Laster på erosionsskydd

Vågor

En våg kan definieras som ”svängningsrörelser som upprepar sig mer eller mindre periodiskt kring ett jämviktstillstånd i ett medium eller system”. Vågor uppstår då ett system eller medium utsätts för en störning av tillförd energi i någon form. En våg beskrivs med hjälp av amplitud (våghöjden), våglängd (längden mellan två vågtoppar) och frekvens (vågperioden).
Vind som verkar över en öppen vattenyta genererar vågor med en storlek som beror på vindens hastighet, riktning, stryklängd och under hur lång tid vinden verkar över vattenytan. Begreppet effektiv stryklängd tar hänsyn till både riktning och stryklängd. Vindhastigheten genererar våghöjden tillsammans med den effektiva stryklängden.
Vågorna påverkar erosionsskyddet främst genom sin sköljande/bortspolande effekt. Detta innebär att det material, företrädelsevis det finkorniga, som inte kan motstå vågorna sköljs bort.
Vid dimensionering används den signifikanta våghöjden, HS, vilket definieras som ”medelvärdet av den högsta tredjedelen av våghöjderna i en serie vågor”. I beräkningen av den signifikanta våghöjden tas hänsyn till effektiv stryklängd och vindhastighet. För själva beräkningen finns flera olika modeller men den i Sverige vanligast förekommande är Saville. Denna metod är huvudsakligen baserad på mätningar av våghöjder och vindhastigheter, mätta på tre punkter vardera, i Denisonreservoaren i USA.

Stryklängd

Den effektiva stryklängden är den sträcka som vinden påverkar vattenytan och som uppkommer vid den mest ogynnsamma infallsvinkeln mot dammen.
Den effektiva stryklängden kan beräknas med olika metoder. I Sverige är det nästan bara Savilles metod som används. Nackdelen med denna metod är osäkerheten om de beräknade våghöjderna blir tillräckligt stora vid stryklängder över 3 till 4 km. Detta är inte något problem vid tillämpningen av metoden i Sverige då längre stryklängder är sällsynta.

Vindhastighet

Två olika lastkombinationer av vinden beaktas vanligen vid dimensioneringen av erosionsskydd, samma kombinationer gäller vid dimensionering av fribord, dvs. avståndet mellan högsta vattenytan och dammkrönet. Lastkombinationerna är:

Vindhastigheterna som vanligen anses dimensionerande har valts för två typer av områden, fjällterräng och övrig terräng. De värden som används vid dimensioneringen har tagits fram genom att mäta upp vindhastigheter på olika ställen och sedan angett hastigheten till den högsta medelhastigheten som uppkommer under 10 minuter. De vindhastigheter som används i fall 1 beräknas ha en återkomstperiod på 50 till 100 år medan vindarna i fall 2 har en uppskattad återkomst på 10 000 år.

Klass 1A och 1B dammar måste dimensioneras för bägge fallen medan för dammar i klass två gäller att endast fall 1 är dimensionerande.

Is

Istäcket som bildas på själva dammen och vattnet som däms utgör en stor belastning för erosionsskydden. Isen påverkar bland annat genom följande:

Den potentiellt möjliga tryckkraften som ett en meter tjockt istäcke kan verka mot en bred vertikal konstruktion överstiger 1 MN/m (ca 100 ton/meter). Detta är dock ett fall som sällan inträffar i praktiken då isen inte får ett tillräckligt stadigt mothåll p.g.a. flacka stränder. Även det faktum att dammarnas slänter är lutande medför att kraftpåkänningarna blir mindre. För vattenmagasin och sjöar i Sverige uppkommer horisontella 100 årsvärden på ca 0,3-0,5 MN/m. Mot en lutande yta av 1:2, vilket är en normalt lutande slänt för kraftverksdammar, blir de horisontella krafterna reducerade till 0,08-0,16 MN/m (8-16 ton/m) vilket dammarna ska klara av.
Genom fastfrysning kan dragkrafter, från ett av temperatur krympande istäcke, uppkomma. Dessa kan, teoretiskt vid ett en meter tjockt istäcke mot vertikal yta med bra vidhäftning, komma upp till 0,5–1,0 MN/m (50-100 ton/m). Sprickor och försvagningar i istäcket gör dock att även detta fall ej är vanligt förekommande.
Det största problemet med isen mot dammar är vid vattensänkningar i magasinen vintertid. När vattennivån sänks blir isen ofta hängande i erosionsskyddet och kan med stor kraft bryta lös stenar och block som inte har tillräckligt stor motståndskraft. Problemet ökar med ökande vattennivåskillnader.

Vågors uppspolningshöjd

Vågornas uppspolningshöjd påverkar erosionsskyddets övre begränsningsnivå. Uppspolningshöjden beror förutom på våghöjden av släntens vattengenomsläpplighet och ytans råhet.
Vid beräkning tas hänsyn till erosionsskyddets yta, dimensionerande våghöjd, signifikant våghöjd och infallsvinkel mellan dammlinje och vågriktning.
Skillnaden i uppspolningshöjden mellan de olika typerna av erosionsskydd är relativt stor. Erosionsskydd av oordnad fyllning av sten eller block har den största råheten följt av ordnande skydd av samma material. Släta erosionsskydd som kan bestå av betong, glacis eller asfalt får ungefär 2 till 2,5 ggr så stor uppspolningshöjd som de råa ordnade/oordnade stenfyllningarna.

Vindnivellering/Snedställning

Då vinden under en längre tid påverkar ytan på ett vattenmagasin kommer en del av vattnet att förskjutas efter vindriktningen vilket ger en snedställning av vattenytan. I till ytan mindre magasin eller vid magasin med större djup är detta oftast inget större problem. Vid större ytor och mindre djup kan denna effekt dock ge stora förändringar av vattenytan i förhållande till lugnvattenytan. Detta måste tas hänsyn till vid konstruerandet av erosionsskyddets övre gräns.
Omfattningen på snedställningen som uppkommer beror på tiden och med vilken hastighet som vinden verkar på vattenytan, magasinets längd i vindriktningen och magasinets medeldjup. Snedställningen kan beräknas med hjälp av den så kallade Zuider-Zee formeln.
Snedställningen påverkar erosionsskyddet genom att vågorna kommer att nå högre upp på erosionsskyddet och därmed blir den övre begränsningsnivån högre upp.

Uppströmssläntens lutning

Erosionsskyddets lutning, som vanligtvis blir densamma som uppströmsslänten, kommer att påverka den egna stabiliteten. En för brant lutning kan dels innebära att enstaka stenar inte får tillräcklig låsning utan faller ut, dels kan det ge upphov till ett plant/cirkulärt brott på grund av otillräcklig släntstabilitet.

Dimensionerande laster

Isens påverkan på erosionsskyddet utgör den klart största lasten i norra Sverige och borde därmed vara dimensionerande. I södra Sverige där isen är tunnare, ligger kvar kortare tid av året och då vattenståndsskillnaderna i magasinen vanligtvis är mindre kommer den dimensionerande lasten att komma av vågorna. Det saknas dock användbara beräkningsuttryck för isen och därför har det mer eller mindre blivit en praxis i Sverige att istället räkna med en minsta dimensionerande våghöjd av 1,5-1,8 m som kompensation.