Geoteknikerdag d. 9 Juni 2017 Grundvandsmodellering i 3D

Transkript

1 Geoteknikerdag d. 9 Juni 2017 Grundvandsmodellering i 3D 3D grundvandsmodellering indenfor hydrogelogi relateret til Bygge-og anlægsprojekter Hvordan og hvorfor: fordele, ulemper og udfordringer Teori og praksis -elementer af relevans Eksempler Jan Stæhr og Jesper Damgård Juni 2017 COWI 1

2 Grundvandsmodellering i 3D bygge & anlægsprojekter Dagsorden: Fokus i nærværende foredrag på: Indledning og baggrund Problemstillinger grundvand, B/A Hvorfor 3D frem for 2D 3D-modellering, fordele, ulemper og udfordringer Teori og praksis Grundvandshåndtering ved B/Aprojekter, miljø-teknisk-økonomiskrisikomæssig optimering ved 3D-m. Fastlæggelse af designkriterier, grundvand-overfladevand-klima mv Eksempler, bl.a OPP, Posten, Kvæsthusbroen, ATP-huset Langelinie, Storebælt 2

3 Grundvandshåndtering og kontrol Hvad handler grundvandshåndtering/kontrol om: Sikre en tør og stabil byggegrube. Sikre mod bundbrud mv. Sikre at vandmængder og vandtryk kan håndteres fysisk, reducere risici Sikre at konstruktioner (midlertidige, permanente) og konstruktionsmetoder er "fornuftige", dvs. sammenhæng mellem konstruktioner, konstruktionsmetoder og grundvandshåndtering Sikre optimering (miljømæssig-teknisk-økonomisk), reducere risici Sikre omgivelserne imod uønskede påvirkninger Sikre et "fornuftigt" forløb, reducere risiko for forsinkelser, fordyrelser mv Fokus på grundvandshåndtering og kontrol, tidligt i processen. 3D-modellering, et godt værktøj i forbindelse med ovennævnte vurderinger, proces, følsomhed, optimering mv 3

4 Hvad er grundvandskontrol, bredt Flere elementer, konstruktionsmetoder -3D modellering Midlertidige konstruktioner byggefasen: Oppumpning indenfor/udenfor konstruktioner/afskærende vægge. Aktiv/passiv oppumpning, dræning. Reinfiltration/infiltration: Oppumpet vand/havvand/drikkevand Permanente konstruktioner Drænede konstruktioner (Økonomi, miljø, sikkerhed, vedligeholdelse). Permanent dræning/grundvandssænkning. Dræn, aktive/passive systemer. Afledning af vand -evt. reinfiltration Tætte/tunge konstruktioner, fuld vandtryk, ankre, opdrift fremtidige grundvandspotentialer mv. Generelt: Konstruktionsmetoder/grundvandskontrol mv. samspil/udvikling/optimering 4

5 Grundvand, B/A-projekter Problemstillinger generelt, -og hvor brug af 3D-modellering er relevant Udfordringer og potentielle problemstillinger -relateret til grundvand (generelt): Strategier, grundvandshåndtering midlertidigt/permanent, optimering mv Oppumpning, vandmængder, placering af pumpeboringer, "kritiske" steder mv. Vurdering af trykforhold i forskellige magasiner, risiko for bundbrud mv Afskærende vægge, nødvendige dybder i forhold til grundvand, vandmængder, påvirkning Infiltration af vand. (samspil med ovennævnte punkter, optimering af de tre punkter) Ældre følsomme bygninger og anlæg (træpæle, mægtige sætningsfølsomme lag, horisontal og vertikal hydraulisk forbindelse) Beskyttelse af grundvandsressourcen som helhed, nuværende/fremtidigt. Kvantitativt, kvalitativt (kemi-beregning af sænkninger, iltede forhold), vandindvinding Forureninger (beskyttelse med forurening, risiko for mobilisering/transport etc.) Overfladevand, recipienter, naturområder (risiko, dræning) 5

