Headrace tunnel and tailrace tunnel of the Beles MPP in Ethiopia / Druckstollen und Unterwasserstollen des Wasserkraftwerks Beles in Äthiopien

422 © 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 5

Topics

DOI: 10.1002/geot.201300038

The Beles Multipurpose Project, with a total installed capacity of460 MW, is located in the Lake Tana region in the northwest ofEthiopia. The headrace system consists of the low pressureheadrace tunnel and a 270 m deep vertical shaft with a powercavern at its lower end. A tailrace tunnel transports the turbinewater to the Beles river where it is used again for agriculturalpurposes.The entire tunnel length of the tailrace tunnel and most of thelength of the headrace tunnel encountered various types of vol-canic rock at an overburden between 50 and 370 m. This volcanicsection of 17.5 km length was excavated by a hard rock doubleshield TBM and lined with an “open” segmental lining. Control ofwater loss and water ingress had to be achieved through the per-meability characteristics of the surrounding rock, the hydrogeo-logical conditions and by means of grouting where required. The intake area is characterised by Quaternary lacustrine de-posits over a length of about 1,600 m at an overburden up to amaximum of 120 m. For this lacustrine section, the DS-TBM wasmodified to run in a semi-EPB mode and the requirements towithstand pressurized backfilling were to be achieved by a gas-ket-sealed segmental lining.

1 The project

The Beles Multipurpose Project is a single stage powerplant with a total installed capacity of 460 MW equippedwith four Francis turbines of 115 MW each located in anunderground powerhouse cavern. The intake structure islocated in Lake Tana, the source of the Blue Nile. The tun-nelling is divided into a headrace tunnel (11.9 km) and atailrace tunnel (7.2 km), both with an internal diameter of7.2 m with a total excavation length of about 19.1 km. Thepower shaft is a vertical steel-lined shaft with a height of275 m and an internal diameter of 6.5 m, constructed byraise boring. The maximum design discharge is 160 m³/sat a total hydraulic head of about 301 m. In addition to hy-dropower generation, an area of 140,000 ha will be irrigat-ed for agricultural production by the turbine water.

Construction of the plant started in 2006 and energygeneration started in May 2010. The Client is the Ethiopi-an Electric Power Corporation (EEPCO). Engineering,Procurement and Construction (EPC) was supplied bySalini Costruttori s.p.a. and Seli s.p.a. was awarded thecontract for the construction of the tunnels. Viglconsultwas responsible for geotechnical tunnel and lining design

Das Wasserkraftwerk Beles, mit einer Leistung von 460 MW, be-findet sich im Nordwesten Äthiopiens in der Region des TanaSees am Ursprung des Blauen Nils. Die oberwasserseitige Trieb-wasserführung umfasst den Druckstollen, einen 270 m tiefen ver-tikalen Druckschacht und ein Kavernenkrafthaus. Daran schließtder Unterwasserstollen an, der das Triebwasser zum Fluss Belesausleitet, wo dieses zusätzlich für landwirtschaftliche Zweckegenutzt wird.Mit dem gesamten Unterwasserstollen sowie mit dem Großteildes Druckstollens wurden auf einer Länge von etwa 17,5 km vul-kanische Gesteine durchörtert, bei Überlagerungshöhen zwi-schen etwa 50 und 370 m. Die vulkanischen Gesteine wurden mitHartgesteins-Tunnelbohrmaschinen aufgefahren und mit einer„offenen“, nicht gedichteten Fertigteilauskleidung ausgekleidet.Für die Begrenzung der Wasserzutritte und der Wasserverlustewurden soweit wie möglich die vorhandenen Gebirgseigenschaf-ten betreffend Bergwasserdruck und Gebirgsdurchlässigkeit ge-nutzt. Wo erforderlich wurden Gebirgsinjektionen eingesetzt, umdie gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Ein kurzer oberwas-serseitiger Tunnelabschnitt im Anschluss an den Tana Seedurchörterte auf einer Länge von ca. 1.600 m lakustrine Sedimen-te bei Überlagerungshöhen bis zu 120 m. Für diesen Abschnittwurde die Doppelschild-TBM auf einen Semi-Erddruckmodusumgerüstet, und es wurden gedichtete Fertigteile mit einer unterDruck eingebrachter Ringspaltverfüllung eingesetzt.

1 Das Projekt

Das Multifunktions-Wasserkraftwerk Beles ist eine einstu-fige Anlage mit einer installierten Turbinenleistung von460 MW, die von vier Francisturbinen mit je 115 MW in ei-nem Kavernenkrafthaus produziert wird. Das Einlaufbau-werk zum Druckstollen befindet sich am Tana See, demUrsprung des Blauen Nils. Der 11,9 km lange Druckstol-len und der 7,2 km lange Unterwasserstollen weisen einenInnendurchmesser von 7,2 m auf und wurden mit Doppel-schild-TBM (TBM-DS) aufgefahren. Der vertikale, gepan-zerte Druckschacht mit einem Innendurchmesser von6,5 m wurde im Raise-Boring-Verfahren aufgefahren. DieAusbauwassermenge beträgt 160 m³/s, bei einer Brutto-fallhöhe von ca. 301 m. Neben der Erzeugung elektrischerEnergie werden mit dem Triebwasser 140.000 ha landwirt-schaftliche Flächen bewässert.

Headrace tunnel and tailrace tunnel of the Beles MPP in Ethiopia

Druckstollen und Unterwasserstollen des Wasserkraftwerks Beles in Äthiopien

Alois ViglReinhold GerstnerFrancesco BartimocciaMarco Cruciani

423Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 5

A. Vigl/R. Gerstner/F. Bartimoccia/M. Cruciani · Headrace tunnel and tailrace tunnel of the Beles MPP in Ethiopia

as well as for the design support for tunnelling and grout-ing during construction, together with Reinhold Gerstneras an engineering geologist. The construction costsreached about 500 Mio. Euro, and the annual power gen-eration amounts to 1.720 GWh.

