Modul F2.001: Beregning og valg av steinstørrelse i erosjonssikringer

Denne modulen er en støttemodul til fase 2: Prosjektering av tiltak mot flom og erosjon.

Fullstendig beskrivelse av flere av beregningsmetodene finner du i NVE veileder 4/2009 Veileder for dimensjonering av erosjonssikringer av stein. Modulen må ses i sammenheng med modul F1.200: Mulige tiltak mot erosjon og prosjekteringsmodulene for erosjonssikringer av stein, der du finner mer informasjon om praktisk dimensjonering.

Å bestemme stabil steinstørrelse i erosjonssikringstiltak krever som oftest omfattende vurderinger av hydraulikk, erosjonsprosesser, og lokale forhold i vassdraget. Om steinen ligger stabilt, avhenger av blant annet belastninger, tilgang og kvalitet på stein og kvalitet på utførelsen. Disse forholdene har du ikke alltid oversikt over i prosjekteringsfasen. Beregningsmetodene for dimensjonering tar i ulik grad høyde for slike forhold. Steinstørrelsen bestemmes derfor ofte ut fra erfaringsverdier og tilgjengelig materiale. Det er viktig å vurdere stabiliteten av konstruksjonen som helhet: I mange tilfeller er riktig utførelse og utlegging mer avgjørende enn bruk av stabil enkeltstein.

Gjentatte flommer og endring i elvas strømningsforhold kan over tid føre til en viss slitasje av sikringstiltaket. Dette er i utgangspunktet ikke skadelig så lenge funksjonen er ivaretatt. Det er derfor viktig å ha gode tilsynsrutiner, for å avdekke uakseptable skader som gjør at tiltaket mister sin funksjon, og utarbeide planer for reparasjoner og vedlikehold for å hindre erosjonsskader. Les mer om tilsyn av erosjonssikringstiltak under fase 4: Forvaltning, drift og vedlikehold av tiltak mot flom og erosjon.

Figur 1 viser hva som må vurderes ved valg av steinstørrelse, og hvordan prosessen kan foregå. Beregning av steinstørrelsen bare en del av prosessen som vist i figuren. Resultatet av beregningen bør ses på som veiledende, og vurderes med hensyn til praktisk utførelse og lokale forhold. Valgt lagtykkelse og steinstørrelser bør inngå som en del av den helhetlige nytte/kost-vurderingen av anlegget. Kanskje er det en bedre samfunnsøkonomisk løsning å sørge for jevnlig vedlikehold og reparasjon, framfor å øke steinmengden og steinstørrelsen?

Før du går i gang med planlegging av erosjonssikringstiltak, må du gjøre en vurdering av tiltaksområdet og hva som er utsatt for fare, se fase 1: Planlegging av tiltak mot flom og erosjon.

• Kan skader på sikringen få uakseptable samfunnsøkonomiske konsekvenser?
• Kan du akseptere noe slitasje?
• Er det mulig å komme til for reparasjon eller utbedring av begynnende skader?

Dette vil blant annet få betydning for valg av sikkerhetsnivå (dimensjonerende flom/gjentaksintervall), valg av sikkerhetsfaktor i dimensjoneringen og nytte/kost-beregningen for tiltaket.

Beregningsmetodene for valg av steinstørrelse bruker som regel vannhastigheten (eventuelt skjærspenning) som dimensjonerende belastning. Vannhastigheten kan beregnes ut fra dimensjonerende flom, for eksempel gjennom en vannlinjeberegning, som beskrevet i modul F1.003: Hydraulisk analyse og vannlinjeberegning.

Vær oppmerksom på at hastigheten i vannstrømmen ikke er det eneste som gir belastning på sikringen. Andre krefter fra isganger, massetransport og drivgods, sekundærstrømninger eller bunnerosjon kan innebære vel så store destabiliserende krefter, se modul F2.003: Belastninger fra is og drivgods på sikringsanlegg. Slike ekstra belastninger bør utredes, og tas med i beregningen av steinstørrelsen – enten ved å øke belastningen (vannhastighet/skjærspenning), eller ved å øke sikkerhetsfaktoren i beregningen.

Vær også oppmerksom på at belastningen kan forandres over tid. For eksempel kan endringer i elveprofilet, masseavlagring eller konstruksjoner i vassdraget medføre strømningsendringer eller hastighetsøkninger som gjør sikringstiltaket mer eksponert for skader. Du bør alltid vurdere om en hensiktsmessig utforming av sikringstiltaket kan redusere den ekstra belastningen.

Egnet sikringstype avhenger blant annet av belastningen som forventes. Les mer om dette i modul F1.200: Mulige tiltak mot erosjon. Tabell 1 kan være en hjelp til å velge egnet sikringstype ut i fra forventet vannhastighet og annen belastning.

