FLOMVURDERINGER VED STJØRDALSELVA OG BEKKEKRYSSINGER FOR 200-ÅRSFLOMMEN

Transkript

1 STATENS VEGVESEN Hydrologiske og hydrauliske beregninger E14 Forra-Sona OPPDRAGSNUMMER FLOMVURDERINGER VED STJØRDALSELVA OG BEKKEKRYSSINGER FOR 200-ÅRSFLOMMEN

2

3

4 200-årsflommen, inklusive 50 % klimatillegg, mens kulverten «Skansbekken E14» har stor nok kapasitet. «Åsmobekken E14» og «Skansbekken E14» bør sikres mot erosjon med plastring av stein.

5 Innholdsfortegnelse 1 Innledning 1 2 Flomvannføringer Metode Stjørdalselva ovenfor samløp Forra Bekker Beregning med formelverk for små uregulerte nedbørfelt Beregning med rasjonelle metode Valgt flomstørrelse 6 3 Vannlinjeberegning Stjørdalselva Forutsetninger i hydraulisk modell Resultater Sensitivitet for nedre grensebetingelse Vannlinje i forhold til ny E Oversvømt strekning på ny E Anbefalt veg høyde Sensitivitet for ruhet Begrensninger 12 4 Bekkekryssinger Befaring Kapasitetsberegning og nødvendige dimensjoner Metode Resultater og løsningsforslag Erosjonssikring 15

6 4.3.1 Metode Bekkekryssing Åsmobekken Bekkekryssing Skansbekken 19 Referanser 21 Bilag 1 Nedbørfeltparametere fra NEVINA 2 Intensitet-varighet-frekvens-kurve stasjon nr Trondheim - Risvollan 3 Kart over oversvømt areal, vanndybde og vannhastighet 4 Bilder fra befaringen 5 Resultater kapasitetsberegning kulverter

7 1 Innledning På oppdrag fra Statens vegvesen har Sweco gjennomført vannlinjeberegninger i Stjørdalselva langs ny E14 på strekningen Forra-Sona i Stjørdal kommune, Nord- Trøndelag (Figur 1). En 2D hydraulisk modell basert på laserdata og planlagt veggeometri ble bygd opp, for å utrede hvilken effekt en 200-årsflom har på vegstrekningen. Flomvannføringer for Stjørdalselva ovenfor samløp Forra og for to bekker som krysser E14 (Figur 1) ble beregnet. Videre ble kapasiteten av eksisterende bekkekryssinger til å avlede 200-årsflommen og nødvendige dimensjoner beregnet. Behov for erosjonssikring ved bekkekryssinger ble vurdert. Forra Kjerka Litlåsmoen Skansen Sona Figur 1: Kart over planlagt E14 strekning Forra-Sona med beliggenhet av samløp Forra og Sona med Stjørdalselva, bekkekryssinger ved Litlåsmoen og Skansen, dren ved Kjerka, grense av hydraulisk modell, og nedbørfeltgrenser. 1(21)

8 2 Flomvannføringer 2.1 Metode Dimensjonerende flom for planlegging av ny E14 er flommen med gjentaksintervall på 200 år (Statens vegvesen, 2014). 200-årsflommen (Q200) for Stjørdalselva ovenfor samløp med Forra ble beregnet ved bruk av eksisterende flomberegninger årsflommen for kryssende bekker (Åsmobekken, Skansbekken) ble beregnet ved bruk av formelverk for små uregulerte nedbørfelt, i henhold til NVE sine retningslinjer (NVE, 2015), og til sammenligning med den rasjonelle metode. Formelverket beregner middelflom og vannføringer med høyere returperioder, direkte på kulminasjonsverdier, for små uregulerte nedbørfelt i Norge (0,2 km 2 til ca. 50 km 2 ). Formelverket består av ett sett med ligninger for hele Norge, som er basert på tre inngangsparametere (nedbørfeltets areal, normalavrenning, og effektiv sjøprosent). Ligningenes gyldighet ligger i følgende intervaller: areal 0,2-53 km 2, normalavrenning l/s/km 2, effektiv sjøprosent 0-21 % (NVE, 2015). Feltparametere for kryssende bekker ble hentet fra NVEs lavvannskart ( se også Bilag 1). Åsmobekken og Skansbekken har en nedbørfeltstørrelse på henholdsvis 0,6 km 2 og 1,7 km 2. Den rasjonelle metode er egnet for små nedbørfelt med areal mindre enn 2-5 km 2 (Statens vegvesen, 2014). Nedbørdata (intensitet-varighet-frekvens-(ivf)-kurver) fra eklima ( er lagt til grunn i flomberegningen med den rasjonelle metode. Konsentrasjonstiden (i minutter) for naturlige felt beregnes etter følgende formel: = 0,6, der Feltlengde [m] Høydeforskjell i feltet [m] Effektivt sjøareal [-] Nedbørintensiteten bestemmes fra IVF-kurven for et gitt gjentaksintervall og en varighet som er lik feltets konsentrasjonstid. Avrenningen Q beregnes etter følgende formel: = der Avrenningsfaktor [-] Nedbørintensitet [l/s/km 2 ] Feltareal [km 2 ] Klimafaktor [-] Avrenningsfaktorer ble valgt i henhold til anbefalingene i Statens vegvesen (2014). 2(21)