2 Geological and hydrogeological conditions

The Beles headrace tunnel mostly passes through forma-tions of Tertiary basalt that contain intercalations of dif-ferent types of pyroclastica (tuff and agglomerate) with oc-casional intercalations of paleosol. These Tertiary forma-tions are overlain by layers of Quaternary basalt. The ini-tial stretch of the headrace tunnel, a distance of about1,600 m from the intake, passes through lacustrine de-posits of Lake Tana, mainly claystones and siltstones. Theentire length of the Beles tailrace tunnel passes throughTertiary basalts that contain intercalations of tuff and oc-casional intercalations of palaeosol (Fig. 1). A major faultpattern related to the crustal activity of the East AfricanRift Valley is present in the whole area.

The Tertiary basalt consists mainly of aphaniticbasalt, with intercalations of vesicular basalt and brecciat-ed basalt. The UCS of the intact basalt ranges from 20 to330 MPa, and the UCS of the brecciated basalt reaches185 MPa according to the test results. The pyroclastic in-tercalations mainly consist of welded tuff, which is asound rock up to 40 MPa UCS; weak tuffs are only isolat-ed. Occasional paleosol intercalations mark the border be-tween the layers of the basalt flows. The lacustrine de-posits of Lake Tana are mainly claystones and siltstones,with intercalations of sandstone in places. The UCS ofthese Quaternary sediments ranges from 5 to 10 MPa.

Der Bau des Wasserkraftwerks begann im Jahr 2006,und die Energieproduktion startete im Mai 2010. Die An-lage wurde von der nationalen EthiopianElectric PowerCorporation (EEPCO) innerhalb eines EPC-Vertrags (En-gineering, Procurement and Construction) durch SaliniCostruttori S.P.A. errichtet. Seli S.P.A. wurde mit dem Bauder Stollen beauftragt, und Viglconsult führte die geotech-nische und ausführungstechnische Tunnelplanung durchund begleitete zusammen mit dem IngenieurgeologenGerstner die Vortriebe und die Injektionsarbeiten. DieBaukosten betrugen rund 500 Mill. Euro, bei einer erwar-teten jährlichen Stromproduktion von ca. 1.720 GWh.

2 Geologie und Hydrogeologie

Der Druckstollen Beles durchörtert im Wesentlichen ter-tiäre Basaltformationen mit Einschaltungen verschieden-artiger Pyroklastika, hauptsächlich Tuffe und Agglomera-te, und fallweisen Einschaltungen von Paläoböden. Diesetertiären Formationen werden von quartären Basaltenüberlagert. Im Einlaufbereich durchörtert der Druckstol-len auf eine Länge von ca. 1.600 m lakustrine Sedimentedes Tana Sees, die sich mehrheitlich aus Tonsteinen undKalksteinen zusammensetzen. Der Unterwasserstollendurchörtert über seine gesamte Länge tertiäre Basaltfor-mationen mit Einschaltungen von Tuffen und fallweisevon Paläoböden (Bild 1). Im ganzen Gebiet ist ein Stö-rungssystem präsent, das mit der Krustenaktivität des Ost-afrikanischen Grabens verbunden ist.

Der tertiäre Basalt setzt sich in erster Linie aus apha-nitischem Basalt mit Einschaltungen von vesikulärem Ba-salt und Basaltbrekzien zusammen. Die einaxiale Ge-steinsdruckfestigkeit des massigen Basalts liegt zwischen

Fig. 1. Longitudinal geological profileBild 1. Geologischer Längenschnitt

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The rock formations are generally nearly horizontalor gently dipping, but displaced by the steep faults relatedto the Rift Valley pattern. The overburden of the headracetunnel and the tailrace tunnel range from 50 to 370 m overmost of the tunnels. According to the groundwater in-flows, the original groundwater table is generally abovethe level of static internal water pressure. The permeabili-ty of the rock mass is generally low to medium. Only in thecentral part of the headrace tunnel the permeability ishigh within jointed zones, which produced water inrushesof up to 300 to 400 l/s at the face.

3 Geotechnical design

An extensive and varied investigation programme wasconducted including core drilling campaigns at the intakeand powerhouse area, as well as geotechnical analyses ofcharacteristic borehole samples and permeability tests atthe powerhouse area.

For the geotechnical design, the parameters of rock and rock mass were considered individually depend-ing on the test results. The rock mass behaviour was derived from ground reaction curves considering the overburden and the geotechnical parameters of the rockmass.

For the volcanic hard rock ranges of the headracetunnel and the tailrace tunnel, the ground reaction curvesgenerally showed a tendency of low deformations andself-stabilisation. In practice, this means that the rockmass may sometimes show a tendency to local disintegra-tion and can load the lining accordingly. Squeezing, de-noting deep reaching rock mass plasticization with highdeformations and loads, was not to be expected. Obvious-ly hard rock conditions do imply the danger of local shearand overstressed zones which might lead to a danger ofoverbreaks and localised blocky ground conditions at theface.

The lacustrine section of the headrace tunnel at theintake area comprised “soft ground conditions” with awide range of possible ground or rock mass behaviour. Atendency to high deformations could be derived from thecalculations in general, and this had to be balanced bypermitted radial deformations and a certain lining capaci-ty. This tendency implied the possible need of local facesupport to accordingly control rock mass behaviour, de-formations and face stability. The TBM semi-EPB modewas designed to provide earth pressure support up to amaximum of 300 kN/m² (3 bar) for sufficient face balance.But the information collected during field investigationsprior to excavation supported the expectation that the la-custrine sediments as well as the tuff would mainly behavereasonably during continuous excavation, which was con-firmed in practice.

4 Lining concept and lining design

The volcanic section of the major part of the headrace tun-nel and the entire tailrace tunnel are lined with an “open”segmental lining. Control of water loss and water ingresswas achieved by utilizing the low permeability of the sur-rounding rock and the natural groundwater table, assistedby additional grouting where required.

20 und 230 MPa, jene der Basaltbrekzie erreichte Labor-werte bis 185 MPa. Die pyroklastischen Einschaltungenbestehen hauptsächlich aus Schmelztuffen, die Gesteins-festigkeiten bis zu 40 MPa erreichen. Lediglich kleine An-teile des Tuffs zeigten eine sehr geringe Festigkeit. Die Ein-schaltungen von Paläoböden markieren die Grenze zwi-schen einzelnen Basaltströmen. Die lakustrinen Ablage-rungen des Tana Sees sind hauptsächlich aus Ton- undKalksteinen aufgebaut und beinhalten Einschaltungenvon Sandsteinlagen. Die einaxiale Gesteinsdruckfestigkeitder Sedimente beträgt zwischen 5 und 10 MPa.

