Deutsch (2.9 MB) - Nagra
Deutsch (2.9 MB) - Nagra
Deutsch (2.9 MB) - Nagra
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
<strong>Nagra</strong><br />
Nationale<br />
Genossenschaft<br />
für die Lagerung<br />
radioaktiver Abfälle<br />
Cedra<br />
Societe cooperative<br />
nationale<br />
pour I' entreposage<br />
de dechets radioactifs<br />
Cisra<br />
Societa cooperativa<br />
nazionale<br />
per I'immagazzinamento<br />
di scorie radioattive<br />
TECHNISCHER<br />
BERICHT 85-30<br />
Auflockerungszonen um Stollen und<br />
Kavernen im Valanginienmergel des<br />
Oberbauenstocks<br />
M. Gysel Januar 1985<br />
MOTOR COLU<strong>MB</strong>US, Ingenieurunternehmung AG, Baden<br />
Parkstrasse 23 5401 Baden/Schweiz Telephon 056/20 55 11
Der vorliegende Bericht wurde im Auftrag der <strong>Nagra</strong> erstellt.<br />
Die Autoren haben ihre eigenen Ansichten und Schlussfolge<br />
rungen dargestellt. Diese müssen nicht unbedingt mit den<br />
jenigen der <strong>Nagra</strong> übereinstimmen.<br />
Le présent rapport a été préparé sur demande de la Cédra.<br />
Les opinions et conclusions présentées sont celles des<br />
auteurs et ne correspondent pas nécessairement à celles<br />
de la Cédra.<br />
This report was prepared as an account of work sponsored<br />
by <strong>Nagra</strong>. The viewpoints presented and conclusions reached<br />
are those of the author(s) and do not necessarily represent<br />
those of <strong>Nagra</strong>.
NAGRA NTB 85-30 - II -<br />
RESUME<br />
A proximité immédiate des galeries et cavernes du dépôt<br />
potentiel de type B d'Oberbauenstock, la redistribution des<br />
contraintes dans le massif rocheux entraîne, lors de la<br />
construction, la formation d'une zone dite de décompression.<br />
Le présent rapport traite de la formation, de l'extension<br />
ainsi que des propriétés de cette zone de détente.<br />
Une augmentation de la valeur du coefficient de perméabilité<br />
de Darcy k peut être directement liée aux phénomènes de<br />
décompression. Dans les marnes du Valanginien concernées,<br />
il est possible que tuS valeurs du co,fficient k passent de<br />
cette manière de 10- mis à env. 10- rn/s. A cause de la<br />
capacité de gonflement des marnes du Valanginien qui se<br />
manifeste par un "gonflement sur les surfaces de joints"<br />
dans les fissures de la zone de décompression, les valeurs<br />
de k diminuent, et peuvent passer ainsi à un ordre de grandeur<br />
de 10- 8 - 10- 9 mis. Pour des périodes de très longue<br />
durée, les valeurs de k pourraient encore diminuer, sous<br />
l'effet du fluage des marnes dû à la pression lithostatique<br />
et après le remplissage et le scellement des ouvrages souterrains.<br />
Au vu des connaissances actuelles, la viscosité<br />
de la roche est cependant trop grande pour permettre une<br />
recompression sensible de la zone de détente. Par contre,<br />
la valeur de k de la zone de décompression pourrait éventuellement<br />
être réduite par l'application d'injections. Le<br />
comportement au fluage des marnes du Valanginien doit à<br />
l'avenir être étudié de façon encore plus approfondie, par<br />
des essais in situ et en laboratoire.<br />
Dans le rapport, on donne des valeurs de k appliquables à<br />
grande échelle, obtenues à partir de mesures de pertes<br />
d'eau dans des galeries d'aménagements hydroélectriques de<br />
la région des Alpes suisses. Ces valeurs situent l'ordre de<br />
grandeur des perméabilités rencontrées dans des unités géologiques<br />
naturellement fracturées, et constituent des<br />
valeurs limites ou comparatives pour des zones de décompression<br />
d'origine provoquée.
NAGRA NTB 85-30 - III -<br />
ABSTRACT<br />
At the Oberbauenstock Type B repository model site for low<br />
and intermediate level radwaste, tunnels and caverns will be<br />
surrounded by decompressed zones which are induced through<br />
the stress redistributions caused by the tunnelling action.<br />
The following report treats the formation, the extent and the<br />
inherent properties of the decompressed - or loosened -<br />
zone. The loosening may be accompanied by an increase of the<br />
hydraulic permeability (k-value). For the Valanginien marl<br />
(host rock), the k-value is considered to change from<br />
10- 10 mls to approx.10- 7 m/s. The swelling potential of the<br />
marl induces the so-called joint swelling in the plaHtified<br />
rock zones; this can reduce the final k-value to 10- -<br />
10- 9 m/s. Over long periods of time, creep of the marl under<br />
the given overburden stress might, following backfilling of<br />
the tunnels and caverns, additionally reduce the permeability.<br />
However, present indications are that the viscosity<br />
of the Valanginien marl is too high to allow a significant<br />
recompression of the decompressed zones. The permeability,<br />
however, may possibly be reduced by grouting techniques. It<br />
is proposed to study the mechanisms of rock loosening, joint<br />
swelling and creeping in more detail by means of in situ and<br />
laboratory investigations.<br />
The report includes the large-scale determination of the permeability<br />
of naturally jointed rock, making use of seepage<br />
measurements on power tunnels in the Swiss Alps. Comparisons<br />
may then be carried out between the naturally jointed rock<br />
and the "artificially" jointed decompressed rock zone with<br />
regard to their permeability.
NAGRA NTB 85-30 - IV -<br />
INHALTSVERZEICHNIS<br />
ZUSAMMENFASSUNG<br />
RESUME<br />
ABSTRACT<br />
INHALTSVERZEICHNIS<br />
VERZEICHNIS DER FIGUREN UND<br />
TABELLEN IM TEXT<br />
1 •<br />
2.<br />
3.<br />
3 • 1<br />
3.2<br />
3.3<br />
3.3.1<br />
3.3.2<br />
3.3.3<br />
3.3.4<br />
3.3.5<br />
4.<br />
4. 1<br />
EINLEITUNG<br />
GRUNDLAGEN<br />
BILDUNG UND AUSDEHNUNG DER AUFLOCKERUNGSZONEN<br />
Grundsätzliches zur Bildung von<br />
Auflockerungszonen<br />
Ausdehnung der Auflockerungszonen<br />
Zeitliche Veränderungen der Auflockerungszone<br />
am Beispiel des Verbindungsstollens<br />
Einführung<br />
Grundlagen und Daten<br />
Quellverhalten und Zonenbildung<br />
Spalt-Quellen in Zone 2<br />
Andere rheologische Vorgänge<br />
DURCHLAESSIGKEIT DER AUFLOCKERUNGSZONEN<br />
Voruntersuchungen über die Durchlässigkeit<br />
geklüfteter Medien;<br />
Bestimmung der Durchlässigkeit von Felsformationen<br />
aus der Messung von Sickerverlusten<br />
aus Druckstollen von Wasserkraftwerken<br />
Seite<br />
I<br />
11<br />
111<br />
IV<br />
1<br />
2<br />
3<br />
3<br />
7<br />
10<br />
10<br />
10<br />
12<br />
18<br />
21<br />
25<br />
25
NAGRA NTB 85-30 - V -<br />
4 • 1 • 1<br />
4. 1 .2<br />
4.1 .3<br />
4. 1 .4<br />
4. 1 .5<br />
4. 1 .6<br />
4.1.6.1<br />
4.1.6.2<br />
4.1.6.3<br />
4.1.6.4<br />
4.1.6.5<br />
4.1.6.6<br />
4.1.6.7<br />
4.1.7<br />
4.2<br />
4.3<br />
5.<br />
Einführung<br />
Lage der Druckstollen<br />
Prinzip der Druckstollen-Abpressversuche<br />
Bauliche Ausführung der überprüften<br />
Druckstollen<br />
Gemessene Wasserverluste<br />
Interpretation der Wasserverluste<br />
Grundlagen zur Berechnung der Felsdurchlässigkeit<br />
Einfluss der Betonauskleidung<br />
Einfluss des Bergwasserspiegels<br />
Einfluss des Brunnenwirkradius<br />
Einfluss der Stollenendzonen<br />
Berechnung der Felsdurchlässigkeit<br />
Felsklassifikation nach Durchlässigkeit<br />
aufgrund der Stollenabpressversuche<br />
Schlussfolgerungen<br />
Durchlässigkeit der elastischen Zone<br />
Durchlässigkeit der Auflockerungszone<br />
SCHLUSSFOLGERUNGEN<br />
Literaturverzeichnis<br />
Seite<br />
25<br />
27<br />
29<br />
31<br />
33<br />
33<br />
33<br />
36<br />
37<br />
38<br />
39<br />
40<br />
41<br />
46<br />
48<br />
49<br />
53<br />
57
NAGRA NTB 85-30 - VI -<br />
VERZEICHNIS DER FIGUREN UND TABELLEN IM TEXT<br />
FIGUREN<br />
Figur 1 :<br />
Figur 2:<br />
Figur 3 :<br />
Figur 4:<br />
Figur 5:<br />
Figur 6:<br />
Figur 7:<br />
Figur 8:<br />
Figur 9:<br />
Kennliniendiagramm für Tunnelvortrieb<br />
Verbindungsstollen mit Einführung der Zonen 1, 2<br />
und 3<br />
Spannungszustand im Oedometer<br />
Abhängigkeit der spontanen Quellzone von den<br />
Invarianten des Spannungszustandes in situ und im<br />
Oedometer<br />
Spannungszustand im Kluftkörper in der Zone 2<br />
Aufweichung an Rissoberfläche mit nachfolgender<br />
Quellung<br />
Versiegelter Verbindungsstollen in der Nach<br />
Betriebsphase; Re-Kompression der Auflockerungszone<br />
durch Zunahme von 0R<br />
Druckstollen-Abpressversuch, Prinzipskizze<br />
Radiale Verteilung der Durchlässigkeit nach einigen<br />
Betriebsjahren des Endlagers
NAGRA NTB 85-30 - VII -<br />
TABELLEN<br />
Tabelle 1: Ausdehnung der Auflockerungszonen,<br />
Standort Oberbauenstock<br />
Tabelle 2: Lage der Druckstollen<br />
Tabelle 3: Wasserverluste in Druckstollen bei Erstfüllung<br />
(Wasserabpressversuche)<br />
Tabelle 4: Berechnung der Felsdurchlässigkeit<br />
Tabelle 5: Zuordnung der Felsdurchlässigkeiten zu den<br />
geologischen Verhältnissen<br />
Tabelle 6: Felsklassifikation nach Durchlässigkeit aufgrund<br />
der Stollen-Abpressversuche<br />
Tabelle 7: Durchlässigkeit von ungeklüftetem Gestein und<br />
geklüfteter Felsformation
NAGRA NTB 85-30 - 2 -<br />
2. GRUNDLAGEN<br />
wie in Abschnitt 3.3.2 noch näher erläutert, stützen<br />
sich die verwendeten Grundlagen und Daten über das<br />
Modellgebiet Oberbauenstock auf verschiedene Berichte<br />
der <strong>Nagra</strong> ab. Als wichtigste seien das Sondiergesuch<br />
NSG 16, der NTB 84-20 betreffend die Geologie<br />
am Standort und bezüglich der Lagergeometrie die<br />
Bauprojektstudien des Projektes Gewähr selbst (NGB<br />
85-06) genannt.<br />
Dabei stammen die geologischen, geotechnischen und<br />
hydrogeologischen Daten weitgehend vom Bau des Seelisbergtunnels<br />
der Nationalstrasse N2.<br />
Zur Berechnung der Auflockerungszone gibt es in der<br />
Felsmechanik fest etablierte Verfahren. Die Berechnungen<br />
konnten deshalb ohne Schwierigkeiten durchgeführt<br />
und auch beurteilt werden. Im Rahmen der bautechnischen<br />
Abklärungen für das Projekt Gewähr 1985<br />
hat Bonnard & GardeI, Lausanne, die Ausdehnung der<br />
Auflockerungszonen bestimmt. Zu ähnlichen Ergebnissen<br />
ist Dr. G.Lombardi, Locarno, gekommen. Diese<br />
Berechnungen wurden im vorliegenden Bericht überprüft<br />
bzw. weiterverwendet.<br />
Ueber das in Abschnitt 3.3.4 eingeführte Spalt-Quellen<br />
gibt es praktisch keine früheren Untersuchungen.<br />
Als Mitglied der Quelldruckkommission der<br />
Internationalen Gesellschaft für Felsmechanik (ISRM)<br />
konnte der Verfasser immerhin ein breites allgemeines<br />
Wissen über die quellfähigen Gesteine in die<br />
Untersuchung einbringen. Es sei aber vermerkt, dass<br />
unbedingt Versuche über das Quellverhalten und das<br />
Spalt-Quellen des Valanginienmergels nötig sind, um<br />
besser gesicherte Kenntnisse zu erlangen.<br />
Bezüglich des Kriechens des Valanginienmergels ist<br />
zur Zeit ebenfalls wenig bekannt, so dass auch hier<br />
gezielte Mess- und Versuchsprogramme anzusetzen<br />
wären.<br />
Direkte Grundlagen über die Durchlässigkeit der Auflockerungszonen<br />
existieren nur in sehr allgemeiner<br />
Form; siehe z. B. /1/. Die Behandlung der zentralsten<br />
Frage der vorliegenden Untersuchung, eben der<br />
Durchlässigkeit der aufgelockerten Zone, musste daher<br />
von Grund auf und durch Vergleiche mit ähnlich<br />
geklüftetem natürlichem Fels angegangen werden. In<br />
diesem Zusammenhang spielt eine Untersuchung der<br />
Sickerwasserverluste von schweizerischen Kraftwerksstollen<br />
zur Ermittlung der Felsdurchlässigkeit /2/<br />
eine bedeutsame Rolle.
