Hydraulisk analyse i forbindelse med bygging av ny bru over Fjelna på Vinjeøra Oppdragsrapport B nr. xx/2013 Utarbeidet av Per Ludvig Bjerke Norges vassdrags- og energidirektorat 2013
Oppdragsrapport B xx/2013 Hydraulisk analyse i forbindelse med bygging av ny bru over Fjelna på Vinjeøra, Sør-Trøndelag. Oppdragsgiver: Statens Vegvesen Saksbehandler: Per Ludvig Bjerke Ansvarlig: Sverre Husebye Vår ref.: NVE 201005405-37 Arkiv: 333 / 124.Z Emneord Hydraulisk analyse, Vinjeøra, Fjelna, Sør-Trøndelag. 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 Sammendrag... 5 1 Innledning... 6 2 Datagrunnlag... 7 3 Flomberegning... 7 4 Bru og kulvert... 11 5 Beregning av nødvendig bruhøyde... 11 6 Erosjonssikring/plastring... 12 7 Konklusjon... 14 Referanser... 14
Forord På oppdrag for Statens Vegvesen har NVE, Hydrologisk avdeling, utført hydraulisk analyse i forbindelse med bygging av ny bru over Fjelna ved Vinjeøra i Sør-Trøndelag. Analysen omfatter flomberegning, hydraulisk analyse og beregninger og anbefaling av steinstørrelse til plastring av landkar og pilarer. Arbeidet er blitt utført i august 2013 med Per Ludvig Bjerke som ansvarlig for oppdraget fra NVE sin side. Kjartan Orvedal har kvalitetssikret analysen. Rapporten er utført på oppdragsbasis og er ikke en del av NVE sin forvaltningsmessige behandling av saken. Trondheim, september 2013 Sverre Husebye Seksjonssjef Per Ludvig Bjerke prosjektleder 4
Sammendrag Det er utført hydraulisk analyse i forbindelse med bygging av ny bru over Fjelna i ved Vinjeøra. Flomberegningen viser at 200 års flommen er på 205 m 3 /s og at vannstanden for 200 års flommen ligger på kote 3.75 moh.. Anbefalt minstehøyde av nedre kant bru er satt til 4.50 moh. Det er da tatt hensyn til usikkerhet i beregningen og tatt høyde for is og drivgods ved flom. Det er beregnet hastigheter opp mot 4-5 m/s ved 200 års flom og dette betyr at det må brukes stein av størrelse D 50 = 125 cm for plastring av pilar. 5
1 Innledning Statens Vegvesen har i forbindelse med en bygging av ny bru over elva Fjelna på Vinjeøra engasjert NVE til bistand til en hydraulisk analyse. Det er tidligere utført undersøkelser i forbindelse med bygging av 2 kraftverk i nedslagsfeltet. Sammen med NVE sin hydrauliske analyse for ny gang og sykkelbru på Vinjeøra i 2009 og befaring og oppmåling utført i 2013 så utgjør dette grunnlaget for analysen. Flomstørrelser er beregnet ut fra analyse av data fra målestasjoner i nærheten for og flomberegninger utført for nærliggende felt. Vannstander ved den planlagte brua er simulert med Hec-Ras og forslag til steinstørrelse for plastring er gjort ved analyse basert på empiriske formler. Figur 1 Kart over elva med ny bru i rødt. Der kotene 1 moh til og med 5 moh krysser elva er tegnet med svart. 6
2 Datagrunnlag Elva Fjelna ligger i kommunene Hemne og Rindal og renner ut i Vinjefjorden ved Vinjeøra. Det er ingen målestasjoner i vassdraget. Elva har et nedbørfelt på 91.5 km 2 etter at 9.5 km 2 av feltet, som drenerer til Skittenholvatnet og Oppsalvatnet, er overført til Haukvik kraftverk. Feltet ligger mellom 2 og 1004 moh med en median høydeverdi på 450 moh. Halve feltet ligger over skoggrensen. Feltet har en årsnedbør som varierer fra 1500 til 3000 mm. Den midlere årsnedbøren på MI sin målestasjon på Vinjeøra er 1626 mm (3). Feltet har ingen store vatn og de mest aktuelle feltparametre er oppsummert i tabell 1. Tabell 1 Feltparametre for feltet ned til brua Felt Feltareal Eff sjø Q N * Feltlengde Høydeintervall (km 2 ) (%) (l/s/km 2 ) (km) (min-med-maks, moh.) Fjelna 91 0.1 47.7* 19 2-450 - 1004 *Fra (7) og ikke fratrukket den regulerte del. Det er ingen målestasjoner i elva, men det er tidligere gjort hydrologiske undersøkelser i forbindelse med bygging av 2 