2.2 Fyllningsdammar
2.2.4 Jordfyllningsdammars beteende
För jordfyllningsdammar med zoner är det viktigt att beakta både de totala och effektiva spänningsförhållandena, och interaktionen mellan olika materialzoner. Detta eftersom jordfyllningsdammar, under konstruktion, fyllning och drift, utsätts för olika spänningsförhållanden. (Hunter, 2003)
2.2.4.1 Deformationsegenskaper hos jordfyllning
Hållfasthets- och deformationsegenskaper i jordfyllningar påverkas av faktorer som bland annat överkonsolideringsgrad, hydraulisk konduktivitet, jordstruktur, kapilläri-tet samt storlek och riktning av pålagda laster (Hunter & Fell, 2003). Vidare förklarar Hunter och Fell (2003) att dessa faktorer påverkas i sin tur av:
• Jordtyp (inklusive mineralsammansättning och korngradering) • Packningsgrad
• Vattenmättnadsgrad vid utläggning av jordmassor (relativt optimal vattenkvot).
2.2.4.2 Prediktion av deformationsbeteende
Enligt Hunter (2003) uppkommer deformationer i jordfyllningsdammar som ett resul-tat av förändringar i effektiva spänningsförhållanden under konstruktion, under första fyllning och under drift, men också som ett resultat av förändringar i totalspänningar när jorden vattenmättas. Prediktionsmetoder för deformationer i jordfyllningsdammar är oftast indelade i tre delar; under konstruktion, under första fyllning och på lång sikt efter första fyllning (Hunter, 2003).
2.2.4.3 Deformationsbeteende under konstruktion
Den packade jordfyllningen är en delvis vattenmättad jord där vattenmättnadsgraden beror på vattenkvot, materialtyp och packningsgrad. Vidare är porvattentrycket, som utvecklas i en bra packad jordfyllning under konstruktion, beroende av den initiala vattenmättnadsgraden, materialets deformationsegenskaper och hydrauliska kondukti-vitet, och pålagda spänningsnivåer. För en komplett utvärdering av deformationsbete-ende av en jordfyllningsdamm under konstruktion är det speciellt viktigt att beakta effektivspänningar och effektivspänningsändringar. (Hunter, 2003)
För en någorlunda torr, bra packad jordfyllning ökar mängden sättningar med en ökning av de effektiva spänningarna under själva konstruktionen. Sättningarna uppkommer genom kompression av luft i porerna och medan luften i porerna komprimeras ökar vattenmättnadsgraden och porundertrycket minskar. (Hunter, 2003; Costa & Alonso, 2009)
För en jordfyllning som har en vattenkvot nära eller blötare än optimal vattenkvot så är vattenmättnadsgraden relativt hög vid packning (omkring 85-90%) och kapilläriteten är relativt låg jämfört med en torr jordfyllning. I denna typ av jordfyllning utvecklas positiva portryck generellt under låga spänningsnivåer och har jordfyllningen tillräck-ligt låg hydraulisk konduktivitet kommer förhållandena, under konstruktion, att vara odränerade. För dessa jordfyllningar uppkommer deformationer ofta som plastiska i odränerade förhållanden. (Hunter, 2003)
Alonso och Pinyol (2008) förklarar att en tätkärna som packas på den blöta sidan om optimal vattenkvot är mer deformerbar och samtidigt mer ogenomsläpplig, det vill säga en låg hydraulisk konduktivitet. Däremot kan ett högt initialt vatteninnehåll i tätkärnan orsaka utveckling av höga portryck under konstruktion vilket i sin tur ökar risken för instabilitet. Packning på den torra sidan av optimal vattenkvot leder till en styvare tätkärna men som är mer benägen att kollapsa vid vattenmättning. (Alonso & Pinyol, 2008)
2.2.4.4 Deformationsbeteende vid första fyllning
Vid första fyllningen av jordfyllningsdammens magasin kommer de permeabla fyllnings-zonerna på uppströmssidan att vattenmättas. Hunter (2003) förklarar att några av de faktorer som påverkar deformationsbeteendet hos jordfyllningsdammar under uppfyll-nad är lasten som genereras av vattnet och deformationsegenskaperna hos tätkärnan och nedströms stödfyllning. Nobari et al. (1972) redogör för, som illustreras i Figur 2.17, effekten av den last som genereras av vattnet vid uppfyllnad:
1. Påförd vattenlast på uppströmssidan av tätkärnan bildar en vattenbarriär vilket resulterar i ökning av totalspänningar inom denna zon. Den resulterande defor-mationen är riktad nedströms och nedåt.