NAGRA NTB 85-30 - 3 -<br />
3. BILDUNG UND AUSDEHNUNG DER AUFLOCKERUNGSZONE<br />
3.1 Grundsätzliches zur Bildung von Auflockerungszonen<br />
Jeder Ausbruch von Hohlräumen untertag stört den<br />
mechanischen Spannungszustand im umliegenden Gebirge.<br />
Infolge des neu gebildeten Hohlraums entstehen<br />
Spannungsumlagerungen im umliegenden Gebirge. Durch<br />
die Soannunqsspitzen und ungünstigen Verhältnisse<br />
der Rauptspannungen untereinander kann es je nach<br />
Spannungshöhe und Gebirqsfestigkeit zu plastischen<br />
Zonen oder in anderer Bezeichnung zu Auflockerungszonen<br />
kommen. In diesen Auflockerungszonen ist die<br />
dreiachsiale Gebirgsfestigkeit (Bruchkriterium)<br />
überschritten und es bilden sich sogenannte Neubrüche,<br />
d. h. Risse, Bruchflächen usw. Mit dieser<br />
Bruchbildung ist vielfach eine volumetrische Auflockerung<br />
verbunden; daher die Namensgebung Auflockerungszone.<br />
Die räumliche Ausdehnung der Auflockerungszone hängt<br />
nicht nur von den Festigkeitseigenschaften und der<br />
Belastung des Gebirges und von der Form und Grösse<br />
des Hohlraumes ab. Eine sehr wichtige Rolle spielen<br />
auch die Art des Ausbruchs (Sprengen, Bohren) und<br />
der Einbauten, d. h. Stützmassnahmen sowie der Zeitpunkt<br />
des Einbaus.<br />
Die "Art" des Einbaus kann durch ihre radiale Steifigkeit<br />
charakterisiert werden. Je steifer der Einbau<br />
und je früher dieser im ausgebrochenen Hohlraum<br />
statisch zum Tragen kommt, desto geringer wird die<br />
Dicke der resultierenden Auflockerungszone ausfallen,<br />
welche sich ganz vereinfachend ringförmig um<br />
den Hohlraum herumlegt.<br />
Das Zusammenspiel der Einflussgrössen kann zweckmässig<br />
an einem sogenannten Kennliniendiagramm erläutert<br />
werden (Fig. 1).
NAGRA NTB 85-30 - 4 -<br />
ö<br />
30<br />
20<br />
12<br />
10<br />
ö 0<br />
o<br />
o<br />
Radiale Verschiebung [mm]<br />
6,5 10<br />
Kennlinie Tübbingring<br />
p.<br />
1<br />
20 Kontaktdruck<br />
[bar]<br />
Figur 1: Kennliniendiagramm für Tunnelvortrieb<br />
(Beispiel)<br />
Nach dem Tunnelausbruch stellt sich eine radiale Verschiebung<br />
0 ein, welche von der Grösse des Kontaktdruckes,<br />
d. h. Stützdruckes der Einbauten abhängig<br />
ist.<br />
In Funktion des zunächst unbekannten Stützdruckes im<br />
gesuchten Gleichgewichtszustand wird separat das Verhalten<br />
des Gebirges und das Verhalten des Einbaus<br />
untersucht.<br />
Gemäss den am Untersuchungsort geltenden Bedingungen<br />
bewegt sich der Rand des Gebirges nach dem Ausbruch<br />
radial gegen den Hohlraum. In Funktion des entgegenwirkenden<br />
Stützdruckes kommt es bei einer totalen<br />
Radialverschiebung von x mm zum Gleichgewicht. Ohne<br />
Stützmassnahmen erreicht die radiale Verschiebung im<br />
Beispiel nach Fig. 1 ca. 23 mm. Mit zunehmendem<br />
Stützdruck Pi nimmt die Verschiebung entsprechend<br />
dem Verlauf der Gebirgskennlinie ab.
NAGRA NTB 85-30 - 6 -<br />
Auf der Seite des Materialverhaltens des Gebirges<br />
spielen in der gesamten Berechnung der Kennlinien<br />
und der Dicke der Auflockerungszone die folgenden<br />
Faktoren eine ausschlaggebende Rolle:<br />
- Scherfestigkeit (Kohäsion und Winkel der inneren<br />
Reibung)<br />
- Volumenverhalten beim Bruchfliessen<br />
Die Messung oder Abschätzung der Scherfestigkeit<br />
wird in der Felsmechanik als Standardaufqabe immer<br />
wieder durchgeführt. Diesbezüglich hat sich schon so<br />
viel Material angesammelt, dass neue Messungen oder<br />
Abschätzungen aufgrund der grossen Erfahrung ohne<br />
Schwierigkeiten durchgeführt und gewertet werden<br />
können.<br />
Etwas anders verhält es sich beim nicht weniger<br />
wichtigen Volumen- bzw. Auflockerungsverhalten.<br />
Vor 20 Jahren war noch sehr wenig Material über das<br />
Volumenverhalten im Bruchzustand vorhanden. Erst mit<br />
der Instrumentierung von Tunnelbauten (z. B. Mehrfachextensometer,<br />
welche die Auflockerungszone<br />
durchqueren) wurden quantitative Angaben erhalten.<br />
Die heute greifbaren Angaben beschränken sich immer<br />
noch auf relativ wenige Einzelfälle. G. Lombardi<br />
kommt zum Schluss, dass eine Volumenvergrösserung,<br />
d. h. Auflockerung der Auflockerungszone, d. h. der<br />
plastischen Zone, um ca. 1 0/00 oft zutreffend sein<br />
dürfte (Tauerntunnel, Gotthardtunnel und andere).<br />
Es scheint einleuchtend, dass die Entstehung von<br />
Bruchzonen mit der Bildung von neuen Rissen, Klüften<br />
usw. dazu führt, dass die Lagerunq des Felsverbandes<br />
weniger kompakt ist. Es entstehen kleinste Hohlräume,<br />
die nicht mehr durch Felssubstanz belegt sind.<br />
Somit entsteht eine Zunahme des Gesamtvolumens. Nur<br />
für einen idealplastischen Fels, der bruchlos zu<br />
fliessen vermöchte, könnte entsprechend der Plastizitätstheorie<br />
für idealplastische Körper Volumenkonstanz<br />
angenommen werden. Volumenabnahmen im Bruchzustand<br />
dürften im Tunnelbau fast immer auszuschliessen<br />
sein.<br />
Die Valanginienmergel, wie sie am Oberbauenstock anstehen,<br />
reagieren bei schnellen Spannungsänderungen<br />
beim Tunnelvortrieb relativ spröde, so dass sich in<br />
der Auflockerungszone Neubrüche einstellen. In die-
NAGRA NTB 85-30 - 7 -<br />
ser Beziehung reagiert der Mergel recht ähnlich wie<br />
Sandstein oder auch Kalk. Als Beleg kann aufgeführt<br />
werden, dass sich Mergel in Kurzzeitversuchen in<br />
tieferen Lastbereichen im einachsialen Druckversuch<br />
durchaus elastisch verhalten. Bei höherer Belastung<br />
stellen sich Risse ein, da die Kurzzeitfestigkeit<br />
viel zu hoch ist, um ein reines Materialkriechen<br />
unter der Last zu ermöglichen, aber zu tief, um<br />
Risse zu verhindern. Somit fällt der Valanginienmergel<br />
in die Kategorie der unter schneller Belastung<br />
klüftungsfähigen Gesteine, und bezüglich dem Auflockerungsfaktor<br />
kann der zitierte Erfahrungswert<br />
von 1 0/00 angenommen werden.<br />
Der Wert 1 0/00 stellt sicherlich nur einen Mittelwert<br />
über die ganze Dicke der Auflockerungszone<br />
dar. Aus felsmechanischen und bautechnischen Gründen<br />
ist die Auflockerung am Ausbruchrand stärker als<br />
weiter innen im Gebirge. Für die radiale Abhängigkeit<br />
kann kein mathematisches Gesetz angegeben werden.<br />
Angesichts der bestehenden Unsicherheiten bezüglich<br />
der Grösse der Auflockerung (z. B. 1 0/00) und des<br />
Vernetzungsgrades der neu entstehenden Risse und<br />
Klüfte, dürfte eine zu starke Verfeinerung und<br />
Unterteilung der Auflockerungszone im Hinblick auf<br />
die hydraulischen Berechnungen wenig sinnvoll seip.<br />
Je nach den geplanten baulichen Vorkehrungen kann es<br />
jedoch angezeigt sein, einen innersten Bereich der<br />
Auflockerungszone mit erhöhter Durchlässigkeit anzunehmen.<br />
3.2 Ausdehnung der Auflockerungszonen<br />
Die Ingenieurbüros Bonnard & GardeI und Dr. Lombardi<br />
haben nach den unter 3.1 bechriebenen Grundsätzen<br />
die Ausdehnung der Auflockerungszone für den Standort<br />
Oberbauenstock berechnet. Es wurden 3 Schnitte<br />
des Verbindungsstollens mit jeweils unterschiedlicher<br />
Gebirgsüberlagerung untersucht, ebenfalls 3<br />
Schnitte für die Lagerkavernen.
