Työraportti 98-58 Kallioperän vedenjohtavuuden mittaukset Olkiluodon, Romuvaaran, Kivetyn ja Hästholmenin EP-rei'issä Heikki Hämäläinen Joulukuu 1998 POSIVA OY Mikonkatu 15 A, FIN-00100 HELSINKI Puhelin (09) 2280 30 Fax (09) 2280 3719
-------- Työraportti 98-58 Kallioperän vedenjohtavuuden mittaukset Olkiluodon, Romuvaaran. Kivetyn ja Hästholmenin EP -rei'issä Heikki Hämäläinen Joulukuu 1998
Työ r a p o r t t i 9 8-58 Kallioperän vedenjohtavuuden mittaukset Olkiluodon, Romuvaaran, Kivetyn ja Hästholmenin EP-rei'issä Heikki Hämäläinen Geopros Oy Joulukuu 1998 Posivan 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.
TEKIJÄ ORGANISAATIO: Geopros Oy Punapaadentie 6 00930 Helsinki TILAAJA: Posiva Oy Mikonkatu 15 A 00100 Helsinki TILAUSNUMEROT: 9725/96/HH, 9772/97/HH, 9826/97/HH ja 9578/98/HH POSIVAN TARKASTAJA JA HYVÄKSYJÄ: Dl Heikki Hinkkanen Posiva Oy KONSULTIN YHDYSHENKILÖ: Heikki Hämäläinen Geopros Oy TYÖRAPORTTI 98-58 KALLIOPERÄN VEDENJOHTAVUUDEN MITTAUKSET OLKILUODON, ROMUVAARAN, KIVETYN JA HÄSTHOLMENIN EP-REI'ISSÄ TEKIJÄ: Heikki Hämäläinen TARKASTAJA JA: HYVÄKSYJÄ Tapio Hämäläinen
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 KALLIOPERÄN VEDENJOHTAVUUDEN MITTAUKSET OLKILUODON, ROMUVAARAN, KIVETYN JA HÄSTHOLMENIN EP-REI'ISSÄ TIIVISTEL MÄ Yksityiskohtaisiin paikkatutkimuksiin liittyen Posiva Oy:n tutkimusalueilla mitattiin kallioperän vedenjohtavuutta seitsemässä matalassa eritasopietsometrireiässä. Reikiin asetetaan myöhemmin tulppia pietsometrisen paineen mittausta varten ja tämän tutkimuksen tarkoituksena oli vettäjohtavien vyöhykkeiden paikantaminen tulppien sijoitusta varten. Mitatut reiät olivat Olkiluodossa OL-EP8, Remuvaarassa RO-EP8 ja EP9, Kivetyssä KI-EP9 ja EP1 0 ja Hästholmenilla HH-EP1 ja EP2 Mittauskelpoiset reikäosuudet pohjaveden pinnan alapuolelta mitattiin kokonaan 5 m testivälin pituuksilla, yhteensä 61 täydellistä mittausta. Mittaukset tehtiin kaksoistulppa- ja vakiopainemenetelmällä käyttäen olosuhteiden salliessa 200 ylipainetta tai suuremmilla vedenjohtavuuksilla pienempää. lnjektio kesti tavallisesti 15 min ja paineenlaskuvaihe 1 0 min. Paineen annettiin tasoittua luonnolliseen tasoonsa ennen injektiota vähintään 5 min. Vedenjohtavuudet tulkittiin välittömästi käyttäen kahta transientti- (Horner ja 1 /Q) ja yhtä stationääritilan (Moye) tulkintaa. Mittauksissa käytettiin Pasivan omistamaa HTU-järjestelmää (Hydraulic Testing Unit). Laitteistoa käytti Geopros Oy:n miehistö. Avainsanat HTU, vedenjohtavuus, vakiopainekoe, vesimenekkikoe 2
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 HYDRAULIC CONDUCTIVITY MEASUREMENTS IN MUL TILEVEL PIEZOMETRIC HOLES AT OLKILUOTO, ROMUVAARA, KIVETTY AND HÄSTHOLMEN, ABSTRACT As a part of the detailed site investigations hydraulic conductivity measurements were carried out in shallow boreholes at the four areas selected as possible locations for the final repository of spent nuclear fuel. for later studies of. Several packers are going to be installed in the holes later on for studying the piezometric pressure. The objective was to locate hydraulically conductive zones for determining the depths of these packers. The holes measured were OL-EP8 at Olkiluoto, RO-EP8 and EP9 at Romuvaara, KI-EP 9 and EP1 0 at Kivetty and Heikki Hämäläinen-EP 1 and EP2 at Hästholmen. The measurable lengths below groundwater level of these seven holes were completely covered with 5 m packer separation and a total of 61 complete tests were made. Double-packer constant-head method was used throughout with 200 head, circumstances permitting or lower at greater conductivities. 8oth injection and fall-off stages Iasted normally 15 minutes. Test section was stabilised for at least 5 minutes before the injection to find out the natural pressure. Two transient (Horner and 1/Q) and one stationary-state (Moye) interpretations were made immediately after the measurement. Hydraulic Testing Unit, HTU-system, owned by Posiva, was used and operated by the crew of Geopros Ltd. Keywords: HTU, hydraulic conductivity, constant head test, hydraulic injection test 3
