Hydraulisk vurdering i forbindelse med bygging av ny Nes bru ved Harran i Nord-Trøndelag. Utarbeidet av Per Ludvig Bjerke

Transkript

1 Hydraulisk vurdering i forbindelse med bygging av ny Nes bru ved Harran i Nord-Trøndelag Utarbeidet av Per Ludvig Bjerke Norges vassdrags- og energidirektorat 2011

2 Rapport Hydraulisk vurdering i forbindelse med bygging av ny Nes bru ved Harran i Nord-Trøndelag. Oppdragsgiver: Statens Vegvesen Saksbehandler: Per Ludvig Bjerke Ansvarlig: Sverre Husebye Vår ref.: NVE Arkiv: 333 / 139.Z Emneord Hydraulisk vurdering, Nes bru. Norges vassdrags- og energidirektorat Middelthunsgate 29 Postboks 5091 Majorstua 0301 OSLO Telefon: Telefaks: Internett:

3 Innhold Forord... 4 Sammendrag Innledning Bakgrunn og metode Vurdering av rapport om flomvannstand... 6 Estimering av bestemmelsen av 100 og 200 års flom... 6 Estimering av 100 og 200 års vannstanden Simulering med Hec-Ras Om modellen og inngangsdata Kalibrering Resultater fra Hec-Ras Sikkerhetsmargin på beregningene Plastring Isforhold Utfylling i og langs elva Konklusjon... 12

4 Forord På oppdrag for Statens Vegvesen Region Midt har NVE, Hydrologisk avdeling, utført hydrauliske vurderinger i forbindelse med bygging av ny Nes Bru ved Harran i Nord- Trøndelag. Prosjektet er en del av den tidligere inngåtte rammeavtalen mellom Statens vegvesen og NVE som omhandler oppdrag i forbindelse med kryssing av vassdrag. Analysen omfatter kvalitetssikring av flomvurdering, hydraulisk simulering med Hec-Ras og vurdering av midlertidig utfylling i elv i forbindelse med bygging av pilarer i elveløpet og anbefaling av steinstørrelse til plastring av landkar og pilarer Arbeidet er blitt utført i februar 2011 med Per Ludvig Bjerke som ansvarlig for oppdraget fra NVEs side. Thomas Væringstad har kvalitetssikret rapporten. Rapporten er utført på oppdragsbasis og er ikke en del av NVE sin forvaltningsmessige behandling av saken. Oslo, februar 2011 Sverre Husebye Seksjonssjef Per Ludvig Bjerke prosjektleder 4

5 Sammendrag Det er utført en hydraulisk vurdering for nye Nes bru i Namsen, se figur 1. De oppgitte flomvannføringene på 1820 m 3 /s for en 100 års flom og 2000 m 3 /s for en 200 års flom er funnet rimelige. Vurderinga viser også at konklusjonen fra Norconsult som sier at 200 års vannstanden sannsynligvis ligger under kote 72.2 moh også stemmer med beregningene utført i dette arbeidet selv om grunnlagsmaterialet har vært forskjellig. De permanente fyllingene påvirker ikke flomforholdene. Også de midlertidige fyllingene på østsiden av elva har liten betydning for strømforholdene i elva ved lavere vannføringer. Derimot vil den midlertidige fyllinga på vestsiden gå helt ut i dypålen/hovedstrømmen og utsettes for sterke strømkrefter. Ved 200 års flom vil hastigheten øke fra 3 til 4 m/s på grunn av de midlertidige fyllingene og vannstanden øke med 30 cm oppstrøms fyllingene. Det er beregnet en nødvendig steinstørrelse på 75 cm for plastring av de midlertidige landkar som ønskes brukt ved bygging av brua. Figur 1 Plantegning av gammel og ny bru 5

