Sultartangavirkjun

Aðrennslisgöng Sultartangavirkjunar

-Stærstu göng á Íslandi-

Inngangur

Sultartangavirkjun í Þjórsá var reist af Landsvirkjun í tveimur áföngum á árunum 1997 til 2000. Um er að ræða 120MW vatnsaflsvirkjun sem virkjar fallið milli Sultartangalóns og Bjarnalóns ofan Búrfells. Virkjunarsvæði Sultartangavirkjunar nær frá stífluenda Sultartangastíflu við yfirfallið við Hald að enda frárennslisskurðar rétt ofan Bjarnarlóns, eða sem nemur 19 km, sjá mynd 1.

Rannsóknir á virkjunarkostum Þjórsár við Sultartanga hófust á sjötta áratugnum og stóðu yfir af og til allt fram að því er framkvæmdir við 1.áfanga byggingarframkvæmdanna hófust vorið 1997. Segja má þó að mestur þungi hafi verið á rannsóknarvinnu á sjöunda og áttunda áratugnum.

Mynd 1. Sultartangavirkjun-Afstöðumynd.

Forsendur virkjunar við Sandafell eru að hægt sé að nýta fall bæði Þjórsár og Tungnaár sem renna saman neðan Sultartanga, þar sem nýting orkunnar kemur fremur úr miklu vatnsmagni en virkjanlegu falli. Ljóst var því að stífla þyrfti þvert yfir Sultartanga og allt að Haldi í Tungnaá til að mögulegt væri að mynda nauðsynlegt vatnsrými og byggja upp nægilegt fall til virkjunar. Lega væntanlegrar Sultartangastíflu var framan af rannsóknartímanum óviss og endanleg staðsetning hennar var ekki ákveðin fyrr en rétt upp úr 1980. Stíflan var síðan reist á árunum 1982-1984 með væntanlega hækkun um 1m í huga þegar kæmi að byggingu Sultartangavirkjunar. Byggingu stíflunnar var flýtt frá því sem upphaflega var áætlað til að hamla gegn ísavandamálum í Þjórsá ofan Búrfellsvirkjunar fyrst og fremst en síðar kom í ljós að setmyndun úr Bjarnalóni fluttist að stórum hluta í Sultartangalón. Sultartangastífla er lengsta stífla landsins, liðlega 6 km löng jarðstíflu með þéttikjarna og 12 m að meðalhæð. Á byggingartíma Sultartangavirkjunar var hún síðan hækkuð um 1m og byggt við hana svokallað stillanlegt gúmmíyfirfall, 400 m langt, við Hald í Tungnaá.

Framhaldsrannsóknir á virkjunarsvæðinu beindust fyrst og fremst að því að finna hagstæðustu staðsetninguna fyrir stöðvarhúsið með tilliti til orkunýtingar. Ljóst var að hagkvæmasti kosturinn fengist með því að grafa stöðvarhúsið nægilega djúpt niður í rætur Sandafells til að nýta fallið að Bjarnalóni. Orkugetan er þó fremur bundin við vatnsmagn en hið virkjanlega fall, 43 m, og því var nauðsynlegt að grafa nægilega stór göng til að geta flutt virkjanlegt vatnsmagn Þjórsár gegnum Sandafell og að lækka yfirborð frárennslisvatns niður fyrir vatnsborð Þjórsár í farvegi sínum. Þessi framkvæmd kallaði því á göng í stóru þversniði til að flytja þetta vatnsmagn.

Frárennslisskurður Sultartangavirkjunar er liðlega 7.2 km langur. Hann liggur niður með farvegi Þjórsár allt að Bjarnarlóni Búrfellsvirkjunar. Hann er með 12-20 m botnbreidd og að mestu forsprengdur í hið sex þúsund ára gamla Þjórsárhraun (Thi).

