slug-testit tampereen sorilassa 22. - …tupa.gtk.fi/raportti/arkisto/p32_4_2010_2.pdfstandard test...

ETELÄ-SUOMEN YKSIKKÖ MAANKÄYTTÖ JA YMPÄRISTÖ P32.4/2010/2 13.1.2010 Espoo

SLUG-TESTIT TAMPEREEN SORILASSA 22. - 23.9.2009 JA ESPOON KULMAKORVESSA 28.9. - 1.10.2009

ARTO PULLINEN

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI

Päivämäärä / Dnro 13.1.2010

Raportin laji

P32.4/2010/2 Tekijät

Arto Pullinen

Toimeksiantaja

RAKI-projekti

Raportin nimi

SLUG-TESTIT TAMPEREEN SORILASSA 22.-23.9.2009 JA ESPOON KULMAKORVESSA 28.9.-1.10.2009

Tiivistelmä

RAKI-hankkeessa valittiin kaksi tutkimusaluetta kalliokiviainesten ottoalueilta ja läheisyydestä kallioperän pintaosan vedenjohtavuusmittauksiin. Tampereen Sorilassa Rudus Oy:n murskealueelta valittiin kaksi pora-reikää, joihin oli asennettu yläosaan muovinen halkaisijaltaan 50 mm pohjavesiputki. Espoon Kulmakorvessa Rudus Oy:n murskauslouhoksen reunalta valittiin neljä reikää, joista kolme oli porattu suoraan kalliopaljas-tumaan ja yhdessä oli kallion yläpuolisessa osassa metallinen suojaputki. Slug-testeissä rei’issä aiheutettiin lyhytaikainen vedenpinnan muutos, jonka palautumista normaalitilaan seurattiin paineanturilla. Anturin datas-ta laskettiin Bouwer & Rice-yhtälöllä kunkin reiän välittömän ympäristön hydraulinen johtavuus. Mitatut ve-denjohtavuudet kuvaavat varsin ehjää kallioperää. Reikien Sorila Pv-1 ja Kulmakorpi 503 testejä saattoi häiri-tä maa- ja kallioperän rajapinnasta reikiin virrannut vajovesi.

Asiasanat (kohde, menetelmät jne.)

Tampere, Espoo, kalliokiviaines, pohjavesi, Slug-testi, vedenjohtavuus

Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä)

