Jännitystilan tarkastelu Posiva Oy:n tutkimusalueilla

Työraportti 2002-47 Jännitystilan tarkastelu Posiva Oy:n tutkimusalueilla Hanna Malmlund Erik.Johansson Lokakuu 2002 POSIVA OY FIN-27160 OLKILUOTO, FINLAND Tel. +358-2-8372 31 Fax +358-2-8372 3709

Työraportti 2002-47 Jännitystilan tarkastelu Posiva Oy:n tutkimusalueilla Hanna Malmlund Erik Johansson Lokakuu 2002

Työraportti 2002-47 Jännitystilan tarkastelu Posiva Oy:n tutkimusalueilla Hanna Malmlund Erik Johansson Saanio & Riekkola Oy Lokakuu 2002 Karttaoikeudet : Maanmittauslaitos lupa nro 41/MYY/02 Pasivan työraporteissa käsitellään käynnissä olevaa tai keskeneräistä työtä. Esitetyt tulokset ovat alustavia. Raportissa esitetyt johtopäätökset ja näkökannat ovat kirjoittajien omia, eivätkä välttämättä vastaa Posiva Oy:n kantaa.

INSINÖÖRITOIMISTO SAANIO & RIEKKOLA OY SAA TE 5.8.2002 SAA TE TYÖRAPORTIN T ARKAST AMISEST A JA HYVÄKSYMISESTÄ TILAAJA Posiva Oy 27160 OLKILUOTO TILAUS YHTEYSHENKILÖT 9577/02/ AJ~ a 9~649/ 02 / AJH ~~/---- - A 1mo. H autojarvt... 7~p ostva 0 y Erik Johansson Saanio & Riekkola Oy TYÖRAPORTTI Jännitystilan tarkastelu Posiva Oy:n tutkimusalueilla LAATIJAT r;ch--- Hanna MaJ m und Saanio & Riekkola Oy ~ c~ A~l... Saanio & RiekkoJa Oy TARKASTAJA Kari Äikäs Saanio & Riekkola Oy HYVÄKSYJÄ ~R.~~ 0 ~v 1, s~ eijö Rie~ Sa~~io & &- R1e kkl o a o y toimitusjohtaja

JÄNNITYSTILAN TARKASTELU POSIVA Oy:n TUTKIMUSALUEILLA TIIVISTELMÄ Posiva Oy:n tutkimusalueilla on tehty jännitystilamittauksia käyttäen paaastassa hydraulista murtamista ja irtikairausta. Kivetyssä mittauksista onnistui yli puolet ja tulosten laatu on neljästä tutkimusalueesta paras. Olkiluodossa vähän alle 40 % mittauksista onnistui. Hästholmenissa ja Remuvaarassa mittausten onnistumisprosentit olivat alhaisimmat. Tuloksien perusteella jännitystila kasvaa syvyyden mukaan voimakkaimmin Remuvaarassa ja heikoimmin Kivetyssä ja Hästholmenissa. Olkiluodossa suurin vaakajännitys crh kasvaa noin 5.6 MPa/100 m. Suurimman vaakajännityksen suunta on tulosten perusteella Hästholmenissa, Kivetyssä ja Remuvaarassa pääasiassa luodekaakko -suunnassa. Olkiluodossa mitttausmenetelmät antavat toisistaan poikkeavia suurimman vaakajännityksen suunta-arvoja. Suunta on hydraulisen murtamisen perusteella itä-länsi, ja irtikairaustuloksien mukaan suunta on luode-kaakko. Tulosten perusteella pääjännitykset ovat asettuneet Posivan tutkimusalueilla Olkiluotoa lukuunottamatta lähes vaaka- ja pystytasoon. Olkiluodossa suurin pääjännitys on lähes pääliuskeisuuden kaarlesuunnan suuntainen ja pienin pääjännitys kohtisuoraan liuskeisuustasoa vastaan. Keskimmäinen pääjännitys cr2 on lähes vaaka. Rakenteiden vaikutusta jännitystilaan tarkasteltiin mahdollisuuksien mukaan. Tarkastelua vaikeutti jännitystilamittauskohtien sijainti vain tietyillä syvyystasoilla. Onnistuneita tuloksia yksittäisen rakenteen ylä- ja alapuolelta oli vain Kivetyssä, jossa yläpuolella olevat arvot olivat alapuolella olevia arvoja pienempiä eli rakenteen vaikutus tuloksiin oli havaittavissa. Muutoin tuloksissa ei vastaavanlaista rakenteiden vaikutusta todettu. Irtikairaamalla mitatuissa tuloksissa havaittiin olevan suurempi hajonta, sekä suuruus että suuruusarvoissa, kuin hydraulisessa mittauksessa. Tämä on seurausta ainakin osittain siitä, että hydraulisella menetelmällä mitataan laajempaa aluetta kuin irtikairausmenetelmällä. Irtikairaustulosten tulkinnassa ei ole otettu huomioon anisotropian vaikutusta, mikä etenkin gneisseissä aiheuttaa virhettä. Hydraulisen murtamisen mittauksissa epäonnistumiset aiheutuivat pääasiassa vino- tai vaakarakojen syntymisestä. Muita epävarmuuksia tuloksiin aiheutti se, että yksi pääjänni-tyksistä ei ollut aina reiän suuntainen, mikä on yksi menetelmän perusoletuksista. Lisäksi hydraulista rakoa vastaan vaikuttava normaalijännitys ei kaltevissa rei'issä ole suoraan verrannollinen pienimpään vaakajännitykseen. Myöskin uudelleen avauspaineen käyttö suurimman vaakajännityksen määrittämisessä on epäluotettava. Avainsanat Y dinj äte, loppusij oitus, j ännitystila, j ännitystilamittaus, hydraulinen murtaminen, irtikairaus, Olkiluoto, Hästholmen, Kivetty, Romuvaara

ROCK STRESS MEASUREMENTS AT POSIVA SITES ABSTRACT Hydraulic fracturing and overcoring were the most commonly used methods in rock stress measurements carried out at Posiva sites. The amount of the successful measurements (over 50%) and the quality of the results were best at Kivetty. At Olkiluoto a little bit less than 40% of the measurements were successful. At Hästholmen and Romuvaara the amount of successful measurements were the lowest. Based on the results, the increase of the maximum horisontal stress with depth is most rapid at Romuvaara and slowest at Hästholmen and Kivetty. At Olkiluoto the maximum horisontal stress increases with depth by approximately 5.6 MPa/1 00 m. The orientation of the maximum horizontal stress is at Romuvaara approximately in direction 120 and at Kivetty in direction NW -SE. At Olkiluoto the orientation of ah was E-W based on the results of the hydraulic fracturing. Based on the overcoring results the direction is NW-SE. The principal stresses are mainly, except at Olkiluoto, in horizontal and vertical planes. At Olkiluoto the main principal stress seems to be parallel to the main schistosity plane and the minimum principal stress is perpendicular to it. The intermediate principal stress is almost horizontal. The influence of structures on the rock stress profiles was studied as much as it was possible. Stress measurements have been carried out only at the specific depth levels which made the study difficult. Successful measurements both above and below a stucture were obtained only at Kivetty. Above the geological structure the stress magnitudes were clearly lower than below the structure. Dispersion of the overcoring results were detected to be greater than in the results of hydraulic fracturing. One explanation for this is that in hydraulic fracturing the measured area in individual measurement is larger than in overcoring. In the interpretation of the overcoring results the anisotropy effect has not been taken into account which especially in gneissic rock causes error. In hydraulic fracturing the unsuccessful measurements were usually rejected because the hydrofractures didn't iniate parallel to the borehole. One of the main requirements in the method is that one of the principal stresses should be parallel to the borehole. This was the case only in few boreholes. In inclined borehole the problem was also that the normal stress perpendicular to the hydraulic fracture was not directly the magnitude of the minimum horizontal stress. Also the using of the reopening pressure in the determining of the maximum horizontal stress is unreliable. Keywords: Nuclear waste, disposal, rock stress, rock stress measurements, hydraulic fracturing, overcoring, Olkiluoto, Hästholmen, Kivetty, Romuvaara

