GEOLOGINEN TUTKIMUSLAITOS

Ydinjatteiden sijoitustutkimusten projektiryhma

Tiedonanto 34 G - 1.4.2

Jukka Brusila

Selostus kauppa- ja teollisuusministerion energiaosaston rahoittamasta tutkimuksesta

Espoo, joulukuu 1983

ALKUSANAT

Geologisen tutkimuslaitoksen ydinjatteiden sijoitustutkimusten

projektiryhman ohjelmaan otettiin vuonna 1983 uudeksi tehtavaksi

osaprojekti G-1.4.2 "Kallioperan veden lapa i sevyysmaar i tykse tvv .

Tama kuuluu osana projektiryhman pitkaaikaiseen, kalliopohjaveden

havaintoverkoston kehittamiseen keskittyneeseen tutkimusprojektiin

G-1.4 "Kalliopohjaveden virtausselvitykset".

Uuden osaprojektin tavoitteeksimaaritettiin "erilaisista kallio-

peramuodostumista erilaisin kairaus- ja geofysikaalisin jarjeste-

lyin saatujen mittaustulosten muuntaminen vertailukelpoisiksi

vedenjohtavuusarvoiksi tyossa kehitettavan ATK-tilastokasittely-

metodiikan perusteella".

Osaprojekti kaynnistettiin tilaamalla oheinen ty6 teknillisen kor-

keakoulun taloudellisen geologian laboratoriolta tutkimusscpi~uk-

sella 27.5.1983. Tyon suoritti tutkija, diplomi-insinoori Jukka

Brusila. Tyon vastuullisena johtajana toimi taloudellisen geolo-

gian laboratorion esimies, professori Heikki Niini. Tilaajan puo-

lesta valvojana toimi ydinjatteiden sijoitustutkimusten projektiryh-

man paallikko fil. lis. Martti Salmi. Paaosa tutkimuksen kohteena

olevasta materiaalista saatiin Imatran Voima Osakeyhtiosta. Raportti

tyosta luovutettiin geologiselle tutkimuslaitokselle 22.9.1983. Sa-

moin luovutettiin tilaajalle mittausdatan kokoamisessa ja atk-kasit-

telyssa kertynyt aineisto. Syksyn 1983 kuluessa tehtiin raporttiin

vahaisia paranteluja tilaajan kommenttien mukaisesti.

Osoitamme lampimat kiitoksemme kaikille niille henkiloille ja orga-

nisaatioille, jotka perusaineistoa luovuttamalla seka tyosuunnitel-

maa ja tyon edi.stymista kriittisesti kommentoiden ovat tata tyota

tukeneet .

Espoossa 8.12.1983

Heikki Niini Jukka Brusila Martti Salmi

Ydinjatteiden loppusijoituksen suunnittelussa tarvittavia kallio-

peran vedenjohtavuusarvoja on laskettu kuudesta eri kohteesta

saaduista yhteensa 856 vesimenekkikokeen tuloksista. Tutkimus-

kohteet ovat Inkoo, Korospohja Korpilahdella, Loviisa, Matara-

koski Sodankylassa, Olkiluoto Eurajoella ja Taivalkoski Kemin-

maassa. Laskennan pohjaksi on ensin analysoitu vesimenekkikokeen

suoritusta ja virhelahteita. Lasketun vedenjohtavuuden ja havain-

tosyvyyden korrelaatiosta eri kohteissa on laadittu 13 regressio-

diagrammia ja samoin 13 frekvenssidiagrammia.

Kaikista havainnoista saatu vedenjohtavuusarvo k keskihajontoi-

neen on 10 -6' 95*09 pienentyen hyvin heikosti maan pinnasta

(k = 10 -6,74 -7 = 1,8 . 10 ) 200 metrin syvyyteen (k = 10 -7,69 - -

2,O . Selvimmiss2i kivilajiryhmisss on veden johtavuudella

seuraavat arvot : Loviisan rapakivessa 10 -7'06*0'91 (324 mittausta) ,

muissa magmakivissa 10 -7919*09 55 (258 mittausta) , gneisseissa 10 -7908*09 75 (73 mittausta) ja liuskeissa 10 -5,93*0,53

(111 mittausta). Vedenjohtavuuden syvyyskorrelaatiossa havaitaan

muutamia poikkeuksia em. keskimaaraisesta trendista, mika.voidaan

selittaa yksilollisten rako- ja ruhjevyohykkeiden esiintymiselli3.

Jukka Brusila

Teknillinen korkeakoulu. taloudellisen geologian laboratorio

1 JOHDANTO ................................................ 2 ............................ 2 VEDEN VIRTAUS KALLIOPER&'S~~ 3 2.1 Yleista ........................................ 3 ................... 2 .2 Vesivirtausta kuvaavat yhtalot 5

......................................... 3 VESIMENEKKIKOE 9 .................. 3 .1 Kokeen periaate ja suoritustapa 9 3 .2 Vesimenekkikokeen virhelahteet ja tuloksiin

tehtavat korjaukset .............................. 1 2 4 VEDENJOHTAVUUSKERTOIMEN WRITTAMINEN

VESIMENEKKIKOKEEN AWLLA ............................... 1 5 ...................................... 4 .1 Lahtokohdat 1 5

4.2 Moyen kaava ...................................... 16 4.3 Muita kaavoja .................................... 1 9

5 VEDENJOHTAVUUDEN VAIHTELU ERI KIVILAJEISSA JA SYVYYDEN FUNKTIOINA ................................. 2 1 5 .1 Yleista .......................................... 2 1 5 . 2 Kallionrakennustutkimusten yhteydessa tehtyjen

vesimenekkikokciden tulosten kayttokelpoisuu- desta vedenjohtavuusmaarityksissa ................ 21

