TEKNIIKKA JA LIIKENNE Rakennustekniikka Ympäristörakentaminen INSINÖÖRITYÖ UUTELAN KANAVAN RAKENTAMISEN VAIKUTUS POHJAVEDENPINNAN TASOON Työn tekijä: Henri Haverinen Työn valvoja: Simo Hoikkala Työn ohjaaja: Kai Gulin Työ hyväksytty: 16.4.2009 Simo Hoikkala koulutuspäällikkö ALKULAUSE Tämä insinöörityö tehtiin WSP Finland Oy:n Pohjarakennus- ja kalliosuunnittelun toimialal- le. Työn ohjaajana toimi DI Kai Gulin, jota haluan kiittää kannustuksesta sekä aivan erityisesti mielenkiintoisesta aiheesta. Simo Hoikkalaa kiitän työni valvomisesta. Kiitokset myös Helsingin kaupungin kiinteistöviraston Geotekniselle osastolle pohjavesitie- tojen luovuttamisesta käyttööni. Lämmin kiitos kaikille insinöörityön edistymisessä auttaneille ja kannustaneille. Helsingissä 16.4.2009 Henri Haverinen TIIVISTELMÄ Työn tekijä: Henri Haverinen Työn nimi: Uutelan kanavan rakentamisen vaikutus pohjavedenpinnan tasoon Päivämäärä: 16.4.2009 Sivumäärä: 60 s. + 12 liitettä Koulutusohjelma: Ammatillinen suuntautuminen: Rakennustekniikka Ympäristörakentaminen Työn valvoja: koulutuspäällikkö Simo Hoikkala Työn ohjaaja: DI Kai Gulin, WSP Finland Oy Tämä insinöörityö tehtiin WSP Finland Oy:n Pohjarakennus- ja kalliosuunnittelun toimialal- le. Työn tavoitteena oli selvittää Uutelan kanavan rakentamisen vaikutus pohjavedenpin- nan tasoon Helsingin Aurinkolahdessa ja Uutelassa. Lisäksi tavoitteena oli selvittää kana- van suunnitteluvaiheessa tehtyjen pohjavedenpinnan tasomuutoksia arvioivien laskelmien ja virtausmallin toteutuminen. Työ suoritettiin vertaamalla Uutelan kanavan alueen pohjavedenpinnan havaintoja raken- tamista ennen, aikana ja jälkeen. Havaintoja verrattiin ennen rakentamista tehtyjen las- kelmien ja virtausmallin tuloksiin. Lisäksi työhön kuuluu kirjallisuustutkimus pohjavedestä, sen käyttäytymisestä ja pinnan aleneman arvioimisesta. Vertailujen perusteella saatiin käsitys Uutelan kanavan rakentamisen aiheuttamista pohja- vedenpinnan tasomuutoksista sekä pohjavedenpinnan alenemalaskelmien toteutumises- ta. Uutelan kanavan rakentamisen seurauksena pohjavedenpinnan taso alueella on laskenut, joskin rakentamisen jälkeiset pohjavesihavainnot ovat osin puutteelliset. Pohjavedenpin- nan aleneman suuruusluokka kanavan ympäristössä on suurimmillaan useita metrejä. Aleneman vaikutusalue ulottuu kanavasta suurimmillaan noin 200 metrin etäisyydelle. Suunnitteluvaiheen laskelmat vastasivat varsin hyvin rakentamisen jälkeisiä havaintoja, vaikkakin suurin osa pohjavedenhavaintoputkista tuhoutui rakentamisen aikana. Raken- tamisen jälkeisten pohjavedenpinnan havaintojen rajallisuudesta johtuen luotettavaa ver- tailua laskelmien toteutumisesta ei ole voitu suorittaa tietyillä osin kanavaa. Avainsanat: Uutelan kanava, pohjavesi, pohjavesitarkkailu, pohjaveden alenema, vir- tausmalli ABSTRACT Name: Henri Haverinen Title: The Effect of the Uutela Canal Construction on Groundwater Levels Date: 16 April 2009 Number of pages: 60 pages + 12 app. Department: Study Programme: Civil Engineering Environmental Construction Engineering Supervisor: Simo Hoikkala, Head of Civ. Eng. Dept. Instructor: Kai Gulin, M.Sc., WSP Finland Oy This thesis was made for the Ground and Rock Engineering unit