9 2.2 Stjørdalselva ovenfor samløp Forra Ifølge Pettersson (2003) har Stjørdalselva en kulminasjonsvannføring på Q200 = 1670 m 3 /s ved Hegra bru, ca. 3,3 km nedstrøms samløpet med Forra. Forra har en kulminasjonsvannføring på Q200 = 471 m 3 /s ved Forra bru (Sweco, 2013). Kulminasjonsvannføringen i Stjørdalselva ovenfor samløp Forra beregnes ved differansen mellom de to nevnte verdiene, til Q200 = 1199 m 3 /s. Det ble valgt å ikke legge på et klimapåslag. Ifølge Lawrence & Hisdal (2011) vil 200-årsflommen kunne reduseres med opptil 10 % i denne delen av landet som følge av klimaforandringer frem til år Den eventuelle reduksjonen av flommen blir betraktet som sikkerhetsmargin i modellberegningene her. 2.3 Bekker Beregning med formelverk for små uregulerte nedbørfelt Spesifikk normalavrenning qn, for bekkene Åsmobekken og Skansbekken er henholdsvis 28,9 l/s/km 2 og 33,0 l/s/km 2 ut ifra lavvannskartet (NEVINA). En sammenligning med verdier beregnet fra målte vannføringsdata fra tre NVE-stasjoner i nærheten (se Figur 2 og Tabell 1) viser at disse er realistiske verdier. Spesifikk normalavrenning i nedbørfeltet til Hokfossen og Børstad målestasjon er nesten lik (Tabell 1). Verdien for Høggås bru målestasjon er imidlertid høyere (43,0 l/s/km 2 ). Den høyere verdien kan forklares med nedbørfeltets karakteristikk (Tabell 2). Nedbørfeltet til Høggås bru er mye større, inkluderer høyt fjell og har mye lavere andel skog enn de andre nedbørfeltene. Hokfossen målestasjon egner seg som sammenligningsstasjon ut ifra feltparameterne feltstørrelse, skogandel og bratthet, men ligger lengst unna. Børstad målestasjon egner seg bedre i forhold til høydeintervall, sjøprosent og avstand. Basert på forrige betraktningene er det konkludert med at 28,9 og 33,0 l/s/km 2 er rimelige verdier for spesifikk normalavrenning for nedbørfeltene Åsmobekken og Skansbekken. Detaljert nedbørfelt karakteristikk for Åsmobekken og Skansbekken er gitt i Bilag 1. 3(21)

10 Tabell 1: Sammenligning av spesifikk normalavrenning qn for bekkene som krysser E14 på strekningen Forra-Sona med verdier beregnet fra målte vannføringsserier. Nedbørfelt q N, (NEVINA) (l/s/km 2 ) Åsmobekken 28,9 - Skansbekken 33, Hokfossen 1 27,6 30, Høggås bru 2 41,7 43, Børstad 3 25,2 29,1 1: normalavrenning beregnet fra vannføringsserie år , NVE database 2: normalavrenning beregnet fra vannføringsserie år , NVE database 3: normalavrenning beregnet fra vannføringsserie år , NVE database Normalavrenning q N,beregnet (l/s/km 2 ) Figur 2: Beliggenhet av målestasjonene brukt til sammenligning av normalavrenning. 4(21)

