Region nordRessursavdelingenGeo og lab2018-01-15

HydrologiKryssing av vennveier, E6 Nordkjosbotn - Storfjord grense

Balsfjord kommune

50858-HYD-01Ressursavdelingen

OppdragsrapportNr. Labsysnr.

Antall sider:

Antall vedlegg:

Antall tegninger:

Kontrollert

Oppdragsgiver:

Dato:

Utarbeidet av (navn, sign.)

Seksjonsleder (navn, sign.)

UTM-sone Euref89 Ø-N

Kommune nr. Kommune

Oppdragsnummer

Sammendrag

Emneord

www.vegvesen.no

Postadr.

Telefon

Region nordRessursavdelingen

Postboks 14038002 BODØ22073000

Flomberegning og kulvertdimensjonering av kryssende bekker/elver, E8 Nordkjos-botn

33 680408 - 7685019

1933 Balsfjord

Leif Jenssen

Jonas Thu Olsen

2018-01-15

5

4

1

Thorbjørn With-Dahl

Hydrologi

Geo og lab

Det er i rapporten utført flomberegning og kulvertdimensjonering for kryssende elver/bekker langs ny E8 i Nordkjosbotn for ned-børfelt med feltareal større enn 0,05 km2. Flomberegningen er utført med den rasjonelle formel og formelverket fra Stenius m. fl., (2015) for små nedbørfelt.

Kulvertdimensjonering er gjort i henhold til anbefalingene i rapport om «overvannshåndtering og drenering for veg og jernbane» fra naturfareprosjektet (Norem m. fl., 2016). Som beregningsmetode er det benyttet dimensjonsløse kapasitetsdiagrammer. En viktig forutsetning for diagrammene og gyldigheten til beregningene (og derav for den nødvendige dimensjonene på kulvertene) er at kulvertene utformes for å ha innløpskontroll.

Kryssing av vennveier, E6 Nordkjosbotn - Storfjord grense

50858-HYD-01

Hydrologi

Prosjektnummer

501854

Trygt fram sammen

Statens vegvesenRegion nordRessursavdelingenPostboks 1403, 8002 BODØTlf: 22073000firmapost-nord@vegvesen.no

vegvesen.no

1. Innledning

Ny E6 mellom Nordkjosbotn og Storfjord grense i Balsfjord kommune vil krysses av mange

sideelver og bekker. Dette notatet innebefatter flomberegning for nevnte elver/bekker og

hydraulisk analyse av kulvert under veg. I denne rapporten er «kulvert» en betegnelse for alle

lukkede vanngjennomløp.

For flomberegningen er det benyttet to metoder for å gi et sammenligningsgrunnlag mellom

metoder slik at usikkerheten i flomestimatet reduseres. Metodene som er benyttet er den

rasjonelle formel og nasjonalt formelverk for små nedbørfelt. Førstnevnte er en nedbør-avløps

modell og sistnevnte er et sett ligninger for Norge utarbeidet ved regional

flomfrekvensanalyse. Mange av nedbørfeltene er svært små (>0,4 km2), og defineres som

mikrofelt (>1 km2) og det kan følgelig være stor usikkerhet i estimert flomstørrelse.

Kulvertdimensjonering er utført for å oppnå innløpskontroll i henhold til anbefalingene i N200

og Vassdragshåndboka. Hvor det er mulig er beregning av dimensjoner gjort ved

dimensjonsløse kapasitetsdiagrammer. Hvor bruk av diagrammer ikke var mulig er det

benyttet HY-8 utarbeidet av Federal Highway Administration i USA.

I de følgende delkapitlene er beregningene for kryssende bekk/elv med størrelse over 0,05

km2 omtalt. Det er ikke utført noen befaring av området i forkant av arbeidet, så all

informasjon er hentet fra karttjenester digitale terrengmodeller. Det er heller ikke tatt hensyn

til stedlige variasjoner i terrenget som kan være med på å bestemme kulvertens kapasitet, og

alle kulvertberegningene forutsetter at kulverten er dimensjonert for innløpskontroll.

2. Områdebeskrivelse

Den planlagte vegstrekningen ligger i Troms og går mellom Nordkjosbotn og Storfjord grense.

