themaWaterkracht in Borgharen5201044themaWaterkracht inBorgharenIntroEen korte historie van de uitdagingenbij de planvorming en mogelijke realisatieWaterkracht in Borgharen 52010 451 Luchtfoto locatienaast stuwfoto: Rijkswaterstaating. H. Brinkhof.Er zijn in Nederland beperkte mogelijkheden vooropwekking van elektriciteit uit waterkracht. Dewensen en ambities om een steeds groter deel vande energiebehoefte op te wekken uit hernieuwbarebronnen, brengen deze mogelijkheden telkensopnieuw in beeld. Momenteel zijn getijdecentralesin studie in de Brouwersdam en in de mogelijk teontpolderen gebieden rond de Westerschelde, eendoorstroomcentrale in de Afsluitdijk en kleinschaligezogenoemde microcentrales op diverse plaatsen bijstuwen in riviertjes en in de RWZI's in de Water- enZuiveringsschappen. In dit artikel worden vooral decivieltechnische aspecten van de waterkracht-centrale bij de stuw van Borgharen nader toegelichtDe locaties bij de stuwen in de Maas en de Rijn lenen zich voormiddelgrote waterkrachtcentrales met zogenoemde Kaplan-turbines. Op de locaties Maurik, Alphen aan de Maas (bij destuw Lith, foto 4a) en Linne (foto 4b) zijn tussen 1988 en 1991drie van dergelijke centrales gerealiseerd [1]. Op enkele anderelocaties is de bouw van deze centrales serieus onderzocht ensoms zelfs in detail ontworpen en aanbesteed.Plan waterkrachtcentrale BorgharenEen in de plannen vaak terugkerende locatie is die bij de stuw vanBorgharen, gelegen direct noordelijk van Maastricht en in stroom-afwaartse richting de eerste stuw in de Maas. De stuw heeft eenverval van circa 4,5 tot 5 m. Juist bovenstrooms van de stuw splitsthet Julianakanaal zich af van de Maas. Direct beneden de stuwbegint de Grensmaas, die onder normale condities niet bevaarbaaris. Naast de stuw van Borgharen (bouwjaar 1926) bevindt zich eenkleine sluis voor dienstvaartuigen. De stuw functioneert tot eenrivierafvoer van maximaal 1250 m3/sec. Bij een rivierafvoer groterdan 800 m3/s is het verval over de stuw te klein voor de opwekkingvan waterkracht. Bij een afvoer lager dan 30 m3/s is het rendementvan de turbine nihil. De gemiddelde afvoer van de Maas bij Borg-haren is 250 m3/s.De toe te passen Kaplan-turbinegeneratoren kunnen elk eendebiet van 100 m3/s hebben. Het bedrijf van de waterkracht-centrales wordt op de rivierafvoer aangepast door de turbi-nes ??n voor ??n bij te schakelen. Bij het ontwerp voor debouw van een waterkrachtcentrale moet de grootte van decentrale worden afgewogen tegen het verwachte op tewekken vermogen. De investering voor de derde en devierde turbine is uiteraard geringer dan voor de eerste en detweede, doch de opbrengst voor elke volgende turbine is ookgeringer. De centrales Alphen en Linne hebben elk vierturbines. Bij Borgharen zijn studies verricht voor centralesmet drie turbines (1991 en 2010) en met twee turbines(1998). De derde turbine zou inkomen bij een rivierafvoervan 530 m3/sec, een situatie die zich gemiddeld tachtigdagen per jaar voordoet.Diverse invloeden op en rond het projectIn de jaren negentig ontstond een sterker bewustzijn van heteffect van waterkrachtcentrales op de vispopulatie. Vissen1ir. Dirk Jan Peters ening. Leo KorvingRoyal HaskoningthemaWaterkracht in Borgharen52010462 Artist Impression van de waterkrachtcentrale bij Borgharen (ontwerp tenbehoeve van vergunningsaanvraag door International Hydro, 2010)centrale is gedurende de laatste twintig jaar dus enigszinsgewijzigd. Principieel zijn er geen wijzigingen in de potentievan de locatie. De vistrap en de hoogwaterkering die nuworden aangelegd op het Bosscherveld zijn aan te passen,dan wel enigzins te verplaatsen.Condities ondergrondDe Nederlandse waterkrachtcentrales hebben omvangrijkeondergrondconstructies. De bodem van het instroomkanaalbevindt zich circa 15 m onder het stuwpeil (o.k. constructie-vloer op NAP +27,5 m) en het centrale gebouw is circa 40 mlang (fig. 3). De locatie van Borgharen kenmerkt zich dooreen afwijkende bodemopbouw. Bij