............................... 5.3 Tutkimusmateriaali 2 3 5 .4 Tutkimusalueiden sijainti ja geologinen kuvaus .. 24

5.4.1 Yleista .................................. 24 5 .4 .2 Inkoon alue .............................. 24 5 .4 .3 Korospohjan alue ......................... 24 5.4.4 Loviisan alue ............................ 2 5 5 .4 .5 Matarakosken alue ........................ 25 5.4.6 Olkiluodon alue .......................... 26 5 .4 .7 Taivalkosken alue ........................ 26

........ 5.5 Kairaus- ja vesimenekkitietojen kasittely 2 7 5 .6 Tulokset ........................................ 2 7 5 .7 Johtopaatokset ................................... 29 VIITTEET ............................................... 3 1 LIITTEET ( 2 6 kpl)

1 JOHDANTO

Suomen kallioperan vedenjohtavuus- ja lapaisevyysominaisuudet tun-

netaan viela melko huonosti, koska tarvetta niiden selvittamiseen

ei juuri ole ollut. Viime aikoina ovat kuitenkin ydinjatteiden

loppusijoituspaikan valintaanliittyvat kysymykset luoneet kiinnos-

tusta naiden tarkeimpien kalliopohjaveden virtausnopeutta ja -reit-

teja kontrolloivien tekijoiden selvittamiseen.

Kallion vedenlapaisevyytta, ts. vedenjohtavuutta, voidaan tutkia

vesimenekkikokeiden avulla. Waita mittauksia on tehty kallion ra-

kennettavuuden selvittamiseksi jo pitkaan, ja eri organisaatioille

on kertynyt niista laaja suomalaisten kivien ominaisuuksia kuvaava

aineisto. Tassa tutkimuksessa kokeillaan naiden tietojen soveltu-

vuutta kallioperan vedenjohtavuuden m3.arittamiseen.

Teoriaosassa kasitellaan veden virtausta kalliouerassa yleensa ja

vedenjohtavuuden maaritysta vesimenekkikokeiden avulla. Kokeelli-

sessa osassa kasitellaan koottuja vesimenekkitietoja ja muunnetaan

ne vedenlapaisevyyskertoimen arvoiksi. Naiden perusteella vertail-

laan eri tyyppisten kivilajien vedenjohtavuutta ja sen muuttumista

syvyyden f unktiona .

2 VEDEN VIRTAUS KALLIOPERXSSA

2.1 Yleista

Veden virtaus kiteisessa, ts. magmaattisessa ja metamorfisessa,

kallioperassa tapahtuu lahes yksinomaan rakoja ja ruhjeita pitkin.

Ehjan kiviaineksen vedenjohtavuus on erittain pieni verrattuna luon-

nolliseen rakoilleeseen kalliomassaan. Taulukossa 1 on esitetty

muutamien kivilajien laboratoriomittauksilla saatuja ehjan ainek-

sen vedenjohtavuuskertoimen arvoja ja in situ -maarityksilla saa-

tuja rakoilleen kalliomassan vastaavia arvoja. Naiden valinen ero

on yleensa useita dekadeja.

Taulukko 1. Muutamien kivilajien ehjan aineksen (intact rock) ja rakoilleenkalliom~ssan (rock mass) e k v i v a l e n t t i v e d e n j o h t a v ~ ~ u s k e r - toimen arv~ja (1 cm/s = m/s) (Zeigler 1976) .

~ n t a c t ~ & k ke JcaJrec) ( ~ s b Determinatlone)

Sandstom

Si l t s tone

Cranlte

Slate

Breccia

Calcite

Limeatone

Iblomite

Sandatme

Hard mudstone

Flne-grnlned rsndstona

Ool i t l c rock

Brad fort sands tone

G l e m r r randrtonr

Altered gr8nita

r)-k Un*. k- (cm/sec) ( In S l tu ~etermlnationa)

Arteritc a i g ~ v r t i t e s

Chloritized arter l ter and shales

Gneiss

Pegratoid granite

Llgnitr layer

Sandstone

bdrr tone

Oocene limeatcne

Luonnollinen kalliomassa koostuu vaihtelevan kokoisista ehjan

kiviaineksen muodostamista lohkoista ja niita leikkaavasta ja

erottavasta monimutkaisesta rakoilusysteemista. Siksi kallion

vedenjohtavuus on yleensa anisotrooppinen ja heterogeeninen, pai-

kallisesti hyvin vaihteleva suure, jonka tutkiminen ja luotettava

maarittaminen on ongelmallista. Vedenjohtavuuden tutkimisessa ja

kasittelyssa on yleensa valittavana kaksi toisistaan periaatteel-

taan eroavaa tapaa.

Yleinen tapa on olettaa kalliopera isotrooppiseksi, homogeeniseksi,

jatkuvaksi massaksi, jonka vedenjohtavuus on kaikkialla vakio. Ole-

tus sopii todellisen kalliomassan tarkasteluun sita parernmin mita

enemman tutkittavassa kohteessa on rakoja ja mita isotrooppisemmin

ne ovat suuntautuneet. Menetelmalla voidaan tutkia vain valiaineen

keskimaaraista vedenjohtavuutta: todellinen vedenjohtavuus on rako-

vyohykkeissz. huomattavasti suurempi ja ehjissa lohkoissa vastaavasti

pienempi.