kraftverk i øvre del av feltet. Disse er rapportert i (3) og (6). Det er også utført flomberegninger for den del av feltet som drenerer til Skittenholvatnet og er rapportert i (1). NVE gjorde i 2009 en hydraulisk analyse i forbindelse md ny gang og sykkel bru og dette er rapportert i (2). I forbindelse med dette prosjektet har NVE i 2013 utført befaring og høydemålinger av elv og terrenget rundt ny bru. Det ble målt inn terrenghøyder og vannstandsdata den 25.9.2013 og disse er gitt i vedlegg 1. Det var fjøre sjø og en liten vannføring på ca 4-5 m 3 /s i elva. Vannstanden ble målt til ca 2.20 moh ca 200 m ovenfor brua og ca -0.3 moh nede ved eksisterende veibru. Dette er en strekning på ca 500 m og med et fall på 2.5 m gir det en helning av elva på 0.5 %. 3 Flomberegning 3.1 Beregnet fra flomfrekvensanalyse av nærliggende stasjoner Det er utført flomberegninger ved bruk av frekvensanalyse på nærliggende stasjoner både av NVE (4) og Sweco (1). Tabell 2 vises resultat fra NVE sin flomfrekvensanalyse og i tabell 3 vises resultat av Sweco sin analyse. Ved bruk av data fra stasjoner i nærliggende elver er det viktig å finne felt med feltegenskaper mest mulig liket det søkte. De viktigste feltegenskapene er: sjøprosent, feltstørrelse, feltlengde, midlere årsavrenning, høydefordeling (hypsografisk kurve), andel med snaufjell, myr, skog og feltform. 7
Fjelna har et spesifikt avløp på 48 l/sek*km 2 for perioden 1961-90 Dette spesifikke avløp er ganske likt med de 3 stasjoner som NVE har analysert Søya, Myra og Øren. Andre parametre som effektiv sjøprosent og areal er også ganske like. Tabell 2 Resultat fra NVE sin analyse. Fra (4). Målestasjon Periode Areal (km 2 ) Eff.sjø (%) Avløp (l/s/km 2 ) Q mid (l/s/km 2 ) Q 50 / Q mid Q 100 / Q mid Q 200 / Q mid 111.9 Søya 74 -> 137 0.0 61 476 1.52 1.55 1.56 114.1 Myra 88-02 16.5 0.0 47 697 1.89 2.03 2.18 105.1 Øren 23 -> 138 0.8 47 448 2.42 2.75 3.09 Resultat fra flomfrekvensanalyse av Sweco og er vist i tabell 3. Tabell 3 Resultat av flomfrekvensanalyse utført av Sweco. Fra (1). Nr VM Areal (km2) Sjø (%) Eff sjø% Ant år Sesong Middelflom q m Q 1000/Q m Q 1000 (l/s*km 2 ) 105.1 Øren 138 79 år 61.8 448 4.3 1936 111.9 Søya 137 0.7 0.1 29 år 77 562 2.5 1398 111.8 Nerdal 99.3 8.1 3.2 28 år 34.6 349 2.5 864 109.29 Dalavatn 85.9 4.2 2.9 26 år 26.1 304 2.5 768 104.23 Vistdal 66.2 2.3 0.2 27 år 37.1 561 2.7 1512 111.1 Innerdalsvatn 62 4.5 1.1 21 år 25.9 418 1.7 729 103.2 Morstøl bru 44.2 2.0 0.3 30 år 19.1 432 3.0 1309 117.4 Valen 39.7 11.5 4.0 46 år 9.9 249 3.2 804 111.1 Nauståa 24.4 2.9 0.3 25 år 14.3 586 2.7 1572 107.3 Farstad 23.7 4.3 2.5 17 år 7.2 306 2.2 664 114.1 Myra 15.9 0 0.0 14 år 11.5 723 2.8 1994 104.22 M.Mardalv 13.9 10.4 4.0 26 år 7.9 571 2.4 1369 Fjelna 91 0.01 0.001 - år Avvik mellom de 2 beregninger av middelflom for Myra og Søya skyldes bruk av forskjellige tidsperioder for beregningene. For Fjelna ligger alle ovennevnte stasjoner i rimelig nærhet, men for noen stasjoner er det store forskjeller på viktige feltegenskaper som areal og sjøprosent. Vi velger å estimere størrelse på middelflommen i Fjelna lik Søya og Vistdal fordi de har noenlunde lik feltstørrelse og sjøprosent. Dermed kommer vi frem til en middelflom i Fjelna på 560 l/s/km 2 som tilsvarer en middelflom på 51 m 3 /s. 8