NAGRA NTB 85-30 - 8 -<br />
Bauwerk Radius des Bauwerks Radius der Auflockerungszone Büro<br />
(aussen, ohne Verklei- (ab Tunnel- bzw. Kavernendung)<br />
achse)<br />
H = 300 m H = 600 m H = 850 m<br />
Verbindungs-<br />
4,96 m1 6,24 m2 7,07 m3 stollen 3 m BG<br />
(Dicke der Auskleidung 5,40 m 7 6,72 m 7<br />
40 cm für H 550 m)<br />
Kavernen 6,5 m bis 6,9 m<br />
7,70 m 7<br />
H = 800 m H = 1 000 m H = 1 300<br />
(Kalottenradius) 18,8 m 4 21,2 m 5<br />
(H = 800 m, R = 6,5 m)<br />
(H = 1 000 m, R = 6,7 m)<br />
(H = 1 300 m, R = 6,9 m)<br />
H = Ueberlagerungshöhe<br />
°f =<br />
°tot =<br />
°z<br />
=<br />
bo v/ v =<br />
1 ) etot<br />
2 ) etot<br />
3 ) °tot<br />
4 ) °tot<br />
5 ) °tot<br />
6 ) °tot<br />
Verformung an der Brust<br />
totale Verformung = °f + °z<br />
23,9 m 6<br />
Verformungs zunahme bis zum Einbau der Auskleidung<br />
Volumenzunahme der plastischen Zone<br />
= 3 mm )<br />
)<br />
= 10,5 mrn )<br />
)<br />
= 19,5 mrn )<br />
= 65 rnrn )<br />
)<br />
= 100 rnrn )<br />
)<br />
= 165 mrn )<br />
Annahmen: etot = 1 ,5 x Of<br />
bov/ v = 0<br />
Einbau Auskleidung 1 rn hinter der<br />
Annahmen: 0tot = 2,5 x ef<br />
bo V/ V = 0<br />
Kaverne ganz ausgebrochen, bevor<br />
Betonauskleidung ausgeführt wird<br />
7) Annahme: ßv/ v = 1 0/00 Einbau Auskleidung ca. 6 m hinter<br />
der Brust<br />
ID<br />
BG<br />
Brust<br />
Tabelle 1: Ausdehnung der Auflockerungszonen, Standort Oberbauenstock<br />
BG = Bonnard & GardeI<br />
LO = Dr. Lombardi
NAGRA NTB 85-30 - 10 -<br />
3.3<br />
3.3.1<br />
3.3.2<br />
Zeitliche Veränderungen der Auflockerungszone am<br />
Beispiel des Verbindungsstollens<br />
Einführung<br />
Die Eigenschaften der beim Ausbruch der Stollen und<br />
Kavernen gebildeten Auflockerungszonen können sich<br />
nach dem Bau oder noch später nach der Versiegelung<br />
des Endlagers im Laufe der Zeit noch wesentlich ändern.<br />
Dies trifft für rheologisch reagierende Gesteine<br />
zu, d. h. für jene Fälle, wo unter dem gegebenen<br />
mechanischen Gebirgsspannungszustand und der<br />
limitierten Festigkeit des Gesteins langsame Spannungsumlagerungen<br />
weiterlaufen. Chemisch oder physikalisch-chemisch<br />
bedingte, langsam oder schneller<br />
ablaufende Reaktionen im Gestein, mit entsprechenden<br />
Spannungs- und Volumenveränderungen können ebenfalls<br />
als rheologischer Vorgang mit abdichtender Wirkung<br />
aufgefasst werden.<br />
Für den im Modellgebiet Oberbauenstock als abdichtendes<br />
Gestein auftretenden Valanginienmergel überwiegen<br />
offenbar die Quellphänomene gegenüber den<br />
rein mechanischen rheologischen Umlagerungen, denn<br />
die letzteren kommen, wie noch näher ausgeführt wird<br />
(Abschnitt 3.3.5), wegen der erheblichen Festigkeit<br />
des Valanginienmergels kaum zum tragen.<br />
Die nachfolgende Untersuchung wird für einen typischen<br />
Querschnitt des Verbindungsstollens an einem<br />
fest gegebenen Ort im Valanginienmergel durchgeführt.<br />
Die Durchstossung des Verbindungsstollens<br />
durch den Valanginienmergel stellt die bedeutsamste<br />
(abzudichtende) Verbindung zwischen Endlager und<br />
Biosphäre dar. Somit drängt sich die Untersuchung<br />
für diese Verhältnisse auf.<br />
Grundlagen und Daten<br />
Die verwendeten Grundlagen und Daten stützen sich<br />
vorwiegend auf die <strong>Nagra</strong>-Berichte NSG 16 und<br />
NTB 84-20 ab. Die baulichen Konzeptionen des Endlagers<br />
wurden vom projektierenden Ingenieur übernommen<br />
(siehe NGB 85-06).<br />
Die topographischen, geologischen und felsmechanischen<br />
Verhältnisse sowie Lage und Abmessung des Verbindungsstollens<br />
wurden diesen Unterlagen entnommen.
NAGRA NTB 85-30 - 11 -<br />
Die allgemeinen felsmechanischen Parameter des Valanginienmergels<br />
sind aus den Untersuchungen für den<br />
Seelisbergtunnel gut bekannt. Einige Messungen der<br />
Quellparameter sind am Institut für Grundbau und<br />
Bodenmechanik der ETH ebenfalls für den Seelisbergtunnel<br />
ausgeführt worden. Die Anwendung dieser<br />
letztgenannten Parameter hat jedoch mit Vorsicht zu<br />
erfolgen (nur 5 Proben wurden untersucht). Der primäre<br />
Gebirgsspannungszustand ist nicht gemessen worden.<br />
Ueber Grösse und Verhältnis der Vertikal- und<br />
Horizontalspannungen müssen daher bestmögliche Annahmen<br />
getroffen und später wo nötig eine Parametervariation<br />
durchgeführt werden.<br />
Für den gewählten Querschnitt des Verbindungsstollens<br />
sind die folgenden Daten ermittelt und angenommen<br />
worden:<br />
Deformationsmodul Fels<br />
Kohäsion Fels<br />
Innerer Reibungswinkel<br />
Fels<br />
Poissonzahl Fels<br />
Tunnelradius<br />
Gebirgsüberlagerung<br />
Ueberlagerungsdruck<br />
Horizontalspannungen<br />
EFels<br />
cFels<br />
NAGRA NTB 85-30 - 12 -<br />
3.3.3<br />
/<br />
/<br />
I<br />
\ \ \ \<br />
/<br />
"<br />
/<br />
Quellverhalten und Zonenbildung<br />
Die Diskussion des Quellverhaltens des Gesteins im<br />
Umfeld des Verbindungsstollens wird zweckmässig mit<br />
der Definition einer Zoneneinteilung im Fels begonnen.<br />
Nach dem Ausbruch des Verbindungsstollens bilden<br />
sich im Fels gemäss Figur 2 die folgenden Zonen<br />
(für A = 1) in konzentrischer Anordnung.<br />
...----<br />
" "'- /' /<br />
---<br />
""'- ---<br />
Tübbingring, d = 40 cm, Einbau sofort<br />
Zone der spontanen Quellung<br />
Auflockerungszone<br />
./<br />
Elastische Zone<br />
Später in diesem Teil<br />
der Auflockerungszone bei<br />
Durchströmung von Spalten<br />
und Rissen lokales Quellen<br />
möglich<br />
Figur 2: Verbindungsstollen mit Definition der Zonen<br />
1, 2 und 3
NAGRA NTB 85-30 - 13 -<br />
Der Ausbruch erfolgt mit einer Vortriebsmaschine<br />
DA = 6 m. Die Stärke der Auskleidung beträgt<br />
40 cm, wobei entweder Tübbinge oder Ortbeton in<br />
Schalenbauweise verwendet werden.<br />
Es bildet sich eine Auflockerungszone (1) + (2). Für<br />
einen hydrostatischen Primärspannungszustand (oV =<br />
0H) ist diese Zone kreisringförmig. Die Grenze<br />
zwischen ihr und der Zone (3) wird durch ein Bruchkriterium<br />
definiert (z. B. Mohr-Coulomb).<br />
Im Bereich (3) ausserhalb der Auflockerungszone<br />
bleiben die Felsspannungen "elastisch" - die Wasserdurchlässigkeit<br />
ändert sich nicht.<br />
Die Zone der "spontanen" Quellung (1) ist bei hydrostatischem<br />
Primärspannungszustand kreisringförmig.<br />
(Bei Ueberwiegen der Vertikalspannung 0v tritt sie<br />
vorwiegend an Tunnelsohle und Tunnelscheitel auf.)<br />
Der Wassergehalt der Mergel ist meistens gross genug,<br />
um die spontane Quellung nach der Spannungsurnlagerung<br />
in Gang zu bringen, falls die Ueberbrückung<br />
durch den primären Spannungszustand nicht zu gross<br />
ist.<br />
Die Grenze zwischen den Zonen (1) und (2) wird durch<br />
folgende Ueberlegungen am Spannungszustand festgelegt:<br />
a) Im Primärzustand bestimmt sich die erste<br />
Invariante des Spannungszustandes im Gebirge zu:<br />
11 = 0v + 2 0H ; primär = I (Index oben)<br />
1 , °<br />
Eine Abnahme der Summe der Hauptspannungen bewirkt<br />
eine Quellung (Axiom). Die Quellung kann<br />
aber nur dann eintreten, wenn die Summe kleiner<br />
ist als jene Spannungssumme, die im Oedometer<br />
genügt, um das Quellen überhaupt zu verhindern.<br />
Mit 0v = 2,7 • 500 = 1 350 t/m2 (Ueberlagerung<br />
500 m)<br />
wird:<br />
YH = 1,0 n 0v = 1 350 t/m2<br />
11 = 3 0v = 4 050 t/m2<br />
1 , °
NAGRA NTB 85-30<br />
b) Oedometer:<br />
v<br />
(J<br />
- v a<br />
- 14 -<br />
- v<br />
+ v<br />
- v<br />
Figur 3: Spannungszustand im Oedometer<br />
Mit 00 = 6 kp/cm2 = 60 t/m2 und Poissonzahl<br />
v = 0,2<br />
wird:<br />
11 = 60<br />
1 ,00<br />
d. h.:<br />
+ 0,2<br />
- 0,2<br />
= 60 1,2 =<br />
1J,1T<br />
(Ja<br />
90 t/m2<br />
Graphisch gilt deshalb schematisch folgender Zusammenhang:
NAGRA NTB 85-30 - 17 -<br />
Für A = 1 (hydrostatisch) wird 1 - A = O. Auch wird<br />
ß = 0 und somit A = O.<br />
Es entsteht also im Rahmen der elastischen Quelltheorie<br />
keine spontane Quellzone. Auch die plastische<br />
Spannunqsverteilung ergibt praktisch keine<br />
Quellzone, da<br />
I<br />
1 » 1<br />
1 ,0 1<br />
1 ,00<br />
In Abschnitt 3.3.4 werden die Quellvorgänge in der<br />
Zone 2 nach dem Modell der Spalt-Quellung untersucht.<br />
Diese Zone erstreckt sich nach dem eben Dargelegten<br />
für die untersuchten Verhältnisse über die<br />
ganze Auflockerungszone vom Tunnelrand bis zum<br />
elastischen Felsbereich 3 hinaus.<br />
Die Dicke der Auflockerungszone (radiale Ausdehnung)<br />
kann Abschnitt 3.2 entnommen werden. Für den untersuchten<br />
Fall beträgt sie ca. 3 m.
