Pohjaveden virtausmittaukset merkki a i n ete kn i ka II a

...--------------- - - - - Työraportti 98-39 Pohjaveden virtausmittaukset merkki a i n ete kn i ka II a Pekka Viitanen Kesäkuu 1998 POSIVA OY Mikonkatu 15 A, FIN-00100 HELSINKI Puhelin (09) 2280 30 Fax (09) 2280 3719

Työraportti 98-39 Pohjaveden virtausmittaukset merkkiainetekniikalla Pekka Viitanen Kesäkuu 1998

Työraportti 98-39 Pohjaveden virtausmittaukset merkkiainetekniikalla Pekka Viitanen VTT Kemiantekniikka Kesäkuu 1998 Pesivan 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.

"'\.'/'T'r KEMIANTEKNIIKKA V 1 1 Teollisuusfysiikka TUTKIMUSSELOSTUS NRO KET2000/98 Tilaaja Tilaus Käsittelijä Tehtävä Tulokset Posiva Oy Mikonkatu 15 A 00100 HELSINKI 9717/97/AJH Tutkija Pekka Viitanen, (09) 456 6355 Pohjaveden virtausmittaukset merkkiainetekniikalla Oheisessa raportissa "Pohjaveden virtausmittaukset merkkiainetekniikalla" Espoo 26.5.1998 Ryhmäpäällikkö Pertti Koukkari Tutkija Pekka Viitanen JAKELU Posiva Oy VTT Kemiantekniikka 1 arkisto VTT KEMIANTEKNIIKKA Teollisuusfysiikka Otakaari 3 A, Espoo PL 1404 02044 VTT Puh. vaihde (09) 4561 Faksi (09) 456 6390 Http://www. vtt.fl/

2 POHJAVEDEN VIRTAUSMITTAUKSET MERKKIAINETEKNIIKALLA TIIVISTELMÄ Työssä kehitettiin laitteistoa merkkiaineilla tehtäviä kallioperän pohjaveden virtausmittauksia varten sekä tutkittiin Olkiluodon VLJ-tutkimustunnelin reikien KR4, KR17, KR18 ja PVA2 välisiä yhteyksiä. Työssä rakennettiin merkkiainekokeita varten merkkiaineen syöttöpulssin katkaisuun soveltuva huuhtelujärjestelmä, jonka käyttö ei aiheuta merkkiaineen syöttöpiiriin paineen muutosta huuhtelun aikana. Lisäksi rakennettiin erikoistulppa, jolla voidaan eristää porareiästä kiinnostuksen kohteena oleva rako 30 cm:n tulppavälille. Tulosten, etenkin laimennusmenetelmällä tehtyjen virtausmittausten, perusteella voitiin todeta kaikkien tutkittujen reikien välillä olevan vuorovaikutuksia. Avainsanat: merkkiainetekniikka, pohjaveden virtaus, laimentumismenetelmä, syöttöpulssi

3 GROUNDWATER FLOW MEASUREMENTS WITH TRACER TECHNIQUE ABSTRACT Equipment for making flow measurements with tracer techniques was developed. Interactions between boreholes KR4, KR17, KR18 and PVA2 in VLJ-research in Olkiluoto were studied. A flushing system for cutting the tracer input pulse without interfering pressure conditions at the tracer circulation loop was built. In addition a special packer to isolate the fracture of interest into a section of 30 cm was built. The results, especially the ones obtained with flow measurements done with dilution technique, showed clear interactions between all the boreholes studied. Keywords: tracer technique, groundwater flow, dilution method, injection pulse

4 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT 1.JOHDANTO 2 LAITTEISTOKEHITYS 2.1 Aikaisemmat kokeet 2.2 Kokeet rei 'itetyillä levyillä ja täytekappaleina 2.3 Lämpötilaeron hyödyntäminen 2.4 Kierrätyspiirillä tehty koe 2.5 Kenttäkelpoisen säiliön rakenne 2.6 Uuden tulpan rakenne 3 ALUSTAVAT KOKEET VLJ-LUOLASSA 3.1 Rakotiedot 3.2 Paineiden aikakehitys 3.3 Painevuorovaikutukset 3.4 Ulosvirtaukset eri syvyyksiltä 4 LAIMENEMISKOKEET TUTKIMUSTUNNELISSA 4.1 Koe 99 mtc:lla (18.12.1997) 4.2 Kokeet 82 Br:lla (2.-3.3.1998) 5 YHTEENVETO 5 6 6 7 9 11 12 13 13 13 14 14 15 16 16 19 25 VIITELUETTELO

5 1 JOHDANTO Vuosina 1993-1994 mitattiin merkkiainetekniikalla pohjaveden kulkeutumista Olkiluodon VLJ luolan tutkimustunnelissa kairareikien KR4 ja KR5 välillä. Mittauksia tehtiin ennen ja jälkeen suurten loppusijoitusreikien kairausta. Mitatut läpimenoajat tutkitulla 6 m:n matkalla olivat luokkaa 10 h ja läpäisyvasteiden terävyys indikoi virtausreittien kanavoitumista (Hautojärvi et al. 1995). VLJ-luolan tutkimustunneliin on sittemmin kairattu lisää reikiä KR 17 ja KR 18, jotka ilmeisesti leikkaavat samaa rakoa. Uusissa kokeissa on siten mahdollisuus kulkeutumisreitin tarkempaan arviointiin, mikä mahdollistaa koetuloksien luotettavamman tulkinnan aikaisempiin kokeisiin verrattuna. Nyt tehdyn alustavan tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää virtaustilannetta vanhojen ja uusien kairanreikien välillä sekä kehittää mittauslaitteistoa. Tulosten perusteella arvioidaan mahdollisuuksia viipymäaikakokeiden tekoon ko. reikien välillä. Pitemmän aikavälin tavoitteena on kehittää mittausosaamista sovellettavaksi syviin paikkatutkimusreikiin sekä myöhemmin valitulla loppusijoituspaikalla maan alla tehtäviin kokeisiin. Tutkimus jakautui laitteiston kehitykseen ja kenttäkokeisiin liittyviin osatehtäviin: 1. Suunniteltiin merkkiainesyötön katkaisuun soveltuva huuhtelusäiliö. Laboratoriossa tehdyin merkkiainekokein kokeiltiin useita eri konstruktioita, joilla pyrittiin mahdollisimman tulppamaiseen virtaukseen huuhtelusäiliön läpi. Kokeiluja varten rakennettiin läpinäkyvästä materiaalista muunneltavissa oleva prototyyppi, joka pienin modifioinnein muunnettiin kenttäkelpoiseksi sopivan konstruktion löytymisen jälkeen. 2. Kenttäkokeessa kokeiltiin huuhtelulaitteiston toimivuutta. "Uutena" merkkiaineena käytettiin teknetiumin isotooppia 99 mtc. Alustavien kokemusten perusteella teknetiumin ongelmaksi muodostuu sen adsorptio kalliomatriisiin. 3. Mitattattiin reikien KR4, KR17 ja KR 18 välisiä vuorovaikutuksia painekokein sekä mitattiin veden ulosvirtausnopeudet reistä eri syvyyksiltä. 4. Tutkittiin KR4:n painetilanne: Aikaisemmissa kokeissa oli paine KR4:ssä sen ollessa tulpattuna noin5,5 bar. Paine on sittemmin laskenut noin 3 bar:iin. Reiän hydraulisesti merkittävin rako sijaitsee reiän pohjalla, ja painemittauksissa todettiin paineen pudotuksen kattavan koko reiän. 5. Mitattiin laimennuskokein virtausnopeudet rei'issä KR4, KR17 ja PVA2.