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ... 2 ABSTRACT... 3 SISÄLLYSLUETTELO... 4 1 JOHDANTO... 5 2 MITTAUKSET... 6 3 LAITTEISTO... 7 3.1 Laitteiston yleiskuvaus... 7 3.2 Toiminnallinen kuvaus... 7 3.3 Tekniset spesifikaatiot... 8 3.3.1 Kaluston mitat... 8 3.3.2 Digitaalinen mittaustarkkuus... 8 3.3.3 Paineanturit... 8 3.3.4 Virtausanturit... 9 3.3.5 Lämpötila-anturit... 9 3.3.6 Kaapelin jännitys... 9 3.3.7 Testivälin sijainti.... 9 3.3.8 Säätötarkkuus... 10 3.4 Mittausalue... 1 0 4 MITTAUKSEN KULKU... 11 5 TULKINTOJEN TAUSTA... 13 5.1 Tulkinnat... 13 5.2 Moye... 13 5.3 1/Q... 14 5.4 Horner... 15 6 MITTAUSRAPORTIN SISÄLTÖ... 16 7 DATATIEDOSTON RAKENNE... 20 8 VIllELUETTELO... 21 Liitteet 1 Mittausraportit 2 Luettelot mittauksista 3 Mittauspäiväkirjat 4
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 1JOHDANTO Posiva Oy on tutkinut viidellä eri paikkakunnalla kallioperän soveltuvuutta ydinjätteen loppusijoitukseen. Ensimmäisen tutkimusvaiheen, alustavat sijoituspaikkatutkimukset, jälkeen näistä valittiin, Kuhmon Romuvaara, Äänekosken Kivetty ja Eurajoen Olkiluoto jatko-ohjelmaan, yksityiskohtaisiin sijoituspaikkatutkimuksiin, johon liittyvät kenttätyöt alkoivat keväällä -93. Uusia reikiä kairattiin jokaiselle alueelle ja eräitä aiemmin kairaituja syvennettiin. Reikätutkimuksiin sovellettiin sekä aiemmin käytettyjä että uusia tai edelleenkehitettyjä menetelmiä. Edellämainittujen alueiden lisäksi Loviisan Hästholmenin alue otettiin mukaan loppusijoitustutkimuksiin vuoden 1997 alusta alkaen. Tämä raportti kuvaa eri alueilla eritasopietsometrirei'issä vakiopainekokeina tehtyjä vedenjohtavuusmittauksia. Reikien tarkoituksena on tutkia painetta raoissa kallion pintaosissa erityisesti topografialtaan ympäristöstä poikkeavissa kohdissa. Tätä tietoa tarvitaan reunaehtona kallion mallinnuksessa. Vedenjohtavuustietoa puolestaan tarvitaan reikiin hydraulisen painekorkeuden mittausta varten asennettavien tulppien sijoittamiseksi oikeisiin kohtiin. Reiät on porattu elo-syyskuussa v. -97 ja ne ovat syvyydeltään 30 m - 80 m. Reikien kaltevuudet vaihtelevat 45 ja 90 välillä ja nimellishalkaisija on 115 mm. Käytännössä mitattavissa oleva osuus alkaa pohjavedenpinnasta. Eri alueilla mitattujen EP-reikien tulokset koottiin yhteen raporttiin. Mittauksia tehtiin yhteensä 61 kpl 5 m testivälin pituudella. Muissa rei'issä tuloksia on yleensä voitu verrata virtauseromittauksesta saatuihin, mutta EP-reikien vedenjohtavuutta ei ole tutkittu muilla menetelmillä, eikä muitakaan lähtötietoja ollut juuri saatavilla. Lisäksi reiät on tehty iskuporaamalla, joten kairasydämiäkään ei ollut käytettävissä. Joistakin rei'istä oli ennakkoon käytössä reikäkameralla otettu videonauha /2/. Mittaustyö tehtiin oleellisilta osin yhdessä vuorossa yhden hengen miehistöllä muiden alueilla mitattujen reikien ohessa. Mittausten suorituksesta oli vastuussa Geopros Oy, josta työhön osallistuivat Heikki Hämäläinen ja Tapio Hämäläinen. Posivan puolesta olivat valvojina Sarianna Alhonmäki-Aallonen, Ismo Mäkeläinen, Aimo Hiironen ja Johanna Hansen, kukin omalla tutkimusalueellaan. Tämän raportin laati Heikki Hämäläinen Geopros Oy:stä. 5
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 2 MITTAUKSET Ensimmäinen mitattu EP-reikä oli OL-EP8 lokakuussa -97, jonka jälkeen seurasivat RO-EP8 ja EP9 heti perään, KI-EP9 ja EP1 0 vuodenvaihteessa -97-98 ja viimeisinä HH EP1 ja EP2 heinäkuussa -98. Mittaukset tulivat loppuunsuoritetuiksi 14.7.98. 5 m tulppavälillä ei oltu tehty mittauksia aikaisemmin, joten tulppien väliset letkut ja vaijerit piti rakentaa. Lisäksi piti mitata testivälin todellinen pituus pullistamalla tulppa 115 mm halkaisijaisen putken sisään tiivistymiskohdan määrittämiseksi. OL-EP8 oli porausurakoitsijan käsityksen mukaan aivan ehjää kalliota, joten hieman yllätyksenä havaittiin mittausalueen yläreunalla olevia vedenjohtavuuksia. Vasta yli 25 m syvyydessä tavattiin alle 1 o 6 m/s K-arvoja, jolloin voitiin varmistua siitä, että kyseessä ei ollut vain vuoto tulpan ohi tai muu laitteistosta johtuva ilmiö. Vastaavalla tavalla KI EP9 reikäkameralla tehdyssä-kuvauksessa näkyi vain muutama rako, mutta ilmeisesti resoluutio ei ollut riittävä, sillä vedenjohtavuus koko reiässä oli runsasta. Varsin tiiviitäkin välejä toisista rei'istä löytyi todistamaan mittausten oikeellisuutta. Osaltaan suurehkot vedenjohtavuudet olivat arvattavissa, sillä kyse on kuitenkin kallion pintaosasta syvimpien reikien ollessa vain 80 m syviä. lskuporauksen jäljiltä seinämät olivat aika karheita, joten ennakkoon pelättiin vuotaa tulpan