English summary – see below.
FÖRORD
Tunnlar utgör idag en viktig och nödvändig del i den svenska moderna infrastrukturen. För att hålla en hög säkerhet och en relevant kostnad för drift och underhåll av tunnlar så behöver man förstå och kunna bedöma mängden inläckande vatten och dess kemiska sammansättning. Påverkan av de material som är inbyggda i tunnlarna påverkas av det inläckande grundvattnets korrosiva egenskaper, och då är det främst konsekvenserna för bärande huvudsystem och igensättning av dräner som bedöms få störst betydelse. Eftersom vattnet som läcker in till en tunnel så småningom kommer att släppas ut i något ytvattendrag är vattnets kemiska sammansättning av betydelse och därför är det bra om sammansättningen kan bedömas i ett tidigt skede. Numerisk modellering kan användas för att på så sätt prognostisera den kemiska sammansättningen i det vatten som kan läcka in i en framtida undermarksanläggning.
Tidigare har man genomfört systematiska fältstudier av såväl hydrogeologiska som kemiska effekter som orsakas av den ökade grundvattenbildningen i samband med undermarksbyggande. I föreliggande forskningsprojekt sammanfattas två fältstudier från järnvägstunnlar, Kattleberg och Hallandsås, där man har haft mycket olika geologiska förhållanden vilket i sin tur ger olika vattenkemisk påverkan på inläckande vatten. Förståelsen för de vattenkemiska processerna är central för att numeriskt kunna modellera en förväntad vattenkemisk sammansättning i det inläckande vattnet.
Vattenkemisk modellering har utförts med data från tidigare försök vid Gårdsjön där man har olika blandningsförhållanden av ytligt grundvatten och berggrundsvatten, med målet att återskapa uppmätta resultat. Modelleringarna visade att man kan modellera förhållanden och de förändringar som uppstår vid undermarksbyggande och grundvattenuttag och förutsätter en god förståelse av de geologiska förhållandena som indata till modellen.
Detta arbete utfördes av Fredrik Mossmark vid Chalmers Tekniska Högskola, Bygg- och Miljöteknik med Lars O Ericsson (Chalmers) och Malin Norin (NCC Teknik) som handledare. En referensgrupp har följt projektet och bidragit med råd och diskussioner. Referensgruppen bestod av Katinka Klingberg Annertz (Trafikverket), Ola Landin (Trafikverket), Ann Emmelin (Golder/SKB), Ulf Håkansson (Skanska), Marcus Laaksoharju (Geopoint/Nova) och Mikael Hellsten/Per Tengborg (BeFo). Projektet har finansierats av BeFo och Formas som ett resultat av en gemensam utlysning.
Stockholm, december 2013
Per Tengborg
SUMMARY
The impact of groundwater chemistry has been observed in quite a large number of tunnel projects. In certain cases, these changes have caused the water to acquire new chemical properties with greater potential to degrade steel and cementitious construction materials.
The changes in groundwater chemistry are driven by leakage into underground constructions. This leakage results in increased groundwater flow, giving rise, among other things, to water with new properties flowing in the direction of the construction. Generally, this also means that groundwater recharge increases at the expense of water available for surface runoff and vegetation. These changes in hydrological conditions also allow hydrochemical processes to take place in a different way than previously.
This report presents a summary of two field studies conducted in rail tunnels during the construction phase. The studies were carried out in order to improve understanding of the impact of underground constructions on hydrology, hydrogeology and hydrochemistry. The report also presents results from numerical modelling using the Phreeqc computer program. This work is part of a research project aimed at establishing methodology for predicting changes that can be expected in conjunction with underground projects and the subsequent quantification of these changes.
The results from the two field studies, conducted at Kattleberg and Hallandsås, confirm that geological conditions are crucial to determining the changes that take place. The ground surface of the two study objects is above (Hallandsås) and below (Kattleberg) the highest coastline after the most recent ice age. This difference has resulted in varying soil geology. At Kattleberg, a layer of clay (deposited in seawater) limited hydraulic contact between a wetland and the groundwater/tunnel. It also limited hydrochemical impact. It was noted that heterogeneity in the rock creates different hydrochemical conditions near the tunnel. In one of the boreholes, drilled from the tunnel wall, water was affected strongly by grouting agent, whilst in another borehole from the tunnel the water had the same character as the original groundwater.
At Hallandsås, large spatial variations were observed in the groundwater. In one of the bedrock boreholes, only minor changes were noted whilst two other boreholes revealed an environment that was clearly more aggressive to steel and cementitious construction materials. Oxidation of pyrite, both as a fracture mineral and in wetlands (there was direct fracture system-wetland contact as this area was not below the ocean surface after the last ice age with a consequent absence of fine sediment deposition), was considered a key reason for high sulphate concentrations, reduced pH and reduced alkalinity.
The redox-sensitive parameters iron and manganese were affected but recovered quickly when the groundwater levels rose in response to reduced impact from tunnelling at Hallandsås. However, recovery from the hydrochemical changes, with sulphate pulses and pH reduction, took place more slowly. The assessment is that during reinstatement of groundwater levels this process takes a number of years.
Field investigations have provided valuable insight into process understanding, which in turn provides a basis for conceptual starting points for modelling. Numerical modelling took place within the project using data collected as part of a previous experiment related to groundwater extraction at Gårdsjön, in the municipality of Stenungsund. Previous qualitative evaluations revealed increased hydrochemical interaction between surface water – in wetland for example – and groundwater. The modelling results show that 5-10% of the water extracted from the rock originated from wetlands. Under unaffected conditions, wetlands constitute a discharge area with no groundwater recharge. The modelling also shows that calcite (which occurs as a fracture mineral) is dissolved.
Grundvattenkemisk interaktion med undermarksanläggningar
Författare:
Fredrik Mossmark, Lars O Ericsson, Malin Norin
Rapportkategori:
BeFo-rapport
Rapportnummer:
126
Utgivningsår:
2013