Dambruddsbølgeberegning for Svanfossdam i Vorma

l! N V E Dambruddsbølgeberegning for Svanfossdam i Vorma Dynamisk ruting av dambruddbølger fra Svanfoss til Rånåsfoss Bjarne Krokli F1 _ -,,i7.,--, : -...-.7^'-.,-,_..-. -

DAMBRUDDBØLGEBEREGNING FOR SVANFOSS DAM I VORMA (002.DAA) Dynamisk ruting av dambruddbolger fra Svanfoss til Rånåsfoss Norges vassdrags- og energidirektorat 2000 NORGES VASSDRAGS- OG ENERGIDIREKTORAT BIBLIOTEK

Oppdragsrapport nr 4-2000 DAMBRUDDBØLGEBEREGNING FOR SVANFOSS DAM I VORMA Utgitt av: Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE) Oppdragsgiver: Glommens og Laagens Brukseierforening (GLB) Forfatter: Bjarne Krokli Trykk: NVEs hustrykkeri Opplag: 20 Forsidefoto: Svanfoss dam ISSN: 1501-2840 Sammendrag: Det er gjort dambruddsbølgeberegninger for Svanfoss dam i Vorma. Dammen ligger i elva Vorrna ca 22 km fra Mjøsa som er magasinet bak dammen. Dammen består av 4 luker med pilarer mellom som fyller hele elveløpet. Den skiller seg derfor fra en vanlig dam hvor dammen er en del av selve magasinet og som er utsatt for trykkrefter fra magasinvannet. Retningslinjene for dambruddsbølgeberegninger passer ikke godt for en slik dam og GLB har sammen med NVEs Sikkerhetsavdeling blitt enig om forutsetningene for beregningen. Dette omtales i kap. 2. Emneord: Dambrudd. Svanfoss. Mike 11. Vorma. Norgesvassdrags-og energidirektorat Middelthunsgate 29 Postboks5091 Majorstua 0301 OSLO Telefon:22 95 95 95 Telefaks:22 95 90 00 Internett:www.nve.no April2000

Innhold side Forord 4 Sammendrag 5 1, Modellen 6 Forutsetninger 7 Beregningen 7 Tidsserier 14

Forord Denne dambruddbølgeberegningen skal benyttes som grunnlag for å vurdere klassifiseringen av Svanfoss dam i Vorma. Dammen er i dag klassifisert i høyeste fareklasse. NVEs veileder for dambruddsbølgeberegninger gir ikke klare retningslinjer for hvordan en tenker seg et bruddforløp for en lukedam som Svanfoss. GLB og NVEs Sikkerhetsavdeling har derfor blitt enige om hvordan en skal tenke seg bruddforløp for dammen. Det er beskrevet i kap. 2. Siden seksjon Vannbalanse har kompetanse og programvare (Mike 11) for dambruddsbølgeberegninger og allerede har utviklet en modell for Vorma og Glomma, var det naturlig at seksjonen ble bedt om å gjøre beregningen som et oppdrag. Beregningen viser utviklingen av en bruddbølge fra Svanfoss og ned til Rånåsfoss kraftverk i Glomma. Oslo, mars 2000 Repp /- ' avdelingsdirektør Sverreli4üseb seksjo iss. 4