ohi. Koska seinämän pinnan laadussa ei ollut oleellista vaihtelua, ei ole oletettavissa, että vuotaa kuitenkaan olisi tapahtunut. Keskeytettyjen mittausten raportteja ei ole tässä julkaistu, eikä niihin sisälly mitään tulkintojen kannalta hyödyllistä lisäinformaatiota. Syvyys laskettiin suoraan kaapelimerkinnöistä ilman korjauksia, jotka ovat merkityksettömiä näillä syvyyksillä. Remuvaaran ja Kivetyn mittauksissa ohjelma on käyttänyt testivälin pituutena 5,00 m todellisen 5,36 m:n sijasta, joten myös tulkitut vedenjohtavuudet ovat n. 7 o/o liian suuria. Tietokantaan arvot on korjattu, joten liitteen 2 yhteenvedossa on oikeat arvot, mutta mittausraporteissa virheelliset. 6
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 3 LAITTEISTO 3.1 Laitteiston yleiskuvaus Laitteisto on yksityiskohtaisesti kuvattu omassa dokumentoinnissaan TVO/Paikkatutkimukset -raporttisarjassa, raporttinumero 88-35 Rev. 1. Kalusto koostuu kairanreikään laskettavasta anturin ja paisutettavien tulppien yhdistelmästä, kaapelista ja vaunusta, johon on sijoitettu kaapelivinssi ja mittauksen ohjausta ja tiedonkeruuta varten tarvittava kalusto. Anturi sisältää lähinnä paine- ja lämpötila-antureita ja paineensäätimenä toimivan säätöventtiilin. Anturiin liittyy toinen tulpista ja toinen on erotettu alumiinisilla jatkotangoilla halutulla etäisyydelle. Paineenmittaukset suoritetaan tulppien väliltä ja kummankin tulpan ulkopuolelta. Tulppien väliin aukeaa syöttövesiputki, jossa tapahtuvaa virtausta säädetään anturissa olevalla säätöventtiilillä. Erityisesti tätä tarkoitusta varten tehty kaapeli sisältää tarvittavien signaali- ja virransyöttöjohtajan lisäksi nylenputket syöttövettä ja tulppien pullistusta varten. Kantavana elementtinä on kevlarkuitu ja vaippana polyuretaanimuovia. Vaunu on rakennettu metsätraktorin perävaunun rungolle, jossa on keinuva kaksoisteli. Kori on lasikuitulaminaattia polyuretaanivaahtoeristein. Sisätilat on jaettu väliseinällä kahtia; toisella puolella on virransyöttö-, tiedonkeruu- ja ATK- laitteistot, toisella hydraulikäyttöinen kaapelivinssi, huoltotilat ja suurin osa systeemin mittaus-, säätä- ja käyttölaitteista. Lattiassa on luukku, josta anturi kaapeleineen lasketaan reikään. Lattian alle on sijoitettu hydraulipumppu, painevesisäiliö ja kompressori. Vaunussa on sähkölämmitys. 3.2 Toiminnallinen kuvaus Laitteisto on ensisijassa suunniteltu vakiopainekokeita silmälläpitäen, mutta muutkin koetyypit ovat mahdollisia ohjelmistoa muuttamalla. Anturi ja kaapeli on mitoitettu toimimaan 1000 m syvyyteen saakka. Laitteisto toimii halkaisijaltaan 56 mm:n rei'issä ja tulppia vaihtamalla sitä suuremmissa. Mittaustarkkuus riittää määrittämään vedenjohtavuuden K-arvoalueella 1 o-s... 1 Q-12 m/s. Syöttöveden virtaama voidaan mitata välillä 0.001-130 ml/s neljällä virtausanturilla, joiden valinta tapahtuu automaattisesti. Tulkintaa ja tulosten arviointia voidaan tehdä mittauksen aikana. Tulokset tallennetaan mahdollista myöhempää tarkastelua varten tietolevykkeille. Mittausraportit tulkintoineen voidaan piirtää vaunuosassa olevalla kirjoittimella. Tulosten talletuslaajuus voidaan valita tarpeen mukaan siten, että melko nopeatkin transientit voidaan tallettaa. Useimmat toiminnot, periaatteessa myös anturin siirto reiässä, ovat ohjelmallisesti hallittavissa. Ohjelmiston tarkka kuvaus on dokumentoinnin (88-35 Rev 1) liitteessä 2. Syöttöveden kanssa kosketuksessa olevat osat ovat lähes yksinomaan ruostumatonta terästä tai muovia, jotta pohjaveteen ei joutuisi myöhempiä analyysejä haittaavia epäpuhtauksia. Syöttöveden paineistukseen käytettävä ilma on suodatettu sekä mekaanisesti että kemiallisesti kompressorista tulevan öljyn poistamiseksi. Vesi kulkee karkean suodattimen läpi säiliöitä täytettäessä ja hienompi suodatus (50 f.l) tehdään ennen virtausantureille ja kaapeliin menoa. Tulppien keskinäinen etäisyys määräytyy välillä olevien alumiinisten jatkotankojen lukumäärän mukaan. Pääosa tangoista on 2,00 m:in pituisia, mutta lisäksi on 1 kpl 1,00 m:in tanko ja tarpeen mukaan lyhyempiä sovituskappaleita, joilla testivälin pi- 7
