Hydrologiske vurderinger i forbindelse med ny bru over Langvassåga i Rana i Nordland Utarbeidet av Per Ludvig Bjerke Norges vassdrags- og energidirektorat 2011
Rapport Hydrologiske vurderingar i forbindelse med ny bru over Langvassåga i Rana i Nordland. Oppdragsgiver: Statens Vegvesen Saksbehandler: Per Ludvig Bjerke Ansvarlig: Sverre Husebye Vår ref.: NVE 200903928-4 Arkiv: 333 / 156.Z Emneord Hydrologiske beregninger, Rana, Nordland. Norges vassdrags- og energidirektorat Middelthunsgate 29 Postboks 5091 Majorstua 0301 OSLO Telefon: 22 95 95 95 Telefaks: 22 95 90 00 Internett: www.nve.no
Innhold Forord... 4 1 Innledning... 5 2 Flomberegning og vannstander... 6 3 Is og iskrefter... 7 4 Plastring og erosjonssikring... 8 5 Pilarer... 9 6 Konklusjon... 10 Referanser... 10
Forord På oppdrag for Statens Vegvesen har NVE, Hydrologisk avdeling, utført hydrologiske vurderinger i forbindelse med ny bru over Langvassåga ved Rana i Nordland. Prosjektet er en del av den tidligere inngåtte avtalen mellom Statens vegvesen og NVE som omhandler konsulenttjenester i hydrologi. Analysen omfatter kvalitetssikring av vurdering, hydraulisk simulering med Hec-Ras og vurdering av is-, erosjon og fare i forbindelse med bygging ny bru samt 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. Demissew Ejigu har kvalitetssikret rapporten. Rapporten er utført på oppdragsbasis og er ikke en del av NVE sin forvaltningsmessige behandling av saken. Oslo, august 2011 Sverre Husebye Seksjonssjef Per Ludvig Bjerke prosjektleder
1 Innledning På oppdrag for Statens Vegvesen Region Nord har NVE, Hydrologisk avdeling, utført en hydrologisk vurdering i forbindelse med bygging av ny bru på E-6 over Langvassåga i Rana i Nordland. Vurderingen omfatter virkning av den nye brua på -, is- og erosjonsforhold. Brua er planlagt bygget ovenfor den gamle, se figur 1 og det er vurdert 2 løsninger henholdsvis med ett og to brukar i elva. I prosjektet er det benyttet resultater fra de to tidligere prosjekt for området: NVE 2004/1 Flomberegning for Ranelva og NVE 2003/8 Flomsonekartprosjekt for Røssvoll. Figur 1 Figuren viser elva med gammel bru og den nye planlagte merket i svart.
2 Flomberegning og vannstander Det er tidligere utført beregninger og 200 års men er beregnet til å være 2320 m 3 /s for Ranelva ved Reinfossen og 450 m 3 /s i Langvassåga. Den tilhørende vannstanden i Langvassåga er beregnet å ligge på kote 46.10 ved den planlagte brua som ligger mellom profil 11 og 12 i figur 2. Resultatet fra beregningene er gitt i tabell 1. Tabell 1 Kulminasjonsvannføringer ved ulike gjentaksintervall for Ranaelva ved Reinfossen (Fra 4) Sted Middel 10-års 20-års 50-års 100-års 200-års 500-års Ranelva ved Røssvoll 990 1300 1430 1610 1740 1870 2050 Langvassåga 250 320 350 390 420 450 500 Ranelva ved Reinfossen 1240 1620 1780 2000 2160 2320 2550 Figur 2 Figur som viser plassering av profil i vannlinjeberegningen (Fra 4)
De beregnede verdiene gjelder for uregulerte forhold. Det betyr at beregningen er utført med forutsetningen om at det ikke overføres vann til Kaldvatnet fra de øvre delene av nedbørfeltet. Overføringens betydning ved store mer antas å være beskjeden, ikke minst sammenlignet med annen usikkerhet ved slike beregninger. For nærmere beskrivelse av beregningene, se NVE rapport nr. 2004/1 Flomberegning for Ranelva. 3 Is og iskrefter Is i vassdrag fører til en høyere vannstand enn tilsvarende vannstand når det er isfritt. Isoppstuing skyldes spesielt sarr, bunnis og isdammer. Løsner isen slik at ismassene beveger seg nedover elva (isgang), vil den kunne stoppe opp mot brupilarer og på steder der friksjonen mot omgivelsene øker, eksempel innsnevringer, bråe svinger eller særlig grunne parti. En slik isdam vil kunne medføre økte vannstand oppstrøms dammen. Vanlig tidspunkt for første islegging i Ranelva er månedsskiftet oktober/november, men vanligvis er det først fra etter jul at den blir liggende resten av vinteren. Det hender at elva har isganger og etter reguleringen har det vært store isganger både i 1971 og 1998. Etter isgang er det vanlig at ismasser samler seg i området rundt samløpet med Ranelva og Langvassåga, se eksempel i figur 3. Figur 3 Fra isgang i 1971 (Fra Rana Blad)
