thema

Waterkracht in Borgharen5 201044

thema

Waterkracht inBorgharen

Intro

Een korte historie van de uitdagingen bij de planvorming en mogelijke realisatie

Waterkracht in Borgharen 5 2010 45

1 Luchtfoto locatie

naast stuw

foto: Rijkswaterstaat

ing. H. Brinkhof.

Er zijn in Nederland beperkte mogelijkheden voor

opwekking van elektriciteit uit waterkracht. De

wensen en ambities om een steeds groter deel van

de energiebehoefte op te wekken uit hernieuwbare

bronnen, brengen deze mogelijkheden telkens

opnieuw in beeld. Momenteel zijn getijdecentrales

in studie in de Brouwersdam en in de mogelijk te

ontpolderen gebieden rond de Westerschelde, een

doorstroomcentrale in de Afsluitdijk en kleinschalige

zogenoemde microcentrales op diverse plaatsen bij

stuwen in riviertjes en in de RWZI’s in de Water- en

Zuiveringsschappen. In dit artikel worden vooral de

civieltechnische aspecten van de waterkracht-

centrale bij de stuw van Borgharen nader toegelicht

De locaties bij de stuwen in de Maas en de Rijn lenen zich voor middelgrote waterkrachtcentrales met zogenoemde Kaplan-turbines. Op de locaties Maurik, Alphen aan de Maas (bij de stuw Lith, foto 4a) en Linne (foto 4b) zijn tussen 1988 en 1991 drie van dergelijke centrales gerealiseerd [1]. Op enkele andere locaties is de bouw van deze centrales serieus onderzocht en soms zelfs in detail ontworpen en aanbesteed.

Plan waterkrachtcentrale BorgharenEen in de plannen vaak terugkerende locatie is die bij de stuw van Borgharen, gelegen direct noordelijk van Maastricht en in stroom-afwaartse richting de eerste stuw in de Maas. De stuw heeft een verval van circa 4,5 tot 5 m. Juist bovenstrooms van de stuw splitst het Julianakanaal zich af van de Maas. Direct beneden de stuw begint de Grensmaas, die onder normale condities niet bevaarbaar is. Naast de stuw van Borgharen (bouwjaar 1926) bevindt zich een kleine sluis voor dienstvaartuigen. De stuw functioneert tot een rivierafvoer van maximaal 1250 m3/sec. Bij een rivierafvoer groter dan 800 m3/s is het verval over de stuw te klein voor de opwekking van waterkracht. Bij een afvoer lager dan 30 m3/s is het rendement van de turbine nihil. De gemiddelde afvoer van de Maas bij Borg-haren is 250 m3/s.De toe te passen Kaplan-turbinegeneratoren kunnen elk een debiet van 100 m3/s hebben. Het bedrijf van de waterkracht-centrales wordt op de rivierafvoer aangepast door de turbi-nes één voor één bij te schakelen. Bij het ontwerp voor de bouw van een waterkrachtcentrale moet de grootte van de centrale worden afgewogen tegen het verwachte op te wekken vermogen. De investering voor de derde en de vierde turbine is uiteraard geringer dan voor de eerste en de tweede, doch de opbrengst voor elke volgende turbine is ook geringer. De centrales Alphen en Linne hebben elk vier turbines. Bij Borgharen zijn studies verricht voor centrales met drie turbines (1991 en 2010) en met twee turbines (1998). De derde turbine zou inkomen bij een rivierafvoer van 530 m3/sec, een situatie die zich gemiddeld tachtig dagen per jaar voordoet.

Diverse invloeden op en rond het projectIn de jaren negentig ontstond een sterker bewustzijn van het effect van waterkrachtcentrales op de vispopulatie. Vissen

1

ir. Dirk Jan Peters en ing. Leo KorvingRoyal Haskoning

thema

Waterkracht in Borgharen5 201046

2 Artist Impression van de waterkrachtcentrale bij Borgharen (ontwerp ten

behoeve van vergunningsaanvraag door International Hydro, 2010)

centrale is gedurende de laatste twintig jaar dus enigszins gewijzigd. Principieel zijn er geen wijzigingen in de potentie van de locatie. De vistrap en de hoogwaterkering die nu worden aangelegd op het Bosscherveld zijn aan te passen, dan wel enigzins te verplaatsen.