Framvinda

Aðrennslisgöng Sultartangavirkjunar verða að teljast einstök fyrir þær sakir hversu stór þau eru í þversniði. Í hönnunarforsendum var gert ráð fyrir um 3.4 km beinni gangalínu með um 135 m² þversniði með hefðbundnu lagi, lóðréttum veggjum og hvolfþaki, en í verkbyrjun var það stækkað í liðlega 151 m². Formi þess var einnig breytt í ellipsuform með langás 19m langan, þverskorinn að neðan um 4 m og 12 m langan skammás.

Hafist var handa við 1. áfanga Sultartangavirkjunar í apríl 1997. Um var að ræða útgröft fyrir sveifluþró og stöðvarhúsgryfju ásamt aðkomu um efsta hluta frárennslisskurðar.

Vinna við 2. áfanga hófst síðan í ágúst 1997 og gröftur aðrennslisganga virkjunarinnar hófst um miðjan október 1997. Útgröftur ganganna byggðist á hefðbundnu verklagi með borun og sprengingum. Göngin voru fyrstu mánuðina grafin eingöngu úr suðvestri í átt frá stöðvarhússgryfju en frá páskum 1998 var einnig grafið úr norðaustri frá aðrennslisskurði, eftir að hann var að mestu útgrafinn. Efri hluti ganganna, efstu sjö og hálfi metrinn, var að mestu grafinn út í samfelldri vinnu og þegar um 400 m voru eftir af útgreftri þess hluta var hafist handa við útgröft neðri hluta ganganna norðan frá. Að endingu var um hálfs metra vegfylling verktaka fjarlægð til að stækka frekar þverskurðarflatarmál ganganna eins og hægt var. Útgreftri ganganna var að fullu lokið síðla í júní 1999 á tæpum tuttugu mánuðum.

Mynd 2. Framvinda graftrar Sultartangaganga.

Verktaki var Fossvirki-Sultartanga; samsteypa verktakafyrirtækjanna Skanska frá Svíþjóð, hins danska Phil og íslenska verktakafyrirtækisins Ístaks. Þessi verktaki var um þetta leyti rétt að ljúka útgreftri Hvalfjarðarganga og hafði því bæði nauðsynlegan tækjakost og vel þjálfaðan mannafla reiðubúinn til verksins. Í þessu samhengi má nefna að stæsta þversnið Hvalfjarðarganga er um 90 m².

Verkfræðistofan VSÓ ráðgjöf og þýska verkfræðifyrirtækið Lahmeyer International fóru með framkvæmdaeftirlit. Um var að ræða fyrsta útboð á eftirliti með virkjunarframkvæmdum á vegum Landsvirkjunar.

Jarðgangavinna gekk í öllum aðalatriðum vel og verkáætlun stóðst í megin atriðum.

Vóg þar þungt reynsla verktakans á þessu sviði. Verkið var í upphafi skipulagt með hliðsjón af ákveðnum gæðakerfum af hendi bæði eftirlits og verktaka. Þótti það fyrirkomulag heppnast vel og allur árangur ásættanlegur.

Verkfræðistofa Sigurðar Thoroddsen (VST) sá um hönnun jarðganganna.

Forrannsóknir og hönnun

Frumrannsóknir vegna jarðgangagerðar gegnum Sandafell voru að mestu unnar á tíu ára tímabili, milli 1975-1985. Má þar helstar nefna loftmyndatúlkun til nákvæmiskortlagningar bæði yfirborðs og sprungna, borkjarnagreiningar til jarð- og berggrunnskortlagningar, svo og jarðeðlisfræðilegar mælingar m.a. til að kortleggja misgengi og meiriháttar jarðlagaskil í berggrunninum. Ennfremur voru gerðar jarðspennumælingar (“hydrologic fracturing”) í einni kjarnaholanna sem boruð var um miðbik jarðgangaleiðarinnar, hitamælingar á grunnvatni og vatnsleiðnimælingar í borholum til að mæla lekt jarðlaga

Niðurstöður forrannsókna, sem lágu að mestu fyrir 1997 þegar framkvæmdir hófust, eru eftirfarandi í meginatriðum.