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 tuus tasataan tasametreille eri kokoonpanoissa. lankojen lisäksi käytetään varmistusvaijeria, jonka varassa kalusto on myös asennettaessa reikään. Anturin ja kaapelin välinen liitos on vesitiivis ja varustettu pakkomurtokohdalla. Kiinnijuuttumistapauksessa kaapeli tulee kokonaisuudessaan ylös ja anturiin voidaan tarttua kairausputkiston päässä olevalla noutajalla. Tässäkään tapauksessa vesi ei pääse anturin sisään. 3.3 Tekniset spesifikaatiot 3.3.1 Kaluston mitat 3.3.2 Digitaalinen mittaustarkkuus Vaunu Pituus 7,5m Leveys 2,5m Korkeus 3,6m Paino n. 6 t Anturi 0 53 mm Pituus 1 580 mm Paino 9,5 kg Kaapeli Pituus 1080 m 0 34,4 mm Paino ilmassa 936 kg vedessä lievästi kelluva Tehon tarve min. 8 kw 380 V 3-vaihe Mittauksen yhteydessä data talletetaan kahteen tiedostoon, sekä raakadatana että kalibroidut arvot sisältävään. Kalibroitujen tietojen tarkkuus riippuu lähinnä käytetyn matemaattisen mallin hyvyydestä. Mahdollinen jälkikäsittely on mahdollista tehdä raakadatalle. Painesignaalit tulevat virtaviestinä 4-20 ma, joka tiedonkeruulaitteessa muutetaan 2-10 V jännitteeksi tai jänniteviestinä 0-10V- ja A-0-muunnos suoritetaan vähintään 100 V resoluutiolla, jolloin tarkkuus on parempi kuin 0,01 /o FS. Virtaamat tallennetaan pulssimäärinä sellaisenaan, joten tarkkuus riippuu vain anturista. Lämpötilat mitataan PT 100 antureilla käyttäen hyväksi HP 3497 -vakiovirtalähdettä. Virtalähteen tarkkuus 1 ma virralla on 125 na ja jännite mitataan 1 V resoluutiolla. Käytännön mittaustarkkuus on n. 10 mn, mikä vastaa 0,025 C. Mittauksesta ja tiedontallennuksesta aiheutuvat virheet ovat edellisen perusteella epäoleellisen pieniä verrattuna anturien tarkkuuteen. 3.3.3 Paineanturit Lineaarisuus Suure Tyyppi + hystereesi resol. toisto Testivälin paine P1 Keller PD-14-10 ±5 10 Pa ±1 Ylätulpan yläpuoli P2 Keller PA-14-100 ±50 100 Pa ±10 Alatulpan alapuoli P8 Keller PA-14-100 ±50 100 Pa ±10 Pohjav. pinnank P3 Keller PA-14-,5 ± 1 2 Pa ±2 limanpaine P7 Keller PAA-14-1 ±500 Pa 1 Pa ± 1 8
------------------------------- ---- Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTII 98-58 3.3.4 Virtausanturit Tyyppi Alue (ml/s} Kal.tarkk. Toistotarkk. 0 /o lukemasta 0 /o lukemasta FTO N-1-LJS FTO N-3-LJS FTO N-5-LJS PRG-Tec 0,06-4,7 0,44-25,2 1,89-126,2 0,002-0,1 ± 0,05 /o ± 0,05 /o ± 0,05 o/o ± 5 /o ± 0,1 o/o ± 0,1 o/o ± 0,1 o/o ± 2 /o FTO-virtausanturien valmistaja on Flow Technology lnc. Käytännössä virtausmittauksen tarkkuutta rajoittaa se, että mittaus tapahtuu maanpinnalla, jolloin anturin ja testivälin väliin jää kaapelin tilavuus, n. 80 1. Paine aiheuttaa kaapelissa n. 0,5 1/MPa tilavuusmuutoksen. Tästä aiheutuvaa virhettä pyritään pienentämään päästämällä paine kaapeliin ennen injektiovaihetta ja palaamalla samaan tilaan injektion jälkeen. Kaapelin varastovaikutuksen aiheuttaman virheen arviointi on hyvin vaikeaa ja se riippuu käytetystä säiliöpaineesta ja totaalivirtaamasta. PRG-Tec:in valmistama anturi toimii lämpöpulssiperiaatteella. Sen mittaustarkkuuteen vaikuttavat ulkopuoliset lämpötilavaihtelut ja edellisissä mittausjaksoissa tuotettu lämpö, joten tarkkuus on heikompi kuin roottoriantureilla ja tarkka kalibrointi on erittäin työlästä. Mittausalueen reunoilla tarkkuus on yllä spesifioitua heikompi, aivan alarajalla ehkä vain noin ±50 /o. Anturin mittausjakso on pitkä vaihdellen välillä 20 s - 500 s, mikä näkyy portaina virtaamakäyrässä. 3.3.5 Lämpötila-anturit Lämpötila-antureina käytetään vaunussa PT 1 00 ja reikäanturissa PT 1 000 vastuselementtejä. PT 100- anturin tarkkuus ilman anturikohteista kalibrointia on käytössä olevalla mittausalueella 0,3 OK ja PT 1 000-anturin 0,4 OK DIN 43760 8 standardin mukaan. Lämpötilamittauksen rajoitetun merkityksen vuoksi ei anturikohtaisia kalibrointeja ole tehty. 3.3.6 Kaapelin jännitys Kaapelin jännitys mitataan jousivaa'alla venymän arvioinnin tarkentamiseksi. Kaapeli päästetään kiristyvän köysisilmukan avulla Iöysäiie vaa'an varaan. Va'an resoluutio on 2 kg ja mittauksen arvioitu tarkkuus ±4 kg. Käytännön mittaustarkkuutta rajoittaa huomattavasti kaapelin sekä tulppien ja reiän seinämän välinen kitka. Tämän johdosta jännitysmittauksen tulos riippuu huomattavasti siitä, mihin suuntaan kaapelia on viimeksi liikutettu. Kaapelin jännitystila on sinänsä hyvin käyttökelpoinen kaapelin pituusmuutoksista aiheutuvaa syvyysvirhettä laskettaessa. 3.3. 7 Testivälin sijainti Testivälin sijainti määritetään kaapeliin asennetuista syvyysmerkeistä ja kaapelia seuraavasta juoksupyörälaskurista. Juoksupyörä on sijoitettu mahdollisimman suoralle osalle kaapelia taipuman aiheuttaman virheen välttämiseksi. Laskurin resoluutio on 2 cm ja nollapisteen siirtymä 1000 m matkalla edestakaisin yleensä n. 20 cm. Havaintoaineisto ei riitä virherajojen määrittelyyn, eikä sellaisia ole tässä sen takia annettu. Kaapelissa syvyysmerkinnät on tehty tehtaalla 1 m välein, joten suurin osa laskurin aiheuttamista virheistä on saatu eliminoitua. Kaapelin lievän kelluvuuden takia kaapelin venymä ei ole lineaarinen syvyyden suhteen, vaan pienenee syvemmälle mentäessä ja vaihtuu kutistumaksi noin 230 m 9
