Vannteknikk for landskapsingeniører THT 200 Åpne kanaler, erosjon, tiltak, dimensjonering

Transkript

1 Vannteknikk for landskapsingeniører THT 200 Åpne kanaler, erosjon, tiltak, dimensjonering Forsker Atle Hauge, Bioforsk

2 Åpne kanaler Det mest hensiktsmessige på store nedslagsfelt hvor forventet femtiårsflom overstiger l/s Kanaler/bekker er et landskapselement og brukes også på mindre felt I dag gjenåpnes mange av de tidligere lukkede løp Kanalene må utformes og dimensjoneres slik at det ikke oppstår erosjon 2

3 Elementer som forårsaker erosjon Vann Is Vind 3 Skal konsentrere oss om erosjon forårsaket av vann

4 5 Erosjon i elver og bekker Naturlige årsaker Landheving Menneskeskapte årsaker Endring av hydrologiske forhold (herunder vegetasjon, grøfting av myrer etc) Graving i vannløp (retting øker fallet. Fjerner naturlig oppbygd filter) Planering uten kontroll med vannet Mer åpenåkerarealer

5 Utviklingsforløp (meandrering) 6

6 Ravinedannelse, grunnbrudd, grunnvannserosjon 7

7 8 Gjenåpning av bekker, hva betyr det? Hele 1900-tallet, men særlig etter 2. verdenskrig har mange elver og bekker blitt lagt i rør. Mange av disse krever mye vedlikehold og man har etter hvert sett hvilke negative virkninger slike lukkinger har hatt. Mange steder kan det derfor være aktuelt å sette i gang tiltak for å gjenskape vassdragsmiljøet ved å åpne bekkelukkinger og demme opp områder for å gjenskape våtmarker og dammer. Åpning av bekker gir mange fordeler: Nye leveområder for vannlevende organismer, planter, fugler og vilt Større biologisk mangfold Økt mulighet for rensing av næringsstoffer og partikler Større flomdemping Rikere kulturlandskap og mulighet for friluftsliv

8 I landbruksområder har det vært mye lukking av bekker. Mange av disse restaureres i dag. Endringer i bekkestystemet i Rakkestadelva over 200 år 9

9 Eksempler på gjenåpning, Oslo kommune 10 Blå-grønn struktur Akerselva Hovinbekken Alnaelva Oslo hadde før urbanisering en rekke små og store vassdrag i dagen. I dag går ca 1/3 av vassdragene i rør Strategi for gjenåpning en integrert del av byutviklingen

10 11

11 12

12 Akerselva en suksess Åpen stort sett hele veien - Omtrent 9 km lang - Starter 149 meter over havnivå - 20 fosser - 23 bruer Har sitt utspring i Maridalsvannet og danner i dag nesten en sammenhengende blå-grønn oase gjennom byen ned til Bjørvika 13

13 Akerselva en suksess Åpen stort sett hele veien 14

14 15 Gjenåpning av Ilabekken i Trondheim Anleggsarbeidene startet i 2005, Grovutforming ferdig sommeren Kloakkpåslag sanert, Ilabekk er en typisk flombekk, og ulike habitattiltak ble utprøvd i bekken utover høsten Endelige utforming og vannløp ferdig De siste 700 m av bekken som har ligget i rør siden tidlig 1900-tall er nå gjenåpnet

15 Vannet påvirker på flere måter DRAGKRAFT påvirker enkeltpartikler parallelt med strømretningen LØFTEKRAFT påvirker enkeltpartikler på tvers av strømretningen SKJÆRKRAFT påvirker bunnen som flate, uten å se på enkeltpartikler SKJÆRSPENNING er skjærkraft per flateenhet 16

16 Jordsig 17

17 Tiltak mot erosjon i elveløp/bekker kan være både forebyggende og avbøtende: Forbygging (bunn sider, stryk) Omvendt filter eller fiberduk Eksisterende vannløp Nye vannløp (fall, vannhastighet, forbygging) 18

18 Andre tiltak av hydroteknisk karakter Drenering Vegetasjonssoner Avskjæring Terrengforming (typetegninger - planeringsfelt) Innløp/utløp (typetegninger) Kummer (typetegninger) 19

19 Avskjæring Hindrer vannet i å komme ut på jordet Samler opp før det blir for mye vann med god fart 20

20 Vegetasjonssoner 21

21 Dimensjonering av åpne kanaler Dimensjonerende flomvannføring (Parsellvis ved større arbeider) Nødvendig dybde Sideskråninger Fall/vannhastighet Sikring Utforming av sikring (helsikring, terskler, fotforsterkning) Beregning av steinstørrelse 26

22 Dimensjonerende flomvannføring Når vi har lange kanaler må vi beregne vannføringen parsellvis Da kan vi tilpasse tverrsnittet på kanalen mest mulig optimalt Økonomisk 27