Sandafell er frekar lágt aflíðandi fell þar sem það rís 150-200 m yfir umhverfi sitt til austan Stangarfjalls upp af Hafi á Gnúpverjaafrétti. Gróðurþekjan í hlíðum þess takmarkaði nokkuð yfirborðsjarðfræðikortlagningu sem að mestu leyti var studd kortlagningu í náttúrulegum yfirborðsskeringum. Þversniðskortlagning fellsins var í höfuðdráttum unnin eftir greiningu borholukjarna og studd jarðeðlisfræðilegum mælingum.

Jarðlagaskipan Sandafells er talin fremur flókin og kemur þar helst til að botn þess telst hluti af útbrunninni og niðurrofinni megineldstöð. Það var því ekki ljóst hvaða jarðgangaleið væri heppilegust. Í samantekt má skipta jarðlagaskipan Sandafells í tvær megin jarðmyndanir; berggrunnsmyndun; sem aftur er hægt að skipta upp í aðskildar einingar eftir aldri og megingerðum, og síðjökul- og nútímamyndun. Berggrunnsmyndanirnar eru lægri Sandafells Olivín-basaltmyndunin, lægri Sandafells setlagamyndunin og síðan Sandafells kubbabergsmyndunin, en efri Sandafells setlagaserían og loks efri Sandafells basalt serían tilheyra seinni flokknum. Þessar jarðmyndanir hafa verið að hlaðast upp á fyrri hluta ísaldar, það er á bilinu 0.7 – 1.5 milljón ára gamlar og eru aðskildar með rofskeringu, svokölluðum “hiatus” , þar sem rof útrænna afla hefur orðið jarðlagauppbyggingu sterkara og eyða myndast. Sultartangagöng skera lægri setlagaseríuna og kubbabergsmyndunina.

Berggæðamat (Q-gildi) var framkvæmt á borkjörnum af gangaleiðinni og reyndust gildi liggja á bilinu 5-15 að meðaltali í hraunlögum en 1-8 í kargalögum og setlögum. Strik og halli jarðlaga á jarðgangaleiðinni var áætlaður N70/2-4 en ljóst að halli gæti þó verið mjög breytilegur.

Spennuumhverfi jarðganganna var að nokkru leyti áætlað út frá áðurnefndum “hydrofracturing”mælingum. Þær eru gerðar með því að skjóta háum vatnsþrýstingi á borholuveggi þar til þeir gefa sig. Út frá reiknireglum þar sem nokkrar forsendur eru gefnar er hægt að reikna út stærð og stefnu höfuðspenna á viðkomandi stað í jarðlagastaflanum. Á rannsóknarstofu þarf síðan að mæla togstyrk bergsins sérstaklega. Einn helsti annmarki á þessarri aðferð er þó að fyrirfram er gefin stefna einnar höfuðspennunnar, það er í stefnu borholunnar. Niðurstöður þessara mælinga leiddu í ljós að á jarðgangaleiðinni í Sandafelli væri um að ræða nánast “hydrostatiskt” ástand, þar sem allar þrjár höfuðspennurnar væru af svipaðri stærðargráðu, á bilinu 3,8-4.8 MPa. Stefna hæstu láréttrar spennu var mæld N³⁵ A, sem er mjög nærri stefnu jarðganganna. Slíkt spennuástand er undir venjulegum kringumstæðum hagstætt útgreftri neðanjarðarmannvirkja.