Isgangene har sjelden ført til skader av betydning eller forårsaket oversvømmelser, (4). Den største isgangen i vassdraget etter reguleringen var 10.1.1971. Vannstanden ved profil 7 er oppgitt til å ha vært på kote 46.2 moh som følge av isoppstuvingen. Dette tilsvarer vannstanden i området ved en 100 års. Under isganger vil krefter fra flytende isflak som støter mot pilarer bli store. Denne kraften er i hovedsak avhengig av istykkelse, bredde av pilar og strømningshastighet. Verdier for islaster på konstruksjoner er vanskelig å beregne da det mye avhenger isens form og egenskaper. Et viktig tiltak som kan redusere faren for brudd er å montere en isbryter, dvs en skråstilt og spisset eller avrundet pilarkant på oppstrøms side av pilaren mot strømretningen. Beregninger av støtkrefter fra isflak er gjort for Vefsna ved Trofors (6) og viser et variasjonsområdet mellom 1.3 2.5 MN i strømretningen. Det vil også virke sidekrefter på grunn av termisk utvidelse av is på pilarene, men disse antas å være små. Andre krefter som kan opptre er holdekrefter på grunn av strøm- og vindstress på is som stoppes av pilarer og vertikalkrefter ved vannstandsendringer med fastfrosset is, men disse vil ikke ha praktisk betydning i Langvassåga. 4 Plastring og erosjonssikring I elver oppstår erosjon i forbindelse med konstruksjoner som står i vannstrengen som brufundament og brupilarer og ved kunstige innsnevringer av elveløpet. Beskyttelse mot erosjon gjøres ved å anlegge et erosjonssikkert lag av stein. I forbindelse med bru over Langvassåga er det rundt pilaren(e) det kan oppstå erosjon på grunn av virveldannelse. For en 200 års er det beregnet hastigheter opp mot 4 m/s og med et dyp på 3 m gir dette, sett ut fra en jevn-strøm-betraktning, en d crit = 250 mm (Fra tabell 5.19 i (5)). Dette må understrekes at dette er imidlertid altfor lavt dersom det er lokal erosjon som opptrer. Basert på vannhastigheter og skjærspenninger fra beregninger med Shields formel og vurdering av lokal erosjonsfare har vi funnet frem til nødvendig stein størrelse for plastring av pilar 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 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 1.25. 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 Pilarer Den nye brua er planlagt med enten en eller to pilarer i elva. Brupilarer i elva virker oppstuende på vannstanden oppstrøms brua. Hvor mye er avhengig av diameter og utforming av pilaren. Pilarer som er optimalt utforma og små i forhold til elvebredden, typisk 1-2 m i diameter i forhold til elvebredder på 90 til 100 m som her i Langvassåga vil gi oppstuinger på mindre enn 1 cm. De kan imidlertid dannes isdammer som kan forårsake vannstandsstigning. Det er derfor viktig at pilarene på oppstrøms side får en spisset eller avrundet utforming og at derved reduserer sjansen for at isen legger seg på. På grunn av mindre fare for oppstuing av is og mindre vannstandsstigning ved anbefales løsningen med en pilar i elva. Dette vil også være det optimale i forhold til den gamle brua som også har en pilar i elva. Figur 4 Gammel bru over Langvassåga
6 Konklusjon Flomberegninger for Ranelva gir en 200 års på 450 m 3 /s i Langvassåga og 2320 m 3 /s i Ranelva ved Reinfossen. Vannstanden ved den planlagte brua er beregnet å være på kote 46.10 for denne men.. Basert på disse beregninger anbefaler NVE at nedre kant av ny bru ikke legges lavere enn kote 46.60. Beregningene har tatt utgangspunkt i at brua skal kunne tåle en 200 års og at is og drivgods i elva skal gå fri av brua ved en slik. Ved å bygge pilarer med 1.5 m bredde og optimal utforming vil oppstuingen bli mindre enn 1 cm. På grunn av mindre fare for oppstuing av is og mindre vannstandsstigning ved anbefales løsningen med en pilar i elva og som er spisset eller avrundet oppstrøms. Samvirkeeffekten av ny og gammel bru vil gjøre marginal forskjell i sannsynligheten for at isflak stoppes og genererer isdammer. Dette forutsetter at pilarene ligger på linje i strømretningen. Støt fra isflak mot pilar kan forekomme og beregninger gjort for Vefsna ved Trofors (6) viser et kraften fra slike har et variasjonsområdet mellom 1.3 2.5 MN i strømretningen. Basert på de tidligere vurderinger anbefales at det brukes stein på D 50 = 75 cm diameter (minimum) etter anvendelse av sikkerhetsfaktor på 1.25. 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. Referanser (1) NVE (2009): Oversikt over årsmer. (2) Sæltun, N.R. med flere (NVE rapport 1997/14): Regional frekvensanalyse for norske vassdrag. (3) NVE (1-2004: LEP): Flomberegninger for Ranelva. (4) NVE (8-2003: Bævre og Larsen) Flomsonekart: Delprosjekt Røssvoll. (5) The Rock Manual (2007): The use of rock in hydraulic engineering. (6) SINTEF (1995): Isvurdering E6 forbi Trofors.
VEDLEGG 1 Tegning av bru med 1 pilar i elva.
VEDLEGG 2 Tegning av bru med 2 pilarer i elva