Kunde: Statens vegvesen Region vest. Alsåkerbrua. Vannlinjeberegning og erosjonssikring

Transkript

1 Kunde: Statens vegvesen Region vest Alsåkerbrua Vannlinjeberegning og erosjonssikring

2

3 Innhold 1 Innledning Bruprosjektet Plassering av den planlagte kryssingen av Alsåkerelva Eksisterende bru Vannlinjeberegning Beregningsprogram Grunnlag og forutsetninger Flomberegning Elvas geometri Elvas Ruhet Grensebetingelser Resultater vannlinjeberegning Erosjonssikring Erosjonssikringer og erosjonsskader Erosjonssikring Vurdering og anbefaling Referanser Vedlegg 1: Tverrprofiler og analyseområde for HEC-RAS Vedlegg 2: Resultater fra HEC-RAS i

4 1 Innledning På oppdrag fra Statens vegvesen Region vest, har Sweco Norge AS (Sweco) i Trondheim utført hydrologisk og hydraulisk vurdering for ny bru over Alsåkerelva. Den gamle brua ble tatt av stormflo under stormen Dagmar i Hydrologi og flomberegning er beskrevet i rapport R1. Denne rapporten som presenteres nå omhandler vannlinjeberegning og vurdering av erosjonssikring for Alsåkerbrua. Her skal det bygges ny bru. Landkarene fra den eksisterende brua er forutsatt fjernet. Figur 1-1 viser lokaliseringen av prosjektet. Sweco har NVE-godkjenning for flomberegning og beregning av flomavledning for alle typer dammer og flomløp. Alsåkerbrua Figur 1-1 Lokalisering av nedbørsfeltet for Alsåkerelva og Alsåkerbrua. 1

5 2 Bruprosjektet 2.1 Plassering av den planlagte kryssingen av Alsåkerelva Det planlagte tiltaket ligger ved Alsåkerelva (vassdragsnummer 047.4A), Ullensvang Herad, Hordaland. Skisse av ny bru er vist i Figur 2-1. Ny bru er planlagt nedstrøms eksisterende bru. Landkarene for eksisterende bru er forutsatt fjernet. Det er også forutsatt at den midlertidige brua skal fjernes. Eksisterende bru Planlagt bru Figur 2-1 Planlagt ny bru ved Alsåkerelva (kilde: SSV) 2

6 2.2 Eksisterende bru Eksisterende bru skal rives etter byggingen av den nye brua. Det er også forutsatt at eksisterende landkar skal fjernes. Figur 2-2 viser eksisterende bru, sett fra oppstrøms side. Figur 2-2 Eksisterende bru, sett fra oppstrøms side 3

7 3 Vannlinjeberegning For å vurdere virkningen av en ny bru ved kryssing av Alsåkerelva, er det blitt beregnet vannstander i elven ved etablering av planlagt bru ved 200-årsflom. 3.1 Beregningsprogram Til beregning av flomstigning er programmet HEC-RAS (HEC-RAS, 2010) benyttet. Programmet beregner strømning i en dimensjon. Alsåkerelva er beskrevet med 20 tverrprofiler (se vedlegg 1). Det er lagt inn interpolerte tverrprofiler med 2 m avstand mellom de 20 tverrprofilene. HEC-RAS beregner gjennomsnittlig vannstand og hastighet i profilene. Endimensjonal beregning er godt egnet der strømningen er relativt lik i hele tverrprofilet Grunnlag og forutsetninger Grunnlag og forutsetninger for vannlinjeberegningen: Vannføring (beregnet 200-års flom) Elvas geometri (terrengets form) Elvas ruhet (strømningsmotstand) Dimensjoner på planlagt ny kryssing av elva Oppmålte profiler i elva og profiler av eksisterende konstruksjoner i elva. Håndtegning av ny mur ved fjerning av eksisterende landkar Flomberegning For dimensjonering og vannlinjeberegning benyttes 200-årsflom. Beregning for 200-årsflom er vist i rapport R1. Det er benyttet Q 200 = 86 m 3 /s, som inkluderer et klimatillegg på 20 % Elvas geometri En beskrivelse av elva og terrengets form må legges inn i beregningsmodellen. En digital terrengmodell ble konstruert på grunnlag av oppmålte punkter som ble tilsendt fra oppmålingsfirma, Kjosås Maskin. Oppmålingene ga en tilstrekkelig god beskrivelse av elva og terrenget. I området rundt eksisterende bru er tverrprofilene tilpasset en fjerning av eksisterende landkar etter tilsendt tegning (Bente Fauske Husebø 9.des.2013 kl.11:42) Elvas Ruhet I beregningsmodellen må elva og terrengets ruhet (strømningsmotstand), uttrykt ved Manningskoeffisient n, legges inn. Følgende verdier er benyttet: Elveløpet: n = 0,05 Områder utenfor elveløpet: n = 0,05 4