Toinen mahdollisuus on tutkia erikseen kaikkien tai maarattyjen

rakojen ja rakovyohykkeiden vedenjohtavuutta. Vesivirtaus yksit-

taisessa raossa hallitaan kahden yhdensuuntaisen tasaisen levyn

valissa tapahtuvan virtauksen teorian perusteella. Kallion rakoja

voidaan kuvata tallaisilla malleilla, joiden parametrit, esim.

sijainti ja suuntaus, paatellaan geologisista havainnoista. Mene-

telmalla tutkitaan yksittaisten rakojen todellisia vedenjohtavuus-

arvoja ja silla voidaan siksi parhaiten kuvata suhteellisen ehjan,

vahan rakoilleen kallion vedenjohtavuusoninaisuuksia, mm. aniso-

tropiaa.

Kirjallisuuden perusteella yksittaisten rakojen menetelmaa on sen

tarjoamista eduista huolimatta sovellettu vahan kaytannon kallio-

peratutkimuksissa. Myoskaan tassa selvityksessa ei tarkastella

yksittaisten rakojen vedenjohtavuusominaisuu~~sia vaan yksinomaan

kalliomassan keskimaaraisia arvoja. Tasta huolimatta on tarkeaa

muistaa vesivirtauksen todeilinen luonne ja rakoilun merkitys sen

kannalta.

2.2 Vesivirtausta kuvaavat yhtalot

Seuraavassa tarkastellaan lyhyesti kallioperassa tapahtuvan

vesivirtauksen teoriaa ja sita kuvaavia yhtaloita. Esitys on

paaosin peraisin Zeiglerin (1976) kirjasta.

Kallioperan vesivirtauksen liikkeellepanevana voimana on eri pis-

teiden valinen hydrostaattisen paineen ero eli paineagradientti.

Tamapuolestaanaiheutuu paaasiassa maanpinnan topografian ja kal-

lioperan vedenjohtavuuden paikallisesta vaihtelusta.

Vesivirtauksen luonne riippuu lahinna painegradientin suuruudesta

ja rakojen ominaisuuksista. Painegradientin ja virtausnopeuden

ollessa riittavan pieni3. virtauskentta on laminaarinen el-i pyor-

teeton (kuva la). Suurilla gradientin ja nopeuden arvoilla vir-

taus on taas yleensa luonteeltaan turbulenttinen eli pyorteinen

(kuva Ib).

Kuva 1. Kaaviokuva laminaarisesta (a) ja turbulenttisesta ( b ) virtauskentasta.

Kokoonpuristumattoman nesteen laminaarista virtausta kyllaste-

tyssa valiaineessa kuvataan kokeellisella Darcyn lailla:

v = ki,

missa v on virtausnopeus (m/s) , k on laminaarinen vedenjohtavuuskerroin (mls) , i on painegradientti (m/m).

Laminaarisen virtauksen nopeus on siis suoraan verrannollinen

painegradienttiin. Verrannollisuuskerrointa k kutsutaan lami-

naariseksi johtavuuskertoimeksi. Sen arvo riippuu paitsi vali-

aineesta myos virtaavan nesteen viskositeetista.

Vedenjohtavuutta tutkittaessa ilmoitetaan paine yleensa vesi-

patsaan paineena eli painekorkeutena. Painekorkeuden yksikkona

on metri ja siten painegradientti puolestaan on laaduton (m/m).

Darcyn laki on voimassa vain rajoitetulla painegradienttialueella-

Gradientin ja virtausnopeuden kasvaessa aiheuttaa nesteen ja vir-

tauskanavan seinamien valinen kitka pyorteita virtauskenttaan,

joka muuttuu turbulenttiseksi. Talloin osa painegradientin syn-

nyttamasta liike-energiasta kuluu pyorteiden muodostumiseen ja

painegradientin kasvaessa kokonaisvirtausnopeuden (gradientin

suuntainen virtaus) kasvu hidastuu.

Kokoonpuristumattoman nesteen turbulenttista virtausta kyllaste-

tyssa valiaineessa kuvaa Missbachin laki:

missa v on virtausnopeus (m/s),

n on epalineaarisuusaste,

K on turbulenttinen johtavuuskerroin ( (m/s) ") , i on painegradientti (m/m) .

Tamakin yhtalo on luonteeltaan kokeellinen. Sen mukaan virtaus-

nopeuden ja painegradientin valilla vallitsee nyt epalineaarinen

riippuvuus. Epalineaarisuusaste n vaihtelee virtauskentan pyor-

teisyydesta riippuen laminaarista virtausta vastaavasta arvosta 1

taysin turbulenttista virtausta vastaavaan arvoon 2. Laminaari-

nen ja turbulenttinen johtavuuskerroin ovat yleensa eri suuria

ja eroavat toisistaan jo yksin laadultaan (m/s ja ( m / ~ ) ~ ) .

Se painegradientin arvo, jolla virtauskentta alkaa muuttua lami-

naarisesta turbulenttiseksi, ei ole yksikasitteinen vakio vaan

riippuu monista edelleen osittain toisistaan riippuvaisista teki-

joista. Naista tarkeimpia ovat virtausnopeus, virtauskanavan di-

mensiot ja pinnan karkeus seka virtaavan nesteen viskositeetti.

Samat tekijat vaikuttavat luonnollisesti myos yleisesti virtaus-

kentan pyorteisyyden maaraan ja Missbachin lain epalineaarisuus-

asteeseen. Mitaan naista suureista ei siksi voida paatella pel-

kastaan painegraidentin perusteella. Luonnon itsensa synnyttamat

painegradientit lienevat kuitenkin niin pienia, etta niiden aiheut-

tamat vesivirtaukset ovat luonteeltaan laminaarisia. Vedenjohta-

vuustutkimuksissa on siten perusteltua pyrkia selvittamaan nimen-

omaan laminaarisen vedenjohtavuuskertoimen arvoja.