Linne is de waterkracht-centrale gebouwd in en op zware grindlagen, bij Alphen inzand- en kleilagen, bij Borgharen stuiten wij beneden NAP+35 m op kalksteen. Deze kalksteen behoort tot de formatievan Houthem en is te karakteriseren als zacht, met hardekalksteenknollen, -banken, en -lenzen (`hardgrounds'). Naarwordt aangenomen bevinden zich in dit kalksteen niet ofnauwelijks zogenoemde vuurstenen die het afgraven en/ofboren sterk zouden bemoeilijken. Het heien van funderings-palen wordt niet mogelijk geacht. De doorlatendheid vankalksteen is een onzekere factor en wordt bepaald door defouten in het gesteente, holtes en breuken enz. Grondonder-zoek en ook in-situ doorlatendheidsmetingen, zoals fallinghead 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], enkelekilometers zuidelijk van de locatie van de waterkrachtcen-trale, zijn eerder ervaringen opgedaan bij het voorbereidenen realiseren van ondergrondse bouwwerken in de onderha-vige kalksteenformatie. Bij de Markt-Maastunnel is ervoorgekozen de kalksteenlagen te benutten als natuurlijke bodem-afsluiting.Er lag overigens een `plan B' klaar: voor de compartimentenwaarvoor dat nodig zou blijken, zou eventueel een onderwater-betonvloer kunnen worden toegepast. Dit plan is niet benut. Bijde funderingen van de rivierpijlers van de Noorderbrug isonderwaterbeton toegepast direct op de kalksteenlagen.zwemmen tegen de stroom de rivier op, en sommige vissoortenlaten zich met de stroom meevoeren. In twee richtingenpasseert de vis stuwen en waterkrachtcentrales. Bij de stuwenworden sinds de jaren '90 vistrappen gebouwd die migratie vanvis in stroomopwaartse richting mogelijk maken.In samenspraak met organisaties voor faunabelangen zijn eroplossingen ontwikkeld voor visgeleiding, waardoor onaccep-tabele vissterfte als gevolg van waterkrachtcentrales kanworden voorkomen. In 2003 heeft de Tweede Kamer een motieaangenomen die de toepassing van een dergelijk systeem bijnieuwe centrales verplicht.Waterkrachtcentrales geleiden bij gemiddelde en lagere afvoe-ren al het water door de turbines, in plaats van dat het waterover 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 stuwte voeren, en dit deel dus niet te benutten voor de opwekkingvan energie. Dit probleem zou eveneens kunnen worden opge-lost door het inzetten van de vis- en beluchtingsvriendelijkeschroefturbine, zodat ook lagere afvoeren optimaal kunnenworden benut voor de opwekking van energie.Na de hoogwaters van 1993 en 1995 heeft het beleid `ruimtevoor de rivier' zijn intrede gedaan. Als gevolg daarvan was heteen 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) opstuwingvrijwel volledig werd vermeden door middel van een zoge-noemd duikbootontwerp.Potentie van de locatie BorgharenVanaf eind jaren '90 zijn de Maaswerken in voorbereiding enuitvoering. De Maaswerken vormen een verzameling vanprojecten die de hoogwaterproblematiek, scheepvaart ennatuurwaarden in het gehele Nederlandse deel van de Maas-bedding verbeteren. Als onderdeel van de Maaswerken is destuw van Borgharen aangepast (met 30 cm verhoogd), eenminimale afvoer op de Grensmaas gegarandeerd en hetstroomprofiel van de Grensmaas aangepast.De waterkrachtcentrale is voorzien op de linkeroever, directnaast de stuw: in het zogenoemde Bosscherveld, een `eiland'met een natuurlijke hoogte van NAP +45 m, overeenkomendmet een overschrijdingsfrequentie van 1:5 per jaar. Naast destuw van Borgharen is inmiddels een vistrap gerealiseerd,min op meer op de plaats van de waterkrachtcentrale. Ophet Bosscherveld wordt momenteel een waterpark gereali-seerd. Het gehele Bosscherveld wordt afgegraven en circa3 m verlaagd, waarbij grind wordt gewonnen (foto 1).De uitgangssituatie voor het realiseren van de waterkracht-2Waterkracht in Borgharen 52010 47SP bij 250 m3/s+44.100+45.000+29.780+30.280+39.850 +40.000+51.250+47.000+48.200+45.000 +45.000HW 1/250 jr.+45.970LLW bij 10m3/s+38.400LW bij 250m3/s+38.650HHW 1/250 jr.