of WSP Finland. The purpose of the thesis was to explore how the construction of the Uutela Canal has changed the groundwater level in Aurinkolahti and Uutela in Helsinki. The second goal of the thesis was to examine how accurate the calculations of the groundwater level changes and the groundwater flow model were. The calculations and the model were made during the designing of the canal. The study was conducted by comparing the measured groundwater levels before, during and after the construction of the Uutela Canal. The measured levels were compared to the calculations and the predictions of the flow model. The study included also a literature research of groundwater and its behaviour, and the basics of estimating the groundwater drawdown. As a result of the comparison, understanding was gained on how the construction of the Uutela Canal will affect the groundwater levels next to the canal and how accurate the calculations of groundwater drawdown are. After the construction of the Uutela Canal the groundwater level around the area has been lower than before, although the measurements after the construction are insufficient. The range of the drawdown next to the canal has been a few meters and the drawdown ex- tends to a maximum of around 200 meters from the canal. The calculations were quite similar to the measured groundwater levels, although most of the measurement sensors were damaged during the construction. The comparison to the actualized groundwater levels is unreliable at some parts of the Uutela Canal due to the lack of the measured groundwater levels after the construction. Keywords: Uutela Canal, groundwater, groundwater observation, groundwater draw- down, groundwater flow model SISÄLLYS ALKULAUSE TIIVISTELMÄ ABSTRACT 1 JOHDANTO 1 1.1 Taustaa 1 1.2 Tavoitteet ja tutkimuskysymykset 2 1.3 Tutkimusmenetelmät 2 1.4 Työn tilaaja 2 2 YLEISTÄ POHJAVEDESTÄ 4 2.1 Veden kiertokulku 4 2.2 Maan vesivyöhykkeet 4 2.3 Pohjaveden muodostuminen 6 2.4 Pohjaveden purkautuminen 7 2.5 Pohjaveden tasovaihtelut 8 2.6 Pohjaveden aleneman arviointi 8 2.6.1 Darcyn laki 9 2.6.2 Dupuitin approksimaatio 13 2.6.3 Pohjavesi- ja kaivohydrauliikka 13 3 RAKENNUSKOHTEEN YLEISTIEDOT 16 3.1 Vuosaaren alueen historiaa 16 3.2 Luonto-olosuhteet 18 3.3 Vuosaaren pohjavesialue 19 3.4 Uutelan kanava 20 3.4.1 Kanavan sijainti 21 3.4.2 Kanavan rakenne ja rakenteet 23 4 RAKENTAMISTA EDELTÄNEET SELVITYKSET 25 4.1 Pohjatutkimukset 25 4.2 Pohjavesitarkkailu 25 4.3 Koepumppaukset 25 5 RAKENTAMISTA EDELTÄVÄ TILANNE 29 5.1 Geologia ja pohjasuhteet 30 5.2 Rakentamista edeltävät pohjavesihavainnot 33 5.2.1 Merivesiallas 33 5.2.2 Keskiallas 34 5.2.3 Yläallas 34 5.3 Pohjaveden aleneman vaikutusalueen arviointi ja tarkastelujen tulokset 35 5.3.1 Analyyttinen tarkastelu 35 5.3.2 Virtausmallitarkastelu 37 6 RAKENTAMISENAIKAINEN TILANNE 41 6.1 Rakentamisratkaisuihin vaikuttaneet seikat 41 6.2 Rakentamisenaikaiset pohjavesihavainnot 44 6.2.1 Merivesiallas 45 6.2.2 Keskiallas 45 6.2.3 Yläallas 45 7 RAKENTAMISEN JÄLKEINEN TILANNE 47 7.1 Rakentamisen jälkeiset pohjavesihavainnot 47 7.1.1 Merivesiallas 47 7.1.2 Keskiallas 48 7.1.3 Yläallas 48 7.2 Muut havainnot 48 8 VERTAILU LASKETTUIHIN