Nyhet | 2014-08-08 | 14:38

Fotogrammetrisk analys av kornstorleksfördelningen i erosionsskydd vid kraftverksdammar

Examensarbete (30 hp) av Annika Bäcklund, Uppsala universitet, juni 2014.

Handledare: Tiina Tarvis.

Abstract

Photogrammetric analysis of the grain size distribution of erosion protection at hydropower dams.

This master thesis was made to investigate the possibilities of using the Matlab-based software Basegrain to determine grain size distributions of erosion protections on hydropower dams. Basegrain is a photogrammetric tool developed to generate grain size distributions and other information about coarse flood sediments by analyzing a digital photo of the stone bed. The investigation was made by validating the ability for Basegrain to assess grain size distributions of various materials smaller than the blocks used in an erosion protection by comparing sieving results or manual measurements with the results obtained by the program. A statistical comparison was then made by comparing the results from sieving and the program. The possibilities of using the same method on existing hydropower dams were then investigated by determining whether the method was practically viable or not.
The results showed that Basegrain generated grain size distributions for coarse gravel that were very close to the sieving results. It also provided grain size distributions for larger fractions of stones quite close to the results made by measuring the diameter of the stones by hand. The results also showed it was possible to use the same method on existing erosion protections on hydropower dams and obtain grain size distributions.

Key word: hydropower, dam safety, erosion, armour stone, photogrammetry

Ämnesgranskare: Per Norrlund Examinator: Petra Jönsson ISSN: 1650-8300, UPTEC ES 14025 Sponsor: Vattenfall Research and Development

Populärvetenskaplig sammanfattning

Det här examensarbetet syftar till att bidra till att hitta en metod för att kunna kontrollera att erosionsskyddet på svenska kraftverksdammar har konstruerats på rätt sätt. Erosionsskyddet består av stora stenblock som ligger på utsidan av dammen för att skydda den mot vågor och is. Storleken på stenarna är avgörande för erosionsskyddets stabilitet samt dess motståndskraft mot vågor och is och det är därför viktigt att kunna veta hur stora stenarna är. Idag är det vanligt att man kontrollerar att stenarna är av rätt storlek genom att mäta enstaka stenar för hand. Det är ett tidskrävande arbete och målet med detta examensarbete är att undersöka om kontrollen istället kan ske digitalt via så kallad fotogrammetrisk analys.

Fotogrammetrisk analys innebär att mäta storleken på föremål från ett digitalt fotografi. Det finns en programvara som heter Basegrain, utvecklad i beräkningsverktyget Matlab av forskare vid Swiss Federal Institute of Technology, som kan användas för att bestämma storleken hos stenarna i en flodbädd. Man matar in ett fotografi på en stenbädd med någon form av längdskala med på bilden. Användaren får sedan manuellt mata in längdskalan på bilden och programmet vet sedan hur den ska översätta storlekar från pixlar till längdenheter. Programmet identifierar automatiskt alla objekt på bilden som tycks vara stenar och mäter hur stor diameter de har. Användaren kan sedan förbättra detekteringen ytterligare genom att ändra inställningarna i programmet eller manuellt ändra objekten som Basegrain detekterat. Man får slutligen fram en så kallad kornstorleksfördelning ur programmet. Kornstorleksfördelningen är en graf som talar om hur stor andel av stenarna som är av en viss storlek. Det vanligaste sättet att ta fram en kornstorleksfördelning är annars att sikta materialet. Det innebär att man skakar stenarna genom siktar med kända storlekar på hålen, och får på så sätt reda på hur stor andel av stenarna som passerat genom respektive sikt.

För att undersöka om Basegrain kan användas för att få information om kornstorleksfördelningen i erosionsskydd vid kraftverksdammar valdes att först undersöka mindre stenfraktioner. Stenblocken på kraftverksdammar är vanligen 0,5-1 meter i diameter, vilket gör det opraktiskt att sikta dem. Först undersöktes grus vars siktresultat jämfördes med resultatet från Basegrain. Efter det mättes större stenfraktioner för hand och resultatet jämfördes med resultat från Basegrain. Det gjordes en statistisk analys av skillnaden mellan de manuellt uppmäta resultaten och resultaten från Basegrain för dessa större stenfraktioner för att tydligare se hur mycket mätmetoderna skiljde sig åt. Slutligen undersöktes det om samma metod kunde användas på befintliga erosionsskydd på kraftverksdammar.

Resultaten visade att Basegrain kunde producera kornstorleksfördelningar för grusfraktioner som stämde väldigt bra överens med siktresultaten samt producera kornstorleksfördelningar för större stenar som stämde ganska bra överens med manuella mätresultat. Skillnaden mellan den manuella mätmetoden och Basegrain var enligt den statistiska analysen ganska liten, men ett större statistiskt underlag behövs för att kunna dra några generella slutsatser om hur väl de två metoderna stämmer överens. Resultaten från undersökningen av befintliga erosionsskydd visar att metoden verkar praktisk tillämpbar även för dessa fraktioner.
Slutsatsen är att Basegrain kan vara en bra mätmetod för att ta fram kornstorleksfördelningar för erosionsskydd jämfört med att mäta stenarna för hand.

Annika Bäcklund
Vattenfall R&D