Tjälinträngning i fyllningsdammars tätkärna i anslutning till betongkonstruktioner
En studie av fyllningsdammar i Luleå älvdal
Den vanligaste dammtypen vid vattenkraftsanläggningar i Sverige är fyllningsdammar, som byggs upp av olika zoner såsom tätkärna, finfilter, grovfilter, stödfyllning och erosionsskydd. Tätkärnan har en dämmande funktion och utgör därmed en av de viktigaste delarna i en fyllningsdamm. Lämpligtvis är tätkärnan uppbyggd av en finkornig morän. I många fall ansluter tätkärnan direkt mot den betongkonstruktion som utgör utskovspartiet, vilket innebär att betongen utgör det enda tjälskyddet mot tätkärnan. Anslutningen mellan tätkärnan och betongkonstruktionen är av erfarenhet en svaghetszon i en dammanläggning. Geotekniska undersökningar intill betongkonstruktioner har på många dammar visat en mycket låg packningsgrad på tätkärnan, vilket ofta förklarats med upphängningseffekter samt svårigheter att packa moränmaterialet närmast betongkonstruktionen under byggnationstiden. Ett eventuellt problem vad gäller anslutningen mellan tätkärna och betongkonstruktion kan vara effekter av frysning genom betongkonstruktionen ut i tätkärnan. Syftet med detta examensarbete var därför att undersöka huruvida frysning sker ut i tätkärnan genom betongkonstruktionen, samt att studera effekterna av eventuell frysning. Tjälningsprocessen kräver tre grundläggande förutsättningar. Dessa är tjälfarlig jord, tillgång till vatten samt låg temperatur. Beroende på köldmängd, det vill säga antal negativa graddagar, kommer tjälinträngningen bli mer eller mindre omfattande. De tre grundläggande förutsättningarna för tjälning uppfylls mer eller mindre vid en fyllningsdamms anslutning till betongkonstruktionen. Lufttemperatur under noll grader Celsius skapar en temperaturskillnad per längdenhet vilket orsakar ett värmeflöde från markytan som kallas för en termisk gradient. Allt eftersom tjälfronten tränger djupare ner i marken förändras temperaturgradienten i den frusna jorden och tjäldjupet når sitt maximum. Vid upptining av jorden omvandlas isen till flytande vatten, då frysningsprocessen ansamlat mer vatten i form av is än vad som egentligen ryms i jordens porsystem förekommer ett överskott av vatten. Detta vatten måste dräneras bort för att balans ska råda med avseende på vatteninnehållet i jorden. Om vattnet inte dräneras bort kommer hållfastheten på jorden att avsevärt sänkas. Jord som genomgår frysning och tining påverkas då flertalet geotekniska egenskaper förändras. Till dessa hör exempelvis förändrad densitet, förändrat vatteninnehåll i form av förändrad vattenkvot och vattenmättnadsgrad samt ändrad porositet. Då nämnda egenskaper ändras sker mikrostrukturförändringar, sprickbildning, permeabilitetsförändring samt omfördelning av partiklar, vilka i sin tur bidrar till att en svaghetszon bildas med ökad risk för inre erosion och potentiella läckagevägar. Genom att simulera tjälinträngningen i Temp/W, ett program baserat på finita element metoden, har påverkan av frysning och upptining med avseende på olika köldmängder studerats med avseende på hur tätkärnan i anslutning till betongkonstruktioner påverkas. Orterna som studerades var Luleå och Jokkmokk, och de köldmängder som undersöktes var vinter med normal köldmängd samt dimensionerande vintrar med återkomsttiden 50 respektive 100 år. Resultat av analyserna visar att tjälinträngning ut i tätkärnan genom betongkonstruktionen förekommer i varierande utsträckning beroende av köldmängd och ansatta köldbryggor. Tjälning sker redan vid en normal vinter för de båda orterna. I Luleå varierar tjälinträngningen mellan 2,7- 4,0 meter beroende på ansatt köldmängd och armeringsjärnens fördelning i betongkonstruktionen. Vad gäller Jokkmokk så varierar tjälinträngningen mellan 3,0 ? 4,6 meter beroende av köldmängd och fördelning av armeringsjärn i betongpelaren. Det är möjligt att installera spontväggar i anslutningen mellan fyllningsdammen och utskovspartiet för att reducera effekterna av frysning och tining. I syfte att förhindra frysning kan värmeslingor installeras i anslutning till betongkonstruktionen. Då frågeställningen är komplex har en rad förenklingar gjorts för att kunna behandla det tre-dimensionella problemet med två-dimensionell analys i programvaran Temp/W. Problemställningen bör studeras ytterligare baserat på noggrannare utredningar av materialparametrar, regleringsamplitudens och grundvattenförhållandenas inverkan på tjälningsprocessen samt inverkan av yttre omständigheter såsom snö- och vindförhållanden. Fortsatta studier bör utföras med en programvara där möjligheter finns att upprätta en tre-dimensionell modell, detta för att modellen med tillhörande analyser ska bli mer realistisk.