Felduntersuchung von Hydraulik, Sedimenttransport und Hydroabrasion in Schweizer Sedimentumleitstollen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501609
• Projekttitel Englisch: Field monitoring of sediment transport, hydraulics and hydro-abrasion at Swiss Sediment Bypass Tunnels

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Hydroabrasion an wasserbaulichen Anlagen ist ein allgegenwärtiges Problem. Sie kann die Wirtschaftlichkeit betroffener Anlagen signifikant reduzieren und die nachhaltige Wasser- und Stromversorgung gefährden. Abrasionsprognosen sind darum ein essentielles Instrument zur Optimierung von Planung und Betrieb betroffener Anlagen. Bestehende Abrasionsmodelle wurden basierend auf Laborversuchen entwickelt, aber bisher noch unzureichend für Feldanwendungen validiert. Zur deren Kalibrierung und Weiterentwicklung sind darum weitere Versuche an Schweizer Sedimentumleitstollen geplant. Dabei werden die Betriebsbedingungen überwacht und der Abrasionswiderstand verschiedener Materialien bestimmt. Hierfür wird das sog. Swiss Plate Geophone System zur Erfassung des Geschiebetransports kalibriert. Die Ergebnisse dieses Pilotprojekts können so zur nachhaltigen Bewirtschaftung wasserbaulicher Anlagen beitragen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Hydro-abrasive wear is an omnipresent issue at hydraulic structures exposed to high sediment loads and flow velocities and hence may significantly reduce their cost-effectiveness and endanger the sustainable use of water and energy supply. Abrasion prediction is required for design life estimations, selection of adequate lining materials and cost-effectiveness analyses. Different abrasion prediction models stemming from laboratory experimentation are available, while their applicability to field is scarcely investigated. Therefore, this pilot project aims at calibrating and enhancing the abrasion models by quantifying abrasion resistance of various invert materials. As a prerequisite, sediment transport, hydraulics and hydro-abrasion at Swiss Sediment Bypass Tunnels need to be monitored. Furthermore, a Swiss Plate Geophone System for bedload monitoring will be calibrated. Finally, the findings of the present pilot project will contribute to sustainable use of hydraulic structures.

Schlussbericht (Deutsch)

Speicher und Reservoire leisten einen wichtigen Beitrag zur Wasserkraftnutzung, werden aber durch Speicherverlandung mittel- bis langfristig beeinträchtigt. Sedimentumleitstollen (SBT) stellen eine effiziente Massnahme gegen die Speicherverlandung dar. Deren Wirtschaftlichkeit hängt von den hydraulischen und sedimentologischen Betriebsbedingungen sowie von der Abrasionsbeständigkeit der Auskleidungsmaterialien ab. Hydroabrasion ist ein allgegenwärtiges Problem, nicht nur bei SBT, sondern auch bei anderen wasserbaulichen Anlagen, die hohen Fliessgeschwindigkeiten und Sedimenttransportraten ausgesetzt sind. Das vorliegende Pilot- und Demonstrationsprojekt zielte daher darauf ab, das Verständnis der Abrasionsmechanik zu verbessern und ein mechanistisches Abrasionsmodell zu kalibrieren und zu verbessern, indem eine vierjährige Feldstudie an drei Schweizer SBTs durchgeführt wurde.

In diesem Projekt wurde die Abrasionsbeständigkeit verschiedener Sohlmaterialien durch jährliches 3D-Laserscanning quantifiziert, und die hydraulischen Bedingungen und der Sedimenttransport wurden zwischen 2017 und 2021 an den SBT Solis, Pfaffensprung und Runcahez in der Schweiz messtechnisch erfasst. Darüber hinaus wurde das am Auslauf des Solis SBT installierte Swiss Plate Geophone System (SPGS) im Jahr 2021 kalibriert und ein neuer Kalibrierungskoeffizient als Funktion des Partikeldurchmessers und des Partikelüberlappungsparameters zp aus den aktuellen und früheren Kalibrierungsdaten bestimmt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Hydraulik der SBT-Strömung die Abrasionsmuster an den Tunnelwänden beeinflusst. Im geraden Abschnitt des Solis SBT, in dem das Längenverhältnis zwischen Tunnelbreite und Fließtiefe mit 1.7 weniger als 2 beträgt, konzentrieren sich Sedimenttransport und Hydroabrasion aufgrund der starken Sekundärströmungen auf die Tunnelmitte mit Maxima zwischen 110 % und 190 % der mittleren Abrasionstiefe über die gesamte Tunnelbreite. Wenn das Seitenverhältnis größer als 2 ist, wie im Runcahez SBT mit 2.375, konzentrieren sich der Sedimenttransport und die Hydroabrasion auf die Nähe zu den Tunnelwänden. Beim SBT Pfaffensprung hat die zweite Art von Sekundärströmungen aufgrund der Tunnelkrümmung zu einem hohen Sedimenttransport und einer starken Hydroabrasion auf der Innenseite der Krümmung und weiter tunnelabwärts, wo ein Beton-Testfeld installiert wurde, geführt. Bei den Granit- und Schmelzbasalt-Testfeldern in den SBT Pfaffensprung und Solis wurden höhere Abrasionstiefen an den Fugen festgestellt.