ARVIOIHIN 49 8.1 Pohjavedenpinnan kolmiomalli 49 8.2 Yhteneväisyydet ja erot 50 8.2.1 Merivesiallas 50 8.2.2 Keskiallas 51 8.2.3 Yläallas 51 9 JOHTOPÄÄTELMÄT 53 9.1 Laskelmien toteutuminen 54 9.1.1 Analyyttinen tarkastelu 54 9.1.2 Laskennallinen virtausmalli 55 9.2 Tarvittavat lisäselvitykset 55 VIITELUETTELO 57 HAASTATTELUT 59 LIITELUETTELO 60 1 1 JOHDANTO 1.1 Taustaa Pintavesien huonontuneen laadun takia pohjavedestä on tullut yhä tärkeäm- pi käyttöveden lähde Suomessa. Sen käyttö on lisääntynyt sekä suhteelli- sesti pintavesiin nähden että kokonaismäärän osalta, vaikka veden koko- naiskulutus onkin laskenut viime vuosina. Ennusteiden mukaan vuonna 2010 pohjaveden osuus käytetystä vedestä olisi noin 70 %. Pohjaveden merkitys ei tämän vuoksi ole aivan vähäinen, minkä vuoksi pohjavesialueita myös suojellaan. [1, s. 53; 2, s. 11 - 12.] Pohjaveden ja rakentamisen yhteys on moninainen. Pohjavesi aiheuttaa ra- kenteille monia vaatimuksia. Esimerkiksi maan alle tai kallioon rakennettavat tilat on joko tehtävä vesitiiviiksi tai toteutettava sopiva pohjavesien kuivatus- järjestely. Pohjavesi on myös otettava huomioon syviä kaivantoja suunnitel- taessa kuin myös itse kaivannon työjärjestelyissä. Toisaalta rakentamisesta saattaa olla haittaa pohjavesille. Rakentamisessa käytetyt materiaalit saattavat olla myrkyllisiä tai muutoin vaarallisia, jolloin niiden päätyminen maahan ja sitä kautta pohjaveteen ei ole suotavaa. Ra- kentamisen vaikutus pohjavedenpinnan tasoihin ei sekään ole aivan merki- tyksetön. Pohjavedenpinnan aleneminen aiheuttaa maaperässä kuormituk- sen lisäyksen, joka pehmeikköalueilla johtaa maapohjan painumiseen ja ra- kenteiden mahdolliseen vaurioitumiseen. Puupaaluperustusten lahoaminen ja kaivojen kuivuminen ovat myös mahdollisia seurauksia pohjavedenpinnan alenemisesta. Suunnitteluvaiheessa onkin tärkeää selvittää rakentamisen aiheuttaman pohjaveden aleneman suuruus ja vaikutusalue. [3, s. 17.] 2 1.2 Tavoitteet ja tutkimuskysymykset Insinöörityön tavoitteena oli selvittää Uutelan kanavan rakentamisen vaiku- tus pohjavedenpinnan tasoon Helsingin Uutelan ja Aurinkolahden alueella. Laskivatko pohjavedenpinnan tasot kanavan rakentamisen aikana? Palau- tuivatko pohjavedenpinnat alkuperäiseen tasoonsa rakennustöiden loputtua? Lisäksi tavoitteena oli selvittää, kuinka paikkansapitäviä Uutelan kanavan suunnitteluvaiheessa tehdyt laskelmat pohjavedenpinnan tasojen muutoksis- ta olivat. Erosivatko lasketut pohjavedenpinnan tasomuutokset toteutuneista taso- muutoksista? Mitä yhtäläisyyksiä lasketuilla ja havaituilla arvoilla oli? 1.3 Tutkimusmenetelmät Tutkimus suoritettiin pyytämällä Helsingin kaupungin kiinteistöviraston Geo- tekniseltä osastolta Aurinkolahden ja Uutelan alueella suoritettujen pohjave- denhavaintopisteiden tulokset vuodesta 2000 alkuvuoteen 2009 asti. Tutkimuspisteiden havaintoja vertailemalla saatiin määriteltyä alueen pohja- vedenpinnan tasot ajalla ennen Uutelan kanavan rakennustöiden aloittamis- ta, rakennustöiden ajalta sekä ajalta jolloin kanavan rakennustyöt on saatu päätökseen ja pohjavedenpinnan voidaan olettaa vakiintuneen uuteen ta- soonsa. Insinöörityöhön kuului pohjavedenpinnan havaittujen tasojen vertaaminen Uutelan