Design and Supervision of Unlined Hydro Power Shafts and Tunnels with Head Up To 590 Meters

Summary: Experience has proved careful design, supervision and control during filling of pressure shafts and tunnels necessary to prevent costly and unforeseen repairs and production losses. To prevent hydraulic splitting in unlined pressure tunnels and shafts, the internal water pressure must be less than the minimum principal stress. Today, the theoretical design is usually done by using finite element methods. Vital for a successful design is the use of engineering judgement. In every case the theoretical models must be modified according to the geological and topographical features. During construction of the plant, registration of water inflows and mapping of relevant geologic features is done in the tunnels and shafts. This makes identification of permeable zones possible. In critical areas pore pressure measurements are used to determine the necessity of sealing. In the process of filling the shafts and tunnels, leakage control is done. The tunnel system is filled in steps of 100-150 m in order to carry out the leakage measurements. Summary of design, supervision and leakage measurements is given for 6 hydropower plants with water pressure on unlined rock in the range of 25-59 bar.The main rock tyρea represented are granite, gneiss, michaschist and phyllite. The coefficient of 1 rock mass permeability calculated from the measurements varies from 10 -8 to 10 -9 ms -1 . ZUSAMMENFASSUNG: Gewonnenende Erfahrungen haben vorsichtige Gestaltungen, Überwachung und Kontrolle während des Auffüllens von Druckschächte und Tunnels notwendig gemacht um kostspielige und Unvorhersehene Reparaturen und Produktionsverluste zu vermeiden. Um hydraulische Aufspaltung in unausgekleideten Drucktunnels und -Schächte zu vermeiden, muss der innere Wasserdruck kleiner sein als die kleinste Hauptspannung. Heute wird die theoretische Gestaltung hauptsächlich unter Verwendung der begrenzten Elementmethode durchgeführt. Wichtig für die gelungende Gestaltung ist die Anwendung von technischer Urteilskraft. In jedem Fall müssen die theoretischen Modelle die geologische und Topographische Struktur angepasst sein. Die Registrierung von Wassereinfliessen und Kartierung von relevanten geologischen Daten muss während des Baus durchgeführt werden. Dadurch ist die Identifikation der eksistierenden und potentiellen Wasserdurchlässigen Zonen möglich. In kritischen Gebiete müssen Porendruckmessungen vorgenommen werden um eventuelle Abdichtungsmassnahmen zu beschliessen. Während des Einlassens von Wasser in Schächte und Tunnels müssen Dichtigkeitsprüfungen vorgenommen werden. Die Tunnels werden im Abschnitte von 100 bis 150 Meter gefüllt um die Prüfungen durchführen zu beschliessen. Dies Erfahrungsmaterial ist von Konstruktionsarbeiten, Kontrollen und Dichtigkeitsmessungen bei 6 Wasserkraftanlagen mit Wasserdruck von 25 bis 59 Bar in unausge kleideten Bergmassiven gewonnen. Die Hauptbestandteile des Massivs waren Granit, Gneis, Glimmer und Fylite. Die Durchdringlighkeit deç SteJnmasse zeigte einen aus der Messungen ausgerechneten Koeffezient von 10 −8 bis 10 −9 ms −1 . RESUME: L’experience a prouvé qu’une composition soigneuse avec surveillance et controle durant le remplissage des puits et des tunnels de pressions sont de première nécessité pour prévenir des reparations coûteuses et imprévues, ainsi que des pertes de production. Pour empêcher la dispersion hydraulic dans des puits et des tunnels non revêtus, il faut que la pression d’eau initiale soit moins forte que le minimum de la contrainte principale. Pour la composition théorique on se sert aujourd’hui le plus souvent de méthodes d’éléments définitives. Vitale pour une composition réussie est, qu’il faut s’appuyer sur l’expertise des ingénieurs. Dans tous les cas il est de première nécessité que les modèles théoriques sont modifiées en structe conformité avec des traits géologiques et tropographiques. Durant la période de la construction de l’usine, le régistrement du débit entrant d’eau et de la cartographie des traits géologiques relevants a été fait en dedans les tunnels et les puits - procédé lequel a rendu possible l’identification de zones perméables, existantes et potentielles. Dans des domaines critiques, des mesures de pore-pression servent à déterminer la nécissité d’une couche de fermeture. Durant le procès de remplissage des puits et des tunnels, on a fait le controle des fuites. Le système de tunnels a été rempli graduellement sur une mesure de 100 à 150 m les pas, pour être à même de mésurer des fuites. Les résultats sommaires de 1’etude des compositions de la surveillance et des fuites ont été donnés pour 6 usines hydrauliques avec une pression d’eau sur de roche non revêtu, dans un ordre de 25 à 59 bar. Les types ordinaires de roches représentés sont granitte, gneis, micaschiste et phyllitte. Le coefficient de permeabilitg obtenÿ par la calculation des mesures qui ont été faites dans de roche varie de 10 −8 à 10 −9 m/s.