Den nordiske kraftmarknaden er i endring, mellom anna som følgje av utbygging av mykje uregulert produksjon i Noreg og Europa. Uregulert produksjon må balanserast, og Noreg har reguleringsmagasin som kan nyttast til formålet. Det er to alternativ for å utnytte eksisterande reguleringsmagasin betre: auke slukeevna (effektverk) eller byggje pumpekraftverk. Det tekniske potensialet i Noreg er kartlagt i fleire rapportar, men inntektspotensialet er ikkje studert i detalj. Stor usikkerheit i inntektspotensialet gjer det vanskeleg for kraftprodusentar å forsvare investeringar i effekt- eller pumpekraftverk. Rapporten gjer ei teknisk-økonomisk tilnærming, og vurderer kva som skal til for å forsvare investeringane. Rapporten ser nærare på ein region i Sogn og Fjordane med aukande kraftoverskot. Oppgåve- området har fleire store regulerte vasskraftsystem og småkraft (elvekraftverk < 10 MW) har tilført mykje uregulert produksjon inn i nettet siste 10 åra. Småkraftpotensialet er likevel langt frå realisert, og samtidig er det gode vilkår for vindkraft. I rapporten er det vurdert korleis ulike nivå av uregulert produksjon i regionen påverkar dei regulerte vasskraftverka. Ein kraftsystemanalyse er utført. Simuleringsperioden er ut frå tilgjengelige data valt til 2004-2009, med ein times oppløysing. Resultata viser at det er sesongvariasjonar i den uregulerte produksjonen. For kraftsystemet er det særleg småkraft som gir problem, fordi produksjonstoppane kjem samtidig med fulle magasin og stort tilsig til anna vasskraft. Pris er implementert i modell for å sjå korleis marknadsmekanismar påverkar val av installasjon i nye effektverk eller pumpekraftverk. Effektverk og pumpekraftverk utnyttar kortsiktige prisskilnader i marknaden, men dagens spotpris har små kortsiktige skilnader. I oppgåva er difor prisskilnadane skalert for å setje eit mål på kva marknadssituasjon som er nødvendig for å forsvare investeringane. Auke av installasjon i eksisterande kraftverk (effektverk) er vurdert til å vere beste måten å utnytte reguleringsmagasina i regionen. Mykje ny uregulert produksjon set større krav til regulert vasskraft, først og fremst for å ha fridom til å unngå produksjonstoppane. Truleg vil omlegging av køyremønster på reguleringsmagasin, kombinert med auka slukeevne, vere ei god løysing. Det er anbefalt brukstid i området 2500-3000 timar for nye kraftverk. Effektauke i tre kraftverkssystem i Bremanger er studert. Med 20 øre/kWh døgnvariasjon i marknaden, er det funne økonomisk grunnlag til å senke gjennomsnittleg brukstid i anlegga frå 4900 til 3100 timar. Høge vedlikehaldskostnader av eksisterande kraftverk og potensial for ny kraftproduksjon forsvarar mykje av investeringane i ny effekt. Pumpekraftverk er først aktuelt i eit system dominert av uregulert produksjon. I eit slikt scenario, er beste lokalitet vurdert til å vere mellom Isavatn og Bjørndalen, med ein installasjon i området 100-200 MW. Magasinkapasiteten i regionen er vurdert til å vere for liten til å regulere sesongvariasjonane i uregulert produksjon. Truleg er dei større einingane i Indre Sogn meir aktuelle til eit slikt formål. Optimaliseringa er basert på inntektsgrunnlaget i spotprismarknaden. Regulerkraftmarknaden og andre aktuelle inntektskjelder er ikkje med, og må vurderast ved endelig val av installasjon.

