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Das Projekt «Auflockerungszone (Excavation Disturbed Zone EDZ)» wurde im Felslabor Grimsel (FLG) im Rahmen des Nahfeldprogramms der Untersuchungen der Phase IV durchgeführt (1994 – 1996). Es befasst sich mit der Untersuchung der hydraulischen Bedingungen des Nahbereichs in gebohrten Stollenabschnitten unter vollständig gesättigten Bedingungen mit dem Ziel, Methoden für die Messung und Modellierung des axialen Wasserflusses entlang von Stollen und Kavernen zu entwickeln. Die Studien konzentrieren sich auf die felsmechanischen und hydraulischen Eigenschaften des Gebirges in der direkten Umgebung der Stollenwand. Die sogenannte «Excavation Disturbed Zone (EDZ)» bzw. Auflockerungszone wird definiert als Stollenbereich, in dem die Gesteinseigenschaften durch den Stollenausbruch verändert wurden.
Dieser Bericht gibt einen Überblick über die Ergebnisse, die während des EDZ Experiments erhoben wurden. Als Versuchsstandort wurde ein Stollenabschnitt im Wärmeteststollen ausgewählt, an dem bereits eine mechanische Beanspruchung des Gesteins und einige Ausbrüche aus der Stollenwand sichtbar sind. Die detaillierte geologische Stollenaufnahme bestätigte die Auswahl und lieferte zugleich die Grundlagen für den genauen Versuchsstandort mit den entsprechenden Kurzbohrungen.
Im Rahmen der Standortvorbereitungen wurden In-situ-Spannungsmessungen mit einer sogenannten Bohrloch-Schlitzsonde durchgeführt, um die durch den Stollenausbruch verursachten Spannungsumlagerungen im Stollennahbereich zu ermitteln. Diese Daten gingen in felsmechanische Designberechnungen zur Versuchsauslegung ein. Im Stollennahbereich konnten eine geringfügige Spannungserhöhung und Mikrorisse festgestellt werden, die auf eine plastische Zone schliessen lassen.
Die Spannungsmessungen und die Ergebnisse der geologischen Kartierung bildeten die Grundlage für die felsmechanische Modellierung der EDZ. Das Ziel dieser Modellierung war es, Informationen über die Ausbildung und Geometrie der EDZ zu erhalten (Verständnis des primären und sekundären Spannungsfelds). Hierfür wurden zwei verschiedene Modelle verwendet:
- Die regionale 3D-Spannungsfeldmodellierung ergab, dass lediglich die Topographie einen bedeutenden Einfluss auf das primäre Spannungsfeld ausübt, und nicht die vorhandenen Diskontinuitäten bzw. Störungssysteme, die in das Blockmodell integriert wurden. Durch Anwendung einer zusätzlichen tektonischen Spannungskomponente im Fernfeld des Stollens wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen und den berechneten Spannungen im FLG erzielt.
- Mit der lokalen numerischen 2D-Modellierung der Auflockerungszone im eigentlichen Versuchsstollen wurden die Spannungsumlagerungen, mögliche plastische Verformungen und das Trennflächenverhalten (Öffnen, Schliessen und Scherung von Klüften) untersucht. Die Anfangs- und Randbedingungen stammten dabei aus dem 3D-Modell. Alle Versetzungen der Gesteinsmatrix und die Scherversetzungen der Trennflächen scheinen ausschliesslich durch den Stollenausbruch verursacht zu sein. Das Versetzungsmuster und das felsmechanische Verhalten sind stark durch die vorhandenen Diskontinuitäten beeinflusst. Zudem sind die zeitweisen plastischen Verformungen und die nachfolgenden Spannungsumlagerungen eng mit diesen Diskontinuitäten verbunden (das Material kommt in den elastischen Bereich zurück). Bei den verschiedenen Modellfällen treten maximale Scherverformungen von 2 – 5 mm im Stollennahbereich auf. Die grössten Konvergenzbewegungen (Bewegung nach innen) von bis zu 10 mm treten an der östlichen Stollenwand auf.
Vor der eigentlichen Testphase wurde der Versuchsstandort von der Stollenventilation durch zusätzliche Trennwände abgekoppelt, um eine vollständige Wassersättigung des Gebirges und somit Einphasenbedingungen herbeizuführen. Dabei wurde der Sättigungsgrad laufend durch Evaporationsmessungen kontrolliert. Danach wurde die Felsoberfläche mit einem Harz versiegelt, um definierte Versuchsbedingungen für die hydraulischen Tests zu schaffen und Kurzschlüsse mit direkten Ausflüssen von der Stollenwand in den Stollen während des Injektionstests zu vermeiden. Die EDZ wurde anschliessend durch vier gekernte radial angeordnete Kurzbohrungen (EDZ95.001 bis EDZ95.004), die senkrecht zur Stollenachse ausgerichtet sind, untersucht. Zur Optimierung der hydraulischen Tests hinsichtlich der Testkonfiguration und –durchführung wurden in diesen Bohrungen vorgängig hydraulische Designberechnungen mit zwei verschiedenen Modellansätzen durchgeführt und die EDZ zum einen als Äquivalentes Poröses Medium (Equivalent Porous Medium EPM) und zum anderen als Kluftnetzwerk ('Discrete Fracture Network DFN') modelliert.