8 3.1.5 Grensebetingelser Som oppstrøms grensebetingelse er kritisk dybde benyttet. Nedstrøms grensebetingelse er definert av havnivået i Hardangerfjorden. Det er utført beregninger både for normalnivå og 100-års stormflo inklusiv havnivåstigning. Sistnevnte er hentet fra DSB, 2009 for Jondal som var nærmeste kommune. Predikert vannstanden (relativt til NN1954) for 100-års stormflo, inklusiv havnivåstigning frem mot år 2100, er 2,12 til 2,67 m. Den øvre verdien benyttes i Sweco sin beregning (konservativt) og 0,17 m landheving trekkes fra. Dette gir en vannstand på 2,5 m som nedre grensebetingelse i modellen i en situasjon med stormflo. I beregningen for predikert normalnivå i år 2100 er 0,7 m benyttet som vannstand for nedre grensebetingelse, sammen med 200 års flom. Dette er en kombinasjon som vil gi større vannhastigheter pga. høyere fall og kan derfor gi større erosjonsfare. 3.2 Resultater vannlinjeberegning Vannlinjeberegningen er utført med 200-årsflom samtidig med stormflo (100 års gjentaksintervall) og med 200-årsflom sammen med normalvannstand for år Beregningen inkluderer 20 % klimatillegg på vannføring og usikkerhet i vannstand for 100-års stormflo. Alle resultater er presentert i dette kapittelet. Figur 3-1 viser lengdeprofil av Alsåkerelva med vannlinje for Q 200 med planlagt bru og stormflo + 2,5 m fra NN Det er også gjort beregning for Q 200 med planlagt bru og forventet havstigning år ,7 m fra NN Hvis 200-årsflom inntrer ved normalvannstand vil ikke dette gi høyere vannstand under brua, men kan gi større vannhastigheter og dermed større fare for erosjonsskader rundt brua. Lengdeprofil for Q ,7 m fra NN 1954 er vist i Figur 3-2. Høyeste vannstand er beregnet til 2,46 moh. under planlagt bru, ved samtidig stormflo på 2,5 m. Planlagt bru har sannsynligvis så vidt tilstrekkelig kapasitet til å avlede 200-årsflommen. Vannstanden når opp til underkant bru på venstre side. Brua er utformet med skrå lysåpning under. Brua bør prosjekteres slik at den har nødvendig fribord i forhold til maksimal vannstand på 2,46 m. Vannhastigheten i gjennomløpet under den planlagte brua er 2,0 m/s på oppstrøms side og 1,8 m/s nedstrøms side ved stormflo (havnivå 2,5 m). Ved havnivå 0,7 m er vannhastigheten i gjennomløpet 7,8 m/s på oppstrøms side og 5,3 m/s på nedstrøms side. 5

9 AlsaakerbruUtenBrukar2.5 Plan: Alsaakerbru alsaaker alsaaker 6 Planlagt bru EG Q200 Elevation (m) 4 2 Nedstrøms Crit Q Main Channel Distance (m) Figur 3-1 Lengdeprofil av Alsåkerelva ved planlagt bru med vannlinje for Q 200 og havnivå 2,5 m AlsaakerbruUtenBrukar0.7 Plan: Alsaakerbru alsaaker alsaaker EG Q200 Elevation (m) 4 2 Crit Q Main Channel Distance (m) Figur 3-2: Lengdeprofil av Alsåkerelva ved planlagt bru med vannlinje for Q 200 og havnivå 0,7 m Detaljerte resultater for vannlinjeberegningen vises i vedlegg 1. 6

10 3.3 Erosjonssikring Erosjonssikringer og erosjonsskader Vurderinger basert på bilder og opplysninger fra oppdragsgiver viser det er at bygd en ny støttemur/erosjonssikring oppstrøms den eksisterende brua i forbindelse med byggingen av Alsaker kraftverk. Erosjonssikring ved landkar til eksisterende bru, vist i Figur 3-3. Det er ikke observert ytterligere erosjonssikring. Figur 3-3 Erosjonssikring/ tørrmur oppstrøms bru (mellom kraftverk og bru) 7

11 Figur 3-4: Mur og erosjonssikring oppstrøms bru. I forbindelse med stormen Dagmar ble Alsåkerbrua ødelagt av stormflo. Landkar på nedstrøms side ble skadet, se Figur