Darcyn ja Missbachin lakeja muodostettaessa on oletettu nesteen

tayttavan koko valiaineen ja virtaavan siina kaikkialla samalla

nopeudella. Todellisuudesaa veden virtaus kalliossa tapahtuu

ainoastaan tiettyja raoista ja huokosista muodostuvia virtaus-

kanavia pitkin. Sitentodellinen virtausnopeus kalliossa vaihte-

lee suuresti ollen virtauskanavissa paljon em. laeista saatavaa

nopeutta suurempi ja ehjissa lohkoissa lahes nolla. Todellinen

nopeus virtauskanavassa saadaan jakamalla Darcyn tai Missbachin

laista saatu teoreettinen virtausnopeus kallioperan tehollisella

huokoisuudella (Kauranne ym., 1972) :

v - teor v tod - 8 '

m i s s a Vtod on t o d e l l i n e n v i r t a u s n o p e u s v i r t a u s k a n a v a s s a ,

'tear on Darcyn t a i Missbach in l a i n mukainen t e o r e e t t i n e n v i r t a u s n ~ p e u s ~ t s . naennainenkokonaisvirtausnopeus,

8 on k a l l i o p e r a n t e h o l l i n e n h u o k o i s u u s .

T e h o l l i s e l l a h u o k o i s u u d e l l a t a r k o i t e t a a n s i t a kokona i shuoko i suu-

den o s a a , joka muodostaa y h t e i n a i s e n v i r t a u s k a n a v i s t o n j a j o t a

p i t k i n p a i n e g r a d i e n t i n s u u n t a i n e n n a e n n a i n e n v i r t a u s t a p a h t u u .

Koska k i t e i s t e n k i v i l a j i e n k o k o n a i s h u o k o i s u u s on h y v i n p i e n i j a

t e h o l l i n e n h u o k o i s u u s v a i n o s a s i i t a , on e r o t o d e l l i s e n j a t e o -

r e e t t i s e n v i r t a u s n o p e u d e n v a l i l l a e r i t t a i n s u u r i . Rasmussenin

(1963) mukaan ( v i i t e a r t i k k e l i s t a C a r l s s o n j a O l s s o n , 1977) Ruot-

s i n k i t e i s t e n k i v i l a j i e n r a k o i l u n a i h e u t t a m a t e h o l l i n e n h u o k o i s u u s

on k e s k i m a z r i n 0 ,076 %. S i t e n t o d e l l i n e n veden v i r t a u s n o p e u s k a l -

l i o s s a on y l i t u h a t k e r t a i n e n Darcyn t a i Missbach in l a i s t a s a a t u u n

nopeu teen v e r r a t t u n a .

3. VESIMENEKKIKOE

3.1 Kokeen p e r i a a t e ja s u o r i t u s t a p a

Vesimenekkikokeessaluodaa~ k a l l i o p e r a a n k e i n o t e k o i n e n p a i n e g r a -

d i e n t t i pumppaamalla v e t t a t u n n e t u l l a v a k i o p a i n e e l l a t u t k i t t a -

v a a n , t i i v i i l l a t u l p i l l a y m p a r i s t o s t a a n e r o t e t t u u n r e i a n o s a a n

(kuva 2 ) .

Kuva 2 .

M i t t a a m a l l a ve s imaa ra , joka a i k a y k s i k o s s a pumpataan t u t k i t t a v a a n

r e i a n o saan j a joka s i i s v i r t a a ymparoivan k a l l i o n l a p i , vo idaan

Darcyn j a Missbachin l a k i e n a v u l l a arvioidakalliomassanvedenjohta-

vuusker to imen a r v o a . T u t k i t t a v a n r e i a n o s a n p i t u u s vo idaan v a l i t a

v a p a a s t i v a i h t a m a l l a m i t t a u s l a i t t e e n t u l p p i e n v a l i s t a e t a i s y y t t a

t a i y h t a t u l p p a a k a y t e t t a e s s a s e n e t a i s y y t t a r e i a n p o h j a s t a . Yleensa

t u t k i t t a v a n vyohykkeen p i t u u s on s u u r u u s l u o k a l t a a n 3 - 6 m .

Kokeessa muodostuu t u t k i t t a v a n r e i a n o s a n y m p a r i l l e p a a p i i r t e i s -

s a a n s a t e i t t a i n e n v i r t a u s k e n t t a , j o s s a v e s i v i r t a l e v i a a yha l a a j em-

m a l l e a l u e e l l e e d e t e s s a a n r e i a s t a p o i s p a i n . S i t e n v i r t a u s n o p e u s

j a p a i n e g r a d i e n t t i p i e n e n e v a t n o p e a s t i v i r t a u k s e n suunnas sa j a v e s i -

menekkikoe k u v a s t a a k a l l i o n omina i suuks i a v a i n hyv in s u p p e a l l a vyo-

h y k k e e l l a r e i a n y m p a r i s t o s s a . Samoin v e s i v i r t a u k s e n luonne ( l a m i -

n a a r i n e n - t u r b u l e n t t i n e n ) v o i v a i h d e l l a e r i e t a i s y y k s i l l a r e i a s t a ,

mika v a i k e u t t a a t u l o s t e n t u l k i n t a a .

Nopean pa ineena l enemisen t a k i a ve s imenekk ikokee l l a vo idaan t u t k i a

v a i n m i t t a u s r e i k a a l e i k k a a v i e n r a k o i l u s y s t e e m i e n j a r u h j e i d e n a i -

heu t t amaa v a d e n l a p a i s e v y y t t a . S i k s i l u o t e t t a v i e n t u l o s t e n saami-

s e k s i t u t k i t t a v a n k i v i l a j i n r a k o i l u t y y p p i j a - suun t aus on huomi-

o i t a v a m i t t a r e i k i e n s u u n t a u s t a v a l i t t a e s s a .