Reservoirs in areas with a high sediment yield will without mitigation sooner or later be filled up with sediments, reducing the volume available for regulation for electric generation. Flushing of sediments is a management strategy used in many reservoirs in the world, with varying degree of success. The Angostura reservoir is a shallow reservoir located on an inundated river, making it extra vulnerable to sedimentation. It is estimated a yearly inflow of 1.5 million tons of sediment. Other reservoirs are located upstream, and the flushing of these leads to large quantities of sediment inflow in a short period of time. In September every year, the water level in Angostura is partially drawn down to route this sediment through the reservoir. In November, the water level is drawn down completely, and a full sediment flushing is performed. The RESCON model is a spreadsheet program designed to find a technically feasible sediment management strategy that maximizes the economical benefits of the project. Flushing is modeled with a simple algebraic model. SSIIM is a three-dimensional computational fluid dynamics program designed for hydraulic engineering. Sediment erosion, transport and sedimentation can be modeled in a complex reservoir geometry using an adaptive grid with a moveable bed. The main objective of this thesis is to test the performance of the RESCON and SSIIM models. The RESCON model was tested on the November flushing to see if it can reproduce the measured volume of flushed sediments. SSIIM was used for simulation of sediment concentration distribution in the reservoir, and to model the September flushing. The results are compared to measured values. The reservoir geometry is based on bathymetry data from September 2011. Inflow series are from logged values at the hydropower plant. Depth-averaged concentration values are used to present the longitudinal concentration distribution, and Hunter Rouse profiles to present the vertical distribution. Using known reservoir values and the recommended coefficients, the RESCON model was not able to get close to the actual volume of flushed sediments. Although the model has given promising results in other cases, the complex reservoir geometry in Angostura sets heavy restrictions on the flushing processes in the reservoir, which an algebraic model of this type cannot reproduce. The steady state simulation was successful in explaining previously unexplained variations in the concentration in the lateral and longitudinal direction of the reservoir. The simulation reproduces the longitudinal and vertical concentration distribution well. A bug in the implementation of the second-order scheme in SSIIM was discovered, which has later been fixed, giving more similar results for the first-order and second-order schemes. The time allocated for the flushing simulation was not enough to get satisfactory results. The erosion in the upstream end is modelled well, but the measured sedimentation in the downstream area is much larger than in the simulations. With more time for this simulation, it would have been possible to increase the quality of the results.

Opp gjennom tidene har dambrudd i hvelvdammer ofte vært forårsaket av deformasjoner i vederlagene. Det har derfor vært av interesse å finne en metode som kan belyse hvor store deformasjoner som kan oppstå i vederlaget før det får sikkerhetsmessige konsekvenser for hvelvdammen. I denne oppgaven har virkningen av deformasjoner i kun ett vederlag blitt analysert. Modellen som har blitt brukt er en 40 meter tynn enkelkrum hvelvdam. Som analyseverktøy har elementmetode- programmet ANSYS og betongdimensjonerings- programmet MultiCon blitt benyttet. Resultatene av analysen er presentert som forskjellige skadeklasser. Klassifisering i skadeklasser ble brukt for å gi en ide om hvor kritisk en gitt forskyvning er, og hvilke tiltak som eventuelt må gjøres. Resultatene viste at selv ved bortfall av de øverste 10 meter i vederlaget, vil ikke konstruksjonen gå til fullstendig dambrudd. Det vil kun oppstå lokal oppsprekking i den delen av hvelvet som forskyves. Lokalt brudd og dermed skadeklasse 3, oppstår for forskyvninger mellom 80 og 258 mm. Restkapasiteten i øvrige deler av hvelvet vil fortsatt gi en sikkerhet mot dambrudd. For forskyvning mellom 124 og 709 mm av de øverste 15 meter i vederlaget, vil store deler av hvelvet være utnyttet over kapasiteten og det vil være fare for dambrudd (skadeklasse 4). For forskyvninger mellom 14 og 58 mm av de øverste 36.5 meter av vederlaget, vil konstruksjonen være i skadeklasse 4 med fare for dambrudd. I tilfeller der skaden på dammen fører til fare for lokalt brudd eller dambrudd, må supplerende undersøkelser og beregninger utføres. Hvis det etter nye undersøkelser viser seg nødvendig å bedre stabilitetsforholdene, kan utstøping, forankring eller reduksjon av poretrykk i vederlagene være alternativer for forbedringer.