23 Nødvendig dybde (1) Kanalene må ikke være dypere enn nødvendig. Dette holder kostnadene til anlegg (graving) og vedlikehold nede. Ved godt fall inn mot kanalen behøver ikke kanalen være dypere enn dybden på utløpet fra samlegrøftene + drypphøyde + normal sommervannstand Er det flatt ligger utløpet for grøftesystemet som oftest dypere. Er det i tillegg lavereliggende områder vil disse som regel være bestemmende for kanaldybden. 28

24 Nødvendig dybde (2) Vannføringen kan være bestemmende Fallet: kanal med godt fall kan med samme tverrsnitt føre mer vann enn en kanal med mindre fall I dyp myr må kanalene være dype pga setninger (synker sammen når vannet går ut og en får også myrsvinn/nedbryting) 29

25 30 Sideskråninger Ønsker så bratte sider som mulig i forhold til jordartens stabilitetsegenskaper Dype kanaler bør ha slakere sider enn grunne Kanaler som dyr skal drikke av bør ha slake sider Riktig sidehelling bør lages når kanalen graves Minimum bunnbredde 0,5 1,0 m Minste sidehelling 1:1 Minste sommervannstand 0,3 0,5 m Eventuelt fribord (flom 1-2 m 2 /s = 0,3 m, >5 m 2 /s = 0,5 m) Jo lenger gjentaksintervall dess mindre fribord

26 Anbefalte minste sideskråninger i noen jordarter Jordart Grunne kanaler Dype kanaler Dyp < 1,5 m Dyp > 1,5 m Leire 1:1 1:1,5 1:2 Silt 1:1,5 1:2,5 Finsand 1:2 1:3 Sand 1:1,5 1:3 Grus 1:1,5 1:2 31 Fast morene 1:1 1:1,5

27 Fall/vannhastighet Fallet må ikke være større enn at vannhastigheten ved dimensjonerende flom er mindre enn det jordarten tåler Minimumshastigheten bør være 0,2-0,3 m/s for å ikke få for mye sedimentasjon 32

28 Tillatt maksimal hastighet i noen jordarter for å unngå erosjon Jordart Vannhastighet (m/s) Leire 0,7-1,0 Silt 0,5-0,8 Finsand 0,2-0,6 Sand 0,5-0,8 Grus 0,8-1,2 Fast morene 0,7-1,1 33 Graskledd jord 0,5-1,2 Steinsetting, betongkledning 1,8-5,0

29 Sikring Ved for stort naturlig terrengfall må kanalsidene sikres ved forbygging Overskuddsfallet kan tas i konsentrerte punkter eller stryk I enkelte tilfeller kan det være mest hensiktsmessig å steinsette hele eller større deler av kanalen 34

30 Utforming av sikring, trapp 35

31 Utforming av sikring, stryk 36

32 Utforming av sikring, steinsetting 37

33 Dimensjonering Målet er å tilpasse løpet best mulig til vannmengden Skal også ta hensyn til begrensinger i sideskråninger, vanndybde, vannhastighet med mer. Et tverrsnitt kan oppfylle ett eller flere krav uten at det er det beste valget Bruker Mannings formel eller et nomogram 38

34 39 Mannings formel V = M * R 2/3 * I 1/2 V = vannhastighet M = Manningstall I = kanalbunnens helling R = hydraulisk radius = A/p Manningstallet er et uttrykk for kanalens ruhet Avhenger av kanalens overflate (jordart, begroing, stein, med mer) for en godt dimensjonert kanal Kan være så lav som 10 for en liten og overgrodd grøft

35 44 Beregning av steinstørrelse Et raskt overslag er gitt ved d c = 12 * R * I hvor R = hydraulisk radius (A/P) I = energilinjas helling, tilnærmet lik fallet d c = kritisk diameter Kritisk diameter er den minste steinstørrelsen som vannet ikke klarer å frakte med seg under de gjeldende strømningsforhold. Denne formelen kan brukes for sand og stein i de fleste vanlige vassdrag Det finnes også nomogrammer

36 Praktisk dimensjonering av dekklag av vanlig stein Tetthet = 2650 kg/m 3 Erfaringsbasert Innbakt rimelig sikkerhetsmargin Dybdefaktor k, mindre vanndyp gir større stein ved samme vannhastighet for å være stabil 45

37 Nomogram for beregning av nødvendig steinstørrelse i åpne kanaler for sikring av bunn og sider 46

38 47 Erosjon som følge av erosjonssikring Erosjonssikringsarbeider må planlegges med tilstrekkelig hensyn til sideeffekter Sikring av elvebredder kan redusere strømningstverrsnittet og gi økt vannhastighet og skjærspenning Virkninger kan oppstå i bunnen der løpet blir innsnevret og rundt framspring, for eksempel oppstrøms kant på beskyttelseslaget eller ved utlagte store steiner Sikringer kan endre strømretning slik at det settes i gang erosjon på tidligere stabile områder nedstrøms Problemer kan unngås ved bla. avslutte sikringsarbeidene på egnede steder med myke overganger