Verfugung: Colorados rekordverdächtiger Staudamm erhebt sich aus seinen Fundamenten

Nicholson Construction liefert Fundamentinjektionsarbeiten für einen rekordverdächtigen Staudamm für einen großen neuen Stausee in Loveland, Colorado.

In der Nähe der Stadt Loveland am Osthang Colorados ist ein großes Projekt zum Bau eines Stausees im Gange. Das neue Chimney Hollow Reservoir, westlich von Carter Lake, wird ein Dutzend Wasserversorgungsunternehmen im Nordosten Colorados mit 111 Mio. m³ dedizierter Speicherkapazität und 37 Mio. m³ Wasser pro Jahr versorgen.

Wenn Chimney Hollow im Jahr 2025 fertiggestellt ist, wird es den größten Staudamm umfassen, der in den letzten 25 Jahren in den Vereinigten Staaten gebaut wurde, und den zweiten Asphaltkerndamm, der jemals im Land gebaut wurde.

Dieses enorme Infrastrukturprojekt wird auch die Zuverlässigkeit des Windy Gap-Projekts verbessern, das aus einem Umleitungsdamm am Colorado River und einem 600.000 m³ großen Stausee besteht. Auf diese Weise soll der zusätzliche Speicher bereitgestellt werden, der erforderlich ist, um den Bedarf der wachsenden Bevölkerung in den Gemeinden im Norden Colorados zu decken.

Das Stauseebauprogramm im Wert von 520 Millionen US-Dollar (462 Millionen Pfund) wird von den 12 Wasserunternehmen finanziert. Der Subunternehmer und Soletanche Bachys US-Tochtergesellschaft Nicholson Construction liefert im Auftrag der in Montana ansässigen Barnard Construction, dem Hauptauftragnehmer für das Reservoirprojekt, ein Paket von Injektionsarbeiten im Wert von 22 Mio. US-Dollar (19,5 Mio. £).

Zu Nicholsons Aufgabenbereich gehören Felsbohrungen und das Vergießen eines 1 km langen Injektionsvorhangs, der in Tiefen zwischen 15 m und 100 m installiert wird.

Außerdem wird eine flache Deckenmörtelkappe unter der 1,16 km langen Hauptdammlinie und ein Mörtelvorhang entlang eines kleineren 408 m langen Satteldamms angebracht, der ebenfalls Teil des Projekts ist. Der Zweck des Mörtelvorhangs besteht darin, das Eindringen in das Grundgestein unter dem Damm durch Verringerung der hydraulischen Leitfähigkeit zu verringern.

Es wird auch dazu beitragen, den Porendruck zu verringern, der auf den Damm wirken könnte, wodurch das Risiko einer möglichen Rutschstabilität des Damms erheblich verringert wird.

Eine Fugenkappe ermöglicht das Druckvergießen des Fugenvorhangs unter der Kappe. Beim Deckeninjektionsvorgang wird Mörtel in flache Löcher injiziert, die in einer Gitterformation gebohrt werden. Diese Technik kann verwendet werden, um eine Mörtelkappe zu bilden, bevor die Vorhanginjektion tieferer Zonen bei höheren Drücken erfolgt.

Das Projekt startete im August 2021, der Bau des Staudamms begann im Dezember 2021.

Um die endgültige Vergusslösung zu entwickeln, begann das Nicholson-Team im November letzten Jahres mit der Verfugungsprüfung auf dem Hauptdammgelände. Das Testprogramm teilte die Dammausrichtung in zwei Zonen auf, in denen sich die Geologie und der Grundwasserspiegel unterscheiden, da in Testabschnitt 1 mehr Schluffstein und Sandstein und in Testabschnitt 2 mehr Granit, Pegmatit und Gneis erwartet wurden.

Das Ingenieurbüro Stantec hat den Fugenvorhang entworfen. Das Testprogramm sollte die Basisspezifikation verfeinern, die auf der Grundlage eines von Stantec für Barnard erstellten geotechnischen Basisberichts entwickelt wurde.

„Mit Barnard haben wir zwei Zonen in unterschiedlichen Abschnitten entlang des Hauptdamms ausgewählt“, erklärt Nicholson-Projektmanager Jose Torres.

„Die Absicht bestand darin, einige der Annahmen zu bestätigen, die bei der Konstruktion des Injektionsvorhangs getroffen wurden, und auch einige zusätzliche Erkundungsbohrungen durchzuführen. Von dort aus nutzte Stantec die Informationen, um ein geeignetes Injektionsprogramm für den Rest des Damms zu entwickeln.“

Das Team wählte zwei 60 m lange Zonen entlang der Hauptdammlinie als Testzonen aus. Für jeden dieser Abschnitte folgte Nicholson einer Super-Primär-, Primär- und Sekundärsequenz zum Bohren der Testlöcher, was laut Torres typisch für ein Injektionsprogramm ist.