11 Tabell 2: Karakteristikk av nedbørfelt. Nedbørfelt Areal (km 2 ) Effektiv sjøpr. (%) Andel skog (%) Min. høyde (moh) Maks. høyde (moh) Åsmobekken 0,6 0,0 93, Skansbekken 1,7 0,0 89, Hokfossen 8,0 1,2 75, Høggås bru 494,7 2,4 28, Børstad 48,5 0,2 60, Gradient (m/km) 200-årsflommen i Åsmobekken og Skansbekken ved kryssing av E14 er beregnet til henholdsvis 6,4 m 3 /s og 2,3 m 3 /s, inklusive 50 % klimatillegg iht. Statens vegvesen (2014) (Tabell 3). Spesifikke vannføring q200 ligger innenfor grensene for rimelige verdier for små nedbørfelt, mellom 2000 og 5300 l/s/km 2 (NVE, 2015). Tabell 3: Resultat av flomberegning fro Åsmobekken og Skansbekken med formelverk for små uregulerte nedbørfelt. Enhet Åsmobekken Skansbekken qn, l/s/km 2 28,9 33,0 Q200 m 3 /s 1,6 4,3 q200 l/s/km Klimafaktor - 1,5 1,5 Q200,klima50% m 3 /s 2,3 6, Beregning med rasjonelle metode Til sammenligning ble Q200 beregnet med den rasjonelle metode. Etter en sammenligning av nedbørdata fra 7 stasjoner i Nord- og Sør-Trøndelag ble det valgt IVF-kurven som er basert på den lengste måleserien (28 år) fra en stasjon i nærheten, og har høyere nedbørintensitet for 200 års gjentaksintervall enn andre stasjoner i nærheten (10-50 % høyere, konservativt valg, stasjon nr Trondheim - Risvollan, Bilag 2). Den midlere avrenningsfaktor ble beregnet til 0,33 og 0,36 for henholdsvis Åsmobekken og Skansbekken (arealandeler fra NEVINA som gitt i Bilag 1). Med konsentrasjonstid og 5(21)

12 nedbørintensitet fra IVF-kurven som gitt i Tabell 4 og Tabell 5 ble 200-årsflommen, inklusive 50 % klimatillegg, beregnet til henholdsvis 3,4 m 3 /s og 6,7 m 3 /s. Tabell 4: Beregning av konsentrasjonstid for nedbørfeltet til Åsmobekken og Skansbekken. Areal (km 2 ) Lengde (m) Høydeforskjell (m) Effektiv sjøprosent (%) Åsmobekken 0, Skansbekken 1, Konsentrasjonstid (minutter) Tabell 5: Resultat av flomberegning for Åsmobekken og Skansbekken med rasjonelle metode. Enhet Åsmobekken Skansbekken Nedbørintensitet l/s/ha Q200 m 3 /s 2,3 4,5 q200 l/s/km Klimafaktor - 1,5 1,5 Q200,klima50% m 3 /s 3,4 6, Valgt flomstørrelse Begge metoder medfører usikkerhet. For nasjonalt formelverk er den største usikkerheten knyttet til normalavrenningen, for rasjonelle metode til nedbørintensiteten og valget av avrenningsfaktorer. For Skansbekken stemmer resultatene fra formelverket og rasjonelle metode godt overens, mens flomverdien Q200 fra rasjonelle formel for Åsmobekken ligger 45 % over verdien fra formelverket (2,3 vs. 1,6 m 3 /s). Den rasjonelle metode gir mye høyere spesifikk avrenning under 200-årsflommen for Åsmobekken enn formelverket (Tabell 3 og Tabell 5). Det vurderes som lite sannsynlig at spesifikke avrenningen er så forskjellig fra nabonedbørfeltet Skansbekken. Formelverket gir spesifikk avrenning i samme størrelsesorden for Skansbekken (Tabell 3 og Tabell 5). Det ble derfor valgt å bruke resultatet fra formelverket rundet opp. Således ble det videre regnet med Q 200,50%klima lik 2,5 m 3 /s for Åsmobekken og 6,5 m 3 /s for Skansbekken som grunnlag for vurdering av dimensjoner og erosjonssikring ved bekkekryssinger. 6(21)