Hovedmålet med oppgaven er å dokumentere egnetheten til coandainntak i kaldt klima, og å studere og forklare tilfrysningsprosessen som skjer. Coandainntak er en type selvrensende overfallsinntak, hvor åpningen mellom grindstavene er typisk en millimeter. Usikkerhet knyttet til inntakstypen er i forhold til tilfrysning. Oppgaven følger den første vinteren til et coandainntak på Dyrkorn Kraftverk. Observasjoner og kontinuerlige temperaturmålinger fra inntaket i vinter viser tydelig at tilfrysning skyldes flere ulike prosesser. Temperaturmålinger av stålet i coandarista viser at rista kan bli underkjølt, og slik bidra til gjenfrysning. Vanntemperaturen har ved andre gjenfrysninger vært underkjølt, noe som tyder på sarrproduksjon. Sarr har også blitt observert ved inntaket under tilfrysning. Gjenfrysning grunnet snøfall på åpent inntaksmagasin og elv forekom også. Ved gjenfrysning fester ispartikler seg til den fine inntaksrista, og is bygger seg opp i tykkelse opp til 0,3 meter. Ut fra observasjoner i felt, og laboratorieforsøk, virker det som at isen kun legger seg på utsiden av rista. Meget små ispartikler kan legge seg mellom stavene til rista, men det vil ikke dannes et islag på baksiden av rista tilsvarende det på framsida. I løpet av månedene november til mars var det tre fullstendige tilfrysninger hvor Dyrkorn Kraftverk måtte stanse i opptil 40 timer. Totalt var produksjonstap ved de tre tilfellene ca. 73 MWh, hvilket utgjør ca. 2 % av kraftproduksjon i perioden. Senere, i begynnelsen av april, var det flere mindre tilfrysninger. Felles for alle tilfrysningene er at ingenting ble gjort for å åpne opp inntaket. Ved alle tilfellene var det vannet selv som åpnet opp inntaket ved å lage et fritt innløp under islaget på rista. Når en slik iskappe med fritt innløp av vann først var etablert, viste målinger at lufttemperaturer som tilsa tilfrysning ikke fikk betydning. Gjenåpningsprosessen av inntaket skyldes en kombinasjon av varmeutveksling og mekaniske krefter. Sistnevnte har vært dominerende ved de observerte gjenåpningene. For å minske problemet med tilfrysning er det sett på ulike tiltak som innsnevring av overløp, tildekking av rist og bypass-ventil. Tiltakene er i liten grad utprøvd og usikkerheten er dermed stor. Driften av Dyrkorn Kraftverk har generelt fungert bra i vinter, og det er ikke brukt resurser verken til drift eller vedlikehold av inntaket. Ut fra observasjoner og målinger i vinter virker det som coandainntak fungerer under norske vinterforhold. Beliggenheten til Dyrkorn Kraftverk, rett ved Storfjorden på Sunnmøre, gir mange fryseprosesser. Et mer stabilt innlandsklima vil sannsynligvis gi færre problemer med tilfrysning.

Formålet med oppgaven har vært å utvikle dimensjoneringsregler for sidekanal og innløp til sjakt/tunnel. På bakgrunn av dette er det utført fysiske modellforsøk med den hensikt å • undersøke om ligning for vannlinje i sidekanal, som er kjent å fungere for glatte kanaler, gjelder også når ruheten blir stor • undersøke hvordan innløp til sjakt/skråtunnel påvirker strømningen i og kapasiteten til sidekanalen Forsøkene er utført i en modell av et flomløp der det var mulig å endre på helning, bredde, dybde og ruhet. Vannlinja i kanalen er blitt målt i åtte punkter langs sideveggen, og observasjonene er blitt sammenlignet med vannlinjen etter en teoretisk beregning basert på impulssatsen. Resultatene viser at beregnet vannlinje stemmer godt overens med observasjonene, også for en kanal med stor ruhet. Ved å bruke en kombinasjon av overløpsligningen og ligning for sidekanal er det mulig å forutse sidekanalens kapasitet med god nøyaktighet. Det er funnet at bratte eller smale sidekanaler har best kapasitet i forhold til volum Det er også blitt gjort modellforsøk der sidekanalen var etterfulgt av et lukka avløp i form av tunnel eller sjakt. Kapasitetskurver er blitt plottet for ulike kombinasjoner av sidekanaler og tunnel-/sjaktinnløp. Det er funnet at kapasiteten i alle tilfeller er kontrollert av innløpet, hvilket betyr at den er en funksjon av energihøyde i innløpet og design av innløpet. Resultatene viser at kapasitetskurven for tunneler kan finnes ved å bruke konvensjonell kulverthydraulikk, og ligninger for kulverter med innløpskontroll. Et sjaktinnløps kapasitet lar seg beregne ved en enkel energibetraktning.