2. Påförd vattenlast på uppströms undergrund kan ha stor inverkan på förändringar av dammens form.
3. Reducering av effektivspänningar i de permeabla zonerna uppströms tätkärnan. Deformationer är riktade uppströms och uppåt på grund av minskade effektiva spänningar (avlastning), men är troligtvis små i storlek.
4. Reducering av skjuvhållfasthet och elasticitetsmodul i de permeabla zonerna upp-ströms tätkärnan resulterar i sättningar.
Figur 2.17: Effekt av påförd vattenlast vid fyllning av reservoar på en
Om odränerade förhållanden råder i jordfyllningsdammens tätkärna under första fyll-ningen kommer effekten av reservoarfyllfyll-ningen resultera i en ökning i totalspänningar som agerar på uppströms kontaktyta mot tätkärnan (Hunter, 2003). Detta påpekade även St-Arnaud (1995), att vid fyllning kommer de effektiva spänningarna på uppströms sida att vara mindre än de effektiva spänningarna på nedströms sida. Förändringar i totala spänningar inom tätkärnan och nedströms stödfyllning vid den första fyllningen beror enligt Hunter (2003) på:
• Magnituden och riktningen av förändringen i totala spänningar som agerar på uppströms kontaktyta mot tätkärnan.
• In-situ spänningarna inuti jordfyllningsdammen efter konstruktion.
Då odränerade förhållanden råder i tätkärnan under uppfyllning av magasinet kommer förändringen i totala horisontella spänningar i tätkärnan och nedströms stödfyllning att vara större för en tätkärna med kompressionsegenskaper likt stödfyllningen, se Figur 2.18, än en tätkärna med låg odränerad hållfasthet. I fallet med en tätkärna med låg odränerad hållfasthet kommer de horisontella spänningsförändringarna i tätkärnan och nedströms stödfyllning, under fyllning, vara mindre i jämförelse på grund av redan befintligt höga horisontella spänningar efter konstruktionen, se Figur 2.19. (Hunter, 2003)
Figur 2.18: Horisontell spänningsfördelning vid a) slutet av konstruktionen, och b)
fylld reservoar, för en jordfyllningsdamm med central tätkärna med kompressionsegen-skaper likt stödfyllningen (Hunter, 2003).
Figur 2.19: Horisontell spänningsfördelning vid a) slutet av konstruktionen, och b)
fylld reservoar, för en jordfyllningsdamm med central tätkärna med låg odränerad håll-fasthet (Hunter, 2003).
Hunter (2003) redogör för att oavsett fallet så kommer de horisontella spänningsför-hållandena i tätkärnan och nedströms stödfyllning öka så att resulterande horisontella deformationer kommer vara i nedströms riktning. Den horisontella spänningskomposan-ten från den pålagda vatspänningskomposan-tenlasspänningskomposan-ten som verkar på uppströms kontaktyta mot tätkärnan är mycket större än den vertikala spänningskomposanten från ovanliggande jordfyllning. Detta resulterar i större förändringar i horisontella än vertikala spänningar i tätkärnan och nedströms stödfyllning, och således kommer de horisontella deformationerna att vara dominanta. (Hunter, 2003)
Detta konstaterade även Veiga Pinto och Maranha das Neves (1985) genom en klass A prediktion av en jordfyllningsdamm med en tätkärna av lera. Att de horisontella deformationerna i tätkärnan och nedströms stödfyllning, efter den första fyllningen, är i nedströms riktning, som visas i Figur 2.20.
Figur 2.20: Horisontella deformationer (δH) i slutet av konstruktionen (C) och i slutet
av första fyllningen (3N) från två olika analyser A1 och A2 (Veiga Pinto & Maranha das Neves, 1985).
Hunter (2003) redogör för att magnituden av deformationerna beror på förändringar i spänningsförhållanden, deformationsegenskaper för tätkärnan och nedströms stödfyll-ning samt jordfyllstödfyll-ningsdammens geometri.
2.2.4.5 Utveckling av vattenmättnadsgrad i tätkärnan
I en artikel skriven av Costa och Alonso (2009) utfördes en flödes-deformationsanalys av en fyllningsdamm med central tätkärna av lera, Lechagos damm i Spanien, som då var under konstruktion. Flödes-deformationsanalysen utfördes både för under konstruktion och under fyllning. Flödes-deformationsanalys förklaras i kapitel 2.3.5. Relevant resultat från Costa och Alonso (2009) har valts ut och presenteras i detta examensarbete för att illustrera trender på förändringar i vattenmättnadsgrad.