6 2 LAITTEISTOKEHITYS 2.1 Aikaisemmat kokeet Viipymäaikajakauman mittauksissa pyritään yleensä nopeaan pulssimaiseen merkkiainesyöttöön, jolloin mitattava ulostulovaste approksimoi riittävällä tarkkuudella systeemin viipymäaikajakaumaa. Porareikien mittauksissa merkkiaine syötetään kierrättämällä merkkiaineliuosta kiinnostuksen kohteena olevan tulpatun raon kohdalla, jolloin merkkiainepitoisuus laimenee rakoa huuhtelevan pohjaveden vaikutuksesta. Virtauksen käyttäytyminen raossa on hyvin herkkä painevaihteluille, joten pulssimaisen merkkiainesyötön aikaansaamiseksi on merkkiainekierto kyettävä huuhtelemaan paineoloja muuttamatta. Aikaisemmissa VTT:n tekemissä kokeissa huuhtelu järjestettiin täyttämällä pitkä letku puhtaalla vedellä ja kääntämällä syöttökierto kulkemaan tämän kautta. Systeemi oli hankalasti käsiteltävä ja systeemin ilmaus oli vaikeaa letkun pituuden takia. Letkuun syntyvän laminaarisen virtausprofiilin takia ei huuhtelukaan onnistunut täydellisesti vaan osa merkkiaineesta jäi syöttökiertoon. Huuhtelusysteemin parantamiseksi tehtiin alustavia kokeita vuonna -95, jolloin kokeiltiin pienehköllä säiliöllä ja eri kokoisilla pyöreillä täytekuuliha saavutettavia virtausprofiilin muotoja. Tulppamaisin virtausprofiili saavutettiin pienillä 3 mm:n kuulilla, joita käytettäessä toisaalta säiliön vapaa tilavuus oli pienimmillään. Kokeen tulos on yhtäpitävä teorian kanssa, jonka mukaan virtausprofiili säiliön läpi saadaan mielivaltaisen lähelle tulppamaista lisäämällä tasaista painehäviötä säiliön yli (Perry & Green 1984). Toinen laitteistokehityksen kannalta oleellinen kohde on tulppasysteemi, jolla tutkittava rako erotetaan muusta porareiästä. Mittaustuloksen kannalta on edullista että kierrätyspiirin tilavuus on mahdollisimman pieni ja lisäksi on saman merkkiainepitoisuuden huuhdeltava tilavuus kauttaaltaan, jotta mahdollisesti rakoon lähtevä merkkiainepitoisuus on sama kuin keskimääräinen mitattu merkkiainepitoisuus. Aiemmissa kokeissa tutkittava rako on ollut porareiän pohjalla, joten tulppaväliä on pyritty pienennetty alimpaan tulppaan kiinnitetyllä alumiinisylinterillä. Sylinteri rakennettiin pikaisesti ja myöhemmissä laboratoriotesteissä osoittautui, että kappaleen muotoilulla ja kierrätysvirtauksen suunnalla oli selkeä vaikutus sekoittumiseen tulpatussa tilavuudessa. Virtauksen pakottamista spiraalimaiselle reitille, jolloin varmistettaisiin merkkiaineen kulkeminen koko tilavuuden läpi, on tutkittu laboratoriokokein insinöörityössä (Rytömaa 1995).

7 2.2 Kokeet rei'itetyillä levyillä ja täytekappaleilla Huuhtelusäiliö valmistettiin läpinäkyvästä PVC-putkesta, joka oli painekestoltaan 10 bar. Koevaiheessa käytettiin kantena ja pohjana kumitulppia, jolloin voitiin helposti vaihtaa säiliön sisärakenteita. Koeversio suunniteltiin siten, että se oli helppo muuttaa kenttäkelpoiseksi. Koesäilän rakenne on esitetty kuvassa 1. Kum itulppa Reikälevy ( 4 k pl) PVCputki 11 Ox5,3 h= 110 (P1 0) Suutin (20 kpl 1,5 mm :n reikiä) Ma. in Nai(TI ) ant u r i L----~ ~ Virtaus n. 0,4 1/ min KUVA 1. Koejärjestely merkkiaineen huuhtelusäiliön kokeilemiseksi. Säiliön tilavuus on noin 8 1. Kokeita tehtiin muutamalla reikälevy järjestelyllä: 0, 2, 4 ja 9 kpllevyjä sekä neljällä levyllä suuttimen kanssa (kuvan järjestely). Reikälevyissä oli 3 mm:n reikiä, vierekkäisten reikien keskipisteiden etäisyydet olivat 7,4 mm. Levyt oli kiinnitetty 6 mm:n kierretankoon levyn ylä- ja alapuolisella mutterilla. Säiliöllä tehtiin useita merkkiainekokeita uraniinilla ja radioaktiivisella 99 mtc:lla. Kokeilla määritettiin säiliön viipymäaikajakauma, jonka haluttiin siis olevan mahdollisimman tulppamainen. Koetuloksia ja variaatioita säiliön sisärakenteissa on selostettu kuvassa 2.