Brotumhverfi jarðgangaleiðarinnar var kortlagt mestmegnis með aðstoð loftmynda. Reynt var síðan að skoða þær misfellur á staðnum er greindust á loftmyndum, til að ganga úr skugga um hvort væru af jarðhniks uppruna eða hvort um væru að ræða rof á yfirborði af öðrum sökum. Þessar misfellur sem greindar voru óyggjandi sem sprungur reyndust raða sér á sprungurós með strikstefnu N^40-60 A. Langás jarðganganna stefnir nánast N ⁴⁵A. Ljóst var því að göngin yrðu grafin nærri strikstefnu meginbrotalína sem telst fremur óhagstætt fyrir jarðgangagröft, þar sem brotasónur eru lengi í veggjum og lofti jarðganganna.

Vatnsleiðni (lekt) jarðlaga var mæld í nokkrum borholum . Helstu niðurstöður bentu til lektar milli 2-10 Lu. Við slíku er að búast í berglagastafla sem þessum sem hefur náð ákveðnum aldri og þar með ummyndunarstigi og þar sem lekt er bundin fyrst og fremst við sprungur, jarðlagaskil og mismunandi þétt setlög. Jarðhitastigull á gangaleiðinni að sunnanverðu er frekar lágur en mun hærri að norðanverðu með 35° jafnhitalínu í kringum stöð 900 á um 100m dýpi. Rannsóknaraðilar voru Orkustofnun og ÁGVST.

Virkjanleg fallhæð Sultartangavirkjunar í hönnunarforsendum var um 44 m, hönnunarrennsli 320 m³/sek og áætlað afl virkjunarinnar 120 MW. Fallhæð jarðganganna er 2.5 m yfir 3380 m sem nemur 0.074% halla. Þversnið ganganna var hannað 151.85 m² sem leiðir af sér rétt liðlega 2 m/sek vatnshraða í göngunum undir fullum vatnsþrýstingi frá lóni. Áætluð falltöp við rennsli gegnum göngin vegna viðnáms vatns og bergveggja í hönnuðu þversniði voru um 2.4m.

Gangagröftur

Verklag við jarðgangagerðina var hefðbundin borun og sprengingar. Verktaki vann á 10 klst vöktum allan sólarhringinn, alls 3 vaktir fyrir hvorn gangaenda. Að meðaltali samanstóð hver gangaflokkur af 6 mönnum.

Efri hluti ganganna, um 67 m² í kenni sniði ( 70-80 m ² í yfirgreftri verktakans), var grafinn út fyrst og í þeirri framkvæmd fólst hin eiginlega jarðgangavinna. Verktaki notaði tvo 3ja borarma ESAB borvagna sem höfðu eðlilegt vinnusvið upp í liðlega 11m hæð. Borstangir voru 4.8 m langar svo að hver sprengiáfangi var um 5 m langur, þótt í erfiðu bergi hafi stundum orðið að stytta borlengdir.

Borplan efri hlutans samanstóð af 110-120 sprengiholum, 2” í þvermál, fyrir sprengiefni og fjórum 4” tómum holum til að mynda “cut”, sjá mynd 3.

Mynd 3. Hefðbundið bor-og sprengiplan.

Venjuleg aðferðafræði við sprengigröft í jarðgöngum, þar sem opinn flötur er ekki til nema inn í göngin sjálf, er að búa til opinn flöt í miðjunni úr fáum sverum borholum. Tímaröðun miðast við að sprengja meginmassann í fyrst, síðan botninn og síðast jaðarskeringuna. Aðalmassinn var sprengdur með ANFO (ammonium nitrate) nema þar sem ágangur grunnvatns var mikill, botnholur með dýnamíti en jaðarholur með veikara sprengiefni, t.d. detonex. Bor-og sprengiplön voru þó hönnuð hverju sinni með tilliti til aðstæðna við gangastafninn. Meðal hleðslustyrkur (Q) fyrir efri hluta ganganna var um 1,9 kg/m³. Borvinna og hleðsla efri hlutans gat tekið 5-8 klukkustundir eftir aðstæðum. Bormynstur var sett út í efri hlutanum með aðstoð sjö lasergeisla í efri hlutanum en fjögurra í neðri hlutanum.