NAGRA NTB 85-30 - 20 -<br />
Wir kommen nun zum eigentlichen Riss-Modell:<br />
Wasser<br />
__... ... ---.. - ----t...... .. · .. --...........<br />
7])77777177/71 ! 7///?J) _ ,.. "":::::: »»>M/7ß/?/"ihtM ?»/J?mV;<br />
allmähliche Verwitterung (Aufblättern)<br />
Eindringen von Wasser<br />
Figur 6: Aufweichung an Rissoberfläche mit nachfolgender<br />
Quellung<br />
Durch das Aufblättern dringt Wasser in den Fels ein,<br />
und es setzt eine Quellung ein. Diese kombinierte<br />
Wirkung von Aufblättern/Aufweichen und Quellen erzeugt<br />
eine Volumenzunahme. Der Vorgang spielt sich<br />
ab, obwohl an sich<br />
I<br />
II >I<br />
1 , (J 1 , (JO ,<br />
da der Vorgang bis in eine gewisse Tiefe sozusagen<br />
als Oberflächenphänomen progressiv weiterläuft, bis<br />
die Quellung ein weiteres Vordringen des Wassers<br />
verhindert und gleichzeitig der Riss geschlossen<br />
ist.<br />
Im folgenden wird diskutiert, wie tief die Aufweichung<br />
bzw. die Quellung reichen muss, damit sich die<br />
Risse schliessen.<br />
Wir nehmen an, dass in der Auflockerungszone drei<br />
orthogonale Rissysteme mit einern Rissabstand von<br />
10 cm vorhanden sind. Die Auflockerungszone erfahre<br />
eine Volumenzunahme von 1 0/00 entsprechend der auf<br />
Beobachtungen fussenden Erfahrung (z. B. nach<br />
G. Lombard i ) •<br />
Es kann angenommen werden, dass sich die Volumenzunahme<br />
auf die Rissöffnungen konzentriert, so dass<br />
jedes Rissystem eine Dehnung von 0,33 0/00 erfährt.<br />
Somit ergibt sich aus dem Rissabstand von 100 mrn<br />
eine Rissweite von<br />
d = 100 rnm x 0,33 0/00 = 0,033 mm<br />
Rissoberfläche
NAGRA NTB 85-30 - 21 -<br />
3.3.5<br />
Der vorstehende Vergleich von Volumendehnungen mit<br />
linearen oder zweidimensionalen Ausdehnungen ist<br />
erlaubt, da gilt:<br />
d. h., die Volumendehnung ist die Summe aus den<br />
linearen Hauptdehnungen.<br />
Die notwendige Tiefenwirkung der Aufblätterung/<br />
Quellung zur Schliessung der Risse ergibt sich wie<br />
folgt:<br />
x = d/2 100<br />
n;-<br />
Mit d = 0,033 mm Rissbreite<br />
folgt:<br />
h o = 2 % freie Quellhebung im Oedometerversuch<br />
x = 0,8 mm<br />
Aus der Anschauung folgt, dass eine solche Eindringtiefe<br />
schnell erreicht wird. Breitere Risse benötigen<br />
proportional grössere Eindringtiefen.<br />
Es ist angezeigt, Laborversuche zur Untermauerung<br />
der obigen Aussagen durchzuführen.<br />
Andere rheologische Vorgänge<br />
Aus dem rein mechanischen Kriechen unter der angesetzten<br />
Spannungsdifferenz zwischen Ausbruchrand und<br />
weiter im Berg liegenden Bereichen kann theoretisch<br />
gefolgert werden, dass das Gebirge langfristig die<br />
Tendenz hat, die Auflockerungszone wieder zu komprimieren.
NAGRA NTB 85-30 - 23 -<br />
Nach /10/ kann die Deformation des Gebirges allgemein<br />
eingeteilt werden in:<br />
- elastischen Anteil (Hooke'sches Gesetz)<br />
- viskosen Anteil (Newton'sches Modell)<br />
- plastischen Anteil (St. Venant'sches Modell)<br />
Der viskose Anteil betrifft den Kriechanteil. In<br />
eindimensionaler Darstellung kann folgender Zusammenhang<br />
aufgestellt werden:<br />
.<br />
o = n • s<br />
mit 0 = Spannung (N/mm2)<br />
n = Viskosität (Tage • N/mm2)<br />
.<br />
s =<br />
ds 1<br />
OE = Dehnungsinkrement (Tage)<br />
Aus einer angesetzten Spannung - bzw. Spannungsdifferenz<br />
zwischen Gebirgsinnerem und Tunnelrand - erfolgt<br />
je nach Viskosität ein gewisses Dehnungsinkrement<br />
pro Zeiteinheit. Aus der weiteren Spannungsentwicklung<br />
ergibt sich über die zeit gesehen eine<br />
Kriechkurve.<br />
Nach Massgabe der Viskosität n kommt dieses Kriechen<br />
unter den gegebenen übrigen Bedingungen wie dem<br />
Spannungszustand (Intensität und Verteilung) in Gang<br />
und benötigt eine bestimmte Zeit, um signifikante<br />
Dehnungs- bzw. Spannungs-Dehnungsveränderungen zu<br />
bewirken.<br />
Die viskosität n stellt im Prinzip einen Strukturparameter<br />
des Stoffes dar. Es besteht eine lose Beziehung<br />
zwischen der Kurzzeitfestigkeit und der viskosität<br />
des betreffenden Materials.<br />
Im Laborversuch kann zudem eine Langzeitfestigkeit<br />
definiert werden. Wenn diese nicht überschritten<br />
wird, kommt es überhaupt nicht zum Kriechen. Werden<br />
höhere Spannungen angesetzt, so können Kriechkurven<br />
in Funktion der zeit für verschiedene Bedingungen<br />
beobachtet werden. In Abhängigkeit von der Viskosität<br />
n wird dabei in einer vorgegebenen Zeit eine bestimmte<br />
Kriechdeformation erreicht. Anders ausgedrückt<br />
werden je nach n-Wert 95 % der oft asymptotisch<br />
abklingenden Verformungen (Tunnel) in kürzerer<br />
oder längerer Zeit erreicht.
NAGRA NTB 85-30 - 25 -<br />
4.<br />
4.1<br />
4 • 1 • 1<br />
DURCHLAESSIGKEIT DER AUFLOCKERUNGSZONEN<br />
Voruntersuchungen über die Durchlässigkeit geklüfteter<br />
Medien; Bestimmung der Durchlässigkeit von<br />
Felsformationen aus der Messung von Sickerverlusten<br />
aus Druckstollen von Wasserkraftwerken<br />
Einführung<br />
Bevor die Untersuchung der Durchlässigkeit der Auflockerungs<br />
zonen abgehandelt wird, werden einige<br />
grundsätzliche Voruntersuchungen über die Durchlässigkeit<br />
geklüfteter Felsformationen beschrieben.<br />
Diese Betrachtungen werden sowohl zur Abschätzung<br />
und Kontrolle der Durchlässigkeit der unaufgelockerten<br />
elastischen Zone wie auch der Auflockerungszone<br />
herangezogen.<br />
Die folgende Untersuchung wurde ausgeführt, weil<br />
bekannt war, dass das grossräumige Durchlässigkeitsverhalten<br />
ganzer geologischer Formationen durch<br />
lokale Untersuchungen meistens nicht sehr repräsentativ<br />
erforscht werden kann. Resultate aus Lugeonversuchen<br />
in Bohrlöchern und anderer lokaler Abpressversuche<br />
dürferi nur mit grosser Vorsicht auf<br />
grössere Gebirgsabschnitte übertragen werden. Da<br />
andererseits grossräumige hydrogeologische Untersuchungen<br />
oft keine Schlüsse bezüglich der Durchlässigkeit<br />
des Gebirges zulassen, sind gesicherte Angaben,<br />
gerade bezüglich unserer alpinen Formationen,<br />
sehr spärlich vorhanden.<br />
Aus diesem Mangel heraus wurde versucht, die Betriebserfahrungen<br />
einiger Hochdruckkraftwerke im<br />
schweizerischen Alpenraum hydrogeologisch auszuwerten.<br />
Durch die Druckstollen der Hochdruckanlagen im<br />
schweizerischen Alpenraum wird Wasser unter hohem<br />
Druck von den Speicherseen oder Wasserfassungen zum<br />
Bereich der Kraftwerkszentralen geleitet. Dabei werden<br />
die anstehenden geologischen Formationen jeweils<br />
auf Längen von vielen Kilometern durchquert.<br />
Es liegt auf der Hand, die Erfahrungen mit diesen<br />
Stollen auszuwerten, um Hinweise über die Wasserdurchlässigkeit<br />
der betreffenden geologischen Formationen<br />
und allenfalls auch über die Betonauskleidung<br />
der Stollen zu erhalten.