8 20 Graph 1 -- AIKAvsL2 -- AIKAvsL4 -- AIKA vs L9 AIKA vs L4S -- AIKA vs L4SA -- AIKA vs L5SA 1... (/) a.. () 20-20*-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 0 1000 2000 Aika (s) KUVA 2. Viipymäaikajakaumat mitattiin radioaktiivisella Tc-99m-merkkiaineella ja visuaalisia havaintoja tehtiin uraniinilla. Ilman levyjä suihkusi merkkiaine säiliöön tullessaan puoliväliin asti säiliötä. Suihkun pysäyttämiseksi pidettiin yksi reikälevy jokaisessa seuraavassa kokeessa noin 5 cm sisääntulon yläpuolella. Tehtiin aluksi 3 koetta kokeillen levyjen määrän vaikutusta: 4:llä levyllä saatiin vaste (L4), jossa merkkiaineen läpitulo alkoi noin puolessa keskimääräisessä viipymäajassa ja varsinainen nousu hieman myöhemmin. Visuaalisten havaintojen perusteella hyvin pieni määrä merkkiainetta ohitti ensimmäisen levyn samantien em. sisääntulossa olevan suihkun takia. 2:lla levyllä (L2) konsentraation huippu tuli noin puolessa keskimääräistä viipymäaikaa. V asteen muoto oli melko epäsäännöllinen. 9:llä levyllä (L9)ei (yllättäen) saavutettu parannusta 4:llä levyllä tehtyyn kokeeseen. Uraniinilla tehtyjen havaintojen mukaan reiät synnyttivät useita pieniä suihkuja joiden ansiosta osa merkkiaineesta pääsi melko nopeasti seuraavalle levylle Suuttimen lisäys 4:n levyn järjestelyyn (L4S) aiheutti sen että suuri osa virtauksesta kanavoitui levyjen ja putken seinä välisistä raoista. Toisaalta levyjen kautta kulkenut osuus käyttäytyi hyvin ja ilmeisesti tiivistämällä ensimmäisen levyn ja putken välinen rako saataisiin vähintään yhtä hyvä vaste kuin ilman suutinta tehdyssä kokeessa. Tiivistettiin silikonimassalla alimman ja ylimmän levyn reunat sekä käännettiin suuttimen reiät alaspäin (L4SA): saatiin tähän mennessä paras vaste. Lisättiin viides levy lähelle ulosmenoa (L5SA), mutta saatiin huono vaste edelliseen verrattuna.

9 Ensimmäinen selkeä havainto oli (luonnollisesti) ~e, että l~tkusta säiliöön tuleva virtaus muodosti suihkun joka kanavoi virtausta pitkälle säiliön yläosaa kohti. Tämä sisääntuleva suihku vaimennettiin aluksi lähelle sisääntuloa asennetulla reikälevyllä ja sittemmih suu:ttimella, Kokeillun kokoisilla reikälevyillä optimijärjestely olisi neljä levyä ja sisääntulosuuttimen kanssa. Teoriassa olisi paras tulos pitänyt saavuttaa suurimmalla reikälevy määrällä, joten tulos oli tässä mielessä ristiriitainen. Merkittävämmäksi virtausprofiilia tasoittavaksi tekijäksi osoittautuikin lämpötila: Kokeissa, joissa edellisestä kokeesta oli kulunut aikaa ja säiliön vesi oli lämmennyt huoneenlämpöiseksi saatiin systemaattisesti parhaat tulokset. 2.3 Lämpötilaeron hyödyntäminen Tehtyjen kokeiden perusteella päädyttiin systeemiin, jossa säiliöön tulevan merkkiaineen ja säiliössä olevan puhtaan veden sekoittumista ehkäistään lämmittämällä säiliössä olevaa vettä etukäteen, jolloin säilöön tuleva kylmempi, ja siten tiheydeltään hieman suurempi, vesi pysyy pohjalla. Lämmitystä varten on säiliön ympärille kierretty lämpötilaan 38 C lämpiävää lämmitys elementtiä noin 7 m. Vesi lämpiää ko. järjestelyllä noin 2 C tunnissa. Veden tiheys muuttuu vastaavasti noin 0,2 g/1! C. Säiliön toimintaa testattin kolmella merkkiainepanostuksella. Kahta koetta edelsi lämmitys ja kolmas koe tehtiin ilman lämmitystä. Säiliön ulostulossa mitatut pulssivasteet on esitetty kuvassa 3. Vasteissa ennen varsinaista pulssin nousua esiintyvät heilahtelut johtuvat säteilysuojien lisäyksistä ja anturin liikuttelusta. Virtaus on kokeissa säädetty käsin arvoon 0,4-0,5 1/min, jolloin keskimääräinen viipymäaika on noin 16-20 min. Lämpötilaeroa hyödyntäen noin %-osaa säiliön tilavuudesta voidaan käyttää huuhteluun, kun pelkkään laminaariseen virtausprofiiliin perustuen hyötytilavuus olisi käytännössä alle puolet. Rakennettu säiliö on huuhtelukapasiteetiltaan riittävä ainakin tutkimustunnelin kokeisiin, joissa kiertotilavuus on luokkaa 1 litra.