Sammendrag Det er gjort dambruddbølgeberegning for Svanfoss dam til bruk for k.lassifiseringav dammen. Reguleringsdammen består av fire luker med pilarer mellom og fyller hele elvetverrsnittet. Tre av lukene er segmentluker som heves for å åpne for avløpet mens den fjerde er en sektorluke som senkes under terskelen for å åpne dammen. Forutsetningene som er benyttet er: Det er midlere flomvannstand i Mjøsa (kote 123.50). Lukene er åpnet i henhold til reguleringsreglementet. Av en eller annen årsak faller de tre segmentlukene ned og struper avløpet ved dammen. Vannstanden oppstrøms lukene øker til den er nesten lik vannstanden i Mjøsa (kote 123.44). Slik blir de stående til alle bryter sammen og forsvinner samtidig. Pilarene blir stående igjen. Det er dimensjonerende flomvannstand i Mjøsa (kote 127.00) og fullt åpne luker i Svanfoss i henhold til reguleringsreglementet. I denne situasjonen får en brudd på dammen ved at de 2 største pilarene og de tilhørende 3 lukene forsvinner. Dette vil gi en marginal økning av tverrsnittet av elva på damstedet tilsvarende bredden av de to pilarene. Ved begge alternativer er det gjort beregninger under forutsetning at vannføringen i Glornma før samløp med Vorma er 1000 m3/sog 2000 m3/s. Resultatet av beregningen viser at størst bruddbølge vil komme ved alternativ 1) som beskrevet over og når vannføringen i Glonmia er 1000 m3/s.bølgen som oppstår ved dammen er ca 1.4 m høy. Bølgefronten beveger seg ca 5 km i løpet av de første 5 min, ca. 10 km i løpet av 15 min og når Rånåsfoss i løpet av 50 min (27 km). Det tar imidlertid ca. 9 timer før maksimal vannstand er nådd på denne strekningen. Da har vannstanden steget -1m ved samløpet Glomma/Vorma og med -0.25 m ved Rånåsfoss. Er vannføringen i Glomma større før bruddet, vil bølgehøyden bli redusert mest oppe ved bruddstedet - mindre nedover mot Rånåsfoss. Et bruddforløp, som skissert i alternativ 2), gir så små utslag i vannstand/vannføring at en knapt kan kalle forløpet en bruddbølge. 5

Dynamisk ruting av dambruddbølger fra Svanfoss til Rånåsfoss 1. Modellen Modellen som er benyttet er en 1-dimensjonal dynamisk modell som er utviklet ved Dansk Hydraulisk Institut (Mike 11). Modellen gir en numerisk løsning av hele settet med ikke-lineære St. Venants ligninger for 1-dimensjonal, ikke-stasjonær strømning en vannstreng slik at masse og lineær impuls er bevart. Modellen bygges hovedsakelig opp av tverrprofiler fra elver og vann, men det kan også legges inn magasinkurver, reguleringsluker, kulverter, forskjellige overløp og kapasitetskurver for slike. Som grensebetingelser til ligningssettene (inngangsdata) brukes tidsserier av vannstander og vannføringer. Kalibreringsfasen består hovedsakelig av å bestemme ruhets- og taps-koeffisienter som gir riktige høyder og vannføringer fra kjente forløp. Beregningen av vannstander og vannføringer gjøres i punkter som vist i figur 1.1. Punktene som er merket 'h' viser lokaliseringen av tverrprofiler. Her blir vannstander beregnet. Midt mellom h-punktene beregnes vannføring (Q). Modellen har en egen rutine for dambruddsberegninger. I denne rutinen kan dammen beskrives damtype, geometri og bruddtype (erosjonsbrudd, strukturbrudd eller utgraving rundt f.eks. bunntappeløp). Bruddets utvikling i bredde og dybde og om det er fast fjell som begrenser bruddåpningen kan beskrives. Videre kan tiden for utviklingen av bruddet fastlegges. Modellen har tidligere vært benyttet til beregninger og var hovedsakelig kalibrert på forhånd. I Glomma ble det benyttet Manningtall på 30 mens Manningtallet i Vorma varierte mellom 27 i de øverste delene til 29 nede ved samløpet til Glomma. h Q ti Figur 1.1: Beregningspunkter i en elv med Mike 11. 6