Pirkanmaa, Tampere, Sorila; Uusimaa, Espoo, Kulmakorpi

Karttalehdet

2032 10, 2124 12

Muut tiedot

Arkistosarjan nimi

Arkistotunnus

Kokonaissivumäärä

22 Kieli

Suomi Hinta

Julkisuus

Yksikkö ja vastuualue

ESY 212 Hanketunnus

4123000

Allekirjoitus/nimen selvennys

Arto Pullinen Allekirjoitus/nimen selvennys

Petri Lintinen

Sisällysluettelo

1. Johdanto………………………………………………………….1

2. Slug-testit………………………………………………………...1

3. Testien tulokset…………………………………………………..2

3.1. Tampere……………………………………………………2

3.1.1. Sorila Pv1………………………………………………3

3.1.2. Sorila Pv2………………………………………………4

3.2. Espoo……………………………………………………….5

3.2.1. E639…………………………………………………….5

3.2.2. E640…………………………………………………….6

3.2.3. E641…………………………………………………….6

3.2.4. E503…………………………………………………….8

4. Tulosten tarkastelu……………………………………………….9

5. Lähdeluettelo…………………………………………………….10

Liitteet……………………………………………………………….11

1

1. JOHDANTO

RAKI-hankkeessa valittiin kaksi tutkimusaluetta kalliokiviainesten ottoalueilta ja läheisyy-destä kallioperän pintaosan vedenjohtavuusmittauksiin. Tampereen Sorilassa Rudus Oy:n murskealueelta valittiin kaksi 63 mm porareikää, joihin oli asennettu yläosaan muovinen halkaisijaltaan 50 mm pohjavesiputki. Espoon Kulmakorvessa Rudus oy:n murskauslouhok-sen reunalta valittiin neljä 63 mm reikää, joista kolme oli porattu suoraan kalliopaljastumaan ja yhdessä oli kallion yläpuolisessa osassa metallinen suojaputki. Porarei’issä tehtiin slug-testit reiän välittömän ympäristön vedenjohtavuuden laskemiseksi. Tampereella testit tehtiin 22.-23.9.2009 ja Espoon Kulmakorvessa 28.9.-1.10.2009. Vedenjohtavuuskerroin (K, [pituus/aika]) on väliaineen läpi menevän veden virtausvastusta kuvaava suure, joka riippuu huokoisen väliaineen ja veden ominaisuuksista. Rakoilleessa kalliossa slug-testin perusteella laskettu vedenjohtavuuskerroin edustaa reiän ympäristön ki-vimassan keskimääräistä vedenjohtavuutta. Taulukko 1. Testeissä käytettyjen porareikien mittasuhteet.

Kohde Reikä Kokonais- Vedenpinta Vedenpinta syvyys maanpinnasta putken päästä

Tampere, Sorila Pv1 17.72 m 1.11 m (22.9.09) 1.61 m (22.9.09)

Tampere, Sorila Pv2 13.14 m 3.42 m (22.9.09) 4.92 m (22.9.09)

Espoo, Kulmakorpi 639 22.76 m 3.13 m (28.9.09)



Espoo, Kulmakorpi 503 22.72 m 1.35 m (29.9.09) 2.40 m (29.9.09)

2. SLUG-TESTIT

Slug-testit ovat lyhytaikaisia hydraulisia testejä, joissa hydraulisessa yhteydessä ympäröivään maa- tai kallioperään olevassa pohjavesi-putkessa tai kallioreiässä aiheutetaan hetkellinen ja nopea vedenpinnan muutos. Vedenpinnan palautumista normaalitasoonsa seurataan putkeen tai reikään asennetulla ohjelmoitavalla paineanturilla. Anturi mittaa hydrostaattista painetta, joka näissä testeissä kuvaa suoraan anturin yläpuolella olevan vesipatjan paksuutta. Testeissä käytettiin Schlumberger Mini-Diver antureita. Paineanturien ohjelmointiin käytettiin Log-gerDataManager-ohjelmaa.

2

Slug-testeissä nopea pohjavedenpinnan muutos voidaan aiheuttaa usealla eri tavalla. Slug-tankomenetelmässä reikään pudotetaan tanko, jolloin vedenpinnan tasossa syntyy tangon ti-lavuuden kokoinen muutos. Muutos on kaksisuuntainen. Tankoa laskiessa vedenpinta nousee ja pois vedettäessä vedenpinta laskee normaalitasostaan. Bailer-menetelmässä käytetään noudinta, joka täyttyy sitä laskettaessa. Noudinta pois nostettaessa vedenpinta laskee nouti-men tilavuuden verran. Tämä menetelmä soveltuu paremmin kallioreikiin johtuen kalliope-rän pienestä vedenjohtavuudesta. Tällöin vältetään mm. vedenpinnan nousu, joka umpitan-koa laskettaessa syntyy. Kenttätestauksissa tehdyt toimenpiteet vastaavat ASTM standardia D4044. Testien tuloksista vedenjohtavuus laskettiin AquiferTest 4.0 Pro-ohjelmalla käyttäen Bouwer & Rice yhtälöä. Se on yleisesti käytetty yhtälö vapaa-paineisiin pohjavesisysteemeihin, joka ottaa huomioon myös rajoittamattomat akfiverit. Seuraavassa on esitetty Bouwer & Ricen slug-testeihin kehittämä matemaattinen yhtälö ve-denjohtavuuden laskemiseksi. K= r2(Rcont/R) · 1 · ln (h0/ht) 2L t K = hydraulinen johtavuus l. vedenjohtavuus r = reiän säde R = säde reiän keskilinjasta häiriintymättömään maa-ainekseen Rcont = hydraulisen painehäirön vaikutussäde L= siiviläosan pituus ht = vedenpinnan taso reiässä hetkellä t h0 = vedenpinnan taso reiässä hetkellä t0, lähtötilanne Hydraulisen painehäiriön vaikutussäde (Rcont) lasketaan Bouwer & Rice menetelmässä testat-tavan siivilä- tai reikäosuuden funktiona. AquiferTest ohjelmassa Bouwer & Rice-laskenta määräytyy myös sen mukaan läpäiseekö testattava reikä pohjavesikerroksen vai ei (fully pe-netrated or partially penetrated). Kalliorakosysteemeissä vesi virtaa kallioraoissa ja reikään vesi virtaa vain raoista joita reikä leikkaa joten systeemin voi määrittää olevan läpäisevä (ful-ly penetrated). Kallionrakosysteemissä häiriön vaikutussäteen voi olettaa olevan laajempi kuin täysin huokoisessa maa-ainessysteemissä.