10 KOKEET TYHJÄLLÄ HUUHTELUSÄILIÖLLÄ 3000 2500 -- Lämmitys n. 1 h -- Lämmitys yön yli -- Ei lämmitystä 2000 en Cl. 0 1500 1000 500 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Aika (min) KUVA 3 V asteet 82 Br syötöistä Lämpötilaeron eteneminen 28 26 -- Anturi säiliön keskiosassa, mittausta edelsi 2,5 h lämmitys -- Anturi säiliön yläosassa,säiliö aluksi huoneen lämmössä 24 22-0 0-1- 20 18 16 14 12 0 5 10 15 20 25 30 Aika (min) KUVA 4 Lämpötilaprofiilin eteneminen (virtaus noin 0,5 1/min)

11 2.4 Kierr~ty~piirillä tehty koe Huuhtelusäiliöp~ 1etkuston, pumpun, porareiän ja pakkerin muodostaman systeemin testaamiseksi tehtiin laboratoriokoe, jossa reikää simuloi pieksiputki ja pakkerina käytettiin kohdassa 2.6 esiteltävää uutta pakkeria. Merkkiaineena käytettiin 82 Br:a. Merkkiaine injektoitiin pumpun ja pakkerin sisäänmenon väliseen letkuun ja pumppu käynnstettin. Pakkerilta ulostulevasta letkusta mitattu vaste on esitetty kuvassa 5. Nähdään että sekoittuminen on melko hidasta, mikä on nopeaa laimenemiskoetta ajatellellen huono asia. Pitoisuus tasaantuu noin tunnin kuluessa, jonka jälkeen on mahdollista määrittää merkkiainepitoisuuden laskun aikavakio. Huuhtelusysteemi toimi hyvin ja kierrätyspiirin merkkiainepitoisuus laski taustasäteilyn tasolle. Huuhtelukoe labrassa 20000 1 -- Ulostulo tulpalta 1 en a. () 15000 10000 5000 0~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000 6600 7200 7800 Aika (s) KUVA 5. Laboratoriossa tehty laimenemislhuuhtelu-koe.

12 2.5 Kenttäkelpoisen huuhtelusäiliön rakenne -- Kokeissa käytetty säiliö muunnettiin kenttäkelpoiseksi liimaamaha PVC:stä valmistetut, suuttimin varustetut kannet putken päihin. Ylempään kanteen asennettiin veden lämpötilaa mittaavaa anturi (PTl 00). Säiliö kiinnitettiin samaan laitevaunuun jossa sijaitsee aikaisemmissa merkkiaineen kierrätykseen käytetty 2-mäntäpumppu. KUVA 6 Huuhtelusäiliön pohja/kansi: sisääntulon edessä on 3 cm halkaisijaltaan oleva suuttimena toimiva levy. Levyn ja pohjan välissä on prikoilla säädetty 1 mm:n rako. Alla näkyy liitin on 6/4 mm pneumatiikkaletkulle.

13 2.6 Uuden tulpan rakenne NYt tehtyjä kokeita varteri rakennettiin tulppa, jossa oli paisutusta varten kumikalvot kummassakin päässä. Kalvojen väliin jp.ävä tulpan osa oli pituudeltaan noin 30 cm ja halkaisijaltaan 51 mm, joten 56 mm paksussa reiässä jäi tulpan ja reiän seinämän väliin vain 2,5 mm rako Välin vastakkaisissa päissä oli reiät tulevalle ja lähtevälle merkkiaineliuokselle. Tulppa valmistettiin kokeita varten Lapela Oy:ssä Raumalla. Tulpan rakenne on esitetty kuvassa 7. 1,5 m ------------~ ~-- 38 cm ---+-1~ LETKUT a' 22 m -YLEMPI JA ALEMPI REIKÄ - PAISUTUS REIÄT VASTAKKAISILLA PUOLEN PUTKEA HALK. 51 mm KUVA 7. Pakkeri reiän keskellä olevan raon eristämiseksi merkkiainemittausta varten.

14 3 ALUSTAVAT KOKEET VLJ-LUOLASSA 3.1 Rakotiedot Tarkastelun kohteina olivat reiät KR4, KR17 ja KR 18. Oheisessa kuvassa 8 on esitetty reikien sijainti toistensa ja ison reiän 1 (KR5) suhteen. KR17 <t> E 0 L[) C'\1 KR4 ~3.00 i Pohj. m-e-3.00 f) KR18 Reikä (KR5) 1 KUVA 8. Tutkittujen reikien keskinäinen sijainti Oheiseen taulukkoon 1 on koottu kairasydän analyyseistä saadut rako tiedot. TAULUKKO 1. Rakotiedot kairasydän analyyseistä,, -~~-' KR4 "' "'' Syvyys (m) 9,30 9,88 _ Kaadesuuntalkaade KR17 Syvyys (m) Kaadesuuntalkaade 2,60 6,30 KR18 Syvyys (m) Kaadesuuntalkaade ----------~(gon/ on 2,60 157 140 2,86 133 140 8,60 180 148 ------- ~~-- Aikaisemmissa kokeissa on KR4:n pohjalta ollut tulpattuna 30 cm:n osuus. Tälle osalle osuva rako on hyvin pystyssä ja oletettavasti leikkaa noin puoli metriä ylempänä olevaa loivemman kaateen omaavaa rakoa. Tämän raon kaarlesuunta on lähes suoraan etelään, joten sen voidaan laskea karkeasti leikkaavan 2,5 m:n päässä pohjoisessa olevaa reikää KR17 syvyydellä 9,3 m- 2,5 m tan(27 gon) ~ 8 m. Ainoa tätä arviota lähellä oleva