Hvordan steiner blir passert kan ha stor effekt på hvor stor belastning en erosjonssikring tåler. Skred- og vassdragsavdelingen i NVE hadde et FoU-prosjekt i samarbeid med Vassdragslaboratoratoriet ved NTNU for blant annet å få mer informasjon om ulike erosjonssikringstypers styrke. Fysiske modellforsøk ble gjennomført for å teste effekten av steinplassering. Video 1 under viser et sammendrag av forsøkene. Studien er publisert i NVE ekstern rapport 21/2020 Stabilitet av erosjonssikring med stein på elvebredder under overkritisk strømning - effekten av steinplassering. Forsøksoppsettet med i en kanal med et vidu tillater også å kunne følge med hvordan erosjonsikringene oppfører seg under økende belastning til de blir ødelagt av vannet.

Video 1: Oppsummering av modellforsøk om effekten av ulik steinplassering. (Video: NVE)

Beregningsmetodene for stabil steinstørrelse bygger på teori om blant annet sedimenttransport og erosjonsprosesser, hydraulikk og klassisk mekanikk. De tradisjonelle beregningsmetodene er empiriske eller fysisk-empiriske formelverk, utviklet ved forsøk i laboratoriet og i elver med lav til moderat belastning. Formlene er dermed først og fremst egnet for tilsvarende problemstillinger.

Vi mangler gode beregningsmetoder for å anlså steinstørrelse i bratte vassdrag med høy hastighet. I slike elver er det vanlig å sikre med ensgradert stor stein med god innbyrdes kontakt mellom steinblokkene. Dette gir en innspenningseffekt som det ikke er tatt hensyn til i formelverkene. Forutsatt riktig utførelse er stein i slike konstruksjoner mer stabil enn beregnet stabil enkeltstein. Erfaring er som regel nødvendig.

Teorigrunnlag for beregningsmetodene

Om en stein vil beveges av vannstrømmen eller ikke, avhenger av forholdet mellom drivende krefter (primært løftekraft, dragkraft og oppdrift) og stabiliserende krefter (tyngdekraft og friksjon mot underlaget) som virker på steinen, se figur 2.

Steinen vil transporteres av vannmassene dersom de drivende kreftene er større enn de stabiliserende. Det vanligste er å beskrive belastningen fra vannstrømmen gjennom vannhastigheten, v, eller skjærspenningen mellom bunnen og det strømmende vannet, τ.

Beregningsmetoder – oversikt

Hvilken beregningsmetode som egner seg til et gitt prosjekt avhenger av type vassdrag, sikringstype og belastningsnivå. Se tabell 2 for en oversikt over mulige beregningsmetoder. Bruk gjerne flere beregningsmetoder for et bedre sammenlikningsgrunnlag.

Sikkerhetsfaktor

Flere av beregningsmetodene ovenfor gir kritisk steinstørrelse – det vil si steinstørrelsen som vil beveges av vannstrømmen ved dimensjonerende vannføring. Valg av sikkerhetsfaktor er blant annet avhengig av beregningsmetoden. 

Sikkerhetsfaktoren bør velges ut i fra valgt sikkerhetsnivå, og usikkerhet i forventet belastning og beregning. Spesielt anbefales en økning av sikkerhetsfaktoren under følgende forhold:

• Stor risiko for skader eller brudd. Spesielt i tilfeller der skaden kan få store samfunnsøkonomiske konsekvenser.
• Stor påkjenning på grunn av flytende drivgods, massetransport, drivis med mer.
• Stor usikkerhet i inngangsverdiene – spesielt hastigheten. En følsomhetsanalyse vil avdekke hvor sensitiv beregningen er for endringer i hastigheten.
• Stor usikkerhet i utførelsen – svake punkter i erosjonssikringen, kvalitet på steinmasser med mer.

En beregning vil kun gi en indikasjon på stabil steinstørrelse. Du må alltid vurdere resultatet og eventuelt justere steinstørrelsen med tanke på praktisk utførelse, stedlige forhold og valgt sikringsnivå. Hvis du mangler grunnlag og erfaring for å kunne gjøre gode vurderinger, bør du søke råd hos en vassdragstekniker med erfaring.

