SINTEF RAPPORT FORFATIER(E) Ame E. Lothe, Anders ø. Storler OPPDRAGSG1VER(E) Stranda kommune, Åknes-Tafjord Prosjekt.

Transkript

1 ~ SINTEF TITIEL SINTEF RAPPORT SINTEF Byggforsk Kyst- og havneteknikk Postadresse: 7465 Trondheim Besøk: Klæbuveien 153 Telefon: Telefaks: Foretaksre9isteret: NO MVA Skred ved Åkneset - oppsummering av resultater fra modellforsøk FORFATIER(E) Ame E. Lothe, Anders ø. Storler OPPDRAGSG1VER(E) Stranda kommune, Åknes-Tafjord Prosjekt RAPPORTNR. GRADERING OPPDRAGSGIVERS REF. SBF IN AI0202 Åpen Lars H. Blikra GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG Åpen 3C ELEKTRONISK ARKIVKODE VERIFISERT AV (NAVN, SIGN.) PROSJE~QE~AVrr).& modellforsøk.dac stilla el erna J:khl/pro/3C0051/3C0051 AEL-AS Skred ved Akneset~ Kri. 1{V. <A. t-. LUt"..."... Sv~yold [;;NJ;'" vt>jfæ ARKIVKODE DATO GODKJENT AV (NAVN. STILLING, SIGN.) L L U AELIBA SAMMENDRAG Arnstein Watn, forskningssjef Åknes-Tafjord-prosjektet har engasjert en gruppe bestående av NGl, Universitet i Oslo, NTNU og SINTEF til å gjøre studier av konsekvenser av et eventuelt ras ved Åkneset i Stranda kommune. Som en del av studien er det bygget en modell i skala I : 500 som dekker området fra Norddalsfjorden og til hhv Hellesylt og Geiranger. Denne rapporten gir en beskrivelse av oppbyggingen av modellen, utførelsen av forsøkene og resultatene fra testene som er kjørt. STIKKORD NORSK ENGELSK GRUPPE 1 Sikkerhet Safety GRUPPE2 Bølge Wave EGENVALGTE Kraftverksmagasin Hydropower dam Aknes-Tafjord prosjektet Aknes-Tafjord project

2 2 INNHOLDSFORTEGNELSE 1 BAKGRUNN BYGGING OG INSTRUMENTERING AV MODELL Modellomfang Kartgrunnlag Metode Bølgedemping Utforming av rasområdet Skredhastigheter Sensorer og kalibrering Videoopptak TESTKJØRING RESULTATER Resultater fra testforsøk Sammenligning med teoretisk modell... 18

3 3 1 BAKGRUNN Åkneset-Tafjord prosjektet har engasjert en gruppe bestående av NGI, Universitet i Oslo, NTNU og SINTEF til å gjøre studier av konsekvenser av et eventuelt ras ved Åkneset i Stranda kommune. Som en del av studien er det bygget en modell i skala 1 : 500 som dekker området fra Norddalsfjorden og til hhv Hellesylt og Geiranger. Denne rapporten gir en beskrivelse av oppbyggingen av modellen, utførelsen av forsøkene og resultatene fra testene som er kjørt. 2 BYGGING OG INSTRUMENTERING AV MODELL 2.1 Modellomfang Den topografiske modellen dekker hele Sunnylvsfjorden sør for en linje over fjorden omtrent ved Gryddevikane, som ligger ca 4 km nord for rasstedet. Modellskalaen er 1 : 500. Fjorden er på det breieste ca 2 km brei, som tilsvarer 4.0 m i modellen. Største vanndyp innenfor det modellerte området er 320 m, tilsvarende 0,64 m i modellen.

4 4 Nordre grense for modell, y = 6,900,000 Figur 1 Kart som viser Sunnylvsfjorden og modellavgrensingen mot nord. Hellesylt ligger nede til venstre, Geiranger nede til høyre. Rutenettet har 1 km inndeling. Kartet er levert av NGU.

5 5 2.2 Kartgrunnlag Kartgrunnlaget er levert av NGU. Det er levert en grafisk bathymetrisk/topografisk datafil som viser hele Sunnylvsfjorden (Figur 1 og Figur 2), og en fil som inneholder xyz-data i regulært rutenett med 5 m rutestørrelse (Surfer-format). Figur 2 Bathymetrisk/topografisk kart som viser data benyttet i modellbyggingen. Rutenett er ikke vist, men er identisk med nettet i Figur 1.