13 3 Vannlinjeberegning Stjørdalselva 3.1 Forutsetninger i hydraulisk modell Programvaren HEC-RAS ble brukt til å beregne vannlinjer under 200-årsflommen, og til å vurdere om nye E14 er påvirket av oversvømmelse på strekningen Forra-Sona. Vannstand og vannhastighet i horisontale retninger (2D) ble beregnet. Den hydrauliske modellen omfatter en strekning av Stjørdalselva på ca. 6 km (Figur 1). Terrengmodellen ble bygd opp ved bruk av laserdata og planlagt veggeometri (Figur 3). Laser måler ikke under vann, men vannoverflaten. Det betyr at elvebunnen ligger høyere i modellen enn i virkeligheten. I en flomsituasjon har dette imidlertid liten effekt på vannlinjen, siden tverrsnittsarealet som vannet skulle fylle i elvebunnen er lite i forhold til hele tverrsnittsarealet ved flom. Laserdataene ble korrigert for feilmålinger (det var ikke mulig med dette laserdatasettet å filtrere ut bare terreng punkter), og tynnet ut til ca. 1 punkt per kvadratmeter, for å redusere dataene til en håndterbar mengde. Høyder i terrengmodellen ble tilpasset på steder med urealistiske terrenghøyder, for eksempel på grunn av trær langs elvekantene eller høyspentlinje kryss av elva. I modellsimuleringene ble det brukt en terrengraster med 1 m cellestørrelse. Den valgte punkttettheten og cellestørrelsen av terrengmodellen vurderes som rimelig til formålet med modellsimuleringen. Sona bru ble ikke modellert, dvs. eventuell oppstuving ved brua kommer ikke frem i modellen. Sona ble ikke modellert som egen elv, men flomvannføringen av Sona ble regnet med i flomverdien for Stjørdalselva. Elvenes og terrengets ruhet (strømningsmotstand), uttrykt ved Mannings ruhetstall, ble lagt inn i modellen (Tabell 6). Verdiene er basert på estimat og erfaring ut ifra litteraturverdier (Chow, 2009), flybilder ( og arealtype kart AR5 ( Grensebetingelsen ble satt som normalstrømning ved nedre grensen av modellen, med en gjennomsnittlig helning av energilinjen på 0,001 ut ifra laserdata ved nedre modellgrense (dvs. helningen av vannspeilet). Ved test av ulike verdier for nedre grensebetingelse ble det utelukket at den har betydning for resultatet i forhold til oversvømmelse av ny E14 (jf. kapittel avsnitt «Sensitivitet for nedre grensebetingelse» i avsnitt 3.2). Som øvre grensebetingelse ble den beregnede flomverdien for Stjørdalselva oppstrøms samløp Forra brukt (jf. kapittel 2.2). Vannføringen ble lagt inn som konstant verdi langs hele den modellerte strekningen, dvs. det ble ikke tatt høyde for avtagende vannføring i oppstrøms retning pga. sidebekker/-elver. Dette tilsvarer et konservativt valg. Vannføringen i den øvre delen av strekningen lagt inn i modellen er høyere enn den er i virkeligheten. 7(21)

14 Tabell 6: Parametere benyttet i hydraulisk modell av Stjørdalselva på strekningen Forra-Sona. Mannings ruhetstall i parentes ble brukt til sensitivitetsanalyse. Parameter Verdi Mannings ruhetstall for ulike overflater i modellberegningen (og i sensitivitetsanalysen): - elveløp 25 (20) m 1/3 /s - dyrket mark 25 (20) m 1/3 /s - gress og busker 20 (10) m 1/3 /s - skog 10 (7,7) m 1/3 /s - fastmark 40 (30) m 1/3 /s - veg, grus/asfalt 50 (40) m 1/3 /s - bebygd 30 (30) m 1/3 /s Øvre grensebetingelse, Q200,klima50% 1199 m 3 /s Nedre grensebetingelse Normalstrømning, I = 0,001 Figur 3: Terrengmodell av modellert strekning ny E14 Forra-Sona. 8(21)

15 3.2 Resultater Sensitivitet for nedre grensebetingelse Større helning av energilinjen (I = 0,00175) som nedre grensebetingelse førte til lavere vannspeil i den nederste delen av den modellerte strekningen, ca. opptil Austre Ingstad. Vannstanden var ca. 0,3 m lavere i svingen nedstrøms Einangsmoen, og ca. 0,1 m lavere ved Åsmobekken. Vannlinjeberegningene for vurderingen om ny E14 er berørt av oversvømmelse ble gjennomført med helning I = 0,001 (konservativt valg), selv om sensitivitetstesten viste at variasjon i helningen som nedre grensebetingelse ikke gjør en forskjell i forhold til ny E14 (vegen ligger relativt høyt på denne strekningen) Vannlinje i forhold til ny E14 Stjørdalselva går godt over elvebreddene under 200-årsflommen og oversvømmer store deler av elveslettene (Figur 4). Ved de fleste stedene der elva er nær E14 ligger vegen imidlertid relativt høyt. Ved Åsmobakkan (VP 4350 til 4600) ligger vegen minst 6 meter høyere enn vannspeilet. Det samme gjelder mellom Grindhølen og Austre Einang (VP 5400 til 6000). En strekning med mindre margin er mellom Kil og Austkil (VP 7220 til 7740). De mest kritiske stedene på denne strekningen er mellom VP 7300 og 7400 (veg nivå ned til ca. 0,7 m over vannspeilet), og ved avkjørselen til Sona bru (VP 7670 til 7740; veg nivå ned til ca. 0,6 m over vannspeilet). Detaljerte kart over oversvømt areal langs ny E14 er vist i Bilag 3. Vannhastigheter på strekningene der elva er nær E14 ble beregnet til opptil 3 m/s ved Åsmobakkan. Mellom Grindhølen og Austre Einang, og mellom Kil og Austkil er vannhastigheter opptil 1,5 m/s. 9(21)

