [mm] 135 Vattenflöde [l/h] Utvärderat från Göran Bergmans infiltrationsförsök Utvärderat från sprickkarteringen 25

34 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Storleken på grundvattnets infiltration till berget Den hydrauliska medelgradienten, S, beräknad med ekvation 19. ekv Grundvattensänkningen Grundvattensänkningen beräknas som ekv Sättningarna Den ökade effektivspänningen som grundvattensänkningen ger upphov till beräknas som ekv. 21 Sättningarna beräknas med Hookes lag: ekv. 22

35 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Tabell 5. Inflöde till berget från lerlagrena samt grundvattensänkningen som det ger upphov till. Område Hydraulisk konduktivitet [m/s] Inflöde [m 3 /s] Inflöde [m 3 /år] Grundvattensänkning [m] Kgnejs(sprickkartering) 1.9* e * Kgnejs(SGUreg) 4.05e * Kgnejs ( brunnsregister) e * Kgnejs(bergström) e * Kgranit(sprickkartering) 1.9* e * Kgranit(SGUreg) 5.72e * Kgranit ( brunnsregister) e * Kgranit(bergström) e * Sättningarna efter ett, repektive 20 år har plottats med Matlab. Se figur nedan. 27

36 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Sättningar över ett år Figur 10. Sättningarna över ett år plottas mot den genomsnittliga kompressionsmodulen. Figur 11. Sättningarna over ett år plottas mot den genomsnittliga kompressionsmodulen för SGUs regionalvärde för granit. Figur 12. Sättningarna over ett år plottas mot den genomsnittliga kompressionsmodulen för SGUs regionalvärde för gnejs.

37 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Sättningar över 20 år Figur 13. Sättningarna över 20 år plottas mot den genomsnittliga kompressionsmodulen. Figur 14. Sättningarna over 20 år plottas mot den genomsnittliga kompressionsmodulen för SGUs regionalvärde för granit. 29 Figur 15. Sättningarna over 20 år plottas mot den genomsnittliga kompressionsmodulen för SGUs regionalvärde för gnejs.

38 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Inläckage vid olika bergstätheter då injekteringsradien varieras Figur 16. Injekteringsmaterialets täthet är 10-9 m/s

39 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Inläckage mot injekteringsradien då injekteringsmaterialets tähet är 0.5* espektive Figur 17. Inläckage vid olika hydrauliska, konduktiviter i berget.

40 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Porositet, kinematisk porositet Område Område Område Område Lovö

41 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Det primära inläckaget ekv. 23 ekv

42 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Resultat av inläckage till tunnel Det finns stora skillnader i mängden inläckage som sker till tunneln vilket visas i tabell 15. Inläckaget enligt kontinuumanalysen beräknat med SGUs konduktivitet fås till 38 l/min och 100 meter tunnel. Detta anser vi vara det mest tillförlitliga värdet med beaktande av storleken på den hydrauliska konduktiviteten. Ett värde som tydligt skiljer sig från detta är inläckaget beräknat med Bergmans konduktivitet. Inläckaget beräknas till 586 l/min och 100 meter tunnel, vilket är ett väldigt högt värde. Även värden från brunnsarkivets konduktivitet ger ett högt inläckage på 160 l/min och 100 meter. Vid det injekterade fallet (tabell 15), fås mer acceptabla värden på inläckage. Fortfarande utmärks dock värden från Bergman och brunnsarkivet. Vid denna beräkning har endast två konduktiviteter på injekteringsmedlet jämförts, båda beräknade med en injekterings bredd på fem meter. Med en konduktivitet på injekteringsmedlet som är 100 gånger mindre än det naturliga når ingen av de beräknade konduktiviteterna kravet på ett inläckage på maximalt 2 l/min och 100 meter. Endast sprickkarteringens konduktivitet är relativt nära. Vid en jämförelse mellan de två analytiska metoderna, kontinuum analys och diskret analys, fås en stor skillnad. Den diskreta analysen ger ett inläckage på 55 l/min och 100 meter, vilket är betydligt större än de 14 l/min och 100 meter som ges kontinuum analysen Resultat av påverkansområdet Vid en jämförelse mellan den numeriska modelleringen och de analytiska beräkningarna fås att påverkansområdet hamnar i samma storleksordning. För modellering i COMSOL kan ett påverkansavstånd på ca 400 meter läsas ur figur 6. Med den analytiska beräkningen fås värden på en påverkan som sträcker sig 322 meter. Vi kan med denna kontroll anta att även de resterande analytiska värdena är tillförlitliga. Det finns stora skillnader mellan de analytiska värdena, tabellen nedan redovisar påverkansområdet för det homogena berget (avrundat till närmsta 10-tal). Här framgår det tydligt att Bergmans beräknade konduktivitet för gnejs och granit skiljer sig från de andra värdena. Vi kan även konstatera att de beräknade konduktiviteterna vid sprickkarteringen väl stämmer överrens med SGUs värden. Tabell 6. Jämförelse mellan påverkansområden. Brunnsarkiv Sprickkartering Bergman SGU X1; Gnejs X1; Granit X2; Gnejs X2; Granit