6 6 2.3 Metode Modellen er definert ved å trekke en linje langs Sunnylvsfjordens nord-vest side i retning 53.7, og definere et felt med bredde 2.5 km langs denne linja. Deretter er fjordsystemet innenfor dette feltet definert ved nye felt som er parallell med eller vinkelrett på dette feltet. Fjordsystemet nord for dette feltet er basert på en rett nord-sør linje A B D C H E F G Figur 3 Inndeling av modellområdet i Felt A H. Profilene er trukket mellom de parvise punktene som representerer yttergrensen av feltet. Resultatet er 8 felter (A H) som vist i Figur 3. I hvert felt er det så tegnet tverrprofiler som generelt går på tvers av fjorden. Profilene er trukket med en avstand 250 m i fullskala (0.5 m i modell). Profilene er definert fra største vanndyp innenfor hvert felt opp til 200 moh for Felt A C og E- F, 300 m for felt D og opp til 100 moh for Felt G og H. Tabell 1 viser nøkkeldata for hvert felt. For hvert felt bygges det opp en plattform med individuelt basisnivå. Profilene settes deretter stående på plattformen, og terrenget formes ved hjelp av pussbetong og fyllmasser. Til slutt tettes modellen med en membran.

7 7 Tabell 1 Tabell som viser nøkkeldata for hvert felt i modellen. Alle data er gitt i m i fullskala, med unntak av Antall profiler. Basisnivå er det nivå der bunnprofilene bygges opp fra. Felt Max dybde i felt Max høyde Bredde av felt Lengde av felt Antall profiler Basisnivå A B C D E F G H Felt B er trekantet. Største bredde og lengde er angitt Det er i tillegg foretatt noe tilpasning av det modellerte området der terrenget over store områder ligger over den angitte maks høyde (200 moh for Felt A F, 100 m for Felt G og H). For utforming av rasstedet, se Kap Bølgedemping Bølgene som forplanter seg fra rasstedet og sørover (innover i fjordsystemet) vil delvis følge fjorden og delvis reflekteres fra sidene. Bølgen som går nordover vil følge fjorden mot Norddalsfjorden, der den vil spres mot øst og mot nordvest og delvis reflekteres fra Norddalsfjordens nordside. Denne mekanismen er ikke nøyaktig modellert i modellen. Avstanden fra modellens nord avgrensing til munningen ut i Norddalsfjorden er ca 7.5 km. Dette er i modellen modellert ved hjelp av et dempingsbasseng med en lengde tilsvarende 6.5 km og med den retning tilsvarende retningen for Felt C. Dempingsbassenget er utstyrt med glatte overganger i svinger og dempingselementer i enden. Med den gitte lengde av dempingsbassenget vil det være mulig å skille reflekterte bølger (med opprinnelig nordgående retning) fra de bølgene som initialt beveger seg sørover. 2.5 Utforming av rasområdet Rasområdet og glidebanen for selve raset krever noe justering av topografien. Rasmassene vil bestå av en serie boksformede objekter som raser ned i vannet. De primære variable for raset er: o glidehastighet o rasets volum o rasets bredde o formen på fronten av raset (kileformet eller rektangulær).

8 8 For å kunne skape kontrollerte og reproduserbare forhold i raset, vil det være nødvendig å tilpasse terrenget i raset. Det antatt største raset er illustrert i Figur 4. Figur 4 Antatt største bredde av raset (Figur fra L. Blikra). Raset ligger mellom y-koordinater y = 6,894,700 og y = 6,895,200, ref Figur 3. I dette området velger vi å lage rasflaten som et jevnt skrånende plan. Dette er uansett nær virkeligheten, men det gjør at boksene som raset består av vil gå med en jevn bevegelse ned mot vannflaten, uten å hoppe og sprette over eventuelle ujevnheter i glideflaten. Oppmålte profiler ved rasstedet og tilpassede glideflater er vist i Figur 5, og de endelige tverrsnitt ved rasstedet er vist i Figur 6. I tillegg er det 4 cm mer betongoverdekning for å kunne tåle belastningen av raset.

9 Figur 5 Tverrsnitt av Sunnylvsfjorden ved rasstedet, Profil Oppmålte profiler er vist med heltrukken linje, de tilpassede profiler er vist med stiplede linjer. Tallmerking og fargekoding for de stiplede linjer angir profilnummer.

10 Figur 6 Endelige tverrsnittsprofil ved rasstedet. Fargekoding som i Figur 5. Profilene er noe mer avrundet ved bunnen enn figuren viser.