Yleensa ves imenekkikoe t e h d a a n u s e a l l a e r i p a i n e e l l a samassa m i t -

t a u s p i s t e e s s a ; e n s i n p a i n e t t a a s t e i t t a i n n o s t a e n j a s i t t e n s a m o i l l a

p a i n e a r v o i l l a a s t e i t t a i n l a s k i e n . T a r k o i t u k s e n a on s a a d a k a s i t y s

ves imenekin j a p a i n e g r a d i e n t i n v a l i s e s t a r i i p p u v u u d e s t a ( v i r t a u k -

s e n l u o n t e e s t a ) s e k a r a k o j e n k a y t t a y t y m i s e s t a p a i n e e n v a i h t e l u i s s a

j a veden v i r r a t e s s a n i i s s a . Rakojen k a y t t a y t y m i s e l l a on m e r k i t y s t a

k a l l i o n r akenne t t avuuden k a n n a l t a , e i k a s i i h e n t a s s a y h t e y d e s s a t a r -

kemmin p u u t u t a . Sen s i j a a n v i r t a u k s e n l u o n t e e n t un t eminen on t a r -

keaa a r v i o i t a e s s a veden joh tavuusker to imen a r v o j a Darcyn t a i M i s s -

b a c h i n l a i n p e r u s t e e l l a .

Kuvassa 3 on e s i t e t t y t y y p i l l i n e n t e o r e e t t i n e n ves imenek in ( v i r -

tausnopeuden) j a m i t t a u s p a i n e e n ( p a i n e g r a d i e n t i n ) v a l i s t a r i i p p u -

v u u t t a kuvaava k a y r a . T a l l a i n e n on kay t annos sa m a h d o l l i s t a sel-

vittaa toistamalla vesimenekkikoe lukuisilla eri painearvoilla

samassa mittauspisteessa.

Paine Po

Osa 1 Lineaarinen, laminaarinen virtaus

Csa 2 Turbulenssin vaikutus '

Csa 3 Turbulenssin vaikutus lakkaa joko

rakojen laajenemisen tai tulppien

vuotamisen johdosta

@sa 4 Rakojen laajeneminen tai tulppien

vuotaminen hallitseva

Kuva 3 . Tyypillinen vesimenekin ja mittauspaineen valista riippuvuutta kuvaava kayra (Holopainen, 1 9 7 7 ) .

Kayran lineaarisella alkuosalla (osa 1 kuvassa 3) virtaus on

kaikkialla reian ymparistossa laminaarinen. Sita vastaavilla

painearvoilla voidaan vedenjohtavuuskertoimen arviointiin kayti

taa Darcyn lakiin perustuvia laskukaavoja.

Kayran muuttuminen epalineaariseksi (osa 2 kuvassa 3 ) on merk-

kina virtauksen muuttumisesta turbulenttiseksi reian valittomassa

laheisyydessa, jossa painegradientti on suurin. Veden johtavuu-

den arviointiin tata kayran osaa vastaavilla painearvoilla on

kaytettava laskukaavoja, jotka perustuvat Missbachin lakiin.

Lain epalineaarisuusasteen arviointiin tarvitaan kuitenkin vahin-

taan kolme mittauspistetta kayran turbulenttiselta osalta, mika

kaytannon mittauksissa on melkoinen vaatimus. Lisaksi virtauksen

turbulenttisuus- ja Missbachin lain epalineaarisuusasteen taytyy

pienentya painegradientin pienentyessa etaannyttaessa mittausrei-

asta. Tama tekee lain soveltamisen vedenjohtavuuden arviointiin

teoreettisestikin erittain vaikeaksi. Tarkassa vedenjohtavuusker-

toimen arvioinnissa voitaneenkin kayttaa ainoastaan kayran lineaa-

riselle alkuosalle osuvia pienia painearvoja.

E r i t t 3 i n k o r k e i l l a m i t t a u s p a i n e i l l a (kayran osat 3 ja 4 kuvassa 3)

vesimenekit yleensa kasvavat nopeasti. Taman voidaan katsoa aiheu-

tuvan rakojen laajenemisesta tai uusien vetta johtavien rakojen

syntymisesta mittauspaineen vaikutuksesta. Samankaltainen ilmio

aiheutuu myos mittauslaitteiston tulppien vuotamisesta korkeilla

paineilla. Tata kayran osaa vastaavilla vesimenekkikoetuloksilla

ei ole merkitysta luonnontilaisen kallion vedenjohtavuustutkimuk-

sissa.

Kaytannossa vesimenekkikokeet tehdaan yleensa kayttaen vain kahta,

kolmea tai korkeintaan neljaa eri painearvoa. Siksi laminaarisen

ja turbulenttisen virtauksen, rakojen avautumisen ja tukkeutumisen

ja mittauslaitteiston tulppien vuotamisen vaikutusten tulkinta mit-

taustulosten perusteella on usein vaikeaa. Tamakin seikka puoltaa

mahdollisirnman pienten mittauspaineiden kayttoa.

3.2 Vesimenekkikokeen virhelahteet ja tuloksiin tehtavat

kor jaukset

Mittauslaittelston tulppien vuotaminen on luonnollinen virhelahde

vesimenekkikokeessa. Vuoto tapahtuu talloin suoraan tulpan ja

reian kenties epatasaiseksi jaaneen seinaman valista. Vesi voi

myos kiertaa takaisin reikaan hyvin lahelta tulppaa mittausreikaa

pituussuuntaisesti leikkaavien rakojen kautta. Naissa tapauksissa

syntyva virhe suurentaa vesimenekki- ja vedenjohtavuusarvoja.

Alemrnan m i t t a u s t u l p a n v u o t a m i s t a on v a i k e a h a v a i t a kokeen a i k a n a .