2. Forutsetninger Som nevnt i innledningen, gir ikke NVEs veileder for dambruddbølgeberegning noe entydig svar på hvordan en tenker seg bruddforløp for en lukedam som Svanfoss. GLB har derfor foreslått for NVE følgende beregningsforutsetninger: Det er midlere flomvannstand i Mjøsa (kote 123.50). Lukene er åpnet i henhold til reguleringsreglementet. Av en eller annen årsak faller de tre segmentlukene ned og struper avløpet ved dammen. Vannstanden oppstrøms lukene øker til den er nesten vannstanden i Mjøsa (kote 123.44). Slik blir de stående til alle bryter sammen og forsvinner samtidig. Pilarene blir stående igjen. En regner med at Mjøsa fremdeles ligger på kote 123.50. Det er dimensjonerende flomvannstand i Mjøsa (kote 127.00) og fullt åpne luker i Svanfoss i henhold til reguleringsreglementet. I denne situasjonen får en brudd på dammen ved at de 2 største pilarene og de tilhørende 3 lukene forsvinner. Dette vil gi en marginal økning av tverrsnittet av elva på damstedet tilsvarende bredden av de to pilarene. Mjøsa ligger fortsatt på kote 127.00. For begge forløp gjøres det beregninger hvor vannføringen i Glomma før samløpet med Vorma har vannføringer på 1000 m3/sog 2000 m3/s. 3. Beregningen Middelflom i M sa o vannf rin lik 1000m3/si Glomma Figur 3.1 på side 8 viser situasjonen etter at lukene har falt ned og stuvet opp vannet oppstrøms Svanfoss. Vannføringen i Glomma før samløpet med Vorma er 1000 m3/s. Figurens y-akse gir kotehøyde og x-aksen angir lengden i m fra Mjøsa til Rånåsfoss. Figuren har 3 vertikale linjer. Den første ved Minnesund, den andre ved samløpet Vorma/Glomma og den tredje like nedstrøms Rånåsfoss. På figuren finner en også en stiplet linje (rød nedstrøms og grønn oppstrøms dammen) som viser hvordan vannstanden vil utvikle seg etter bruddet. Figuren viser at vannstanden er på kote 123.50 i Mjøsa, like oppstrøms dammen ca. kote 123.44, like nedstrøms dammen ca. kote 120.12, ved samløpet Vorma/Glomma ca kote 123.06 og oppstrøms dammen ved Rånåsfoss kote 119.40. 7

De følgende fire figurene viser utviklingen etter bruddet. Figur 3.2 viser situasjonen 4 min etter bruddet. Bølgefronten har da beveget seg ca 4.5 km og bølgen har en høyde på ca. 1 m. Figur 3.3 gir situasjonen 15 min etter bruddet. Bølgefronten har nådd samløpet med Glomma. Der bølgefronten var 11 min tidligere har vannstanden steget ca. 35 cm (-3 cm/min). Figur 3.4 viser situasjonen 50 min etter bruddet. Bølgefronten har nådd Rånåsfoss og i løpet av de siste 35 min har vannstanden ved samløpet Vorma/Glomma steget ca. 35 cm (-1 cm/min). Figur 3.5 viser situasjonen 9 timer etter bruddet. Maksimale vannstander er nådd nedstrøms dammen. Like nedstrøms dammen har vannstanden steget 1.4 m, 5 km nedstrøms med lm, ved samløpet Vorma/Glomma med 0.8 m og ved dammen på Rånåsfoss har vannstanden steget 0.25 m. 124.0 Water Level - 17-5-2000 08:00 MIDDEL1000.RES11 123.8 1238 123.4 123.2 123.0 " 122.8 122.8 122.4 122.2 122.0-121.8 121.6 121.4-121.2-121.0 1208. 120.6 1204 120.2 120.0-119.8 119.6 119.4-1192 119.0 0.0 5000.010000.0 15000.0 20000.0 25000.0 30000.0 35000.0 40000.0 45000.0 50000.0 trl Fig. 3.1: Situasjonen like før dambrudd. 8

(.1 124.0 Water Level - 17-5-2000 08:04 MIDDEL1000.RES1 123.8 123.6 123.4-123.2 123.0 122.8 122.6 122.4 122.2 122.0 121.8 121.6 121.4-121.2 121.0 120.8 120.6 120.4-120.2 120.0 119.8 119.6 119.4 119.2 0.0 5033.0 40000.0 45000.0 50000.0 Fig. 3.2. Situasjonen 4 min etter dambrudd. 124.0 ti Water Level - 17-5-2000 08:15 MIDDEL1000.RES11 123.8 123.6-123.4 123.2 123.0-122.8-122.8-122.4-122.2 122.0-121.8 121.6 121.4-121.2 121.0 120.8 120.6 120.4 120.0 119.8 119.6 119.4 119.2 119.0 0.0 5000.0 46000.0 60000.0 (ffl Fig. 3.3. Situasjonen 15 min etter dambrudd. Bølgefronten har nådd samløpet med Glomma. 9