1 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYSLUETTELO... 1 ESIPUHE... 3 1 JOHDANT0... 5 2 KÄYTETYT JÄNNITYSTILAN MITTAUSMENETELMÄT... 7 2.1 lrtikairausmenetelmä... 7 2.2 Hydraulinen murtaminen... 8 2.3 HTPF-menetelmä... 11 2.4 ln situ -jännitystilan määritys core disking -havaintojen avulla... 12 3 KALLION JÄNNITYSTILA... 13 3.1 Jännitystila Suomessa... 13 3.2 Ruhjeiden vaikutus jännitystilaan... 14 4 OLKILUOT0... 17 4.1 Yleistä... 17 4.2 Reikämittaukset... 22 4.2.1 Mittaukset reiässä KR 1... 22 4.2.2 Mittaukset reiässä KR2... 24 4.2.3 Mittaukset reiässä KR4... 26 4.2.4 Mittaukset reiässä KR1 0... 27 4.3 VLJ-Iuolan jännitystilamittaukset... 28 4.4 Tulosten tarkastelu... 30 4.4.1 Tulosten yhteenveto... 30 4.4.2 Tulosten luotettavuus ja virhelähteet... 36 5 HÄSTHOLMEN... 39 5.1 Yleistä... 39 5.2 Reikämittaukset... 42 5.2.1 Mittaukset reiässä KR5... 42 5.2.2 Mittaukset reiässä KR6... 42 5.3 Tulosten tarkastelu... 44 6 KIVETTY... 49 6.1 Yleistä... 49 6.2 Reikämittaukset... 52 6.2.1 Mittaukset reiässä KR1... 52 6.2.2 Mittaukset reiässä KR3... 54 6.2.3 Mittaukset reiässä KR5... 56 6.2.4 Mittaukset reiässä KR1 0... 57

2 6.3 Tulosten tarkastelu... 58 6.3.1 Tulosten yhteenveto... 58 6.3.2 Tulosten luotettavuus ja virhelähteet... 60 7 ROMUVAARA... 63 7.1 Yleistä... 63 7.2 Reikämittaukset... 66 7.2.1 Mittaukset reiässä KR1... 66 7.2.2 Mittaukset reiässä KR2... 68 7.2.3 Mittaukset reiässä KR3... 68 7.2.4 Mittaukset reiässä KR1 0... 70 7.3 Tulosten tarkastelu... 71 7.3.1 Tulosten yhteenveto... 71 7.3.2 Tulosten luotettavuus ja virhelähteet... 75 8 TULOSTEN TARKASTELU JA YHTEENVETO... 77 LÄHDEVIITTEET... 81 LIITTEET... 87

3 ESIPUHE Tämä raportti on laadittu Posiva Oy:n toimeksiannosta ja se on osa käytetyn polttoaineen loppusijoitustutkimuksiin liittyvää raportointia. Tilaajan yhteyshenkilönä on toiminut Aimo Hautojärvi. Raportti perustuu osin Pasi Tolppasen laatimaan muistioon T-2000-8/97. Raportin on kirjoittanut Hanna Malmlund Erik Johanssonin ohjauksessa. Kari Äikäs Saanio & Riekkola Oy:stä on kommentoinut koko raportin. Matti Hakala ja Pasi Tolppanen Gridpoint Oy:stä ovat kommentoineet luvut 1-4. Schmidtin alapalloprojektiokuvat on tehnyt Annika Hagros Saanio & Riekkola Oy:stä. Raportin oikoluvussa on avustanut Päivikki Mäntylä Saanio & Riekkola Oy:stä.

4

5 1 JOHDANTO Tässä raportissa on esitetty Posiva Oy:n tutkimusalueilla - Olkiluodossa, Hästholmenissa, Kivetyssä ja Romuvaarassa- suoritettujen jännitystilamittauksien tulokset ja niiden tarkastelu. Korkea-aktiivisen ydinjätteen loppusijoituspaikaksi on esitetty Olkiluotoa, minkä takia siellä tehtyjä tutkimuksia on tarkasteltu muita alueita tarkemmin. Olkiluodon, Kivetyn ja Romuvaaran tutkimusalueilla on tehty jännitystilamittauksia vuosina 1989 ja 1995-1996 irtikairaukseen ja hydrauliseen murtamiseen perustuvilla menetelmillä. Kallion 3-dimensionaalinen jännitystila mitattiin irtikairausmenetelmällä näiden tutkimusalueiden KR1 0 rei'istä, jotka on kairattu irtikairauksen asettamien vaatimusten mukaisesti. Mittaukset suoritettiin syvyystasoilla 300m, 450 m ja 600 m. Hydraulinen murtaminen on 2-dimensionaalinen menetelmä ja siinä mitataan kohtisuorassa kairanreikään vaikuttavia j ännityskomponenttej a. Menetelmää on käytetty Kivetyn, Olkiluodon ja Romuvaaran tutkimusalueilla syvyysvälillä 300-800 m. Lisäksi Olkiluodossa on tehty jännitystilamittauksia voimalaitosjätteen loppusijoitustilan eli VLJ-luolan alueella vuosina 1981-1988. Hästholmenissa on jännitystilamittauksia suoritettu yksityiskohtaisten paikkatutkimusten aikana vuosina 1997-1999. Muilla alueilla käytettyjen menetelmien lisäksi Hästholmenissa on käytetty hydraulisen murtamisen sovellusta, HTPF-menetelmää, ja arvioitu kairausnäytevaurioiden perusteella kallioperän in situ -jännitystilaa. VLJ-luolan suunnittelu- ja rakennusvaiheessa on jännitystilamittauksia tehty vuosina 1981-1994. Tässä raportissa on esitetty yksittäisten mittaustulosten lisäksi sekä reikäkohtainen että alueellinen jännitystilan tarkastelu. Jännitystilan arviointi perustuu mittaustuloksiin ja laadittuihin kalliomalleihin. Irtikairauksella mitataan erittäin pistemäistä jännitystilaa, minkä takia tulokset on huomioitu ns. tasokeskiarvoina, jollei toisin ole mainittu. Irtikairausmittausten yhteydessä ei ole otettu huomioon kiven anisotropian vaikutusta. Termillä "syvyys" tarkoitetaan vertikaalisyvyyttä maanpinnasta ja reikäsyvyydellä esitetyn pisteen etäisyyttä reiän lähtöpisteestä.

6

7 2 KÄYTETYT JÄNNITYSTILAN MITTAUSMENETELMÄT 2.1 lrtikairausmenetelmä Irtikairausmenetelmässä mitataan kivikappaleesssa tapahtuvia muodonmuutoksia, kun se vapautetaan sitä ympäröivästä jännityskentästä. In situ -jännitystila lasketaan rekisteröityjen muodonmuutosten ja kivelle määritettyj en muodonmuutos-parametriarvoj en avulla (Leeman & Hayes 1966, Amadei & Stephansson 1997). Jännitystilan laskemisessa käytetään hyväksi kimmoteoriaa. Mittausten onnistumisen edellytyksenä on että seuraavat oletukset ovat voimassa: - kivi käyttäytyy lineaarisesti ja kimmoisesti (ts. näytteessä tapahtuvan jännitystilan vapautumisesta aiheutuva muodonmuutos on samansuuruinen, mutta vastakkaismerkkinen kuin in situ -jännitystila) - kivi on homogeenista ja isotrooppista - kivi on jatkuvaa. Lisäksikiven kimmokerroin (E) ja Poissonin luku (v) on tunnettava. Tässä työssä kiven anisotropian tai epähomogeenisten alueiden ja kiven epäelastisen käyttäytymisen aiheuttamat vaikutukset on jätetty tarkastelun ulkopuolelle. Tässä raportissa kuvatuissa mittauksissa on käytetty Vattenfall Hydropower AB:n kehittämää mittausanturia Borre Probe (Christiansson et al. 1989, Hallbjörn et al. 1990, Klasson & Leijon 1990, Ljunggren & Klasson 1996). Anturissa on kolme kolmen venymäliuskan rosettia sekä mittaustiedon keräysyksikkö. Venymäliuskat liimataan pilottireiän seinämään. Ne mittaavat muodonmuutosta reiän suunnassa sekä 90 ja 45 kulmassa sitä vastaan. Tuloksena saadaan kallion kolmidimensionaalinen jännityskenttä. Tiedonkeräysyksikön ohjelmointi mittausta varten tehdään maanpinnalla ennen reikään asentamista. Irtikairausmittauksen vaiheet on esitelty kuvassa 2-1. Käytetyssä irtikairausmenetelmässä kairattiin mittausanturin sisältämä pilottireikä (halk. 36 mm) irti tekemällä halkaisijaltaan 76 mm kokoinen kairanreikä sen ympärille. Ennen anturin asentamista pilottireikä huuhdellaan huolellisesti, jotta liimaus onnistuisi. Liiman kuivumisen jälkeen suoritetaan irtikairaus, minkä jälkeen mittausanturi irrotetaan ja tiedonkeräysyksikön taltioima mittausdata siirretään tietokoneelle. Irtikairattu näyte asetetaan biaksiaalikennoon, jossa kivelle määritetään kimmokerroin ja Poissonin luku. Kimmokertaimien määrittämisessä hyödynnetään samoja kiveen liimattuja venymäliuskoja.