S i k s i y k s i t u l p p a m e n e t e l m a l l a s a a t u j a t u l o k s i a on t a r k o i s s a veden-

j o h t a v u u s m a a r i t y k s i s s a p i d e t t a v a pa rempina k u i n k a k s i t u l p p a m e n e t e l -

m a l l a s a a t u j a .

Y l e e n s a kallionrakennustarkoituksiin t e h d y i s s a v e s i m e n e k k i k o k e i s s a

m i t t a u s p a i n e m a a r i t e t a a n m a a n p i n n a l l e vesipumpun y h t e y t e e n a s e n n e -

t u l l a p a i n e m i t t a r i l l a . T a l l o i n maanpinnan a l l a t u t k i t t a v a s s a r e i a n

o s a s s a v a l l i t s e v a veden y l i p a i n e p o i k k e a a y l e e n s a m i t t a r i n o s o i t t a -

masta a r v o s t a . Poikkeama j o h t u u m i t t a u s l a i t t e i s t o n p u t k i s t o n ja l e t -

k u j e n v i r t a u s k i t k a s t a s e k a m i t t a r i n k o r k e u s t a s o n j a p o h j a v e d e n v a l i -

sesta k o r k e u s e r o s t a . Sen v a i k u t u s t a m i t t a u s t u l o k s i i n v o i d a a n p i e n e n -

t aa l a s k e n n o l l i s e s t i k o r j a a m a l l a ja v a l i t s e m a l l a s o p i v a m i t t a u s t a p a .

M i t t a u s l a i t t e i s t o n p u t k i s t o n j a l e t k u j e n k i t k a v a s t u k s e l l a on k a i r a u s -

r e i a n v e d e n p a i n e t t a p i e n e n t a v a v a i k u t u s . Maan p a a l l a s i j a i t s e v a

p a i n e m i t t a r i n a y t t a a s i i s p u t k i s t o n t o i s e s s a p a a s s a v a l l i t s e v a a

t o d e l l i s t a p a i n e t t a suurempaa a r v o a . P a i n e e n a l eneman s u u r u u s

r i i p p u u p u t k i s t o n ja l e t k u j e n p i t u u d e s t a ja h a l k a i s i j a s t a , v i r t a u s -

o m i n a i s u u k s i s t a s e k a veden v i r t a u s n o p e u d e s t a l a i t t e i s t o s s a . K i t k a -

h 5 v i o on s u o r a a n v e r r a n n o l l i n e n v i r t a u s n o p e u d e n t o i s e e n p o t e n s s i i n .

P u t k i s t o n k i t k a v a s t u k s e n j o h d o s t a o v a t m i t a t u t v e s i m e n e k k i l u k e m a t

l i i a n p i e n i a . V i r h e v o i d a a n p e r i a a t t e e s s a k o r j a t a m a a n p a a l l a t e h -

t a v i l l a kalibrointimittauksilla, j o i s s a kahden p a i n e m i t t a r i n a v u l l a

m a a r i t e t a a n p a i n e h a v i o e r i v i r t a u s n o p e u k s i l l a . K a y t a n n o s s a t a l -

l a i s t a k o r j a u s t a e i j u u r i koskaan t e h d a . Sen s i j a a n k i t k a v i r h e

v o i d a a n minimoida k a y t t a m a l l a mahdollisirnrnan p i e n t a m i t t a u s p a i n e t t a

ja v i r t a u s n o p e u t t a . Samoin t a r k o i s s a m i t t a u k s i s s a v o i d a a n k a y t t a a

m i t t a l a i t e t t a , jonka p a i n e a n t u r i s i j a i t s e e p o r a n r e i a s s a ja mi t t aa

s u o r a a n m i t t a u s p i s t e e s s a v a l l i t s e v a a p a i n e t t a .

M i t t a u s p i s t e e s s a v a l l i t s e e t o i s a a l t a y l i p a i n e , j o k a on m i t t a u s p i s -

t e e n k o k o n a i s p a i n e e n ja ymparoivan p o h j a v e d e n p a i n e e n e r o t u s . S i t e n

p a i n e r i t t a r i n ja p o h j a v e d e n p i n n a n v a l i n e n k o r k e u s e r o s u u r e n t a a y l i -

p a i n e t t a , j a s a a t a v a t v e s i m e n e k k i l u k e m a t o v a t s i k s i l i i a n s u u r i a .

V i r h e on s u h t e e l l i s e s t i s i ta suurempi m i t a p i e n e m p i a m i t t a u s p a i -

n e i t a k a y t e t a a n . Se o n k u i t e n k i n l a s k e n n o l l i s e s t i h e l p o s t i k o r j a t -

t a v i s s a , m i k a l i p o h j a v e d e n p i n n a n syvyys m i t t a u s r e i a s s a t u n n e t a a n .

Mittauspisteessa vallitseva todellinenveden Ylipaine saadaan lisaa-

malla maanpinnalla sijaitsevan mittarin osoittamaan arvoon mittaus-

syvyytta vastaavan vesipatsaan paine ja vahentamalla tasta pohjave-

den paine mittaussyvyydella seka kitkahavio (kuva 4):

missa H on todellinen ylipaine (m) , 0 h on mittarin osoittama paine (m),

h, on mittaussyvyys (m) , hv on pohjaveden pinnan syvyys (m),

hk on kitkavastuksen aiheuttama painehavio (m) .

poh iavedenp in ta I 1 1 1 1 \

Kuva 4. Vesimenekkikokeen mittauspaineeseen vaikuttavat tekijat.

Kaikilla esitetyilla vesimenekkikokeen virhelahteilla ja niista

aiheutuvilla korjauksilla on merkitysta vain tarkoissa vedenjohta-

vuusmaarityksissa.

