Modul F2.004: Fundamentering av sidesikring i vassdrag

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

Undergraving av sikringsfoten er en vanlig årsak til skade. I vassdrag vil bynnivået variere med tiden på grunn av naturlige prosesser som variasjon i vannføringen, erosjon, transport og avlagring av masser. Menneskelige inngrep kan også påvirke bunnivået. Det er viktig å ta hensyn til endring i bunnivået når du prosjekterer fundamenteringen av sikringen. Figur 1 viser en sidesikring hvor bunnen har senket seg, og det meste av stein er forsvunnet i dypet. 

Fundamentering av tørrmurer krever spesielle tiltak som er beskrevet under de forskjellige variantene av tørrmurer. Se modul F3.202: Ensidige tørrmurer langs vassdrag – Utførelse.

Det er en rekke forhold som kan senke nivået på elvebunnen langs sikringsanlegg. De mest vanlige årsakene er: 

• Lokal erosjon rundt steinsikringen.
• Masseuttak fjerner stabile dekklag og senker elvebunnen lokalt, ofte med bakovergripende bunngraving som resultat. Under senere flommer, kan forsenkingen i elvebunnen forplante seg langt oppstrøms uttaket.
• Naturlige strykpartier i elva flytter seg. Større flommer kan erodere i tidligere stabile strykpartier i løsmasser, og flytte strykpartier i oppstrøms retning. 
• Elvas tilgang på masse reduseres. Ved å sikre vassdraget mot erosjon reduseres elvas tilgang på masse som kan flyttes med elvestrømmen nedover vassdraget. Balansen mellom erosjon på bunnen og påfylling av elvetransportert masse blir forstyrra. Resultatet kan bli at sårbare elvestrekninger senker seg. Spesielt der man setter inn sikringstiltaket vil den lokale balansen kunne forrykkes. 
• Avlagring av elvetransporterte masser, spesielt i innersvingen av elva, kan innta slike dimensjoner at vannet blir fortrengt til en smal renne langs sikringen i yttersving. Dette vil øke vannhastigheten i denne renna. Det oppstår da en spylevirkning som kan senke elvebunnen hvis dekklaget er for svakt. 
• Gjengroing. Spesielt i regulerte vassdrag kan flomløp og grusører gro igjen, og redusere det effektive strømningsarealet. Dette fører til større påkjenning på bunnen, med senking som resultat. 
• Is og sarr. Der det etablerer seg isdekke kan det ved spesielle forhold dannes sarr under isen, som reduserer det effektive strømningstverrsnittet. Dette bidrar til økt hastighet og erosjon i bunnen. Slike spylekrefter opptrer også når vannføringen er stigende og vannet presses under et fastfrosset isdekke eller eventuelt blir fortrengt av ismasser som delvis dekker elvetverrsnittet. Ved ispropper kan det også oppstå spylekrefter under ismassene. Se også modul F2.003: Belastninger fra is og drivgods på sikringsanlegg. 
• Drivgods avlagres og presser strømmen slik at vannhastigheten øker på bunnen over lokale partier. 
• Dypålen forflytter seg. Forhold i elva kan forårsake at dypålen, som tidligere lå et stykke ut i elva, forflytter seg inn mot sikringsanlegget og gir en senking av elvebunnen her. Dette kan skje ved innsnevringer i elva, for eksempel ved utfyllinger eller naturlig opplagring av grusmasser. Innsnevringen vil øke vannhastigheten, som igjen kan gi bunnerosjon.

NVE veileder 4/2009 Veileder for dimensjonering av erosjonssikringer av stein kapittel 4.6.12 beskriver en metode for grov beregning av erosjonsdyp. Beregningen er usikker, men det er anbefalt at den inngår i en samlet vurdering av erosjonsdyp. Internasjonalt finnes det mye informasjon/empiri/forsking på begrepet scour depth, spesielt rundt konstruksjoner i vassdrag. HecRas har en egen modul for estimering av erosjonsdybde rundt konstruksjoner (bruer), som også kan tilpasses til andre innsnevringer i naturlige elveløp. 

I noen tilfeller er man i tvil om hvilke masser som befinner seg i bunnmassene av elva. Det kan da være hensiktsmessig å sjakte/grave i dybden for å finne korngradering som utgangspunkt for beregning av erosjonsdyp, og muligheten for dannelse av dekklag. 