15 rako on syvyydellä 6,3 m. Ko. raon kaade ja kaarlesuunta 163/30 (gon/gon) ovat melko lähellä KR4:ssä olevia arvoja 163/30 (gon/gon). KR18:aa voidaan em. KR4:ää leikaavan raon arvioida leikkaavan suunnilleen samalla syvyydellä, koska raon kaarlesuunta on suunnilleen kohtisuorassa KR18:aan nähden. Syvyydellä 8,60 m oleva rako vastaa parhaiten tätä arviota. Kaarlesuunta ja kaade, 180/48 (gon/gon), ovat niinikään melko lähellä KR4:ssä olevan raon arvoja. 3.2 Paineiden aikakehitys Tutkittujen kairareikien painevuorovaikutuksia tutkittiin avaamalla yksittäisiä reikiä ja seuraamalla muissa rei 'issä mahdollisesti tapahtuvia painevaihteluita. Paineiden lukemiseen käytettiin reikiin KR17 ja KR18 kiinteästi asennettuja mittareita sekä KR4:ssä VTT:n mittaria (valmistajan ilmoittama tarkkuus 1 % lukemasta). Nyt mitattuja ja vanhoja mittaustuloksia on koottu taulukkoon 2. TAULUKKO 2. Tutkittujen reikien paineet kaikkien reikien ollessa tulpattuna, Reikä Paine (bar) Paine (bar) Paine (bar) 23.10.1997 03.01.1996 1993...-...,_..,...-......-...--...-..._...,..._..._ KR4 3,1 3,7 5,6 KR17 5,4 5,1 KR18 3,6 3,6... -....... --......-- -... -.... KR4 ssä on tapahtunut selkeä painetason aleneminen sitten vuoden -93. Arveltiin, että paineen pudotus voisi johtua reiän vuotamisesta luolatilaan. Tämän selvittämiseksi KR4:n pohjasta eristettiin tulpalla 30 cm:n mittainen osuus. Paine ei kuitenkaan muuttunut oleellisesti vaan mitatut painelukemat vaihtelivat välillä 3,0-3,1 bar. Tulppaa nostettiin vielä siten, että pohjasta eristettiin 1 m:n osuus, mutta tämäkään ei vaikuttanut painelukemiin. Johtopäätös on se, että paineen lasku johtuu nimenomaan KR4:n pohjalla olevien hyvin vettäjohtavien rakojen vaikutuksesta. 3.3 Painevuorovaikutukset Selvin vuorovaikutus reikien välillä havaittiin kun reikä KR4 avattiin. Tällöin paine reiässä KR18 laski alkulukemasta 3,6 bar arvoon 3,4 bar. Paineen lasku tapahtui noin 10 minuutin kuluessa. KR17:llä ei havaittu kovin selviä vuorovaikutuksia muiden reikien kanssa. Paineseuranta tehtiin melko nopeasti, jolloin tuntien aikaskaalassa tapahtuvia muutoksia ei välttämättä havaittu. Tulokset on esitetty taulukossa 3. TAULUKKO 3. Painevuorovaikutukset Kaikki kiinni KR4 auki KR17 auki KR18 auki Paine (bar) KR4 3,1 0 3,1 3,1 Paine (bar) KR17 5,4 5,4 0 5,35 Paine (bar) KR18 3,6 3,4 3,55 0

r--------------------------------- -- ~~ - ---~ 16 3.4 Ulosvirtaukset eri syvyyksiltä Ulosvirtauksia mitattiin vaiuttamaha tietty aika vettä mitta-astiaan. Reiän avaamisen jälkeen virtaus oli selvästi suurempi kuin hetken odotuksen jälkeen. Esitetyt arvot taulukossa 4 on mitattu ulosvirtauksen tasaantumisen jälkeen. Reiän KR18 ulosvirtaus oli muihin reikiin verrattuna hyvin pieni ja vaati noin tunnin odotuksen, jona aikana mitta-astiaan johtava letku täyttyi ja virtaus tasaantui. Virtaus mitattiin vaiuttamaha vettä 15 minuuttia, jolloin saatiin vettä kerättyä noin 5 ml. TAULUKKO 4. Reikien ulosvirtaukset Reikä Virt. (1/h) Virt. (1/h) Virt. (1/h) 24.10.1997 03.01.1996 1993 ----- ---------------- KR4 4,5 2,7-2 KR17 3,5 2,8 - KR18 _!lq~(21, :..!.!.1L~2L.~-- "'"'"'oo~""_' KR4:n ulosvirtausta mitattiin myös reiän ollessa tulpattuna 30 cm ja 1 m pohjasta lukien. Ulosvirtaukset pysyivät samana, joten KR4:n ulosvirtaus on ainakin suurimmalta osin peräisin alimmasta raosta. Reikien KR17 ja KR18 ulosvirtauksia mitattiin pohjasta lähtien eri tulppaussyvyyksiltä metrin välein. KR17 mittaus oli kohtuullisen suuresta ulosvirtauksesta johtuen helppo, kun taas KR18:n ulosvirtaukset on määritetty seuraamalla vesipatsaan nousunopeutta 6/4 mm:n letkussa. Tulokset on esitetty taulukossa 5. TAULUKKO 5. Ulosvirtaukset syvyyden funktiona. KR18:n kohdalla virtaus on ilmaistu yksiköissä mm/min, tarkoittaen vesipatsaan nousunopeutta 6/4 mm:n putkessa. KR17 ---- ~ --" "'"'""'oo"""''"-""'-"' 6 5 4 3.. 2 t Virtaus (mllmin) 0 0 0 110 110 100 105 105 -~~~-<P.:!L!_Q 2 8 _? o_ KR18 _ S~s ( m) 12 11 10 2... 8 - --...?... ~..-----± - -- 3 2 1 0 Virtaus 15 10 17 45 22 18 33 35 28 13 _(~!!li~l...-...-... ~ --- --- 00---... - ~..----00...-... ~ Reiässä KR17 on havaittavissa selvästi, että ulosvirtaava vesi on peräisin syvyydeltä 6-7 m, jolla sijaitsee kairasydän analyysin mukaan rako syvyydellä 6,30 m. KR18:n tapauksessa mittausmenetelmä oli epätarkempi ja vesipatsaan nousunnopeus vaihteli hetkittäin. Selkeä tason muutos vesipatsaan nousunopeudessa tapahtui kuitenkin välillä 8-9 m, jolla sijaitsee rako syvyydellä 8,60 m. Mainitut raot ovat samat, joiden voidaan geometristen tarkastelujen (kohta 3.1) perusteella olettaa olevan samaarakoa.