4. VEDENJOHTAWUSKERTOIMEN WRITT~~MINEN

VES IMENEKKIKOKEEN AVULLA

4.1 Lahtokohdat

Kallionrakennukseen liittyvissa tutkimuksissa kaytetaan vesimenekki-

koetta vain karkeaan kallion tiiviyden ja tiivistystarpeen arvioin-

tiin. Huolellisesti tehdyilla mittauksilla voidaan kallion veden-

johtavuusominaisuuksia kuitenkin tutkia myos tarkemmin. Itse

asiassa vesimenekkimittaukset ovat ehka paras vedenjohtavuuskertoi-

men in situ -maarityksiin kaytettavissa oleva keino.

Vesimenekkikokeessa syntyy tutkittavan reian osan ymparille virtaus-

kentta ja painekentta, jossa veden paine on ympariston painetta kor-

keampi. Edetessaan reiasta poispain vesivirtaus leviaa sateittai-

sesti, jolloin virtausnopeus ja painegradientti pienenevat. Hyvin

kaukana mittausreiasta kumpikin kentta haviaa.

Jos reikaa ymparoivan virtauskentan muoto tunnetaan tai oletetaan

tunnetuksi, voidaan vedenjohtavuuskertoimen laskukaava johtaa inte-

groimalla virtauksen luonteesta riippuen Darcyn tai Missbachin

laista. Painekentan muotoa kuvaavat ekvipotentiaalipinnat eli pin-

nat, joilla vesimenekkikokeen aiheuttama ylipaine on vakio. Vesivir-

taus tapahtuu naita pintoja vastaan kohtisuorassa suunnassa.

Virtauskentan todellinen muoto on mahdsllista selvittaa vain, jos

tunnetaan tutkittavaa vyohyketta leikkaavienvetta johtavien rakojen

sijainti ja ominaisuudet. Talloin voidaan tutkia rakojen todelli-

sia vedenjohtavuusarvoja. Yleensa kuitenkin kalliomassa ole-

tetaan vedenjohtavuudeltaan homogeeniseksi ja isotrooppiseksi, jol-

loin virtauskentan muoto on intuitiivisesti ja laskennallisesti

paateltavissa.

Homogeenisessa ja isotrooppisessa kalliomassassa syntyy vesimenekki-

kokeessa mittausreian suhteen symmetrinen virtaus- ja painekentta

(kuva 5). Hyvin lahella mittausreikaa kentan ekvipotentiaalipin-

nat ovat talloin sylinterimaisia ja virtaus tapahtuu kohtisuoraan

reikaa vastaan (alue a kuvassa 5). Kauempana ekvipotentiaalipin-

nat muistuttavatmittausreikakeskeisi2 pyorahdysellipsoideja (alue b)

ja muuntuvat lopulta pallomaisiksi (alue c) .

Todellisessa heterogeenisessa ja anisotrooppisessa kalliomassassa,

jossa vesi virtaa ainoastaan rakoja pitkin, ovat ekvipotentiaali-

pinnat muodoltaan hyvin epasaannollisia ja monimutkaisia ja siksi

vaikeasti matemaattisesti kuvattavissa.

4.2 Moyen kaava

Seuraavassa johdetaan ehka yleisimmin vedenjohtavuuden maarittami-

seen kaytetty ns. Moyen kaava (Moye 1967). Se perustuu edella se-

lostettuun kallioperan homogeenisuus- ja isotrooppisuusoletukseen.

Edelleen vesivirtauksen oletetaan olevan laminaarinen ja noudatta-

van Darcyn lakia.

n a t

Kuva 5. Virtauskentan ekvipotentiaalipintojen muotoja eri etai- syyksilla mittausreiasta homogeenisessa ja isotrooppi- sessa valiaineessa.

Kaavaa johdettaessa kaytetaan seuraavia merkintoja:

ro on mittausreian sade (m) , Ho on veden ylipaine mittauspisteessa (m) , 1 on tutkittavan reianosan pituus (m) , Q on vesimenekki eli vesivirtaus mitattavasta

3 reian osasta ymparistoon (m ,/s),

k on valiaineen laminaarinen ns. ekvivalentti-

vedenjohtavuuskerroin (m/s),

r on kohtisuora etaisyys mittausreiasta,

h on veden ylipaine etaisyydella r mittausreiasta (m).

Kun veden virtaussuuntavalitaan positiiviseksi suunnaksi, merki-

taan painegradienttia valiaineessa -dh/dr. Darcyn lain mukaan

yhden yksikon suuruisen pinta-alan lapi aikayksikossa virtaava

vesimaara on -k-dh/dr (virtausnopeus = aika- ja pinta-alayksik-

koa kohti virtaava vesimaara).

Jos tutkittavan reian osan pituus 1 on suuri verrattuna tarkas-

teltavan pisteen etaisyyteen r, voidaan olettaa veden virtaavan

reikaa vastaan kohtisuorassa suunnassa ja painekentan ekvipoten-

tiaalipintojen olevan sylinterisymmetrisia.