Condities ondergrondDe Nederlandse waterkrachtcentrales hebben omvangrijke ondergrondconstructies. De bodem van het instroomkanaal bevindt zich circa 15 m onder het stuwpeil (o.k. constructie-vloer op NAP +27,5 m) en het centrale gebouw is circa 40 m lang (fig. 3). De locatie van Borgharen kenmerkt zich door een afwijkende bodemopbouw. Bij Linne is de waterkracht-centrale gebouwd in en op zware grindlagen, bij Alphen in zand- en kleilagen, bij Borgharen stuiten wij beneden NAP +35 m op kalksteen. Deze kalksteen behoort tot de formatie van Houthem en is te karakteriseren als zacht, met harde kalksteenknollen, -banken, en -lenzen (‘hardgrounds’). Naar wordt aangenomen bevinden zich in dit kalksteen niet of nauwelijks zogenoemde vuurstenen die het afgraven en/of boren sterk zouden bemoeilijken. Het heien van funderings-palen wordt niet mogelijk geacht. De doorlatendheid van kalksteen is een onzekere factor en wordt bepaald door de fouten in het gesteente, holtes en breuken enz. Grondonder-zoek en ook in-situ doorlatendheidsmetingen, zoals falling head tests, geven niet altijd een compleet beeld van de moge-lijkheden en risico’s.Bij het Mosae Forumproject met de tunnel in de Maasboule-vard [2] en bij de fundaties van de Noorderbrug [3], enkele kilometers zuidelijk van de locatie van de waterkrachtcen-trale, zijn eerder ervaringen opgedaan bij het voorbereiden en realiseren van ondergrondse bouwwerken in de onderha-vige kalksteenformatie. Bij de Markt-Maastunnel is ervoor gekozen de kalksteenlagen te benutten als natuurlijke bodem-afsluiting.Er lag overigens een ‘plan B’ klaar: voor de compartimenten waarvoor dat nodig zou blijken, zou eventueel een onderwater-betonvloer kunnen worden toegepast. Dit plan is niet benut. Bij de funderingen van de rivierpijlers van de Noorderbrug is onderwaterbeton toegepast direct op de kalksteenlagen.

zwemmen tegen de stroom de rivier op, en sommige vissoorten laten zich met de stroom meevoeren. In twee richtingen passeert de vis stuwen en waterkrachtcentrales. Bij de stuwen worden sinds de jaren ’90 vistrappen gebouwd die migratie van vis in stroomopwaartse richting mogelijk maken. In samenspraak met organisaties voor faunabelangen zijn er oplossingen ontwikkeld voor visgeleiding, waardoor onaccep-tabele vissterfte als gevolg van waterkrachtcentrales kan worden voorkomen. In 2003 heeft de Tweede Kamer een motie aangenomen die de toepassing van een dergelijk systeem bij nieuwe centrales verplicht.

Waterkrachtcentrales geleiden bij gemiddelde en lagere afvoe-ren al het water door de turbines, in plaats van dat het water over de stuw stort. Dit leidt tot minder zuurstof in het water. Om die reden werd in de MER van 1998 voorgesteld bij regu-liere afvoeren altijd een beperkt deel van de afvoer over de stuw te voeren, en dit deel dus niet te benutten voor de opwekking van energie. Dit probleem zou eveneens kunnen worden opge-lost door het inzetten van de vis- en beluchtingsvriendelijke schroefturbine, zodat ook lagere afvoeren optimaal kunnen worden benut voor de opwekking van energie.Na de hoogwaters van 1993 en 1995 heeft het beleid ‘ruimte voor de rivier’ zijn intrede gedaan. Als gevolg daarvan was het een aantal jaren zeer moeilijk waterkrachtprojecten te ontwik-kelen. Bij Borgharen zijn de plannen voor de waterkrachtcen-trale aangepast, waardoor bij de maatgevende hoogwaters (waarbij de waterkrachtcentrale niet functioneert) opstuwing vrijwel volledig werd vermeden door middel van een zoge-noemd duikbootontwerp.