17 4 LAIMENEMISKOKEET TUTKIMUSTUNNELISSA 4.1 Koe 99 mtc:lla (18.12.1997) Rakennetun huuhtelusäiliön testaamiseksi tehtiin tutkimustunnelissa yksi laimenemiskoe reiässä KR4. Koe tehtiin aikaisemmissa kokeissa käytetyillä tulpilla ja tulpatun välin tilavuutta rajoittavalla kappaleella. Syöttökierrossa oli 4/6 mm:n pneumatiikkaletkua 26 m, mittauskammion tilavuus on noin 56 ml ja reiän pohjalla oleva pakkerin ja "dummyn" rajaama tilavuus noin 052 1, jolloin kierron kokonaistilavuudeksi saadaan 0,911. Mittausjärjestely on esitetty kuvassa 9. Laitteet asennettiin paikoilleen ja annettiin huuhtelusäiliön täyttyä reiästä tulevalla vedellä. Asennustyön kuluessa valutettiin reiästä vettä pohjaveden omalla paineelia mittausvälin huuhtelemiseksi. Samalla aloitettiin säiliön lämmitys. Lämpötila vedenpinnan noustua anturin tasolle oli 19 C. Reilun kahden tunnin kuluttua huuhtelun alkaessa oli lämpötila noussut lukemaan 22,5 C. Merkkiaineena käytettiin 99 ovrc:a noin 100 MBq. Käytetyn liuoksen lähtötilavuus oli noin 2 ml. Liuos injektoitiin kierrätyspiiriin kertakäyttöruiskulla avaamalla liitos reikään menevästä letkusta. Liitos suljettiin ja odotettiin kunnes reiän paine oli palannut normaaliin arvoonsa (3,2 bar). Tämän jälkeen käynnistettiin pumppu ja seurattiin merkkiainepitoisuutta kahden tunnin ajan ennen huuhtelua. Kierrätysnopeus oli noin noin 0,2 1/min. Tämä voidaan arvioida käyttäen syöttökierron tilavuutta 0,91 1 ja oheista kuvaa 10, jonka perusteella syötetyn pulssin yksi kierros kesti noin 4 minuuttia. Merkkiaineen täydellinen sekoittuminen saavutettiin noin 20 minuutin kuluessa. Rekisteröidyt pulssitaajuudet on esitetty kuvassa 11 logaritmisella asteikolla, jolloin taimenemista kuvaavat käyrät ovat suoria. Mittauksen alettua ilmeni että pulssitaajuus oli melko suuri, ja laitteiston kuollut aika saattaisi vaikuttaa mittaustulokseen. Tämän takia tehtiin osa mittauksesta tahallisesti epäefektiivisemmällä mittausgeometrialla, joka saatiin aikaan nostamalla anturi noin 1 cm:n päähän mittauskammiosta. Esitetyn kuvaajan perusteella rekisteröity taimeneminen ei muuttunut, joten toimenpide oli siinä mielessä turha. Optimaalinen aktiivisuus tulevissa kokeissa on tämän kokeen perusteella noin 10 MBq 1 1, jos pyritään pulssitaajuuteen noin 10 000 cps. Kuvaan 10 on piirretty käyrät jotka approksimoivat tapahtunutta taimenemista ennen ja jälkeen geometrian muutoksen. Tulokset ovat yhteneväiset ja aikavakion perusteella voidaan laskea mittausväliä huuhdelleen pohjaveden virtaus. Saadaan siis Q= 1 V 43000s josta käyttäen edellä arvioitua tilavuutta 0,91 1 saadaan pohjaveden virtaukselle arvio 0 911 Q = ' ~ 76 ml 1 min 43000s/3600s/min

18 Tulos on selvästi suurempi kuin viimeksi vuonna -94 mitatut arvot, jotka olivat noin 35 ml/h. Virtaus on siis kasvanut noin kaksinkertaiseksi ja liittynee osaltaan reiässä tapahtuneeseen paineen alenemiseen. Flushing Cable Warm-u Pressurized nitrogen to the packers Measuring chamber Multimeter for temp.displ. lnflatable P = pressura gauge F = flow meter lnflatable KUVA 9. Laimenemiskoe KR4:ssä.

19 Merkkiaineen sekoittuminen en a. s. en :::l :::l en : ä: 150x1Q3 100x1Q3 50x1Q3 0 300 600 900 1200 1500 1800 Aika (s) KUVA 10. Syötetyn merkkiaineen kierto ja sekoittuminen kierrätyspiirissä. Laimeneminen ja huuhtelu 100x1Q3.A.. ~V --, en a.. (.) 1 Ox1 Q3 ~.1.. l. -- -... 1 x1 Q3 ~ 0 1200 2400 3600 4800 6000 7200 8400 9600 10800 12000 - Alkup. data - Puol.aikakorjattu data - 70000 x exp(-v43000 s) 125000xexp(-V43000 s) Aika (s) KUVA 11. KR4:n laimennuskokeessa rekisteröidyt pulssitaajuudet. Aikavälillä 3000.. 8700 s kasvatettiin anturin ja mittauskammion välistä etäisyyttä, koska rekisteröity pulssitaajuus oli melko suuri ja mittauksen kuollut aika olisi saattanut vääristää tuloksia.