Für die Durchführung der hydraulischen Tests wurde ein modulares Minipackersystem (MMPS) entwickelt, mit dem es möglich ist, die unterschiedlichsten Testkonfigurationen in einem Bohrloch mit einem kleinen Durchmesser von nur 50 mm zu realisieren.
Die hydraulischen Tests umfassten ein Reihe von Pulse Tests, Constant Head Tests, Constant Rate Tests und Pressure Recovery Tests in verschiedenen Bohrlochintervallen, um einen Überblick über die Verteilung der hydraulischen Eigenschaften im Stollennahbereich zu ermöglichen. Von den 18 getesteten Intervallen ergaben 14 hydraulische Durchlässigkeiten zwischen 3 × 10-12 und 3 × 10-11 m/s. Basierend auf diesen Testergebnissen wurden vier Intervalle mit etwas höherer Durchlässigkeit (3 × 10-7 m/s bis 4 × 10-10 m/s) zur genaueren Charakterisierung ausgewählt. Die erhöhte hydraulische Durchlässigkeit dieser vier Intervalle scheint auf eine Struktur unabhängig von der EDZ zurückzuführen zu sein (z. B. bestehende Kluftzone). Insgesamt zeigen die hydraulischen Testdaten im Abstand von mehr als 2 m von der Stollenwand eine Zone mit relativ konstanter Durchlässigkeit von 2 × 10-12 – 3 × 10-12 m/s und innerhalb 1 m von der Stollenwand eine Zone mit einer Durchlässigkeit von ≥ 8 × 10-12 m/s (höher als die erwartete Matrixdurchlässigkeit aller Zonen). Dies weist auf die Gegenwart einer Auflockerungszone um den Stollen hin. Aufgrund der felsmechanischen Modellierung ist die Form der EDZ wahrscheinlich elliptisch, dies konnte allerdings mangels ausreichender Anzahl getesteter Bohrungen nicht durch die Resultate der hydraulischen Tests bestätigt werden.
Während der Hydrotests (Single Hole) wurden akustische Emissionen in zwei separaten Bohrungen (EDZ95.005 und EDZ95.006) aufgezeichnet, um den Versuchsstandort insbesondere während der hydraulischen Tests zu überwachen. Diese Messungen ergaben, dass keine neuen Klüfte durch die am Versuchsstandort durchgeführten hydraulischen Tests erzeugt wurden.
Im Anschluss an die aktive Testphase blieb das Testsystem eingebaut, um die Erholung und Entwicklung der Druckhöhenverteilung über eine längere Zeitdauer kontrollieren zu können.
Im vorliegenden Bericht wurde eine Methode zur Abschätzung des radialen Flusses im Nahbereich von versiegelten Stollen und Kavernen nach deren Wiederaufsättigung entwickelt. Basierend auf den Kluftnetzwerkmodellen, die für die Designberechnungen und die Charakterisierung der EDZ benutzt wurden, konnte ein (revidiertes) konzeptuelles Modell der EDZ erstellt werden. Die Effekte von Spannungs- und Porendruckänderungen, die nach der Charakterisierung der sogenannten Bruchzone 'damaged zone' bei der Versiegelung und Wiederaufsättigung der Kaverne auftraten, wurden dabei ebenfalls berücksichtigt. Die Ergebnisse der Modellierung des Flusses durch die EDZ nach Verschluss der Kaverne lassen auf Grenzwerte für die effektive axiale Durchlässigkeit (nach Verschluss) zwischen 3 × 10-11 und ca. 6 × 10-8 m/s schliessen. Dabei repräsentiert der höhere Wert eine Situation mit hoch durchlässigen Elementen in der Bruchzone, die ausgeprägt und gut untereinander verbunden sind und der niedrigere Wert eine Situation mit dominierender kleinmassstäblicher Klüftung in der Bruchzone. Allerdings wird die effektive axiale Durchlässigkeit des Gebirges im Stollennahbereich des FLG durch das Ausmass und den Verbindungsgrad der hoch transmissiven Elemente innerhalb der Bruchzone kontrolliert.
Generell konnten die experimentellen Ziele erreicht werden. Die entwickelte Methode und das Equipment sind geeignet, um die hydraulischen Eigenschaften der EDZ zu bestimmen.