Neðri hluti ganganna var boraður með um 40 holum og jaðarholur einnig sprengdar síðast. Meðal hleðslustyrkur fyrir neðri hluta ganganna var um 0,7 kg/ m³. Borun og hleðsla neðri hlutans tók tíðum aðeins 2-3 klukkustundir.

Eftir sprengingu var loftað út í a.m.k. hálf tíma en síðan var sprengda efninu mokað á bíla og flutt á tippsvæði. Á þessu stigi voru gangafletir bráðabrigðastyrktir ef nauðsynlegt var metið. Útmokstur var háður vegalengd út úr göngunum en venjulegast voru 3-5 trukkar (20 m³ flutningsgeta) notaðir við útmoksturinn og tók verkið 2-4 tíma eftir aðstæðum. Algengt var að rúmmálsaukning útgrafins efnis væri um 40%.

Eftir útmokstur fór síðan fram hrjóðun á lausu efni í lofti og veggjum og í framhaldi af því var gerð nákvæm jarðfræðikortlagning og styrkingar ákveðnar í kjölfar þvottar á klapparyfirborði. Við útmokstur var stundum bráðabirgðastyrkt til að auka öryggi og takmarka yfirbrot. Venjulegast var frumstyrkt í hverjum graftrarhring efri hlutans.

Styrkingar á neðri hluta ganganna voru takmarkaðar og oft ekki framkvæmdar nema á 8-10 áfanga millibili ef stöðugleika þeirra var ekki ógnað. Við svo síðbúnar styrkingar hafði bergið gengið í gegnum þær formbreytingar sem urðu til við útgröftinn og miðuðustu því við langtímastöðugleika í rekstri.

Þær mælingar og tilraunir er framkvæmdar voru í göngunum voru venjulegast gerðar þegar borun var í gangi og best næði fékkst.

Samantekið tók graftrarhringurinn rúmlega eina vakt (10 klst) í efri hlutanum en gjarnan náðust 1.5 áfangar í neðri hlutanum á einni vakt, sjá mynd.1.

Á vegum Hollustuverndar Ríkisins var gerð ítarleg mengunarmæling er náði yfir einn graftrarhing í efri hluta ganganna. Niðurstöður hennar leiddu í ljós að mengunarálag væri innan öryggismarka nema fyrsta hálftímann meðan verið væri að blása út sprengilofti.

Jarðfræði gangaleiðarinnar

Við gangagröft er mjög mikilvægt að rýna í þá jarðlagauppbyggingu sem grafið er í gegnum. Vanir gangamenn vita að stöðugleiki bergveggja getur skilið milli feigs og ófeigs ef því er að skipta að ógleymdum þeim skaða sem hrun í vatnsgöngum hefur á rekstur þeirra. Styrkingakerfi sem gerð voru til hliðsjónar við styrkingar byggðust á berggæðamati fyrst og fremst en það eitt og sér réði samt ekki blint styrkingum.

Eins og fram kemur hér að framan gerðu forrannsóknir ráð fyrir að gangaleiðin lægi gegnum tvær meginjarðmyndanir. Frá gangainntaki yrði fyrst farið í gegnum 1,4 kílómetra í neðri Sandafells setlagamynduninni en síðan yrðu göngin alfarið í Sandafells kubbabergs mynduninni. Niðurstöðum forrannsókna bar í meginatriðum vel saman við það umhverfi sem göngin skáru á leið sinni.

Við útgröft ganganna var jarðfræði leiðarinnar kortlögð nákvæmlega í mælikvarðanum 1:400. Sú vinna var unnin á sama tima og ákvarðaðar voru teknar um varanlegar styrkingar jarðganganna samfara berghreinsun og þvætti. Ljóst var mikilvægi þess m.a. fyrir styrkingar á neðri hlutanum. Að sama skapi var styrking ganganna teiknuð upp jafnóðum.

