OPPDRAGSLEDER. Jan Inge Claudius OPPRETTET AV. Kjetil Sandsbråten. Tilpasning av masser langs planlagt bekkestrekning i Skytterdalen

Transkript

1 OPPDRAG Skytterdalen. Separering - Detaljprosjekt - VA OPPDRAGSNUMMER OPPDRAGSLEDER Jan Inge Claudius OPPRETTET AV Kjetil Sandsbråten DATO Tilpasning av masser langs planlagt bekkestrekning i Skytterdalen Bakgrunn En naturlig bekk har et stort spenn av forskjellige typer masser langsetter bekken. Fordelingen av kornstørrelser fra fin silt til sand, grus og større sten skyldes bekkens fluviale prosesser som erosjon og transport. Prosessen der rennende vann river opp, løser opp og flytter på materiale kalles fluvial erosjon. Man sier at bekken «graver» i elvebunnen og/eller i sidene. Det er flere faktorer som er avgjørende for om det skjer erosjon eller ikke. Materialtype (kornstørrelse) bekken renner i og vannets strømnings-hastighet er de viktigste. Strømningshastigheten styres i hovedsak av vannmengde og helning. I tillegg har også vegetasjon en innvirkning. For å forebygge erosjon langs breddene er det viktig å opprettholde kantvegetasjonen langs elvene. Elver og bekker er massetransporterende, det vil si at den fører med seg materiale fra et sted til et annet i elveløpet. Bekken transporterer både det den selv eroderer på elvebunnen og langs sidene, og annet materiale som havner i elva (bl.a. ras-sedimenter og biologisk materiale). Sedimenttransport i elv er blant annet avhengig av tilgjengelighet på løsmasser og vannets strømningshastighet. Sedimenttransporten deles gjerne inn i tre former, i tillegg til transport av biologisk materiale: Sedimenttransport av oppløst materiale transport av lett oppløselige kjemiske stoffer som tilføres ved kjemiske forvitringsprosesser langs elvebredder, fra sideelver eller fra grunnvannet. Transport av oppløst materiale utgjør nær halvparten av sedimenttransporten i mange elver, men har ingen påvirkning som formdannende agens. Sedimenttransport av suspendert materiale transport av finkornet materiale som leireog siltpartikler. Partiklene «svever» i vannet, opprettholdt av vannets -14 Sweco Drammensveien 260 Box 80 Skøyen NO-0212 Oslo, Telefonnummer Sweco Norge AS Org.nr: Hovedkontor: Oslo Jan Inge Claudius Sivilingeniør VA-teknikk Mobil +47 (0) jan.inge.claudius@sweco.no 1 (9)

2 strømningshastighet og turbulent vannstrøm. Det kreves større hastighet å sette en partikkel i bevegelse, enn å opprettholde bevegelsen. Sedimenttransport av bunnmateriale transport av materiale som ligger langs elvebunnen. Dette er forholdsvis grovkornet materiale; fra sand, grus og småsteiner til større steiner. Transporten foregår i det nedre sjiktet av elva ved at materiale ruller, glir eller hopper langs bunnen. Transporten er tilfeldig og diskontinuerlig, og foregår derfor atskillig langsommere enn vannets hastighet. Det aller groveste materiale kan ligge i ro i flere år, før det settes i bevegelse ved ekstreme vannføringer. For materiale som eroderes på stedet vil det være en gradvis overgang mellom bunn- og suspensjonsmateriale. Dette avhenger av økning eller reduksjon i vannets kinetiske energi, som igjen styres av strømningshastighet, friksjon og helningsgradient. Vanligvis utgjør ikke bunntransporten så stor andel av sedimenttransporten sammenlignet med suspendert og kjemisk oppløst materiale, men er det er bunntransporten som bestemmer elveløpets form og vannets strømningsmønster. Sedimentasjon skjer når vannhastigheten avtar. Det innebærer at transporten av materialet opphører slik at materialet faller til ro på et sted. Dette fører til dannelse av mer eller mindre stabile avsettingsformer av ulik størrelse. Nye bekkeløp Ved etablering av nye bekker/elver skal alle disse prosessene hensyntas i tillegg til sikkerhet, stabilitet med hensyn på vedlikehold og visuelt inntrykk. Dette er ingen enkel oppgave. «Natur» er variabel og så sant man ikke bare skal laget en form for kanal med helt spesifikke forutsetninger når det gjelder mengde vann, form og helning vil et bekkeløp med variasjon i både form og vannmengde nødvendigvis måtte inkorporere et stort spenn i materialer og kornstørrelse langsetter vannveien for å fremstå som et naturlig element. Målet er å få et bekkeløp til å virke naturlig uten at dette går på bekostning av risiko for store endringer langs løpet som følge av erosjon, transport eller sedimentasjon. Tilpasning av et bekkeløp til variasjonen i klima og vannføring skjer jo vanligvis over lang tid så denne prosessen må fremskyndes ved å forsøke å tilpasse masser i bekkeløpet og vegetasjon og annen sikring som vegetasjon langs breddene på riktigst mulig plass og til riktig tid. Bruk av morenemasser, som har stor spredning av kornstørrelser og ikke minst en rikelig andel av fine partikler, til generell bunndekning gir et best mulig utgangspunkt for at bekken raskt kan 2 (9)

