3 minute read
Kristina Karvonen: Geomeasure – fokuksessa merenpohjan rakennettavuusominaisuuksien tutkimus
from Materia 5/2024
Vuoden 2024 lopussa päättyvässä kolmevuotisessa Geomeasure -projektissa tutkitaan merenpohjan rakennettavuusominaisuuksia Suomen rannikkoalueella. Projektin tavoitteena on tuottaa off-shore rakentamisen suunnitteluun tarvittavaa tietoa muun muassa merituulivoimapuistojen rakentamisen kannalta tärkeiden pehmeiden pohjasedimenttien lujuusominaisuuksista ja kerrosrakenteesta.
Kiinnostus merituulivoimaloiden rakentamiseen Suomessa on kasvussa, ja useita merituulivoimahankkeita on suunnitteilla. Tällä hetkellä on käynnissä kolme gigavatin luokan hanketta, ja neljä muuta on suunnitteilla lähivuosina. Kyseessä on mittava energiakapasiteetti. Vertailun vuoksi Olkiluodon nettotuotantoteho on noin 1,6 GW.
Meriympäristössä rakentaminen asettaa omat haasteensa. Rakentamispaikan valinnassa on kiinnitettävä huomiota useisiin tekijöihin kuten esimerkiksi pohjan laatuun, sedimenttiyksiköiden paksuuteen, veden syvyyteen sekä muuttuviin olosuhteisiin, mm. meren jäätymiseen ja virtauksiin.
Suomen rannikon merenpohja vaihteleva
Suomen rannikon merenpohja on vaihtelevimpia merenpohja-alueita maailmassa. Yksinkertaistettuna Suomen rannikon pohjasedimenteistä kolmannes koostuu pehmeistä liejusedimenteistä, kolmannes kovasta kalliosta tai moreenista ja kolmannes Itämeren järvivaiheiden savista ja silteistä. Yleisellä tasolla voidaan todeta, että moreenipeite pohjoisilla alueilla on paksumpi. Orgaanispohjaiset liejut ovat puolestaan paksumpia Suomenlahdella ja eteläisellä Selkämerellä ja ohuempia Perämerellä.
”Suomen nykyiset merituulivoimalat on perustettu aika matalaan veteen. Niissä rakennuspohja on tasoitettu ja päällystetty sorakerroksella. Asia mutkistuu mentäessä syvemmän veden alueelle, jossa esiintyy paksumpia pehmeitä sedimenttikerrostumia”, toteaa erikoistutkija Joonas Virtasalo Geologian tutkimuskeskuksesta (GTK).
Merituulivoimalat pyritään lähtökohtaisesti rakentamaan kovalle pohjalle, mutta muiden välttämättömien rakenteiden paikkaa ei aina pystytä valitsemaan. Tällaisia ovat esimerkiksi merikaapelit, joiden kautta merituulivoimaloiden tuottama sähkö siirretään maalla sijaitsevaan kantaverkkoon, sekä voimaloiden välillä kulkeva sähkökaapeliverkosto.
Tietoa pohjasedimenttien rakennettavuusominaisuuksista samoin kuin kustannustehokkaita tutkimusmenetelmiä näiden tutkimiseen tarvitaan siten merenalaisen rakentamisen suunnittelun avuksi. Tähän paneuduttiin Geomeasure -projektissa, jonka vetovastuussa on Aalto-yliopisto ja projektikumppanina GTK. Mukana on myös tuulivoimayhtiö Suomen Hyötytuuli, joka omistaa Suomen ensimmäisen ja tähän mennessä ainoan merituulivoimapuiston Porin Tahkoluodossa Reposaaren edustalla. Projekti rahoitettiin Suomen Akatemian kautta kanavoidulla NextGeneration EU -elpymisvälinerahoituksella.
Menetelmätestausta
Projektissa tutkittiin merenpohjan suljetun leikkauslujuuden vaihtelua eri sedimenttikerroksissa vapaapudotuskairalla (free fall cone penetrometer, FF-CPT). ”Pyrimme kehittämään kyseisen menetelmän käytettävyyttä pehmeiden sedimenttien tutkimuksessa. Kyseessä on menetelmätestaus, jossa tutkimme, miten vapaapudotuskairauksen tulokset korreloivat muiden tutkimusten kanssa”, Virtasalo kertoo.
Projektiin liittyen geologi Maarit Saresma GTK:sta kävi tutkijavierailulla Southamptonin yliopistossa hakemassa oppia vapaapudotuskairan käyttöön ja tulosten validointiin. ” Iso-Britannia on edelläkävijä merituulivoimassa. Siellä ollaan myös eksperttejä erilaisissa mittausmenetelmissä. Sain Southamptonissa vapaapudotuskairamenetelmästä hyvää oppia, jota sitten pääsimme soveltamaan Itämeren olosuhteissa” Saresma kertoo.
Projektin tutkimukset keskittyivät Espoon, Inkoon ja Porin edustan merialueille. Merelliset tutkimukset tehtiin merigeologisella tutkimusalus Geomarilla. Akustis-seismisillä luotauksilla selvitettiin eri sedimenttikerrosten geometriaa ja kerrospaksuuksia tutkimusalueilla. Luotaustulokset varmistettiin pohjasedimenttinäytteillä. Yhdeltä tutkimusalueelta tehtiin myös luotauksiin sekä pohjasedimenttinäytteisiin perustuva geologinen 3D-malli demonstroimaan pohjakerrostumien pienipiirteisyyttä.
Vapaapudotuskairauksia tehtiin liki sata. Menetelmä osoittautui nopeaksi, tehokkaaksi ja helposti toistettavaksi. Itse mittaus, jossa mittalaite pudotetaan tutkimusalukselta meren pohjaan ja nostetaan vinssillä takaisin ylös, kestää vain muutaman minuutin. Tulosten varmistamiseksi pudotuksia tehdään tyypillisesti 3-4 samalla paikalla.
Menetelmän etuna on myös, että se mittaa sedimenttejä ”in situ” eli merenpohjassa. ”Aina, kun näyte nostetaan, vaikkapa 50 metrin veden syvyydestä merenpinnan ilmanpaineeseen, on vaarana häiriintyminen. Näyte voi esimerkiksi paisua eli se ei ole enää ominaisuuksiltaan täysin sama kuin alkuperäinen”, selventää Virtasalo.
Luotausten ja mittausten tuloksia verrattiin toisiinsa ja vapaapudotuskairamittausten todettiin sopivan hyvin yhteen luotausten kanssa. Mittaustulosten perusteella pystyttiin erottamaan eri sedimenttiyksiköitä. Vapaapudotuskairamittaus osoittautui myös kustannustehokkaaksi tavaksi varmentaa luotausprofiilin tulkinnan tarkkuutta.
Pehmeistä pohjasedimenteistä otettiin toistakymmentä näytettä, joiden geoteknisiä ominaisuuksia tutkittiin Aalto-yliopiston laboratoriossa. Laboratoriotutkimusten tuloksia verrattiin vapaapudotuskairamittausten tuloksiin. Aalto-yliopistossa tehtiin myös numeerista mallintamista ja pohjasedimenttien lujuuden ja muodonmuutoksen mallinnusta sekä staattisen kuorman että syklisen kuormituksen vaikutuksen alaisena.
”Vapaapudotuskairamittausten data on kerätty tietokantaan, joka tullaan julkaisemaan myöhemmin. Projektin tuloksista on myös tulossa tieteellisiä artikkeleita”, Saresma kertoo ▲
TEKSTI: KRISTINA KARVONEN, GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS
