1 Flom- og vannlinjeberegning

Transkript

1 1 Flom- og vannlinjeberegning 1.1 Innledning På oppdrag fra Statens vegvesen Region midt, har Sweco Norge AS (Sweco) i Trondheim utført hydrologisk og hydraulisk vurdering for den planlagte kryssinga av Nordelva ved utløpet av Krinsvatnet. Dette kapitlet omfatter: Beregning av 200-årsflom og økning av flomstørrelsen for å ta hensyn til forventet klimaendring. Vannlinjeberegning ved 200 årsflom med ny bru. Vannlinjeberegning ved utfylling i anleggsperioden med gammel bru nedstrøms. Vurdering av behov for erosjonssikring og forslag til nødvendig steinstørrelse. Sweco har NVE-godkjenning for flomberegning og beregning av flomavledning for alle typer dammer og flomløp Plassering av den planlagte kryssingen av Nordelva Det planlagte tiltaket ligger ved utløpet av Krinsvatnet i Nordelva (vassdragsnummer 133.3A), Rissa kommune, Sør-Trøndelag. Figur 1-1 viser et oversiktskart over Krinsvatnet og Nordelva. Krinsvatnet Nordelva Figur 1-1 Oversiktskart. Eksisterende bru er markert med rødt Skisse av ny bru er vist i Figur 1-2. Ny bru er planlagt oppstrøms eksisterende bru.

2 Eksisterende bru Nordelva Planlagt bru Krinsvatnet Figur 1-2 Planlagt ny kryssing av Nordelva ved utløpet av Krinsvatnet (kilde: SSV) Eksisterende bru Hoveddata for eksisterende bru er vist i Tabell 1-1. Tabell 1-1 Hoveddata for eksisterende bru* Byggeår 1942 Spennvidde (teoretisk) 27,0 m Bredde, kjørebane 4,5 m Høyde, underkant undergurt 91,84 moh. (sør)/ 92,013 moh. (nord) *Data fra Statens vegvesens tegning. Figur 1-3 viser eksisterende bru, sett fra oppstrøms side.

3 Figur 1-3 Eksisterende bru, sett fra oppstrøms side Eksisterende bru skal rives etter byggingen av den nye brua. Eksisterende tørrmurlandkar på sørsiden av elva skal rives (landkar til venstre på bildet i Figur 1-4).

4 1.2 Flomberegning årsflom Flomberegning for Nordelva ved Krinsvatnbru er vist i vedlegg årsflommen er beregnet til 534 m³/s, inkludert klimatillegg på 20 %. Klimatillegget representerer NVEs anbefalinger om flomøkning frem til år For Nordelva er det ventet at flommene vil øke 20 % (NVE, 2011) årsflom For å kunne vurdere anleggstiltak i byggeperioden, skal vannstandsstigningen ved 5-årsflom vurderes. 5-årsflommen ved planlagt ny kryssing av Nordelva er beregnet til 216 m³/s. Beregningen er vist i Vedlegg 1. Anleggsarbeidet skal gjennomføres i løpet av 4-5 år, og er derfor ikke beregnet med klimatillegg. Middelvannføringen for Nordelva ved planlagt kryssing er 13 m³/s (se Vedlegg 1). 1.3 Vannlinjeberegning For å vurdere virkningen av ny kryssing av Nordelva, har det blitt beregnet vannstander i elven ved etablering av planlagt bru ved 200-årsflom Beregningsprogram Til beregning av flomstigning er programmet HEC-RAS (HEC-RAS, 2010) benyttet. Programmet beregner strømning i en dimensjon. Nordelva beskrevet med åtte tverrprofiler (se vedlegg 3). 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 Elvas geometri En beskrivelse av elva og terrengets form må inn i beregningsmodellen. En digital terrengmodell fra Statens vegvesen med fin oppløsning (rasterceller 1*1 m) er benyttet for området rundt utløpet av Krinsvatnet. Under feltarbeidet 10. juli 2013, ble det målt opp punkter langs/i elva for å fylle ut terrengmodellen med data i elveleiet. Oppmålingen ble utført med GPS (nøyaktighet ± 1 cm) og ADCP (akustisk doppler som måler vanndyp) fastmontert på en kajakk.

