Flomberegning og hydraulisk analyse i forbindelse med nye bruer i prosjektet Helgeland Nord.

Transkript

1 Flomberegning og hydraulisk analyse i forbindelse med nye bruer i prosjektet Helgeland Nord. Norges vassdrags- og energidirektorat

2 Oppdragsrapport B 32/2014 Flomberegning og hydraulisk analyse i forbindelse med nye bruer i prosjektet Helgeland Nord. Oppdragsgiver: Statens Vegvesen Saksbehandler: Per Ludvig Bjerke Ansvarlig: Sverre Husebye Vår ref.: NVE Arkiv: 333 / 156.Z Emneord Flomberegning, Hydraulisk analyse, Helgeland Nord, Nordland. Norges vassdrags- og energidirektorat Middelthunsgate 29 Postboks 5091 Majorstua 0301 OSLO Telefon: Telefaks: Internett: 2

3 Innhold Forord... 5 Sammendrag Innledning Datagrunnlag Flomberegninger Klimatillegg Dimensjonering av vannstand og hastigheter Skramdalen...13 Bolnabekken...13 Bolnabekken midtre...14 Bolnabekken søre...14 Neset/Sagbekken...15 Krokstrand...16 Østre Tørrbekken...17 Pista...18 Hjartåsen/Messingåga...18 Messingsletta/Andreasplassen...19 Litlåga (Nordre Dunderland) Eiteråga Konklusjon Referanser

4

5

6 6 Sammendrag Det er utført flomberegning og en hydraulisk analyse i forbindelse med bygging av nye bruer for veiprosjektet Helgeland Nord. Elleve av bruene ligger i Dunderlandsdalen og en ligger i Skramdalen på E-6 sør for Mo i Rana. Beregnede 200 års flommer sammen med nødvendig minstehøyde og tilhørende vannhastighet er gitt i tabell 8. Det er for flomverdiene lagt til 20 % for å ta hensyn til klimafremskriving. For bruhøydene er det inkludert 0.5-1,0 m for å ta hensyn til is og drivgods ved flom. Hastighet er midlere hastighet for tverrsnittet. 6

7 7 1 Innledning Det planlegges å utbedre 12 bruer i Nordland, se figur 1 for kart. To av bruene går over Ranaelva, 9 er sideelver til Ranaelv mens en bru er over Skramdalselva sør for Mo i Rana. Formålet med prosjektet er å finne dimensjonerende flomvannføringer og tilhørende vannstander og vannhastigheter ved bruene. Figur 1: Kart som viser beliggenhet av de 12 bruene. 2 Datagrunnlag I datagrunnlaget for prosjektet er det benyttet høydedata fra Norgeskartet, data tilsendt fra Statens Vegvesen og informasjon fra befaring den Det ble under befaringen utført oppmåling av vannlinje og terreng oppstrøms og nedstrøms bruene der det var mulig. Som en viktig del av datagrunnlaget inngår også NVE sine hydrologiske målestasjoner. Det er i tidligere prosjekt utført flomberegninger for felt i nærheten, se (1), (2), (11) og (12). Resultatene fra disse er også tatt med i vurderingen i denne analysen. 7