43 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Resultat från Groundwater Balance Ur Groundwater Balance fås ett diagram, figur 18, där uttag och påfyllning av grundvattenmagasinet på Lovön jämförs månadsvis. Här ser vi att det finns stora variationer under året, vilket bevisar att effekterna på grundvattennivån från tunnelbygget är väldigt olika beroende på årstid. Under månaderna mars till september sker ett stort uttag från grundvattenmagasinet Det totala uttaget under hela året jämförs med den totala påfyllnaden till höger i figur 18. Påfyllnaden av grundvattenmagasinet antas ske direkt av nederbörden. Enligt modelleringen fås ett underskott av 1.13*10 6 m 3 under ett år, vilket till största del orsakas av tunneln. Detta ger en grundvattensänkningen i leran på cirka 0.2 m vilket kan jämföras med grundvattensänkningen för SGUs värde för konduktiviteten i tabell 5. Figur 18. Månadsvis(t.v.) och årsvis (t.h.) uttag och påfyllning av grundvattenreservoarerna på Lovö. 35

44 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR 11. SLUTSATSER Injektering Även om kristallint berg kan betraktas som vattentätt (Knutsson, Morfeldt, 2002; Fagerström, et al, 1983) så visar figur 16 och 17 att stora läckage till tunneln kommer ske även om den tätas ordentligt med injektering. Om injekteringsradien är större än 10 m och injekteringsmaterialet har en täthet på så klarar Förbifarten Trafikverkets riktlinje på två liter per timme och 100 meter tunnel. Om inte den tätheten på injekteringsmaterialet uppnås kommer det antagligen inte gå att uppnå denna riktlinje. Detta då injekteringsradien uppgår till minst 30 meter då vilket innebär stora svårigheter och kostnader under injekteringsarbetet Von Brömssen Värdena för infiltrationskonstanterna underskattar troligtvis grundvattenbildningen eftersom den är 2.25 gånger mindre än grundvattenbildningen enligt vattenbalansekvationen. Enligt Knutsson och Morfeldt (2002) bör inte infiltrationskonstanter användas i Norden eftersom de geologiska bildningarna är heterogena i både vertikal- och horisontalled. Då den specifika avrinningen är den maximala mängd av avrinningen som kan bilda grundvatten och Von Brömssens infiltrationskonstanter troligen underskattar mängden, kan det tänkas att medelvärdet mellan dessa är en god uppskattning. Utan att göra närmare undersökningar är det dock omöjligt att avgöra men vi kan rimligtvis anta att grundvattenbildningen ligger inom detta spann, d.v.s: Ett närmevärde till mängden grundvatten som bildas av den specifika avrinningen kan möjligtvis vara Den hydrauliska konduktiviteten Vattnets strömning i berg beror uteslutande av sprickornas egenskaper. Eftersom de är svåra att kartlägga och förutsäga så är det omöjligt att för varje fall i tunneln beräkna ett inläckage. Det kommer variera längs hela tunnelsträckningen. Vi får se den hydrauliska konduktiviteten som ett mått på medelströmningshastigheten i berget. Spannet som den kommer röra sig inom är troligtvis mellan det lägsta värdet vi fått och det högsta Den hydrauliska konduktiviteten är antagligen mindre än den som erhölls genom att analysera Göran Bergmans infiltrationsförsök. De kan endast gälla vid ytan av de bergshällar infiltrationsförsöken utfördes på.

45 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Detta då den hydrauliska konduktiviteten avtar med djupet (Knutsson, Morfeldt, 2002) Inläckage till tunnel De beräknade inläckaget till tunneln varierar kraftigt beroende på vilket av de framtagna konduktiviteterna som används i beräkningarna. Det framgår tydligt att inläckaget till tunneln kommer vara mycket högre än två liter per minut och hundra meter. Påverkansområdet som beräknas kan antas vara tillförlitliga då de stämmer överrens med den numeriska modelleringen som gjorts på SGUs värden. Storleken kommer dock variera kraftigt beroende på mängden tillfört grundvatten. Det betyder att de största effekterna kommer märkas på sommaren då evapotranspirationen är mycket större än nederbörden Sprickor Medeltalet av den kinematiska porositeten på Lovö beräknades vara., vilket är ett högt värde. I granitisk bergrund ligger den kinematiska porositeten oftast mellan till 0.1 % (Knutsson, Morfeldt, 2002). Detta höga värde indikerar att Lovö är en ö med hög sprickighet. Det stöds även av det faktum att Lovö ligger i en stor förkastningszon med ett flertal krosszoner som genomkorsar Lovö. Sammantaget styrker det våra slutsatser i och att vattenflödena till tunneln kommer bli höga. De infogade sprickrosorna i den kombinerade sprick och marktäckekartan, se bilaga Sprickrosor och Bergskvalitet, visar att de finns en korrelation mellan sprickigheten på ytan och djupet. Framförallt i område två och fyra. I område fyra finns en stor krosszon med samma riktning som Förbifarten. Det kan ge stora problem vid tunneldrivningen och injekteringen om den sammafaller med tunnelnsträckningen eftersom inläckaget beror av kontaktarean till tunneln(se ekvation 13). 37