Potentie van de locatie BorgharenVanaf eind jaren ’90 zijn de Maaswerken in voorbereiding en uitvoering. De Maaswerken vormen een verzameling van projecten die de hoogwaterproblematiek, scheepvaart en natuurwaarden in het gehele Nederlandse deel van de Maas-bedding verbeteren. Als onderdeel van de Maaswerken is de stuw van Borgharen aangepast (met 30 cm verhoogd), een minimale afvoer op de Grensmaas gegarandeerd en het stroomprofiel van de Grensmaas aangepast.De waterkrachtcentrale is voorzien op de linkeroever, direct naast de stuw: in het zogenoemde Bosscherveld, een ‘eiland’ met een natuurlijke hoogte van NAP +45 m, overeenkomend met een overschrijdingsfrequentie van 1:5 per jaar. Naast de stuw van Borgharen is inmiddels een vistrap gerealiseerd, min op meer op de plaats van de waterkrachtcentrale. Op het Bosscherveld wordt momenteel een waterpark gereali-seerd. Het gehele Bosscherveld wordt afgegraven en circa 3 m verlaagd, waarbij grind wordt gewonnen (foto 1). De uitgangssituatie voor het realiseren van de waterkracht-

2

Waterkracht in Borgharen 5 2010 47

SP bij 250 m3/s+44.100

+45.000

+29.780+30.280

+39.850 +40.000

+51.250

+47.000+48.200

+45.000 +45.000

HW 1/250 jr.+45.970

LLW bij 10m3/s+38.400

LW bij 250m3/s+38.650

HHW 1/250 jr.+46.500

+44.100

+34.700

+27.500

onderwaterbeton

uitvullaag (zand) met werkvloer

onderwaterbeton dik 1500

+30.635

SNP400

+39.000+39.700

onderwaterbeton

SP bij 10 m3/s+43.900

kroosrekbulb*

ankerflens

zuigbuis*turbinehuis

3 Langsdoorsnede waterkrachtcentrale (ontwerp RH voor Essent, 1998)

worden voorgeboord, wat de doorlatendheid van het kalksteen-pakket uiteraard niet ten goede komt.

Gesloten bouwkuipmethodeBij de gesloten bouwkuipmethode wordt de kalksteen 1,5 à 2 m dieper ontgraven en wordt er een onderwaterbetonvloer toege-past. De trekelementen worden onder water aangebracht, bijvoorbeeld in de vorm van in voorgeboorde gaten vastge-groute MV-palen. Deze methode heeft een aantal voordelen: de bouwtijd kan van tevoren redelijk nauwkeurig worden inge-schat. Dit is belangrijk vanwege de invloed van het risico van hoogwater op de planning. Tevens is er het voordeel dat de trekelementen een functie hebben in zowel de bouwfase als de definitieve fase. Gecombineerd met de mogelijkheid de water-krachtcentrale zelf niet te ontwerpen als een gewichtsconstruc-tie, biedt de bouwmethode met de gesloten bouwkuip de meest economische oplossing. Deze methode is ook toegepast bij de waterkrachtcentrale Alphen, zij het in totaal andere grondcon-dities [5].