NAGRA NTB 85-30 - 26 -<br />
Das verfügbare Material besteht aus Wasserverlustmessungen<br />
an vielen schweizerischen Druckstollen.<br />
Die Verluste wurden in Abpressversuchen für Stollenteile<br />
oder ganze Stollen gesamthaft ermittelt. Somit<br />
handelte es sich um eigentliche Grossversuche, welche<br />
jeweils eine bis mehrere geologische Formationen<br />
oder Einheiten erfassten. Alle Einflüsse aus Klüften,<br />
Störungszonen usw. kamen dabei zur Wirkung.<br />
Diese Versuchsanordnung unterscheidet sich ganz<br />
wesentlich von punktweisen Abpressversuchen nach<br />
Lugeon im Bohrloch, aber auch von lokalen Abpresskammern.<br />
Die Stollen-Abpressversuche ergeben Mittelwerte über<br />
grosse Felsbereiche. Für Berechnungen von Sickerströmungen<br />
im Gebirge dürfen solche Mittelwerte als<br />
geeignet angesehen werden, um das wirkliche Verhalten<br />
zu erfassen.<br />
Das im vorliegenden Bericht zusammengestellte Messmaterial<br />
stammt aus den Archiven der Motor-Columbus<br />
Ingenieurunternehmung AG, der Nordostschweizerischen<br />
Kraftwerke AG, der Blenio Kraftwerke AG bzw. der AG<br />
Ingenieurbüro Maggia sowie der Elektrizitätswerke<br />
der Stadt Zürich (EWZ) bzw. des Ingenieurbüros für<br />
bauliche Anlagen (IBA). Das in seiner Art einmalige<br />
Material ist von grossem Wert. Für die Endlagerungsprojekte<br />
dürfte es aufschlussreich sein, Messdaten<br />
über das Durchlässigkeitsverhalten ganzer geologischer<br />
Formationen zu erhalten. Zum Teil ist bei den<br />
erfassten geologischen Verhältnissen eine gewisse<br />
Verwandtschaft zu möglichen wirtgesteinen vorhanden.<br />
In diesen Fällen können Grenzwerte für die<br />
Durchlässigkeit von in Frage kommenden Wirtgesteinen<br />
angegeben werden (Valanginienmergel).<br />
Entsprechend der gros sen Wichtigkeit gesicherter<br />
Werte, oder wenigstens gesicherter Grössenordnungen,<br />
ist die Auswertung bewusst sehr detailliert dargestellt.
NAGRA NTB 85-30 - 28 -<br />
Tabelle 2: Lage der Druckstollen<br />
Kraftwerk<br />
KW Pa 11 azui t<br />
KW Mauvoisin<br />
KW Gougra<br />
KW Ackersand I<br />
KW Zervreila<br />
KW Hinterrhein<br />
KW Vorderrhei n<br />
KW Blenio<br />
Druckstollen<br />
Les Toules-Pallazuit<br />
Mauvoisin-Bocheresse<br />
Bocheresse-Fionnay<br />
Moiry-Motec<br />
Motec-Vissoie<br />
Mattsand-Ackersand<br />
Safien-Balveins<br />
Valle di Lei-Grenze<br />
Niemet-Ferrera<br />
Sufers-Bärenburg<br />
Bärenburg-Pignia<br />
Pignia-Reischen<br />
Reischen-Sils<br />
Nalps-Tgom<br />
Luzzone-Olivone<br />
Geographische Lage und tektonische<br />
Einheit<br />
Val d'Entremont; Bernharddecke<br />
Val de Bagnes; Bernharddecke und<br />
Bündnerschiefer<br />
Val d'Anniviers; Bernharddecke<br />
und Bündnerschiefer/Ophiolite<br />
Mattertal/Vispertal; Bernharddecke<br />
Safiental/Domleschg; Bündnerschiefer<br />
Valle di Lei, Hinterrhein,<br />
Schams, Sils i. Domleschg;<br />
Surettadecke, Schamser Decken,<br />
Bündnerschiefer<br />
Vorderrhein; Gotthardmassiv,<br />
Garvera Mulde, Tavetscher Zwischenmassiv<br />
Val Blenio/Val di Campo; Bündnerschiefer<br />
Bergeller Kraftwerke Albigna-Murtaira Bergell; Bergeller Massiv<br />
Engadiner Kraftwerke Punt dal Gall-Ova Spin Spöltal; Sedimente (Engadiner<br />
Dolomiten) im Bereich Quattervalsdecke/Silvretta-Scarl-Decke<br />
Bündnerkraftwerke<br />
KW Lindt-Limmern<br />
KW Sarganserland<br />
KW Wägital<br />
Klosters-Küblis<br />
L immern<br />
Tierfehd-Linthal<br />
Gigerwald-Mapragg<br />
Schräh-Rempen<br />
Rempen-Siebnen<br />
Prättigau; Flysch<br />
Linthal, Kt. Glarus; antochthones<br />
Mesozoikum<br />
Taminagebiet; parautochthones<br />
und autochthones Mesozoikum<br />
Wägital; Säntisdecke, Einsiedler<br />
Schuppenzone, Flysch und<br />
aufgeschobene Molasse
NAGRA NTB 85-30 - 29 -<br />
4. 1 .3 Prinzip der Druckstollen-Abpressversuche<br />
Der Stollen wird am unteren Ende durch eine Drosselklappe<br />
abgeschlossen (Figur 8). Vom oberen Ende her<br />
wird das Wasser in den Stollen geleitet bis der<br />
Stollen vollständig gefüllt ist. Der Druck wird bis<br />
auf den maximalen späteren Betriebsdruck (max. Stauspiegel)<br />
gesteigert. Nun wird auch die Einlaufschütze<br />
geschlossen.<br />
In vorhandenen Vertikalschächten (z. B. Einlauf und<br />
Wasserschloss) wird der Wasserspiegel über einige<br />
Tage beobachtet. Aus dem allfälligen Absinken des<br />
Wasserspiegels kann der totale Wasserverlust berechnet<br />
werden. Der Versuch sollte unter periodischem<br />
Nachfüllen von Wasser so lange andauern, bis der<br />
stationäre Verlust gemessen werden kann. Verluste<br />
durch Schützen, Klappen, Panzertüren werden in Abzug<br />
gebracht, um den Nettoverlust durch den Fels zu<br />
bestimmen.<br />
Nach Druckprobe und Entleerung wird sofort eine<br />
Stollenkontrolle vorgenommen. Neue Risse, Wassereintritte<br />
usw. werden registriert. Allfällige Schäden<br />
werden repariert. In seltenen Fällen mit hohen Verlusten<br />
werden noch Verstärkungen (z. B. ein Innenring)<br />
ausgeführt. Eine erneute Druckprobe wird ausgeführt,<br />
um den Erfolg von Reparaturen oder Verstärkungen<br />
zu überprüfen.
NAGRA NTB 85-30 - 31 -<br />
4.1.4 Bauliche Ausführung der überprüften Druckstollen<br />
Die untersuchten Druckstollen wurden mit Ausnahme<br />
des gefrästen Stollens Gigerwald-Mapragg in konventionellem<br />
Sprengvortrieb erstellt. Die Stollen sind<br />
mit unbewehrtem Beton von 25 - 35 cm (z. T. 50 cm)<br />
Stärke ausgekleidet. Die entstandenen Sprengauflockerungen<br />
sind durch Zementinjektionen wieder verbessert,<br />
d. h. abgedichtet worden. Diese Injektionen<br />
bilden einen Bestandteil der meistens vorgesehenen<br />
Injektionsprogramme, wobei Füll-, Kontakt- und Konsolidationsinjektionen<br />
unterschieden werden.<br />
Länge und Innendurchmesser der Stollen gehen aus der<br />
Tabelle 3 hervor.
NAGRA NTB 85-30 - 33 -<br />
4. 1 .5<br />
4. 1 .6<br />
Gemessene Wasserverluste<br />
Die gemessenen Wasserverluste sind in der Tabelle 3<br />
zusammengestellt.<br />
Als Vergleichswert von Stollen zu Stollen und von<br />
Gestein zu Gestein dient der spezifische Verlust in<br />
Ils • km • bar. Der Gesamtverlust wird somit durch<br />
die Stollenlänge sowie durch den aufgebrachten<br />
Druck, bezogen auf die mittlere Höhe der Stollenachse,<br />
geteilt.<br />
In Tabelle 3 sind die Stollen in der Reihenfolge der<br />
zunehmenden spezifischen Verluste aufgeführt. Zum<br />
Verständnis der Grössenordnung der gemessenen Verluste<br />
sei angeführt, dass für den Kraftwerksbetrieb<br />
im allgemeinen Resultate bis zu 1 Ils • km • bar<br />
gerade noch als tragbar, betrachtet werden.<br />
Interpretation der Wasserverluste<br />
Vorbemerkung: In dieser Auswertung bis und mit Abschnitt<br />
4.1.7 wird die Durchlässigkeit immer in der<br />
früher gebräuchlichen Einheit cmls angegeben. In den<br />
Abschnitten 4.2 und 4.3 (Anwendung für Endlager)<br />
wird auf mls übergegangen.<br />
4.1.6.1 Grundlagen zur Berechnung der Felsdurchlässigkeit<br />
----------------------------------------------<br />
Im folgenden wird versucht, die gemessenen Wasserverluste<br />
mit der Wasserdurchlässigkeit des Gebirges<br />
und der Stollenauskleidung in Beziehung zu setzen.<br />
Sodann werden globale Durchlässigkeitswerte für das<br />
Gebirge berechnet.<br />
Zu diesem Zweck kann die Sickerströmung aus dem<br />
Druckstollen ins Gebirge näherungsweise als Umkehrung<br />
des Vorganges am unendlich langen Brunnen aufgefasst<br />
werden.