Etaisyydella r mittausreiasta sijaitsevan sylinterimaisen ekvipo-

tentiaalipinnan lapi pinta-alayksikk6a kohti aikayksikossa virtaava

vesimaara on Q/27rl. Siten ylipaineen h ja etaisyyden r valille

saadaan riippuvuus

Kaukana mittausreiasta virtauskentta on pallosymmetrinen. Etai-

syydella r mittausreiasta sijaitsevan pallomaisen ekvipotentiaali-

pinnan lapi pinta-alayksikkoa kohti aikayksikossa virtaava vesi- 2 maara on Q/4llr . Siten kaukana mittausreiasta on ylipaineen h

ja etaisyyden r valilla riippuvuus:

= > d h = - - dr. 4 k7r2

Koska ylipaine haviaa hyvin kaukana mittausreiasta,saadaan lau-

seke edelleen muotoon

Olettamalla, etta jollain etaisyydella r' virtauskentta muuttuu

sylinterisymmetrisesta pallosymmetriseksi, voidaan edella johde-

tut lausekkeet 2 ja 3 yhdistaa sijoittamalla jalkimmainen edelli-

seen. Talloin saadaan

Valitsemalla etaisyydelle r' arvo

saadaan Moyen kaava lopulliseen muotoonsa

Kaava ja sen johtamistapa perustuvat moniin oletuksiin ja yksin-

kertaistuksiin. Valiaineen homogeenisuus- ja isotrooppisuusoletuksen

takia kaava sopii hyvin esim. maalajien vedenjohtavuuden arvioin-

tiin, mutta kallioperatutkimuksissa silla voidaan maarittaa vain

ns. ekvivalenttivedenjohtavuuskerroin. Ta11a eraanlaisella keski-

maaraisella arvolla tarkoitetaan sita vedenjohtavuutta, joka olisi

homogeenisella ja isotrooppisella valiaineella, joka lapaisee vesi-

menekkikokeessa yhta paljon vetta kuin tutkittava kalliomassa.

~ y o s oletus, jonka mukaan virtauskentta muuttuu etaisyydella 1 / 2

sylinterisymrnetrisesta pallosymmetriseksi, on merkittava yksinker-

taistus ja vaikuttaa varmasti kaavan antamiin tuloksiin.

4.3 Muita kaavoja

Valiaineen homogeenisuus- ja isotrooppisuus- seka virtauksen lami-

naarisuusoletuksiin perustuen on johdettu joukko muitakin vedenjoh-

tavuuskertoimen laskukaavoja.

Kuvassa 6 on vertailtu naiden kaavojen samoista koetuloksista anta-

mia vedenjohtavuusarvoja. Kaavoja 5, 6 ja 7 johdettaessa virtaus-

kentan ekvipotentiaalipinnat on oletettu pyorahdysellipsoideiksi.

Kaava 8 on edella kasitelty Moyen kaava. Kaavaa 9 johdettaessa

virtauskentta on puolestaan oletettu kaikkialla sylinterisymmetri-

seksi ja sen samoin kuin painegradientin on oletettu haviavan etai-

syydella R mittausreiast?. .

Vertailusta havaitaan Moyen kaavan antavan muita suurempia veden-

johtavuusarvoja. Kuitenkin erot kaikkien tulosten valilla liene-

vat mitsttomia verrattuna kaavoja johdettaessa tehtyjen oletusten

aiheuttamiin virheisiin.

Jo esiteltyjen kaavojen kanssa anologisella tavalla voidaan johtaa

myos turbulenttisen ekvivalenttivedenlapaisevyyskertoimen laskukaa-

voja lahtien Missbachin laista. Naita ovat esitelleen rnm. Zeigler

(1976) ja Holopainen (1977) .

1 , l

" O - ' (5)[c]=)/2TIln(1/2r0+J;r(l/2r;jl] ( 8 ) [ ~ ] = [ 1 / 2 n . ( l + : n ( l / 2 r ~ ) ]

0,8 \,

0,7-

0,6

0,5-

K a l k k ~ yhta lo t Ovat muotoa k,=(0 /1 H,)[c]

0,1-

0 I I I

0 20 40 60 90 100 120 140 160 180 200 220 24 I / r e

Kuva 6. Eri laskentakaavoilla samoista vesimenekkikoetuloksista saatavien vedenjohtavuusarvojen vertailu. Kaava 9 on muotoa

5 VEDENJOHTAVUUDEN VAIHTELU ERI KIVILAJEISSA

JA SYVYYDEN FUNKTIOINA

5.1 Yleista

Kallioperan vedenjohtavuus riippuu ratkaisevasti rakoilun maarasta

ja tyypista. Siksi on luonnollista olettaa, etta eri kivilajeilla,

joilla on yleensa erilainen rakoilusysteemi ja erilaiset lujuus-

ominaisuudet myos vedenjohtavuudet poikkeavat toisistaan. Samoin

on helppo olettaa, etta syvemrnalla kallioperassa vedenjohtavuus

pienenee paineen tiivistaessa rakoja. Seuraavassa on kokeellisesti

tutkittu naiden oletusten oikeellisuutta.

Vedenjohtavuuden vaihtelua on tutkittu analysoimalla muutamista

erityyppisilla kivilajialueilla sijaitsevista kallionrakennuskoh-

teista peraisin olevia vesimenekkikoetietoja. Nama on muunnettu

vedenjohtavuuskertoimen arvoiksi, minka jalkeen yksinkertaisella

tilastollisella kasittelylla on tutkittu eri kivilajityyppien ve-

denjohtavuutta seka vedenjohtavuuden ja syvyyden valista riippu-

vuutta.

5.2 Kallionrakennustutkimusten yhteydessa tehtyjen

vesimenekkikokeiden tulosten kaytt6kelpoisuudesta

vedenjohtavuusmaarityksissa

Kallion rakennettavuutta tutkittaessa ei kairauksia ja vesimenekki-

kokeita tehda vartavasten vedenjohtavuusominaisuuksien selvittami-

seksi. Siksi naista tutkimuksista kertyvassa tietomateriaalissa

on eraita puutteita ja ominaisuuksia, jotka on tunnettava siihen

perustuvia vedenjohtavuustuloksia tulkittaessa ja kriittisesti tar-

kasteltaessa. Seuraavassa esitetaan lahes lu~ttelonomaisesti naita

kallionrakennustutkimustulosten kayttokelpoisuuteen vaikuttavia te-

ki joita.