Fyrstu 600 m jarðganganna ( frá norðaustri) eru með blandaðan stafn þar sem efri hlutinn er í stórstuðluðu dílabasalti, með stuðlum gjarnan stærri en 1m í þvermál, en neðan til er kargalag og kubbabergslag fyrstu 300 m en setlög næstu 300 m. Þessi stórstuðlun kallaði á mikla bergboltun ásamt breytingum á hefðbundnu bormynstri. Óstöðugleiki ganganna á þessu svæði var fyrst og fremst tilkominn vegna sprungna sem skáru göngi undir litlu horni og voru lengi í veggjum og þaki. Yfirbrot var umtalsvert þar sem sprungubelti skáru göngin og ollu miklu yfirbroti og óstöðugleika, sérlega í veggjum. Öðru hverju varð að stytta boráfanga og breyta bormynstri vegna þessara stórra leirskændu sprunguflata, sjá myndir 4 og 5.

Mynd 4. Gangagröftur við nyrðri stafn Sultartangaganga.

Milli stöðva 600 og 1000 m einkennist jarðlagaskipan af setlögum í efri hluta en þunnum basaltlögum í neðri hluta. Þar sem lagskil í setlögum voru nærri þekju ganganna varð oft mikið yfirbrot og form þeirra hélst illa og varð form þeirra kassalaga, sjá mynd 6. Stöku hrun átti sér stað og allnokkur viðbótarbergboltun var framkvæmd til að halda uppi yfirliggjandi jarðlögum. Til viðbótar skáru stórar sprungur einnig gangaleiðina.

Mynd 5. Stór sprunga í lofti ganganna.

Milli stöðva 1000 og 1300 einkennast jarðlög af basaltlögum með setlög í eða nærri þekju ganganna. Þessi jarðlagaskipan olli óstöðugleika í lofti þar sem þessi þunnu lög voru veik. Þau voru því ýmist boltuð upp eða hreinsuð niður. Erfitt var að halda formi ganganna í þessarri jarðlagaskipan.

Mynd 6. Gegnumbrot efri hluta ganganna 22 október 1998. Form ganganna talsvert afmyndað af yfirbroti

Graftrarsnið milli stöðva 1300-1600 einkennast af blönduðum stafni set-og hraunlaga þar sem skiptust á þunn sandsteins-völuberg og basaltspýjur með kargalögum.

Milli stöðva 1600-1900 eru göngin í þunnum basalt/kargalögum og var megin áhersla lögð á styrkingar með sprautusteypu. Yfirbrot var að jafnaði eingöngu sökum skástígra sprungna er skáru göngin.

Milli stöðva 1900-2300 er nokkuð stöðugt kubbabasalt í stafni en þá fara göngin inn í 150 m langan milli-til stórstuðlaðan hluta basaltlagsins. Á þessum kafla urðu vandræði vegna mikillar hörku bergsins sem tafði borun og sprengingar samfara stöku undirbrotum. Ennfremur afmyndaðist form ganganna bæði í lofti og veggjum vegna hinna stóru stuðla.

Frá stöð 2500 að enda ganganna í stöð 3380 eru þau í blönduðu bergi úr smástuðluðu basalti (kubbabergi). Sprungur eru tíðar og sérlega olli sprungubelti í stöð 2500 óstöðugleika í veggjum og lofti á um 50m kafla. Þetta sprungubelti hafði áður verið kortlagt á rannsóknarstigi.