Noen viktige momenter en bør ta i betraktning:

• Erfaringsverdier og naturlige masser i vassdraget: Sammenlign beregnet steinstørrelse med erosjonssikring brukt i elver med tilsvarende belastning. Naturlige masser som ligger i/langs vassdraget på strekningen kan gi en viss indikasjon på minste stabile steinstørrelse for masselikevekt. Prosjektert steinstørrelse må da velges større enn observert gjennomsnitt, spesielt hvis vassdraget ikke har opplevd større flom på lang tid. Vurder spesielle forhold på stedet som kan føre til større/mindre belastning over tid.
• Tilgang på stein: Kvalitet, form, gradering osv. kan i enkelte tilfeller få betydning for valgt steinstørrelse.
• Konstruksjon/utførelse: Stein lagt i forband, som er godt innlåst i hverandre, er mye mer stabil enn løs enkeltstein. Krefter mellom steinblokkene bidrar til å holde hver enkelt stein på plass, slik at sikringen opptrer som en samlet konstruksjon. Den samlede sikringen tåler dermed større belastning uten at steinen løftes ut av posisjon. Praktisk erfaring er oftest nødvendig for å kunne bygge opp en solid plastring eller tørrmur med god nok kontakt mellom steinblokkene.
• Forankring/fundamentering: En solid forankring/fundamentering er viktig for konstruksjonens totale styrke. Skader på fundamentet forplanter seg ofte videre, og fører til skade på hele erosjonssikringen. Ved dimensjonering bør en velge en større steinstørrelse i fundamentet enn beregnet steinstørrelse lenger oppe i skråningen. Steinene sorteres ut på tipplass under bygging. Du kan lese mer om fundamentering i modul F2.004: Fundamentering av sidesikring i vassdrag.
• Nytte/kost og FDV: Vurder steinstørrelsen med tanke på sikkerhetsnivå og nytte/kost for prosjektet. Det er vanlig at sikringstiltaket kan få mindre slitasjeskader over en periode med flere flommer. Dette kan medføre kostnader i forbindelse med vedlikehold og reparasjon. Erosjonssikringen må dimensjoneres slik at en flom som kan forventes under erosjonssikringens levetid ikke vil føre til uakseptable skader – det vil si slik at kostnaden ved reparasjon ikke overgår kostnaden ved normalt vedlikehold. I tilfeller med høy risiko vil det være god nytte/kost i å øke steinstørrelsen og tykkelsen på steinsikringen. Dette vil gi en høyere sikkerhetsmargin mot skader på tiltaket. I andre tilfeller gir det bedre nytte/kost å redusere dimensjonene på tiltaket – og heller legge til rette for atkomst for jevnlige reparasjoner og vedlikehold. Dette bør i så fall være et bevisst og begrunnet valg.

Kombinasjonen mellom teoretiske beregningsmetoder, praktiske og erfaringsbaserte vurderinger og nytte/kost skal nå brukes til å velge endelig steinstørrelse og gradering for sikringstiltaket.

I prosjektbeskrivelsen bør valgt steinstørrelse, gradering og andre egenskaper (form, tetthet og tykkelse) beskrives. For å beskrive gradering og størrelser bør man angi en øvre og nedre steinstørrelse, samt midlere steinstørrelse (d_min, d_max, d₅₀). Man kan også angi en nedre og øvre kornfordelingskurve som sikringsmassene skal ligge innenfor. Grensene bør ikke være så snevre at massen blir vanskelig å produsere.

Husk dokumentasjon og kontroll av mottatte steinmasser under utførelsesprosessen, og jevnlig oppfølging av entreprenør under bygging.

Disse modulene utdyper noen temaer som er relatert til denne modulen:

• Modul F1.003: Hydraulisk analyse og vannlinjeberegning
• Modul F2.003: Belastninger fra is og drivgods på sikringsanlegg
• Modul F2.004: Fundamentering av sidesikring i vassdrag

NS-EN 13383-1 Vassbyggingsstein – Del 1: Spesifikasjoner (NS-EN 13383-1:2013). CEN, den europeiske standardiseringsorganisasjonen. 

NS-EN 13383-2 Vassbyggingsstein – Del 2: Prøvingsmetoder (NS-EN 13383-2:2019). CEN, den europeiske standardiseringsorganisasjonen. 

NS 3420 Beskrivelsestekster for bygg, anlegg og installasjoner (NS 3420:2019). Norsk Standard.

NS 3420-F:2022 Beskrivelsestekster for bygg, anlegg og installasjoner – Del F: Grunnarbeider – Del 1. (NS 3420-F:2022+AC:2022). Norsk Standard.

NS 3468 Grove steinmaterialer til bruk i bygge- og anleggsarbeid – Spesifikasjon (NS 3468:2019). Norsk Standard.

NVE (2010) Vassdragshåndboka – Håndbok i vassdragsteknikk. red. Fergus, T, Hoseth, K. A, Sæterbø, E. Trondheim: Tapir Akademisk Forlag.

NVE (2009) Veileder for dimensjonering av erosjonssikringer av stein. Veileder nr. 4/2009. Oslo: Norges vassdrags- og energidirektorat.

U.S. Army Corps of Engineers (1994) Hydraulic Design of Flood Control Channels. Engineer Manual No 1110-2-1601. Washington DC: Department of the army