8 1 2 3 4 5 6 1. Kairataan rp 76 mm reikä mittaussyvyydelle. Kairasydämen halkaisija on 62 mm. Tarvittaessa kairameiän pohja tasataan. 2. Reiän (76 mm) pohjaan kairataan pilottireikä (halk. 36 mm). Pilottinäytteestä varmistetaan mittauskohdan sopivuus eli se ettei mittauskohdassa ole epäjatkuvuuskohtia. Reikä huuhdellaan huolellisesti. 3. Lasketaan "Borre Probe" mittausanturi reikään asennuslaitteella. 4. Anturi vapautetaan asentirnesta, jolloin venymäliuskat tarttuvat pilottireiän seinään. 5. Poistetaan asennuskappale. 6. Liirnan kuivuttua anturi irtikairataan ja nostetaan maanpinnalle. Irtikairattu kappale koestetaan ja jännitystulokset tulkitaan. Kuva 2-1. Irtikairaus Borre Probe -kennolla (Ljunggren & Klassan 1996). 2.2 Hydraulinen murtaminen Hydraulinen murtaminen perustuu vastustavien vo1m1en periaatteeseen. Hallitun kuormituksen avulla reiän ympärillä olevaa tasapainoa häiritään ja vastustava voima mitataan. Mittausreikä tulpataan noin 0.5 m alueelta ja tulpattuun kohtaan kohdistetaan vesi paine, joka aiheuttaa radiaalisen raon syntymisen. Raon syntymiseen vaikuttavat sekä kiven vetolujuus että vallitseva jännitystila. Murtopaineen tasaantumisen ja vapautumisen jälkeen aikaansaatu reiänsuuntainen murtorako avataan uudelleen paineistamalla. Raon avaamiseen tarvittava paine on suoraan riippuvainen rakoa vastaan vaikuttavan normaalijännityksen suuruudesta. Hydraulinen murtaminen on 2-dimensionaalinen menetelmä, ja se mittaa kohtisuoraan kairanreikää vastaan vaikuttavat jännitykset. Pystysuorassa kairanreiässä nämä jännityskomponentit ovat siten suoraan verrannollisia suurimpaan ja pienimpään vaakaj ännitykseen. Mittausten onnistumisen edellytyksenä on, että rako syntyy reiän suuntaan (kuva 2-2). Pystysuorassa kairanreiässä rako syntyy teoriassa kohtisuoraan pienintä vaakajännitystä vastaan eli ts. suurimman vaakajännityskomponentin suunnassa. Pienin vaakajännitys

9 mitataan määrittämällä syntyneen raon sulkeutumispaine, kaava 2-1 (P s). Suurin vaakajännitys lasketaan kaavan 2-1 mukaan, jossa Pr tarkoittaa raon uudelleen avaamiseen tarvittavaa painetta. Suurimman vaakajännityksen suunta voidaan määrittämää mittaamalla raon suunta. O'h = Ps 2-1 O'H = 3crh - Pr Mittausten onnistumisen edellytyksenä on, että seuraavat perusoletukset ovat voimassa: 1. mittausreikä on yhden pääjännityskomponentin suuntainen eli yleensä se tarkoittaa sitä, että reiän pitää olla mahdollisimman pystysuuntainen. Tuloksia pidetään epäluotettavina, jos poranreiän suunta poikkeaa enemmän kuin ±15 yhdestä pääjännityssuunnasta 2. mittauskohta on raoton 3. aksiaalinsen murtorako muodostuu 4. kivi on isotrooppista ja homogeenista 5. kivi käyttäytyy lineaari-kimmoisesti. Pasivan tutkimusalueilla vain neljäsosa tutkimuksista on tehty pystyrei'issä, loput reiät ovat kaltevia. Oletuksen perusteella yhden pääjännityskomponentin pitäisi olla mittausreiän suuntainen, mikä vinoissa kairanrei'issä on epätodennäköistä (Klasson & Leijon 1990, Ljunggren & Klassan 1996). Tällä on vaikutusta syntyvän raon asentoon, mikä puolestaan vaikuttaa siihen, että raon kulku ei vastaa suurimman vaakajännityksen suuntaa. Stereografisen projektiaanalyysin avulla on mittausten yhteydessä määritetty reiän suuntaisen raon korjatut kulku- ja kaadearvot. Tämän kulkuarvon pitäisi olla yhdenmukainen suurimman vaakajännityksen crh:n suunnan kanssa. Analyysiin otettiin mukaan vain reiän suuntaiset raot. Analyysi ei ota huomioon kallion anisotropiaa. Rako ei aina muodostu reiän suuntaisesti. Tämän voi aiheutua esim. kiven suuntautuneisuudesta tai kalliossa olevista raoista tai rakenteista. Raon syntyminen eitoivottuun suuntaan aiheuttaa mittauksen hylkäämisen. Vattenfall Hydropower Ab:n käyttämä mittauslaite on rakennettu kuorma-auton alustalle (kuva 2-3). Samassa yksikössä on kaikki mittaukseen tarvittavat laitteistot. Ulkopuolelta tarvitaan vain murtamisessa käytettävä vesi. Tässä raportissa käsiteltävissä jännitystilamittauksissa on käytetty reikäkokoja 56 ja 76 mm. Menetelmästä on esitetty tarkemmat kuvaukset raporteissa (Klasson & Leijon 1990, Ljunggren & Klassan 1996, Amadei & Stephansson 1997).

10 Kuva 2-2. Hydraulisen murtamisen periaate (Ljunggren & Klassan 1996). Jos reikä on pysty, muodostuu rako teoriassa kohtisuoraan ah vastaan. i G) i 4---------------------~ appr. 10m (f) aj (J) @) (IJ @ Monikäyttö/etkun ohjauspyörä liikuteltavalla alustalla. Rumpukela 1000 m:n monikäyttöletkulle, syöttöjärjestelmä. Virtausmittari sekä ohjausyksikkö murto- ja tulppapaineelle. Mittausdatan rekisteröinti- ja tulostusyksikkö; signaalin vahvistin, piirturi ja siirrettävä PC-tietokone. Korkeapaine vesipumppu. 400 l polttoainesäiliö, hydraulipumppu ja vesisäiliö. Kuva 2-3. Hydraulisen murtamisen mittauslaitteisto (Ljunggren & Klassan 1996).

11 2.3 HTPF-menetelmä Olemassa olevien rakojen uudelleenavausmenetelmä (HTPF-menetelmä = Hydraulic Tests on Pre-existing Fractures -method) on hydraulisen murtamisen sovellus. Se perustuu kairanreikää leikkaavien tunnettujen rakoj en hydrauliseen paineistamiseen (kuva 2-4). Menetelmää on tarkemmin tarkasteltu raporteissa (Ljunggren 1999, Amadei & Stephansson 1997). Menetelmä on kehitetty olosuhteisiin, jossa perinteisen hydraulisen murtamisen perusoletukset eivät täyty (ks. luku 2.2). Menetelmällä mitataan rakoa vastaan kohtisuoraan vaikuttavaa normaalijännitystä. Mittauslaitteisto on sama kuin hydraulisessa murtamisessa. Kokeessa tulpatulla reikävälillä yhtä kulultaan ja kaateeltaan tunnettua rakoa paineistetaan hydraulisella paineella. Rako laajentuu ja avautuu omassa tasossaan. Hydraulista painetta lisätään hitaasti, jotta ei aiheutuisi esim. raon pidentymistä tai uusien rakojen syntyä. Mittaukset tulee tehdä erisuuntaisissa raoissa, mikä voi olla vaikeata, jos alueella on esimerkiksi vain kaksi dominoivaa rakosuuntaa (Mononen et al. 2001). HTPF-mittauksiin liittyvien epävarmuustekijöiden takia olisi jännitystilan laskentaa varten mitattava vähintään kymmenen rakotason normaalijännitys. Kun tunnetaan riittävä määrä erisuuntaisia rakotasoja ja niissä vaikuttavia normaalivoimia, voidaan yhtälöryhmästä ratkaista vallitseva 2D- tai3d-jännitystila kalliossa. Menetelmää käytettiin Hästholmenissa. Kuva 2-4. HTPF-menetelmän periaate (Amadei & Stephansson 1997).