Vegstrekningen er preget av bratte sideskråninger med elver/bekker som står vinkelrett på

veglinjen. Nedbørfeltene til elvene er i hovedsak preget av snaufjell og skog, men med noe

innslag av dyrket mark. Den relativt bratte skråningen i nedbørfeltene og den store andelen

av snaufjell bidrar til en stor andel avrenning. Dette kombinert med relativt liten størrelse på

feltene tilsier at den spesifikke flommen vil være stor.

3. Flomberegning

Flomberegningen er utført med den rasjonelle formel og nasjonalt formelverk for små

nedbørfelt. Estimat fra den rasjonelle formel er svært sensitive til valg avrenningsfaktor og

valg av IVF-kurve. Det er derfor viktig at det gjøres en vurdering av nevnte parametere før de

benyttes i beregningen.

For IVF-kurve er det benyttet kurve fra Bardufoss. Dette er den eneste IVF-kurven som

foreligger fra Troms fylke fra meteorologisk institutt. Ut fra feltets geografiske beliggenhet

sammenlignet med Bardufoss er det antatt at IVF-kurven er representativ. Begge områdene

ligger i klimaregion nord og begge områdene ligger til dels innland og omslynget av fjell.

Avrenningsfaktoren benyttet i den rasjonelle formel er bestemt ut fra andel overflatetype

hentet fra lavvansapplikasjonen nevina og tilhørende avrenningsfaktor hentet fra Håndbok

N200. Avrenningsfaktor er og oppjuster med en faktor på 1,3 for gjentaksintervall på over

100 år i henhold til N200. Dette bidrar til svært høye avrenningsfaktorer, noe som framgår i

beregningene hvor de fleste av feltene har en avrenningsfaktor på over 0,7 (dvs. at 70% av

nedbøren som faller i nedbørfeltet vil bidra til avrenning i kulverten), og for flere av feltene er

parameteren på over 0,8.

Det er utført flomberegning for til sammen 16 bekker som krysser vegstrekningen (tabell 1,

plassering er vist i vedlegg 1). Hva framgår i tabellen er at flomestimatene fra de to metodene

varierer mye. Estimatene fra den rasjonelle formel er om lag dobbelt så store som estimatene

fra nasjonalt formelverk.

For å gi et bedre sammenligningsgrunnlag er den spesifikke flommen for feltene inkludert. De

høyeste observerte spesifikke flomverdiene for små nedbørfelt observert i nifs prosjektet dp.

5.1 (Stenius m. fl., 2015) varierer fra 4000 l/s/km2 til 5300 l/s/km2, og det anbefales i NVEs

veileder for små nedbørfelt at verdier over dette sjekkes spesielt nøye. Ut fra de spesifikke

flommene estimert med den rasjonelle formel kan det virke som at vannføringen ved 200 års

flom er nor høy. Dette er på grunn av de høye avrenningsfaktorene som er benyttet. Samtidig

kan det argumenteres for at de observerte spesifikke flommene fra Stenius m. fl. (2015) ikke

inneholder observasjoner av 200 års flom, og at spesifikke flommer på størrelsen beregnet

her kan forekomme. Endelig estimat for 200 års flom (Q200, tabell 1) som skal benyttes til

dimensjonering av kulvert vurderes derfor noe ned fra verdiene fra den rasjonelle formel, men

ansees fortsatt som noe konservativt.

Tabell 1. QR og QNF er estimert flom ved henholdsvis rasjonelle formel og nasjonalt

formelverk, qr og qNF er spesifikk flom vurdert med henholdsvis rasjonelle formel og

nasjonalt formelverk. PEL Areal(km2) QR (m3/s) QNF (m3/s) qr (l/s/km2) qNF (l/s/km2) Q200 (m3/s) Dkul (mm)

240 0,6 6,4 2,7 10719 4500 4 1600

2437 0,5 4,4 1,8 8803 3600 3 1600

7800 0,4 2,9 1,4 7250 3500 2 1400

8062 0,4 4,4 - 10986 - 4 1600

8425 0,4 2,8 1,3 7000 3250 2 1400

8450 0,03 0,4 0,1 13333 3333 0,3 800

8775 0,4 2,8 1,3 7000 3250 2 1400

9195 0,2 1,8 - 8864 - 1,5 1200

10125 1 7,7 2,5 7699 2500 4,5 1600

10640 1,3 11,2 4,5 8628 3461 8 2200

11615 2,9 21,5 14,1 7406 4862 16 2400

12312 0,5 5,7 2,2 11371 4400 4,5 1600

12470 0,5 4,2 2,2 8338 4400 3,2 1600

12620 0,4 3,7 1,6 9129 4000 3 1500

13790 0,2 1,4 0,9 6996 4500 1,2 1200

13932 0,3 1,9 1,0 6292 3333 1,6 1200

4. Kulvertdimensjonering

Energien som driver vannet gjennom kulverten er en kombinasjon av vanndybden (potensiell

