Structural design concept for pressure shafts of hydro plants using the passive resistance of the rock mass / Bemessungskonzept für Druckschächte bei Nutzung des passiven Gebirgswiderstands

The proposed method can be seen as an adaption of the “Seeber” concept considering developments in geomechanics, calculation methods and steel technology over the last decades. When exposed to inner pressure, the cracking condition is transgressed and steel linings will not protect the rock mass against cracking. Accordingly, the post-failure behaviour of the rock mass is an essential basis for structural design. The effects of crack water pressure on radial displacements and the width of gaps are considered. The resistant behaviour of the rock mass is determined by its minor primary principal stress. Under mountain ridges and slopes, there is no correlation between the minor stresses and the height of overburden. Obviously damage cases in concrete lined tunnels are the result of inappropriate assessment of principal stresses. A better approach is proposed based on fundamental considerations and FE calculations. Crack water pressure close to the level of the minimal principal stress will induce progressive hydraulic fracturing in the rock mass, which requires safe waterproofing sealing of the shaft. Grouting the coaxial gap in rock mass is a firm part of any design concept. In shafts sealed by membranes, the capability to bridge fissures must be proved by tests. In steel lined shafts, the usable passive resistance of rock mass is determined by the acceptable radial displacement.
Die Betrachtung des Verbundverhaltens Felsmantel-Auskleidung kann als Erweiterung des Seeber-Verfahrens durch Berücksichtigung der Entwicklungen in den letzten Jahrzehnten von Geomechanik, Berechnungsverfahren und Stählen aufgefasst werden. Bei Innendruckbelastung entstehen Radialrisse an der Laibung, sobald dort die wirksame Tangentialspannung unter Null fällt. Nach Überschreiten der Anrissbedingung können Panzerungen Radialrisse im Felsmantel und Rissweiten an der Laibung nicht verhindern. Das Post-Failure-Verhalten des Felsmantels ist wesentlicher Bestandteil des Bemessungsverfahrens. Die Wirkung des Kluftwasserdrucks auf Radialverschiebung der Laibung und Rissweite wird berücksichtigt. Die Primärspannung des Gebirges bzw. dessen im betrachteten Querschnitt kleinere Hauptnormalspannung bestimmen das Tragverhalten des Felsmantels. In Kamm- und Hanglagen besteht kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen Überlagerungshöhe und der kleineren Hauptnormalspannung. Mit grundsätzlichen Überlegungen und Ergebnissen von FE-Parameterstudien wird ein Zugang zur Abschätzung der Gebirgsspannungen angeboten. Kluftwasserdrücke nahe der minimalen Gebirgsspannung können zu fortschreitender Kluftsprengung führen. Innendrücke, die diesem Zustand nahekommen, bedürfen somit einer verlässlich dichten Auskleidung. Die Riss-Überbrückung von Membranen muss gewährleistet sein. Für Kunststoff-Folien sind entsprechende (Versuchs-) Nachweise zu liefern.