3 omfordele, pakke og sikre elvebunnen mot erosjon. I tillegg bør man søke å få de masser med større andel grove partikler som grov grus og sten i de områder hvor bekken har størst helning og vannhastighet. I områder med lav helning og dermed lavere vannhastigheter kan det benyttes finere masser. Det er imidlertid særdeles viktig at bekken tilføres masser også av de fineste kornsorteringene slik at disse kan konsolideres innimellom de grovere partikler. Beregning av vannhastigheter og dermed hvilke kornstørrelser som forventes å gi stabile masser uten risiko for erosjon kan beregnes med en rekke verktøy som bl.a. HecRas, Hydraulic toolbox etc. Det må imidlertid påpekes at disse verktøyene gir kun en grov indikasjon. Den lokale variabiliteten i helning, form og dermed vannhastighet gjør at variasjonene kan bli store selv på korte strekninger. Setter man f.eks en større sten i bekkeleiet vil denne forårsake strømningsendringer lokalt rundt stenen og ofte også vannstandsendringer både opp og nedstrøms avhengig av variasjoner i vannføringen. Det er gjort beregninger langs den planlagte bekken i Skytterdalen som kan benyttes for planleggingen. En lav vannføring vil selvfølgelig gi mindre kornstørrelser. De forskjellige helningsforholdene langs den planlagte strekningen er vist i de nedenstående figurene og sammen med den generelle utformingen av bekkeleiet er det i tabellene gitt en beregnet stabil kornstørrelse som D (9)

4 Figur 1 Øvre del 4 (9)

5 Figur 2 Nedre del Tabell 1 Beregnet D50 ved vannføring tilsvarende 25 års flom, 0,5 og 1 meters bredde og sideforhold på 1:2 Sideforhol d Helnin g m/m Bredd e (m) Vannstan d i cm Stabil D50 (m) Sideforhol d Helnin g m/m Bredd e (m) Vannstan d i cm Stabil D50 (m) 1: : : : : : : : : : (9)

6 1: : : : : : : : Reduseres sideforholdet kan kornstørrelsen gå noe ned. Den totale strekningen for hver helnings-klasse er gitt i tabellen under. Tabell 2 Total lengde bekkestrekning i hver helningsklasse Hellning i m/m Strekningslengde i meter ,005 0, ,01 0, ,025-0, ,05 0, ,075 0,1 40 Erosjonssikring For kulverter er alle beregninger for erosjonssikringen er utført for en 200-års flom i hht. til krav knyttet til SVV og NVE. Det er vanlig å velge D 1 50 som karakteristisk steinstørrelse for å erosjonssikre et område. Steinstørrelsen påvirker ruheten, som igjen påvirker vannhastighet og skjærspenning (NVE, 2009). Kulvert Ved utløpet av kulverter og stikkrenner kan vannet ha stor hastighet. Består bunnen av finkornede masser kan det dannes store erosjonsgroper (NVE, 2009). Det er derfor viktig ved bygging av nye kulverter at området ved utløpet får en god utforming som motstår erosjon. 1 D 50 er den siktestørrelsen som 50 % av steinmaterialet passerer. 6 (9)

7 Kulvert under Solbergbekken For kulverter mindre enn ca. 1,5 m i diameter, kan det være tilstrekkelig å sikre et område ved utløpet uten å lage et energidreperbasseng. Steinplastring (Figur ) gir en enklere utførelse enn basseng, men dårlig energidreping og større hastighet nedstrøms (NVE, 2009). Stabil steinstørrelse beregnes med følgende formel: Her er: D 50 = steinstørrelse (m) D = kulvertdiameter (m). (1,2 m) = 0,2, ( ) Q = dimensjonerende vannføring (m 3 /s). (4,4 m 3 /s) Tw = nivå på undervannet, over bunnen av kulvertutløpet (m) Beregning av undervannsnivå: Nivået på undervannet, TW, bør være mellom 0,4 D og 1,0 D. Hvis TW ikke er kjent, eller mindre enn 0,4 D, så anta TW = 0,4 D (dvs 0,52 m). Beregning av stabil steinstørrelse: = 534 D50 er den steinstørrelsen som 50% av prøven er mindre enn. Plastringens utstrekning og tykkelse: = 10,6 m (8*D+1m) = 1,07 m (2,0*D 50 ) Formelen forutsetter at steinen har en spesifikk tetthet på 2,65. Tabell 3 gir anvisning for å beregne tykkelse og utstrekning av sikringen. For å gi effektiv energispredning bør sikringen ha ru overflate. Breddene og skråningen ved kulvertutløpet sikres på samme måte som bunnen. Filter vurderes og utformes som beskrevet i avsnitt 4.4 i NVEs rapport «Veileder for dimensjonering av erosjonssikringer av stein» (NVE, 2009). 7 (9)

8 Figur 3 Steinplastring ved kulvertutløp (kilde: FHWA, 2014) Tabell 3 Lengde og tykkelse av plastring ved kulvertutløp (kilde: NVE, 2009). Kulvert under Solbergveien Her er: D 50 = steinstørrelse (m) D = kulvertdiameter (m). (0,6 m) Q = dimensjonerende vannføring (m 3 /s). (1,4 m 3 /s) Tw = nivå på undervannet, over bunnen av kulvertutløpet (m) 8 (9)

9 Beregning av undervannsnivå: Nivået på undervannet, TW, bør være mellom 0,4 D og 1,0 D. Hvis TW ikke er kjent, eller mindre enn 0,4 D, så anta TW = 0,4 D (dvs 0,24 m). Beregning av stabil steinstørrelse: = 480 Plastringens utstrekning og tykkelse: = 5,2 m (7*D+1m) = 0,96 m (2,0*D 50 ) 9 (9)