Die Lagerung des Gebirges ist generell söhlig bisflach geneigt und durch die steilen Verwerfungen des Gra-benbruchs versetzt. Die Überlagerungshöhen reichen imDruckstollen und im Unterwasserstollen von 50 bis370 m. Wie aus den Wasserzutritten im Vortrieb abzulei-ten war, liegt der Bergwasserspiegel überwiegend über derInnendrucklinie. Das Gebirge besitzt generell kleine bismittlere Durchlässigkeiten, nur im Zentralbereich desDruckstollens brachten hohe Durchlässigkeiten in Stör -zonen Wasserzutritte von 300 bis 400 l/s mit sich.

3 Geotechnische Planung

Insbesondere im Einlaufbereich, also im Bereich der laku-strinen Sedimente und im Übergang zu den vulkanischenGesteinen wurde ein intensives Erkundungsprogrammmit Kernbohrungen und hydraulischen Bohrlochversu-chen durchgeführt. Darüber hinaus wurden Laborver -suche an Kernproben der verschiedenen Gesteinsartendurchgeführt, um die geotechnischen Parameter zu be-stimmen. Das erwartete geotechnische Verhalten des Gebirges wurde nach Definition repräsentativer Gebirgs-arten über das Kennlinienverfahren mit den entsprechen-den Gebirgsparametern und Überlagerungshöhen ermit-telt.

Für die Hartgesteinsabschnitte in den Vulkaniten er-gaben die Kennlinienberechnungen überwiegend geringeDeformationen und die Tendenz zur Selbststabilisierungder Stollenlaibung. Für den Vortrieb wurde daraus über-wiegend stabiles bis nachbrüchiges Gebirgsverhalten ab-geleitet, tiefreichende und druckhafte Überbeanspruchun-gen des Gebirges wurden hingegen kaum erwartet. Unterden zu erwartenden Bedingungen war natürlich mit ent-spannten Blockstrukturen an der Ortsbrust und mit be-grenzter Blockauflast auf Schild und Auskleidung zu rech-nen.

Die lakustrinen Sedimente mit Weich- oder Lockerge-steinsbedingungen zeigten eine breite Palette an Erschei-nungs- und Verhaltensformen. Den rechnerisch ermittel-ten hohen Radialverschiebungen musste zur Einhaltungder maschinentechnisch zulässigen Deformationen einentsprechend hoher Ausbauwiderstand von Schild undAuskleidung entgegengestellt werden. Dies schloss auchdie Sicherstellung der Ortsbruststabilität und den mög -lichen Bedarf einer permanent aktiven Ortsbruststützungmit ein. Dementsprechend wurde ein Maschinenkonzeptfür einen Semi-Erddruckmodus entwickelt, das optionaldie Aufrechterhaltung eines Stützdrucks an der Ortsbrustvon 300 kN/m² (3 bar) erlauben sollte. Allerdings ließendie Aufschlüsse in den Portaleinschnitten augenscheinlichdarauf schließen, dass in den dicht gelagerten Sedimenten



For the lacustrine section of the intake area of about1,600 m length the TBM together with the lining were de-signed for semi-EPB mode application, which led to a re-quirement for gasket-sealed segmental lining.

The segmental lining was designed to meet the re-quirements of both the volcanic “hard rock” section andthe requirements of the lacustrine “soft rock” section withthe same lining geometry (Fig. 2). The lining system was asemi-sealed type parallel ring segmental lining system,composed of six segments and one key stone per ring, witha rhomboidal, trapezoidal geometry. The invert was de-signed with flat tracks and three central invert trenches.Dowel connectors were provided in the circumferentialjoints to ensure installation accuracy. The segment jointsfor the hard rock section were fitted with caulking groovesto allow joint caulking prior to the grouting works. Thesegment joints for the soft rock section were fitted withgasket seals and were temporarily bolted in the longitudi-nal joints (Fig. 3).

The tunnel section has an excavation diameter of8.1 m, an internal tunnel diameter of 7.2 m, a lining thick-ness of 30 cm, an annular gap of 15 cm and a segment ringwidth of 1.5 m.

The maximum external rock load was anticipated at1,000 kN/m² symmetrically and a roof load of one timesthe excavation diameter amounting to about 220 kN/m².The external water load was considered to be in the range

und Tuffiten auch ein Vortrieb ohne aktive Ortsbruststüt-zung machbar war, was sich letztlich beim Vortrieb überdie gesamte Länge bestätigt hat.

4 Auskleidungskonzept und Auskleidungsplanung

Für den überwiegenden Abschnitt der Stollen, die in denVulkaniten aufzufahren waren, wurde eine offen gefugteFertigteilauskleidung aus Stahlbetontübbingen gewählt.Um den Anforderungen hinsichtlich Wasserverlust undWasserzutritt zu entsprechen, wurde das umgebende Ge-birge maßgeblich einbezogen. Der natürliche Bergwasser-druck und die Dichtheit des Gebirges wurden ausgenutzt,um Wasserverluste zu verhindern, und wo es erforderlichwar, wurden Gebirgsinjektionen eingesetzt, um die Ge-birgsdurchlässigkeit entsprechend zu reduzieren.

Entlang des ca. 1.600 m langen Bereichs der lakustri-nen Sedimente war als Grundlage des optionalen Erd-druckmodus und zur Ermöglichung einer entsprechendenRingspaltverpressung der Einsatz einer gedichteten Tüb-bingauskleidung erforderlich. Die Fertigteilauskleidungwar so konzipiert, dass mit identischer Tübbinggeometriesowohl ein ungedichtetes als auch ein gedichtetes Systemausgeführt werden konnte (Bild 2).

Als Auskleidungssystem wurde ein dichtbares Paral-lelringsystem mit rhomboidalen Tübbingen, bestehendaus sechs Segmenten und einem Schlussstein gewählt.