6 Grundvand, B/A-projekter Problemstillinger generelt, -og hvor brug af 3D-modellering er relevant, fortsat Klimaforandringer (Risiko for flooding, stigende grundvand pga. permanente havstigninger samt kortvarige ekstreme hændelser, Monsterregn stigende grundvand, mv. Designkriterier, Nuværende/fremtidige risici, ) Stigende grundvand pga. stop af vandindvinding, designkriterier mv. Kontruktionernes og metoders "egenpåvirkning" (dræning, infiltration, barriereeffekt) Et godt værktøj, 3D-grundvandsmodellering Strategier for grundvandshåndtering, udvikling af design herfor, -herunder miljø/teknisk økonomisk/risiko optimering. Konstruktioner og kontruktionsmetoder mv. Fuld vandtryk/drænede konstruktioner mv. Myndighedsanliggende Tidligt ind i udviklingen af projektet. Ordentlige forundersøgelser, samstilling af data (model), strategier/udvikling/følsomhed/optimering, -monitering/opfølgning Både anlægsfasen og den permanente fase!!! 6

7 Grundvand 3D modellering Problemstillinger, sammenhænge, herunder grundvand overfladevand havet, design teknisk/økonomisk optimering mv. 7

8 3D-modelleling, værktøjhvad kan/skal dette "rumme" Hydrogeologiske forhold Forundersøgelser, vigtigt!!! Magasiner: -Primære magasin, kalk, sandlag -Sekundære magasiner, sand, fyld mv Sammenhænge lodret/vandret, lækage mv 3d-forståelse (prøvepumpninger, potentialeforhold, flowzoner mv.) Lagdeling, varierende forhold, betydning: -geologi, geologisk model, stratigrafi mv -Vandførende lag, lav-permeable lag -Transmissivitet, permeabilitet vandret/lodret -Frie/artesiske forhold, magasintal mv -Peakflow-zoner, øvre knust zone mv -Dale/sprækkezoner/forkastninger Lækage til øvre lag (eks kbh indre by, ofte %) eksis. fundamenter Store variationer, regional, lokalt 8 Stor betydning, strategier, metoder Alle data, geologisk model 3Dgrundvandsmodel, iterativ proces

9 Brugen af 3D grundvandsmodeller -Oprindeligt regionale vandressource modeller 9

10 Brugen af 3D grundvandsmodeller, generelt I dag anvendelse indenfor bl.a: Vandressource-vurderinger Risikovurdering i forhold til grundvandsforurening Inflow til tunneler og byggegruber Fordeling af trykniveuer omkring afskærende vægge Design af anlæg til grundvandshåndtering og kontrol (oppumpning, reinfiltration, afskærende vægge, grouting mv.) Klimavurderinger Grundvandskøling/varme mv 10

11 Modeller og metoder til at regne på grundvand Model 11

12 Modeller og metoder til at regne på grundvand Erfaring Model Analytisk 2D 3D 12

13 Modeller og metoder til at regne på grundvand Model Erfaring Analytisk 2D 3D Finite difference Finite element Finite difference Finite element 13

14 Modeller og metoder til at regne på grundvand Model Erfaring Analytisk 2D 3D Finite difference Finite element Finite difference Finite element 14

15 Modeller og metoder til at regne på grundvand Model Erfaring Analytisk 2D 3D Finite difference Finite element Finite difference Finite element 15

16 Modeller og metoder til at regne på grundvand Model Erfaring Analytisk 2D Finite difference Finite element MODFLOW SEEP/W (SLOPE/W) 3D Finite difference GMS MODFLOW MikeSHE etc. Finite element FEFLOW 16

17 Hvad kan modellerne og metoderne? (stationær, dynamisk modellering) Erfaring Analytisk 2D 3D Inflow, tunneler X X X X Inflow, små byggegruber X X X X Inflow, store byg.gruber - (X) (X) X Inflow, effekt af spuns/grout - (X) X X Trykfordeling bag spuns - - X (X) Sænkning i omgivelser - ((X)) (X) X Påvirkning af forurening X Kompleks geologi - - (X) X Dynamisk simulering - - (X) X 17

18 2D og 3D beregninger her virker begge metoder Cirkulær udgravning med uniform lagdeling Beregning af vandtilstrømning Vurdering af effekt af forskellige afværgetiltag (dybde af spuns, grout o.lign.) SEEP/W beregning af inflow til skakt 18

19 3D modellering, fordele i forhold til 2D Detailplacering af boringer Beregning af vandmængder for komplekse byggegruber 19