20 Säiliön huuhtelu aloitettiin kaksi tuntia kokeen aloituksesta. Huuhtelukierto pidettiin päällä 13 minuuttia, jona aikana m~rkkiainepitoisuus mittauskammiossa tasaantui selkeästi uudelle tasolle. Harmittava havainto kuitenkin on se, että huuhtelu ei palauttanut merkkiain~pitoisuutta lähellekään luonnollista taustaa, joka oli noin 100 cps. Ilmiön syyksi osoittautui se, että mittauskammioon oli kertynyt aktiivisuutta, joka ei poistunut edes vaikka kammiota huuhdeltiin jättämällä reiästä tuleva vesi huuhtomaan kammiota yöksi. Syynä kammion likaantumiseen oli ilmeiseti se, että kierrossa ollut vesi sisälsi siinä määrin pieniä hiukkasia, jotka absorpoivat käytettyä merkkiainetta, ja joista osa sakkaantui mittauskammion pohjalle. Huuhtelun onnistumista ei voida mittauskammion kontaminoitumisen takia arvioida varmasti, mutta kuvan 6 perusteella tulos on selvästi parempi kuin aikaisemmissa pitkää letkua hyväksikäyttävissä kokeissa. Huuhtelusäiliön toiminnan arvioimiseksi mitattiin pystysuuntainen annosnopeusprofiili säiliön pinnalla. Annosnopeudet on esitetty oheisessa taulukossa 6, ja näiden perusteella virtausprofiilin tulppamaisuus saavutettiin hyvin eikä säiliön huuhtelukapasiteetistä käytetty kuin noin kolmasosa. TAULUKKO 6. Huuhtelusäiliön pystysuuntainen annosnopeusprofiili säiliön pinnalla Etäisyys säiliön pohjalta (cm) 80.. 110 70 60 50 40 30 20 10 Annosnopeus (JlSvlh) -0 0,1 0,2 3 5 19 24 17 4.2 Kokeet 82 Br:lla (2.-3.3.1998) 2.-3.3.1998 tehtiin reikien KR4, KR17 ja PV A2 1aimennuskokeita. KR18 jätettiin kokeiden ulkopuolelle, koska mielekkäiden tulosten saaminen rajallisessa ajassa olisi ollut ilmeisen mahdotonta reiän hyvin pienen ulosvirtaaman perusteella. Kokeita tehtiin siten, että kaikki reiät olivat tulpattuna sekä siten että muita reikiä avattiin kesken kokeen keskinäisten vuorovaikutusten toteamiseksi. KR4:n kokeessa mittauslaitteisto oli sama kuin kuvassa 9 sillä erotuksella, että huuhtelusäiliön sisäänmenon yhteyteen oli lisätty yhde tyhjennystä varten, merkkiaineen injektointia varten oli lisätty yhde sekä reikään menevä merkkiainepitoisuus mitattiin ulostulopitoisuuden lisäksi. Kierrätyspiirin tilavuudelle laskettu arvio oli 0,91 1. KR4:n kokeessa testattiin jälleen huuhtelusysteemiä. Ulostulossa mitattu pitoisuus jäi huuhtelun jälkeen hieman taustatason yläpuolelle, muttei läheskään siinä määrin kuin 99 mrrc:llä tehdyssä kokeessa. Kuvassa 12 on esitetty KR4:n sisäänmenosta ja ulostulosta mitatut vasteet. Sisäänmenovasteen mittaus tehtiin asettamalla 1etku anturin eteen, joten mittausherkkyys on selkeästi huonompi kuin ulostulomittauksessa..

21 DILUTION AND FLUSHING TEST AT KR4 1 OOOO - KR4 OUT +-r-'----'--'---...._-+-......-+-_...... """"---+-1 -~ KR4 IN en a.. (..) 100...... +... "'""-""-"' 0 1800 3600 5400 7200 Time (s) KUVA 12. 82 Br:lla tehty KR4:n laimennuskoe huuhteluineen. Esitetyille kuvaajille ei ole tehty puoliintumisaikakorjausta. KR17 ja PVA2:n kohdalla käytettiin uutta luvussa 2.6 kuvattua tulppasysteemiä, koska kiinnostuksen kohteena olevat raot eivät olleet reiän pohjassa. Kierrätyspiirin kokonaistilavuus oli lisääntyneestä letkujen pituudesta (yhteensä 50 m) huolimatta uutta pakkeria käyttettäessä vain noin 0,85 1. Kokeet tehtiin siten, että aluksi kierrätys tehtiin kaikki muut reiät suljettuina ja riittäväksi arvioidun sekoittumis- ja mittausajan jälkeen avattiin muita reikiä. KR4:n tapauksessa avattiin KR17 ja KR17:n tapauksessa KR4. PV A2:n laimennuskokeessa avattiin sekä KR 4 että KR 17 yhtäaikaisesti. Tulokset on esitetty logaritmoituna kuvissa 14,15 ja 16. Kulmakertoimet eri mittausjaksoilta on laskettu pienimmän neliösumman sovituksella. Saadut tulokset on koottu taulukkoon 7. KR4:n ja KR17:n välisessä tapauksessa virtausmuutokset olivat suunnilleen samansuuruiset mutta eri suuntaiset. Kvalitatiivisesti voinee siis päätellä että osa KR4:n poikki kulkevasta vedestä tulee KR17:n suunnasta, jolloin KR17 avaaminen pienentää virtausta KR4:ssä. KR4:n aukaisu taas lisää paine-eroa KR17:n ja KR4:n välillä, jolloin virtaus kasvaa. Virtaus reikien välillä on siis KR17:stä KR4:n suuntaan. Samoin voidaan päätellä virtauksen olevan PVA2:n suunnasta kohti reikiä KR4 ja KR17, koska KR4:nja KR17:n avaaminen kasvatti mitattua virtausta.. TAULUKKO 7. Virtaukset tulpatuissa rei'issä. "--~,-------------- Reikä Muutos Virtaus ennen ----- -------- --- ml!_~_!ost'!_(!!!_~) KR4 KR17 auki 82 KR17 KR4 auki 6.. 8 """~Y.A?.:,.,_.,.g4,ja~} 7 a~---- 12 Virtaus muutoksen jälkee!!jmllh) 66 23 20

22 Karkea kvantitatiivinen tarkastelu voidaan tehdä ajattelemalla tilavuusvirtauksen kahden piste~n välillä olevan suoraan verrannollinen paine-eroon (Darcy'n laki): 1. KR17:n tapauksessa oletetaan virtauksen tapahtuvan ainoastaan KR4:n suuntaan. Tulpattuna on reikien välinen paine-ero noin 2 bar. Kun KR4 avataan muuttuu paineero noin 5,4 bar:iin (KR17: paine tulpattuna) eli virtaus paineen muutoksen jälkeen olisi 5 ' 4 7 ml 1 h ~ 19 ml 1 h, mikä on kohtuullisen lähellä mitattua arvoa 23 mllh. 2 2. KR4:n tapauksessa tapauksessa oletetaan virtauksen koostuvan kahdesta komponentista Qsouth ja Qnorth KR17:n suuntaan. Lisäksi oletataan ettei virtausta tapahdu KR18:n suuntaan.. KR17:n avaaminen muuttaa tekijää Qnorth alkuarvosta joka on suhteessa paine-eroon 2.2 bar uuteen arvoon, joka on verrannollinen paineeroon -3.2 bar. Saadaan yhtälöt 3 2 Qsouth - Qnorth = 82 ml ja Qsouth-.. Qnorth = 66ml. 2.2 Ratkaistaan ja saadaan Qnorth = 7 ml/h ja Qsouth = 75 ml/h, jossa Qnorth = 7 mllh täsmää KR17:n mitatluun virtaukseen. 3. PVA2:n kohdalla oletetaan aluksi että kaikki virtaus kulkee KR4:n kautta. Kun KR4 avataan paine-ero muuttuu arvosta 2 bar (5,2 bar -3,2 bar) arvoon 5,2 bar ja uusi virtaus olisi, 52 12 ml 1 h ~ 28 ml 1 h,mikä on merkittävästi8 suurempi kuin mitattu 2 virtaus. Ilmeisesti siis kaikki virtaus PVA2:sta ei kanavoidu KR4:n suuntaan. KR4 (3,2 bar) < 0 KR17 auki KR17 (5,4 bar) ~ KR4 auki o KR18 (3,0 bar - huonosti ve johtava alu KUVA 13. Mittausten perusteella oletettu virtausreitti KR4:stä KR5:een.