12 2.4 ln situ -jännitystilan määritys core disking -havaintojen avulla Core disking tarkoittaa kairansydännäytteen viipaloitumisilmiötä (Hakala 1999). Kivinäyte viipaloituu, kun se irtikairataan luonnonmukaisessa jännitystilassa olevasta kalliosta ja jännitystila on suuri kiven vetolujuuteen nähden. Kun on kyseessä ontto kairanreikä puhutaan ring disking - ilmiöstä. Viipaloituminen voi olla seuraus alueella vallitsevasta suuresta jännityskentästä. Yleensä reikää vastaan kohtisuoran ja reiänsuuntaisen jännityksen suhde on suuri. On muistettava, että core disking - ilmiön esiintyminen ei välttämättä tarkoita suuren vaakajännityskentän vallitsemista, vaan siihen vaikuttavat myös mm. kiven lujuus ja poraustekniset seikat (Amadei & Stephansson 1997). Sacklen (1999) on kuvannut core disking - ilmiön esiintymistä Posivan tutkimusalueilla. Hästholmenin alueella tehdyt jännitystilamittaukset irtikairaus- ja hydraulisen murtamisen menetelmillä eivät tuottaneet luotettavaa tulosta core/ring disking -ilmiön ja kairanreiän seinän vaakasuuntaisen hydraulisen murtumisen vuoksi (Hakala 2000). Tähän ongelmaan liittyen tehtiin tutkimus umpinaisen ja onton kairansydämen viipaloitumisilmiöistä (Hakala 1999). Tutkimuksen tuloksena kehitettiin in situ -jännitystilan arviointimenetelmä, jota on sovellettu Hästholmenin alueella (Hakala 2000). Kehitetyssä menetelmässä in situ -jännitystilan suuruuden tulkinta perustuu kairansydämen viipaloitumistyyppiin, rakoväliin ja rakopinnan muotoon (Hakala 2000). Lisäksi tarvitaan ehjän kiven Hoek-Brown -murtopinta ja Poissonin luku. Hyvä tulkintatulos edellyttää samalta syvyydeltä tietoa sekä umpinaisen että onton kairansydämen viipaloitumisesta. Lisäksi in situ -jännityskentän suuntaus pitää olla tiedossa sekä viipaloitumisen ja kiven fysikaalisten ominaisuuksien täytyy täyttää statistisen lähestystymistavan vaatimukset.

r------------ - - - - ---- - 13 3 KALLION JÄNNITYSTILA Kallion jännitystila on kolmedimensionaalinen tensorisuure (Mononen et al. 2001). Vähimmillään se voidaan esittää kuudella parametrillä, crx, cry, crz, crxy, cryz, <Jzx Yleensä jännitystila kuitenkin esitetään yhdeksällä parametrillä cr1, suuntaa1, kaadecrl, cr2, suuntaa2, kaadecr2, cr 3, suuntaa 3 ja kaadecr 3. Tensorimuodosta johtuen pitää jännitystilan suuruutta ja suuntaa käsitellä kytkettynä toisiinsa. Tästä johtuen esitysmuotoa crh, crh ja crv voidaan käyttää vain tapauksessa, jossa pääjännitykset ovat vaaka-asentoisia. Muissa tapauksissa ovat arvot todellisia pääjännityksiä pienempiä. Irtikairaustulosten tasokeskiarvot on laskettu jännitystensorien kautta. Ero aritmeettisesti laskettuun on muutaman MPa:in luokkaa. Muissa menetelmissä käytetyt keskiarvot on laskettu aritmeettisesti. 3.1 Jännitystila Suomessa Suomessa tehtyjä jännitystilamittauksia ja niistä saatuja tuloksia ovat viime vuosina käsitelleet Tolppanen & Johansson (1996), Tolppanen & Särkkä (1999a, b). Mittausten tuloksia tarkasteltaessa on huomioitava, että mittaukset on tehty eri menetelmillä erilaisissa geologisissa ympäristöissä. Suurin osa mittauksista on keskittynyt kallion pintaosiin. Syvin mittauspiste on 1125 m syvyydellä kalliopinnasta. Tolppanen & Särkkä (1999a, b) ovat esittäneet vuosina 1986-1999 tehdyt mittaukset, jotka käsittävät 309 mittausta 46 mittausreiästä 20 paikkakunnalta. Mittaukset on tehty syvyysvälillä 4-1125 m. Irtikairausmenetelmää on käytetty 173 pisteessä ja hydraulista murtamista 136 pisteessä. Suurin osa mittauksista (288 kpl) on tehty kalliorakennuskohteissa, joista 212 mittausta on tehty ydinjätteen loppusijoitustutkimuksien yhteydessä. Vain 21 mittausta on tehty kaivoksissa. Kun jokainen yksittäinen mittauspiste otettiin huomioon, on suurimman vaakajännityksen syvyysriippuvuudeksi saatu: crh = 0.045z + 3.6 MPa, (3-1) Kaavan 3-1 perusteella voidaan arvioida, että suurin vaakajännitys kasvaa Suomessa keskimäärin 4.5 MPa/100 m (kuva 3-1). Tosin paikallisesti ja alueellisesti on mitattu suuriakin poikkeamia. Suomessa tehtyjen mittausten perusteella molemmat vaakajännitykset ovat mittaussyvyyksillä pääsääntöisesti pystyjännitystä suurempia. Pienin vaakajännitys ja pystyjännitys ovat joskus hyvin lähellä toisiaan ja joissain tapauksissa suuruusjärjestys voi olla päinvastainen. Suurimmat yksittäiset vaakajännityskomponentin ( crh) arvot ovat luokkaa 70 MPa. Suurimman ja pienimmän vaakajännityksen suhde vaihtelee välillä 1.5-2.0. Suurin pääjännitys on Suomessa tyypillisesti lähes horisontaalinen, kaade keskimäärin 5-10. Suurimman vaakajännityksen suunta on hajautunut. Suurimmat havaintomäärät sijaitsevat välillä 90-140 pohjoisesta (Tolppanen & Johansson 1996). Syvemmällä kallioperässä suuntahajonta vähenee ja ko. aineistossa suurimman vaakajännityksen suunta keskittyy välille 90-135 (Tolppanen & Särkkä 1999a, b ).

14 crh (MPa) 80~--------------~--~~~~--~----~ 70+---------------------------------~.~ : 60+-----~--~----------------~--------_, 50+-~----------~--------~~------~~--~ 40+-----------------~----~~~r-------~ 30+-~~--~----~~~~~------------~ 20~~r-----~~~~~------------------~ 10~~~&-~~--------------------------~ 0 200 400 600 Syvyys (m) 800 1000 1200 Kuva 3-1. Suurin vaakajännitys syvyydenfunktiona (Tolppanen & Särkkä 1999a). Vaakajännitysten hallitsevuus kallioperän pintaosissa on yleismaailmallinen piirre (Matikainen et al. 1982). Eräs selitys vaakajännityksille on ns. laattatektooninen malli. Esimerkiksi Atlantin keskiselänteellä kaksi mannerlaattaa erkanee toisistaan ja aiheuttavat manneralueilla vaakapuristuskentän törmätessään toisiin mannerlaattoihin. Tämän mallin mukaan suurin horisontaalinen vaakajännitys vaikuttaa Suomessa kohtisuoraan Keski-Atlantin selännettä vastaan (kaakko-luode). Suomessa jääkauden jälkeen tapahtuva maannousema on kallioperän pystyliikuntoj a ja aiheuttaa myös vaakajännitystä. Lisäksi kallioperässä voi esiintyä suurimittakaavaisia jäännösj änni tyksiä. 3.2 Ruhjeiden vaikutus jännitystilaan Christiansson & Martin (200 1) ovat vertailleet Ruotsissa ja Kanadassa ydinjätetutkimuksissa tehtyjä j ännitystilamittauksia. Tutkimuksissa havaittiin kolme erilaista jännitystilavyöhykettä (kuva 3-2). Kaikissa tapauksissa geologiset rakenteet, erityisesti vaaka-asentoiset, ovat selvästi aiheuttaneet jännitystilan muuttumista rakenteiden läheisyydessä. Ensimmäisessä vyöhykkeessä, rakenteiden yläpuolella, jännitysarvojen havaittiin olevan ympäristöön nähden suhteellisen pieniä, kun taas kolmannessa vyöhykkeessä, rakenteiden alapuolella, suhteellisen korkeita. Näiden kahden alueen välinen muuttumisvyöhyke on yhteydessä geologisiin rakenteisiin. Joissakin tapauksissa suurimman pääjännityksen suuntaus oli muuttunut rakenteen suuntaiseksi. Rakenteiden läheisyydessä jännitystila-arvot ja suunnat vaihtelivat merkittävästi, mistä johtuen rakenteet luokiteltiin loppusijoituksen kannalta epäsuotuisiksi alueiksi.