Jarðtæknilegt umhverfi ganganna

Við ákvörðun á nauðsynlegum styrkingum í jarðgöngunum var fyrst og fremst farið eftir aðstæðum hverju sinni en styrkingarkerfi höfð til hliðsjónar við matið. Slík styrkingakerfi taka fyrst og fremst mið af tvennu: “gæðum” jarðgangaleiðarinnar og framtíðarnotum ganganna. Það berggæðakerfi sem aðalega var haft til hliðsjónar við styrkingar Sultartangaganga er byggt á svokölluðu Q-kerfi, runnið frá norskum jarðtæknimönnum á áttunda áratugnum. Það hefur að vissu marki síðan verið aðlagað að íslenskum aðstæðum og mikið notað hér á landi fram að þessu. Gefnar voru út af hönnuði ganganna leiðbeinandi styrkingartöflur annars vegar fyrir efri hlutann og hins vegar neðri hlutann. Nauðsynlegar forstyrkingar voru venjulegast ákvarðaðar af verktaka við útmokstur en varanlegar styrkingar voru ákvarðaðar í samráði við framkvæmdaeftirlit.

Mynd 7. Steypuásprautun í kubbabasalti í efri hluta.

Ljóst er að í jarðgangavinnu þar sem notast er við borun og sprengingar skiptir reynsla jarðvinnuverktakans miklu máli þegar kemur að gæðum verksins. Þegar aðrennslisgöng vatnsaflsvirkjunar eru fullkláruð skipta hins vegar tveir samverkandi hlutir mestu; að stöðugleiki þeirra sé tryggður á rekstrartíma þeirra, og að rennslisfalltöp séu innan þeirra marka sem gert er ráð fyrir í hönnunarforsendum virkjunarinnar.

Við gröft jarðganga breytist spennusvið í jarðlagastaflanum næst jarðgöngunum. Hversu mikið það breytist er háð legu höfuðspenna á gangaleiðinni áður en jarðgöngin skera þau og formi jarðganganna sjálfra þegar veggir þeirra breytast í höfuðspennufleti. Við hönnun jarðganga þarf því að taka tillit til þessarra þátta svo og við styrkingar þeirra. Sé mið tekið af áðurnefndri spennumælingu sem gerð var á rannsóknarstigi Sultartangavirkjunar má áætla að spennusvið í Sandafelli,þar sem yfirliggjandi jarðlög eru þykkust á gangaleiðinni, sé “ísóstatískt” um 2.7 MPa . Við gröft jarðganganna hefur lögun og stærð ganganna síðan áhrif á spennusvið bergsins þar sem fletir jarðganganna verða höfuðspennufletir. Ætla má á grundvelli tölvulíkana út frá spennuástandi í Sandafelli að hæsta höfuðspenna í þekju ganganna verði liðlega tvöföld hæsta bergspenna fyrir gröft (>5 Mpa) og bergspenna í veggjum verði tæplega tvöföld bergspenna (< 5 Mpa). Þröng innskorin horn hafa tilhneigingu til að “safna saman”spennu og gefa há gildi, t.d. við botn. Við útgröft ganga, jafnvel þótt varlega sé farið, getur þessi skyndilega breyting á spennusviði umhverfis opnunina haft þau áhrif að yfirbrot verður umtalsvert. Til dæmis reyndist oftast erfitt að halda formi jarðganganna þar sem þunn setlög voru í lofti þeirra og meginspennuástand umhverfis göngin braut þau niður. Við formbreytinguna breyttist um leið heildarspennuástand umhverfis göngin. Til að fyrirbyggja slíkt hefði þurft að koma til forstyrking með t.d. láréttri bergboltun og/eða grautun.

Einása brotstyrkur klapparinnar á jarðgangaleiðinni var reglulega mældur. Basaltlög reyndust hafa brotstyrkt á bilinu 80-200 MPa en setlög um 30 MPa. Ljóst er því að styrkingar miðuðust við að styrkja þak og kverkar jarðganganna fyrst og fremst svo og brotabelti sem skáru göngin. Hin þunna “plastíska” sóna sem verður til umhverfis sprengd jarðgöng þarf einnig annað hvort að hreinsast burtu eða styrkjast og er hvoru tveggja venjulega gert eftir aðstæðum.