20 3D modellering, fordele i forhold til 2D, stationær/dymanisk modellering mv Håndtering af kompleks geologi Udbredelse af sænkningstragt uden/med reinfiltration (Hensyn til følsomme bygninger og grundvandsforureninger mv) Stationær/dynamisk modellering 100 m³/t 380 m³/t 20

21 3D modellering: "Lagkage" vs. "pixel" 21

22 3D modellering: "Lagkage" vs. "pixel" Let at opstille ud fra geo-model Forholdsvis enkelt at implementere hydrauliske parametre "Logiske" lag (Sand 1, kalk osv.) Detailplacering af dybde på boringer og spuns mv. kan være besværlig Lidt mere bøvlet at opstille ud fra geo-model Knap så enkelt at implementere hydrauliske parametre Knap så "Logiske" lag (Sand 1, kalk osv.) Detailplacering af dybde på boringer og spuns mv. markant lettere 22

23 ATP Pakhuset på Langelinie -kælder i to etager, meget vand, strategier, dybde af afskærende vægge mv 23

24 Vandspejl i pejleboringer [m. under top af rør] Vandspejl i pumpeboring [m. under top af rør] Langelinie, kontorhus Hele "molevitten", mht proces og metoder Situation, hvad skal bygges (kælder i to etager, hydrogeologi) Helt overordnet teknisk-økonomisk analyse af konstruktionsmetoder Detaljerede forundersøgelser, faseopdelt 3D-modellering, grundvandshåndtering, påvirkninger lokalt, Q mv Iterativ udvikling/valg af konstruktion og konstruktionsmetoder Udbud af 3 forskellige løsninger (valgt 500 m3/t), "korte" vægge mv Detaljeret udbudsmateriale, myndighedsprojekt del heraf, krav Tilladelser mv før kontraktunderskrift, del af kontraktgrundlag Sparet mio. kr på bundlinjen mv PG04-øvre, logger PG04-nedre, logger PG06-øvre, logger PG06-nedre, logger PG07-øvre, logger PG07-nedre, logger PG08-øvre, logger PG08-nedre, logger PG09-nedre, logger PG09-øvre, logger Havn, logger PU1, logger PU1, logger

25 Kvæsthusbroen, P-kælder i tre etager, meget følsomme bygninger tæt ved, 3D-modellering/design infiltrationssystem, afskærende vægge mv. 25

26 Posten -3D model centralt værktøj i udvikling af design Mange muligheder/scenarier undersøgt. Status/resultat proces pt: Afskærende vægge 4 m ned i kalk, oppumpning fra kalk, infiltration til samme magasin, infilboringer 360 grader -relativt tætbeliggende, Q acceptabel, eliminerer uønsket påvirkning på omgivelserne mv

27 Cityringen, udvikling heraf. 3D-grundvandsmodel for København: Samstille data, grundvandshåndtering, byggemetoder, permanente konstruktioner, designkriterier mv. Eksempel på modellering (byggefasen) Rådhuspladsen Afskærende vægge til kote -21 m, Q >500 m3/t Afskærende vægge til kote -33 m, u/m re-infiltration, Q ca. 70 m3/t 27

28 Klima, designkriterier, følsomhed, foranstaltninger Vurdering af design, inkl. klimaforandringer og andre påvirkninger: Klimabetingede stigende havvandstande, -betyder stigende grundvandsstand i kystområder!! Flooding-events, selv kortvarige høje havvandstande, artesiske forhold, -betyder stigende grundvandstryk i kystområder Heavy rainfall og alm. nedbør, -betyder stigende grundvandsstand (både i sekundære og i det primære magasin) Andre vigtige forhold der har indflydelse på designvandstande : Oppumpning af grundvand, stop heraf Dræning af grundvand (dræn, pumper i kældre, drænende kloaker) Konstruktionsmetoder, herunder evt infiltration af vand mv Selve konstruktionen, kan lede vand, barrieeffekt mv Flere grundvandsmagasiner, forskellige påvirkinger/tryk 3D-modellering er godt værktøj til evaluering heraf 28