15 - a. ~ "' -0 0 Q)... -en ä; -c:: 0 N c:: 0 J: E ~ E -~ ~ 80 70 60 50 40 30 20 10 Stress Released Zone 200 Potential Repository Depth Transition Zone 400 600 Depth (m) Maximum stress Zone.A. Å URL Foramark + ASPO 800 1000 Kuva 3-2. Yhteenvetokuva suurimman vaakajännityksen arvoista syvyyden funktiona. Tutkimuspaikat ovat Ruotsin Äspö HRL ja F orsmark SFR sekä Kanadan URL (Christiansson & Martin 2001 ).

16

17 4 OLKILUOTO 4.1 Yleistä Olkiluodon saarella on tehty jännitystilamittauksia sekä Ulkopään niemellä VLJ-luolan alueella, että suunnitellun korkea-aktiivisen ydinjätteen loppusijoitusalueella, ts. saaren keskiosissa (kuvat 4-1 - 4-3). Loppusijoitusalueella on jännitystilamittauksia tehty neljässä kairanreiässä syvyysvälillä 300-800 m. Hydraulisella murtamisella on mittaus onnistunut 31 :ssä mittauspisteessä; OL-KR1 :ssä 13 mittausta, OL-KR2:ssa 13 mittausta, OL-KR4:ssä 2 mittausta ja OL-KR10:ssä 3 mittausta. Irtikairaamalla on jännitystila määritetty kairanreiässä OL-KR10 15 pisteessä mittaustasoilla 300m, 450 m ja 600 m. VLJ-luolassa mittaukset on tehty kallion pintaosissa syvyysvälillä 20-180m. Kaikki mittaustulokset on esitetty liitteissä 1 ja 2 sekä raporteissa Klasson & Leijon 1990 ja Ljunggren & Klasson 1996. Olkiluodon pääkivilaji on migmatiittinen kiillegneissi. Muita saarella esiintyviä kivilajeja ovat suuntautuneet tonaliitit ja granodioriitit sekä massamaiset karkearakeiset graniitit ja pegmatiitit (kuvat 4-3 ja 4-4) (Äikäs et al. 1999a). Saaren eteläosassa esiintyy migmatiittiutunutta kiillegneissiä, jota kutsutaan suonigneissiksi. Olkiluodossa liuskeisuus kaatuu tyypillisesti etelä-kaakkoon (160 ) (kuvat 4-2 ja 4-13, luku 4.4-2). Loppusijoitussyvyydellä, 450-550 m, kaateen suunta kääntyy noin 10 pohjoiseen päin. Sekä maanpinta- että kairanreikäkartoituksien perusteella liuskeisuuden kaade vaihtelee runsaasti, on mitattu sekä hyvin jyrkkiä että hyvin Ioivia kaarlearvoja ja arvoja siltä väliltä. Liuskeisuuden kaarlearvojen vaihtelu johtuu todennäköisesti kiven poimuttuneisuudesta. Yleisesti maanpinnalla mitatut kaarlearvot ovat jyrkkiä, kun taas syvemmällä kaateet ovat loivempia. Keskiarvo 350-550 m syvyydessä on noin 40-50. Ruhjetulkinnan mukaan Olkiluoto sijaitsee kahden II-luokan WNW-ESE -suuntaisen ruhjevyöhykkeen rajaamassa pitkänomaisessa suurlohkossa (kuva 4-1, Kuivamäki 2001). II-luokan ruhjevyöhykkeet ovat useita satoja metrejä leveitä ja 5-10 km pitkiä vyöhykkeitä. Eteläisemmän ruhjevyöhykkeen lähellä kulkee kaksi rinnakkaista, mutta lyhyempää II-luokan ruhjetta. Idässä Olkiluodon suurlohko rajautuu kahteen II-luokan ruhj evyöhykkeeseen. Rakenteiden avulla kallioperä voidaan jakaa erikokoisiin ja -muotoisiin kalliolohkoihin (Äikäs et al. 1999a, Anttila et al. 1999c ). Yksi päärakosuunnista (070-090 ) on samassa suunnassa kuin pääliuskeisuussuunta ja kaatuu etelä-kaakkoon. Myös osalla rakenteista on samansuuntainen kulku. Toinen keski-jyrkkäkaateinen päärakosuunta (160-190 ) on kohtisuorassa edellistä vastaan. Lisäksi yksi heikompi rakosuunta (020-040 ) leikkaa edellisiä vinosti noin lounais-koillissuunnassa. Yli -300m syvyydessä rakojen suuntajakauma on kompleksinen. Kalliomalliin (Saksa et al. 1998) perustuvat kivilajirajat ja rakenteet on esitetty kuvissa 4-3 ja 4-4. Loppusijoitusalue on suunniteltu sijoitettavaksi rakenteiden rajaamaan kalliolohkoon (kuva 4-3). Rakenteiden kaateet on esitetty kuvassa 4-3 sekä liitteessä 2. Kuvassa 4-13 (luku 4.4-2) on rakennehavainnot esitetty alapalloprojektiona.

0 ~ a ~ 793000 mn Q ~ 00 IP~OmN 1 ~ ~ e~ ~ 1 ~ ~ Luotausalueenruhjetulklnta ~ ~~ - ~C) ~ (Kulvamäkl2001, Työraporttl2001-28) Kivilajit ( Kuivamäki 2001, Työraportti 2001-28) Kllllegnelssl Granodlorllttla tai tonalllttla Granllttla, por1yyrlsta granllttla, pegmatilttla Kuva 4-1. Olkiluodon luotausalueen ruhjetulkinta, II-luokan ruhjevyöhykkeet (Kuivamäki 2001).

~ \.0 F'Yl'"S' 'vvv ~..,.. 9 & ' 1 >J Kalranrelklen sljalnnlt (KR1-KR14) Kivilajien maanpintakartta Liuskeisuushavalnnot KKJ1 (Projektio: Gauss-Kruger) 21.11.2001 r "f'f' ">:;;::j / < ' 1 Sunlo&RiekkolaOyiHM 7 1 - - ~ ' SELITYKSET: KR1 Jannitysblamittausreika ja sen "' maanpintaprojektio KR1 Kairanreika ja sen J:.s::: maanpintaprojektio - Tutkimuskaivanto Liuskeisuuden... kulku ja kaateen suunta Kivilajimalli 3.0 Kii llegneissi Suonigneissi Tonaliitti 1 Tonaliittigneissi Graniitti 1 Pegmabitb Metadiabaasi Amfiboliitb Kuva 4-2. Olkiluodon saari sekä kairanreikien sijainti. Jännitystilamittausreiät merkitty punaisella. Lisäksi jännitystilamittauksia on tehty VLJ-luolan alueella. Lisäksi karttaan on lisätty maanpinnalla tehdyt liuskeisuushavainnot.

20 OLKILUOTO Vaakaleikkaus -600 m (z=-500 m) Mittakaava: 1: 25000 Projektio: KKJ 1 (Gauss-Kruger) Rakennemalli 3.0 FintacUJLV25.09.98/rc/olk.V s.up-500-sr-raklrak_3.0/ps Geomalli 3.0 FintacUJLi/29.1 0.98/rc/olki21 s.scc-z500-sr-geoigeo_3.0/ps SELITYKSET: Kiillegneissi Ld ~ Suonigneissi TonaliittifTonaliittigneissi Graniitti/Pegmatiitti Metadiabaasi Amfiboliitti j Kalliomallin rakenteet: Sijoitustunneleiden rakentamisessa vaiteltavat rakenteet Kallioteknisesti merkittavat rakenteet Muut rakenteet b. KR7 h. KR1 Kairanreian sijainti leikkaussyvyydella Jannitystilamittausreiat Ei otettu huomioon K~ 11 kalliomallissa (KR7, KR11 ja KR12) Mahdollinen sijoitusalue 14.5.2001 HM/Saanlo & RiekkoJa Oy Kuva 4-3. Vaakaleikkaus -500 m syvyydessä ja loppusijoitustunneleiden mahdollinen sijoitusalue. Kuvassa on esitetty kivilajirajat ja todetut rakenteet (vrt. Saksa et al. 1998).

