ABSTRACT

The rock engineering aspects of the concrete lined pressure tunnels for the Drakensberg Pumped Storage Scheme covering investigation, design and construction are described. The scheme has an operating head of some 500m and is located in a near horizontally bedded sedimentary rock formation containing relatively weak argillaceous strata. Detailed investigations included a test chamber, hydrofracture testing and in-situ stress measurements. The test chamber was fully instrumented and tested to determine the lining/rock response up to internal pressures of the same order as the overburden stress. Design criteria were developed for the permissible extent of the concrete linings with respect to overburden criteria, the long term rock support characteristics and the general behaviour of the composite lining/rock structure. Controlled excavation and support procedures for the tunnels are described. Lining prestressing using Interface grouting was carried out to minimise the potential for cracking and inhibit deterioration of the rock due to the frequent pressure fluctuations within the waterway. The behaviour of the lining during watering up was monitored and compliance with the design model observed.

RESUME

Une description est donnee des aspects geotechniques des tunnels de pression revêtus de beton pour le Projet de reservoir d''eau pompee de Drakensberg, couvrant les investi- gations, les etudes et la construction. Le projet a une hauteur d''eau disponible de quelques 500 m et il est situe dans une formation presque horizon tale de roche sedimentaire en strates contenant des couches argileuses relativement faibles. Les investigations de detail comprenaient une chambre d''essai, des tests d''hydrofracture et des mesures d''efforts sur place. La chambre d''essai entièrement equipee d''appareils de mesure fut essayee pour determiner la reponse du revêtement et de la roc''he jusqu'' à des pressions internes du même ordre que celles dues aux terrains susjacents. Des critères d''etude ont ete developpes en vue de l''etendue permissible des revêtements de beton quant aux criteres de terrains susjacents, des caracteristiques de support de la roche à long terme et de la tenue generale de la structure composee de revêtement et roche. Les methodes d''excavation contrôlee et de support des tunnels sont decrites. Une precontrainte du revêtement au moyen de coulis interfacial fut effectuee pour minimiser Ie potentiel de fissuration et opposer la deterioration de la roche due aux frequentes fluctuations de pression dans les tunnels. La tenue du revêtement durant la mise en eau fut observee et la conformite avec Ie modèle de l''etude respectee.

UBERSICHT

Die Beschreibung befaβt sich mit den gesteinstechnischen Aspekten der betonverschalten Druckstollen fuer das Drakensberg Bewasserung und Energiespeicherungsprojekt und behandelt Forschung, Entwurf und Konstruktion. Das Projekt hat ein Druckgefalle von ca. 500 m und befindet sich in fast horizontal gelagertem Sedimenteestein mit relative schwacher Tonschicht. Detaillierte Untersuchungen einschlieβlich Bau e1ner Testkammer, Hydrobruchversuche und Messung der Spannungen an Ort und Stelle wurden durchgefuehrt. Die mit kompletter Instrumentierung ausgeruestete Kammer wurde getestet, um die Verschalung/ Gestein-Reaktion auf Innendruecke bis zur Überlastgrenze zu ermitteln. Konstruktionskriterien fuer den zulassigen Umfang der Betonverschalung wurden entwickelt, die Überbelastung, die langzeitigen Tragfahigkeiten des Gesteins und das Verhalten der Verschalung/Gesteinstruktur allgemein berUcksichtigten. Gesteuerte Ausschachtungen und Abstuetzverfahren werden beschrieben. Um die Möglichkeit des Spaltens zu verringern und den Verfall des Gesteins durch haufige Druckschwankungen zu hemmen, wurde eine Vorspannung der Verschalung mit Grenzflachenverguβ durchgefuehrt. Das Verhalten der Verschalung wahrend des Wasserauffuellens wurde uberwacht und Übereinstilnrnungmit dem Entwicklungsmodell konnte festgestellt werden.

(Figure in full paper)

INTRODUCTION

The Drakensberg Pumped Storage Scheme is a dual purpose scheme designed for both energy storage and water supply purposes. The scheme is located in a near horizontally bedded sedimentary rock formation with an overall alignment length of some 4,5 km comprising headrace tunnels, surge and pressure shafts, pressure tunnels (penstocks) power station complex and tailrace tunnel. The general arrangement of the pressure tunnels in relation to the other scheme components is illustrated on Figure 1.

The interbedded sandstone and siltstone rock mass is relatively deformable and the more argillaceous (muddy) units are susceptible to deterioration if not adequately protected.

The twin 5,5m internal diameter concrete lined pressure tunnels are some 850 m long and slope at a grade of 1 in 10. The maximum operating head is up to 500 m and a comparison with other schemes in terms of rock deformability is given on Figure 2.

The lack of suitable precedent for high head concrete lined tunnels in relatively weak, sedimentary strata called for detailed investigation measures covering the support characteristics of the rock and the susceptibility of the rock to hydrofracture as well as special design considerations for the lining structures.

This content is only available via PDF.
You can access this article if you purchase or spend a download.