Dyp fotgrøft

Foten av sikringen graves ned i elvebunnen til nivå med beregnet, senket bunnivå. Metoden egner seg spesielt godt der elveleiet er grunt, for at sikringen av foten ikke skal stikke opp av vannet/bunnen, og bli synlig og skjemmende. Metoden er ikke hensiktsmessig når fundamenteringen må skje dypere i elvebunnen enn 2,5 m. Dette ut ifra tekniske og praktiske utfordringer ved store gravedyp under vann. Massene som fylles tilbake i fotgrøfta må være grove nok til å danne ny erosjonshud, slik at bunnen ikke blir ekstra sårbar i den gjenfylte delen. Dyp fotgrøft er illustrert i figur 2.

Grunn fotgrøft

Hvis bunnen regnes som stabil over tid, plasseres sikringen i en grunn grøft i elvebunn, dybde omtrent 0,5 m. Det gir god forbindelse mellom sikring og bunn. Grunn fotgrøft er illustrert i figur 3. 

Tåstein i "pølse"

Når vanndybden er stor kan sikringen avsluttes med en "pølse" av stein lagt utover elvebunnen. Det graves da ikke fotgrøft. Lengde og volum av "steinpølsa" må beregnes ut fra beregnet/antatt senkning, slik at steinmassene rauser ned og danner plastringslag ned mot senket bunn. Husk å ta høyde for at en del av de fineste fraksjonene kan vaskes ut og forsvinne med strømmen. Tåstein i "pølse" egner seg best når sikringen bygges som ordnet steinlag. Da sikrer man også en viss filtervirkning mot grunnmassene.

Den kan også brukes ved mer ensgradert plastring, men da må steinmassene som legges i pølsa være såpass kubiske at de lett rauser etter når bunnen senker seg. Massene må også inneholde en del graderte masser som kan gi tilstrekkelig filtervirkning inn mot grunnmassene. Dette kan gjøres ved å plassere et lag med velgraderte masser i pølsa mot bunnen. Tåstein i pølser er illustrert i figur 4. 

Bred fotgrøft

Hvis det er beregnet/antatt stor senkning (3–6 m) av bunnen, kan fundamenteringen sikres med et nedgravet depot av stein, i bunnen ved skråningsfoten. Fotgøfta graves ikke så dypt, men grøfta gjøres desto bredere slik at volum stein i foten sikrer mot bevegelser i bunnivået. Det er altså en viss plastisitet. Grøfta får en bredde som kan romme et tilstrekkelig depot av steinmasser, som kan rause ned mot et beregnet/antatt bunnivå etter en eventuell senking. Husk å ta høyde for at en del av de fineste fraksjonene kan vaskes ut og forsvinne med strømmen. 

Denne metoden egner seg best når sikringen bygges som ordnet steinlag. Da sikrer man også en filtervirkning mot grunnmassene. Den kan også brukes ved mer ensgradert plastring, men da må steinmassene som legges i grøfta være såpass kubisk at de lett rauser etter når bunnen senker seg. Massene må også inneholde en del graderte masser som kan gi tilstrekkelig filtervirkning inn mot grunnmassene. Dette kan gjøres ved å plassere et lag med velgradert masse nederst i forgrøfta. Bred fotgrøft er illustrert i figur 5.

Steinranke i skråning

Dette er også en variant av metoden for deponering av steinmasser som skal rause ned, når bunnen senkes. Hvis det forventes stor bunnsenking, kan du legge så mye stein i fot og nedre del av skråning, at steinmassene kan rause ned og sikre skråningen videre ned mot senket bunn. Steinen plasseres i en ranke langs foten av sikringen, og oppover i nedre deler av skråningen. Det må være nok volum stein til å dekke den blottlagte skråningen som oppstår ved naturlig senking av bunnivået. Du må derfor beregne/anslå erosjonsdybden før du kan beregne hvor mye stein som trengs. 

Husk å ta høyde for at en del av de fineste fraksjonene kan vaskes ut og forsvinne med strømmen. Steinranke i skråning er illustrert i figur 6.

Denne metoden egner seg best når sikringen bygges som ordnet steinlag. Da sikrer man også en filtervirkning mot grunnmassene. Den kan også brukes ved mer ensgradert plastring. Da må steinmassene som legges som depot i skråningen være såpass kubisk at de lett rauser ned når bunnen senker seg. Massene må også inneholde en del graderte masser som kan gi tilstrekkelig filtervirkning inn mot grunnmassene. 

Hvis foten ikke kan sikres direkte, må du tenke alternative muligheter som for eksempel:

• Fjerne årsakene til ekstra belastning på bunnen langs sikringen. Se beskrivelse av årsaker lengre oppe i dokumentet. Dette kan for eksempel være å:
  • redusere omfanget av grusører som fortrenger vannet
  • stabilisere bunnen i partier av elva der bunnen senker seg ved bakovergripende bunngravaving
  • gi elva bedre plass i bredden
  • gjøre tiltak mot is, som kan noen ganger gi mindre belastning på bunnen. 
• Terskler: Ved å bygge terskler, en eller flere, på tvers av hele elvebunnen kan bunnen sikres. Terskler vil hindre ugunstig endring/flytting av strykpartier som etter hvert kan påvirke bunnivået ved sikringsfoten. Terskler kan også benyttes som metode for å redusere fallet over den strekningen som er utsatt for bunnsenking. Ved å redusere fallet vil en redusere påkjenningen fra bunnen. Se mer om terskler i modul F2.204: Terskler og bunnforsterkning av løsmasser – Prosjektering.