16 Åsmobakkan Grindhølen - Austre Einang Skansen Kil - Austkil Figur 4: Oversvømt areal og vanndybde ved 200-årsflommen i Stjørdalselva på strekningen Forra- Sona. Strekninger der ny E14 oversvømmes er merket med rød sirkel; der det er liten margin med gul sirkel; og der det er god margin med svart sirkel Oversvømt strekning på ny E14 Den eneste strekningen på ny E14 som settes under vann ved 200-årsflommen i Stjørdalselva er ved Skansen (VP 6500 til 6850). Vanndybden er opptil 0,3 meter på vegen (Figur 5), vannstanden er 22,9 moh. Vannhastigheter på vegen er under 1 m/s. Nært vegen er vannhastigheter opptil 2 m/s ved den østlige enden av profilen i Figur 5. 10(21)

17 Figur 5: Profil (øvre del) og beliggenhet av profilen (fiolett strek, nedre del) på ny E14 ved Skansen (VP 6410 til 6960), som viser oversvømt areal, vegens høyde (rød linje) og vannlinje (blå linje) fra vest til øst langs vegen. 0 m i profilen tilsvarer VP Legg merke til forskjellig skala på y- og x- akse Anbefalt veg høyde På veg strekningene med fare for oversvømmelse anbefales det å legge vegen høyere enn i veggeometrien som er lagt til grunn for modellberegningene. Ved Skansen bør vegen heves til minst 23,4 moh mellom VP 6510 og VP 6730 (sikkerhetsmargin fra vannspeilet på 0,5 m) Sensitivitet for ruhet Modellen ble kjørt med høyere ruheter (jf. Mannings ruhetstall i Tabell 6), for å se på effekten av dette på vannlinjen og vannstanden. Det viste seg at det er tilstrekkelig å heve vegen ved Skansen på minst 23,4 moh. Dette veg nivået skal være høyt nok til å hindre at vegen oversvømmes, selv ved høyere ruhet. 11(21)

18 3.3 Begrensninger Det er viktig å nevne at det er knyttet usikkerhet til beregningene med HEC-RAS modellen. Grunnlagsdata til å kalibrere modellen var ikke tilgjengelig. Det ble tatt konservative valg (terrengmodell, nedbørdata, grensebetingelser). Det betyr at det er sannsynlig at vannstander ligger noe lavere i virkeligheten enn i de her gjennomførte modellsimuleringene. Eventuell oppstuving ved Sona bru og innflytelsen av strømningsretninger på vannstanden ved samløpet av Sona med Stjørdalselva ble ikke modellert. Det er vurdert at sikkerhetsmarginen som følge av konservative valg er større enn en vannstandsøkning man får fra eventuelle oppstuvingseffekter. Anbefalingene i avsnittet «Anbefalt veg høyde» i kapittel 3.2 er basert på modellberegninger med veggeometri for ny E14. Beregningene ble ikke gjennomført med veggeometri justert til de anbefalte høydene ved Skansen, dvs. det ble ikke sjekket om modellen viser at hevet veg forhindrer oversvømmelse. 4 Bekkekryssinger 4.1 Befaring Befaring ble gjennomført 12. oktober Bekkekryssinger ble registrert (Tabell 7), og forløpet av bekker ved Skansen ble sjekket. Ved Kjerka dreneres en teig på nord-øst siden av E14, og vannet ledes i dag i rør under E14 inn i en kumm på sør-vest siden av vegen (VP 3870, Figur 1 og 2 i Bilag 4). Q200,50%klima ble beregnet til 0,7 m 3 /s. Åsmobekken Mellom Åsmobakkan og Litlåsmoen samles vann fra dyrket mark på øst siden av E14 i en senkning øst for E14 (VP 4705, Figur 3 i Bilag 4). Åsmobekken blir ledet dit i rør under dyrket mark. I en flomsituasjon har dette røret sikkert ikke nok kapasitet, og marka på øst siden av E14 vil være oversvømt, med utløp i senkningen ved VP Det går i dag rør under E14, med utløp til en senkning på vest siden av vegen («Åsmobekken E14» i Tabell 7 og Figur 4 i Bilag 4). Derfra er det et rør under dyrket mark, med utløp i skråningen ca. 70 m lengre vest («Åsmobekken rør vest», Figur 5 i Bilag 4). Fra rørets utløp renner vannet i bekk til Stjørdalselva (Figur 6 i Bilag 4). I tillegg finnes det en kumm ved sørlige enden av dyrket mark på øst siden av E14 (VP 4770, Figur 7 i Bilag 4). Skansbekken Basert på observasjon ble det konkludert med at vann fra to små bekker øst for Skansbekken, ned fra Bjørnmyra, blir ledet til kulverten i Skansbekken under E14. Nedbørfeltareal til de to bekkene ble således regnet med i nedbørfeltet til Skansbekken ved kryssingen av E14. 12(21)