energi) og vannhastigheten (kinetisk energi) ved innløpet. I henhold til N200 skal kulverter i

hovedsak utformes for å ha innløpskontroll ved dimensjonerende flom. Innløpskontroll

innebærer at kulvertens kapasitet bestemmes av innløpets utforming og størrelse og

vannstanden ved innløpet. Krav for vanndybden, yi, ved innløpet er yi <= Dkulvert. Dette

forhindrer overtopping av innløpet og sikrer fritt vannspeil ved yi = Dkulvert. Ved innløpskontroll

er strømningen ved innløpet svært komplisert og kan ikke beregnes på en enkel måte.

Beregningen gjøres derfor via kapasitetsdiagrammer som er skalert fra modellforsøk.

Prosedyren er som følger:

1. Finn Q* (dimensjonsløs vannføring) ut fra Qdim og innløpets tverrsnitt

a. Q* = Qdim/AD0,5

2. Finn korresponderende dimensjonsløse energihøyde (Ei) ved innløpet fra

kapasitetsdiagrammer og bestem vanndybden ved innløpet:

a. Hvis vannhastighet neglisjeres: yi = Ei

b. Hvis vannhastigheten ikke neglisjeres trekkes denne fra (V2/2g)

3. Kontroller vanndybde ved innløpet:

a. Hvis yi < D er kulvert OK

b. Hvis yi > D må det velges ny utforming

Det er for beregningen benyttet diagram for sirkulært tilskåret innløp (vedlegg 2). Det er antatt

at kulvertene utformes for innløpskontroll. Dette innebærer generelt et fall større enn 6 ‰ og

at de er hydraulisk korte. Når kulverten utformes for innløpskontroll vil i stor gra kravet for

selvrensing og oppfylles. Dette er spesielt viktig for kulvertene i området hvor det er rapporter

om til dels stor masseføring.

For kulvert ved pel 11615 hvor dimensjonerende vannføring er estimert til 18 m3/s er HY-8

benyttet til hydraulisk analyse av kulvert. Det foreligger ingen informasjon om hvordan

forholdene ved innløpet og utløpet vil være, så i beregningene er disse antatt. Videre tar HY-

8 ikke med energien fra vannhastigheten ved innløpet av kulverten. Beregningen i HY-8 viser

at det ved dimensjonerende flom vil vannstanden være 0,3 m over toppen av kulvert. Dette er

uten den medregnete energien fra vannhastigheten. Hvis en antar at vannhastigheten ved 200

års flom er 3 m/s inn mot kulvert, vil reell vannstandshøyde ved innløpet være 2,34 m. Det er

derav tilstrekkelig med dimensjoner på 2,4 m for kulverten ved pel 11615.

Figur 1. Hydraulisk analyse av kulvert ved pel 11615 utført i HY-8.

For resterendestrekning vegstrekning anbefales det at kulverter/stikkrenner legges i henhold

til anbefalinger i HB N200. Dette innebærer at det benyttes stikkrenner med dimensjon 800

mm for å ta høyde for framtidige økning i nedbør som legges med 100 m mellomrom.

5. Sammendrag

Det er i det foregående utført flomberegning og kulvertdimensjonering for kryssende

elver/bekker langs ny E8 i Nordkjosbotn for nedbørfelt med feltareal større enn 0,05 km2.

Flomberegningen er utført med den rasjonelle formel og formelverket fra Stenius m. fl., (2015)

for små nedbørfelt.

De to flomestimatene skiller seg betydelig fra hverandre. Dette er i hovedsak på grunn av den

store avrenningsfaktoren som er benyttet i den rasjonelle formel. De dimensjonerende

flomverdiene er valgt et sted imellom de to flomestimatene, men endelig verdi må ansees som

noe konservative. Dette er ansett som nødvendig da mange av bekkene/elvene er bratte med

til dels stor masseføring. Således kan overdimensjonering av kulvertene med tanke på

vannføringsverdier fungere som en sikkerhetsmargin ved eventuelle opphopninger fra

skredmasser eller lignende.