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 kohdalla. Luonnollisesti myös reiän kaltevuus ja veden tiheys (suolaisuus) vaikuttavat kaapelin vetojännitykseen ja sitä kautta venymään. Käytännössä syvyydenmittauksessa on ollut ilmeisestikin monista eri tekijöistä johtuvia melko huomattaviakin virheitä. Syvyysvirhettä on pyritty määrittämään rakohakujen avulla, jolloin etsitään tiiviin kallion ympäröimän yksittäisen raon syvyys vedenjohtavuuden perusteella. Toinen käytetty keino on laskea anturi tunnetunsyvyisen reiän pohjaan, mutta tästä saadaan yleensä epämääräisempi tulos reiän pohjalle kerääntyvän pehmeän lietteen johdosta. Testiraportteihin merkitty syvyys on suoraan kaapelimerkintöjen mukainen käyttämättä mitään korjauksia. Alle sadan metrin syvyyksillä kaapelimalli käyttäytyy epäluotettavasti ja toisaalta virheet ovat epäoleellisen pieniä, kertaluokaltaan muutamia kymmeniä senttejä. 3.3.8 Säätätarkkuus Testivälin paineen säätätarkkuus riippuu oleellisesti sekä vettäjohtavien rakojen ominaisuuksista että operaattorin toimenpiteistä. Operaattorin toimista vaikuttaa eniten syöttövesisäiliön paine. Tarpeen vaatiessa keskeytetään mittaus ja aloitetaan tauon jälkeen uudestaan sopivammilla asetuksilla. Kaikissa oloissa on mahdollista säätää paine ± 2 /o tarkkuudella. Useimmissa tapauksissa aktiivista säätää ei käytetä paineen asettuessa käytetyn säiliöpaineen määräämälle tasolle. Silloin säätätarkkuus on yleensä ±0,5 /o. Kun K arvo on >1 o- 8 m/s virtausvastus ja sen mukana painehäviö kaapelissa kasvaa ja tarvitaan aktiivista säätää kaapelin alapäässä. Olosuhteiden mukaan säätätarkkuus vaihtelee edellämainituissa rajoissa parantuen uudestaan kohti suuria vedenjohtavuuksia. K-arvoilla >1 o- 6 m/s suurin saavutettava ylipaine laskee, mutta absoluuttinen tarkkuus paranee, joten pysytään alle 1 /o:in virheessä. Pienimmillään stabiilina pysyvä ylipaine on vain n.1. 3.4 Mittausalue Mittausalueen laajuus riippuu käytetystä tulppavälistä ja syöttöpaineesta. Sähkömekaanisten anturien spesifioidulla tarkkuusalueella pystytään mittaamaan vedenjohtavuudet välillä 1,5 x 10-s- 7,5 x 10-11 m/s, kun tulppaväli on 30m ja paine 10-200. Vuonna -94 asennettu terminen virtausanturi kasvattaa mittausaluetta samoilla kriteereillä arvioiden ainakin 10-1 2 m/s saakka. Pienimmillä vedenjohtavuuksilla kasvaa kuitenkin mahdollisten virhelähteiden osuus nimenomaan virtausmittauksen osalta, jonka virherajoiksi arvioidaan alarajalla n. +- 50 /o. 10
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 4 MITTAUKSEN KULKU Aluksi paisutetaan tulpat paikoilleen. Paisutuspaine on 1,0 MPa ja asettumisaika tilanteesta riippuen 5-15 min. Tämän jälkeen suljetaan venttiili, jottei tulppia käyttävän pumpun iskut vaikuttaisi testivälin paineeseen. Paisutuksen aikana on testiväli magneettiventtiilin kautta auki reiän yläosaan. Paisutusvaiheen lopuksi myös tämä venttiili suljetaan. Testivälin sulkeuduttua annetaan paineen asettua vähintään 5 min, jona aikana päästään lähelle testivälin hydraulista painekorkeutta. Useissa tapauksissa täyden stationääritilan saavuttaminen kestäisi tunteja, joten on tyydyttävä suuntaa antaviin arvoihin. Yöt ja muut tauot hyödynnetään tähän tarkoitukseen suunnitelmallisesti. Paine päästetään kaapeliin asettumisvaiheen alussa, jolloin kaapeli täyttyy käytetyllä säiliöpaineella. Samaan tilanteeseen palataan injektiovaiheen jälkeen, jotta kokonaisvirtaamasta saataisiin oikea tulos. Tähän saakka on anturissa oleva painesäädin ollut suljettuna estäen paineen pääsyn testiväliin. lnjektion aluksi käynnistyy ohjelman paineensäätörutiini, joka ensin ohjaa painesäätimen ennalta asetettuun lähtöarvoon ja sen jälkeen pyörittää säädinmoottoria lyhyinä pulsseina jokaisella ohjelmakierroksella, jos