Vannteknikk for landskapsingeniører THT 200 Åpne kanaler, erosjon, tiltak, dimensjonering

(1)

THT 200

Åpne kanaler, erosjon, tiltak, dimensjonering

Forsker Atle Hauge, Bioforsk

(2)

TITUTT FOR MATEMATISKE REALFAG OG TEKNOLOGI

2

Åpne kanaler

 Det mest hensiktsmessige på store nedslagsfelt hvor forventet femtiårsflom overstiger 800 – 1000 l/s

 Kanaler/bekker er et landskapselement og brukes også på mindre felt

 I dag gjenåpnes mange av de tidligere lukkede løp

 Kanalene må utformes og dimensjoneres slik at det ikke oppstår erosjon

(3)

UTT FOR MATEMATISKE REALFAG OG TEKNOLOGI

3

Elementer som forårsaker erosjon

 Vann

 Is

 Vind

(4)

5

Erosjon i elver og bekker

 Naturlige årsaker – Landheving

 Menneskeskapte årsaker

– Endring av hydrologiske forhold (herunder vegetasjon, grøfting av myrer etc)

– Graving i vannløp (retting øker fallet. Fjerner naturlig oppbygd filter)

– Planering uten kontroll med vannet – Mer åpenåkerarealer

(5)

6

Utviklingsforløp (meandrering)

(6)

7

Ravinedannelse, grunnbrudd, grunnvannserosjon

(7)

Gjenåpning av bekker, hva betyr det?

 Hele 1900-tallet, men særlig etter 2. verdenskrig har mange elver og bekker blitt lagt i rør. Mange av disse krever mye vedlikehold og man har etter hvert sett hvilke negative virkninger slike lukkinger har hatt.

 Mange steder kan det derfor være aktuelt å sette i gang tiltak for å gjenskape vassdragsmiljøet ved å åpne bekkelukkinger og demme opp områder for å gjenskape våtmarker og dammer.

 Åpning av bekker gir mange fordeler:

– Nye leveområder for vannlevende organismer, planter, fugler og vilt

– Større biologisk mangfold

– Økt mulighet for rensing av næringsstoffer og partikler – Større flomdemping

8

(8)

I landbruksområder har det vært mye lukking av bekker. Mange av disse restaureres i dag.

9

Endringer i bekkestystemet i Rakkestadelva over 200 år

(9)

Eksempler på gjenåpning, Oslo kommune

 Oslo hadde før urbanisering en rekke små og store vassdrag i dagen.

 I dag går ca 1/3 av

vassdragene i rør

 Strategi for gjenåpning en integrert del av byutviklingen

10

Blå-grønn struktur

Akerselva

Hovinbekken Alnaelva

(10)

11

(11)

12

(12)

Akerselva en suksess

Åpen stort sett hele veien

13

- Omtrent 9 km lang

- Starter 149 meter over havnivå - 20 fosser

- 23 bruer

Har sitt utspring i Maridalsvannet og danner i dag nesten en

sammenhengende blå-grønn oase gjennom byen ned til Bjørvika

(13)

Akerselva en suksess

Åpen stort sett hele veien

14

(14)

Gjenåpning av Ilabekken i Trondheim

 Anleggsarbeidene startet i 2005,

 Grovutforming ferdig sommeren 2006.

 Kloakkpåslag sanert,

 Ilabekk er en typisk flombekk, og ulike habitat- tiltak ble utprøvd i bekken utover høsten 2006.

 Endelige utforming og vannløp ferdig 2008. De siste 700 m av bekken som har ligget i rør siden tidlig 1900-tall er nå gjenåpnet

15

(15)

Vannet påvirker på flere måter

 DRAGKRAFT påvirker enkeltpartikler parallelt med strømretningen

 LØFTEKRAFT påvirker enkeltpartikler på tvers av strømretningen

 SKJÆRKRAFT påvirker bunnen som flate, uten å se på enkeltpartikler

 SKJÆRSPENNING er skjærkraft per flateenhet

16

(16)

17

Jordsig

(17)

18

Tiltak mot erosjon i elveløp/bekker

 kan være både forebyggende og avbøtende:

– Forbygging (bunn sider, stryk) – Omvendt filter eller fiberduk – Eksisterende vannløp

– Nye vannløp (fall, vannhastighet, forbygging)

(18)

19

Andre tiltak av hydroteknisk karakter

 Drenering

 Vegetasjonssoner

 Avskjæring

 Terrengforming (typetegninger - planeringsfelt)

 Innløp/utløp (typetegninger)

 Kummer (typetegninger)

(19)

20

Avskjæring

 Hindrer vannet i å komme ut på jordet

 Samler opp før det blir for mye vann med god fart

(20)

21

Vegetasjonssoner

(21)

26

Dimensjonering av åpne kanaler

 Dimensjonerende flomvannføring (Parsellvis ved større arbeider)

 Nødvendig dybde

 Sideskråninger

 Fall/vannhastighet

 Sikring

 Utforming av sikring (helsikring, terskler, fotforsterkning)

 Beregning av steinstørrelse

(22)

27

Dimensjonerende flomvannføring

 Når vi har lange kanaler må vi beregne vannføringen parsellvis

 Da kan vi tilpasse tverrsnittet på kanalen mest mulig optimalt

 Økonomisk

(23)

28

Nødvendig dybde (1)



Kanalene må ikke være dypere enn nødvendig.