6 1 Innledning 1.1 Bakgrunn og metode Statens Vegvesen har i forbindelse med en bygging av ny Nes bru over Namsen engasjert NVE om bistand til å utføre hydrologiske vurderinger. Resultatet i denne rapporten bygger både til dels på tidligere utførte flomberegninger og estimering av vannstander utført av Norconsult, dels på en ny analyse av vannhastigheter og steinstørrelse for plastring. Det er satt opp en hydraulisk modell i Hec-Ras for å simulere vannstander ved Nes bru. Resultat herfra er gitt i kapitel 3. Det er ikke utført noe befaring eller oppmåling i forbindelse med prosjektet. 2 Vurdering av rapport om flomvannstand Estimering av bestemmelsen av 100 og 200 års flom I flomvurderinga fra Norconsult av har de hentet verdier fra deres egen flomberegning av Den er utført for NTE og godkjent av NVE den Der benyttes målestasjonene Øvre Fiskumfoss og Bystrupen som utgangspunkt og de velger 100 og 200 års verdier for Nes bru til å ligge et sted mellom verdien for disse 2 målestasjoner. De funne 100 og 200 års verdier for Nes Bru på 1820 og 2000 m 3 /s er rimelige. Estimering av 100 og 200 års vannstanden Når det gjelder observasjon og måling av vannstander ved Nes bru er det viktig å skille mellom før og etter utbyggingen av Øvre Fiskumfoss kraftverk som fant sted i Bygginga av kraftverket med dam har påvirket vannstanden oppover i elva forbi brua. Flomvannstander fra før 1976 kan derfor ikke sammenlignes med flomvannstander etter Det er også viktig å være oppmerksom på at mange av de observerte vannstander ved Øvre Fiskumfoss er gitt i NVE sitt referansesystem. Dette avviker fra NGO systemet med forskjellig verdi avhengig av hvor i Norge man befinner seg. Ved Øvre Fiskumfoss er forskjellen ca 52 cm. Konklusjonen i Norconsult sitt notat om at 200 års flommen ligger lavere enn kote 72.2 er i overensstemmelse med beregninger utført i dette arbeidet. 6

7 3 Simulering med Hec-Ras 3.1 Om modellen og inngangsdata Hec-Ras er en 1-dimensjonal numerisk simuleringsmodell for elvestrømning. Den er frivare, utviklet hos og kan lastes ned fra US Army Corps of Engineering sine nettsider. Modellen krever inndata som tverrprofiler, vannføring, nedre grensebetingelse og ruhet. Modellen kalibreres mot målte vannstander ved å justere ruheten slik at det blir samsvar mellom observasjoner og målte verdier. I modellen er overvannet til Øvre Fiskumfoss kraftverk brukt som nedre grense betingelse. Disse verdier er hentet fra modellforsøk hos SINTEF fra Den hydraulisk modellen Hec-Ras er satt opp med 8 tverrprofiler for å representere topografien av elva. Disse er hentet fra kart mottatt fra SVV. Det nederste profil 0 er ved Øvre Fiskumfoss og det øverste er profil 710 som er 260 m opp for gammel bru. Det vil ved den planlagte nye brua være underkritiske hastigheter som gjør at forholdene nedstrøms er bestemmende for vannstandene ved brua. 3.2 Kalibrering Modellen er kalibrert mot observerte verdier av vannstanden ved Nes bru for en vannføring på 87 m 3 /s. Det funne Mannings tallet var Resultater fra Hec-Ras Resultatene av beregningene for forskjellige flommer ved den nye brua er gitt i tabell 1 og figur 2. Figur 2 viser et lengdesnitt av vannstanden ved 4 flomstørrelser. Tabell 1 Resultat fra beregningene i Hec-Ras. Vannstand er i kolonne 3 og hastighet i kolonne 7. Gammel bru er profil

8 Figur 2 Figuren viser bunnen og vannlinjene for de 4 vannføringene: 87 m 3 /s, middelflom (866 m 3 /s), 100 års flom (1820 m 3 /s) og 200 års flom (2000 m 3 /s) ved Nes bru. 3.4 Sikkerhetsmargin på beregningene Basert på resultater fra en følsomhetsanalyse der vi har justert ruheten opp og ned med 20% antar vi en usikkerhet i beregningene på 20 cm. En sikkerhetsmargin skal alltid legges på ved praktisk bruk. For dette prosjektet er sikkerhetsmargin satt til 20 cm, dette må legges til de beregnede vannstander. 4 Plastring Basert på vannhastigheter og skjærspenninger fra Hec-Ras, beregning med Shields formel og vurdering av lokal erosjonsfare har vi funnet frem til nødvendig stein størrelse for plastring av landkar for den nye brua. Hvis vi betrakter det som en jevn strøm 3.0 m/s over en dybde på 1.5 m, så vil det gi en skjærspenning på ca 85 N/m 2, og det tilsier en steinstørrelse på d min = d crit = ca 100 mm, fra (8). Det forutsetter at strømmen er jevn over en relativt flat bunn, og at grensesjiktet får tid til å bygge seg opp. Det er ikke alltid tilfelle i elver og spesielt ikke for eksempel rundt brukar og over steiner. Da må det ses på som en bølgeindusert strøm, det vi si en strøm som bygger seg opp over en relativt kort avstand og kort tid, som tilfellet vil være rundt et brukar. Hvis vi forlanger at den bølgeinduserte hastigheten skal være 3.0 m/s, så gir det 8