19 Skansbekken har ved kryssingen av E14 en kulvert og et rør tett etter hverandre. Under E14 (VP 6515, «Skansbekken E14» i Tabell 7 og Figur 8 i Bilag 4) går Skansbekken i en relativt stor kulvert utformet som bue av betongelementer. Noen få meter nord for E14 (oppstrøms) ledes bekken i rør under en traktorveg («Skansbekken traktorveg», Figur 9 i Bilag 4). Tabell 7: Dimensjoner på eksisterende kulverter og rør på E14 mellom Forra og Sona. Kulvert/rør Åsmobekken E14 Åsmobekken rør vest Skansbekken E14 Skansbekken traktorveg Profil nr. E14 Form, materiale 4705 sirkulær, betong 4705 sirkulær, plast 6515 bue, betong 6515 sirkulær, betong Diameter/ bredde, høyde (m) Lengde (m) Overfyllingshøyde (m) Helning, bestemmende tverrsnitt ( ) 0,6 15 2,0 9, innløp 0,3 66 0,8 71, innløp 2,7; 2,1 11 1,3 3, utløp 1,0 6 0,8 9, innløp 4.2 Kapasitetsberegning og nødvendige dimensjoner Metode Eksisterende kulverter og rør ble kontrollert for avledningskapasitet ved 200-årsflommen, inklusive 50 % klimatillegg. Vannstanden ved innløp til kulvert/rør ble beregnet i henhold til metoden presentert i NVE (2010). Det ble forutsatt dykket innløp for både innløps- og utløpskontroll, dvs. beregningen inkluderer reservekapasiteten som dykket innløp gir. Kapasiteten ved innløpskontroll er bestemt med formel for dykket utløp fra et basseng: = 2 der Q er vannføring, c er tapskoeffisient, A er tverrsnittsareal, g er tyngdeakselerasjon og y er vanndybde. Følgende tapskoeffisienter c brukes: c = 0,36 for y = D c = 0,40 for y = 1,2 D 13(21)

20 c = 0,44 for y = 1,4 D D er diameter ved sirkulær kulvert og høyde for rektangulær kulvert. Kapasiteten ved utløpskontroll avhenger av tap tatt hensyn til i Bernoullis ligning (utløpstap, innløpstap, friksjonstap). Ved følgende formel beregnes forskjellen i vannstand mellom innløp og utløp: = + +1 hvor = / der Ki er innløpskoeffisient lik 0,5, og utløpskoeffisienten er satt lik 1. M er Mannings ruhetstall (80 m 1/3 /s for rør/kulvert i betong, 100 m 1/3 /s for plast); L er lengden, R er hydraulisk radius, og v er vannhastighet Resultater og løsningsforslag Kapasitetsberegningen viste at tre eksisterende rør (Åsmobekken E14, Åsmobekken rør vest, og Skansbekken traktorveg) ikke har stor nok kapasitet til å avlede 200-årsflommen, inklusive 50 % klimatillegg, mens kulverten «Skansbekken E14» har stor nok kapasitet. Overfyllingshøyder ble bestemt ut ifra egne målinger og høyder på ny E14. For «Skansbekken E14» ble det brukt halvsirkel form istedenfor bue form, med bredde i bunnen av buen som diameter (konservativt valg). Detaljerte resultater er vist i Bilag 5. «Skansbekken E14» kan således beholdes eller modifiseres ved bygging av ny E14. Det ble kontrollert at kulverten har stor nok kapasitet, selv om den forlenges til 16 m (tilsvarer antatt ny bredde på E14, målt fra digitalt kart og veggeometri). De tre andre rør må skiftes ut eller bygges om. Foreslåtte løsninger og dimensjoner fremgår av Tabell 8. For Åsmobekken er det foreslått to alternative løsninger. Den første er å lede Åsmobekken i to parallelle rør under ny E14 til vest siden av vegen, og derfra i to rør med lik diameter til bekken nedenfor skråningen ca. 65 m lengre vest. På grunn av større diameter enn på eksisterende rør forutsetter dette å legge underkantene av de to rørene på vest siden av vegen lavere enn i dag (mellom 0,5 m og 1 m; fall til utløp stort nok), slik at nok overfyllingshøyde blir ivaretatt. Det andre alternativet er å lede Åsmobekken i ett større rør under ny E14 hele vegen til bekken nedenfor skråningen ca. 65 m lengre vest, dvs. å koble sammen «Åsmobekken E14» og «Åsmobekken rør vest» (nederst i Tabell 8). Røret «Skansbekken traktorveg» er vanskelig å oppgradere, siden stor rørdiameter, ca. 2 m, må til for å kunne avlede dimensjonerende flom, mens terrengforholdene ikke gir nok høyde til overfylling. En omfattende konstruksjon lignende bekkekryssingen under E14 rett nedstrøms, en rektangulær konstruksjon, eller tilrettelegging av terrenget, virker ikke hensiktsmessig for en traktorveg som lokal adkomst til en teig. Dessuten har bekkekryssing på en slik veg ikke krav på kapasitet til 200-årsflom (Statens vegvesen, 2014). Det bør derfor vurderes om eksisterende rør beholdes eller eventuelt fjernes, dersom adkomst til teigen kan tilrettelegges et annet sted, f.eks. fra vegen vest for teigen. 14(21)