Formålet med denne oppgaven er å oppsummere mye av kunnskapen som finnes om glidestabilitet av betongdammer, samt å anvende denne kunnskapen for å evaluere stabiliteten av en skråplatedam som ligger ved Målsetvannet i Sogn, Norge. Glidestabilitet av betongdammer er en svært kompleks og sammensatt mekanisme, som selv i dag ikke er fullstendig forstått. Erfaringer med betongdammer som har gått til brudd viser at årsakene ofte er sammensatte, og at det derfor kan være vanskelig å angi én enkelt bruddårsak. Dagens norske regelverk legger opp til at glidestabilitet av betongdammer skal beregnes ved bruk av skjærfriksjonsmetoden, en forenklet beregningsmetode hvor glidestabiliteten beregnes på bakgrunn av gjennomsnittsverdier av spenning, styrke og helling. Metoden overser en rekke faktorer som har stor betydning for glidestabiliteten, og gir derfor ikke noe inntrykk av hva den reelle sikkerheten mot glidning er. Denne oppgaven ser nærmere på hvilke faktorer som påvirker skjærstyrken, og hvilke alternativer til skjærfriksjonsmetoden som finnes for å beregne glidestabilitet av betongdammer. Alternative håndregningsmetoder er anvendt for glidning av Målsetvannets hoveddam. Det er også sett nærmere på bruk av numersike beregningsmetoder i glidestabilitetsberegninger.

Mange mykje brukte hydrologiske modellar, til dømes HBV- modellen, er fysisk baserte; dei bygger på matematiske likningar som skildrar fysiske prosessar i ulike delar av det hydrologiske krinsløpet. Modellane inneheld parametrane som ikkje kan målast ute i felt, og dermed må bestemmast gjennom ein kalibreringsprosess. James Kirchner har i fleire artiklar argumentert for at dette er grunnleggande missvisane (Kirchner, 2009, 2006). Han argumenterer med at fysisk baserte hydrologiske modellar bygger på feil premissar; dei fysiske likninga på skalaer med nedbørfelt er ikkje kjente. Kirchner (2006) meinar vidare at eksisterande fysisk baserte hydrologiske modellar er for parameterrike; så parameterrike at dei i ein kalibreringsprosess kan tilpasse seg nærmast alle tidsseriar. I 2009 publiserte Kirchner ein enkel, parameterfattig modell som ikkje treng kalibrering. Modellen er basert å modellere nedbørfelt som enkle, dynamiske system. Under føresetnad at avrenning berre er avhengig av lagringa i nedbørfeltet, ser han på nedbørfeltet som ei eining for lagring. Ved å plukke ut data for resesjonsperiodar frå vassføringsmålingar, kan nedbørfeltet karakteriserast med ei enkel likning. Kirchner (2009) tilnærmar ei andregradslikning som sensitivitetsfunksjon til resesjonsperiodane. Ved numerisk løysning av sensitivitetsfunksjonen og tidsseriar for nedbør og fordamping, kan ein bestemme simulert vassføring. Kirchner (2009) sin modell er i denne oppgåva prøvd ut i 29 nedbørfelt i Noreg. Resultata viser at parametrane i sensitivitetsfunksjonen skildrar ei matematisk likning for feltet, og har ingen direkte lineær samanheng med fysiske eigenskapar ved felta. Korrelasjonen mellom parameterar i sensitivitetsfunksjonen er høg; mellom andre - og førstegradsleddet 0.86. mellom andregrads- og konstantleddet 0.59, og mellom førstegrads- og konstantleddet 0.81. Korrelasjon viser at parametrane ikkje er uavhengige av kvarandre og berre representerer eit datasett. Det er ikkje nok informasjon i datasettet til å tilnærme tre