Fig. 2. Typical section (view in heading direction)Bild 2. Regelquerschnitt der Fertigteilauskleidung



of the internal pressure except when emptying the tunnel.This was assumed since the natural water table was con-sidered to reduce to the internal water pressure throughfriction losses in the surrounding rock mass. Consideringall these factors, the structural design of the lining was determined by the grouting pressure of 15 bar(1,500 kN/m²).

5 Excavation method

The two TBM systems used for the excavation and liningof the 11.9 km of headrace tunnel (HRT) and the 7.1 km oftailrace tunnel (TRT) consist of a coordinated tunnellingsystem designed by Seli from different equipment and ma-chines. The main features of the two TBMs are highlight-ed in Table 1.

The tunnelling system was designed for maximum ad-vance rates of 3 m/h including excavation and erection ofthe precast lining with the TBM operated in double shieldmode. The advance rate decreases when the TBM is oper-ated in EPB mode.

The designed TBM excavation diameter of 8.1 m wassuitable for boring in rock and loose soil. The dual-modeTBM could perform excavation in double shield mode orEPB mode. Excavation was carried out in TBM doubleshield mode for a large part of the tunnel (first 10.4 km) involcanic formations, before reaching the lacustrine de-posit section. Before reaching lacustrine sediments, themode of excavation was partially changed from doubleshield to EPB. The TBM was modified as follows:– The gearing ratio was changed to increase cutterhead

torque and reduce rotational speed.

Der Sohltübbing wurde für einen Zweigleisbetrieb mit ebe-ner Sohle und drei Wassergräben konzipiert. Die Ring -fugen wurden mit Kunststoffdübeln verbunden, um die ge-forderte Baugenauigkeit zu erreichen. Alle Fugen wurdentunnelseitig im Hinblick auf die Injektionen als hinter-schnittene Fugen ausgeführt. Die Fugen im Bereich der lakustrinen Sedimente wurden zudem mit EPDM-Dich-tungsrahmen gedichtet und temporär verschraubt (Bild 3).

Der Ausbruchdurchmesser betrug 8,1 m, der Innen-durchmesser 7,2 m, bei einer Tübbingdicke von 30 cm und einem Ringspalt von durchschnittlich 15 cm. Die Breite eines Rings betrug 1,5 m.

Die maximalen Gebirgslasten wurden symmetrischmit 1.000 kN/m² und als Blocklast im Firstbereich mit220 kN/m² angesetzt. Für den Bergwasserdruck wurde da-von ausgegangen, dass er sich aufgrund der nicht herme-tisch dichten Auskleidung im Umfeld des Tunnels auf dasNiveau des Innendrucks entspannen würde. Entspre-chend wurde für den Entleerungsfall lediglich der Betragdes Innendrucks als Außendruck angesetzt. Somit bliebder Injektionsdruck von 15 bar (1.500 kN/m²) für die Be-messung maßgeblich.

5 Vortriebsmethode

Die beiden Tunnelbohrmaschinen wurden aus einemTBM-Baukastensystem von Seli zusammengesetzt undentsprechend der Tabelle 1 ausgestattet. Das Vortriebssys-tem war auf maximale Vortriebsleistungen von 3 m/h ein-schließlich Ausbruch im Doppelschildmodus und Ring-bau ausgelegt. Die Vortriebsleistung verringerte sich imErddruckmodus entsprechend.

Der für den Druckstollen gewählte Ausbruchdurch-messer von 8,1 m gestattete sowohl den Hartgesteins- alsauch den Erddruckmodus. Für die TBM des Unterwasser-stollens wurde ein etwas kleinerer Ringspalt bei einemAusbruchdurchmesser von 8,07 m gewählt.

Im Druckstollen wurden zunächst 10,4 km in Vul -kaniten im Doppelschildmodus aufgefahren. Bevor derAbschnitt der lakustrinen Sedimente erreicht wurde, wurde die TBM auf den Semi-Erddruckmodus umge-baut:– Umstellung der Übersetzung des Bohrkopfantriebs auf

ein höheres Drehmoment und eine niedrigere Umdre-hungszahl,

– Installation einer Zweikomponenten-Ringspaltverpress-anlage auf dem Nachläufer,

– Installation einer Schaumanlage im Bohrkopf,– Installation der innenliegenden Schildschwanzdichtun-

gen,– Ersatz der außenliegenden Schildschwanzdichtungen,– Installation einer Schildschwanzfett-Anlage.

Die TBM für den Druckstollen wurde mit einem hydrau -lischen Bohrkopfantrieb ausgestattet, um ein Andrehenbei anliegendem Gebirge zu gestatten.

Die Nachlaufkonstruktionen für die beiden TBM waren weitgehend identisch aufgebaut und ausgestattet.Beide TBM waren auch mit einem TED-Steuerungssystemversehen, das dem Maschinenfahrer zu jedem Zeitpunktdie relative Achslage der Maschine zur Sollachse an-zeigt.

Fig. 3. Gasket sealed lining system for the lacustrine sectionBild 3. Gedichtete Auskleidung für den Bereich der lakustrinen Sedimente



– A two-component mixing plant was installed on theback-up.

– Foam lines and spray nozzles were added in the cutter-head.

– Sealing gaskets between inner telescopic shield and grip-per shield were checked and refilled with grease.

– The tail shield brushes were replaced. A second row ofbrushes was installed in the tail shield.

– A tail shield greasing system was installed.

The headrace tunnel TBM was hydraulically driven, whichenabled starting of the cutterhead under unstable faceconditions.

The main characteristics of the TBM and backup forthe tailrace tunnel were similar to the headrace tunnelTBM in double shield configuration. The steering of themachines was monitored by means of a ZED tunnel guid-ance system, which provides the operator with completeinformation about the machine position and inclinationrelative to the tunnel centreline.

6 Experience during excavation and lining application

The excavation of the 10 km volcanic section of the head-race tunnel encountered mainly sound and stable volcanicrock with a low degree of jointing and weathering for alength of about 7 km; good to very good rock conditions

6 Erfahrungen während Vortrieb und Auskleidung

Im Zuge des Vortriebs von etwa 7 km der 10 km langenHartgesteinsstrecke des Druckstollens wurden standfestebis leicht nachbrüchige Gebirgsverhältnisse, mit geringemZerlegungs- und Verwitterungsgrad angetroffen, unterbro-chen von kurzen Störungszonen. Die wesentliche Erschei-nung war durch mehrere konzentrierte Wassereinbrüchegegeben, die Wassermengen von 300 bis 400 l/s an derOrtsbrust erreichten.