124.0 Water Level - 17-5 - 2000 08:49 MIDDEL1000.RES11 123.8 123.6 123.4 123.2 123.0 122.6 122.6 122.4-1222 122.0 121.8-121.6 121.4 -- 121.2 121.0 120.8 120.6 120.4 120.2 120.0 119.8 119.6 119.4 119.2 119.0 5000.0 20000.0 25000.0 30000.0 Fig. 3.4. Situasjonen 50 min etter dambrudd. BØlgefronten har nådd Rånåsfoss. 124.0 Water Level - 17-5-2000 17:00 MIDDEL1000.RES11 123.8 123.6 123.4 123.2 123.0 122.8 122.6 122.4 122.2 122.0 121.8 121.6 121.4 121.2 121.0 120.8 120.6 120.4 120.2 120.0 119.8 119.6 119.4 119.2 119.0 Fig 3.5. Situasjonen 9 timer etter dambrudd. Maksimale vannstander nedstrøms Svanfoss er nådd. 10

Middelflom i M. sa o vannf rin lik 2000m3/s i Glomma For denne situasjonen forut for bruddet er det bare tatt med en figur. Som for figur 3.1 viser figur 3.6 situasjonen like før bruddet. Av den stiplede linjen ser en at like nedstrøms dammen vil vannstanden stige 1 m, 5 km nedstrøms med 0.75 m, ved samløpet Vorma/Glomma med 0.7 m og ved dammen på Rånåsfoss har vannstanden steget 0.3 m. Dette viser at jo større vannføringen i Glomma er ved et brudd dess lavere vil bølgen bli nedover vassdraget til en nærmer seg dammen ved Rånåsfoss. Her vil vannstandsøkningen bli noe større jo større vannføring Glomma har før bruddet. Det henger sammen med at flomavledningskurven stiger raskere med økende vannføring. Hastigheten på bølgen er tilnærmet den samme i de to situasjonene. 124.0 Water Level - 17-5 - 2000 12:00 MIDDEL2000.RES11 123.8 " 1238-123.4 1232 123.0 122.6-122.4 122.2 121.8 121.8-121.4-121.2-121.0 120.8 " 1206. 120.4 120.2 119.8 119.8 119.2 119.0 0.0 5000.0 10003.0 15000.0 20000.0 25000.0 30000.0 35000.0 40000.0 45000.0 50003.0 Figur 3.6. Situasjonen likefør bruddet når vannføringen i Glomma er 2000m3/s. 11

Dimens'onerende flom i M sa o vannf rin lik 1000m3/s i Glomma Et dambrudd som skissert under pkt. 2) i kap. 2 vil nesten ikke påvirke vannstander/vannføringer. En forutsetter her at pilarer og luker forsvinner momentant. Figur 3.7 viser at vannføringen ved Rånåsfoss er 3540 m3/s (øverste kurve) og like nedstrøms dammen 2540 m3/s (nederste kurve). Vannstanden like nedstrøms dammen er litt over kote 124 m (midterste kurve). Vertikal akse til venstre angir vannstand i m, vertikal akse til høyre gir vannføring i m3/s mens horisontal akse er tidsforløpet. Som figuren viser gir dette bruddet bare en vannstandsøkning på ca.1 cm. Dette henger sammen med at dammen har så god kapasitet ved store vannføringer at når lukene står åpne er ikke dammen et bestem-mende profil i elva. Figur 3.8 viser vannlinjen fra Mjøsa og ned til Rånåsfoss. frneler1 124.40-12429 124.38 12437 Time Series Water level (DIM1000.RES11) Im^3/81 Water level VORMA 23145.00 0 Clscharge 3I0684; 875713.25 VORMA 23222.50 34 0 124.36 - " 34 0 124.35 0 124.34 " -- 124.33 124.32 32 0 124 31 124.30 124.29 124.28-3 0 31 0 31 0 12427 30 0 124.26 124.25 124.24 29 0 124.23 124.22 2 0 124.21 2 0 12420 124.19 124.18-27 0 27 0 124.17 124.16 124.15 124.14 12:00:00 13:0000 1400:00 15:3800 16:30-.00 1700:00 18:0000 19:0000 20:0000 210000 22:03:00 2388:38 Figur 3.7. Vannstandsøkningen like nedstrøms dammen (midterste kurve), vannføring ved Rånåsfoss (øverste kurve) og vannføring like nedstrøms dammen (nederste kurve) når åpne luker og pilarer forsvinner momentant. 12

(n1 Water Level - 17-5-2000 11:59 MIDDEL1000)0CRES11 128.0 127.5 127.0 1213.5-128.0-125.5-125.0-124.5 124.0-123.5-4 123.0 122.5 122.0-121.5-121.0 120.5-120.0-119.5-119.0 0.0 5030.0 10003.0 15000.0 20000.0 25000.0 30000.0 35000.0 40300.0 45000.0 58800.0 Figur 3.8. Vannlinjenfra Mjøsa til Rånåsfossforutsatt brudd pkt. 2 i kap. 2. 13