3. TESTIT

3.1 Tampere, Sorila

Ruduksen murskealueella on kaksi porareikää, joihin on asennettu muoviset pohjavesiputket reiän yläpäähän. Reiässä Pv1 on maapeitettä 1-2 metriä kallion päällä ja on mahdollista että maan ja kallion rajapinnassa mahdollisesti virtaavaa vajovettä pääsee porareikään. Tähän viittaa reiässä tehdyssä slug-testissä pohjavedenpinnan palautumisen nopea alkuosa. Reikä

3

Pv2 on porattu suoraan kalliopaljastumaan. Siinä testi osoittaa vahvasti reiässä olevan veden tulevan kalliorakosysteemeistä.

3.1.1 Reikä Pv1

Ensimmäiset testiyritykset epäonnistuivat, kun käytetty letkunäytteenotin tarttui kiinni. On-nistunut testi tehtiin 22.9. muovisella 1,1 litran noutimella, jolla otettiin 5 kertaa vettä pois reiästä. Paineanturi asennettiin 7 m syvyyteen. Mittaus alkoi klo 16:50, jolloin vedenpinnan-taso oli 1,61 m putken päästä ja päättyi 23.9. klo 9:30. Alenema oli 2,3 metriä ja palautui normaali-tasoonsa 4,5 tunnissa. Bouwer & Rice-yhtälöllä laskettu vedenjohtavuus oli K= 1,6 x 10-8 m/s. Palautuminen oli nopeaa ensimmäisen metrin matkalla, joka selittyy kallion pin-nalla mahdollisesti virtaavan vajoveden valumisesta reikään.

Kuva 1. Reikä Pv1

4

3.1.2 Reikä Pv2

Testissä otettiin 22.9. noutimella vettä kaksi kertaa eli noin 2,2 litraa, joka vastaa noin 1 metrin alenemaa porareiässä. Anturi asennettiin 8 m syvyyteen. Mittaus alkoi 22.9. klo 12:00 ja päättyi 23.9. klo 10, jolloin vedenpinnan taso oli 5,05 m putken päästä eikä se ollut vielä palautunut läh-tötasoonsa 4,92 m putken päästä. Palautumiskäyrästä Bouwer & Rice yhtälöllä laskettu veden-johtavuus oli K= 1,6 x 10-9 m/s. Palautuminen oli hyvin tasaista ja hidasta.

Kuva 2. Reikä Pv2

5

3.2 Espoo, Kulmakorpi

Kulmakorvessa on porattu neljä reikää pohjois-etelä suuntaiseen linjaan murskelouhoksen itä-puolelle. Reiät 639, 640 ja 641 on porattu suoraan kalliopaljastumaan. Reikä 641 on alle 10 met-riä luohoksen reunasta, mikä näkyy reiän vedenpinnan tasossa. Reiän välittömän ympäristön kal-lionraoissa olevan veden valuminen louhosalueelle näkyy louhoksen seinämässä (kuva x). Ete-läisimpään reikään 503 on asennettu suojaputki kalliopintaan asti. Reiän ympäristö on soista ja sitä kuivatetaan. Lähin oja on vain viiden metrin päässä reiästä. Testissä maa- ja kallioperän ra-japinnasta saattoi valua vettä reikään. Selkeästi testin palautumiskäyrä ei sitä kuitenkaan osoita.