3.2 Flomberegning med regional flomfrekvensformel Avhengig av når på året de største flommer inntrer, er landet delt inn i ulike flomregioner. Det er 4 vårflomregioner (V1, V2, V3, V4), tre høstflomregioner (H1, H2, H3), to regioner hvor det ikke er naturlig å skille mellom vårflom og høstflom (typiske kystregioner) og en breregion som består av nedslagsfelt med breprosent større enn 5 prosent. Fjelna ligger i region K2 og ved å benytte flomformler får vi følgende verdi for middelflommen i K2: QM = 15.4 Q N 1.95 (A s + 1) -0.646 som gir en middelflom på 39 m 3 /s. 3.3 Beregning av flommer med ulikt gjentaksintervall Til beregning av flommer med forskjellige gjentaksintervall velger vi å regne konservativt og bruker den høyeste verdi av middelflommen beregnet i Kapitel 3.1 og 3.2 som er lik 51 m 3 /s. Dette er en døgnmiddelverdi og for å finne kulminasjonsverdien benyttes formel som beskriver forholdet mellom kulminasjon og døgnmiddel fra i NVE 1997. Formelen er gitt nedenfor: Vårflom: Qmomentan/Qdøgn = 1.72-0.17 log (A) - 0.125 (Ase)^0.5 Høstflom: Qmomentan/Qdøgn = 2.29-0.29 log (A) - 0.27 (Ase)^0.5 Dette gir at middelverdien for høst og vårflom til å være 1.49 og middelflommens kulminasjonsverdi blir da lik 75 m 3 /s. NVE (8) har utarbeidet et sett med forholdstall (frekvensfaktorer) for beregning av flommer ved forskjellige gjentaksintervall basert på middelflom og forholdstallene for region K2 er gitt i tabell 4. Tabell 4 Forholdstallet mellom flommer av forskjellig gjentaksintervall og middelflommen. Region Q10/Q M Q20/Q m Q50/Q m Q100/Q m Q200/Q m Q500/Q m K2 1.44 1.59 1.87 2.05 2.27 2.49 Dette gir flomverdier for Fjelna som vist i tabell 5. Tabell 5 Flommer med forskjellig gjentaksintervall for Fjelna (kulminasjonsverdier). Felt Q10 Q20 Q50 Q100 Q200 Q500 Fjelna 108 119 140 153 170 186 9
3.4 Klimatilpasning NVE utført i 2011 (10) en analyse for å finne effekten av fremtidige klimaendringer på flomverdiene i norske vassdrag. Resultatet av denne analysen for Trøndelag er vist i figur 2. For elver med opprinnelse i innlandet og med et typisk vårflomregime forventes ingen forandring av flomstørrelsene. For kystnære vassdrag som Fjelna forventes en økning på 20 %. Figur 2 Endring av flomstørrelser på grunn av klimaendringer. Grønne sirkler viser redusert flom, mens blå viser områder med økning i flomstørrelsen. Basert på flomberegningene fra NVE i 2003 og resultatet fra analysen fra 2011 om fremtidig klimapåvirkning blir derfor flomverdiene som gitt i tabell 6.. Felt Q m Q 10 Q 20 Q 50 Q 100 Q 200 Q 500 Fjelna 90 130 145 170 185 204 224 10
4 Bru og kulvert Brukarene ligger godt unna elvetrauet, men foten ligger under høyden av 200 års flommen og det anbefales at de beskyttes med stein. Det er planlagt to pilarer begge bestående av 2 søyler med diameter på 80 cm. Disse er vist med røde streker i figur 3 og begge ligger utenom elvetrauet, men under nivået av 200 års flommen som går opp til ca kote 3.75 moh. Pilarene må derfor plastres. Figur 3 Tegning som viser brufundamentene, 2 pilarer og kulvert. Det er planlagt en kulvert for å ta vare på det gamle flomløpet på vestsiden av brua som vist på figur 3. Flomløpet er i dag ca 3-4 m bredt i bunnen og ca. 6-7 m bredt i 1.5 m s høyde. Ved inngangen til flomløpet ligger terskelen på ca kote 1.80 moh. Flomløpet renner ut i elva nede ved eksisterende bru og der ligger bunnen på ca 1 moh. Den planlagte kulverten har bredde 4 m og høyde 2 m og vil derfor ved flom fungere ganske likt dagens flomløp. 5 Beregning av nødvendig bruhøyde Det er utført beregninger med den hydrauliske modellen Hec-Ras for å finne høyden av 200 års flommen forbi brua. I flomberegningen er en 200 års flom beregnet til 205 m 3 /s og beregninger med Hec-Ras finner den tilhørende vannstand for denne flommen til å 11