+46.500+44.100+34.700+27.500onderwaterbetonuitvullaag (zand) met werkvloeronderwaterbeton dik 1500+30.635SNP400+39.000+39.700onderwaterbetonSP bij 10 m3/s+43.900kroosrekbulb*ankerflenszuigbuis*turbinehuis3 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 ? 2 mdieper 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: debouwtijd kan van tevoren redelijk nauwkeurig worden inge-schat. Dit is belangrijk vanwege de invloed van het risico vanhoogwater op de planning. Tevens is er het voordeel dat detrekelementen een functie hebben in zowel de bouwfase als dedefinitieve fase. Gecombineerd met de mogelijkheid de water-krachtcentrale zelf niet te ontwerpen als een gewichtsconstruc-tie, biedt de bouwmethode met de gesloten bouwkuip de meesteconomische oplossing. Deze methode is ook toegepast bij dewaterkrachtcentrale Alphen, zij het in totaal andere grondcon-dities [5].De in- en uitstroomkanalenBij het ontwerp van het instroomkanaal is het belangrijkstecriterium dat het `aangeboden' stromingsprofiel in het verticalecarr? van 10 x 10 m bij de entree van de centrale zo gelijkmatigmogelijk is. De stroomsnelheid moet over de gehele hoogte enbreedte circa 1 m/s bedragen. Het instroomkanaal vernauwt destroom en wordt tegelijkertijd steeds dieper. De waterkracht-centrale ligt in een flauwe `binnenbocht' van de rivier. Decentrale mag niet te dicht naast de stuw worden geplaatst,vanwege be?nvloeding van de fundering van de stuw. De onder-loopsheid en achterloopsheid van het centrale gebouw en destuw moeten integraal worden bezien. Bij het uitstroomkanaalBouwmethodeVerschillende bouwmethodes zijn overwogen.Caissonmethode (pneumatisch dan wel hydraulisch)De waterkrachtcentrale Linne is gebouwd met de pneumatischecaissonmethode [4]. Op deze locatie bestond de te ontgravengrond uit grind. Tevens golden hier sterke restricties voorwateronttrekking. Deze bouwmethode is zeer succesvol geble-ken.In de kalksteenlagen is de caissonmethode moeilijk uitvoer-baar, omdat niet kan worden vertrouwd op het mechanismevan gecontroleerd bezwijken van de `grond' onder de snijran-den. De hydraulische caissonmethode met een open caissonzou toepassing van zwaar ontgravingsmaterieel toelaten, maarwordt in de kalksteen ook onvoldoende betrouwbaar geacht.Open-bouwkuipmethodeDe open-bouwkuipmethode is uitvoerbaar. Voor de wandenkunnen een boorpalenwand, een diepwand of (voorgeboorde)stalen damwanden worden overwogen. Een diepwand zou inprincipe tevens een functie kunnen vervullen in de definitieveconstructie. Niettemin is de uitvoering van diepwanden exactop de locatie met sterke grondwaterstroming in combinatiemet 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 onvoldoendezekerheid worden verkregen. Bovendien behoeft de water-krachtcentrale, wegens de grote stroomvoerende ruimtes diemoeten kunnen worden drooggezet, trekelementen voor deveiligheid tegen opdrijven. Ook deze trekelementen moeten3themaWaterkracht in Borgharen5201048 Literatuur1 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 waterkrachtcentraleLinne. Cement 1988/9.5 Hijna, L.F., Huiden, E.J., Onderwaterbetonvloer verankerd metgroutankers. Cement 1993/9.is een geleidelijke verbreding en verondieping van belang vooreen optimaal energierendement van de waterkrachtcentrale. Dewanden van de in- en uitstroomkanalen worden uitgevoerdmet stalen damwand, op de diepste locaties voorgeboord. Debodem van de diepste delen zal worden uitgevoerd met onder-waterbeton.ConclusieDe civiele werken van waterkrachtcentrales bij de Nederlandsestuwen vormen een aanzienlijk deel van de investering. Bij dewaterkrachtcentrale Borgharen vormen de natuurlijke conditieseen extra uitdaging. Toch zijn dit niet de redenen dat decentrale nog niet is gerealiseerd. Als neveneffecten bevredigendkunnen worden opgelost, staat niets in de weg deze interessantemogelijkheid van genereren van `witte' stroom te benutten. 4a4b4 In de waterkrachtcentralebij Alphen aan de Maas (a)en Linne (b) zijn ookKaplan-turbines toegepast