uavhengige parametrar. At parametrane ikkje er uavhengige gjer seg utslag i store variasjonar i målfunksjonen, R2, i kalibreringa, stor sensitivitet i parametrane og gjennomsnittlege tap på 10 % av R2 i regionalisering. For å vurdere konsekvensen av å erstatte ein fysisk basert hydrologisk modell med den enkle modellen Kirchner (2009) legg fram, er det bygd opp ein fordelt hydrologisk modell i rammeverket ENKI. Å bruke Kirchner si responsrutine utan kalibrering, gir relativt dårlege resultat, med R2 verdiar frå 0.091 til 0.538 for felta i regionen. HBV –modellen gir R2 –verdiar frå 0.424 til 0.812 for same region. Kalibrert gir Kirchner si responsrutine R2 verdiar frå 0.45 til 0.833. Resultat skil deg betydelig frå Kirchner (2009) sine resultat, som oppnådde R2 –verdiar frå 0.795 til 0.931 utan kalibrering og 0.902 til 0.951 med kalibrering. Begge ved bruk av ein kvadratisk sensitivitetsfunksjon. Resultata i denne oppgåva viser at ei andregradslikning ikkje er ei optimal i Kirchner (2009) si responsrutine. For å redusere samanhengen mellom parametrane, og dermed parameteruvissa, er ei lineær likning prøvd ut. Undersøkingane har ikkje klart å legge fram bevis på at ei lineær liking er optimal. Ei lineær likninga verkar utstabil i regionaliseringa, men meir stabil en den kvadratiske funksjonen i kalibreringa.

AbstractThe objective of this master’s thesis has been to investigate the capabilities of the CFD packages Star CCM+ and SSIIM to model hydro-peaking scenarios in regulated natural rivers in 3D using a RANS method. Two Norwegian regulated rivers are modeled, Surna and Lundesokna. In Surna, flow fields and bed shear-forces are compared for the Star CCM+ and SSIIM models. In Lundesokna flow fields and water surface elevations from simulations in Star CCM+ are compared to field data at steady flow conditions. For unsteady flow a Star CCM+ simulation are compared to video footage of a hydro-peaking event. The Surna Star CCM+ numerical model predicts a comparable flow field to SSIIM for both steady and unsteady flow. The magnitudes of velocities and shear-forces, however, deviate. Unphysical velocities and shear forces were found in parts of the cells in the Star CCM+ model. A review of the model shows that the unphysical velocity errors are likely caused by a too coarse grid and problems with the VOF method. Efforts to run simulations on a finer grid were discontinued because of a lack of available computational resources. Both the Surna numerical models achieved convergent solutions for unsteady flow. However, due to the quasi-unsteady treatment of the flow in SSIIM the SSIIM model is not able to capture wave effects. In consequence the SSIIM model predicts peaks about 600 seconds earlier than the Star CCM+ model for unsteady flow. When accounting for this effect the models show similar flow fields but deviating velocity and shear-force magnitudes as for the steady flow.Comparison to field data show that the Lundesokna Star CCM+ model is able to predict flow fields and water surface elevation with high accuracy for steady flow between 10 m3/s and 20 m3/s discharge. The unsteady flow simulation shows visual resemblance with the video footage, however, field data measurements are required to quantify the accuracy of the numerical model for transient conditions.