21 Tabell 8: Foreslåtte løsninger og minimums dimensjoner på bekkekryssinger langs ny E14 Forra- Sona for å kunne avlede 200-årsflommen, inklusive 50 % klimatillegg. Endringer ift. eksisterende markert med stjerne *. Kulvert/rør Antall løp Form, materiale Diameter/ bredde, høyde (m) Lengde (m) Overfyllingshøyde (m) Annet Åsmobekken E14 2* sirkulær, betong 0,9* 15 1,7* Åsmobekken rør vest Skansbekken E14 2* sirkulær, plast 1 bue, betong 0,9* 66 0,7* Senkning underkant rør, sikring med rist * 2,7; 2,1 16* 1,3 Alternativ løsning for Åsmobekken E14 og Åsmobekken rør vest: Kombinert rør Åsmobekken E14 + rør vest 1 sirkulær, betong 1,2* 84* 1,4* Sikring med rist * 4.3 Erosjonssikring Metode Utløp av kulverter og rør skal sikres mot erosjon, dersom det forventes strømningshastigheter som har potensialet til å erodere masse ved utløpet. Det ble brukt NVEs veileder for dimensjonering av erosjonssikringer av stein (NVE, 2009). I veilederen anbefales det plastring med stein under utløpet for mindre kulverter, og energidreperbasseng for større kulverter (diameter > 1,5 m) Bekkekryssing Åsmobekken På grunn av stor lengde og helning for begge løsningsalternativer for kryssingen av Åsmobekken (to parallelle rør for både «Åsmobekken E14» og «Åsmobekken rør vest» versus et rør som kobler sammen «Åsmobekken E14» og «Åsmobekken rør vest») blir vannhastigheten ved utløpet høy. Samtidig er det finkornet masse på teigen, i skråningen, og bekkeløpet der utløp er plassert. Utløp må derfor sikres mot erosjon. Med tanke på omfang av erosjonssikringen og kostnader er løsningsalternativet med et rør å 15(21)

22 foretrekke. Derfor er utredning av erosjonssikringen for Åsmobekken her presentert bare for løsningen med et rør. NVE (2010), Figur 10.14, gir største tillatte vannhastighet ved utløpet av kulverter ift. erosjon, avhengig av midlere partikkelstørrelse og vanndybde. Ved antatt midlere partikkelstørrelse på 30 mm og vanndybde på 0,5 m er den maksimale vannhastigheten 1,3 m/s ved utløpet av «Åsmobekken rør vest». Vannhastigheten ved utløpet er imidlertid mye større enn denne grenseverdien. Ifølge Tabell er vannhastigheten ved utløp av betongrør med innløpskontroll, diameter D = 1,2 m, lengde L = 24 m og helning I = 0,05 lik v0 = 5,2 m/s. Både lengde og helning er større for «Åsmobekken rør vest» (henholdsvis 84 m og 60 ). I tillegg ble vannhastigheten beregnet grovt med Bernoullis ligning (resultat: 5 m/s). Med et sikkerhetspåslag ble det således valgt å bruke v0 = 5,5 m/s som dimensjonerende vannhastighet. Kulvertdiameteren D = 1,2 m er mindre enn 1,5 m. I tillegg er plassen mellom skråningen og åkeren begrenset. Det ble ikke observert erosjonsskade på befaringen. Et energidreperbasseng krever større utstrekning enn plastring. Det foreslås derfor å sikre utløpsområdet mellom skråningen og åkeren med plastring. I henhold til NVE (2009) bestemmes stabil steinstørrelse D50 avhengig av kulvertdiameter D, vannføring Q, og nivå på undervannet TW: Med D = 1,2 m, Q = 2,5 m 3 /s og TW = 0,4* D = 0,48 m blir steinstørrelsen lik 242 mm. Utstrekningen av plastringen bestemmes i henhold til følgende tabell fra NVE (2009): 16(21)