4. Tidsserier I de følgendefigureneer det plottettidsserierfor vannstandog vannføringpå utvalgte stedernedstrømsdammenvedbruddunderforutsetning1)i kap.2. Horisontalakseer tidsaksemedenhettimer. Middelflom i NI* sa o vannf rin 1000 m3/si Glomma f r saml med Vorma (meter] Time Series Water level (MIDDEL1000.RES11) Water level GIONMA 876001 00 VORJA 22470.00 V08444 22900.00 VORM4 27650.00 VOF8A4 33550.00 119.8 119.4 020000 04:0000 0600,00 080000 100000 12:0000 14:00:00 160003 18:0000 20:00:00 22:0000 17-5-2000 Figur 4.1. Vannstander ved: I ) Vannmerke Svanfoss ovenfor blå kurve Like nedstrøms dammen grønn kurve Ca. 5 km nedstrøms rød kurve Samløp Glomma/Vorma fiolett kurve Rånåsfoss sort kurve 14

[Irfs.1/e) 2000.0 1900.0 Time Series Discharge (MIDDEL1000.RES11) Discherge GLONINA 876713.25 VOR4> 23222.50 VORM 27475.00 VOI,"44, 33350.03 300.0 200.0 02:00:00 0400:00 060003 08:0000 100000 12:0300 14:00:00 160000 18:00:00 200000 22:00:00 17-6-2000 Figur 4.2. Vannføringer ved: Rånåsfoss sort kurve Like nedstrøms dammen blå kurve Ca. 5 km nedstrøms grønn kurve Like før samløpet med Glomma rød kurve 15

Middelflom i M* sa o vannf rin 2000 m3/si Glomma f r saml med Vorma Irreter] 123.4 - _ Time Series Water level (MIDDEL2000.RES11) Water le0e1 GL01~4 876001.00 VORW 22470.00 VORW 22900.00 VORMA 27650.00 123.2 - VOR 41 33550.03 123.0 122.8 120.8 120 6-1204. 120.2 120.0 119.8 06:0000 080000 100000 1200:00 14,00:00 16:00:00 18:00:00 200000 22 MOO 17-5-2COD Figur 4.3. Vannstander ved: Vannmerke Svanfoss ovenfor blå kurve Like nedstrøms dammen grønn kurve Ca. 5 km nedstrøms rød kurve Samløp Glomma/Vorma fiolett kurve Rånåsfoss sort kurve 16

(~/4] 2900.0 2600.0 -- 2700.0 Time Series Discharge (MIDDEL2000.RES11) Oscherge - 0LC4"14. 875713.25 - VORM 23222.50 VORMA 27475.50 VORM 33350.00 2600.0 - --- 2500.0 2400.0 2300.0 2200.0 2100.0 2000.0 1900.0 1900.0 1700.0 1600.0 1500.0-1400.0 1300.0 1200.0 1100.0 1000.0 900.0 890.0 700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200 0 - - 0600:00 0600:00 1000:00 12:00:00 14,00.00 16.00:00 18,00:00 20,00:00 22:00,00 17-5-2000 Figur 4.2. Vannføringer ved: Rånåsfoss - sort kurve Like nedstrøms dammen - blå kurve Ca. 5 km nedstrøms - grønn kurve Like før samløpet med Glomma - rød kurve 17

Denne serien utgis av Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE) Utgitt i Oppdragsrapportserien i 2000 Nr. 1 Bjarne Krokli: Dimensjonerende flom for Mjøsa. Dynamisk ruting gjennom Mjøsa og Vorma (37 s.) Nr. 2 Hans Christian Udnæs: Flomberegning for Skramsvatn dam, 091.12 (12 s.) Nr 3 Tor Simon Pedersen, Even Gillebo, Eli Alfnes, Anne Kristine Søvik: Lysimetergrop II Moreppen Beskrivelse av felt og installasjoner (65 s.) Nr 4 Bjarne Krokli: Dambruddsbølgeberegning for Svanfoss dam i Vorma Dynamisk ruting av dambruddbølger fra Svanfoss til Rånåsfoss (18 s.)