11 Skredhastigheter Skredhastighetene som skal benyttes er 45, 65 og 60 m/s, antatt hastighet av skredfronten ved kontakt med vannet. Dette tilsvarer hastigheter på 2.0, 2.9 og 2.7 m/s i modell. Innledende tester viser et akselerasjonsforløp med en jevn oppbygging fra a = 0 m/s 2 til a = 4.5 m/s 2 i løpet av 0.2 s, deretter en jevn a = 4.5 m/s 2. Bevegelse av ras abs pos hast aks 10 per. Mov. Avg. (aks ) Tid s Figur 7 Figur som viser eksempel på initialbevegelse av raset. Alle verdier er gitt i modellskala. abs pos er rasets absolutte posisjon målt i m fra utgangspunktet, hast er rasets hastighet, aks er rasets momentane akselerasjon og den svarte heltrukne streken er et glidemiddel av akselerasjonen over 10 punkter (0.2 s). 2.7 Sensorer og kalibrering Sensoropplegget består av 12 resistive bølgesensorer, 3 3-akse ultralyd strømmålere og 2 nivåmålere som måler oppskyllshøyden i et fast punkt i hhv Hellesylt og Geiranger. Bølgemålerne er faste, mens strømmålerne kan flyttes rundt etter behov. Det er en videoopptaker i Hellesylt og en i Geiranger. I tillegg er det en sensor som registrerer posisjonen til raset fra det utløses til det ligger på bunnen. Denne sensoren brukes til å initiere dataloggingen slik at datainnsamlingen starter i det øyeblikk raset initieres. I tillegg brukes den til å tenne ei lampe som ligger innenfor synsfeltet til videoopptakerne. Tenningen av lampa vil derfor angi starten av raset i hvert opptak.

12 12 Måleposisjoner , 2, , 5, 4 s3, s2, s , 8, 7 10, 11, Figur 8 Posisjoner for faste bølgemålere (1-12), strømmålere (s1 s3), nivåmålere ( ). 2.8 Videoopptak Det er tatt videoopptak i hhv Hellesylt og Geiranger under alle forsøkene. Et videokamera er plassert slik at det ser utover hvert sted mest størst mulig dekning. Kameraene er synkronisert med raset ved at en lampe som er synlig innenfor hvert kamerabilde tennes i det raset starter utglidningen.

13 13 3 TESTKJØRING Basis forsøksoppsett består at 7 rasutløsinger og er vist i Tabell 2. Tabell 2 Forsøksoppsett i hht notat/møtereferat 10 sep 07 (ABE). Rasmassen består av blokker med en effektiv romvekt på ca 12.5 kn/m 3. Basisblokken er en enhet på m 3, og antall enheter er antallet slike enheter i hvert ras. Dropphøyde er beregnet avstand målt langs skråplanet fra vannflaten til rasets underkant. 1 Nr Størrelse av ras, fullskala Volum Antall enheter Hastighet Hastighetsmodell Hovedserie Dropphøyde cm H m B m L m V m/s 10 6 m 3 m/s a b c d a b a For å sikre repeterbarhet og å unngå tilfeldige feil, er hvert forsøk kjørt to ganger.

14 14 4 RESULTATER 4.1 Resultater fra testforsøk Vi har som hypotese at rasbølgene karakterisert ved bølgehøyde, bølgeperiode og oppskylling på land i hhv Hellesylt og Geiranger påvirkes av følgende parametere: 1. Skredvolum 2. Skredets hastighet ved innslag i vannet 3. Skredblokkens form, antatt primært skredfrontens høyde. Rasbølgene vil også påvirkes av andre faktorer som vanndybde og fjordens form, men disse er ikke variable, og behandles derfor ikke her. Den forsøksserien som er kjørt er primært tenkt å skulle tjene som kalibrering til en numerisk modell som er under utvikling, og den er ikke lang nok til å tjene som parameterstudium for de enkelte parameterne. 140 Testbetingelser 7 tester Volum (10^6 m3); hastighet (m/s); høyde (m) Vol hast høyde 0 1A 1B 1C 1D 2A 2B 3A Test nummer Figur 9 Variasjon at testbetingelser for forsøkene. Volmet er angitt som 10 6 m 3, hastigheten er målt ved innslag i sjøen, og høyde er skredfrontens høyde målt vertikalt på skredplanet.

