Linking physical wall roughness of unlined tunnels to hydraulic resistance

Tuneller er en viktig komponent av vannkraftverkene i Norge. De brukes både til produksjon av energi og for avledning av flommer. Hvor mye vann en tunell kan transportere vil være avhengig av friksjonsforholdene på fjellveggene i tunnelen. I Norge er ofte tunellene råsprengte, noe som betyr at ruheten kan være ganske stor. Når man beregner kapasiteten av tunellene er det derfor viktig å kunne ta denne ruheten med i beregningen. Det er tidligere utviklet flere metoder der friksjonsfaktorene i råsprengte tuneller kan bestemmes. Bl. a. har fotografiske metoder vært benyttet. I de senere årene har imidlertid laserteknologien utviklet seg slik at mange tuneller kan scannes. Derved fåes detaljert informasjon om fjellets overflate og ruhet. Vårt forskningsprosjekt har sett på hvordan man kan bruke informasjon fra laserscanningen til å bestemme ruhet, friksjon og derved kapasiteten til tunellen for å transportere vann. I dette arbeidet ble det brukt fysiske modellforsøk, numeriske modeller og feltmålinger der tuneller ble scannet. Vi bygget replika av tunellseksjoner i vårt laboratorium, der vi i detalj målte friksjonsforhold og hydrauliske parametre. Vårt laboratorium brukte meget avanserte måleinstrumenter som bestemtevannhastigheter og turbulens. Dataene fra laserscanningen ble også brukt til å generere grensebetingelser for numeriske modeller, som beregnet turbulens og friksjonstap som funksjon av ruhetsgeometrien. Resultatene fra de numeriske og fysiske modellene ble sammenlignet. Et hovedmål med prosjektet varå utvikle mer nøyaktige metoder der kapasiteten av tunellene kan bestemmes basert på laserscanning. Dette ble oppnådd, og en ny formel for friksjonstap ble laget. Denne formlen kan benyttes av vannkraftindustrien i Norge til å bestemme friksjonstap i råsprengte tunneler.

The project made use of technological advances in digitalization and experimental methods to advance predictive capabilities for the quantification of wall resistance in unlined hydropower tunnels and tunnel-spillways. The project results provide valuable guidance for the design of future hydraulic scale model studies using CNC-manufacturing methods. The derived formula to relate measurable topographical characteristics to the friction factor can be used in economical optimization of new tunnels as well as deciding the profitability of improving existing tunnel systems. Used on closed conduit spillway tunnels, it will be important for assessment of the safety of dam constructions, and cost analysis for necessary upgrades due to increased floods caused by climate change. The results of the numerical simulations were used to support the experimental results, i.e. the project showed the usefulness of a hybrid approach to tackle sophisticated hydraulic problems in an efficient way.

The present proposal addresses the hydraulic resistance of wall-bounded flows by focusing on the evaluation of energy losses through wall friction in unlined hydropower tunnels, an essential component in Norwegian hydropower systems used for both power production and flood control. The determination of the hydraulic capacity of unlined hydropower tunnels requires the knowledge of friction factors whose determination is mostly based on empirical approaches. Thus, despite their significance, friction factors can be considered as the weakest component in the design of tunnel waterways. This aspect is tackled in the present study through a combination of analytical considerations, physical scale model studies, and numerical simulations. Analysing high resolution digital elevation models (DEMs) of existing unlined tunnels obtained through Terrestrial Laser Scanning which were excavated by different methods, novel roughness parameters will be defined on the basis of a statistical analysis of the DEMs. Friction losses and the flow field in the tunnels will be measured in scale model studies with miniature versions of the tunnels constructed through CNC-milling. The obtained friction factors will be related to the derived roughness parameters on the basis of a theoretical framework allowing for the decomposition of the friction factor into components reflecting the physics of rough bed flows. These considerations will be supplemented through data from high resolution 3D-numerical simulations validated by the scale model data. The final results of the project are of high relevance for end-users as they will allow for the assessment of the friction factor with regard to the excavation method and improved protocols for physical scale and numerical model studies used for the design of tunnel-waterways. Moreover, the results will allow for the assessment of wall-friction in unlined tunnels from data measured in-situ during excavation in order to verify design-assumptions.