3.2.1 Reikä E639

Veden pinta oli ennen testiä 3,25 m reiän suusta. Paineanturi asennettiin 8,3 m syvyyteen. Vettä otettiin ottimella 10 kertaa, jolloin veden pinta laski 7 metriin. Testimittaus alkoi 28.9. klo 12.00 ja päättyi 1.10. klo 10.00, jolloin veden pinta oli 4,38 m:ssä. Palautumiskäyrästä Bouwer & Rice yhtälöllä laskettu vedenjohtavuus oli K= 8,5 x 10-10 m/s.

Kuva 3. Reikä E639

6

3.2.2 Reikä E640

Vedenpinta oli ennen testiä 2,84 m reiän suusta. Paineanturi asennettiin 12 m syvyyteen. Vettä otettiin noutimella 10-15 kertaa niin, että veden pinta laski 4,5 m. Mittaus alkoi 28.9. klo 13:05 ja päättyi 1.10. klo 10:30, jolloin veden pinta oli 3,46 m reiän suusta. Palautumiskäyrästä Bou-wer & Rice yhtälöllä laskettu vedenjohtavuus oli K= 1,3 x 10-9 m/s.

Kuva 4. Reikä E640

3.2.3 Reikä E641

Vedenpinta oli ennen testiä 8,84 m reiän suusta. Paineanturi asennettiin 14 m syvyyteen. Vettä otettiin noutimella niin, että vedenpinta laski 11,50 m. Mittaus alkoi 29.9. klo 12:40 ja päättyi 1.10. klo 10:45, jolloin vedenpinta oli 8,90 m reiän suulta. Palautumiskäyrästä Bouwer & Rice yhtälöllä laskettu vedenjohtavuus oli K= 5,5 x 10-9 m/s.

7

Kuva 5. Louhoksen seinämä reiän E641 vieressä.

Kuva 6. Reikä E641

8

3.2.4 Reikä E503

Vedenpinta ennen testiä oli 2,40 m suojaputken päästä. Paineanturi asennettiin 11 m syvyyteen putken päästä. Vettä otettiin noutimella niin, että vedenpinta laski 4,5 m. Mittaus alkoi 29.9. klo 15:30 ja päättyi 1.10. 11:40. Vedenpinta palautui kuitenkin normaalitasoonsa jo 22 tunnissa. Pa-lautumiskäyrästä Bouwer & Rice yhtälöllä laskettu vedenjohtavuus oli K= 1,8 x 10-8 m/s.

Kuva 7. Reikä E503

9

Taulukko 2. Pohjaveden kyllästämät osuudet porarei’issä ja mitatut vedenjohtavuudet

Reikä Pohjaveden Hydraulinen pinnan ala- johtavuus puolinen osa K = m/s

Sorila pv1 16,6 m 1,6 x 10-8

Sorila pv2 9,7 m 1,6 x 10-9

Kulmakorpi 639 19,6 m 8,5 x 10-10

Kulmakorpi 640 20,2 m 1,3 x 10-9

Kulmakorpi 641 14,3 m 5,5 x 10-9

Kulmakorpi 503 21,4 m 1,8 x 10-8

4. Tulosten tarkastelu

Tampereen Sorilassa porareiän Pv1 mitattu veden johtavuus oli kymmenkertainen reiän Pv2 ve-den johtavuuteen verrattuna ja kuvaisi reiän Pv2:ta rikkonaisempaa kallioperää. Testiä saattoi kuitenkin häiritä maa- ja kallioperän rajapinnasta testin aiheuttaman häiriön aikana virrannut va-jovesi, jolloin itse kallioreiän veden johtavuus tulisi liian suureksi. Porareiän Pv2 mitattu veden johtavuus on jo paremmin ehjälle kallioperälle määritetyn veden johtavuuden tasoa.

Espoon Kulmakorvessa reikien 639 ja 640 mitatut vedenjohtavuudet ovat varsin ehjän kalliope-rän vedenjohtavuuksia. Reiän 641 hiukan suurempi johtavuus voi myös selittyä louhoksen sei-nämän läheisyydestä. Louhostoiminta on voinut rikkoa kallioperää seinämän ja reiän välissä eikä tällä välialueella kalliorakojen vesitilanne ole enää hydrostaattisessa tasapainotilanteessa. Rei-kään 503 asennettu suojaputken alapää ei todennäköisesti ole riittävän tiivis estämään soisen maaperän vajovettä virtaamasta reikään testin häiriötilanteessa. Tämä on saattanut vaikuttaa sii-hen että reiästä mitattu vedenjohtavuus on suurempi kuin reikien 639, 640 ja 641 veden johta-vuudet.