Die verbleibenden 3 km in den Vulkaniten warendurch sehr wechselhafte Verhältnisse geprägt, die vonmassigem Basalt über gestörten Tuff bis zu Tonsteinab-schnitten reichten. Entsprechend gestaltete sich auch derVortrieb sehr wechselhaft, von standfesten Strecken bis zuPassagen mit Überbrüchen und Kavernenbildungen überund vor dem Bohrkopf.

Im 1.600 m langen Abschnitt der lakustrinen Sedi-mente wurden wie erwartet weiche und teilweise verwit-terte Gesteine angetroffen, jedoch mit Verbandseigen-schaften, die von der eingesetzten Vortriebseinheit passa-bel bewerkstelligt werden konnten.

Der Unterwasserstollen traf überwiegend standfesteVerhältnisse in massiven Vulkaniten an, die nur vereinzeltvon höher zerlegten, gestörten Zonen unterbrochen waren.

Die erzielten Vortriebsleistungen sind im Bild 4 dar-gestellt und in Tabelle 2 zusammengefasst. Die Ausnut-

Table 1. Technical data of the TBMsTabelle 1. Technische Daten der TBM

HRT TRT

TBM type double shield universal + EPB double shield universal

Cutterhead excavation diameter 8,100 mm (new cutters) 8,070 mm (new cutters)

TBM shield length (including tail shield) 12.50 m (TBM closed) 11.87 m (TBM closed)

TBM and backup length approx. 125 m approx. 125 m

Cutterhead structure three parts (heavy bolted structure) Six parts (heavy bolted structure)

Number of cutting tools 52 52

Cutter type (both TBMs backloading 17 inch discs 17 inch discsand recessed)

Thrust cylinders 12–345 bar max. 12–345 bar max.

Auxiliary thrust cylinders 16–345 bar max. 14–345 bar max.

Maximum net advance speed 6 m/h 6 m/h

Cutterhead drive type hydraulic electric

Drive system 11 hydraulic motors, variable –displacement type

Cutterhead power 7 × 300 kW Electric water-cooled motors 8 × 315 kW Electric water-cooled motors

Maximum torque: DS mode 3,700 kNm 5,250 kNm(0–7.0 rpm), EPB mode 17,900 kNm(0–2.0 rpm)

Cutterhead speed 0 to 7 rpm 0 to 6 rpm

Segment erector (both TBMs) six movements, radio-controlled with ball and cup type gripping mechanism

Conveyor system 1,000 mm/550 t/h 1,000 mm/550 t/hwidth/capacity



were generally encountered, interrupted by some smallfault zones. The main events in this stretch were water in-rushes in jointed zones, which occurred several times andamounted to 300 to 400 l/s at the face.

The other part of the volcanic section of about 3 kmlength was characterized by very changeable rock condi-

zungsgrad der TBM war beim Druckstollen durch eineReihe von besonderen Vortriebssituationen beeinflusst, je-doch maßgeblich auch vom Umbau in den Erddruckmo-dus am Beginn der Strecke der lakustrinen Sedimente imOktober und November 2008. Im Unterwasserstollen hin-gegen verlief der Vortrieb weitgehend ungestört und führtezu einem TBM-Ausnutzungsgrad von knapp über 50 %(Bild 5).

7 Injektionen7.1 Injektionsgrundsätze

Das Injektionskonzept in den Vulkaniten des Druck-stollens beinhaltete die nachfolgenden Schritte und Maß-nahmen:– Ringspalt-Kontaktinjektion mit Zementsuspension, sys-

tematisch bei 3 bis 5 bar,

Fig. 4. Monthly production: headrace tunnel (a), tailrace tunnel (b)Bild 4. Monatliche Vortriebsleistungen: Druckstollen (a), Unterwasserstollen (b)

Table 2. Achieved advance ratesTabelle 2. Erreichte Vortriebsleistungen

TBM drive HRT TRT

Total mean advance 10.6 m/d 19.5 m/d322 m/month 595 m/month

Best month 636.86 m 724.27 m

Total m/total time 11,822 m/1,120 d 7,202 m/369 d

a)

b)



tions, varying from sound basalt to weak tuff or claystone.Depending on the rock mass properties, the excavationconditions ranged from very good to very poor and a num-ber of rock collapses occurred.

The excavation of the lacustrine section of the headracetunnel met poor rock conditions in general as had been ex-pected, but the TBM could overcome these conditions byapplication of additional measures as described above.

The excavation of the tailrace tunnel mainly encoun-tered sound volcanic rock and good to very good rockconditions, interrupted by some small fault zones inplaces.

The TBM production can be seen in Fig. 4 and iscrudely summarized in Table 2. The efficiency of the TBMin the headrace tunnel (HRT) was affected by a number ofevents but especially by the change from DS configurationto semi-EPB configuration at the start of the lacustrinestretch during October and November 2008. The tailracetunnel (TRT) was running without any disturbance and hadalready reached a net efficiency of more than 50 % (Fig. 5).

7 Grouting 7.1 Grouting principles

The grouting concept for the entire volcanic rock tunnelsections contained the following steps and measures:– Backfill grouting with cement grout 3 to 5 bar, applied

systematically,– Light consolidation grouting or extended contact grout-

ing for the treatment of rock mass at shallow depth, witha hole depth of 1 m and pressure of 7 to 8 bar understeady state conditions,

– Normal consolidation grouting for deeper treatment ofrock mass, at hole depths of 2 m and pressure of 10 bar,

– Konsolidierungsinjektion Stufe 1 oder intensivierte Kon-taktinjektion zur seichten Gebirgsbehandlung mit Bohr-lochtiefen von 1 m bei Injektionsdrücken von 7 bis 8 barunter Haltebedingungen,

– Standard-Konsolidierungsinjektion Stufe 2 zur tieferenGebirgsbehandlung mit Bohrlochtiefen von 2 m bei In-jektionsdrücken von 10 bar unter Haltebedingungen,

– Spezifische Konsolidierungsinjektion Stufe 3 in speziel-len Abschnitten zur gezielten Gebirgsbehandlung mitangepassten Bohrlochtiefen bei Injektionsdrücken von10 bar,

– Abdichtungsinjektionen mit Bohrlochtiefen von 1 m beiInjektionsdrücken von 10 bar.