9 en skjærspenning på 320 n/m2, og tilhørende steinstørrelse blir d min = d crit = 600 mm, fra (8). Endelig kan vi betrakte det som en propellestrøm, også en meget turbulent, intens strøm som bygger seg opp over et kort område. En propellerstrøm med u = 3.0 m/s vil tilsi en steinstørrelse på d min = d crit = 400 mm, fra (9). En jevn-strøm-betraktning gir en altfor lav d crit (100 mm). Basert på de foran nevnte vurderinger anbefales at det brukes stein på 75 cm diameter (minimum) etter anvendelse av sikkerhetsfaktor på Det anbefales å bruke sprengt eller tilpasset stein da denne kan legges tett og man unngår store strømdrag som for eksempel rullestein kan utsettes for. 5 Isforhold Det er ofte isganger i Namsen og dette må det tas høyde for i beregning av minste høyden av brua. Det er ikke regnet på løftingskrefter fra is som kan fryse rundt landkarene. 6 Utfylling i og langs elva Det er planlagt flere utfyllinger i og langs elva, se figur 3. De 2 utfyllingene på østsiden har liten betydning for strømningen i elva på små vannføringer, mens utfyllinga på vestsida går helt ut i dypålen/hovedstrømmen og vil utsettes for sterke strømkrefter uansett vannføring. Ved vanlig kjøring i Øvre-Fiskumfoss med driftsvannføringer på mellom m3/s gir fyllingene ubetydelig forskjell både i hastighet og vannstand. Økning av vannstanden og hastighet ved flom vil bli betydelig mindre dersom man bygger fyllingene en og en. Forholdene oppstrøms brua er av en slik art at det kun er på bostedet Rønningmo på vestsiden like ved fyllinga at hus utsettes for flomfare. Lenger oppover elva er det ikke hus eller infrastruktur som vil berøres ved flom. NVE anbefaler at det tas høyde for en 200 års flom for permanent bru på Europavei. For midlertidige inngrep vil dette måtte vurderes fra tilfelle til tilfelle. 9

10 Figur 3 Figuren viser de planlagte midlertidige utfyllinger i elva. Ved større vannføringer vil hastigheten øke i det vannet strømmer forbi de midlertidige fyllingene på grunn av innsnevringen og det vil bli en oppstuving av vannstanden oppstrøms fyllingene. Resultater fra beregningene i Hec-Ras for utfyllingen i elva er gitt i tabell 2 og figur 4 og 5. Tabell 1 viser at hastigheten er ca m/s uten fylling og 4.03 m/s med fylling. Vannstanden er uten og med fylling. Figur 5 viser utfyllingene i profilet. 10

11 Tabell 2 Vannstander er gitt i kolonne 3 og hastigheter i kolonne 6. Profil nr 600 er utfyllingsprofilet. Figur 4 Figuren viser vannlinjer med og uten utfylling Figur 5 Figur som viser vannstandene i profil med utfylling 11

12 7 Konklusjon Det er foretatt en hydraulisk vurdering av forholdene for den nye Nes bru ved Harran. Det er vurdert at de funne verdier av 100- og 200 års flommene på 1820 og 2000 m 3 /s er rimelige og simuleringer med Hec-Ras viser at vannstanden for en 200 års flom ligger på ca moh. For å ta hensyn til usikkerhet i beregningen og ta høyde for is og drivgods under flom anbefales å plusse på 70 cm slik at nedre kant bru ikke bør legges under kote Dette støtter konklusjonen fra Norconsult selv om grunnlagsdata for de to vurderingene er forskjellige. Det er beregnet en nødvendig steinstørrelse på 75 cm for plastring av landkar hvis disse plasseres ute i elva. De planlagte permanente fyllinger vil ikke ha innvirkning på erosjons og flomforholdene. Den midlertidige fyllingen på vestsiden av elva vil utsettes for sterke strømkrefter på alle vannføringer. Sammen med de midlertidige fyllinger på østsiden vil den ved en 200 års flom øke vannstanden med 30 cm og øke vannhastigheten fra ca 3 m/s til ca 4 m/s forbi fyllingene. Referanser: (1) Norconsult: Flomberegninger for Namsen. (2) NVE (2009): Oversikt over årsflommer. (3) NVE Internt Notat mars (2009): Karakteristiske lavvannføringer. (4) Soulsby R.(1997): Dynamics of Marine Sands, Thomas Telford, ISBN X, London (5) C. A. Thoresen: Port Designer s Handbook, (6) Sæltun, N.R. med flere (NVE rapport 1997/14): Regional flomfrekvensanalyse for norske vassdrag (7) NVE (2008) Retningslinjer for flomberegninger. (8) SINTEF 1999: Øvre Fiskumfoss kraftverk Flomvannstander. Modellforsøk. (9) Diverse info fra NTE ved Svein Williksen 12