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McGill University GUIDELINES FOR PRELIMINARY DESIGN OF UNLINED PRESSURE TUNNELS

McGill University GUIDELINES FOR PRELIMINARY DESIGN OF UNLINED PRESSURE TUNNELS By André J. Rancourt Supervisor : Prof. Hani S. Mitri A thesis submitted to the Faculty of Graduate Studies and Research in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy © André J. Rancourt, 2010 978-0-494-72700-3 Your file Votre référence Library and Archives Canada Bibliothèque et Archives Canada Published Heritage Branch 395 Wellington Street Ottawa ON K1A 0N4 Canada Direction du Patrimoine de l'édition 395, rue Wellington Ottawa ON K1A 0N4 Canada NOTICE: ISBN: Our file Notre référence 978-0-494-72700-3 ISBN: The author has granted a non- exclusive license allowing Library and Archives Canada to reproduce, publish, archive, preserve, conserve, communicate to the public by telecommunication or on the Internet, loan, distrbute and sell theses worldwide, for commercial or non- commercial purposes, in microform, paper, electronic and/or any other formats. The author retains copyright ownership and moral rights in this thesis. Neither the thesis nor substantial extracts from it may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. In compliance with the Canadian Privacy Act some supporting forms may have been removed from this thesis. While these forms may be included in the document page count, their removal does not represent any loss of content from the thesis. AVIS: L'auteur a accordé une licence non exclusive permettant à la Bibliothèque et Archives Canada de reproduire, publier, archiver, sauvegarder, conserver, transmettre au public par télécommunication ou par l'Internet, prêter, distribuer et vendre des thèses partout dans le monde, à des fins commerciales ou autres, sur support microforme, papier, électronique et/ou autres formats. L'auteur conserve la propriété du droit d'auteur et des droits moraux qui protege cette thèse. Ni la thèse ni des extraits substantiels de celle-ci ne doivent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation. Conformément à la loi canadienne sur la protection de la vie privée, quelques formulaires secondaires ont été enlevés de cette thèse. Bien que ces formulaires aient inclus dans la pagination, il n'y aura aucun contenu manquant. The material world is a possible movement of consciousness and I am choosing moments out of these movements to bring my actual experience into manifestation A. Goswani ABSTRACT Unlined pressure tunnels are used to convey water to hydroelectric powerhouses. Usually each project has a forebay reservoir, an intake, a pressurized tunnel, a surface or underground powerhouse and a tailrace tunnel or channel. This thesis deals with the design of unlined pressure tunnels. These were first driven by the Norwegians in hard granitic rock masses, which would constitute the ideal material for this type of structure. However the increase in demand for electrical energy has pushed the industry to implement projects in sites with less favourable geological conditions all over the world. For each pressure tunnel, there are normally three different types of sections along its length: the unlined section, the semi-lined section and the lined section. The unlined pressure tunnel is pervious to a certain extent even if the rock is hard and non-porous and the rock mass is of good quality. Unlined tunnels are thus prone to hydraulic jacking. Semi-lined tunnels use unreinforced shotcrete and/ or concrete whereas fully lined tunnels are defined as those with a steel liner cast in concrete and completed with some annulus grouting to fill voids in the steel-concrete-rock mass system around the tunnel. This type of lining is totally impervious but is very expensive to build. Thus, unlined pressure tunnels, being the most economical, play an important role in the economics of a hydroelectric power project. In this thesis, an extensive review of literature is conducted and most published unlined pressure tunnel design guidelines against hydraulic jacking are reviewed. The thesis places emphasis on the preliminary phase when no field measurements are available. The spatial distribution of the minimum stress required to control hydraulic jacking around unlined pressure tunnel is studied. The topographic effects, the rock cover-to-tunnel diameter ratio, the presence of geological feature are all investigated using FLAC 2D code. Minimum stress results are compared to the minimum stress given by the well- known Norwegian design criterion, and a correction factor called, Cover Alteration Ratio (CAR) is introduced. Cases where the Norwegian criterion is not adequate are identified and it is proposed to deal with these situations by adopting a larger factor of safety. ii The FLAC 2D analyses show that the presence of topographic features has a great influence on the minimum stress distribution. Also, that Norwegian criterion is not adequate when the tunnel diameter