8 8 3 Flomberegninger 11 av bruene ligger i samme hydrologiske flomregime, mens brua over Skramdalselva ligger lenger vest i et våtere regime. Feltene ned til bruene har ulik størrelse. 2 av dem krysser Ranaelva og har meget store nedbørfelt. De andre feltene har nedbørfelt mindre enn 50 km 2. De aktuelle felter er analysert med NVE sitt analyseprogram LAVVANN. Dette gir blant annet informasjon om areal, feltkarakteristikker, midlere årsavrenning og nedbør for feltene. Resultatene fra denne analysen er vist i tabell 1. Tabell 1: Tabell som viser feltkarakteristikker for de analyserte lokalitetene. Sted Areal (km 2 ) Eff. Sjø (%) Høydeint. (moh) Snaufjell (%) Skog (%) Årsavløp (l/sek*km 2 ) Nedbør (mm/år) Skramdalen Bolnabekken Bolna midtre Bolna søre Sagbekken Krokstrand Ø. Tørrbekken Pista Hjartåsen Messingsletta Litlåga Eiteråga I Nordland er det en sterk øst-vest gradient med hensyn på nedbør og avrenning. Dette kan også leses av verdiene for midlere årsavrenning i tabell 1 der feltene ved Bolna ligger i øst og har lavere avrenning enn de lenger vest i Ranaelva som Hjartåsen og Eiteråga. Skramdalen ligger enda lenger vest og har høyest spesifikk avrenning. På grunn av vannkraftutbygging har det vært mange målestasjoner i Ranaområdet. Imidlertid er det variabel kvalitet på mange av disse og noen har veldig korte måleserier. I hovedelva lå de tre stasjonene Nevernes, Jordbru og Krokstrand, men alle er nedlagt. De har likevel lange måleserier, henholdsvis 63, 40 og 32 år med data og passer meget godt for beregninga av flomverdien for de to bruene Krokstrand og Messingsletta. Analyse av data fra disse 3 stasjonene er gjort i (1) og resultatet er gitt i tabell 2 sammen med andre stasjoner i området som er tatt med for sammenligningen skyld. 8

9 9 Figur 2: Kart over målestasjoner i Rana området. Tabell 2: Data for målestasjoner i østre del av Ranaelva, døgnmiddel. Fra (1). 9

10 10 Døgnmiddelflommen for Krokstrand og Messingsletta blir da 393 l/sek*km 2. For å finne kulminasjonsverdien benyttes formelverket utarbeidet av Sælthun i 1997 (3). Formelen er gitt under. Fomler for beregning av forholdet mellom kulminasjon og døgnmiddel: Vårflom: Qmomentan/Qdøgn = log (A) (Ase)^0.5 Høstflom: Qmomentan/Qdøgn = log (A) (Ase)^0.5 For Krokstrand blir forholdet 1.28 og for Messingsletta blir den Ved å anvende middelet av frekvensfaktorene for 200 års flommen for de 3 stasjonene Nevernes, Jordbru og Krokstrand lik 1.82 så finnes 200 års flommen for Krokstrand som: 393*772*1.28*1.82 = 706 m 3 /s. Og for Messingsletta lik: 393*1622*1.20*1.82 = 1392 m 3 /s. For sideelvene i Dunderlandsdalen og Skramdalen som alle har felt mindre enn 50 km 2 benyttes resultatene fra NIFS (2). NIFS er et fellesprosjekt mellom Jernbaneverket, Statens vegvesen og NVE. Det ble det i 2014 utført analyser på data fra små nedbørfelt for hele landet der en formel for beregning av flom i små felt ble utarbeidet (A<50km 2 ). Denne analysen passer perfekt for feltene i Dunderlandsdalen og Skramdalselva som varierer i størrelse fra 0.5 til 46 km 2. Ved å anvende den empiriske formelen utarbeidet i NIFS på feltene i Dunderlandsdalen finnes den spesifikke middelflommen og den spesifikke 200 års flommen. Resultatet fra dette er gitt i kolonne 3 i tabell 3. Som kontroll og verifisering av de beregnede flomverdiene i tabell 3 er det beregnet frekvensfaktorer mellom 200 års flom og middelflommen beregnet fra NIFS prosjektet. Disse er gitt i tabell 3 kolonne 6. Den viser at forholdet mellom 200 års flom og middelflom ligger på ca Tabell 3 Beregning av flomverdier (kulminasjon) fra NIFS. Sted Areal (km 2 ) Q M (l/sek*km 2 ) Q 200 (l/sek*km 2 ) Q200 (m 3 /s) Frekvensfaktor Skramdalen Bolnabekken Bolna midtre Bolna søre Sagbekken Ø. Tørrbekken Pista Hjartåsen Litlåga Eiteråga