21 ~ Cl1 N N Cl1 Cl1 Cl1 0 0 0 A-A ~ ~ N N 0) 0) 0 Cl1 0 0 _.. Cl1 N -...J 0 8-8 m m m ---1 ---1 ---1 (!) <D (!) w w 1\.) (J1 (J1 0 0 0 m ---1 (!) 1\.) 0 m ---1 ~ (J1 0 OLKILUOTO Leikkaus A-A Leikkaus B-8 Rakennemalli 3.0 Rakennemalli 3.0 Fintact/Jl il27.10.98/rrjo lki2/ s.sec-x6 792500-sr -raklrak_ 3.0/PS Fintact/.Jl if28. 0.98/rrJolki2/ s.sec-y 1526000-sr -raklrak_ 3.0/PS Geomalli 3.0 Geomalli 3.0 FintactJJLil27. 0.98/rrJolki2/ Fintact/.JLil28.1 0.98/rrJolki2/ s. sec-x6792500 sr~o/geo _3.01PS s.sec-y 526000-sr.geo/geo_J.OIPS 20.11.2000 HM/Saanio & Riekkola Oy L-----------------------------------~ SELITYKSET: Diabaasi D Graniitti/Pegmatiitti D Tonaliitti/T onaliittigneissi Amfiboliitti D Kiillegneissi LJ Suonigneissi KR 1 \. Jannitystilamittausreika KR1 -'\, Muu kairanreika Kalliomallin rakenteet: Sijoitustunneleiden rakentamisessa / valtettavat rakenteet Kallioteknisesti merkittavat rakenteet 1 Muut rakenteet Kuva 4-4. Poikkileikkaukset A -Aja B-B.

22 4.2 Reikämittaukset 4.2.1 Mittaukset reiässä KR1 Kairanreikä KR1 on 1001 m pitkä. Sen kaade on tasolla -500 m 69 ja tasolla -800 m 64 (Suomen Malmi Oy 1989a). Kairanreiässä on yritetty mitata jännitystilaa hydraulisella murtamisella 24 kertaa, joista 13 onnistui reikäsyvyysvälillä 471-861 m (Klasson & Leijon 1990). Mittaustuloksien tasokeskiarvot on esitetty taulukossa 4-1 ja kaikki mittaustulokset liitteessä 1. Kuvassa 4-5 on esitetty reiän KR1 kairanreikäprofiili, jossa kivilajit, lävistetyt rakenteet, jännitystilamittausten tulokset ja Q' -luku on esitetty syvyyden funktiona. Q'-luku on kallion laatuluku, jossa ei ole otettu huomioon jännitystilan vaikutusta kallion laatuun (Grimstad & Barton 1993). Reiän KR1 lävistämät rakenteet R1, R11 ja R21 (Saksa et al. 1996a, 1998) ovat hydrogeologisten ominaisuuksien perusteella luokiteltu rakennettavuudeltaan "erittäin vaativa" -luokkaan (Äikäs et al. 1999a) ja näitä rakenteita vältetään sijoitustunneleiden rakentamisessa (kuvat 4-3, 4-4 ja 4-5). Rakenne R1 0 vaatii välitöntä lujitusta ja ruiskubetonointia ja on sen takia luokiteltu kallioteknisesti merkittäväksi rakenteeksi. Kuvassa 4-9 (luku 4.4.1) on esitetty trendisovitus kairanreiän KR1 suurimman vaakajännityksen arvoille (kaava 4-1). On kuitenkin syytä muistaa, että vinossa kairanreiässä mitattu crh ei vastaa suurinta vaakajännitystä vaan reikää vasten kohtisuorassa olevan tason suurintajännityskomponenttia (ks. luku 2.2). crh = 0.067z - 6.8 MPa R 2 = 0.86 4-1 Regressiokertoimen perusteella voidaan päätellä, että sovitettu suora edustaa kohtalaisesti pistejoukkoa. Muutama noin 5 MPa:n suuruinen poikkeama esiintyy. Suoran kulmakertoimen mukaan suurimman vaakajännityksen arvo kasvaa reiän KR1 läheisyydessä noin 6. 7 MPa/1 00 m. Onnistuneita mittauksia rakenteiden läheisyydessä ei ollut riittävästi ja ne olivat jakautuneet epätasaisesti, minkä takia rakenteiden vaikutustajännitystilaan ei voitu tutkia. Suurin osa KR1 lähellä olevista rakenteista ovat suuntautuneet pääliuskeisuussuunnan mukaisesti eli itäkoilliseen (liite 2). Suurimman vaakajännityksen suunta vaihtelee välillä 65-122 kääntyen syvemmällä kohti liuskeisuuden ja rakenteiden kulkua (kuva 4-13 (luku 4.4.2), taulukko 4-1, liite 1).

23 Selitykset: Reikatunnus Q'-luvun liukuva Kivilaji ( 4 m) Rakennetunnus geom. keskiarvo Reiän pituus 5.11.2001 HM/Saanio & Riekkola Oy Graniitti/Pegmatiitti ~ Tonaliitti/Tonaliittigneissi Amfiboliitti Kiillegneissi ~~~ Rakenne lml.ll Hydrogeologisesti ~ merkittävät rakenteet r, Kallioteknisesti L::: merkittävät rakenteet - Suurin vaakajännitys - Pienin vaakajännitys Suurimman pääjännityksen suunta e Hydraulinen murtaminen 0 lrtikairaus KR5 KR1 KR7 Om -100m -200m -300m -400 m -500 m -600 m -700 m -800 m -900 m -1000 m -1100 m so,.,.a Kuva 4-5. Kivilajivaihtelu, rakenteet, Q'-luku sekä suurimman ja pienimmän vaakajännityksen tasokeskiarvot kairanreiässä KRJ.

------------------------------ ~ -~ ~ - - -- - -- 24 Taulukko 4-1. Jännitystilamittausten aritmeettisesti lasketut tasokeskiarvot reiästä KR1 (Klasson & Leijon 1990). Reikä Menetelmä Luku- Reikä- Syvyys Keskiarvo määrä syvyys maanpinnasta crh crh z Suuruus Suunta (n) (m) (m) (MPa) ( 0) (MPa) KR1 HF 3 471-489 448-464 25,9 99,3 14,3 KR1 HF 4 547-602 519-568 26,4 87,3 14,4 KR1 HF 6 775-862 728-804 44,9 82,8 23,5 4.2.2 Mittaukset reiässä KR2 Kairanreikä KR2 on 1052 m pitkä ja sen kaltevuus on 76 (Suomen Malmi Oy 1989b ja 1995a). Jännitystila on mitattu hydraulisella murtamisella 18 mittauspisteessä, joista onnistunut mittaus on saatu 13 pisteessä reikävälillä 305-824 m keskittyen tasoille -300m, -500 mja -800 m (Ljunggren & Klasson 1996). Mittaustulosten tasokeskiarvot on esitetty taulukossa 4-2 ja kaikki mittaustulokset liitteessä 1. Kuvassa 4-6 on esitetty reiän KR2 kairanreikäprofiili, jossa kivilajit, lävistetyt rakenteet, jännitystilamittausten tulokset ja Q' -luku on esitetty syvyyden funktiona. Reiän KR2 lävistämä rakenne R21 (Saksa et al. 1996a, 1998) on hydrogeologisten ominaisuuksien perusteella luokiteltu rakennettavuudeltaan "erittäin vaativa" -luokkaan (Äikäs et al. 1999a). Tätä rakennetta vältetään sijoitustunneleiden rakentamisessa (kuvat 4-3, 4-4 ja 4-6). Kuvassa 4-9 (luku 4.4-1) on esitetty trendisovitus kairanreiän KR2 suunmman vaakajännityksen arvoille (kaava 4-2). On kuitenkin syytä muistaa, että vinossa kairanreiässä crh ei vastaa suurinta vaakajännitystä vaan reikää vasten kohtisuorassa olevan tason suurinta jännityskomponenttia (ks. luku 2.2). crh = 0.05lz + 1.1 MPa R 2 = 0.80 (4-2) Taulukko 4-2. Jännitystilamittausten aritmeettisesti lasketut tasokeskiarvot reiästä KR2 (Ljunggren & Klassan 1996). Reikä Menetelmä Luku- Reikä- Syvyys Keskiarvo määrä syvyys maancrh crh pinnasta Suuruus Suunta z (n) (MPa) ( 0) (MPa) (m) (m) KR2 HF 5 305-349 296-339 14,1 98,0 8,3 KR2 HF 5 494-528 479-512 31,2 87,6 17,1 KR2 HF 3 814-824 790-799 38,6 71,3 20,8

25 Selitykset: Q'-luvun liukwa Kivilaji ( 4 m) Rakennetunnus geom. keskiarvo Reiän pituus 5.11.2001 HIWSaanio & Riekkola Oy Graniitti/Pegmatiitti ~ Tonaliitti/Tonaliittigneissi Amfiboliitti Kiillegneissi ~ Rakenne ~ Hydrogeologisesti ~ merkittävät rakenteet Kallioteknisesti merkittävät rakenteet - Suurin vaakajännitys - Pienin vaakajännitys Suurimman pääjännityksen suunta e Hydraulinen murtaminen 0 lrtikairaus KR6 KR13 KR2KR12 Om 0-100m -200m -300m -400 m -500 m -600 m -700 m -800 m -900 m -1000 m Kuva 4-6. Kivilajivaihtelu, rakenteet, Q '-luku sekä suurimman ja pienimmän vaakajännityksen mittaustulokset kairanreiässä KR2.