23 DILUTION AT KR4 KR17 CLOSED KR17 OPEN - Regression curves Cii a.. (.) z...j 8.4 1800 3600 Time (s) 5400 7200 DILUTION AT KR4 -Data as running average with 60 s window 8.44 8.42 KR17 CLOSED KR170PEN - Regression curves 8.40 Ui 8.38 a.. ~ z 8.36...J 8.34 8.32 8.30 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Time (s) KUVA 14. Merkkiaineen laimentuminen KR4:ssä. KR17 avattiin tunnin (3600 s) kierrätyksen jälkeen. Alemmassa kuvassa on pyritty saamaan kulmakertoimen muutos paremmin havaittavaksi siten, laskemalla liukuva keskiarvo 60 s:n ikkunalla ja regressiosuoria on jatkettu laskenta-alueen ulkopuolelle.

24.DILUnON AT KR17 7.95...... r. i KR4CLOSED KR40PEN 7.90 Cii a.. () z 7.85...J 4800 5400 6000 6600 7200 7800 8400 9000 9600 10200 Time (s) KUVA 15. Merkkiaineen laimeneminen KR17:ssä. KR4 avattiin 1h 45 m1n (6300 s) kierrätyksen aloittamisesta. DILUTION AT PVA2 8.10.. :.. :-. - " KR4 AND KR17 CLOSED KR4 AND KR17 OPEN -- REGRESSION CURVES Cii a.. () z...j 8.05 8.00..., 7.95 -+ 4800 5400 6000 6600 7200 7800 8400 9000 9600 Time (s) KUVA 16. Merkkiaineen laimentuminen PV A2:ssä. KR4 ja KR17 avattiin lh 45 min ( 6300 s) kierrätyksen aloittamisesta.

25 5 YHTEENVETO Tehtyjen kokeiden ja karkeiden geometristen tarkå.stelujen perusteella voidaan olettaa, että sama, hyvin vettä johtava rako leikkaa kairareikiä KR4, KR17 ja KR18, joskin vedenjohtavuus KR18 kohdalla on selkeästi pienempi kuin muiden.. Tehtyjen laimenemiskokeiden perusteella myös PV A2 on hydraulisesti yhteydessä mainittujen reikien kanssa. Merkkiainekokeet reikien välillä antaisivat siis tietoa pohjaveden kulkeutumisesta kallioperässä kohtuullisen hyvin tunnetussa geometriassa. Verrattaessa menetelmiä vuorovaikutusten toteamiseen osoittautui laimennusmittaus ainakin nyt tutkitussa tilaneessa herkemmäksi kuin painemittaus. Painemittausten perusteella havaitut vuorovaikutukset olivat hyvin vähäisiä kun taas laimennusmenetelmällä havaittiin selvä muutos kaikissa tutkituissa tilanteissa. Reiässä KR 4 tapahtunut paineen lasku verrattuna vuoden 1994 tilanteeseen ulottuu reiän pohjalla oleviin rakoihin. Mahdollisesti KR5:n suuntaan jatkuvasti tapahtunut vuoto on ajanmittaan huuhtonut täyteainetta pois virtausreitiltä ja näin kasvattanut raon vedenjohtavuutta. Tähän viittaa myös selkeästi kasvanut virtaus KR4:n läpi. Kehitetty huuhtelusäiliö merkkiainesyötön katkaisemista varten toimii hyvin. Parhaaksi keinoksi säiliössä olevan puhtaan veden ja säiliöön tulevan merkatun veden sekoittumisen estämiseksi osoittautui säiliössä olevan veden lämmitys parilla asteella ennen huuhtelun aloittamista. Laimennuskokeita varten rakennettu erikoistulppa osoittaustui myös toimivaksi. Valittu 30 cm tulppaväli oli sopiva ainakin tutkimustunnelin pienimittakaavaisia kokeita varten. Ongelmallinen asia, jonka takia laimenemiskoe kesti noin kolme tuntia, kun tuntikin olisi ollut realistinen aika kokeen suorittamiseen, oli se että merkkiaineen sekoittuminen uutta tulppaa käytettäessä oli hidasta. Yksinkertainen ratkaisu ongelmaan lienee kierrätysnopeuden nostaminen. Merkkiaineena kokeiltu 99 tnrrc toimii hyvin puhtaassa vedessä laboratoriossa tehdyissä kokeissa, mutta kenttäkokeessa ilmennyt adsorptio tai saastuminen aiheutti ongelmia. K.Br toimi merkkiaineena ongelmitta. VIITELUETTELO Hautojärvi,.A, IIvonen, M., Vieno, T. & Viitanen, P. 1995. Hydraulic and tracer experiments in the TVO Research Tunnel 1993-1994. Helsinki, Nuclear Waste Commission of Finnish power Compa?ies, repoort YJT -95-04. Perry, R. H. & Green, D. 1984. Perry's chemical engineers' handbook, sixth edition, New York, Tokyo etc., McGraw-Hill Book Co. Rytömaa, A. 1995, Insinöörityö: pohjaveden tilavuusvirran mittaus. Helsinki, TVO, työraportti PATU-95-79.