11 11 Til sammenligning mellom resultatene gitt av (2) og relevante målestasjoner er det presentert en analyse av dataene. Tabell 4 viser areal og feltkarakteristikker for utvalgte stasjoner i nærheten. Tabell 5 viser resultatet av frekvensanalysen på måledata fra stasjonene og som viser frekvensfaktorene for 50, 100 og 200 års flommer. Tabell 4 Feltkarakteristikker for aktuelle målestasjoner for bruk i kontrollberegninga. Sted Areal (km 2 ) Eff. Sjø (%) Høydein (moh) Snaufjell (%) Skog (%) Årsavløp (l/sek*km 2 ) Kjemåvatn Bogvatn* Leiråga Forsbak** *Brefelt med 19 % bre. **Fra (12). Tabell 5: Spesifikk middelflom (døgnmiddel) og frekvensfaktorer for de aktuelle målestasjoner benyttet i analysen. Fra (2). Stasjon Q m Q 50 Q 100 Q 200 (l/sek*km 2 ) (m 3 /s) (m 3 /s) (m 3 /s) Kjemåvatn Bogvatn Leiråga Forsbak Analysen viser at frekvensfaktoren for 200 års flommen er adskillig lavere for disse feltene enn faktorene gitt av formlene til NIFS (2). Unntaket er Forsbak som ligger lenger vest og dermed må ventes å ha høyere avrenning. Denne har også lav effektiv sjøprosent og dermed forholdsvis lik frekvensfaktorer som de aktuelle feltene. Spesielt vil den være lik Skramdalen på grunn av geografisk nærhet. Høy effektiv sjøprosent demper flommene og dermed frekvensfaktoren. Dette gir mindre forskjell på 50, 100 og 200 års flommer enn for felt som har liten effektiv sjøprosent. 4 Klimatillegg NVE utførte i 2011 en analyse for å finne effekten av fremtidige klimaendringer på flomverdiene i norske vassdrag. Dette ble rapportert i (6). Resultatet av denne analysen for Nordland er vist i figur 5. For de gjeldende områder er det anbefalt å legge på 20 til 40 % for å ta hensyn til fremtidige klimaeffekter. 11

12 12 Figur 2: Endring av flomstørrelser på grunn av klimaendringer. Figuren viser at det må forventes økning for hele Nordland. De beregnede dimensjonerende 200 års flommer er gitt i kolonne 3 i tabell 6. Tabell 6: Tabell over dimensjonerende 200 års flomverdier. Sted Q 200 (m 3 /s) Q 200 med klima (m 3 /s) Skramdalen Bolnabekken Bolna midtre Bolna søre 7 9 Sagbekken Ø. Tørrbekken 5 6 Pista Hjartåsen Litlåga Eiteråga Krokstrand Messingslett

13 13 5 Dimensjonering av vannstand og hastigheter Skramdalen For denne elven er det beregnet en 200 års flom på 50 m 3 /s. Helningen oppstrøms brua er ca. 8 m på 50 m som gir en helning på 16 %. Brua ligger 25 m opp for den gamle brua som vist i figur 3. Vedlegg 13 viser den planlagte nye brua. Det er ikke kjent om store flommer har oversvømt den gamle brua, men elva er smal og avgrenset av bratte fjellskråninger på hver side. Figur 4 viser bekken fra dagens bru og vedlegg 13 viser tverrsnitt av ny bru. Nedre kant bru ligger på kote 40 moh og bunnen ligger på kote 27 moh. Det er vanskelig å sette opp en hydraulisk modell for bekken og det må beregnes hastighet basert på helning og steinstørrelse. Dette gir en hastighet på 5 m/s. Dette betyr at det kreves et effektivt areal på 10 m 2 for å ta unna en 200 års flom. Inkludert usikkerhet og fare for at drivgods og is kan tette til løpet anbefales et tverrsnitt på 20 m 2. Basert på tegninga i vedlegg 13 vil 200 flommen nå opp til kote 30 moh. Det anbefales at nedre kant bru ikke legges lavere enn på kote 32 moh. Figur 3: Tegning som viser ny veitrasee. Figur 4: Bekken sett fra dagens bru. Fra Google. Bolnabekken Ved brua er 200 års flommen 35 m 3 /s. Med veldig bratt helning oppstrøms brua og med en antatt hastighet på 5 m/s gir dette er nødvendig areal på 7 m 2. Med en brubredde på 10 m vil en høyde på 1m ta unna en 200 års flom. Men på grunn av usikkerhet i beregningene og at drivgods og is kan redusere arealet av innløpet anbefales en høyde på minimum 2 meter. 13