26 Regressiokertoimen perusteella sovitettu suora edustaa kohtalaisesti suurimman vaakajännityksen mittausarvoja. Suoran kulmakertoimen perusteella voidaan arvioida, että suurimman vaakajännityksen arvo kasvaa reiän KR2 läheisyydessä noin 5.1 MPa 100 m kohden. Regressiosuoraan verrattaessa -500 m syvyydessä on mitattu sovitusta suurempia arvoja, kun taas syvyydellä -800 m arvot sijoittuvat suoran alapuolelle. Luotettavaa tulkintaa rakenteiden tai muiden geologisten epäjatkuvuuskohtien vaikutuksesta jännitystila-arvoihin ei voitu tehdä, koska onnistuneita mittauksia oli liian vähän ja ne olivat jakautuneet rakenteiden läheisyydessä epätasaisesti. Pienimmän vaakajännityksen suuruudet ovat samansuuruisia kuin KR1 :ssä. Rakenteet ovat pääasiassa suuntautuneet reiän KR2 ympäristössä pääliuskeisuuden kulun kanssa samansuuntaisesti. Tutkimuksen perusteella suurimman vaakajännityksen suunta muuttuu syvyyden kasvaessa lähemmäksi liuskeisuuden ja rakenteiden kulkua (taulukko 4-2, kuva 4-13, luku 4.4.2). 4.2.3 Mittaukset reiässä KR4 Reiän KR4 kokonaispituus on 902 m ja sen kaltevuus 77 (Suomen Malmi Oy 1990 ja 1995b ). Jännitystilaa on yritetty mitata hydraulisella murtamisella 16 pisteessä, mutta se onnistui vain kahdesti reikäsyvyyksillä 554 mja 729 m (Ljunggren & Klasson 1996). Mittaustulokset on esitetty taulukossa 4-3. Kuvassa 4-7 (luku 4.4-1) on esitetty reiän KR4 kairanreikäprofiili, jossa kivilajit, lävistetyt rakenteet, jännitystilamittaukset sekä Q' -luku on esitetty syvyyden funktiona. On kuitenkin syytä muistaa, että vinossa kairanreiässä crh ei vastaa suurinta vaakajännitystä vaan reikää vasten kohtisuorassa olevan tason suurintajännityskomponenttia (ks. luku 2.2). Reiän KR4 lävistämät rakenteet R19, R20 ja R21 (Saksa et al. 1996a, 1998) on hydrogeologisten ominaisuuksien perusteella luokiteltu rakennettavuudeltaan "erittäin vaativa" -luokkaan (Äikäs et al. 1999a). Näitä rakenteita vältetään sijoitustunneleiden rakentamisessa (kuvat 4-3, 4-4 ja 4-7). Suurimman vaakajännityksen suuruus on sama molemmissa mittauspisteissä, vaikkakin mittauspisteiden ero on n. 200m (taulukko 4-3). Mitatut suurimman vaakajännityksen suunnat ovat samansuuruisia 76-80. Pienemmän vaakajännityksen suuruus syvyydellä 554 m on suurempi kuin syvemmässä pisteessä. Onnistuneita mittaustuloksia on liian vähän, että voitaisiin tehdä mitään reikäkohtaisia päätelmiä ympäröivästäjännitystilasta. Taulukko 4-3. Jännitystilamittausten tulokset reiästä KR4 (Ljunggren & Klassan 1996). Reikä Menetelmä Luku- Reikä- Syvyys Keskiarvo määrä syvyys maancrh crh pinnasta Suuruus Suunta z (n) (MPa) ( 0) (MPa) (m} (m} KR4 HF 554 540 28,3 80,0 17,4 KR4 HF 729 710 28,3 76,0 16,4

27 Epäonnistumiset johtuivat vinojen rakojen syntymisestä hydraulisen murtamisen aikana (Ljunggren & Klassan 1996). Asiaa on käsitelty tarkemmin luvussa 4.4. 4.2.4 Mittaukset reiässä KR1 0 Kairanreiän KR10 kokonaispituus on 614 m ja sen kaltevuus 84 (Suomen Malmi Oy 1996). Jännitystilaa mitattiin sekä hydraulisella murtamisella että 3-dimensionaalisesti irtikairaamaila reikäsyvyydellä 319-604 m (Ljunggren & Klassan 1996). Hydraulisella murtamisella onnistui vain kolme mittausta 22 yrityksestä reikäsyvyyksillä 339m, 341 m ja 523 m. Irtikairaamalla jännitys määritettiin onnistuneesti 15 pisteessä. Yrityksiä oli 28 kpl. Mittaustulosten tasokeskiarvot on esitetty taulukossa 4-4 ja kaikki mittaustulokset liitteessä 1 (Ljunggren & Klasson 1996). Kuvassa 4-7 on esitetty reiän KR1 0 kairanreikäprofiili, jossa on kivilajit, lävistetyt rakenteet, jännitystilamittaukset sekä Q' luku esitetty syvyyden funktiona. Reiän KR1 0 lävistämä rakenne R20 (Saksa et al. 1996a, 1998) on hydrogeologisten ominaisuuksien perusteella luokiteltu rakennettavuudeltaan "erittäin vaativa" -luokkaan (Äikäs et al. 1999a). Tätä rakennetta vältetään sijoitustunneleiden rakentamisessa (kuvat 4-3, 4-4 ja 4-7). Kuvassa 4-9 (luku 4.4-1) on esitetty trendisovitus kairanreiän kaikille KR1 0 reiässä mitatuille suurimman vaakajännityksen arvoille (kaava 4-3). Kuvassa 4-9 on lisäksi esitetty regressiosuorat erikseen sekä hydraulisella murtamisella että irtikairausmenetelmällä tehdyille mittausarvoille. crh = 0.02z +9.4 MPa (4-3) Taulukko 4-4. Jännitystilamittausten tasokeskiarvot reiästä KRJO (Ljunggren & Klassan 1996). Irtikairaustulosten tasokeskiarvot on laskettu jännitystensorien kautta, hydraulisen murtamisen tasokeskiarvot aritmeettisesti. Reikä Menetelmä Luku- Reikä- Syvyys Keskiarvo määrä syvyys maan- crh crb O'y pinnasta Suuruus Suunta (n) (m) z (MPa) ( 0) (MPa) (MPa) m KR10 oc 5 302-333 302-333 13,1 13 10,0 7,9 KR10 HF 2 339-341 337-339 19,6 77,0 10,6 KR10 oc 5 444-453 444-453 16,7 73 12,8 6,4 KR10 HF 1 523 520 21,6 76,0 14,0 KR10 oc 5 595-614 595-614 22,2 140 15,5 17,3

28 Reiän KR1 0 irtikairaamaha mitatut arvot ovat keskenään hyvin erisuuria eri mittaustasoilla. Syvyydellä -300m on jopa 10 MPa eroja. Myös suurimman vaakajännityksen suunta vaihtelisi mittausraportin Ljunggren & Klassen (1996) mukaan paikoinjopa 180 (kuva 4-7). Hydraulisella murtamisella saadut mittaustulokset ovat samansuuruisia kuin irtikairausmittausten tasokeskiarvot Pelkästään hydrauliseen menetelmään perustuvaa tulkintaa ympäröivästä jännitystilasta ei onnistuneiden mittausten vähäisen lukumäärän vuoksi voida tehdä. Hydraulisten mittausten epäonnistuminen johtui vinojen rakojen syntymisestä hydraulisen murtamisen aikana (Ljunggren & Klassen 1996). Asiaa on käsitelty tarkemmin luvussa 4.4. Pystyjännityksen syvyysriippuvuutta on kuvattu kuvassa 4-10 (luku 4.4.2). 4.3 VLJ-Iuolan jännitystilamittaukset VLJ-luolan suunnittelun ja rakentamisen yhteydessä on tehty jännitystilamittauksia irtikairaamiseen perustuvilla Rastin ja ns. Leeman-Hiltscher -menetelmillä (Suomen Malmi Oy 1981a, 1987a ja Ingevald & Strindell 1988). Mittaukset on tehty kallion pintaosissa tonaliitissa tai kiillegneississä syvyysvälillä 20-180 m. Saaduille jännitysarvoille on suoritettu tilastollinen tarkastelu. Vetokomponentteja sisältäneet mittaukset on ensin poistettu. Jännityskomponenteille on tulkittu seuraavat keskimääräiset syvyysriippuvuudet (kaavat 4-4- 4-6, kuva 4-8): crh = 0.046*z + 2.67 MPa R 2 = 0.49 n= 16 (4-4) crh = 0.034*z- 0.067 MPa R 2 = 0.87 n= 16 (4-5) crv = 0.012*z + 3.47 MPa R 2 = 0.11 n= 16 (4-6) Sekä pystyjännitykselle että suuremmalle vaakajännitykselle korrelaatiokertoimen arvo on huomattavan alhainen, mikä kuvastaa, että tuloksissa on ollut suurta vaihtelua. Suurimman vaakajännityksen suunnan vaihteluväli on erittäin suuri 28-166. Liuskeisuuden suunta Ulkopään niemellä noudattaa koko saaren pääliuskeisuuden kulkua. Tulkinnassa on jätetty Rastin menetelmällä tehty pintamittaus huomioimatta mittaustekniikan epävarmuuden vuoksi.