testivälin paine ei ole sallituissa rajoissa lähellä tavoitepainetta. Jos säiliössä oleva syöttöpaine on testivälin vedenjohtavuuteen sopiva, saavutetaan asetettu ohjepaine minuutin kuluessa. Tämän jälkeen ohjelma pyrkii pitämään vakiopaineen testivälissä avaamalla tai sulkemalla säädintä. Jos K-arvo on <1 E-8, ei aktiivista säätää yleensä tarvita, vaan säiläpaine määrää injektiopaineen säätimen asennon pysyessä vakiona. Mikäli vedenjohtavuus ei ole liian suuri, pidetään ohjearvona 200. Oletusarvona injektioajalle on 15 min, mutta muutokset molempiin suuntiin ovat yleisiä. Paikoin myös mittaussuunnitelmassa on esitetty käytettäväksi pidempiä aikoja. lnjektiovaiheen lopuksi kierretään säädin kiinni ja tihennetään mittausten talletusta nopeiden painemuutosten esiinsaamiseksi. Paineen laskua testivälissä seurataan oletusarvoisesti 10 min, jonka jälkeen päästetään paine tulpista. Kun tulpat ovat irronneet, voidaan anturi siirtää uuteen mittauspaikkaan. Mittauksen ajoituksesta huolehtii ohjelma mittauksen alussa annettujen aikojen mukaisesti, mutta haluttaessa voi operaattori muuttaa niitä tarpeen mukaan. Tallennustiheyden voi operaattori määrätä haluamakseen, paitsi transienttien aikana; vakioarvo on 10s. 11
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 Seuraavat tiedot tallennetaan mitattaessa: MUUTTUJA MUUTTUJAN NIMI reaaliaika testivälin paine paine ylätulpan yläpuolella pohjaveden pinnankorkeus syöttövesisäiliön paine tulppien paine ilmanpaine paine alatulpan alapuolella testivälin lämpötila ilman lämpötila syöttöveden lämpötila virtaama P1 P2 P3 PS P6 P7 P8 T1 T2 T3 Q Lisäksi tallennetaan tietokantaan jaksojen kestoajat, tulkintatulokset, Q/A-tiedot ym. raportissa esiintyvä sekä muu testikohtainen informaatio. Mittauksessa käytetään ainoastaan merkittyä vettä. Merkkiaineina käytetään natriumfluoresiinia eli uraniinia. Merkkiaineen laskennallinen pitoisuus on 0,50 mg/1. 12
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 5 TULKINTOJEN TAUSTA 5.1 Tulkinnat Mittauksesta tehdään kolme tulkintaa aina kun se on mahdollista. Stationääritilan Moye-tulkinta tehdään aina, joskaan tulokset eivät ole merkittäviä, mikäli mitattavissa olevaa virtaamaa ei ole ollut. Tällöin merkitään vedenjohtavuudeksi 0,0 m/s. Jos operaattori ei ole tehnyt tulkintaa, sen tekee ohjelma injektion lopussa vallinneessa tilanteessa. Transienttitulkintojen, jotka tekee vain operaattori, tekemisessä noudatetaan harkintaa ja tulkinta jätetään tekemättä, jos transientti ei ole sovelias tulkittavaksi. Tulkintoja arvioitaessa on hyvä ottaa huomioon seuraavat painetasoihin mahdollisesti vaikuttavat tekijät. Ensimmäinen, pieniin vedenjohtavuuksiin lähes säännöllisesti liittyvä häiriötekijä on tulppien puuistumisen jatkuminen vielä varsinaisen inflaatiovaiheen jälkeenkin paineen tasoittuessa hitaasti kaapelin yläosan ja tulppien välillä. Tämä aiheuttaa paineen nousua testivälissä, joka voi olla useita satoja :ta, ja jonka stabiloituminen voi kestää useita tunteja. Testivälin referenssipaine mitataankin juuri ennen inflaation aloittamista, jotta tulppien aiheuttama paineen nousu ei sotkisi vedenjohtavuustulkintoja. Toisaalta esiintyy myös luonnolliselta vaikuttavaa korkeaksi nousevaa painetta, joka pitkällä aikavälillä asettuu johonkin tulppapaineesta selvästi poikkeavaan vakioarvoon. Tulppien vaikutusta ja luonnollisia ilmiöitä on yleensä mahdoton erottaa toisistaan näissä mittauksissa, ellei seuranta ole kestänyt vähintään kahta tuntia. Muutamissa heikosti johtavissa testiväleissä voi todelliseen injektiopaineen arvoon tulla hieman virhettä, mutta useimmiten näissä kohdissa vedenjohtavuus kuitenkin on liian pieni mitattavaksi. Toinen häiriötekijä on mahdollinen testivälin hydrostaattisesta poikkeava pietsometrinen painetaso hyvin vettä johtavissa testiväleissä Operaattori voi useimmiten havaita tämän, mikäli tasausvaihe on riittävän pitkä, ja kompensoida sen vaikutuksen muuttamalla käsin juuri ennen inflaatiota mitattua testivälin paineen nollapoikkeamaa. Tähän on myös varauduttu ohjelmassa. Käytännössä poikkeavan pietsometrisen painetason huomioiminen on tärkeintä juuri hyvin johtavissa, K-arvoltaan yli 1 E- 6, testiväleissä, joissa joudutaan usein tyytymään hyvinkin pieniin, jopa oleellisesti poikkeaman suuruutta pienempiin syöttöpaineisiin. Tällöin kompensoimaton pietsometrisen painetason poikkeama voi aiheuttaa todella merkittäviä virheitä mitatluihin K-arvoihin, tai pilata koko testin. Pienillä vedenjohtavuuksilla, jolloin yleensä käytetään n. 200 syöttöpainetta, suhteellinen vaikutus on pienempi. Myös hyvin vettä johtavissa kohdissa todellisen pietsometrisen paineen löytyminen voi viedä huomattavasti aikaa, sillä kyse voi olla suuren kalliotilavuuden asettumisesta tasapainoon tulppien suljettua kairanreiän muodostaman yhteyden muihin rakoihin. 