Er fährt fort: „Die Superprimärbohrungen wurden bis zu einer Tiefe von 70 m mit Kernen oder Drehbohrungen gebohrt, und die vorgefundene Geologie half dabei, die Tiefen der primären und sekundären Bohrlöcher zu bestimmen.“

Im ersten Testabschnitt bohrte das Team 68 Bohrlöcher und im zweiten Testabschnitt 55 flachere Löcher.

Die Geologie des ersten Testabschnitts ist insbesondere durch die sogenannte Fountain-Formation gekennzeichnet – einen Sandstein aus der Zeit Pennsylvanias, der entlang der Front Range in Colorado zutage tritt. Dieser liegt auf einer präkambrischen Gesteinsschicht aus Gneis. Der Kontakt zwischen der Fountain-Formation und dem Gneis wurde im ersten Testgebiet in einer Tiefe von etwa 60 m festgestellt.

Als Ergebnis der Testbohrungen fand das Team Merkmale – kleine Risse, Spalten oder Hohlräume, die Wasser oder Mörtel aufnehmen – in Zonen, die in einigen Gneisgebieten unterhalb der Sandstein-Schluffstein-Schichten lagen.

„Es gab einige Bereiche, die wir in tieferen Tiefen entdeckten, wo eine höhere Wasserdurchlässigkeit oder Mörtelaufnahme [die Mengen an Mörtel, die von der Formation aufgenommen werden] beobachtet wurden“, bemerkt Torres. „Deshalb wurden einige der Löcher vom Designer so erweitert, dass sie bis direkt unter diese Merkmale reichen.“

Der tiefste Teil des Injektionsvorhangs am Hauptdamm war ursprünglich auf eine Tiefe von bis zu 33,5 m ausgelegt. Aber aufgrund der Bedingungen, die das Team während des Testprogramms vorgefunden hat, wird es nun in bestimmten Bereichen tiefer gehen.

Die Tiefe des Vorhangs hängt auch von der Höhe des Damms an jedem Punkt und den unterschiedlichen Geologien weiter oben entlang der Trasse ab.

Ron Hall, Vizepräsident für Betriebsabläufe bei Nicholson, erklärt: „Je höher man entlang des Damms steigt, desto geringer wird der Kontakt zwischen dem Schluffstein, dem Sandstein und dem Gneis. Der gesamte zweite Testabschnitt, der sich fast am weitesten vom Damm entfernt befindet, geht also auf 50 Fuß [15 m] und 80 Fuß [24 m], weil wir nicht so viel von dieser Schluffstein-Sandstein-Schicht behandeln. Dort ändert sich die Geologie; Sie befinden sich in einem größeren Bett dieses präkambrischen Gneis.“

Die Testprogramme liefen bis Anfang Mai. Später in diesem Monat begann das Team dann mit dem Vergießen der Deckenkappe auf dem Fundament des Hauptdamms.

Das Nicholson-Team führt Vergussarbeiten entlang des Betonfundaments des Hauptdamms durch

Da sich der Damm in einem Tal befindet, ändert sich seine Höhe dramatisch und erreicht eine Höhe von 128 m. Das Team hat mit der Installation des Vergussvorhangs von der untersten Höhe des Damms auf Bodenhöhe begonnen, da der Hauptauftragnehmer hier mit der Arbeit an den Betonfundamenten des Damms begann.

Es wurde vom ersten Testabschnitt bis zu den Widerlagern der Dammsohle gearbeitet.

Der Abstand zwischen den einzelnen Löchern beträgt 3 m von der Mitte und erstreckt sich über die gesamte Länge des Damms. Für den Fugenvorhang gibt es eine vor- und nachgeschaltete Leitung. Auf dem Hauptdamm gibt es drei Reihen von Deckenmörtellinien im Abstand von 1,5 m, die nur zur oberflächlichen Behandlung dienen und zwischen 9 m und 11,8 m tief sind. Auf der stromaufwärts gelegenen Seite gibt es eine weitere Reihe.

Um die Super-Primärlöcher für den Injektionsvorhang zu bohren, bohrte das Team mit der Rotationsbohrmethode 70 m tief in den Grundgestein. Diese Löcher wurden mit Wasser ausgespült, um Bohrklein zu entfernen.

Das Design von Stantec für den Fugenvorhang schreibt die Position der Löcher vor und legt fest, dass jedes Loch einen Winkel und eine Neigung hat, die innerhalb von zwei Grad liegen müssen.

Nachdem das Team die Injektionslöcher entkernt hatte, führte es eine Abweichungsmessung durch, bei der die Abweichung der Bohrlöcher von der Vertikalen gemessen wurde, um sicherzustellen, dass das Team während des Injektionsvorgangs in jedem Loch sein Ziel erreicht hatte.

Anschließend führte das Team Wassertests an den Bohrlöchern durch, um die Durchlässigkeit des Gesteins zu beurteilen, das mit Mörtel behandelt werden soll.