15 15 Et eksempel på forløp av bølgebevegelser er vist i Figur 10. Figuren viser vannflaten målt i punktene 4, 5 og 6, dvs. de nærmeste målerne sør for rasstedet, se Figur 8. Tidsaksen dekker15 s fra raset starter, dvs. ca 5.5 minutter i fullskala. Vi ser at den første bølgen er relativt uniform over hele bredden av fjorden, men allerede ved bølge nr. 2 er det avvik som blir større lenger ut i tidsserien. Dette skyldes at bølgene ikke forplanter seg rett innover fjorden, men har også en tverrkomponent som kan gi stor utslag på sidene. Ved en ideell tverrsvinging vil bølgehøyden av tverrbølgen være lik 0 midt i fjorden, og vi velger derfor i det videre å behandle bare data fra den midterste måleren. Vi ser videre at den første bølgen er den høyeste rene bølgen, men at den kommer både positive og negative utslag lenger ut i serien som har større amplitude enn den første. Til slutt kan en legge merke til at bølgeperioden (tidsavstanden fra bølgetopp til bølgetopp) synes å starte med relativt høy verdi som blir noe mindre lenger ut i serien. I det etterfølgende har vi definert to parametere slik: o Bølgehøyden i et gitt punkt er forskjellen mellom maksimal positiv verdi og minimal (negativ) verdi. I de fleste tilfellene er dette to verdier som er påfølgende, men det er ikke nødvendigvis slik (som f eks i Figur 8). o Neddykking ved hhv Hellesylt og Geiranger er den maksimale dybden av vann over eksisterende terreng på de to stedene. Måleren er plassert på tørt land i det bebygde området, og neddykkingen er et uttrykk for den maksimale vannstanden over terreng på det aktuelle stedet Bølgehøyder i profil 2 (sør) 1A BH [Cm] Series2 Series Tid [s] Figur 10 Eksempel på resultat fra bølgemålinger. Figuren viser resultat (i cm i modellskala) fra de tre målerne som står sør for rasstedet (nummer 4, 5 og 6, Figur 8).

16 16 Vi undersøker først innflytelsen av skredvolumet. Skredvolumet varierer mellom 10.8 og 54.0 x 10 6 m 3. Figur 11 viser hvordan bølgehøyder og vann-nivå varierer med skredvolum. For alle de viste parameterne synes det å være en god sammenheng mellom parameteren og skredvolum, dvs. at høyere volum gir større bølgehøyder og større neddykking. Kurvene for bølgehøyder har knekkpunkter ved skredvolum 18 og 54 Mm 3 (test 2A, 2B og 1C og 1D). Forskjellen på test 2A og 2B er hastigheten, der 2A har 65 m/s, og 2B 45 m/s, og vi ser at denne hastighetsreduksjonen gir seg utslag i lavere bølgehøyder og mindre neddykking. Forskjellen på test 1C og 1D er høyden på skredfronten, der 1C har 120 m mens 1D har 80 m. Dette gir et tydelig utslag i størrelsen på de viste parameterne. Før øvrig kan en legge merke til at bølgehøyden ved Geiranger er betydelig mindre enn bølgehøyden ved Hellesylt (størrelsesorden 50 %), men det er liten forskjell i neddykkingsamplitudene. Neddykkingen ved Geiranger er i praksis nesten like stor som i Hellesylt, og dette skyldes topografiske forhold: 1. Sjøbunnen inn mot Geiranger stiger sakte og jevnt, og det gir bølgene tid til å bygge seg opp og bli mindre deformert; og 2. Målepunktet ved Hellesylt ligger like innenfor åpningen av sidefjorden inn til Hellesylt. Innenfor målepunktet er det en liten bukt på nordvestsida og en større hammer/nes som stikker ut i sjøen på sørøst sida av Hellesylt. I testene kunne man observere at disse to formasjonene absorberte og reflekterte mye energi, slik at målingene i punkt 8 ikke nødvendigvis er et godt uttrykk for bølgehøyden ved Hellesylt. Bølgehøyder og oppskylling vs rasvolum Max bølgehøyde (m); nivåheving (m) BH5 BH8 BH11 Nivå Hell Nivå Geir 3A 2A 2B 1A 1B 1C 1D Rasvolum (10^6 m3) Figur 11 Bølgehøyder målt i punktene 5, 8 og 11 (midtfjords ved hhv rassted, Hellesylt og Geiranger), og neddykkingsdybde i Hellesylt og Geiranger som funksjon av skredvolum.