----- ---------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------, 29 Selitykset: Reikätunnus Q'-luvun liukuva Kivilaji ( 4 m) Rakennetunnus geom. keskiarvo Reiän pituus 5.11.2001 HM/Saanio & R1ekkola Oy Graniitti/Pegmatiitti Tonaliitti!Tonaliittigneissi Amfiboliitti Kiillegneissi m Rakenne m Hydrogeologisesti ~ merkittävät rakenteet Kallioteknisesti merkittävät rakenteet - Suurin vaakajännitys - Pienin vaakajännitys Suurimman pääjännityksen suun e Hydraulinen murtaminen 0 lrtikairaus KR10 KR4 KR8 0 90 180-100m R26-200m -300m -400 m -500 m -600 m -700 m -800 m -900 m -1000 m Kuva 4-7. Kivilajivaihtelu, rakenteet, Q'-luku sekä suurimman ja pienimmän vaakajännityksen mittaustulokset kairanrei'issä KR4 ja KRJ 0.

30 16,0 14,0 12,0 10,0 ii Q.!. 111 8,0 ~ s c.., 6,0 SigH Sigh A SigV - Trendisovitus - SigH - Trendisovitus - Sigh - Trendisovitus - Si V sigh = 0,0543z + 1,586 R 2 = 0.496 sigh = 0,0337z + 0,3107 R 2 = 0,4435 sigv = 0,01 71z + 3,6135 R 2 = 0,0585 4,0 2,0 0,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 200,0 Syvyys maanpinnasta (m) Kuva 4-8. VU-luolan jännitystilamittauksista tulkittujen jännitysarvojen syvyysriippuvuus. 4.4 Tulosten tarkastelu Olkiluodossa hydraulista murtamista on käytetty onnistuneesti 31 pisteessä ( mittausyrityksiä 80 kpl) eli noin 40 % mittauksista onnistui (Klasson & Leijon 1990, Ljunggren & Klasson 1996). Epäonnistumiset mittauksissa johtuivat vaakarakojen syntymisestä. Irtikairaamalla noin puolet 3-dimensionaalisen jännitystilan mittauksista onnistui (15 onnistunutta mittausta, mittausyrityksiä 28 kpl). 4.4.1 Tulosten yhteenveto Kuvassa 4-9 on esitetty suurimman vaakajännityksen crh vaihtelu syvyyden funktiona eri kairanrei'issä. Reiästä KR10 on erikseen esitetty kaikki hydraulisella ja irtikairauksella tehdyt mittaukset. Tasokeskiarvot ovat näkyvissä kuvassa 4-10. Kun huomioitiin kaikki Olkiluodon saaren keskiosassa suoritetut jännitystilamittaukset, suurimmalle vaakajännitykselle saatiin kaavan 4-7 mukainen syvyysriippuvuus (kuvat 4-9 ja 4-11) (z =syvyys maanpinnasta metreinä). <JH = 0.056z- 1.98 MPa R 2 = 0,79 (4-7)

31 50,0 KR1 Trendisovitus koko pistejoukolle 45,0 KR2 y = 0,056x - 1,98 40,0 KR4 R 2 = 0,79 0 111 35,0 KR10 Hydraulinen ~ murtaminen {HF) c 0 KR10 lrtikairaus {OC) :!..-. 30,0.)f.ll, Å " " : ::E > - OC-tasokeskiarvot 25,0 c " --Trendisovitus koko ::::1 II) 20,0 pistejoukolle 0 --Trendisovitus reiän KR1 mittauksille 15,0 --Trendisovitus reiän KR2 y = 0,0303x + 3,6833 mittauksille 10,0 R 2 = 0,9857 - - - Trendisovitus reiän KR10 HF-mittauksille 5,0 --Trendisovitus reiän KR10 OC-mittausten tasokeskiarvoille 0,0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Syvyys maanpinnasta (m) Kuva 4-9. Suurimman vaakajännityksen ah vaihtelu syvyyden funktiona eri kairanrei'issä. Irtikairaustuloksista reiästä KRJO on esitetty sekä kaikki ah-arvot että tasokeskiarvot. Tasokeskiarvot on laskettu tensorien kautta. Koko pistejoukon käyräsovituksessa on otettu irtikairaustuloksista mukaan tasokeskiarvot. 0 Kaavan 4-7 kulmakertoimen mukaan suurin vaakajännitys crh kasvaa noin 5.6 MPa/100 m. Tulos on samansuuruinen rei'istä KR1 ja KR2 saatujen tulosten kanssa. VLJ-luolan jännitystilamittauksissa crh kasvaa n. 4.6 MPa 100m kohden. Syvyystasolla -500 m jännitykset ovat luokkaa 20-35 MPa. Reiässä KR10 tehtyjen irtikairausmittausten perusteella suurin vaakajännitys kasvaa vain 3 MPa/100 m, mikä poikkeaa selvästi hydraulisen murtamisen tuloksien tulkinnasta (kuva 4-9). Irtikairaustulokset ovat yleensä Suomessa hydraulisen murtamisen tuloksia suurempia (vrt. menetelmien perusolettamukset), Olkiluodossa tulos on kuitenkin jopa päinvastainen. Vertailua on kuitenkin vaikeaa tehdä, koska tuloksia samoilta syvyystasoilta on vähän. Olkiluodossa mitttausmenetelmät antavat toisistaan poikkeavia suurimman vaakajännityksen suunta-arvoja. Suunta on hydraulisen murtamisen perusteella itä-länsi, eli lähes pääliuskeisuuden ja rakenteiden kulun suuntaineo (kuva 4-10). Irtikairaustuloksien perusteella suunta on luode-kaakko (taulukko 4-4, liite 1). VLJluolan suunnittelun ja rakentamisen aikana tehdyissä jännitystilamittauksissa suurimman vaakajännityksen vaihteluväli oli myöskin suuri (35-135 ). Kuvassa 4-11 on esitetty samassa kuvassa suurimman ja pienimmän vaakajännityksen sekä pystyjännityksen syvyyskäyttäytyminen. Kallion pienin vaakajännitys ( crh) ja pystyjännitys ( crv) noudattavat keskimäärin kaavojen 4-8 ja 4-9 laskennallisia syvyysriippuvuuksia (z = syvyys maanpinnasta metreinä) (kuva 4-11 ):

32 N Liu ktisuudtn uunta / s Figure 4-10. Suurimman in situ -vaakajännityksen suunnat Olkiluodossa. Esitettynä kaikki hydraulisella murtamisella onnistuneet mittaukset. 50 45 40 35 'i' 0. 30!. ~ 25.. "2 :i 20..., 15 10 5 + Sig-H Sig-h Sig-V - - - Trendisovitus Sig-V - - Trendisovitus Sig-h -Trendisovitus Sig-H ah: y = 0.056 Z- 1.98, R 2 = 0.79, Z >300m ah: y = 0.028 Z + 0.94, R 2 = 0.83 Oy: y = 0.034 z- 5.05, R 2 = 0.68 ----.....J!I - ---- 1... _...-- il--- ----.. "f/(lj~ --,.. 111 _, _--- 0 0 100 200 300 400 500 600 Syvyys (m) 700 800 900 Kuva 4-11. Mitatut pysty- ja vaakajännitykset Olkiluodon alueella. Irtikairaustulokset on esitetty tensorien kautta laskettuina tasokeskiarvoina. crh = 0.028*z + 0.94 MPa crv = 0.034*z - 5.05 MPa R 2 = 0.83 R 2 = 0.68 (4-8) (4-9) Pienin vaakajännitys kasvaa saaren keskiosissa edellisen arvion mukaan 2.8 MPa/100 m. VU-luolan alueella kallion pintaosissa vastaava kasvu on 3.4 MPa/100 m. Pienemmän vaakajännityksen osalta sekä hydraulisessa murtamisessa että irtikairauksessa saadut tulokset ovat samaa suuruusluokkaa. Suurimman ja