De in- en uitstroomkanalenBij het ontwerp van het instroomkanaal is het belangrijkste criterium dat het ‘aangeboden’ stromingsprofiel in het verticale carré van 10 x 10 m bij de entree van de centrale zo gelijkmatig mogelijk is. De stroomsnelheid moet over de gehele hoogte en breedte circa 1 m/s bedragen. Het instroomkanaal vernauwt de stroom en wordt tegelijkertijd steeds dieper. De waterkracht-centrale ligt in een flauwe ‘binnenbocht’ van de rivier. De centrale mag niet te dicht naast de stuw worden geplaatst, vanwege beïnvloeding van de fundering van de stuw. De onder-loopsheid en achterloopsheid van het centrale gebouw en de stuw moeten integraal worden bezien. Bij het uitstroomkanaal

BouwmethodeVerschillende bouwmethodes zijn overwogen.

Caissonmethode (pneumatisch dan wel hydraulisch)De waterkrachtcentrale Linne is gebouwd met de pneumatische caissonmethode [4]. Op deze locatie bestond de te ontgraven grond uit grind. Tevens golden hier sterke restricties voor wateronttrekking. Deze bouwmethode is zeer succesvol geble-ken.In de kalksteenlagen is de caissonmethode moeilijk uitvoer-baar, omdat niet kan worden vertrouwd op het mechanisme van gecontroleerd bezwijken van de ‘grond’ onder de snijran-den. De hydraulische caissonmethode met een open caisson zou toepassing van zwaar ontgravingsmaterieel toelaten, maar wordt in de kalksteen ook onvoldoende betrouwbaar geacht.

Open-bouwkuipmethodeDe open-bouwkuipmethode is uitvoerbaar. Voor de wanden kunnen een boorpalenwand, een diepwand of (voorgeboorde) stalen damwanden worden overwogen. Een diepwand zou in principe tevens een functie kunnen vervullen in de definitieve constructie. Niettemin is de uitvoering van diepwanden exact op de locatie met sterke grondwaterstroming in combinatie met doorlatende grindlagen zeer risicovol. Van de twee overge-bleven alternatieven is de stalen damwand, wegens de moge-lijkheid van terugwinning, het meest economisch.Het succes van de open-bouwkuipmethode is voor een belang-rijk deel afhankelijk van de doorlatendheid van het bodempak-ket. Hierover kon in de bouwvoorbereidingsfase onvoldoende zekerheid worden verkregen. Bovendien behoeft de water-krachtcentrale, wegens de grote stroomvoerende ruimtes die moeten kunnen worden drooggezet, trekelementen voor de veiligheid tegen opdrijven. Ook deze trekelementen moeten

3

thema

Waterkracht in Borgharen5 201048

● Literatuur

1 Broersma, R.H.G., Waterkrachtprojecten in Nederrijn en Maas.

Cement 1987/11.

2 Verwey, A.T.W.G., et al, Tunnel geeft Maasoever nieuw gezicht.

Cement 2003/7.

3 Hoogeveen, G.P.L.M., et al, Noorderbrug in Maastricht.

Cement 1984/4.

4 Limbergen, R. van, CAD-technieken bij ontwerp waterkrachtcentrale

Linne. Cement 1988/9.

5 Hijna, L.F., Huiden, E.J., Onderwaterbetonvloer verankerd met

groutankers. Cement 1993/9.

is een geleidelijke verbreding en verondieping van belang voor een optimaal energierendement van de waterkrachtcentrale. De wanden van de in- en uitstroomkanalen worden uitgevoerd met stalen damwand, op de diepste locaties voorgeboord. De bodem van de diepste delen zal worden uitgevoerd met onder-waterbeton.

ConclusieDe civiele werken van waterkrachtcentrales bij de Nederlandse stuwen vormen een aanzienlijk deel van de investering. Bij de waterkrachtcentrale Borgharen vormen de natuurlijke condities een extra uitdaging. Toch zijn dit niet de redenen dat de centrale nog niet is gerealiseerd. Als neveneffecten bevredigend kunnen worden opgelost, staat niets in de weg deze interessante mogelijkheid van genereren van ‘witte’ stroom te benutten. ☒

4a

4b

4 In de waterkrachtcentrale

bij Alphen aan de Maas (a)

en Linne (b) zijn ook

Kaplan-turbines toegepast