Das Bohrschema war durch die vorhandenen Verfüllöff-nungen in den Tübbingen, wie in Bild 6 dargestellt, prak-tisch vorgegeben.

Um das Erfordernis für die Konsolidierungs- und Ab-dichtungsinjektionen aus den angetroffenen Verhältnissenableiten zu können, wurde die geologische Vortriebsdoku-mentation zusammen mit den Vortriebsdaten systema-tisch ausgewertet. Dabei wurde Nachfolgendes berück-sichtigt: Ortsbrustaufnahmen, Gesteinsfestigkeit, Gefügeund Verwitterung, Bergwasserzutritte, Gebirgsklassifika -tion (RMR), Überbrüche und Kavernenbildung, druckhaf-tes Gebirgsverhalten, spezifische Sicherungsmaßnahmen,TBM-Vortriebsparameter sowie Dicke und Qualität derRingspaltverfüllung.

7.2 Injektionsablauf

Für die Injektionen in zerlegtem Gebirge, das ein mehroder weniger gekläftetes Medium darstellt, wurden Pump -raten von 1 bis 3 l/min als angemessen erachtet. In Fällen

Excava�on; 27,9% TBM/B-UP

Breakdown; 5,5%

Wai�ng; 18,8%

Geological Problems; 27,5%

ZED/Laser Surveyor problems; 0,5%

Various; 5,4%

Daily Maintenance; 14,3%

HRT TBM

Fig. 5. TBM efficiency: headrace tunnel(a), tailrace tunnel (b)Bild 5. TBM-Ausnutzung: Druckstollen(a), Unterwasserstollen (b)

Excava�on; 51,8%

TBM/B-UP Breakdown; 3,5% Wai�ng; 17,1%

Geological Problems; 1,3%

ZED/Laser Surveyor

problems; 0,5%

Various; 2,4%

Daily Maintenance;

23,4%

TRT TBM

a)

b)



– Special consolidation grouting in isolated stretches ofthe tunnel and in case of deep collapse zones observedduring tunnel excavation,

– Waterproofing grouting with grouting hole depths of1 m and a grouting pressure of 10 bar.

The borehole pattern was determined by the backfillingholes in the segmental lining as shown in the figure below(Fig. 6).

In order to determine the requirement for consolida-tion grouting based on the indications described above, de-tailed evaluation was undertaken of the geological recordsas well as the excavation data, with the following recordsbeing considered: Geological face mapping, strength ofrock, jointing of rock mass, weathering of rock mass,groundwater inflow, rock mass classification (RMC), over-break and rock collapse phenomena, squeezing rock condi-tions, special measurements, TBM excavation parametersand thickness and quality of the grouted pea gravel.

7.2 Grouting procedure

For the grouting of disintegrated rock mass, which is amore or less jointed and fractured medium, proper pump-ing was considered to be in the range of 1 to 3 l/min. Incases of high quantity and low pressure (1 to 3 bar), thepumping rate was increased to 5 to 10 l/min (maximum15 l/min). If the pressure increased, the pumping rate wasreduced accordingly. The grouting procedure was stoppedat a pumping rate below 1 l/min.

hoher Aufnahmen bei niedrigen Drücken (1 bis 3 bar) wur-den die Pumpraten auf 5 bis 10 l/min, maximal auf15 l/min erhöht. Mit steigendem Druck wurden die Pump -raten entsprechend vermindert. Die Injektionen wurdenbei Pumpraten unter 1 l/min abgeschlossen.

Um Schäden an der Auskleidung zu vermeiden, wur-de die Pumpmenge je Bohrloch von 2 m Länge mit 300 lbegrenzt. Nach Erreichen dieses Mengenkriteriums wur-de die Injektion unterbrochen und nach 10 bis 30 Minu-ten wieder fortgesetzt, bis das Druckkriterium erreichtwurde.

7.3 Injektionsausrüstung

Für die Injektionen wurden Kolbenpumpen mit einer stu-fenlosen Regelfähigkeit bis knapp unter 1 l/min eingesetzt,um einen kontinuierlichen Fluss des Injektionsguts beiniedrigen Pumpraten sicherzustellen. Die Pumpen warenmit einem Hochgeschwindigkeits-Kolloidalmischer mit ei-nem Fassungsvermögen von 300 l und einem Vorrats -behälter mit einem Inhalt von 500 l kombiniert. Die Bohr-löcher wurden mit Durchmessern von 40 bis 70 mm ge-bohrt.

7.4 Injektionsgut

Die Konsolidierungs- und Abdichtungsinjektionen wur-den mit Zementsuspension mit einem Wasser-Bindemittel-Verhältnis (W/B) von 1,0 und einem Bentonitanteil von3,5 % durchgeführt. Zu Beginn der Injektionen und im

Fig. 6. Grouting borehole schemeBild 6. Bohrschema für die Injektionen



In order to avoid damage to the lining, the maximumquantity of grouting material for one step was limited at300 l per 2 m borehole, if the effective grouting pressure ismore than 3 bar. If the maximum quantity was reached,the process was interrupted and continued after a wait of15 to 30 minutes. This procedure was repeated until thegrouting of the borehole was complete and the target pres-sure had been reached.

7.3 Grouting equipment

Piston-pumps were used for consolidation grouting, withcontinuous variability of the pressure and of the pumpingrate down to a range of 1 l/min in order to guarantee con-tinuous grouting even at low pumping rates. A turbomixerwith a volume of 300 l and a storage container with a vol-ume of 500 l were available as a part of the pump. Theboreholes were drilled with a diameter of 40 to 70 mm.

7.4 Grouting material

Consolidation grouting was carried out with a water-ce-ment grout, with a water-cement ratio of 1.0 and 3.5 %bentonite added. At the start of the grouting procedureand in cases of low flow rate due to small joints, the wa-ter/cement-ratio was changed to 1.2 and 4 % bentonitewas added. The cement used for consolidation groutingwas Portland cement (CEM-II/B-P) from the Messebo Ce-ment Factory in Mekelle, Ethiopia, which had a Blainevalue of ca. 3,050 cm²/g.

