Utvikling av verktøy for optimal plastring av fyllingsdammer

I Norge kommer over 95 % av strømproduksjonen fra fornybar vannkraft. Vann lagres i store vannkraftmagasiner for å sikre strømproduksjonen over hele året. Vannet demmes opp ved hjelp av ulike typer dammer. Forskningsprosjektet PlaF hadde fokus på stabiliteten av skråningsbeskyttelsen på luftsida av steinfyllingsdammer og er et bidrag til damsikkerhet. I utgangspunktet skal det ikke være vann på nedstrøms skråning av steinfyllingsdammer, altså på luftsida. Imidlertid kan det i ulykkestilfeller renne vann enten over eller gjennom dammen. Da skal en sikring, bygd av stein, beskytte skråningen mot erosjon. Stabilitet og utforming av erosjonssikring ble undersøkt i dette forskningsprosjektet. Steinsikringen er enten lagt i forband med god innbyrdes kontakt mellom steinene som plastring, eller består av vilkårlig lagt stein, såkalt rauset steinsikring. Både bruddmekanismer, plastringsparametre og eksisterende stabilitetsstudier ble gjennomgått og oppsummert. De fleste studiene i litteraturen ble utført med rauset steinsikring på slake skråninger. Det er imidlertid i litteraturen lite data tilgjengelig for plastring på bratte skråninger med en helning på 1:1,5 (vertikal: horisontal) som er vanlig for norske fyllingsdammer. Derfor ble fysiske forsøk gjennomført både i modell med en målestokk på 1:10 og i felt med storskala plastringsstein med målestokk på 1:2. Dessuten bidro prosjektet til utviklingen av Smartstone måleutstyr for å måle bevegelser av stein. For å få oversikt over utført plastring, ble plastring kartlagt på 33 norske fyllingsdammer. Kartleggingen viste at anbefalingene for plastring i Veileder for fyllingsdammer er vanskelig å oppfylle på grunn av at de er knyttet til minimale og maksimale steindiametere i stedet for persentiler. Resultatene fra modellforsøkene med overtopping ble analysert og forskyvinger ble identifisert som relevant bruddmekanisme for plastring på bratte skråninger. Det kritiske steinrelaterte Froudetallet ble brukt som indikasjon for stabiliteten i erosjonssikringen. Sammen med resultatene fra feltforsøkene var plastring i gjennomsnitt sju ganger mer stabil enn rauset steinsikring. Rauset steinsikring tålte imidlertid vannføringene som er anbefalt for dimensjonering i Veileder for fyllingsdammer. Det var god overensstemmelse mellom modell- og feltforsøkene for rauset steinsikring. For plastring var det god overensstemmelse for det visuelt observerte strømningsmønsteret og vannstandsstigningen oppstrøms testdammene. Plastringstettheten var derimot større i modell og er en mulig forklaring for de høyere kritiske steinrelaterte Froudetallene. Forsøkene med gjennomstrømning viste at det er vanntrykk bak plastringslaget som førte til brudd. Det er nødvendig med en geoteknisk analyse for å sjekke om vanntrykk kan bygge seg opp bak plastringslaget i virkeligheten. I forsøkene ble bare de to ytterste lagene av dammen, plastringen og det underliggende filterlaget, modellert. Resultatene fra denne studien kan benyttes til revurdering av eksisterende regelverk. Anbefalingene bør da balansere steinstørrelser og krav om plastring med den nødvendige stabiliteten ut ifra relevante lastscenarioer og det ønskede nivå av sikkerhet.

I prosjektet skal vi utvikle et verktøy i form av en metode for produksjon og utførelse av plastring på nedstrøms side av fyllingsdammer. Plastringen skal gi et tilfredsstillende høyt sikkerhetsnivå mot erosjon ved gjennomstrømning eller overtopping. Eks isterende plastringsmetoder er basert på en nedarvet praksis for plastring av vannsiden, og liknende forsøk er ikke funnet rapportert eller gjennomført. Forskningen vil derfor fremskaffe helt ny kunnskap og legge grunnlag for et verktøy som til nå ikke ek sisterer. Det vil føre til en bedre forståelse av virkemåten av plastring og dermed være et viktig bidrag til økt damsikkerhet. Prosjektet vil kvantifisere den ekstra sikkerheten som ligger i plastring av fyllingsdammer. FoU-arbeidet gjennomføres av NTNU i hovedsak gjennom en Ph.D - stipendiat som engasjeres. NTNU leverer også forskerkompetanse og et antall masterstudenter som med sine prosjekt- og masteroppgaver vil være sentrale for selve utførelsen av FoU-arbeidet. Det er valgt modellforsøk som hoved metode på grunn av den komplekse interaksjonen mellom plastring og vannstrømning som per dagens dato ikke kan beskrives teoretisk i detalj. For å dimensjonere plastring etter gjeldende regelverk brukes empiriske formler fra tidligere modellforsøk, dog bas ert på annet grunnlag. I løpet av prosjektet vil det gjennomføres både modellforsøk i Vassdragslaboratoriet på NTNU og feltforsøk på et testområde i Sirdal. FoU-arbeidet vil publiseres fortløpende gjennom publikasjoner som skrives av stipendiaten. Verktø yet/metoden som utvikles gjennom arbeidet vil bekjentgjøres også i det norske fagmiljøet (kraftselskap, rådgivende ingeniører og myndigheter) direkte gjennom konferanser og seminarer, slik at det verktøyet kan prøves ut raskt og fortløpende.