Granitplatten, Schmelzbasaltplatten und Stahlplatten sowie Kaliumaluminatzementbeton zeigen ein gutes Verhalten, um sedimenthaltigen Abflüssen und hydroabrasiven Prozessen in den SBT Solis und Pfaffensprung standzuhalten. Im SBT Runcahez zeigt der Stahlfaserbeton die beste Leistung. Der Abrasionswiderstand von Urner Granit ist etwa 7.5 Mal höher als der von hochfestem Beton im SBT Pfaffensprung.

Das mechanistische Abrasionsmodell, das in einer kürzlich abgeschlossenen experimentellen Laborforschung an der VAW verbessert wurde, wurde mit den vorliegenden Abrasion- und Sedimentdaten kalibriert, und es wurde ein Mittelwert des Abrasionskoeffizienten kv = (4.8 ± 2.2) × 104 ermittelt. Dieses verbesserte Modell ist sowohl im Labor- als auch im Feldmaßstab anwendbar, z. B. für Wasserbauwerke und Flüsse auf steiler felsiger Sohle, was darauf hindeutet, dass die Laborergebnisse auf den Prototypmaßstab übertragen werden können. Die technische Anwendung des Modells wird vorgestellt.

Die Ergebnisse dieses Projekts sollen schliesslich zu einer nachhaltigen und wirtschaftlichen Nutzung wasserbaulicher Anlagen beitragen und den SBT-Betrieb hinsichtlich Stauraumentlandung optimieren. Darüber hinaus trägt es auch zur Umsetzung der Schweizer Energiestrategie 2050 bei, in der die Wasserkraft eine Schlüsselrolle bei der Elektrizitätsproduktion und -speicherung spielt.

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• Schlussbericht_englisch [PDF] 13'896 kB

Schlussbericht (Englisch)

Reservoirs allow making better use of the hydropower potential but are subject to sedimentation in the medium and long term. Sediment Bypass Tunnels (SBTs) are effective measures against reservoir sedimentation. However, their cost-effectiveness depends on hydraulic and sedimentological operating conditions as well as on the resistance of the invert against hydroabrasive wear. Hydroabrasion is an omnipresent issue not only at SBTs but also at other hydraulic structures exposed to high sediment loads and flow velocities. The present pilot and demonstration project therefore aims at advancing the understanding of abrasion mechanics and, calibrating and enhancing the mechanistic saltation abrasion model by conducting a 4-year field study at three Swiss SBTs.

In this project, the abrasion resistance of various invert materials was quantified by annual 3D laser scanning and hydraulic conditions and sediment transport were monitored between 2017 and 2021 at Solis, Pfaffensprung and Runcahez SBTs in Switzerland. In addition, a Swiss Plate Geophone System (SPGS) installed at the outlet of the Solis SBT was calibrated in 2021 and a new calibration coefficient as a function of particle diameter and particle overlapping parameter of zp was determined from the present and previous calibration data.

The results show that the hydraulics of SBT flows affect abrasion patterns at the tunnel inverts. In the straight section of Solis SBT where the aspect ratio of tunnel width to flow depth amounts to 1,7 and is thus below 2, sediment transport and hydroabrasion concentrated at the centre of the tunnel with longitudinally averaged maxima between 110% and 190% of the mean abrasion depth across the tunnel width due to the strong secondary currents. When the aspect ratio is larger than 2 as in Runcahez SBT with 2.375, the sediment transport and hydroabrasion concentrate towards the tunnel walls. At Pfaffensprung SBT, the second type of secondary currents due to a tunnel bend has caused high sediment transport and deep hydroabrasion at the inner side of the bend and further downstream, where a concrete test field was installed. At the granite and cast-basalt test fields at Pfaffensprung and Solis SBTs, respectively, higher abrasion depths at the joints were determined.

Granite, cast basalt and steel plates as well as the potassium aluminate cement concrete show a good performance to withstand sediment-laden flows and hydroabrasive processes at Solis and Pfaffensprung SBTs. At Runcahez SBT, the steel fiber concrete shows the best performance. The abrasion resistance of granite is roughly 7.5 times higher than that of high-strength concrete at Pfaffensprung SBT. Sediment properties such as shape and mineralogical composition change from catchment to catchment.

Sediments in the Solis catchment are relatively soft with a bulk Mohs hardness of between 3.5 and 3.7, whereas sediments in Pfaffensprung and Runcahez are harder with bulk Mohs hardness values of 5.4-5.6 and 4.9-5.2, respectively. Such differences in sediment hardness affect hydroabrasion significantly.

A mechanistic saltation abrasion model enhanced at VAW in a recent laboratory research project was calibrated with the present abrasion and sediment data and a mean value of the abrasion coefficient kv = (4.8 ± 2.2) × 104 was determined. This enhanced model is applicable for both the laboratory and field scales such as at hydraulic structures and in steep bedrock rivers indicating that the laboratory findings can be upscaled to the prototype scale. An engineering application of the model is presented.