7.5 Grouting of volcanic section

For economic reasons, consolidation grouting was only ap-plied to selected stretches of the volcanic section of theheadrace tunnel and the tailrace tunnel. Thus the require-ments for consolidation grouting had to be evaluated in de-tail as described above. Due to this process, consolidationgrouting could be carried out in specific tunnel stretchescontaining jointed and faulted rock mass and stretches withoverbreak and rock collapse phenomena. In the finalstretch of the headrace tunnel with a low groundwatertable, systematic waterproofing grouting was carried out.

7.6 Grouting of lacustrine section

During excavation of the lacustrine section of the head-race tunnel, small systematic overbreaks were encoun-tered in one stretch, whereas the following stretch onlybrought a few overbreaks in places and the majority of thestretch showed temporary stable conditions until TBMhad passed through. This meant that excavation condi-tions in the lacustrine stretch were better than had beenexpected. The groundwater inflows also occurred withinthe claystone, which had low permeability but was notcompletely watertight.

In the lacustrine section, extensive systematic con-tact grouting was used, followed by systematic normalconsolidation grouting at a grouting pressure of 10 bar.Only in the very last stretch of the tunnel close to the in-take was the grouting pressure reduced due to the lowoverburden.

Fall geringer Aufnahmen wurde die Mischung mit einemW/B-Wert von 1,2 und 4 % Bentonit verwendet. Beim Ze-ment handelte es sich um Portland Zement (CEM-II/B-P)der Messebo Zement Fabrik in Mekelle, Äthiopien, mit ei-nem Blaine Wert von 3.050 cm²/g.

7.5 Injektion der Vulkanitstrecke

Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wurde die Konsoli-dierungsinjektion in der Vulkanitstrecke des Druckstol-lens und im Unterwasserstollen nur in ausgewählten Be-reichen angewendet. Damit hat sich die Konsolidierungs-injektion auf stark zerlegtes Gebirge und auf Bereiche, indenen während des Vortriebs Überbrüche und Kavernen-bildungen aufgetreten sind, beschränkt. Im unterwasser-seitigen Abschnitt des Druckstollens, der einen tiefliegen-den Bergwasserspiegel aufweist, wurde die Abdichtungsin-jektion systematisch eingesetzt.

7.6 Injektion der Strecke der lakustrinen Sedimente

Beim Vortrieb in der Strecke der lakustrinen Sedimentesind in einem Abschnitt systematische kleinere Überbrü-che über dem Bohrkopf aufgetreten, während sich das Ge-birge in den übrigen Abschnitten, abgesehen von einzel-nen Überbrüchen, im Großen und Ganzen beim Durchör-tern mit der TBM temporär stabil verhalten hat. Somit



7.7 Grout takes

The consolidation grouting required very variable con-sumptions depending on the rock mass properties and thequality of bedding achieved by backfilling and contactgrouting of the lining. Some boreholes took almost nogrout, but some single holes took hundreds or thousandsof litres.

In general, the grout consumption for consolidationgrouting ranged from 0.1 to 1 m³ per metre of tunnel. Infault zones with disintegrated rock mass as a consequenceof overbreaks or rock collapses, the grout consumptionamounted to several cubic metres per metre of tunnel, upto 20 m³ per metre of tunnel.

7.8 Checking the effect of grouting

In order to check the effect of the grouting measures, anumber of core drillings were carried out at several stages ofthe grouting procedure. These core drillings were appliedsystematically in the lacustrine section and at selectedplaces in the volcanic section of the headrace tunnel. Theevaluation of the drill holes considered the coring log aswell as visual and manual inspection of the borehole.

For further control of grouting results, several grout-ing tests were performed in selected stretches of the head-race tunnel. Comparison of the grouting test score withthe results from the previous grouting stage provided anappropriate method of assessing the success of grouting. Ifindicated, additional grouting measures were applied.

8 Filling and depletion procedure

In order not to affect the lining and to allow a soft andproper regeneration of the groundwater table after thelong period of construction, the filling procedure of theHRT was limited to a rate of internal pressure increase of1.0 m/h for the volcanic section and 0.5 m/h for the lacus-trine section of the headrace tunnel. The same rates werespecified for the first complete depletion of the system af-ter half a year of operation. These rates worked well inpractice. Nevertheless it was expected that after the firstoperation period especially, the groundwater inflow andload effects would be visible and a certain completion ofthe grouting measures would be required.

9 Experience during the first period of operation

After an operating period of half a year of the Beles MPP,the system was emptied and the headrace tunnel as well asthe tailrace tunnel could be inspected. It was found thatthe structural behaviour due to external load-bearing wasgenerally adequate. No signs at all were found of over-loading of the lining due to external load impact duringoperation. The joint sealing and segment repair showedcorrect behaviour and generally confirmed the methodsused. The lining generally showed a high degree of water-tightness and water ingress mostly appeared under pres-sure and restricted to certain locations. The grouting mea-sures that had been used showed a sufficient effect consid-ering the generally defined goals.

zeigten sich die Vortriebsverhältnisse besser als errechnet.Bergwasserzutritte gab es selbst im Tonstein, der zwar ge-ring durchlässig, aber nicht völlig wasserdicht war.

In der Strecke der lakustrinen Sedimente wurden sys-tematische Konsolidierungsinjektionen des Typs 1 unddes Typs 2 mit einem Injektionsdruck von 10 bar durchge-führt. Lediglich bei Annäherung an das oberwasserseitigePortal wurde unter Berücksichtigung der abnehmendenÜberlagerung auch der Injektionsdruck entsprechend re-duziert.

7.7 Injektionsgutaufnahmen

Die Injektionsgutaufnahmen waren erwartungsgemäß inAbhängigkeit von den Gebirgseigenschaften, dem Verhal-ten beim Vortrieb und den Bedingungen für die Ringspalt-verfüllung sehr unterschiedlich. Einige Bohrlöcher nah-men lediglich die Bohrlochfüllung auf, andere Bohrlöcherzeigten Aufnahmen von einigen hundert oder sogar eini-gen tausend Litern.