14 14 Figur 5 Sett oppover bekken fra brua. Figur 6 Sett nedover bekken fra brua. Bolnabekken midtre Bekken, er som figur 5 viser, bratt oppstrøms kulverten. Det er umulig å simulere bekken i en modell på grunn av uregulær elvebunn. 200 års flommen er beregnet til å være 18 m 3 /s. Ved å anta en innløpshastighet på 4 m/s vil det være nødvendig areal på 5 m 2. Med en bredde av brua på 10 m anbefales en minimumshøyde på 1.5 m. Dette for at det lett kan dannes is oppstrøms og ved flom kan drivgods lett tette igjen åpningen. Figur 7 Bekken sett oppover fra brua. Figur 8 Utløpet av kulvert og ned i hovedelva Bolnabekken søre Elva er bratt oppstrøms dagens kulvert, se figur 9 og 10. Det er i dag en sirkulær kulvert med diameter 3 m. 200 års flommen beregnet til 9 m 3 /s. Med en hastighet på 3 m/s vil det kreve et areal på 3 m 2. Med en bredde av brua på 10 m anbefales en minimumshøyde på 1.5 m. Dette er da inkludert sikkerhetsmargin som tar høyde for usikkerhet i beregningene samt eventuell is og drivgods ved flom. 14

15 15 Figur 9 Bekken sett oppover fra brua. Figur 10 Bekken sett nedover fra brua. Neset/Sagbekken Elva har en slak helning og er ca. 4-5 m bred. Figur 11 og 12 viser elva oppstrøms og nedstrøms dagens bru. Med en 200 års flom beregnet til 13 m 3 /s vil det bli hastigheter på 2-3 m/s. En 200 års flom krever et areal på 6-8 m 2 og med en 10 m bred bru anbefales en minimumshøyde på 2 m. Dette for å ta høyde for usikkerhet i beregningene og at drivgods og is kan tette til løpet. Figur 11 Sett oppover elva fra brua Figur 12 Sett nedover elva fra brua 15

16 16 Krokstrand Ranaelv forbi Krokstrand er slak med en helning på 0.4 % forbi brua, se figur 14 og 15. Det er et stryk 300 m opp for brua som kan sees på figur 14. Hastigheten avtar ned mot brua. 200 års flommen er beregnet til 840 m 3 /s. Elva er m bred oppstrøms og nedstrøms dagens brusted. Brufundamentet fra gammel bru står igjen og der er elva 31 m bred, se figur 16. Ved det nye brustedet, som ligger 100 m nedenfor dagens brusted og vises på figur 13, er det ca. 65 m lengde over elva. Figur 17 viser en plantegning over gammel og nytt brusted. Høyden av veibanen på dagens bru ligger på ca moh. Ved befaring ble det målt en høyde på 6 m fra underkant bru til vannflaten. Antatt at underkant bru ligger på kote 288 moh. var vannstanden ved befaring på ca 282 moh. Toppen av elveskråningen ved det nye brustedet ligger på kote 285 moh. Figur 13 Nedover fra dagens bru. Figur 14 Sett oppover elva fra dagens bru. Figur 15 Dagens bru. Figur 16 Brukar fra gammel bru. 16

17 17 Figur 17 Figur som viser gammel og ny bru. For å beregne vannhastigheter og vannlinje er det satt opp en Hec-Ras modell. Høydedata i modellen er basert på tilsendte data fra Statens Vegvesen og Norgeskartet. Resultat fra simuleringen er gitt i vedlegg 14 og i tabell 7. Basert på resultatene anbefales det at nedre kant bru ikke legges lavere enn moh. antatt at bunnen ligger på mellom og moh. Tabell 7: Tabell som viser resultat fra simulering av strømning ved Krokstrand bru. Østre Tørrbekken Dette er en liten og bratt bekk, noe man ser av figur 18 og års flommen er beregnet til 6 m 3 /s. Det er en helning på 10 % inn mot kulverten og hastigheter opp mot 4 m/s ved flom. Dette gir et nødvendig strømningsareal på mindre enn 2 m 2. Dagens løsning med 2 rør med diameter 1.2 m og et areal på 1.1 m 2 på hver er en dårlig løsning på grunn av at det lett tilstoppes, se figur 19. Det anbefales en minimum 2 m bred og 1.5 m høy kulvert for å ta høyde for at is og drivgods kan tette igjen løpet ved flom. Ved en løsning med 10 m bred bru anbefales likevel en minimumshøyde på 1.5 m da en mindre åpning lett tilstoppes av kvist og greiner. 17