Ein Injektionsgerät für Injektionsmörtel, bekannt als Single Packer, wurde an eine Gummischlauchtrommel angeschlossen, die es dem Team ermöglicht, Wasser in das Loch zu befördern. Der Packer wurde in das Loch abgesenkt und aufgeblasen, um die unteren 6 m des Lochs für Wassertests effektiv zu isolieren.

Anschließend entfernte das Team alles aus dem Loch und installierte eine Doppelpacker-Baugruppe, die erneut in das Loch abgesenkt wurde und es in 6-m-Schritten bis zur Spitze isolierte. Mit den Doppelpackern werden Permeabilitätsprüfungen während der Kernbohrung durchgeführt.

Nachdem das Team alle Informationen aus der Wasserprüfung erhalten hatte, ging es zurück zum Loch und senkte eine einzelne Packerbaugruppe hinein, um es wiederum in 6-m-Schritten für die Injektion des Mörtels zu isolieren. Mit diesem Mörtel wurden alle Brüche oder Merkmale in den Bohrlöchern behandelt.

Nachdem jedes Loch auf Wasser geprüft und verfugt worden war, ging Nicholson zum nächsten Loch in der Reihe über. Zuerst wurden alle Super-Primärlöcher – die tiefsten Löcher – gemacht, dann die Primärlöcher und zuletzt die Sekundärlöcher.

Die Ingenieure von Nicholson überwachten in Echtzeit den Druck und die Strömung in den Bohrlöchern sowie deren Durchlässigkeit.

Torres fügt hinzu: „Wenn jeder Abschnitt fertiggestellt ist und wir das Gefühl haben, dass der Mörtelvorhang fertig ist, werden wir ein Kontrollbohrloch anbringen. Anschließend führen wir einige Wassertests durch das Loch durch, um Informationen über die Wirksamkeit des Fugenvorhangs zu erhalten. Für jeden 12-Meter-Abschnitt, den wir absolvieren, führen wir einen der Verifizierungskerne aus. Das gibt uns bei jeder Überwachung Vertrauen in die Leistung des Bodens.“

Sobald die Injektionen für den Hauptdamm abgeschlossen sind, wird Nicholson mit den Vorhanginjektionen für den kleineren Satteldamm beginnen. Dieser Mörtelvorhang wird flacher sein, da er sich am hinteren Ende des Stausees befindet und dieser Damm nicht so hoch ist.

Das Nicholson-Team neben einem Bohrgerät, mit dem die Löcher für den Mörtelvorhang gebohrt wurden

Nicholson stand unter Druck, bis Ende September mit dem Vergießen der unteren Zone des Damms fertig zu sein, damit Barnard und der Subunternehmer kommen und mit dem Asphalteinbau für den Asphaltkern des Damms beginnen konnten.

„Es ist eine gute Balance“, bemerkt Torres. „Es ist eine Herausforderung, in der richtigen Reihenfolge zu arbeiten und mit Barnard mitzuhalten oder dafür zu sorgen, dass sie uns einen Schritt voraus bleiben.“

Barnard baut den Basisabschnitt des Damms und den Betonsockel – oder die Arbeitsplattform –, während Nicholson mit dem Verfugen beschäftigt ist. Da Nicholson zwischen verschiedenen Bautätigkeiten eingeklemmt ist, musste das Unternehmen eng mit Barnard und den anderen Baupartnern zusammenarbeiten, um die Reihenfolge und Terminplanung zu koordinieren.

Obwohl Nicholsons Vertrag keinen großen Teil des Projekts ausmacht, sagt Torres, dass er „sehr nahe am kritischen Pfad liegt, weil alles dem folgen muss, was wir tun“.

Später in diesem Jahr wird das Team mit der Installation des Injektionsvorhangs für die höchsten Abschnitte des Damms beginnen, der an einigen Stellen bis zu 128 m hoch ist.

Wenn dies der Fall ist, steht es vor der neuen Herausforderung, an einem viel steileren Hang bei Minusgraden im Winter in Colorado zu arbeiten.

Der Hang hat einen 43°-Winkel, auf dem das Team eine Arbeitsplattform aufbauen muss, die an Ankern befestigt werden kann und Geräte mit einem Gewicht von bis zu 4,5 Tonnen aufnehmen kann.

„Wir gehen davon aus, dass die Vergussarbeiten viel langsamer vonstatten gehen werden, allein weil wir uns an einem steilen Hang befinden“, bemerkt Torres, „und das stellt eine Herausforderung dar, wenn es darum geht, den Zeitplan einzuhalten, aber auch die Sicherheit aller zu gewährleisten.“

Nach seinem Bau wird der Hauptdamm der höchste Staudamm sein, der seit 50 Jahren in Colorado gebaut wurde. Nicholsons Arbeit an dem Projekt wird voraussichtlich Ende Sommer 2023 abgeschlossen sein.

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