5.2 Moye Tulkinta tehdään pääsääntöisesti automaattisesti injektion lopusta, tai sitten operaattorin valitsemasta ajankohdasta mittauksen aikana kohdasta, joka vaikuttaa edustavimmalta, eikä sisällä häiriötekijöitä Virtauksen stationäärisyyttä pidetään ensiarvoisena tekijänä paikkaa valitessa. Jos operaattori ei ole tehnyt tulkintaa, se tehdään aina injektion viimeisiltä hetkiitä 13
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 Laskentaan käytetään viittä paineen ja virtaaman arvoa valitun kohdan molemmin puolin, joten kyse on kymmenen tallennetun luvun keskiarvosta. Kun useimmiten on käytössä datan tallennus 10 s välein, vastaava aika on 1 00 s. Kuitenkin jos tulkinta tehdään viimeisestä injektion arvosta, tulee mukaan vain viisi edellistä lukemaa. Kaikki tässä esityksessä mukana olevat mittausraportit sisältävät Moyen tulkinnan varsinaisesti laskettuna Banksin kaavalla, johon on lisätty Moyen vakio /1/, eli: _ 0,159 x Q ( ( L )) K- L p 1+ ln R X 2 X w 2. jossa: K = vedenjohtavuus Q = virtaama L = testivälin pituus P = ylipaine Rw = reiän säde [m/s] [m 3 /s] [m] [m] [m] 5.3 1/Q Menetelmää varten sovitetaan puolilogaritmiasteikolla 1/Q-käyrälle suora ja lasketaan sen perusteella virtaaman muutos yhden aikadekadin kuluessa. lnjektion alun alkuhetkenä pidetään hetkeä, jolloin paine on noussut 70 /o:iin lopullisesta arvostaan. Suoran sovitusväli on operaattorin päätettävissä. Samoin voidaan valita käytetäänkö sovitukseen pienimmän neliösumman menetelmää vai ei. Jos käyrä sisältää runsaasti piikkejä on yleensä käytetty manuaalista suoran asetusta, jolloin arviointi on tietysti silmämääräistä. Tulkinnan voi myös jättää tekemättä, jos transienttia ei ole. Saaduista arvoista esitetään raportissa injektion ja suoran sovituksen aikaväli, virtaama- ja painemuutos yhdessä aikadekadissa sekä skin-tekijän arvo. Aikaskaala on esitetty sekunteina eikä logaritmeina lähinnä helpottamaan operaattoria, sillä sekunnit antavat paremman käsityksen reaaliarvoista. Vedenjohtavuus on laskettu suoran kulmakertoimesta kaavalla /1/: K 0,_1_83_x_p-:-x_g--: - p XL X L\(1 1 Q) 3. jossa: p = veden tiheys [kgfm3] g = putoamiskiihtyvyys [m/s2] P = keskimääräinen ylipaine [Pa] L = testivälin pituus [m] (1/Q) = virtaaman muutos logaritmisella aikavälillä [s/m 3 ] 14
----------------------------------------------- -- Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 Vedenjohtavuuden ohella tulkinnassa lasketaan myös pintavaikutustekijä seuraavalla kaavalla/1/: [( (1/Q)tJ ( J J zinj = 1,15 K X L\(1/Q) -log Rw 2 X SS -2,13 4. 5.4 Horner jossa yllämainittujen lisäksi: (1/0)t = 1/Q arvo ajanhetkellä t, tulkinnan sovitusvälin alussa Rw = reiän säde [m] Ss = ominaisvarastokerroin [1/m] Horner tulkinta tehdään puolilogaritmisessa koordinaatistossa, jossa lineaarisella pystyakselilla on testivälin paine P1 fall-offin aikana, ja logaritmisella vaaka-akselilla on dimensioton aika Log({t+t')/t'), missä t = aika sekunteina injektion alusta ja t' = aika sekunteina fall-offin alusta. Aikaskaalan hahmottamisen helpottamiseksi dimensioton aika on kuitenkin muutettu sekunneiksi fall-offin alusta. Suoran sovitus Horner-diagrammiin tehdään samalla tavalla kuin 1 /Q-tulkinnassakin. Tulkinta voidaan myös jättää tekemättä, jos transientti ei ole tarkoitukseen sopiva. Transientin ensimmäisten (n. 30 ) sekuntien käyttöä tulkintaan on pääsääntöisesti vältetty. Vedenjohtavuus lasketaan tässäkin suoran kulmakertoimesta kaavalla /1/: 0,183 X Qp X p X g rp_;; x -L--- 5. K fo = M jossa edellisten lisäksi:.!ldp = paineen muutos logaritmisella aikavälillä QP = virtaama syötön lopussa [Pa] [m 3 /s] Samoin kuin 1 JO-menetelmässä myös tässä tulkinnassa lasketaan pintavaikutustekijä seuraavalla kaavalla /1/: df1r ( Kfo J J Zinj = 1,15 X ( Ad -log 2-2,13 L.l rp Rw X Ss Jossa edelleen: dpt = testivälin paine ajanhetkellä t, tulkinnan sovitusvälin alussa 6. 15