5 Oppmålingene sammen med høydemodellen gir en god beskrivelse av elva og terrenget. Kart i vedlegg 3 viser resultatet av oppmålingene og benyttede tverrprofiler i Nordelva Elvas ruhet I beregningsmodellen må elva og terrengets ruhet (strømningsmotstand) uttrykt ved Manningskoeffisient, n, legges inn. Følgende verdier er benyttet: Elveløpet: n = 0,03 Områder utenfor elveløpet: n = 0, Grensebetingelser Som oppstrøms grensebetingelse er vannstand i Krinsvatnet benyttet. Ved NVEs målestasjon observeres vannstand i Krinsvatnet og vannføring ut av vannet. Skalaens nullpunkt ved måling av vannstand er 86,11 moh. (B. Lirhus, NVE). 200-årsflommen inklusive klimatillegg, er 534 m³/s. Ved å ekstrapolere vannføring-vannstand kurven, blir vannstanden ved denne vannføringen ca. 7 m. Dette gir absolutt høyde 93,11 moh. 5-årsflommen er 216 m³/s. I følge observasjoner av vannstand og vannføring gir dette vannstand 4,39 m, og absolutt høyde 90,5 moh. Middelvannføringen ved utløpet er 13 m³/s. I følge observasjoner av vannstand og vannføring gir dette vannstand 1,11 m, og absolutt høyde 87,22 moh. For Nordelva er helning på normaldybde benyttet som nedre grensebetingelse. Helningen på elvebunnen nedstrøms modellen ble under feltarbeidet målt til 1,2 % Planlagt bru Det planlegges å bygge ei bru i tre spenn, hoveddata løsningen er presentert i Tabell 1-2. Tegninger av planlagt bru er vist i vedlegg 2. Tabell 1-2 Hoveddata for bru Lengde (fra landkar til landkar) Høyde, spennvidde Bredde (totalt inkl. rekkverk) 58 m 20 m 27 m 11 m 9,8 m Figur 1-4 viser lengdeprofil av Nordelva med vannlinje for Q 200 med planlagt bru. Vannstanden er 93,0 moh. ved oppstrøms side av planlagt bru. Planlagt bru har god kapasitet til å avlede 200-årsflommen. Vannhastigheten i gjennomløpet er 3,9 m/s (nedstrøms side).

6 Høyde (m) 95 Nordelva Krinsvatnbru Legend WS 200 Ground OWS Nordelva Krinsvatnet Planlagt bru Avstand (m) Figur 1-4 Lengdeprofil av øverste del av Nordelva med vannlinje for Q 200 med planlagt bru 1.4 Anleggstiltak i byggeperioden I forbindelse med boring/montering av stålkjernepeler og bygging av fundament/søyle 3 må det etableres en midlertidig fylling ut i elva og en midlertidig vei ned til fyllinga. Figur 1-5 viser planlagt utfylling. I perioden utfyllingen er etablert, vil eksisterende bru ikke være revet. Eksisterende bru er med i beregningsmodellen for å beregne vannstanden ved fyllinga. Dersom utfyllingen kun skal benyttes i forbindelse med bygging av fundament/søyle i akse 3 antas det at fyllingen må ligge i ca. 2 måneder. Dersom den skal benyttes til midlertidig understøtte i forbindelse med bærende forskalingsreis over elva, må fyllingen ligge i 4-5 måneder. Høyden på utfyllingen skal være over normalvannstanden, men utfyllingen kan overtoppes ved flom. Middelvannføringen er benyttet for å beregne normalvannstanden og 5-årsflom er benyttet til å beregne flomsituasjon.

7 Høyde (m) Planlagt utfylling Figur 1-5 Planlagt utfylling i anleggsperioden (utfylling ut til profil 3015) Figur 1-6 viser lengdeprofil for Nordelva med vannlinje for normalvannføring og 5 årsflom med planlagt fylling. I området utfyllingen planlegges er elvebunnen på det laveste på kote 85, Nordelva Krinsvatnbru Legend WS Q5 WS Qmiddel Ground OWS Q5 OWS Qmiddel Krinsvatnet 80 Planlagt utfylling Avstand (m) Figur 1-6 Lengdeprofil (bunn) av Nordelva med vannlinje for middelvannføring (rød linje) og 5-årsflom (blå linje)

8 Vannstand (moh.) Planlagt utfylling reduserer strømningstverrsnittet i så liten grad at vannstanden ved fyllinga vil være lik vannstanden i Krinsvatnet. Ved middelvannføring er vannstanden i Krinsvatnet 87,2 moh. Dermed vil også vannstanden ved utfyllinga være 87,2 moh. når vannføringa tilsvarer middelvannføring på 13 m³/s. Ved middelvannføring er vannstanden i Krinsvatnet 90,5 moh. Dermed vil også vannstanden ved utfyllinga være 90,5 moh. når vannføringa tilsvarer 5-årsflom på 216 m³/s. Ved 5-årsflom blir det høye vannhastigheter, opp mot 3 m/s, i elveløpet ved fyllinga. Vannhastighetene bør undersøkes nærmere for å bestemme nødvendig steinstørrelse i fyllinga. For å redusere faren for erosjonsskader på fyllinga, bør arbeidet gjennomføres i et tidsrom som har liten sannsynlighet for flommer og med lav vannføring. Figur 1-7 viser flerårsmiddel, -minimum og -maksimum for vannstanden i Krinsvatnet i perioden Figuren viser at vannstanden er lavest, og under vannstanden for middelvannføring, i perioden 1.juni til 15.september Flerårsmiddel Flerårsminimum Flerårsmaksimum Vannstand middelvannføring Vannstand 5-årsflom Figur 1-7 Variasjon i vannstand i Krinsvatn gjennom året (flerårsmiddel, -minimum og maksimum)

9 1.5 Erosjonssikring Observerte erosjonssikringer og erosjonsskader Under feltarbeidet ble det observert erosjonssikring ved landkar til eksisterende bru, vist i Figur 1-8. Utover dette ble det ikke observert ytterligere erosjonssikring. Figur 1-8 Erosjonssikring/ tørrmur ved nordlig landkar Det er ikke observert eksisterende erosjonsskader langs Nordelva. Under feltarbeidet ble det observert fjell i dagen langs sørsida av elva, se Figur 1-9.