18 18 Figur 18: Bekken sett oppover fra dagens kulvert. Figur 19: Dagens løsning med 2 stk mm rør. Pista Feltet er 0.5 km 2 stort og 200 års flommen er beregnet til 1.5 m 3 /s. Bredden av bekken er ca. 2.5 til 3 m. Det blir hastigheter på ca 2 m/s ved flom og det kreves et strømningsareal på 0.75 m 2. Dagens løsning med 2 x 1.2 m sirkulære rør er uheldig da de lett kan tilstoppes av kvister og grener. Det anbefales en minimumshøyde på 1.5 m da en lavere høyde av brua lett tilstoppes. Figur 20 Elva sett oppover fra kulvertene. Figur 21 Innløp til dagens 2 kulverter. Hjartåsen/Messingåga Feltet er 49 km 2 stort og 200 års flommen er beregnet til 102 m 3 /s. Det er bratt ned mot brua og antatt helning er 2 %. Det er storsteinet elvebunn, se figur 22 og 23. Det er beregnet en hastighet på 3 m/s inn mot brua ved flom. Dette krever et strømningsareal på 35 m 2. Elva er ca. 20 m bred som også er bredden av dagens bru. Ved en slik lengde kreves en høyde på 2.5 m. Det er da inkludert en sikkerhetsmargin på 0.75 m. 18

19 19 Figur 22 Elva sett nedover mot dagens bru. Figur 23 Elva sett nedover fra dagens bru. Messingsletta/Andreasplassen Brua ligger i hovedelva og feltet er 1622 km 2. Det er stryk oppstrøms brua som vist i figur 24 og et slakt parti nedstrøms som vist i figur 25. Bredden av elva ved dagens brukar er 35 m. Oppstrøms og nedstrøms er bredden 50 til 60 m. 200 års flommen er beregnet til 1680 m 3 /s. Figur 24 Bilder viser forholdene oppstrøms brua. Figur 25 Viser elva fra brua og nedover For å beregne vannlinje og hastigheter er det satt opp en Hec-Ras modell og gjort en overslagsberegning med Mannings formel av den aktuelle elvestrekningen. Data til dette er hentet fra Statens Vegvesen sin tilsendte informasjon, fra Norgeskartet og fra informasjon hentet på befaring den Det er et stryk oppstrøms der vannet får stor fart. Ved flom vil det bli hastigheter opp mot 5 m/s. Dersom det antas en bredde på 50 m og en hastighet på 5 m/s vil det kreve en vanndybde på 7 m. Dette betyr at ved å anta at bunnen ved brustedet ligger på kote moh så vil en 200 års flom nå opp til kote moh. Det anbefales å legge på en sikkerhetsmargin på 0.5 m slik nedre kant ny bru ikke bør ligge lavere enn moh. 19

20 20 Figur 26: Kart som viser ny bru ved Messingslett. Litlåga (Nordre Dunderland) Elva er ca. 8 m bred og er slak med en helning på 1 %. Dagens bru er 7 m bred. 200 års flommen er beregnet til 9.5 m 3 /s. Dette gir hastigheter på 2 til 3 m/s ved flom og et strømningsareal på 5 m 2. Med en 10 m bred bru anbefales en minimumshøyde på 2 m. Figur 27: Bekken sett oppover Figur 28: Bekken sett nedover. 20