is large compared to the rock cover. Finally, the presence of structural features near the tunnel, greatly change the minimum stress distribution and thus renders the Norwegian criterion inadequate in those cases. Based on these results, a design methodology is proposed for use at the preliminary stage in the form of a factor of safety against hydraulic jacking to be used in the Norwegian criterion. Limitations on the use of the criterion are presented. The thesis presents recommendations to orient investigations and for final tunnel and liner design. RÉSUMÉ Les conduites en charge sont largement utilisées comme galerie d'amenée pour les centrales hydroélectriques. D'une façon générale, chaque projet est composé d'un réservoir, d’une prise d'eau, d’une ou plusieurs conduites forcées, d’une centrale de surface ou souterraine et d’un canal ou d’une galerie de fuite. Historiquement, les conduites en charge non revêtues ont été utilisées par les Norvégiens dans des massifs rocheux de type granitique de bonne à excellente qualité. Cependant, la demande sans cesse croissante pour l'énergie électrique à travers le monde, a conduit l'industrie à développer des sites présentant des conditions géologiques de moins en moins favorables. Trois types de revêtement sont possibles, non revêtus, semi-revêtus et blindés. Même si le massif rocheux est de bonne qualité, insoluble et peu poreux, les sections de galerie non revêtues ne sont jamais totalement imperméables. La consolidation des sections non revêtues est constituée de boulons et de béton projeté appliqué localement selon les conditions géologiques. Dans le cas où le roc est légèrement soluble, ou poreux, et en présence d’un massif rocheux de mauvaise qualité, il est requis de couvrir les parois de béton projeté, ou même de béton coffré. Dans les pires conditions, le béton peut être armé et constitue ainsi un semi-revêtement pouvant résister aux fortes pressions internes. Ce revêtement n’est pas complètement étanche puisque les pressions développent des fissures longitudinales dans le béton qui laisse une certaine quantité d’eau s’échapper dépendamment de l’ouverture des fissures. Cette ouverture est cependant limitée par l’armature et la réaction du massif rocheux. Les galeries blindées sont composées d’un blindage d’acier encastré dans du béton. L’ensemble est par la suite injecté avec du coulis de ciment pour combler notamment les vides laissés lors de la mise en place du béton et par le retrait lors de la cure. Ce revêtement est complètement imperméable et doit être conçu en tenant compte de la réaction du massif rocheux et également des pressions externes lors d’une vidange. Étant donné sont coût très élevé, la longueur de cette section blindée est un élément crucial lors ii de la conception de la galerie. Cette thèse présente des résultats d’études et des recommandations concernant le type, et la localisation des divers types de revêtements. La conception des conduites en charge peut être divisée en trois phases distinctes, la conception préliminaire, la phase d’investigation et la conception finale. Une ample revue de la littérature couvrant la plupart des publications concernant la conception des conduites non revêtues a été réalisée. Cette thèse résume les méthodes et critères de conception existants, avec une emphase sur l’étape de conception préliminaire alors qu’aucune donnée d’investigation n’est disponible. Pour ce faire, la distribution spatiale de la contrainte minimale autour de la galerie aux environs de la limite du blindage a été étudiée. Le logiciel FLAC 2D a été utilisé pour modéliser l’effet de la topographie, l’influence du ratio couvert rocheux sur diamètre de la galerie et la présence de structures géologiques près de la galerie. La contrainte minimale a été ensuite comparée à la contrainte donnée par le critère Norvégien. Dans certain cas, les modèles ont montrés que le critère surestimait la contrainte minimale et il est recommandé, dans ces cas, d’augmenter le coefficient de sécurité. Les analyses réalisées avec le logiciel FLAC2D ont démontré que la topographie avait une grande influence sur la distribution de la contrainte minimale. Les analyses ont également montré que le critère Norvégien n’était pas adéquat quand le diamètre de la galerie est grand comparé au couvert rocheux. Finalement, la présence de structures géologiques près de la galerie, altère substantiellement le champ de contrainte ce qui rend le critère Norvégien inapplicable dans ces situations. Sur la base de l’ensemble de ces résultats, une méthodologie est proposée pour la conception préliminaire. Il est proposé d’ajuster le coefficient de sécurité figurant dans le critère Norvégien pour tenir compte des différents cas problématiques. Également, certaines limites d’utilisation du critère sont proposées. Finalement, cette thèse présente des recommandations permettant d’orienter les investigations concernant la conception finale uploads/Litterature/ thesis-pressurized-tunnels2.pdf