The findings of this project will contribute to the sustainable use of hydraulic structures and improved SBT operation regimes with regard to desilting and reservoir lifetime. Moreover, it also contributes to the implementation of Switzerland's Energy Strategy 2050, in which hydropower plays a key role in electricity generation and storage.

Zugehörige Dokumente

• Final report_english [PDF] 13'896 kB

Schlussbericht (Französisch)

Les réservoirs permettent l’exploitation du potentiel hydroélectrique, mais sont exposés à la sédimentation à moyen et à long terme. Les galeries de dérivation des sédiments (SBT) sont une mesure efficace contre la sédimentation des réservoirs. Cependant, leur rentabilité dépend des conditions hydrauliques et sédimentologiques ainsi que de la résistance hydroabrasive du matériau de carénage. L'hydroabrasion est un problème omniprésent affectant non seulement les SBT, mais également des autres structures hydrauliques exposées aux charriages et aux vitesses d'écoulement élevées. Le présent projet pilote et de démonstration vise donc à faire progresser la compréhension de la mécanique de l'abrasion et à calibrer et améliorer un modèle mécaniste d'abrasion par saltation en menant une étude de terrain de quatre ans sur trois SBT suisses.

Dans ce projet, la résistance à l'abrasion de divers matériaux de radier a été quantifiée annuellement avec un scanner laser 3D, et les conditions hydrauliques et le transport de sédiments ont été surveillés entre 2017 et 2021 aux SBT de Solis, Pfaffensprung et Runcahez en Suisse. En outre, le système de plaques géophones suisses (SPGS) installé à la sortie du SBT de Solis a été étalonné en 2021 et un nouveau coefficient d'étalonnage en fonction du diamètre des particules et du paramètre de chevauchement des particules de zp a été déterminé à partir des données de calibrage actuelles et précédentes.

Les résultats montrent que l'hydraulique des écoulements du SBT affecte les schémas d'abrasion au niveau du radier du tunnel. Dans la section droite du SBT de Solis où le rapport de la largeur du tunnel à la profondeur de l'écoulement est 1.7 et ainsi inférieur à 2, les matériaux charriés et l'hydroabrasion se concentrent au centre du tunnel avec des maxima entre 110 % et 190 % de la profondeur moyenne d'abrasion sur la largeur du tunnel en raison des forts courants secondaires. Lorsque ce rapport est supérieur à 2, comme dans le SBT de Runcahez avec 2.375, le charriage et l'hydroabrasion se concentrent vers les parois du tunnel. Au SBT de Pfaffensprung, le deuxième type de courants secondaires, en raison du coude du tunnel, a provoqué un transport important des matériaux charriés et une hydroabrasion profonde à l'intérieur du coude et plus en aval, là où un champ d'essai en béton a été installé. Aux champs d'essai en granit et en basalte coulé aux SBT de Pfaffensprung et de Solis, respectivement, des profondeurs d'abrasion plus élevées au niveau des joints ont été déterminées.

Les plaques de granit, basalte coulé et d'acier ainsi que le béton de ciment d'aluminate de potassium montrent une bonne performance pour résister au charriage et aux processus hydroabrasifs aux SBT Solis et Pfaffensprung. Au SBT Runcahez, le béton de fibres d'acier présente les meilleures performances. La résistance à l'abrasion du granit est environ 7.5 fois supérieure à celle du béton à haute résistance au SBT Pfaffensprung.

Les propriétés des sédiments telles que la forme et la composition minérale changent d'un bassin versant à l'autre. Les sédiments du bassin versant de Solis sont relativement mous avec une dureté Mohs globale comprise entre 3.5 et 3.7, tandis que les sédiments de Pfaffensprung et Runcahez sont plus durs avec des valeurs globales de 5.4-5.6 et 4.9-5.2, respectivement, sur l’échelle de dureté Mohs. De telles différences dans la dureté des sédiments affectent l'hydroabrasion de manière significative.

Le modèle mécaniste d'abrasion par saltation amélioré au VAW dans le cadre d’un projet de recherche récent au laboratoire a été calibré avec les présentes données d'abrasion et de sédiments et une valeur moyenne du coefficient d'abrasion kv = (4.8 ± 2.2) × 104 a été déterminée. Ce modèle amélioré est applicable à la fois à l'échelle du laboratoire et à celle du terrain, par exemple pour les constructions hydrauliques et les rivières raides à substrat rocheux, ce qui indique que les résultats du laboratoire peuvent être transposés à l'échelle du prototype. L'application du modèle en ingénierie est également présentée.

Les résultats de ce projet contribueront à une utilisation durable des constructions hydrauliques et à l'amélioration des régimes d'exploitation des SBT en ce qui concerne la sédimentation et la durée de vie des réservoirs. En outre, il contribue également à la mise en oeuvre de la Stratégie énergétique 2050 de la Suisse, dans laquelle l'hydroélectricité joue un rôle clé dans la production et le stockage de l'électricité.

Zugehörige Dokumente

• Rapport final_anglais [PDF] 13'896 kB