Tøffere kjøring skader tunnelene

Tøffere kjøring av vannkraftverk – med hyppigere start/ stopp – vil over tid skade tunnelsystemene, viser forskning ved NTNU i Trondheim.

(Teksten er tidligere publisert i fagbladet Energiteknikk og er skrevet av Stein Arne Bakken)

De siste tiårene er det blitt oppdaget stadig flere blokkfall og kollapser i tunneler i norske kraftverk, eksempelvis i Svandalsfløna i 2008, i Brattset i 2009 og i Marte i 2018.

Blokkene som løsner fra tunnelveggen, kan brytes ned til mindre biter av bevegelsene i vannet og føres inn i turbinene. Norske vannkraft har opplevd stadig flere skader på turbiner den siste tiden. Dette har blant annet skjedd i Sima kraftverk.

Det har vært spekulert i om hyppige start/stopp er hovedårsaken til at blokker løsner fra tunnelveggen. Nå er dette blitt bekreftet gjennom forskning, ifølge professor Krishna Kanta Panthi ved Institutt for geovitenskap og petroleum ved NTNU.

Trykkvariasjoner
Gjennom et FoU-prosjekt i regi av FME-senteret HydroCen er det blitt avdekket at trykkvariasjoner i vannet i tilløpstunnelen som følge av slik variabel kjøring forplanter seg inn i fjellveggen. Over lengre tid, anslagsvis 20-30 år, vil disse trykkreftene gradvis påvirke sprekker i tunnelveggen, slik at blokker av fjellet løsner.

Sommeren 2018 ble tunnelsystemet i Roskrepp kraftverk i Sirdal i Agder tømt for vann i forbindelse med en revisjon. Forskere fra NTNU fikk da bore huller i fjellet i tilløpstunnelen og installere trykksensorer og avansert måleutstyr i poresprekker en storskala feltforsøk.

Banebrytende forskning
Måleverdiene blir kontinuerlig overført til en datalogg og kan hentes ut av forskerne i Trondheim.

Siden da har stipendiat Bibek Neupane ved Institutt for geovitenskap og petroleum ved NTNU kunnet studere trykkreftene i vannet som strømmer gjennom tunnelen og hvordan disse påvirker trykkforholdene i det tilstøtende fjellet under hyppige opp- og nedkjøringer. Målingene viser tydelig at variabel lastkjøring har en betydning påvirkning på sprekkdannelsene i fjellet i vanntunnelen.

Det er første gang det er gjort slike dynamiske målinger og analyser av trykkrefter i vannveiene til kraftverk i drift. Neupane har utviklet en målemetodikk basert på idéer fra professor Krishna Kanta Panthi, og med viktige innspill fra førsteamanuensis Kaspar Vereide ved Institutt for bygg og miljøteknikk.

Neupane har et år igjen av sitt doktorgradsarbeid. Forskningen har gitt svært viktig kunnskap om konsekvenser av et tøffere kjøremønster i vannkraftverk.

Simuleringsverktøy
Resultatene av FoU-prosjektet vil gi kunne gi grunnlag for at kommersielle aktører kan utvikle programvare som kan fortelle hva som vil skje av skader på vannveiene i et kraftverk ved gitt kjøremønster og fjellkvalitet i tunnelsystemet.

Neupane legger til at dette er en svært krevende oppgave. I sitt doktorgradsarbeid fokuserer han på utvikling av en numerisk modell og en metode for å kunne forutsi hendelser der blokker løsner fra fjellet. Dette arbeidet er basert på måleresultatene fra Roskrepp, som han sammenholder og analyserer med data fra andre kraftverk.

Bygd for statisk kjøring
De norske vannkraftverkene ble bygd for kjøring med jevn last og svært få stopp i løpet av året. I forbindelse med prosjekteringen av vannveiene ble det gjort beregninger av statisk trykk ved jevn last, men ikke av trykkforhold som følge av dynamiske bevegelser. Det var det ikke behov for. Så lenge trykket fra vannet er konstant, er dette uproblematisk for stabiliteten til vannveien, sier Neupane.

Verre er det når vannet i tunnelen settes i dynamisk bevegelse, slik at det oppstår varierende trykksvingninger, og dette skjer ofte og over lang tid. Resultatene fra målingene i Roskrepp kraftverk viser at vi da får en trykkøkning inne i porer i fjellveggen, med krefter som virker ødeleggende.

Tøffere kjøremønster
Neupane peker på at kraftmarkedet ble liberalisert i 1991, og at det har ført til et langt mer variert kjøremønster i vannkraftverkene. Det er snart gått trett år, og de negative konsekvensene for vannveiene har begynt å vise seg i form av biter av fjellet som har løsnet. Tidligere forskning ved NTNU har vist at slike hendelser øker med en faktor på 3 til 4 i tunneler til kraftverk som har stadige start/stopp, det som også blir kalt hydropeaking.

Det er forventet at kraftverkene vil bli kjørt langt hardere i årene fremover for å kunne tilby effekt og balansekraft til et europeisk energisystem som i større grad vil være basert på uregulert kraft fra sol og vind. Det vil bli en betydelig utfordring for mange norske kraftverk, sier han.

Trykksvingninger
I sin forskning på Roskrepp kraftverk har Neupane konsentrert seg om hva som skjer i periodene kraftverket kjører opp og ned.

Observasjonene viser at trykket fra vannet forplanter seg inn i fjellet og gir store trykksvingninger (hydraulic gradients) i poresprekkene. Det oppstår en forsinket respons på trykket i fjellsprekkene, som gjør at trykket inne i fjellet blir høyere enn i selve tunnelen. Det er ikke lenger likevekt, som under normal kjøring av kraftverket.

Sprekker i fjellet avgjør
Den samlede virkningen av små, men gjentatte, trykksvingninger er betydelig, og dette gjør at blokker løsner over lang tid. I hvor stor grad dette vil skje, er betinget av poretrykkresponsen i fjellet, som igjen er avhengig av sprekkgeometri og fjellkvalitet. Forekomsten av sprekker og deres egenskaper er følgelig avgjørende for hvor mye skader tunnelene kan bli påført, sier stipendiat Bibek Neupane.

Slik kan det se ut i tilløpstunnelen i et kraftverk som over en lang periode har hatt et variert kjøremønster med mange start/stopp. Bildet er fra Bratsberg kraftverk. (Foto: NTNU/Krishna Kanta Panthi)
PhD-stipendiat Bibek Neupane (t.v.) inne i tilløpstunnelen i Roskrepp kraftverk med utstyr som skal installeres for å måle trykket i fjellet, her sammen med hans veileder, professor Krishna Kanta Panthi. (Foto: NTNU/Juliet Landrø)
Figuren viser poretrykk i bergmassen (svarte og blå linjer). Dette poretrykket overstige vanntrykket i tunnelen (rød linje) og gir et ekstra trykk i sprekkeveggen som gjør at bergblokker løsner over lang tid. (Figur: NTNU)