Different design criteria for successful flushing of hydropower headworks have been evaluated. Main focus has been on handling of floating debris for small hydropower plant in Norway, as well as sediment handling for run of the river-projects in sediment-carrying rivers. As a new way of cleaning intake screens clogged by debris, the concept of backflushing has been investigated. The intake screen, called trash rack, is then cleaned by a reveresed water flow over a short period of time, and the clogged material flushed out thorugh a flushing pipe. A physical test tank was developed to evaluate parameters for a successful flushing of trash racks with different degrees of clogging. A test device was developed to evaluate adhesion, i.e. the level of friction between clogged material and the trash rack. The required gross water velocity over a trash rack during flushing for detaching of the clogged material was found to be in the range of 0.1 to 0.2 m/s, with a typical value of 0.12 m/s. The clogged material tend to resist a maximum limit of pressure difference over the trash rack before it detaches. Results are showing a pressure difference resistance in the range of 0.05-0.10 meterWater Column (mWC). The pressure difference prove hard to obtain as parts of the trashrack is cleaned. Hence, a flushing gate should be opened at a high rate to obtain the best flushing efficiency.A field trip to Nepal has been conducted to gain experience in sediment handling, and to work with physical models at HydroLab Pvt Ltd in Kathmandu. Observed intake solutions have been evaluated both against existing theory and results from a physical model study. It has been documented through a model test series that the flushing ability of an undersluice gate is limited to only a few meters upstream of the flushing gate.The limit for flushing by bed transport has been tested in a model, and compared to theory for evaluating initial movement of the sediment bed. Experiments are supporting that Shield’s theory of critical shear stress can be used to predict the occurrence of bed movement. Design and operation of settling basins have been investigated, together with the appurtenant different strategies for flushing. The possibility of applying the concept of backflushing of trash racks for headworks arrangements including sediment settling basins have been evaluated. For projects where the trash rack can be located upstream of the settling basin, the combination seems feasible, as parts of the water storage in the settling basin could be used for the backflushing. However, the trash rack should be placed downstream of the settling basins for most Himalayan headworks arrangements, which makes backflushing impossible.

Denne rapporten presenterer laboratorieforsøk av nedstrøms steinplastring på fyllingsdammer.I Norge benyttes det i dag steindekke over nedstrøms damskråning på allefyllingsdammer. Med utarbeidelsen av nye forskrifter, med tilbakevirkende kraft, erdet besluttet å plastre alle eksisterende fyllingsdammer. Krav til stein med karakteristiskdiameter på rundt 600 [mm] medfører enorme rehabiliteringsprosjekter.Viktige parametere som påvirker styrken til plastringen er kartlagt gjennom litteraturstudierog innledende forsøk. Videre ble alle parametrene listet og analysert. Detble besluttet å gå videre med hovedfokus på helningsvinkel av plastringsstein i forholdtil damskråning og effekt av steinstørrelse. Mange andre parametere ble også kortanalysert.Ut fra analysen ble det laget forsøksplaner og skalamodeller basert på Froudes modellover.Skalamodellene ble bygget i en 13 [m] lang forsøksrenne med tverrsnitt på600 ganger 800 [mm]. Det ble hovedsakelig bygget modeller med damhelning på 1:1,5og damhøyder på 300 til 1000 [mm]. Steinstørrelsene benyttet har karakteristiske d50fra 26 til 73 [mm]. Tre hovedtyper av plastring ble undersøkt hvorav ett var et uorganisertdekkelag og de to andre var plastring med horisontal orientering av steinens lengsteakse og den siste normalt på damskråningen. Plastring ble utført med å håndlegge steini forband som forklart i forskriftene [NVE, 2007]. Forsøkene viste at:• Plastring lagt i forband økte bruddvannføring for modellene fra 2,8 til 5,9 relativttil støttefylling med løst lagt dekkelag.• Helningsvinkelen i forhold til horisontal plastring har mulighet til å øke styrkenav plastringen betydelig i forhold til horisontal plastring. Enhetsvannføringeneved plastring normalt på damskråningen viste seg å være så høy at det ble problemermed å gjennomføre forsøk som gikk til brudd.• Forsøk med vekslende skalering ble analysert og det er for stor variasjon i resultatenetil å kunne fastslå med noen grad av sikkerhet at det er skalaeffekter.Planlagte fullskalaforsøk vil med fordel kunne avdekke dette og i tillegg gi mulighettil å studere andre faktorer som for eksempel fundamentering.