17 17 Den neste størrelsen som bør undersøkes er observert bølgeperiode, Vi ser av Figur 10 at det kan være vanskelig å bestemme perioden, men i dette tilfellet har vi brukt en metode der man manuelt måler tidsavstanden over 4 5 bølgetopper, og regner bølgeperioden som gjennomsnittet over observasjonslengden. Innvirkning av små bølgetopper er vurdert individuelt i hvert tilfelle. Resultatet er vist i Figur 12, hvor perioden er vist som funksjon av skredvolum. Perioden bestemt fra et gjennomsnitt over 4 5 bølgelengder er vist, og perioden bestemt fra kun den første bølgen er også vist. I tillegg er de andre parameterne som er variert i testene (skredfrontens høyde og skredhastighet) vist. Vi ser at det er en svak tendens til at perioden øker med økende volum, og at i de tilfellene der skredfontens høyde er økt (test 2A og 2B) eller redusert (test 1C og 1D) får vi en tydelig men relativt sett liten hhv økning og reduksjon i perioden. Sammenhengen mellom bølgeperiode og skredhastighet synes å være liten eller ikke-eksisterende. Observasjonene kan tyde på at det er fjordbassengets form som er den viktigste faktoren for bølgeperioden, og at for skredvolumer over ca m 3 vil bølgeperioden tendere mot en tilnærmet konstant verdi mellom 40 og 50 s. Skredvolum vs bølgeperiode Bølgeperiode (s); skredhastighet (m/s); skredhøyde (m) A 2B 2A 1A 1B 1C 1D hast høyde Gj. snitt periode Første periode Skredvolum (10^6 m3) Figur 12 Observert bølgeperiode vs skredvolum. Fordi skredet utløses på tvers av fjorden vil den første bølgen ha karakter av en tverrsvingning, og det er mulig at den bølgeperioden som bølgen får ved den første passasjen over fjorden blir den bærende bølgeperioden.

18 18 Hvis vi betrakter fjorden som et basseng der tverrsvingningen begrenses av fjorden på begge sider, så vil perioden til den bølgen som dannes være gitt ved: LB T ; 0.5 gd der L b er fjordbredden g er tyngdens akselerasjon og d er (gjennomsnittelig vanndybde). Hvis vi antar at den effektive fjordbredden er 1700 m og vanndybden er 320 m, gir det en periode på 61 s. Denne perioden stemmer meget godt med den observerte perioden til den første bølgen, og det virker dermed sannsynlig at perioden er bestemt av bassengets form, og er tilnærmet upåvirket av skredvolum, skredfontens høyde eller hastighet. 4.2 Sammenligning med teoretisk modell For å illustrere prosessen og forklare fenomen under forsøkene har det vært kjørt en numerisk modell av bølger i fjorden. Den modellen som er benyttet er en enklere modell enn den som er under utvikling innenfor dette prosjektet. Modellen kalles CGWAVE, og er basert på følgende antakelser/forutsetninger: 1. Modellen er monokromatisk, dvs. at den opererer med én bølgehøyde, én periode og én inngående bølgeretning. 2. Modellen er en steady-state -modell, dvs. at det sendes inn en uendelig serie med bølger, og resultatet er gyldig når en stabil tilstand er nådd. Dette er forskjellig fra skredsituasjonen, der man vil være interessert i å se utviklingen fra første bølge og videre. 3. Modellen kan ikke generere skred, og bølgene skapes i et uendelig halvplan utenfor modellen, og kommer inn i fjorden via en ytre halvsirkelformet rand. I vårt tilfelle har vi simulert skredet ved å manipulere inngående retning slik at det oppstår en kraftig oppskylling på land på motsatt side at skredplassen. Et eksempel på et slikt resultat er vist i Figur 13.

19 19 Figur 13 Eksempel på anvendelse av CGWAVE-modellen i modellområdet. Figuren viser beregnet bølgehøyde i m (skala opp til venstre) ved en bølgeserie som kommer inn fra nord med en periode på 60 s. Se teksten for kommentarer. I figuren ser vi at det oppstår en stor bølgehøyde på over 40 m på motsatt side av skredstedet, og at denne bølgehøyden også finnes på nordvest-siden igjen, denne gangen litt sørvest for skredstedet. Områdene som er blå i figuren har en meget lav bølgehøyde, og det skyldes at disse er knutepunkter i et system med reflekterte, stående bølger. I virkeligheten vil ikke skredbølgene vare lenge nok til at disse stående bølgene vil oppstå. Vi kan likevel legge merke til at i området der bølgemålerne 4, 5 og 6 (ref Figur 8) er plassert er bølgehøyden ca 20 m, noe som gjør at tilfellet stemmer godt overens med et skred på ca m 3. Den mest tydelige effekten kan sees i Hellesylt-området, der en kan se hvordan mye av bølgeenergien fanges ved neset øst for Hellesylt og i den nesten umerkbare bukta på nordvestsida av fjorden. Resultatet er at bølgehøyden inne i Hellesylt-bukta er i samme størrelsesorden som bølgehøyden i Geiranger. Årsaken til at målingene antyder mye høyere bølger i Hellesylt enn i Geiranger kan sees av figuren, i det målerne 7, 8 og 9 er plassert ca midt i det tredje røde feltet regnet fra Hellesylt.