NAGRA NTB 85-30 - 34 -<br />
Für den unendlich langen Brunnen gilt bekanntlich:<br />
21T • k F • P<br />
q = R<br />
In - r<br />
mit q = Sickerwassermenge pro Längeneinheit<br />
kF = Durchlässigkeitskoeffizient des Bodens<br />
(Felsens)<br />
( 1 )<br />
p = Ueber- bzw. Unterdruck im Brunnen (Stollen)<br />
R = Brunnenwirkradius<br />
r = Radius des Brunnens (Stollens)<br />
Für den Fall, dass der Stollen mit Beton verkleidet<br />
ist, gibt M. Muskat /5/ folgende veränderte Brunnengleichung:<br />
21T . k B . P<br />
q = k<br />
B<br />
In r + d R<br />
+ In<br />
r r KF + d<br />
mit neu kB = Durchlässigkeitskoeffizient des<br />
Betons<br />
d = Betonstärke<br />
Die Wasserverluste pro Stollenlängeneinheit sind<br />
somit direkt proportional zum Innendruck. Auch Zugspannungen<br />
bzw. allfällige Rissbildungen an der<br />
Stollenwandung, die neben der reinen Materialdurchlässigkeit<br />
oft die wichtigste Ursache für das Auftreten<br />
von Wasserverlusten darstellen, sind direkt<br />
proportional zum Innendruck.<br />
Wird in vorgenannter veränderter Brunnengleichung<br />
(2) für den Wirkradius R der übliche Wert von 500 r<br />
bzw. 500 (r + d) eingeführt und die Betonstärke d zu<br />
0,2 r festgesetzt, so ergibt sich für den spezifischen<br />
Wasserverlust in l/s pro km Stollen und bar<br />
Ueberdruck:<br />
( 2 )
NAGRA NTB 85-30 - 35 -<br />
q in l/s • km • bar ( 3 )<br />
wobei kB und kF in cm/s einzuführen sind.<br />
Aus der Auswertung der Formel (3) für verschiedene<br />
Verhältnisse von kBeton zu kFels können folgende<br />
Schlüsse gezogen werden:<br />
1. Bei schlechten bis mittleren Felsverhältnissen<br />
(Wasserdurchlässigkeit) hat die Dichtigkeit der<br />
Betonverkleidung einen wesentlichen Einfluss auf<br />
die Wasserverluste aus dem Stollen.<br />
2. Bei sehr dichtem Fels spielt die Qualität der<br />
Verkleidung nur eine untergeordnete Rolle, so<br />
dass sie ohne weiteres entbehrt werden kann, wenn<br />
sie nicht aus Gründen der Wandrauhigkeit benötigt<br />
wird (Standsicherheitserwägungen dürften bei<br />
guten Felsverhältnissen ohnehin entfallen).<br />
3. Bei einer guten Betondichtigkeit sind andererseits<br />
die Felsverhältnisse von geringem Einfluss<br />
auf die Wasserverluste.<br />
Die Folgerungen sind für die vorliegende Auswertung<br />
von Bedeutung: Um die Felsdurchlässigkeiten zu berechnen,<br />
muss zuerst die Durchlässigkeit der Betonauskleidung<br />
angenommen werden. Von dieser Annahme<br />
hängt die berechnete Felsdurchlässigkeit ab. Es<br />
zeigt sich, dass die berechnete Felsdurchlässigkeit<br />
umso weniger von der Betondurchlässigkeit abhängt,<br />
je kleiner die Felsdurchlässigkeit selbst ist.<br />
Die Felsdurchlässigkeit wird durch Auflösen der<br />
Beziehung (3) nach kF erhalten:<br />
6,3<br />
mit kF, kB in cm/s und q in l/s • km • bar<br />
(4 )
NAGRA NTB 85-30 - 36 -<br />
Wenn die Betondurchlässigkeit gross ist, so hängt<br />
die Bestimmung von kF wenig bis gar nicht von kB<br />
ab. Für sehr geringe Messwerte von q trifft dasselbe<br />
zu. Dies ist der schon erwähnte Fall der an sich<br />
geringen Felsdurchlässigkeit.<br />
Bei sehr grosser Betondichtigkeit versagt die Auswertungsmethode.<br />
Es leuchtet ein, dass keine Aussage<br />
mehr über den Fels gemacht werden kann, wenn die<br />
Stollenauskleidung praktisch wasserdicht ist.<br />
Bei den ausgewerteten Stollen wurde meistens nur<br />
eine unbewehrte Betonauskleidung vorgesehen. Deshalb<br />
entstehen im Betrieb unter dem Wasserinnendruck<br />
feine oder manchmal auch gröbere Risse, die sich bei<br />
Entleerung des Stollens 'wieder schliessen. Deshalb<br />
dürften übliche Laborwerte der Betondurchlässigkeit<br />
(Bereich 10- 7 bis 10- 9 cm/s) sehr selten erreicht<br />
werden.<br />
Bei der Berechnung der kF-Werte für jeden Stollen<br />
in Tabelle 4 wurde kB in weiten Grenzen variiert,<br />
um das eben Gesagte numerisch zu veranschaulichen.<br />
Ein weiterer Einflussfaktor bei der Bestimmung von<br />
kF betrifft den Bergwasserspiegel. In Beziehung<br />
(2) ist der Druck p als Differenz zwischen dem<br />
Wasserdruck im Stollen und dem Bergwasserdruck einzusetzen.<br />
Solange die Stollen eindeutig über einern durchgehenden<br />
Bergwasserspiegel liegen, kann der Innendruck<br />
ohne Abzug eingesetzt werden. Dies dürfte bei den<br />
untersuchten Stollen oft erfüllt sein, da die Stollen<br />
hoch über der Talsohle flach zum jeweiligen Wasserschloss<br />
führen, von welchem dann das konzentrierte<br />
Gefälle ausgenützt wird. Die Stollen weisen deshalb<br />
bezüglich dem Haupttal eine Hochlage auf.<br />
Immerhin sind auch aus der Schweiz einige Stollen<br />
bekannt, bei denen die Zuflüsse grösser waren als<br />
die Verluste. Diese Stollen (z. B. ein Stollen im<br />
Vorderrheintal) wurden für die vorliegende Studie<br />
nicht berücksichtigt.
NAGRA NTB 85-30 - 37 -<br />
Diejenigen Fälle, bei denen der Innendruck durch den<br />
Aussendruck nur teilweise reduziert wird, sind<br />
schwieriger zu erkennen.<br />
Quantitative Aussagen k6nnen nur gemacht werden,<br />
wenn Piezometermessungen zur Erfassung des Bergwasserspiegels<br />
vorhanden sind.<br />
Zur Abschätzung des Fehlers, der entstanden sein<br />
kann, wenn im einen oder anderen Fall die Wirkung<br />
eines Bergwasserspiegels nicht entdeckt wurde, wird<br />
Formel (4) betrachtet.<br />
In (4) hat der spezifische Verlust q die Einheit<br />
l/s • km • bar. Für die wirksame Druckdifferenz ßp<br />
ergibt sich der Verlust q* = q • ßp in l/s • km. Es<br />
gilt somit:<br />
q = q*<br />
rp<br />
Einsetzen von (5) in (4) ergibt<br />
k F<br />
=<br />
6,2 k<br />
B<br />
q*<br />
rp<br />
6,3 10<br />
5<br />
k<br />
B - 0,18<br />
q*<br />
:zrp<br />
bzw.<br />
6,2 k q*<br />
B<br />
k<br />
F = 5<br />
6,3 10 k ßp 0,18 q*<br />
B -<br />
Numerisches Beispiel für einen Fall mit reduziertem<br />
ßp:<br />
ßp = 7,1 bar (voller Druck)<br />
q = 0,33 l/s km • bar<br />
q* = q • ßp = 2,34 l/s • km<br />
kB = 10- 6 cm/s<br />
(5 )<br />
( 6 )
NAGRA NTB 85-30 - 38 -<br />
ßp kF<br />
(bar) % (cm/s)<br />
7 , 1 100 3,59 · 10- 6<br />
3,55 50 7,99 · 10- 6<br />
1,775 25 20,81 10- · 6<br />
0,8875 12,5 85 10- 6<br />
·<br />
Das Beispiel zeigt, dass Druckabweichungen bis zu<br />
rund 50 % die Grössenordnung der berechneten Felsdurchlässigkeit<br />
kF nicht verändern. Bei grösseren<br />
Abweichungen nimmt der Fehler allerdings exponentiell<br />
zu.<br />
Für die Belange der vorliegenden Auswertung werden<br />
allfällige Fehler aus der Wirkung des Bergwasserspiegels<br />
für tragbar betrachtet, da die berechnete<br />
Grössenordnung von kF als gesichert gelten kann.<br />
Gleichung (2) zeigt, dass der Brunnenwirkradius R<br />
einen Einfluss auf die Berechnung von kF ausübt.<br />
Eine Variation des Verhältnisses<br />
Einfluss aufzeigen.<br />
R<br />
r + d<br />
Als typisches Beispiel wird gewählt:<br />
q = 0,30 l/s<br />
kB = 10- 6 cm/s<br />
R<br />
r + d<br />
km • bar<br />
= 100, 200, 500, 1 000<br />
Mit diesen Werten erhält man:<br />
R<br />
r + d<br />
100<br />
200<br />
500*<br />
1 000<br />
kF<br />
(cm/s)<br />
2,40 • 10- 6<br />
2,76 • 10- 6<br />
3,23 • 10- 6<br />
3,60 • 10- 6<br />
* für Auswertung gewählt<br />
soll diesen
NAGRA NTB 85-30 - 39 -<br />
Für die Praxis sind Wirkungsradien von weniger als<br />
500 (r + d) von Interesse, wobei an eine relativ<br />
nahe Geländeoberfläche gedacht wird. In diesem Fall<br />
ist der Druckgradient des Felswassers grösser als<br />
bei durchschnittlichen Verhältnissen (R/r + d =<br />
500), so dass die Felsdurchlässigkeit in Wirklichkeit<br />
kleiner sein muss. Die Variation der kF-Werte<br />
ist jedoch bescheiden, wie die vorstehende Tabelle<br />
zeigt.<br />
Die bisherigen Ueberlegungen beruhen alle auf einem<br />
zweidimensionalen Modell, worin die Strömungsvorgänge<br />
in Querschnittsebenen betrachtet werden, die normal<br />
zur Stollenachse stehen.<br />
Für die Stollen mit überragender Längenausdehnung<br />
ist dies richtig, zumal, da der statische Druck während<br />
des Abpressversuchs von Ort zu Ort im Stollen<br />
kaum ändert, da die Stollen mehr oder weniger horizontal<br />
verlaufen. Somit bestehen für Wasser, welches<br />
in den Fels eindringt, in verschiedenen Querschnitten<br />
fast die gleichen Druckbedingungen (Risse in Beton<br />
gleichmässig verteilt). Es ist unwahrscheinlich,<br />
dass Wasser beispielsweise in einer angenommenen<br />
Auflockerungszone hinter der Betonauskleidung in.<br />
Längsrichtung (parallel zur Stollenachse) sehr weit<br />
strömt, da die Auflockerung nicht kontinuierlich<br />
vorhanden ist.<br />
Hingegen muss überlegt werden, ob in den Stollen<br />
Endzonen durch Entweichen von Wasser parallel zur<br />
Stollenachse hin zur freien Oberfläche singuläre<br />
Wasserverluste stattfinden.<br />
Durch bauliche Massnahmen sind solche Endverluste<br />
weitgehend unterbunden, indem die Endzonen eine<br />
durchgehende Stahlpanzerung aufzuweisen pflegen. Je<br />
nach Hangneigung und Standort des Wasserschlosses<br />
beträgt die Länge der Stahlpanzerung 100 - 200 m<br />
oder mehr. Mit der Panzerung kann man Endverluste<br />
meistens unterbinden. Drainagebohrungen dienen zur<br />
genauen Kontrolle, da Wasseraustritte im Bereich von<br />
Wasserschloss und Beginn der Druckleitung/Druckschacht<br />
unbedingt vermieden werden müssen wegen möglicher<br />
Hangrutschungen usw. Falls bei Abpressversuchen<br />
Drainagewasser festgestellt wurde, wurde dieses<br />
zur Berechnung des Nettoverlustes vom Bruttoverlust<br />
abgezogen.
NAGRA NTB 85-30 - 41 -<br />
Die ermittelten Werte stellen die globalen Felsdurchlässigkeiten<br />
über die ganzen Stollenlängen dar,<br />
wobei ein Wertebereich von 10- 4 bis 10- 7 cm/s resultiert.<br />
Pro Stollen wurden zum Teil mehrere geologische<br />
Einheiten in den Globaltest einbezogen, so dass<br />
ein Rückschluss auf das Verhalten einer bestimmten<br />
geologischen Einheit nicht immer leicht ist. Durch<br />
das Studium der einzelnen geologischen Profile längs<br />
der untersuchten Druckstollen konnten aber doch<br />
einige einzelne Gebirgsformationen mit den zugehörigen<br />
Durchlässigkeiten kF bestimmt werden. Diese<br />
etwas allgemeiner verwendbaren Resultate der in der<br />
Studie berücksichtigten schweizerischen Druckstollen<br />
(Auswahl) sind in der Tabelle 6 zusammengefasst.