Costa och Alonso (2009) beskriver hur tätkärnans vattenkvot vid utläggning påverkar fördelningen av vattenmättnadsgrad efter konstruktion, som visas i Figur 2.21. För-delningen av vattenmättnadsgrad som illustreras i Figur 2.21 är baserat på tre olika vattenkvoter, där vattenkvoten ökar från vänster till höger sett. En generell utveck-ling av vattenmättnadsgrad i början av fyllning, vid en intermediär tidpunkt och vid stadigt tillstånd (jämviktstillstånd) presenteras i Figur 2.22. Våtfrontens utveckling ge-nom tätkärnan identifieras som konturen för 1,0, det vill säga en vattenmättnadsgrad på 100%.
Figur 2.21: Fördelning av vattenmättnadsgrad i tätkärnan i slutet av konstruktion:
torr tätkärna (vänster), tätkärna med wopt.+2,7% (mitten), och blöt tätkärna (höger) (Costa & Alonso, 2009).
Figur 2.22: Utveckling av vattenmättnadsgrad i tätkärnan i början av fyllning
(väns-ter), vid en intermediär tidpunkt (mitten), och vid jämviktstillstånd (höger) (Costa & Alonso, 2009).
2.2.4.6 Övervaka beteende
Övervakning av fyllningsdammars beteende är en viktig del för att säkerställa erforder-lig nivå på dammsäkerheten (Ekström & Lier, 2013). U.S. Army Corps of Engineers (USACE, 1995) redogör för att beteende i form av bland annat rörelser, deformationer, totala spänningar, porvattentryck, flöden och temperaturer kan övervakas med hjälp av geoteknisk instrumentering. Geoteknisk instrumentering gör det även möjligt att kunna upptäcka avvikande rörelsemönster eller varningstecken så att hjälpåtgärder kan sättas in för att förhindra ett potentiellt dammbrott (Ekström & Lier, 2013).
Portryck kan bland annat mätas med hjälp av olika typer av pneumatiska instrument. Generellt sätt består pneumatiska instrument av tre komponenter, en givare, ett da-tainsamlingssystem och en koppling mellan dessa två komponenter (USACE, 1995). Dunnicliff och Green (1988) förklarar att det finns två grundläggande typer av pneu-matiska givare, beroende på om en pneumatisk krets är normalt stängd (slutet system) eller normalt öppen (öppet system) när externt tryck appliceras på givaren. De flesta moderna givarna är av typ normalt stängd.
Ett exempel på ett pneumatiskt instrument med ett slutet system är en givare med vibrerande sträng (vibrating wire piezometer), som visas i Figur 2.23. Givaren med vibrerande sträng har ett membran som separerar porvattnet från mätsystemet. Inuti givaren finns en tråd fastspänd i mitten av membranet så att böjningar i membranet, på grund av förändringar i portryck, ger upphov till ändrad spänning i tråden (Dunnicliff & Green, 1988). Fell et al. (2005) förklarar att med hjälp av en elektromagnet skapas ett magnetfält som tråden vibrerar i, och genom att mäta trådens naturliga vibrations-frekvens och kalibrera det mot trycket på membranet kan instrumentet användas för att mäta portryck. Mer information om givare med vibrerande sträng (vibrating wire piezometer) och andra pneumatiska instrument ges av Dunnicliff och Green (1988).
Figur 2.23: Schematisk bild över en vibrating wire piezometer (Dunnicliff & Green,
1988).
Deformationer i en dammkropp kan mätas med hjälp av bland annat inklinometrar. Dunnicliff och Green (1988) förklarar att inklinometrar definieras som instrument för mätning av deformationer som är normala mot ett rörs axel med hjälp av en sond som passerar längs röret. Sonden innehåller en gravitationsgivare som mäter lutningen i förhållande till den vertikala riktningen, det vill säga gravitationen. Mer information om inklinometrar ges av Dunnicliff och Green (1988). I Figur 2.24 illustreras principen för en inklinometer.
Figur 2.24: Principen för användning av en inklinometer (Iskander, 2018).
En typ av inklinometer är shape accelerometer arrays (SAA) som utgörs av en serie styva segment med MEMS-sensorer (mikroelektromekaniska system) för att mäta lutningen i tre dimensioner, x-,y- och z-riktning. Segmenten är seriekopplade med rörliga leder och varje segment innehåller en accelerometer som gör det möjligt att avgöra lutning i två vinkelräta riktningar. (Iskander, 2018)