Gekoppelte numerische Modellierungen von Strömungs-und Deformationsprozessen im Kluftgestein als Planungstool am Beispiel Pumpspeicherkraftwerk in Blautal

Song, Jie; Neukum, Christoph; Rüde, Thomas R.; Azzam, Rafig

doi:HT019135130

Gekoppelte numerische Modellierungen von Strömungs-und Deformationsprozessen im Kluftgestein als Planungstool am Beispiel Pumpspeicherkraftwerk in Blautal = Coupled numerical modeling of flow and deformation processes in fracured rockmass as a planning tool in a case study pumped storage power plant in Blautal

Song, Jie

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Jie Song

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xi, 163 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Azzam, Rafig (Thesis advisor) ; Neukum, Christoph (Thesis advisor) ; Rüde, Thomas R. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-07-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-052065
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/660195/files/660195.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/660195/files/660195.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
gekoppelte nummerische Modellierung (frei) ; gekoppelte hydromechanische Modellierung (frei) ; REV (frei) ; Kluftgestein (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Im Gebirgsbereich ist ein umfassendes Verständnis von Strömungs- und Deformationsprozessen für die Errichtung wasserwirtschaftlicher Großbauwerke wie z.B. Talsperren und Dämmen im geklüfteten Festge-stein unentbehrlich. Für die Planfeststellung eines solchen Bauwerks genießt der Sicherheitsaspekt zum Schutz von Menschenleben, Sachwerten und Umwelt höchste Priorität. Im Reservoirbetrieb mit schwankenden Wasserständen wird eine Änderung der mechanischen Eigenschaften des umgebenden Gesteins hervorgerufen, deren Einflüsse auf die lokale hydraulische Verhältnisse und die Standsicherheit des benachbarten Talhanges durch numerische hydraulsich-mechanische Modelle prognostiziert und bewertet werden sollten. Als Fallbeispiel wird in dieser Arbeit das im Kalksteinbruch „Michelreibershalde“ in Blaubeuren geplante Pumpspeicherkraftwerk „PSW-Blautal“ behandelt. Die zur Genehmigung stehende Planung sieht als Vorzugsvariante für das Unterbecken vor, dieses ohne Sohl- und Böschungsabdichtungen im Niveau des Kluftgrundwasserleiters zu errichten. Umfangreiche geologische, geohydraulische und ingenieurgeologische Erkundungen wurden am Standort durchgeführt, um insbesondere den Unterbeckenstandort im verkarstungsfähigen Malm zu charakterisieren. Ergänzend zu den In-situ Untersuchun-gen wurden numerische Methoden als Prognoseinstrument für die Planfeststellung des PSW verwendet. Allerdings weisen derzeit die numerischen Modellierungen für Kluftgestein immer noch zahlreiche Unsicherheiten auf. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass ein großräumiges Kluftsystem oft aus zahlreichen Einzelklüften besteht. Aufgrund der fehlenden Speicherkapazitäten sind großräumige Kluftsysteme durch reine Kluftnetzmodellierungen zum heutigen Zeitpunkt nicht erfolgreich simulierbar. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Ermittlung des repräsentativen Elementarvolumens (REV) entwickelt, das als Grundlage für die numerische Modellierung von großräumigen Kluftsystemen dient. Für das untersuchte Kluftgestein wurde ein minimales hydraulisches und mechanisches REV jeweils mit einer Größe von 28 m × 28 m und 12 m × 12 m ermittelt. Infolgedessen ist es möglich, das Kluftsystem durch ein äquivalentes Kontinuum sowohl bei der Grundwasserströmungsmodellierung als auch bei gekoppelter hydromechanischer Sickerwasser-Stabilitätsanalyse abbilden zu können. Aufgrund der numerischen Modellierungen wurden die Auswirkungen während der Bau- und Betriebszeit des Speichers auf die umliegenden Schutzgüter, sowie die Einflüsse der Sicherwasserströmung auf die Stabilität des benachbarten Talhanges am Unterbeckenstandort quantitativ prognostiziert und bewertet. Die Ergebnisse der Prognoserechnungen zeigten, dass das PSW mit der bevorzugten Bauvariante aus hydraulischer Sicht praktikabel ist, und sich die östliche Böschung am Unterbeckenstandort auch unter Einflüssen von Versickerungsvorgängen zu verschiedenen Betriebszuständen als stabil bezeichnen lässt. Über das Anwendungsfeld der PSW hinaus sind die hier angewendeten Methoden sowohl für andere wasserwirtschaftliche Bauwerke, als auch andere Großprojekte im Bereich der Ingenieur- und Geowissenschaften, beispielsweise der sicheren CO2-Speicherung, der Nutzung von Tiefengeothermie und der Endlagerung von radioaktiven Abfällen in Kluftgestein von großer Bedeutung.

In the mountain area, a comprehenvie understanding of flow and deformation processes is indispensable for the construction of large buildings for water management such as Dams and embankments in fractured rock. For such buildings, the safety aspects like protection of lives, property and the environment should have the highest priority. In reservoir operation with fluctuating water levels, a change of the mechanical properties of the surrounding rock would be caused. Their influence on the local groundwater conditions and the stability of the neighboring slopes should be predicted and evaluated by using numerical hydraulic-mechanical models. As a typical case study, the limestone quarry „Michelreibershalde“ in Blaubeuren is integrated in the plans for the “PSW-Blautal” pumped-storage hydroelectric power plant. The preferred option for the plant setup is to integrate the lower reservoir into the groundwater without sealing. Extensive geological and hydrogeological investigations have been undertaken for the Pumped-storage hydroelectricity (PSH) plant in order to characterize the Jurasic karst aquifer in which the lower reservoir will be constructed. In addition to in-situ inverstigations, numerical modelling was carried out as a reliable predicting tool for the planning approval. However, the numerical modelling of fractured rock have currently still numerous uncertainties. A major reason is that a large-scale fractured system consists of a high number of individual fractures. Due to the limited computing power at the present time, a large-scale fractured system can not be simulated successfully by using discrete fracture network model directly. In the present work, a method was developed to evaluate the hydraulic conductivity and representa-tive elementary volume (REV) in fractured rock, which can be used for the hydraulic or coupled hydrome-chanic modeling of large-scale fractured system. For the fractured rock at the site, a minimum hydraulic and mechanic REV was determined with a size of 28 m × 28 m and 12 m × 12 m, separately. Consequently, it is possible to replace the fractured system by an equivalent continuum both in groundwater flow modeling as well as coupled hydromechanical seepage stability analysis. Regarding the numerical modeling, the impacts of the PSH constructions and operations on the groundwater dependent ecosystems and the stability of neighboring slopes were reliably predicted and evaluated. The results of the numerical modeling conclude that the preferred construction concept is practicable from a hydraulic point of view; also the slope of the lower reservoir showed stability under the influence of the designed PSH operations. From the application field of the PSH, the used methods can be transferred not only for other buildings of water management, but also in other applications fileds of engineering and geosciences, such as safe storage of CO2, the use of deep geothermal energy and the disposal of radioactive waste in fractured rock.

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