10 Figur 1-9 Elveløp nedstrøms eksisterende bru Erosjonssikring For å vurdere erosjonssikring og foreslå steinstørrelser er det beregnet maksimal hastighet i gjennomløpet. Det er ikke nødvendig å erosjonssikre området ved landkarene. Vannstanden ved 200- årsflom vil ikke nå landkarene (se tegningen i vedlegg 2, fot landkar > 93,0 moh.). Nedstrøms planlagt ny kryssing vil det bli høye vannhastigheter, opp mot 5,5 m/s. Disse hastighetene vil kunne oppnås ved 200-årsflom uavhengig av om det bygges ny bru eller ikke, og de er derfor ikke vurdert i denne rapporten. Erosjonssikringen må detaljeres senere. Dette er innledende vurderinger. Erosjonssikring rundt bropilar Sørlig bropilar (sør, retning Trondheim) planlegges bygget på fjell. Det er derfor ikke nødvendig å erosjonssikre området rundt pilaren. Nordlig pilar (nord, retning Bjugn/Åfjord) skal bygges på løsmasser og området rundt pilaren må erosjonssikres. Stabil steinstørrelse rundt brupilarene er beregnet med formel 4.27 fra NVEs Veileder for dimensjonering av erosjonssikring (NVE, 2009):

11 D 50 = stabil steinstørrelse (m) K f = formfaktor (2,9 ved butt nese) s = steinens spesifikke tetthet (-) g = tyngdens akselerasjon (9,81 m/s 2 ) V lokal = hastigheten rett oppstrøms brupilaren (m/s) Vannhastigheten rett oppstrøms brupilaren er dimensjonerende. Den kan anslås ved å multiplisere gjennomsnittshastighet i hovedløpet, V, med en korreksjonsfaktor: V lokal = K v *V. K v er forholdet mellom gjennomsnittshastigheten i hovedløpet og lokal hastighet rett oppstrøms pilaren, og avhengig av hvor pilaren er plassert. For planlagt bru benyttes korreksjonsfaktor 1,0 (pilar nær bredden). Den største gjennomsnittlige hastigheten i gjennomløpet er 3,9 m/s. Dette gir D 50 på 1,0 m. En sikring med så stor stein må praksis utføres som en ordnet plastring. Det bør legges ett sikringslag over toppen på fundamenteringen av pilaren. Toppsikring plasseres i nivå med eksisterende elvebunn. Sikringen bør utføres 5 m i alle retninger rundt pilaren. Største stein bør ikke være større enn 2*D 50 = 2 m. Under sikringen bør det plasseres et filter av geotekstil. Det kan være nødvendig å beskytte geotekstilet med et lag grus før plassering av plastringen.

12 1.6 Sammendrag flom- og vannlinjeberegning Sammendrag Statens vegvesen planlegger ny bru over Nordelva i Rissa kommune i Sør-Trøndelag. Brua planlegges å bygges i tre spenn. Sweco har beregnet dimensjonerende flom, med tillegg for klimaendring (20 %) fram til 2100, til 534 m³/s. Nedenfor er de viktigste funnene i rapporten. Vannstandsstigning ved planlagt brosted: Planlagt bru har tilstrekkelig kapasitet til å avlede 200-årsflommen. Vannstanden ved 200-årsflom er 93,0 moh. I anleggsperioden planlegges det en utfylling i elva. Vannstanden ved fyllingen er 87,2 m ved middelvannføring og 90,5 m ved 5-årsflom. Området rundt nordlig pilar (retning Bjugn/Åfjord) må plastres med stein med D 50 på 1,0 m Vurdering og anbefaling Den nye brua kan bygges som planlagt. Det må utføres en erosjonssikring rundt nordlig (retning Bjugn/ Åfjord) pilar. I forbindelse med utfyllingen anleggsperioden bør dette arbeidet gjennomføres i et tidsrom som har liten sannsynlighet for flommer, dvs. 1.juni til 15. september. 2 Referanser HEC-RAS, 2010: River Analysis System, US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center. Version 4.1, January NVE, 2009: Veileder for dimensjonering av erosjonssikring. Norges vassdrags- og energidirektorat. NVE, 2010: Vassdragshåndboka, Tapir akademisk forlag NVE, 2011: Deborah Lawrence og Hege Hisdal. Hydrological projections for floods in Norway under a future climate. Report nr Norges vassdrags og energidirektorat.

13 Vedlegg 1 Notat. Flomberegning Vedlegg 2 Tegning, planlagt bru Vedlegg 3 Oversiktskart over benyttede tverrprofiler og oppmålte punkt

14