12 Figur 3-5 Elveløp nedstrøms eksisterende bru med erosjonsskader (til venstre i bildet) Erosjonssikring For å vurdere erosjonssikring og foreslå steinstørrelser, er det beregnet maksimal hastighet i gjennomløpet og langs elveprofilet til Alsåkerelva. Det er nødvendig å erosjonssikre området ved landkarene der det er løsmasser. Dersom det er fjell, kan landkarene fundamenteres rett på fjell. Vannstanden ved 200-årsflom vil gå opp mot 2,5 moh, ved den nye brua, hvis stormflo inntreffer samtidig med 200-årsflom. Ved fjerning av eksisterende bru bør en erosjonssikre skader etter stormen, toppen av landkarene bør også erosjonssikres på lik linje med den nye brua. Alternativt kan landkarene fjernes helt (som forutsatt i den presenterte beregningen) og elvebredden erosjonssikres. Ved fjerning av eksisterende landkar vil hastigheten oppstrøms eksisterende bru bli 3,5 m/s og 4,5 m/s på nedstrøms side av eksisterende bru. For den nye brua er hastighetene høyere enn for eksisterende bru. Høyeste vannhastighet er 7,8 m/s oppstrøms nye landkar. Nedstrøms de nye landkarene er vannhastigheten 5,3 m/s. Vurdering av stabil steinstørrelse rundt landkarene er beregnet med formel 4.29 og 4.30 fra NVEs Veileder for dimensjonering av erosjonssikring (NVE, 2009B). Det er beregnet erosjonssikring i tverrprofilene rundt ny og eksisterende bru. 9

13 For Froudetall Fr < 0,8 kan stabil steinstørrelse for sikring av landkar beregnes med følgende formel 4.29 (Barkdoll 2007): For Froudetall Fr > 0,8 kan stabil steinstørrelse for sikring av landkar beregnes med følgende formel 4.30 (Barkdoll 2007): D 50 = stabil steinstørrelse (m) K = formfaktor (1,02 for landkar ved Fr < 0,8 og 0,69 ved Fr > 0,8) s = steinens spesifikke tetthet (-) (her benyttet 2,6) g = tyngdens akselerasjon (9,81 m/s 2 ) y = vanndybde ved foten av landkaret (m) V kar = karakteristisk hastighet (m/s) Tabell 3-1: Resultater fra HEC-RAS beregning av vannstander og vannhastigheter i hovedkanal, gamle landkar er forutsatt fjernet. Havnivå 0,7 m og Q200 Profil Vannføring Vannstand Gj.sn. Vannhastighet i hovedkanal Froudetall i hovedkanal y (m 3 /s) (moh.) (m/s) (m) ,25 3,53 0, ,65 4,49 1, ,28 7,77 2,65 1,07 77 Bridge ,7 5,31 1,73 0, ,49 2,86 0, ,02 3,32 0, ,7 1,35 0,41 Tabell 3-2: Resultater fra HEC-RAS beregning av vannstander og vannhastigheter i hovedkanal, gamle landkar er forutsatt fjernet. Havnivå 2,5m og Q200 Profil Vannføring Vannstand Gj.sn. Vannhastighet i hovedkanal Froudetall i hovedkanal y (m 3 /s) (moh.) (m/s) (m) ,25 3,53 0, ,65 4,49 1, ,44 2,02 0, Bridge ,46 1,77 0, ,47 1,59 0, ,48 1,11 0, ,5 0,39 0,07 Beregningene viser at overkritisk strømning ved eksisterende bru og ned mot den nye brua ble dimensjonerende for erosjonssikringen. Beregning viser at nødvendig steinstørrelse i området varier fra 0,5 til 1,0 m. Det er imidlertid korte avstander mellom profilene som har stor forskjell i steinstørrelse og modellen tar ikke hensyn til dynamiske effekter som vil oppstå på så korte avstander. Det anbefales derfor at det benyttes samme dimensjon stein, både oppstrøms og nedstrøms eksisterende bru, og ned mot den nye brua, D 50 = 0,8 1 m. Sikringen bør utføres som plastring. Sikringen bygges opp med to lag ensgradert stein med tykkelsen 2 D 50 = 1,6 til 2 m. Det er store hastigheter under bruene, både den eksisterende og 10