• Buner/utstikkere: Bygge buner som skyver vannstrømmen vekk fra sikringsfoten. Dette egner seg best i større vassdrag. Bunene vil holde dypålen unna foten på skråningssikringen, og dermed hindre skader i foten. Bunene bygges ofte av stein, og må dimensjoneres for å tåle påkjenningene fra elva. Det vil oppstå lokal erosjon rundt tåa på bunen. Dybden på denne lokale erosjonsgropa kan reduseres med å sikre bunnen rundt tåa. Det er gjort modellstudier som gir et empirisk beregningsgrunnlag for lengde, høyde og avstand mellom bunene, se NHL-rapport 604483 Bruk av buner for erosjonbeskyttelse i elver. For ytterligere bedre grunnlag kan effekter fra konkrete tiltak, også med fordel modelleres i 2D hydraulisk modell. Figur 7 viser foto fra modellforsøkene. Buner/utstikkere reduserer det effektive strømningsarealet. Effekten på fisk og miljø bør vurderes spesielt. Du kan lese mer om bunder i modul F2.205: Buner – Prosjektering.

• Steinbånd i dypål: Dette er en form for mini-terskler, eller plastring av elven i noen meters lengde, som har til hensikt å "låse" bunnivået der steinbåndene ligger. Ved å bygge båndene med jevne mellomrom kan man begrense bunnsenkingen mellom den. Dermed opprettholder man et kontrollert bunnivå langs sikringsfoten. 
  
  Hvor lang avstand det bør være mellom båndene er avhengig av fallet på elva, og hvor mye du ønsker å redusere senkingen. Steinbånd egner seg best der dypålen har formet en smal spylerenne langs sikringsfoten. Steinbåndene bygges av ordnede graderte steinmasser med stabil steinstørrelse. Den mest stabile konstruksjonen oppnår du ved å plastre en styrtseng i nivå med elvebunnen, direkte nedstrøms båndet. Alternativet er at nedstrøms del av plastringen rauser ned i den kulpen som dannes ved erosjon, som følge av den økte vannhastigheten steinbåndet forårsaker. Dette kan fungere bra, men krever noe ekstra lengde på steinbåndet. Metoden med steinbånd er kanskje mest brukt som kriseløsning når bunnen senker seg ukontrollert langs sikringsanlegget. Steinbånd i dypål er illustrert i figur 8. 

• Plastring av elvebunnen nærmest skråningsfot: For å oppnå en ekstra robust fundamentering og beskyttelse av foten, kan du plastre elvebunnen som ligger nærmest inntil foten av sikringen, og samtidig grave foten ned i en grøft. Jo bredere dette plastringslaget er, jo mer beskyttet blir foten. Det er normalt å gi plastringslaget en bredde på 3–6 m i litt større elver. For mindre elver, eller ved små vanndybder, bør plastringslaget graves ned slik at toppen av plastringen flukter med resten av bunnen. Plastringen må dimensjoneres for å imot belastningen fra elva. Prosjektering av plastring er beskrevet i modul F2.203: Plastring – Prosjektering.
  
  Plastringen hindrer at elvebunnen nærmest skråningsfoten senkes. Dersom elvebunnen utenfor plastringen senkes, vil bunnplastringen rause etter og bli liggende med større helning ut fra skråningsfoten. Bunnplastringen vil da fortsatt beskytte foten. På figur 9 er metoden illustrert. Helplastret bunn er selvsagt den sikreste metoden for å sikre bunnivået mot senkning.

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

• Modul F2.003: Belastninger fra is og drivgods på sikringsanlegg
• Modul F2.201: Ordna steinlag, sidesikring – Prosjektering
• Modul F2.203: Plastring – Prosjektering
• Modul F2.204: Terskler og bunnforsterkning av løsmasser – Prosjektering
• Modul F2.205: Buner – Prosjektering
• Modul F2.206: Ordna steinlag, bunn- og sidesikring – Prosjektering
• Modul F3.202: Tørrmur langs vassdrag – Utførelse

NHL (1989) Bruk av buner for erosjonbeskyttelse i elver. Rapport 604483. Trondheim: Norsk hydroteknisk laboratorium. 

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