46 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR 12. REFERENSER Bergman, G., (1972) Bestämning av infiltrationskoefficienter för bergytor och perkolationsbanor i jordlager. Kvartärgeologiska institutet Stockholms universitet. Bergman, M., (1977) Grundvatteninläckning i tunnlar och bergrum en dokumentation av förhållandena vid 73 tunnelavsnitt och bergrum i Sverige. Hagconsult AB Carlsson, A., Olsson, T., (1981) Hydraulic properties of a fractured granitic rock mass at Forsmark, Sweden. Florgård, C., Linnér, H., Olsson, M., Olsson, S., Persson, P., Wiklander, G., (2000) Grundvattensänkning på Hallandsås, Effekter på natur, jordbruk och skogsbruk. Institutionen för lanskapsplanering Ultuna Samhälls- och landskapsplanering nr 11, Uppsala Das, B.M., (2010) Principles of geotechnical engineering, seventh edition. Eriksson, M., Stille, H., (2005) Cementinjektering i hårt berg. SveBeFo Fagerström, H., Carlsson, A., Morfeldt, C.O., (1983) Undermarksbyggande i svagt berg. BeFo Stockholm. Häggström, S., (1999) Hydraulik för V-teknologer. Chalmers Tekniska Högskola Knutsson, G., Morfeldt, C.O., (2002) Grundvatten teori och tillämpning. Ab Svensk Byggtjänst, Stockholm. Larsson, I., (1984) Ground water in hard rocks. Unesco Ormann, L., (2006) Grundvattenpåverkan kring järnvägstunnlar i berg. Institutionen för geovetenskaper, Uppsala universitet, Skoglund, E., (1973) Markvattenmagasinets storlek och variationer i olika delar av det mellansvenska landskapet. Institutionen Kulturteknik, Sektion Lantmäteri KTH Stockholm. SMHI,2010 Sveriges Geologiska Undersökning, (SGU) ( ) Von Brömssen, U., (1968) Grundvattenbildning i geologiskt olika terrängavsnitt, försök till bestämning av infiltrationskoefficienter.

47 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön 13. BILAGOR Bilaga 1 39

48 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Bilaga 2

49 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Bilaga

50 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Bilaga 4

51 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Bilaga 5 43

52 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Bilaga 6

53 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön 14. BILAGA JOINT FOR WINDOWS Område 1 Sprickros. Sprickros, viktade värden. Histogram över sprickornas strykning. Histogram över sprickornas strykning, viktade värden. Stereografisk projection over sprickplanen. 45

54 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Område 2 Sprickros. Sprickros, viktade värden. Histogram över sprickornas strykning. Histogram över sprickornas strykning med viktade värden. Stereografisk projection over sprickplanen.

55 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Område 3 Sprickros. Sprickros, viktade värden. Histogram över sprickornas strykning. Histogram över sprickornas strykning med viktade värden. Stereografisk projection over sprickplanen. 47

56 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR Område Sprickros. Sprickros, viktade värden. Histogram över sprickornas strykning. Histogram över sprickornas strykning, viktade värden. Stereografisk projection over ssprickplanen.

57 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön Alla områden illustreras tillsammans grafiskt Sprickros. Sprickros, viktade värden Histogram över sprickornas strykning. Histogram över sprickornas strykning, viktade värden. Stereografisk projection over ssprickplanen. 49

58 David Barkels, Alejandra Silva Parra Kandidatarbete 2010:06 TRITA LWR 15. BILAGA: SPRICKROSOR OCH BERGKVALITETSKARTAN

59 Analys över inläckage av grundvatten till Förbifart Stockholm för deltunnel under Lovön 16. BILAGA:BERÄKNINGAR Areor av jord- och berglager Tabell 7. Visar attributen till Förbifartens tillrinningsområde som definierats i ArcMap. Kolumnen COUNT visar hur många pixlar det är i varje jord- eller berglager. Varje pixel är 25m*25m stor, d.v.s. 625 m 2 stor. Arean av respektive jord- eller berglagrer blir ekv. 25 Tabell 8. Jord- och bergartskoder. VALUE = Jord- eller bergartskod Jord- eller bergart 5 Torv, kärr 16 Gyttjelera 19 Postglaciallera 28 Svallsand 33 Svallgrus 40 Glacial lera 179 Blockrik morän 182 Sandig, moig morän 874 Gnejs, vulkanit, ytbergart 875 Gnejs, sedimentbergart 895 Gnejsgranit 896 Yngre granit Porositet, kinematisk porositet Porositeten i berget kan uppskattas genom att räkna ut arean för sprickorna i ett område och dividera med områdets totalarea. För att räkna ut sprickornas area behövs sprickbredd och spricklängd. Spricklängden fås genom att dividera sprickans längd med sinus för 51