23 Med en valgt steinstørrelse D50 på 250 mm beregnes plastringens lengde til 7 m, og tykkelse til 0,6 m. Utformingen av plastringen er skissert i Figur 6. Samtidig er det viktig å påpeke at utløpet av «Åsmobekken rør vest» vil iht. modellberegningene være dukket under 200-årsflommen i Stjørdalselva. Beregnet vannstand i Stjørdalselva ligger på 19,3 moh ved dette stedet, mens underkanten av utløpet bør ligge på ca. 17,8 moh. Stående eller sakte flytende vann ved utløpsområdet (vannhastighet < 0,5 m/s i hydraulisk modell) vil motvirke bremsing av vannet fra kulverten. Det er hensiktsmessig å forlenge plastringen og føre den frem til muren bygd av steinblokker langs kanten av åkeren. 17(21)

24 Figur 6: Skisse erosjonssikring bekkekryssing Åsmobekken: Plan, snitt A og snitt B. 18(21)

25 4.3.3 Bekkekryssing Skansbekken Vannhastigheten ved utløpet av «Skansbekken E14» er høyere enn største tillatt vannhastighet. Grenseverdien er estimert til 1 m/s ut ifra Figur i NVE (2010), antatt midlere partikkelstørrelse på 10 mm og vanndybde på 1 m. Det forslås å sikre utløpet med plastring. Stabil steinstørrelse D50 er beregnet til 293 mm, basert på ekvivalent diameter for halvsirkel tverrsnitt D = 1,9 m, Q = 6,5 m 3 /s og TW = 0,4* D = 0,76 m. Med en valgt steinstørrelse D50 på 350 mm beregnes plastringens lengde til 12,5 m, og tykkelse til 0,8 m. Utformingen av plastringen er skissert i Figur 7. Utløpet av «Skansbekken E14» vil iht. modellberegningene være dukket under 200- årsflommen i Stjørdalselva. Beregnet vannstand i Stjørdalselva ligger på 22,8 moh ved dette stedet, mens underkanten av utløpet ligger på 20,2 moh. Stående eller sakte flytende vann ved utløpsområdet (vannhastighet < 0,5 m/s i hydraulisk modell) vil motvirke bremsing av vannet fra kulverten. Det vurderes derfor at erosjonssikring er nødvendig på dette stedet. Utstrekningen på plastringen rundes opp til en totallengde på 15 m. Større lengde på plastringen virker urealistisk. En utforming av plastringen i henhold til NVE (2009), med økende bredde med avstand fra kulverten, er urealistisk og antakeligvis ikke ønskelig, siden bekkeløpet er ca. 5 m bred. En bredere plastring ville gjøre utvidelsen av bekken nødvendig, og ville berøre åkeren øst for bekken. Det blir derfor foreslått å beholde bredden av bekkeløpet på ca. 5 m, og sikre sidene av bekken med steinblokker, lignende muren langs åkeren skissert for Åsmobekken. 19(21)

26 Figur 7: Skisser erosjonssikring bekkekryssing Skansbekken: Plan og snitt A. 20(21)

27 Referanser Chow, V.T. (2009) Open-channel Hydraulics. McGraw-Hill civil engineering series, Blackburn Press, 680 p. Lawrence, D & Hisdal, H (2011) Hydrological projections for floods in Norway under a future climate. NVE rapport nr. 5/2011. NVE (2009) Veileder for dimensjonering av erosjonssikringer av stein. NVE veileder nr. 4/2009 NVE (2010) Vassdragshåndboka NVE (2015) Veileder for flomberegninger i små uregulerte felt, Rapport nr. 7/2015. Pettersson (2003) Flomberegning for Stjørdalselva (124.Z), Dokument nr , NVE. Statens vegvesen (2014) Håndbok N200 Vegbygging. Sweco (2013) Forra ved Forra bru, flomberegning. Notat, (21)