14 den nye. Her kan man med fordel velge de største dimensjonene. For plastring oppstrøms og nedstrøms bruene kan man gå litt ned i dimensjon. Steinene skal være kubisk, kantete og noe avlange. Største forhold mellom største og minste steinstørrelse skal være maksimalt 1,7. Toppsikring skal være i nivå med eksisterende elvebunn, dvs. gjennomsnittlig høyde av dagens nivå. Det må derfor graves ut i elveløpet slik at ferdig topp blir på samme nivå som dagens elveløp. Under sikringen bør det plasseres et filter av geotekstil. Det kan være nødvendig å beskytte geotekstilen med et lag grus før plassering av plastringen. Det er nødvendig å sikre hele elveløpet i dette området, både oppstrøms og nedstrøms landkarene. Nedstrøms brua er det viktig at partiet er stabilt, slik at en evt. bunnsenking ikke vil skape bevegelse og evt. undergrave oppstrøms sikring av brua. 3.4 Vurdering og anbefaling Den nye brua bør prosjekteres slik at den har nødvendig fribord i forhold til maksimal vannstand på 2,46 moh. Dersom det er løsmasser i elvebunnen må det erosjonssikres. Det må erosjonssikring rundt landkar både på oppstrøms og nedstrøms side. Også i elveløpet og ved eksisterende landkar må det erosjonssikres. Når den eksisterende brua fjernes, må man også se på toppen av landkarene som skal stå igjen og plastre disse da flommen kan overtoppe landkarene, og dermed erodere landkarene. Hvis landkarene fjernes må område der landkarene sto erosjonssikres. Sidene rundt bruene bør også erosjonssikres, da gjerne som en mur. Muren må i så tilfelle prosjekteres også med hensyn på geoteknisk stabilitet i kombinasjon med påkjenninger fra elva. Sikringen bør føres opp til minst 2,5 moh. ved den nye brua. Modellen viser også at vannet kan renne ut av elveleiet oppstrøms ny bru og renne over veien ved siden av den nye brua. Dette medfører fare for erosjon. For å forhindre dette kan man vurdere å heve erosjonssikring langs elvebredden, slik at det dannes en flomvoll langs sørlige elvebredden. 11

15 4 Referanser Sweco, Rapport R1. Scott Bale, S. Flomberegning for Alsåkerelva ved Alsåkerelva bru HEC-RAS, River Analysis System, US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center. Version 4.1, January NVE, 2009A. Lars-Evan Pettersson. Flomforhold i Sør- og Midt-Norge. Rapport Norges vassdrags- og energidirektorat. NVE, 2009B. Veileder for dimensjonering av erosjonssikring. Norges vassdrags- og energidirektorat. NVE, Vassdragshåndboka, Tapir akademisk forlag DSB, (Det nasjonale klimatilpasningssekretariatet ved Direktoratet for samfunnssikkerhet og beredskap) Havnivåstigning - Estimater av framtidig havnivåstigning i norske kystkommuner 12

16 Vedlegg 1: Tverrprofiler for HEC-RAS analyse Figur 4-1: Skjermdump av HEC-RAS analyse område og de 20 tverrprofilene i analysen. 13

17 Vedlegg 2: Resultater fra HEC-RAS kjøring for Q200 + havnivå 2,5 m AlsaakerbruUtenBrukar2.5 Plan: Alsaakerbru * 24.5* * 52.* 62.* * * * 147.* * * 137.* 133.* * 129.* * 110.* * 153.* * * * * * * * Bank Sta Figur 4-2: x-y-z perspektiv plott av vannlinjeberegning for Alsåkerelva, Q200 og havnivå 2,5 m 20 AlsaakerbruUtenBrukar2.5 Plan: Alsaakerbru alsaaker alsaaker2 alsaaker alsaaker Elevation (m) EG Q200 Crit Q Main Channel Distance (m) Figur 4-3: Profilplot, Q 200= 86 m 3 /s og havnivå 2,5 m 14

18 Tabell 4-1: Resultattabell HEC-RAS for Alsåkerelva, Q200 og stomflo på 2,5 meter River Sta Q Total Min Ch El W.S. Elev Crit W.S. E.G. Elev E.G. Slope Vel Chnl Flow Area Top Width Froude # Chl (m 3 /s) (m) (m) (m) (m) (m/m) (m/s) (m 2 ) (m) Bridge

19 Figur 4-4 Tverprofiler for simulering av Q200 og havnivå 2,5 m. RS100 AlsaakerbruUtenBrukar2.5 Plan: Alsaakerbru RS 77 U AlsaakerbruUtenBrukar2.5 Plan: Alsaakerbru Ny bru-skraa EG Q200 5 EG Q200 Elevation (m) Bank Sta Elevation (m) Crit Q200 Bank Sta Station (m) Station (m) RS 86 AlsaakerbruUtenBrukar2.5 Plan: Alsaakerbru RS 77 D AlsaakerbruUtenBrukar2.5 Plan: Alsaakerbru Ny bru-skraa Elevation (m) EG Q200 Bank Sta Elevation (m) EG Q200 Crit Q200 Bank Sta Station (m) Station (m) RS 80 RS 74 AlsaakerbruUtenBrukar2.5 Plan: Alsaakerbru AlsaakerbruUtenBrukar2.5 Plan: Alsaakerbru EG Q200 4 EG Q200 Elevation (m) Crit Q200 Bank Sta Elevation (m) Bank Sta Station (m) Station (m) 16