Dette holder kostnadene til anlegg (graving) og vedlikehold nede.



Ved godt fall inn mot kanalen behøver ikke

kanalen være dypere enn dybden på utløpet fra samlegrøftene + drypphøyde + normal

sommervannstand



Er det flatt ligger utløpet for grøftesystemet som oftest dypere. Er det i tillegg lavereliggende

områder vil disse som regel være bestemmende

for kanaldybden.

(24)

29

Nødvendig dybde (2)

 Vannføringen kan være bestemmende

 Fallet: kanal med godt fall kan med samme tverrsnitt føre mer vann enn en kanal med mindre fall

 I dyp myr må kanalene være dype pga setninger (synker sammen når vannet går ut og en får også

myrsvinn/nedbryting)

(25)

30

Sideskråninger

 Ønsker så bratte sider som mulig i forhold til jordartens stabilitetsegenskaper

 Dype kanaler bør ha slakere sider enn grunne

 Kanaler som dyr skal drikke av bør ha slake sider

 Riktig sidehelling bør lages når kanalen graves

 Minimum bunnbredde 0,5 – 1,0 m

 Minste sidehelling 1:1

 Minste sommervannstand 0,3 – 0,5 m

 Eventuelt fribord (flom 1-2 m²/s = 0,3 m, >5 m²/s = 0,5 m)

 Jo lenger gjentaksintervall dess mindre fribord

(26)

31

Anbefalte minste sideskråninger i noen jordarter

Jordart Grunne kanaler Dype kanaler

Dyp < 1,5 m Dyp > 1,5 m

Leire 1:1 – 1:1,5 1:2

Silt 1:1,5 1:2,5

Finsand 1:2 1:3

Sand 1:1,5 1:3

Grus 1:1,5 1:2

Fast morene 1:1 1:1,5

(27)

32

Fall/vannhastighet

 Fallet må ikke være større enn at vannhastigheten ved dimensjonerende flom er mindre enn det jordarten tåler

 Minimumshastigheten bør være 0,2-0,3 m/s for å ikke få for mye sedimentasjon

(28)

33

Tillatt maksimal hastighet i noen jordarter for å unngå erosjon

Jordart Vannhastighet (m/s)

Leire 0,7- 1,0

Silt 0,5-0,8

Finsand 0,2-0,6

Sand 0,5-0,8

Grus 0,8-1,2

Fast morene 0,7-1,1

Graskledd jord 0,5-1,2

Steinsetting, betongkledning 1,8-5,0

(29)

34

Sikring

 Ved for stort naturlig terrengfall må kanalsidene sikres ved forbygging

 Overskuddsfallet kan tas i konsentrerte punkter eller stryk

 I enkelte tilfeller kan det være mest hensiktsmessig å steinsette hele eller større deler av kanalen

(30)

35

Utforming av sikring, trapp

(31)

36

Utforming av sikring, stryk

(32)

37

Utforming av sikring, steinsetting

(33)

38

Dimensjonering

 Målet er å tilpasse løpet best mulig til vannmengden

 Skal også ta hensyn til begrensinger i sideskråninger, vanndybde, vannhastighet med mer.

 Et tverrsnitt kan oppfylle ett eller flere krav uten at det er det beste valget

 Bruker Mannings formel eller et nomogram

(34)

39

Mannings formel

 V = M * R^2/3 * I^1/2

 V = vannhastighet

 M = Manningstall

 I = kanalbunnens helling

 R = hydraulisk radius = A/p

 Manningstallet er et

uttrykk for kanalens ruhet

 Avhenger av kanalens overflate (jordart,

begroing, stein, med mer)

 70-80 for en godt dimensjonert kanal

 Kan være så lav som 10 for en liten og overgrodd grøft

(35)

44

Beregning av steinstørrelse

 Et raskt overslag er gitt ved d_c = 12 * R * I

hvor R = hydraulisk radius (A/P)

I = energilinjas helling, tilnærmet lik fallet d_c = kritisk diameter

 Kritisk diameter er den minste steinstørrelsen som vannet ikke klarer å frakte med seg under de gjeldende

strømningsforhold.

 Denne formelen kan brukes for sand og stein i de fleste vanlige vassdrag

 Det finnes også nomogrammer

(36)

Praktisk dimensjonering av dekklag av vanlig stein

 Tetthet = 2650 kg/m³

 Erfaringsbasert

 Innbakt rimelig sikkerhetsmargin

 Dybdefaktor k,  mindre vanndyp gir større stein ved

samme vannhastighet for å være stabil

45

(37)

46

Nomogram

for beregning

av nødvendig

steinstørrelse

i åpne kanaler

for sikring av

bunn og sider

(38)

47

Erosjon som følge av erosjonssikring

 Erosjonssikringsarbeider må planlegges med tilstrekkelig hensyn til sideeffekter

 Sikring av elvebredder kan redusere

strømningstverrsnittet og gi økt vannhastighet og skjærspenning

 Virkninger kan oppstå i bunnen der løpet blir innsnevret og rundt framspring, for eksempel oppstrøms kant på beskyttelseslaget eller ved utlagte store steiner

 Sikringer kan endre strømretning slik at det settes i gang erosjon på tidligere stabile områder nedstrøms

 Problemer kan unngås ved bla. avslutte sikringsarbeidene på egnede steder med myke overganger