21 21 Eiteråga Feltet til Eiteråga er 17 km 2 og 200 års flommen er beregnet til 47 m 3 /s. Elva har et godt fall oppstrøms dagens bru, se figur 29. Figur 30 viser elva nedstrøms dagens bru. Dagens tunnellignende bruåpning er 8 m bred og 4 m høy som gir et areal på ca. 25 m 2. Ved befaring var det 9.5 m fra vannflaten til topp veibane. Med en hastighet på 2 m/s kreves et strømningsareal på 25 m 2 for å ta unna en 200 års flom. For en 10 m bred bru anbefales da en minimumshøyde på 3.5 m. Figur 29 Elva sett inn mot dagens bru. Figur 30 Elva sett fra dagens bru og nedover. 6 Konklusjon Det er utført flomberegninger og hydraulisk analyse i forbindelse med bygging av 12 nye bruer i Nordland. Det er funnet 200 års flomverdier og sammenhørende vannstander og vannhastigheter. Resultatet fra beregningen er gitt i tabell 8. Det er for flomverdiene lagt til 20% for å ta hensyn til klimafremskriving og for bruhøydene er det inkludert 0.5 til 1 m for å ta hensyn til is og drivgods ved flom. Den oppgitte hastigheten er midlere hastighet for tverrsnittet og er valgt konservativt for å sikre stor nok bruåpning. Dersom det skal beregnes hastighet for dimensjonering av steinstørrelse til plastring vil det kreve en konservativ vurdering oppover i hastighet. De oppgitte hastigheter bør derfor ikke brukes til dimensjonering av steinstørrelse til plastring. 21

22 22 Tabell 8: De beregnede 200 års flomverdier, nødvendig bruåpning og beregnet hastighet. Sted Q200 (m 3 /sek) Bru (Breddexhøyde) Hastighet (m/s) Skramdalen x 2 5 Bolnabekken x 2 5 Bolna midtre x Bolna søre 9 10 x Sagbekken x 2 2 Krokstrand x Ø. Tørrbekken 6 10 x 1,5 4 Pista x Hjartåsen x Messingsletta x 7 5 Litlåga x 2 2 Eiteråga x Referanser (1) NVE Rapport : Flomberegning for Ranaelva. (2) NVE Rapport : NIFS Delprosjekt Regionalt formelverk for flomberegning i små felt. (3) Sælthun, N.R. med flere (NVE rapport ): Regional flomfrekvensanalyse for norske vassdrag (4) NVE (2008): Retningslinjer for flomberegninger. (5) NVE (2010): Vassdragshåndboka (6) NVE Report Hydrological projections for floods in Norway under a future climate. (8) NVE Rapport 18/2005 Vannføringsstasjoner i Midt- og Nord-Norge. (9) C. A. Thoresen: Port Designer s Handbook, (10) NVE rapporter B 18 og 19 (Under utarbeidelse): Flomberegninger for Saltdalen og Fustvatn. (11) NVE rapport : Flomberegning for Vefsna og Skjerva. (12) NVE (2010): Flomberegning for Mølnbekken. 22

23 23 VEDLEGG 1 Feltkarakteristika og kart over nedbørfeltet til Skramdalen. 23

24 24 VEDLEGG 2 Feltkarakteristikker og kart over feltet til Bolnabekken. 24

25 25 VEDLEGG 3 Feltkarakteristikker og kart over feltet til Bolnabekken midtre. 25

26 26 VEDLEGG 4 Feltkarakteristikker og kart over nedbørfeltet til Bolnabekken søre. 26

27 27 VEDLEGG 5 Feltkarakteristikker og kart over nedbørfeltet til Neset/Sagbekken. 27

28 28 VEDLEGG 6 Feltkarakteristikker og kart over nedbørfeltet Krokstrand bru. 28

29 29 VEDLEGG 7 Feltkarakteristikker for felte ned til Østre Tørrbekken. 29

30 30 VEDLEGG 8 Feltkarakteristikker for feltet til Pista. 30

31 31 VEDLEGG 9 Feltkarakteristikker for feltet til Hjartåsen. 31

32 32 VEDLEGG 10 Feltkarakteristikker for felte ned til Messingsletta/Andreasplassen. 32

33 33 VEDLEGG 11 Feltkarakteristikker for feltet ned til Litlåga. 33

34 34 VEDLEGG 12 Feltkarakteristikker for feltet til Eiteråga. 34

35 35 VEDLEGG 13 Skramdal bru. Nedre kant bru ligger på kote 40 moh og bunnen ligger på kote 27 moh. 35

36 36 VEDLEGG 14 Plott av resultat fra simulering med Hec-Ras for Krokstrand bru. Dagens bru ligger midt i strekningen. 36

37 37 37