NAGRA NTB 85-30<br />
Tabelle 5: (Fortsetzung)<br />
Albigna-Murtaira<br />
L immern<br />
Rempen-Siebnen<br />
Mauvoisin-Bocheresse<br />
2.0 . 10- 5<br />
3.9 . 10- 5<br />
1.4 . 10- 4<br />
2.0 . 10- 4<br />
- 44 -<br />
Granit<br />
Kal k<br />
Mergel u. Sandsteine<br />
(Molasse)<br />
Bündnerschiefer, Quarzite,<br />
Dolomite<br />
Betonauskleidung<br />
Betonauskleidung<br />
50 cm Beton und z.T.<br />
7-8 cm Spritzbeton<br />
anniert<br />
25 cm Beton u. bewehrter<br />
Spritzbeton<br />
1) Wenn keine Stärke angegeben ist, handelt es sich im Nonnalfall um 25-35 cm Beton
NAGRA NTB 85-30 - 45 -<br />
Tabelle 6: Felsklassifikation nach Durchlässigkeit aufgrund<br />
der Stollenabpressversuche<br />
Felsdurchlässigkeit kF (in cm/s) Felsformation<br />
10- 7 bis 10- 6 (5 • 10- 6 ) kristalline Schiefer<br />
(z. B. Casannaschiefer),<br />
Gneise<br />
(10- 6 ) 5 • 10- 6 bis 10- 5<br />
10- 5 bis 5 • 10- 5<br />
(5 • 10- 6 ) 10- 5 bis 5 • 10- 5<br />
10- 4 bis 5 • 10- 4<br />
Werte in Klammern: seltene Extremwerte<br />
Bündnerschiefer<br />
(Tonschiefer, Kalkschiefer)<br />
und Flysch<br />
stark geklüfteter Granit<br />
und Porphyr<br />
DOlomit, Kalk; nicht verkarstet<br />
Sandstein (Molasse)
NAGRA NTB 85-30 - 46 -<br />
4. 1 • 7 Schlussfolgerungen<br />
Die ermittelten kF-Werte liegen nach Heitfeld in<br />
/6/ im Bereich "deutlich durchlässig" beim Sandstein bzw.<br />
"gering durchlässig" bei den kristallinen Schiefern und<br />
Gneisen. Zum Vergleich mit dem ganzen Schwankungsbereich<br />
des kF-Wertes wird die entsprechende Gliederung nach<br />
Heitfeld herangezogen:<br />
Gestein kF-Wert<br />
sehr gering durchlässig < 1 10- 8 cm/s<br />
gering durchlässig > 1 · 10- 8 cm/s bis ·<br />
10- 5<br />
deutlich durchlässig > 1 • 10- 5 cm/s bis 5 · 10- 3<br />
stark durchlässig > 5 · 10- 3 cm/s bis 1 ·<br />
sehr stark durchlässig > 1 · 10- 1 cm/s<br />
Zur Tabelle 6 im einzelnen sei folgender Kommentar<br />
angefügt:<br />
1. Die getesteten kristallinen Schiefer und Gneise<br />
gehören vorwiegend den penninischen Decken an.<br />
Die tektonische Vorgeschichte dieser Decken hat<br />
meistens eine recht ausgeprägte Klüftung erzeugt.<br />
Die Durchlässigkeit in den autochthonen<br />
Massiven und im Grundkristallin dürfte zum Teil<br />
geringer sein.<br />
10- 1<br />
2. Die Resultate im Bündnerschiefer, aber auch im<br />
Flysch, rufen nach einem Quervergleich mit den<br />
Mergeln. In wenig geklüfteten, plastischen, stark<br />
tonhaItigen Mergeln oder in tektonisch stark belasteten<br />
Formationen, wie z. B. in Valanginienmergeln<br />
des Gebietes Oberbauenstock, dürfte jedoch die<br />
Durchlässigkeit erheblich kleiner als im Bündnerschiefer<br />
sein.<br />
3. Aus den Versuchen in Granit und Porphyr ist zu<br />
schliessen, dass eine deutliche Klüftung wie erwartet<br />
eine erhebliche Durchlässigkeit erzeugt<br />
(deutliche Zerrklüfte im Bergellergranit und<br />
Zerr-/Druckklüfte im Rofnaporphyr). Eine Uebertragung<br />
auf andere Granite ist nur bedingt möglich.<br />
cm/s<br />
cm/s<br />
cm/s
NAGRA NTB 85-30 - 47 -<br />
4. Die getesteten Kalke und Dolomite zeigen entsprechend<br />
ihrer Bankung und Klüftung ebenfalls<br />
eine deutliche Durchlässigkeit.<br />
5. Eine noch höhere Durchlässigkeit weisen die Sandsteine<br />
der aufgeschobenen Molasse auf. Es wird<br />
angenommen, dass flach liegende Sandsteine (Mittelland)<br />
mit weniger ausgeprägter Klüftung im<br />
allgemeinen auch eine geringere Durchlässigkeit<br />
aufweisen. Bezüglich der Durchlässigkeit der<br />
Sandsteine ist der Einfluss des Alters des Gesteins<br />
zu erwähnen. Karrenberg /6/ berichtet z. B.<br />
von Sandsteinen des Devon mit kF = 2 • 10- 11 bis<br />
10- 12 cm/s. Meistens gilt die Regel, dass die älteren<br />
Gesteine undurchlässiger sind als die jüngeren.<br />
Der Unterschied zwischen der Gesteinsdurchlässigkeit<br />
und derjenigen des Gebirges samt allen Klüften,<br />
Schichtfugen usw. ist augenfällig. Als Beispiel sei<br />
eine Aufstellung von Louis /7/ zitiert:<br />
Gestein Fels mit einer Kluft<br />
prom<br />
Gesteinsart Spalt- kF (cm/s) in<br />
(ungeklüftet) k(; (cm/s) weite der Kluft-<br />
(rnm) richtung<br />
1 • Kalksteine 0,36 - 23 • 10- 13<br />
2. Sandsteine<br />
· Karbon 0,29 - 6 • 10-11<br />
• Devon 0,21 - 2 • 10-11<br />
3. Mischgesteine<br />
· sandig-kalkig 0,33 - 33 • 10- 12<br />
• tonig-kalkig 0,85 - 130 • 10- 13<br />
• kalkig-tonig 0,27 - 80 • 10- 12<br />
0,1 0,7 • 10- 4<br />
0,2 0,6 • 10- 3<br />
0,4 0,5 • 10- 2<br />
0,7 2,5 • 10- 2<br />
1,0 0,7 • 10- 1<br />
4. Granit 0,5 - 2 • 10- 10 2,0 0,6<br />
5. Schiefer 0,7 - 1,6 • 10- 10 4,0 0,5 • 10 1<br />
6. Kalkstein 0,7 - 120 • 10- 9 6,0 1,6 • 10 1<br />
7. Dolomit 0,5 - 1,2 • 10- 8<br />
Tabelle 7: Durchlässigkeit von ungeklüftetem Gestein<br />
und geklüfteter Felsformation
NAGRA NTB 85-30 - 48 -<br />
Diese Angaben über die Durchlässigkeit geklüfteter<br />
Medien (rechte Kolonne der Tabelle) basieren auf<br />
Berechnungen und systematischen Modellversuchen.<br />
Nochmals zeigt es sich, dass sich grossräumige Versuchsanordnungen,<br />
wie z. B. Stollenabpressversuche,<br />
zur Bestimmung von repräsentativen Durchschnittswerten<br />
der Durchlässigkeit eines Gebirgskörpers besonders<br />
eignen. Lugeon-Abpressversuche im Bohrloch oder<br />
Abpressversuche von Druckkammern geben punktweise<br />
Aussagen und erfassen oft zu geringe Gebirgsvolumina<br />
oder nur ganz lokale Verhältnisse. Auch bei Ausführung<br />
von vielen einzelnen Punktmessungen dürfte der<br />
Schluss auf grossräumig wirksame Durchlässigkeiten<br />
nicht leicht sein. Zudem ist beim Vergleich von<br />
kF-Werten, die aus verschiedenen Quellen stammen,<br />
grosse Vorsicht am Platz. Diese Interpretation der<br />
grossräumigen Durchlässigkeit anhand von Punktmessungen<br />
bedingt ausserdem eine genaue Erfassung der<br />
Trennflächengeometrie. Es können grosse Abweichungen<br />
auftreten, die zum Teil aus den ganz unterschiedlichen<br />
Versuchsanordnungen herrühren können (Gestein/<br />
Gebirgsverband).<br />
Die vorliegende Bestimmung von Fels-Durchlässigkeiten<br />
kF an Formationen der Schweizer Alpen dürfte<br />
von Interesse sein, da bisher unseres Wissens im betrachteten<br />
Raum noch keine anderen grossräumigen<br />
Messungen ausgeführt worden sind.<br />
In einem separaten Bericht (NTB 85-29) wird die<br />
grossräumige Durchlässigkeit der Valanginienmergel<br />
am Gebiet Oberbauenstock anhand der Trennflächengeometrie<br />
und von Verdunstungsrechnungen abgeschätzt.<br />
4.2 Durchlässigkeit der elastischen Zone<br />
Im NTB 85-29, sowie zusammengefasst im NGB 85-07,<br />
wird begründet und vorgeschlagen, dass für das<br />
Projekt Gewähr 1985 für das Wirtgestein (Valanginienmergel)<br />
grossräumig mit einer Durchlässigkeit<br />
KO = 10- 10 m/s gerechnet werden kann. In der sogenannten<br />
elastischen Zone gilt demnach dieser Wert.<br />
Untersuchungen über den k-Wert der elastischen Zone<br />
sind nur am Rand Gegenstand des vorliegenden Berichtes.
NAGRA NTB 85-30 - 52 -<br />
Es ist nicht zu erwarten (siehe Abschnitt 3.3.5),<br />
dass gewöhnliche mechanische rheologische Effekte<br />
zu einer allmählichen Verdichtung (Kompression)<br />
der Auflockerungszone führen werden. Andererseits<br />
ist das Spalt-Quellen ein eigentlicher Sicherheitsmechanismus.<br />
Ueberall dort, wo wirklich einmal<br />
Wasser fliessen sollte, wird der abdichtende<br />
Quellvorgang in Gang kommen. Somit wird sich die<br />
Abdichtung selbst regulieren und eine Durchlässigkeit<br />
von 10- 8 m/s oder weniger wird beibehalten.<br />
Es bleibt zu ergänzen, dass die Durchlässigkeit<br />
innerhalb der Auflockerungszone radiusabhängig ist.<br />
Naturgemäss ist die Auflockerung nahe am Ausbruchrand<br />
grösser als weiter im Gebirge drin. Es wird<br />
deshalb empfohlen, eine dünne innere Zone mit 10 x<br />
10- 8 m/s anzunehmen. Dazu ist anzumerken, dass die<br />
Durchlässigkeit der Auflockerungszone in der Praxis<br />
mit künstlichen Mitteln beeinflusst werden wird.<br />
Genannt seien:<br />
- Injektionen (ganze Zonen und/oder lokale Sperr<br />
Schleier)<br />
- Felsersatz mittels Beton (Wegschälen und Ersetzen<br />
ganzer Zonen oder Bau einzelner Diaphragmen)<br />
Der Vollständigkeit halber sei noch vermerkt, dass<br />
Messungen im Kristallin darauf hinweisen, dass sich<br />
unmittelbar an der Ausbruchwand von Kavernen eine<br />
Zone mit niedriger Durchlässigkeit bilden kann<br />
(Skin-Effekt) /8/.