være ca 3.75 moh. Beregningene ble utført for strekningen fra 100 m oppstrøms brua og ned til den eksisterende veibru. Vannstanden er tegnet med blå strek på figur 4. Figur 4 Plantegning av ny bru over Fjelna For en 200 års flom vil det bli hastigheter opp mot 4-5 m/s i elvetrauet mens det vil bli adskillig lavere på de områder som ligger utenfor elvetrauet der for eksempel landkarene er plassert. Antatt hastighet her vil være 2-3 m/s. Pilaren på vestsida står på grusøra og vil ved flom i teorien gi en oppstuing av vannstand. De er imidlertid så slanke at de i praksis ikke påvirker vannstanden. 6 Erosjonssikring/plastring Landkar og pilarer som ligger i elva vil gi innsnevring og økte vannhastigheter og dermed økt erosjonsbelastning forbi brustedet. Nedstrøms pilar/landkar vil det skapes turbulens og hvirvelavløsning som gir lokal erosjonsbelastning. Figur 5 og 6 viser typiske strømningsforhold ved pilar og landkar. 12
Figur 5 Strømning ved landkar med vingemur Figur 6 Strømning og erosjon ved pilar Bunnen i de fleste norske elver består av stein og grus og er relativt motstandsdyktig mot erosjon, men erosjonsfaren skal alltid vurderes ved planlegging av ny bru. Den nye brua på Vinjeøra vil ha landkarene godt utenfor elvetrauet slik at de ved mindre flommer unngår berøring med vannstrømmen mens de blir berørt av en 200 års flom. Det planlegges to sett med pilarer der det vestlige settet vil stå på grusøra i elvetrauet og være i kontakt med vannstrømmen selv på mindre flommer. For en 200 års flom vil både landkar og pilarer komme i berøring med vannstrømmen og det betyr at både landkar og pilarer må sikres mot lokal erosjon ved plastring. I elver og spesielt rundt brukar og over steiner kan strømningen sees 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 og en pilar. En jevn-strøm-betraktning vil gi en kritisk diameter av stein som er som er for lav da vi her har annen type strømning. Ved en 200 års flom kan det bli hastigheter opp mot 4-5 m/s i elvetrauet mens det på flomslettene der landkarene står vil bli adskillig mindre ca 2-3 m/s. Vi anbefaler derfor at det må sikres mot lokal erosjon rundt pilarer og landkar. Dette betyr at en nødvendig steinstørrelse på D 50 = 125 cm for plastring av pilar og en D 50 =80 cm for plastring av landkar. 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. Ved plastring rund pilar legges topp sikring i nivå med eksisterende elvebunn. Tykkelsen av plastringslaget bør være minst 3 x steinstørrelsen (D 50 ) og største stein bør ikke være større enn 2 x D 50. Bredden av plastringen bør være minimum 2 ganger pilardiameter ut fra pilaren, minimum 5 m til hver side. Ved plastring rundt landkar kreves en tykkelse av minst 2 ganger D 50 og en bredde på minst 5 m. Ved plastring av brukar bør topp sikring legges opp til nivå med 200 års vannstand. 13
7 Konklusjon Det er foretatt en hydraulisk analyse av forholdene ved ny bru over Fjelna ved Vinjeøra i Sør-Trøndelag. Den beregnede 200 års flommen er funnet å være 205 m 3 /s. Dette gir vannhastigheter på opp mot 4-5 m/s i elvetrauet ved brustedet. Den dimensjonerende 200 års vannstanden er funnet å være 3.75 moh og for å ta hensyn til usikkerhet i beregningen og ta høyde for is og drivgods under flom anbefales at nedre kant bru ikke legges lavere enn kote 4.50 moh. Det er beregnet en nødvendig steinstørrelse på D 50 = 125 cm for plastring av pilar og D 50 = 80 cm for plastring av landkar.. Referanser (1) Sweco (2005): Flomberegning for Skittenholvatnet (2) NVE Dokument 13/2009: Hydrologisk analyse i forbindelse med bygging av ny bru over Fjelna (3) Rådgivende biologer (2007): Konsekvenser for biologisk mangfold (4) NVE (Thomas Væringstad, 2003): Flomberegning Moldeelva. (5) CM Consulting (2007): Konsesjonssøknad Fjelna kraftverk 2007 (6) Soulsby R.(1997): Dynamics of Marine Sands, Thomas Telford, ISBN 0 7277 2584 X, London 1997. (7) C. A. Thoresen: Port Designer s Handbook, 2003. (8) Sælthun, N.R. med flere (NVE rapport 1997/14): Regional flomfrekvensanalyse for norske vassdrag (9) NVE (2008): Retningslinjer for flomberegninger. (10) NVE Report 5 2011. Hydrological projections for floods in Norway under a future climate. 14
VEDLEGG 1 15