Gerðar voru tilraunir með að mæla formbreytingar við útgröft í Sultartangagöngum með nákvæmu stálmálbandi. Bæði var fylgst með færslu veggja þegar stafn ganganna fjarlægðist mælistaðina og eins þegar neðri hluti ganganna fór í gegnum þá. Mesta áreiðanlega færsla inni í göngunum í heildarsniði mældist liðlega 10mm milli veggja eftir að greftri var að fullu lokið. Þar af kom 20% færslunnar fram við gröft efri hlutans. Nokkur færsla má þó ætla að sé fram komin við stafn ganganna áður en hægt er að hefja mælingar. Einnig verður að taka tillit til þess að efri hluti ganganna var fullstyrktur þegar mælingar við gröft neðri hluta voru gerðar. Þessi færsla telst vel ásættanleg og bendir til að stöðugleiki ganganna sé fullnægjandi.

Mynd 8. Fræðilegt samspil styrkinga og formbreytinga gangasniðs.

Innflæði grunnvatns í göngin tengdist nær eingöngu sprungum. Þar sem nokkur vatnsþrýstingur fannst í veggjum var létt á honum með borun drenhola og olli ekki vandræðum en á stöku stað þurfti að klæða af innrennsli vatns úr þekju á byggingartíma. Ekki reyndist nauðsynlegt að forstyrkja eða þétta berg með grautun.

Mikilvægur þáttur við gröft vatnsganga er að lágmarka falltöp í þeim. Fylgst var reglulega með stærð graftrarsniða og hrýfi á byggingartíma með nákvæmum lasermælingum á hálfs metra millibili á völdum 25 metra köflum í göngunum. Útreikningar hönnuðar á þeim mælingum gerðu ráð fyrir að meðal þverskurðarflatarmál ganganna væri um177 m² og að meðal falltöp lægu á bilinu 1.6-2m. Þetta eru nokkru minni falltöp en hönnunarforsendur gerðu ráð fyrir og fyrst og fremst að þakka stærra graftrarsniði en áætlað var.

Niðurstöður

Eins og áður segir voru Sultartangagöng grafin út í 40 cm yfirgreftri að ákvörðun og á kostnað verktakans, bæði til að lágmarka hrýfi og til að fyrirbyggja tafsaman undirgröft. Víða varð þó til umtalsverð stækkun á þversniði vegna hruns samfara greftri og berghreinsun, sjá töflu 1. Efri hluti ganganna miðaðist við að vera grafinn út í 60 m² sniði en sá neðri í 90 m² sniði. Samþykkt graftrarsnið í efri hluta er 63 m² en 101 m² í neðri hluta á grundvelli jarðfræðilegra yfirbrota. Lokauppgjörsmagntölur er að finna í töflu 1.

Tafla 1. Heildarmagn graftrar og styrkinga.

Skýringar:

1.) Þar af er útgrafin vegfylling um 24.000 m³

• 2.) Að meðaltali 3.5 boltar/ lengdarmetra.
• 3.) Að meðaltali 0.5 boltar/ lengdarmetra.
• 4.) 6 cm meðalþykkt í efri hluta að teknu tilliti til hrýfis og frákasts.
• 5.) 5 cm meðalþykkt í neðri hluta miðað við 4m breiða ásprautun á hvorn vegg.

Mynd 9. Borun og sprengivinna í neðri hluta ganganna .

Samanburður á styrkingarkostnaði nokkurra íslenskra jarðganga leiðir í ljós að kostnaður við Sultartangagöng er sambærilegur við liðlega helmingi minni göng að þverskurðarflatarmáli. Hér ræður miklu að Sultartangagöng voru grafin út í tveimur áföngum og að lítilla styrkinga var þörf í neðri hlutanum.

Mynd 10. Samanburður á styrkingarkostnaði nokkurra íslenskra jarðganga, miðað við byggingavísitölu 1999.

Heimildir: Sultartangavirkjun-jarðgöng, skilagrein framkvæmdaeftirlits.

Björn A Harðarson-tölulegar upplýsingar.