10

5. LÄHDELUETTELO

ASTM2002. Standard Test Method for (Field Procedure) for Instantaneous Change in Head (Slug) Tests for Determining Hydraulic Properties of Aquifers. ASTM D4044-96. American so-ciety for Testing and Materials.

Bouwer, H & Rice, R.C., 1976. A slug test method for determining hydraulic conductivity of un-confined aquifers with completely or partially penetrating wells, Water Resources Research,vol. 12, no. 3, pp. 423-428.

11

LIITTEET

Liite 1. Tampereen Sorilan tutkimusalueen kartta

Liite 2. Espoon Kulmakorven tutkimusalueen kartta

Karttatulosteet © GTK. Pohjakartat © Maanmittauslaitos, lupa nro 13/MML/10 ja Logica Suomi Oy

Liite 3. Porareiän Pv1 slug-testituloste

Liite 4. Porareiän Pv2 slug-testituloste

Liite 5. Porareiän E639 slug-testituloste




!(

!(

Pv-2

Pv-1

LIITE 1

!(

!(

!(

!(

503

641

640

639

LIITE 2

Slug Test Analysis Report

Project: RAKI-09

Number:

Client:

Geologian tutkimuskeskus

Betonimiehenkuja 4

02150 ESPOO

Location: Espoo, Tampere Slug Test: Sorila, Rudus pv1 Test Well: Rudus-Pv1

Test conducted by: AP/GTK Test date: 23.9.2009

Analysis performed by: AP Bouwer&Rice Date: 21.10.2009

Aquifer Thickness: 18.00 m

0 4000 8000 12000 16000 20000

Time [s]

1E-1

1E0

1E1

h/h0

Calculation after Bouwer && Rice

Observation well K

[m/s]

Rudus-Pv1 1.57 × 10-8

LIITE 3.


Project: RAKI-09

Number:

Client:


Betonimiehenkuja 4

02150 ESPOO

Location: Espoo, Tampere Slug Test: Sorila, Rudus pv2 Test Well: Rudus-Pv2


Analysis performed by: AP Bouwer & Rice Date: 26.10.2009


0 20000 40000 60000 80000 100000

Time [s]

1E-1

1E0

h/h0


Observation well K

[m/s]

Rudus-Pv2 1.61 × 10-9

LIITE 4.


Project: RAKI-09

Number:

Client:


Betonimiehenkuja 4

02150 ESPOO

Location: Espoo, Tampere Slug Test: Kulmakorpi, Rudus 639 Test Well: Espoo639


Analysis performed by: AP Bouwer & Rice Date: 26.10.2009


0 60000 120000 180000 240000 300000

Time [s]

1E-1

1E0

1E1

h/h0


Observation well K

[m/s]

Espoo639 8.49 × 10-10

LIITE 5.


Project: RAKI-09

Number:

Client:


Betonimiehenkuja 4

02150 ESPOO





0 40000 80000 120000 160000 200000

Time [s]

1E-2

1E-1

1E0

1E1

h/h0


Observation well K

[m/s]

Espoo640 1.33 × 10-9

LIITE 6.


Project: RAKI-09

Number:

Client:


Betonimiehenkuja 4

02150 ESPOO





0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

Time [s]

1E-31

1E-21

1E-11

1E01

1E11

h/h0


Observation well K

[m/s]

Espoo641 5.45 × 10-9

LIITE 7.


Project: RAKI-09

Number:

Client:


Betonimiehenkuja 4

02150 ESPOO





0.0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Time [s] [s]

1E-4

1E-3

1E-2

1E-1

1E0

1E1

h/h0

Espoo503


Observation well K

[m/s]

Espoo503 1.80 × 10-8

LIITE 8.

slug-testit tampereen sorilassa 22. - …tupa.gtk.fi/raportti/arkisto/p32_4_2010_2.pdfstandard test...

Documents