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 6 MITTAUSRAPORTINSISÄLTÖ OTSIKKOTIEDOT Otsikkotiedot sisältävät ylätunnisteessa reiän nimen ja testin järjestysnumeron. Yleensä reiän nimi esiintyy eräistä käyttöjärjestelmän ominaisuuksista epäsuorasti johtuen ilman väliviivaa ja numeroon sisältyy joko etunolla tai muu lisänumero tai -kirjain. Uudemmissa tulosteissa reiän nimi on korjattu vastaamaan Pesivan käytäntöä ja testin numero on erillään. Ylätunnisteen alapuolella on testivälin sijainti tunnettuine korjauksineen laskettuna maanpinnan tasosta, sekä graafinen esitys testivälin suhteellisesta sijainnista reiässä. Reiän kuvaan saattaa myös liittyä reiän suurimpien ruhjeiden ja ruhjevyöhykkeiden sijainti. TIEDOSTOT Mittaukseen liittyvien tiedostojen nimet muodostavat seuraavan pääkohdan. Jälkikäsittelyn kannalta oleellisimpia ovat kalibroidun datan sisältävä tiedosto, jonka nimen tarkenne on.pro ja tapahtumatiedoston, jonka tarkenne on. EVT. Jälkimmäisestä löytää kaikki oleelliset tuloksiin vaikuttavat tapahtumat kellonaikoineen.. CAL-tiedosto on kalibrointitiedot sisältävä tiedosto, joka on ollut käytössä muutettaessa raakadataa kalibroiduksi dataksi kyseistä raporttia luodessa. Tiedostojan tarkempi rakenne on selitetty tarkemmin luvussa 7. Lisätietaina on datatiedostojen sisältämä tietueiden määrä (= talletuskertojan luku) ja operaattorin nimikirjaimet Tiedostojan nimet muodostuvat reiän nimestä edellämainituin muutaksin ja järjestysnumerosta, joka on reikäkohtainen. TESTITIEDOT Seuraava taulukko sisältää testikohtaisten tulosten merkityksen. TESTIVÄLIN GEOMETRIA pituus tulppien välinen etäisyys reiän 0 kairanreiän halkaisija [m] [mm] AIKA päivä alkoi loppui kesto tasaus injektio fall-off mittauksen aloituspäivä mittauksen aloitusaika mittauksen päättymisaika koko mittauksen kesto paineentasausvaiheen kesto injektiovaiheen kesto paineenseurantavaiheen kesto [pvm] [hh:mm:ss] [hh:mm:ss] [s] [s] [s] [s] MITTAUSTULOKSET viim. virtaama Moyen tulkintaan käytetty virtaama-arvo viim paine Moyen tulkintaan käytetty painearvo kokonaistilavuus koko injektiossa kulunut vesimäärä, alkupaine loppupaine ml. kaapelin täyttyminen testivälin paine ennen injektiota testivälin paine paineentasausvaiheen lopussa [ml/s] [] [1] [] [] 16
Geopros Oy 04.12.98 TYÖRAPORTTI 98-58 TULKITUT VEDENJOHTAVUUDET Moye tulkittu Moyen vedenjohtavuus Horner Horner-tulkinnan vedenjohtavuus 1/Q 1/Q-tulkinnan vedenjohtavuus [m/s] [m/s] [m/s] Q/A-TIEDOT Raportinkirjoitusohjelma on kehittynyt mittausten kuluessa ja erityisesti OlAtietojen osalla on tapahtunut vähäisiä muutoksia mittausten aikana. Itse suureet ovat pääosin samat, mutta niille on pyritty etsimään selkeämmät nimitykset ja ryhmittelyä mittausraportissa on selkeytetty. Esitysmuoto riippuu hieman siitä, onko raportti tulostettu mittausten yhteydessä vai myöhemmin. TASAUKSENLOPUSSSA P1 muutos Testivälin paineen muutos tasauksen [] kuluessa P1 muutosnop Testivälin paineen muutosnopeus [/min] tasauksen lopussa PB muutos Alatulpan alapuolisen paineen muutos [] stabiloinnin loppuun (tulppien vaikutus) INJEKTION LOPUSSA P1 keskihajonta lnjektion aikainen testivälin ylipaineen [] keskihajonta P1 keskivirhe lnjektion aikainen testivälin ylipaineen [] keskipoikkeama asetusarvosta virtausmuutos Virtaaman muutosnopeus injektion [{ 0 /o}/min] lopussa pohjavesimuutos Pohjaveden pinnan korkeusmuutos [m] injektion loppuun mennessä FALL-OFF LOPUSSA P1 muutos Testivälin paineen muutos ennen testiä [] P1 muutosnop vallinneeseen paineeseen nähden Testivälin paineen muutosnopeus [/min] PB muutos fall-off-vaiheen lopussa Alatulpan alapuolisen paineen muutos [] injektion alusta (injektion vaikutus) vaiheet Loppuunvietyjen mittausvaiheiden lukumäärä, täydellisessä testissä vaiheet= 4, rakohaku = 5, uusittu= 6 KOMMENTIT KUVAAJAT Operaattorin havainnot ja selvitykset poikkeavuuksien mahdollisista syistä mittauksen kuluessa kirjautuvat omaan tiedostoonsa, jonka sisältö tulostuu raporttiin. Samoin kommentit tulkinnoista. Toinen sivu sisältää kolme graafista esitystä. Ylimpänä on testivälin paine ja virtaama (P1 ja V Plot) koko mittauksen ajalta. Seuraavina ovat 1/Q- ja Horner-tulkinnat, joissa käyristä esiintyy vain tulkitsijan tarkoitusta varten skaalaama osuus ja sille sovitettu suora. 17