29 3D-modellering. Potentialeforhold, stigende vs, sammenhæng havn, dataloggerserier mv. Risici, sikkerhed, designkriterier Tidsserier, grundvandsstande og variationer heri, hydrogeo-forståelse, sammehænge mv Potentialebillede, generelt Oppumpning af grundvand eksempel Frederiksberg VF, effekt inkl. stop af oppumpning, stigning af grundvandstryk -mange metre. Påvirkning fra havet. Stor betydning. Ingen barriere, klimaforandringer stor betydning 3D- grundvandsmodel Kalibrering, dataloggerier mv. Modellering af effecter 29 Påvirkning af konstruktioner Designkriterier, nuværede /fremtidig

30 3D modellering omfatter også sampsil med overfladevand Klima. Heavy Rainfall. Overfladevand. Påvirkning, øvre magasin, konstruktioner Overfladevand "afløb". Modellering af vanddybder i designsituation 30

31 Modellering af stigende grundvandspotentialer fra div. påvirkninger, designkriterier mv Design grundvandsstande: Nuværende VS-kote + Variation + Stigende havvand + nedsivning + Stop af dræning (kloaker, kældre) + Stop af oppumpning (FBR) + evt. flooding + (evt. infiltration i byggeperioden, selve konstruktionen, evt opstuvning mv) Ex. CHRISTIANSBORG: Nuværende VS-kote 0,0 m: Flooding level Ex. Landsarkivet: Nuværende vs-kote 3,5 m, Design VS (pm): +9,50 m Havnevandstand (mknn) Nedbør (mm) Vandstand - nedre magasin (mknn) Øvre styringsniveau - nedre magasin Nedre styringsniveau - nedre magasin -1 1/ / / / / / / / / / / / / / / / / Øvre styringsniveau - øvre magasin Nedre styringsniveau - øvre magasin Vandstand - øvre magasin (mknn) 31

32 Aktuelt eksempel fra Storebælt. Klima. 3D-grundvandsmodellering, -sammenhænge hav/grundvand, opretholde fortsat høj sikkerhed mv Storebæltsforbindelsen: Tunnel og ramper (opbygning, sikring) Detail design, > 20 år siden Fremtidige klima-påvirkninger mv Grundvand-overfladevand Kikket på fremtidige permanent stigende havvandstande, kortvarige ekstreme hændelser, nedbør, grundvand 3D-modellering grundvand 32

33 Opbygning ramper og kystbeskyttelse mv Indre og ydre diger Kystbeskyttelse Afvanding, bassinledninger mv Ramper, permanent drænet, grønne skråninger mv Overfladevand/grundvand er adskilt i "normal" situation Sikkerhedsforanstaltninger Ultimativ situation Oprindelige designkriterier: Flooding, års hændelse Overfladevand, års hænd. Grundvand, en række ting En ekstrem floodinghændelse må ikke resultere i et for højt tryk under ramperne!!! (styrings/alarmniveau mv) 33

34 Permanent drænede ramper, system, vandtryk, overvågning mv -Grundvandtryk permanent eller ved event må ikke stige fra "alarm niveau" til over "kritisk niveau" 34

35 Detaljerede studier mv af: Fremtidige stormflodshøjder ved ekstreme hændelser og højere middelvandstande i havet Dynamisk grundvandsmodel, Halsskov og Sprogø, vurdering af kortvarige ekstreme havvandstandes effekt på grundvandstryk (Bodil, se eksempel nedenfor). Tryk, vandmængder, filtertab mv Sammenligning, eksisterende design, designkriterier. Resultat. OK, gvs-anlæg robust, kan "rumme" ovennævnte situation 35

36 Opsamling, 3D-grundvandsmodellering 3D-modellering er godt og vigtigt værktøj ved udvikling af B/A-projekter Ordentlige forundersøgelser model "samler" data mv. Udvikling projekt, fastlæggelse af strategier, design af anlæg for grundvandshåndtering (midlertidig/permanent), designkriterier, (opfølgning) Følsomhedsvurderinger Tidligt ind i processen, giver mulighed for påvirkning (optimering) af konstruktioner og konstruktionsmetoder i samspil med grundvandsproblematikken og andre forhold Miljømæssig/teknisk/økonomisk/risiko optimering. Samspil mellem geoteknikere, hydrogeologer og konstruktionsfolk vigtig. 3D-modellering giver flere muligheder end 2D. Ofte er problemstillingerne 3D Stort set samme pris for 3D som for 2D Vigtigt ved store kompleksee projekter, men også relevant (skaleret) ved små 36

37 Evt. spørgsmål 37