Kulvertdimensjonering er gjort i henhold til anbefalingene i rapport om «overvannshåndtering

og drenering for veg og jernbane» fra naturfareprosjektet (Norem m. fl., 2016). Som

beregningsmetode er det benyttet dimensjonsløse kapasitetsdiagrammer. En viktig

forutsetning for diagrammene og gyldigheten til beregningene (og derav for den nødvendige

dimensjonene på kulvertene) er at kulvertene utformes for å ha innløpskontroll.

6. Referanser

Stenius, S., Glad, P.A., Reitan, T., Wang, T.C., Tvedalen, A.K., Reinemo, P., Amland, S., (2015): Sammenligning av metoder for flomberegninger i små uregulerte felt. NVE Rapport 86-2015. Stenius, S., Glad, P.A., (2015): Anbefale metoder for flomberegninger i små uregulerte felt. NVE Rapport 97-2015. Norem, H., Flesjø, K., Sellevold, J., Lund, M.R., Virehn, P.L.E., (2016): Overvannshåndtering og drenering for veg og jernbane, Rapport nr 28-2016

Vedlegg 1 – plassering av kulverter langs planlang veg

Vedlegg 2 – Rasjonelle formel

Avrenningsberegning (data inn i gule felter) Klimafaktor 1.3 Returperiode (N)= 200 (fyll inn klimafaktor og returperiode)

Felt Areal (Ha) L (m) H (m) Ase Tc (min) i C (tint) C (frosset) Q (l/s) (tint) Q (l/s) (frosset)

PEL 240 60 2300 1175 0 40.3 89.3 0.92 0.95 6432 6620

PEL 2437 50 2200 1041 0 40.9 88.0 0.77 0.95 4402 5434

PEL 7870 30 1900 807 0 40.1 89.6 0.83 0.95 2907 3320

PEL 8062 40 1700 799 0 36.1 97.9 0.86 0.95 4395 4837

PEL 9195 20 1600 736 0 35.4 99.3 0.69 0.95 1773 2454

PEL 10125 100 1200 546 0 30.8 108.7 0.54 0.95 7699 13428

PEL 10640 130 2300 965 0 44.4 80.8 0.82 0.95 11217 12970

PEL 11615 290 4000 1348 0 65.4 60.9 0.94 0.95 21480 21801

PEL 12312 50 1600 1121 0 28.7 116.0 0.75 0.95 5686 7164

PEL 12470 50 2100 951 0 40.9 88.1 0.73 0.95 4169 5440

PEL 12620 40 2100 862 42.9 83.9 0.84 0.95 3652 4144

PEL 13790 20 1900 565 48.0 76.7 0.70 0.95 1399 1893

PEL 13932 30 1300 355 41.4 87.0 0.56 0.95 1888 3223

PEL 8450 3 600 195 25.8 128.3 0.00 0.80 0 400

Overflatetype (%) PEL 240 PEL 2437 PEL 7870 PEL 8062 PEL 9195 PEL 10125 PEL 10640 PEL 11615 PEL 12312 PEL 12470 PEL 12620 PEL 13790 PEL 13932PEL 8450 Felt 15 Felt 16

Myr 1.0

Skog 30.0 52.0 40.0 34.0 68.0 82.0 42.0 20.0 55.0 60.0 39.0 65.0 88.0 100.0 100.0

Fjell 70.0 48.0 60.0 66.0 32.0 5.0 58.0 80.0 45.0 40.0 61.0 35.0 7.0

Dyrka mark 12.0 5.0

Tette flater

Totalt for feltet 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 0.0 100.0

Sjøareal (overflateareal av sjø)

Feltareal sjø (areal av feltet som drenerer til sjøen)

Vedlegg 2. HY-8 resultat

Vedlegg 3. Kapasitetsdiagram bruk til dimensjonering av kulvert

Vedlegg 4. Oversikt nedbørfelt fra nevina

PEL 240

Pel 2473

PEL 7870

PEL 8062

Pel 8425

Pel 8750

Pel 8775

PEL 9195

PEL 10125

PEL 10640

PEL 11615

PEL12312

PEL12470

PEL 12620

PEL 13790

PEL 13932