Alles in Allem lag die Injektionsgutaufnahme zwi-schen 0,1 bis 1 m³ je Stollenmeter. In Bereichen mit starkzerlegtem Gebirge und Bereichen mit Überbrüchen stie-gen die Aufnahmen von mehreren Kubikmetern bis zu20 m³ je Stollenmeter.

7.8 Überprüfung des Injektionserfolgs

Zur Überprüfung des Injektionserfolgs wurde zwischenden Injektionsschritten und am Schluss eine Reihe vonKernbohrungen ausgeführt. Diese Kernbohrungen wur-den in der Strecke der lakustrinen Sedimente systematischund innerhalb der Vulkanitstrecke an ausgewählten Stel-len ausgeführt. Der Beurteilung des Injektionserfolgs wur-de mit der Auswertung der Bohrkerne und mit der visuel-len sowie manuellen Inspektion der Bohrlöcher vorge-nommen.

Darüber hinaus wurden in unterschiedlichen StadienInjektionstests entlang ausgewählter Strecken des Druck-stollens durchgeführt. Die Zusammenschau der Ergebnis-se der Injektionstests und die Beurteilung der Kernboh-rungen lieferten eine vertrauenswürdige Grundlage zurBeurteilung des Injektionsfortschritts und letztlich des In-jektionserfolgs. Wo erforderlich, wurden zusätzliche Injek-tionen ausgeführt.

8 Füllung und Entleerung des Triebwasserwegs

Um einerseits der Überlastung der Auskleidung durch ei-nen raschen Druckanstieg vorzubeugen und andererseitsnach der Bauperiode eine sanfte Regeneration der Berg-wasserverhältnisse zuzulassen, wurde die Druckanstiegs-rate für den Druckstollen bei der Erstfüllung in der Vulka-nitstrecke auf 1,0 m/h und in der Strecke der lakustrinenSedimente auf 0,5 m/h begrenzt. Dieselben Raten wurdenauch für die Erstentleerung des Systems nach einem hal-ben Jahr Betrieb angesetzt und haben sich bestens be-währt. Trotzdem wurde damit gerechnet, dass sich nachder Erstentleerung und Inspektion des Stollens ein ent-sprechender Komplettierungsbedarf an Injektionsmaß-nahmen ergeben würde.



Despite the overall sufficient behaviour, some locationswere discovered, which required some repair and precau-tionary works, especially additional consolidation grouting.

10 Summary and conclusions

The Beles hydraulic tunnels posed many challenges in dif-ferent respects:– The approximately 20 km of tunnels for the hydropower

project represent the major cost factor and had to be op-timized in terms of the structural design and construc-tion method.

– It was the first application of a TBM with segmental lin-ing in hydropower in Ethiopia and had to meet the re-quirements of both hard rock tunnelling and soft rocktunnelling.

– The intention was to work with highly specialised keypersonnel together with a high number of local peopleand this had to be considered in the technology and or-ganisation of the works.

– The plant was constructed in an area which did not yethave the infrastructure required for such a project.

In summary, it can be stated that all the above challengeswere finally solved in an excellent way, naturally having toovercome plenty of detail problems but achieving the in-tended final result, with the plant now in operation.

Dott. Eng. Marco CrucianiSalini Costruttori s.p.a.Via del Lauro, 320121 Milano [email protected]

Eng. Francesco BartimocciaSeli s.p.a.Piazza G. Marconi 26/C00144 [email protected]

Dipl.-Ing. Reinhold Gerstnerc/o Vorarlberger Illwerke AG Batloggstraße 366780 [email protected]

Dipl.-Ing. Dr.techn. Alois Viglviglconsult ZTBatloggstraße 366780 [email protected]

9 Erfahrungen aus dem Probebetrieb

Nach einem halben Jahr Probebetrieb wurde der Trieb-wasserweg des Kraftwerks Beles entleert und konnte un-mittelbar danach inspiziert werden. Dabei zeigte sich imWesentlichen ein erwartungsgemäßes Verhalten. An kei-ner Stelle zeigten sich Anzeichen einer statischen Überlas-tung der Auskleidung Die Fugenvermörtelungen und alleReparaturen zeigten sich unverändert und stabil. Generellzeigte sich die Auskleidung relativ dicht, wie am Druck -niveau des eintretenden Bergwassers erkennbar war. Auchder Injektionserfolg wurde anhand der stark reduziertenBergwasserzutritte und der Beschränkung auf Streckenmit zugelassenem Bergwasserzutritt deutlich, und es zeig-te sich, dass die gesteckten Ziele mit den eingesetzten Methoden erreicht worden sind.

Abgesehen vom generell zufriedenstellenden Ergeb-nis wurden einzelne Stellen identifiziert, an denen nochReparaturen und vorsorglich auch Injektionsmaßnahmendurchzuführen waren.

10 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Der Druckstollen und der Unterwasserstollen des Kraft-werks Beles brachten Herausforderungen auf mehrerenEbenen:– Die etwa 20 km langen Stollen des Wasserkraftwerks

stellten einen sehr maßgeblichen Kostenanteil der Ge-samtanlage dar und waren wirtschaftlich sowohl hin-sichtlich des Bauverfahrens als auch hinsichtlich desAuskleidungssystems entsprechend zu optimieren.

– Der erste Einsatz einer TBM mit Fertigteilauskleidungin Äthiopien hat die Anforderungen der unterschied -lichen geologischen Verhältnisse durchwegs erfüllt.

– Die Vortriebs- und Auskleidungstechnologie sowie dieOrganisation waren auf den Einsatz einer spezialisiertenKernmannschaft und des angelernten einheimischenPersonals abgestimmt.

– Das Projekt wurde in einer Region umgesetzt, in der erstdie entsprechende Infrastruktur geschaffen werdenmusste.

Zusammengefasst kann festgestellt werden, dass die He-rausforderungen in exzellenter Weise bewältigt werdenkonnten, nicht ohne Hindernisse und Schwierigkeiten,aber letztlich konnte das Ziel erreicht werden, eine funk -tionstüchtige und leistungsfähige Wasserkraftanlage zuschaffen.

Documents

Headrace tunnel and tailrace tunnel of the Beles MPP in Ethiopia / Druckstollen und Unterwasserstollen des Wasserkraftwerks Beles in Äthiopien