NAGRA NTB 85-30 - 53 -<br />
5. SCHLUSSFOLGERUNGEN<br />
Die wichtigsten Feststellungen und Resultate der<br />
vorliegenden Untersuchung über die Auflockerungszone<br />
lassen sich in den folgenden Schlussfolgerungen zusammenfassen:<br />
1. Die Bildung der Auflockerungszone beim Stollen-,<br />
Tunnel-, Kavernen- oder Schachtvortrieb hängt bezüglich<br />
der Grösse (radiale Ausdehnung) nicht nur<br />
vom Gebirge, sondern auch von bautechnischen<br />
Randbedingungen ab.<br />
Spannungshöhe und Spannungsverteilung beeinflussen<br />
direkt die radiale Ausdehnung der Auflockerungszone.<br />
Auf der Seite des Materialverhaltens<br />
spielen Scherfestigkeit und Volumenverhalten beim<br />
Bruchfliessen eine grosse Rolle.<br />
Die Art des gewählten Vortriebs kann die Bildung<br />
der Auflockerung stark beeinflussen. Wird ein<br />
Sprengvortrieb gewählt, so überlagern sich im<br />
innersten Bereich der Auflockerungszone Sprengauflockerungen<br />
der rein felsmechanisch bedingten<br />
Auflockerung. Aber auch ohne Sprengmassnahmen<br />
hängt die Auflockerung vom Einbauzeitpunkt und<br />
der Steifigkeit der Stützmassnahmen sowie vom<br />
jeweiligen Ringschluss ab, welcher die Stützmassnahmen<br />
statisch wirksam werden lässt.<br />
2. Zahlenmässige Angaben über die radial gemessene<br />
Dicke der Auflockerungszone sind in Abschnitt 3.2<br />
für verschiedene Gebirgsüberlagerungen sowohl für<br />
den Verbindungsstollen wie auch für die Lagerkavernen<br />
aufgeführt.<br />
- Für den Verbindungsstollen werden 2 - 5 m erwartet.<br />
- Für die Lagerkavernen muss mit 12 - 17 m gerechnet<br />
werden, falls die Betonauskleidung erst<br />
nach dem kompletten Ausbruch der betroffenen<br />
Kaverne ausgeführt werden kann (Ringschluss).
NAGRA NTB 85-30 - 54 -<br />
3. Zeitliche Veränderungen in der Auflockerungszone:<br />
Es zeigt sich, dass das relativ bescheidene, aber<br />
doch vorhandene Quellpotential des Valanginienmergels<br />
den Mechanismus des sog. Spalt-Quellens<br />
in Gang setzen kann, sobald in der Auflockerungszone<br />
eine Wasserzirkulation einsetzen sollte. Das<br />
Quellpotential ist theoretisch ausreichend, um in<br />
der Auflockerungszone neu gebildete Risse wieder<br />
zu schliessen. Dabei stellt das Spalt-Quellen<br />
einen eigentlichen Sicherheitsmechanismus dar:<br />
Das Quellen setzt ein, sobald Wasser zirkuliert.<br />
Ueberall dort, wo eine für die Endlagerung unerwünschte<br />
Zirkulation besteht oder einsetzt, ist<br />
automatische Selbstabdichtung durch das Spalt<br />
Quellen zu erwarten.<br />
Andere, klassische rheologische Vorgänge wie das<br />
mechanische Kriechen der Auflockerungszone unter<br />
der Gebirgslast kommen für den Valanginienmergel<br />
unter der vorhandenen Gebirgsüberlagerung kaum<br />
zum Tragen. Es ist nach dem heutigen Stand der<br />
Kenntnisse über das Kriechverhalten des Valanginienmergels<br />
eher unwahrscheinlich, dass durch<br />
Kriechen eine nahmhafte Kompression und Abdichtung<br />
der Auflockerungszonen eingeleitet wird.<br />
4. Durchlässigkeit der Auflockerungszone:<br />
Als Grundlage für die Untersuchung des hydraulischen<br />
Verhaltens der Auflockerungszone wurde vorstehend<br />
zunächst eine grössere Untersuchung der<br />
Durchlässigkeit ausgedehnter geklüfteter geologischer<br />
Formationen durchgeführt. Zu diesem Zweck<br />
wurden Sickerwasserverluste aus vielen Kraftwerksstollen<br />
des schweizerischen Alpenraumes ausgewertet.<br />
Eine Korrelation zwischen den Wasserverlusten<br />
und der Durchlässigkeit der vorhandenen<br />
geologischen Formationen wurde dazu benützt, die<br />
grossräumig gültigen Durchlässigkeitsbeiwerte<br />
(k-Werte) zu bestimmen. Es konnte sodann eine<br />
eigentliche Felsklassifikation für einige häufige<br />
Gesteine wie Molassesandstein, Kalk, DOlomit,<br />
Granit, Bündnerschiefer, Gneise und kristalline<br />
Schiefer bezüglich der Durchlässigkeit aufgestellt<br />
werden.<br />
Diese Untersuchungen deuten darauf hin, dass der<br />
k-Wert des Valanginienmergels des Oberbauenstocks<br />
im ungestörten Zustand (elastische Zone) wesentlich<br />
unter 10- 9 m/s liegen dürfte; Ansatz:<br />
k = 10- 10 m/s. Dies steht nicht im Widerspruch zu
NAGRA NTB 85-30 - 55 -<br />
Werten, die aus dem Seelisbergtunnel gewonnen<br />
wurden (NTB 85-29). In der Auflockerungszone<br />
selbst könnte die Dur9hlässigkeit gerade nach dem<br />
Ausbruch auf rund 10- m/s ansteigen. Durch die<br />
Wirkung der Spalt-Quellung dürfte die Durchlässigkeit<br />
auf ca. 10- 8 bis 10- 9 mls sinken.Es ist<br />
wahrscheinlich, dass diese Durchlässigkeit in der<br />
Auflockerungszone isotrop gültig ist. Um zu berücksichtigen,<br />
dass der innere Rand der Auflockerungszone<br />
aus felsmechanischen, aber vor allem<br />
aus bautechnischen Gründen stärker aufgelockert<br />
sein dürfte als die weiter im Gebirge liegenden<br />
Bereiche, kann eine dünne Zone mit erhöhter<br />
Durchlässigkeit direkt am Ausbruchrand eingeführt<br />
werden.<br />
Somit kann für die Zeitphase nach einigen Betriebsjahren<br />
des Endlagers bzw. nach Abschluss<br />
der 50jährigen Betriebsphase folgende radiale<br />
Verteilung der Durchlässigkeit am Rand der Stollen,<br />
Tunnel oder Lagerkavernen am Standort Oberbauenstock<br />
angenommen werden:<br />
Durchlässigkeit<br />
K [m/s]<br />
ca.<br />
50 cn<br />
Auflockerungszone<br />
Figur 9: Radiale Verteilung der Durchlässigkeit<br />
nach einigen Betriebsjahren des Endlagers<br />
(Ansatz für die Sicherheitsanalyse)<br />
Radiale Entfernung<br />
vom Ausbruchrand
NAGRA NTB 85-30 - 56 -<br />
Das Diagramm Figur 9 ist insofern konservativ,<br />
als die Durchlässigkeit von 10- 8 mls an sich sehr<br />
vorsichtig geschätzt wurde, und z. B. dem Spalt<br />
Quellen nur eine geringe Wirkung zuschreibt. Zudem<br />
sind keinerlei bautechnische Verbesserungen<br />
(Ersatz der innersten Felszone, Injektionen) berücksichtigt<br />
worden.<br />
5. Alle wichtigen Modelle und die vorgeschlagenen<br />
Daten des vorliegenden Berichts sollten in späteren<br />
Untersuchungen erhärtet werden. Entsprechende<br />
Programme müssen, soweit sie nicht schon vorliegen,<br />
für die geplante Sondierphase am Endlager<br />
Standort aufgestellt werden und erfassen:<br />
- Ausdehnung der Auflockerungszone für variable<br />
Einbaukonfigurationen<br />
- Auflockerungsmass, Klüftung, Porosität<br />
- Spalt-Quellen (Labor)<br />
- Kriechen (in situ und Labor)<br />
- Durchlässigkeit der Auflockerungszone (in Funktion<br />
der Zeit, Richtungsabhängigkeit, Wirkung<br />
von baulichen Massnahmen wie z. B. Injektionen)
NAGRA NTB 85-30<br />
/3/<br />
/4/<br />
/5/<br />
/6/<br />
/7/<br />
/8/<br />
/9/<br />
/10/<br />
- 58 -<br />
Gy seI, M • (1 9 7 7 ) :<br />
A Contribution to the Design of a Tunnel<br />
Lining in Swelling Rock. Rock Mechanics<br />
10, pp. 55 - 71<br />
Bellwald, Ph. (1984):<br />
Dimensioning of Supports for Circular<br />
Cavities in Swelling Rock.<br />
Report to the ISRM-Commission on Swelling<br />
Rock<br />
Muskat, M. (1946):<br />
The Flow of Homogeneous Fluids through<br />
Porous Media.<br />
Mc Graw-Hill, New York and London<br />
Ka r ren b erg, H. (1 9 8 1 ) :<br />
Hydrogeologie der nichtverkarstungsfähigen<br />
Festgesteine; Springer-Verlag<br />
Lou i s, C. (1967):<br />
Strömungsvorgänge in klüftigen Medien und<br />
ihre Wirkung auf die Standsicherheit von<br />
Bauwerken und Böschungen im Fels.<br />
Veröffentlichungen des Instituts für<br />
Bodenmechanik und Felsmechanik der Universität<br />
Karlsruhe, Heft 30<br />
Wilson, C. R. et ale (1983):<br />
Large scale Hydraulic Conductivity<br />
Measurements in Fractured Granits.<br />
Int. J. Rock Mech. Min. Sci & Geomech.<br />
Abstr. Vol. 20, No. 6, pp. 269 - 276<br />
Lombardi, G. (1968):<br />
Der Einfluss der Felseigenschaften auf die<br />
Stabilität von Hohlräumen.<br />
Schweiz. Bauzeitung, 87. Jahrgang, Heft 3<br />
Fritz, P. (1981):<br />
Numerische Erfassung rheologischer Probleme<br />
in der Felsmechanik.<br />
Institut für Strassen-, Eisenbahn- und<br />
Felsbau der Eidg. Technischen Hochschule<br />
Zürich, Mitteilung Nr. 47