Ulike typer skredsikring kan være aktuelle langs E39

De fjellrike terrengene i Norge er ensbetydende med fare for jordskred, spesielt i forbindelse med ekstremvær som resulterer i intens, langvarig nedbør. Denne faren forventes å øke med det skiftende klimaet. Skred og skredmasser har hatt stor innvirkning på menneskelige bosetninger og infrastruktur som veier, jernbaner og broer. Langs E39 hvor man har som langsiktig mål å utbedre og bygge en forbedret, kontinuerlig kystvei, er det flere steder som er spesielt utsatt for skredfare.

Ulike tester utført i laboratoriet

– I mitt forskningsprosjekt har jeg jobbet med å vurdere ulike former for mottiltak mot skredmasser i bratt terreng. Studien ble utført ved hjelp av både strømningsmodeller i laboratoriet og ved numerisk simulering, forteller Yifru.

Yifru forteller videre:

– Mitt arbeid presenterer «oppførselen» til skred og virkningsgraden av en filtreringsrist for å redusere skredets mobilitet og energi. Jeg presenterer en strømningsmodell for hvordan filtreringsristen oppfører seg ved variasjon i skredmassenes sammensetning, m.h.p. fine og grove masser samt vanninnhold. I tillegg presenteres en numerisk modellsimulering av strømningsmodellen og et reelt ras.

Arbeidet til Yifru presenterer også en ny metode (fig.1) for å måle energien til skredmassene ved hjelp av:

• en søyle (der massene passerer forbi)
• et målesystem for porevannstrykk
• en sylinder for sammenblanding og frigjøring av skredmasser

Figur 1: viser strømningsmodellen med den rektangulære søylen

Skredrister kan være et aktuelt tiltak for å bremse skredmasser

I Yifrus studie om skredmassenes «oppførsel» undersøkte han mobiliteten og energien i skredet avhengig av skredmassenes sammensetning. Variasjoner i proporsjoner av vanninnhold og finstoffinnhold, sammen med totalt strømningsvolum, har innvirkning på hvordan skredmassene «oppfører» seg.

Høyt vanninnhold og skredmasser med høyt innhold av finkornete masser, muliggjør større mobilitet av skredet og resulterer i en relativt lengre utløpsavstand og raskere strømning. Endringene i skredmassenes mobilitet påvirkes mest av endringen i vanninnhold, enn endringen i finstoffinnhold. Altså, jo større vanninnhold, jo større mobilitet.

Ved å undersøke effekten av sammensetningen av skredmassene på den dominerende spenningen, ble det funnet at tester utført med 5,4 % fininnhold og 55 % - 60 % tørrstoffkonsentrasjon og tester utført med 14 % fininnhold og 60 % tørrstoffkonsentrasjon viste strømningsregimer dominert av friksjonsbelastning tett opptil hvordan virkelige skredmasser vil oppføre seg.

I testene som ble utført på skredrister/filtreringsrister (fig. 2), viste resultatene generelt at en skjerm kunne redusere skredmassenes flytmobilitet og energi.

Lange skredrister kontra korte skredrister (for ingeniører)

 Lengre skredrister holder tilbake mer skredmasse enn kortere skredrister. I tillegg er en optimal åpningsbredde på skjermgitteret satt til å være gjennomsnittsdiameteren til skredmassen. Tester utført med denne optimale åpningsbredden viser at man kan redusere høyden på en nedstrøms føringsvegg til en undergang betydelig, når lengre skredrister brukes.

 Figur 2: Bilde av skredristen sett forfra. 

Lengre skredrist reduserer også mobiliteten til skredet, siden den samler mer skredmasse på overflaten. Akkumulering av skredmassene avtar når mer vann og finstoff brukes mens skredmassene øker når det totale skredmassevolumet økes.

Skredristens potensial til å bremse skredmassene ble også evaluert ved hjelp av analyser av partikkelbilde velocimetry (PIV). Skredristmekanismen er observert å være en progressiv lag-på-lag-akkumulering som forårsaker forskyvning av skjæringslaget oppover (fig. 3). Hastigheten til dette forskyvningslagskiftet kan beskrive akkumuleringshastigheten der den er funnet å være raskere når totalt volum og vanninnhold reduseres. Imidlertid vil det ved lavere akkumuleringshastigheter fra store massevolum, føre til betydelig tykkelser på raset.

Figur 3: representerer et ras og viser hvordan raset akkumuleres nedenfra og opp. Hvert av steken representerer et skjæringslag eller et slags bevegelsesplan for det neste laget.

Figur 4: a) viser detalj av modellen med 1 m lang rist. b) skjematisk detalj av risten.

Numeriske beregninger av hvordan skredmasser «oppfører» seg

I tillegg til målinger i laboratoriet av ulike typer skredrister, utførte Yifru en numerisk simulering ved hjelp av et verktøy som heter GeoFlow SPH-FD numerisk modell. Modellen brukes i denne studien til å simulere oppførsel av skred og skredrist sammen med en simulering av skredristapplikasjon for å redusere eller bremse kraften ved en reell skredhendelse. Simuleringene viser at den numeriske modellen er i stand til å fange opp og gjenskape oppførselen til resultatene fra laboratorietestene. Laboratorietestsimuleringsresultatene viser at turbulensfaktoren er relatert til faststoffkonsentrasjonen av skredstrømmen. I motsetning til dette er konsolideringsfaktoren - som styrer utviklingen av porevannstrykket - relatert til fininnholdet i skredmassen. Imidlertid er friksjonsvinkelen til den numeriske modellen funnet å være for lav til og kunne passe med den observerte modellens friksjonsvinkel. Det måtte brukes en lavere friksjonsvinkel, som antas å være realistisk på grunn av turbulens i massestrømmer. Med disse tilbakekalkulerte parameterne er det vist at den numeriske modellsimuleringen med rimelighet gjengir ytelsen til skredristene som ble brukt under laboratorietestene.

Den numeriske modellen- et godt grunnlag for å planlegge skredsikring

Den numeriske modellsimuleringen av en virkelig skredhendelsen fra kystterrengene i Norge, er utført ved å inkorporere effekten av erosjon og utviklingen av porevannstrykk.  Anvendelsen av en skredrist ble demonstrert ved å simulere forskjellige installasjons- og plasseringsalternativer i skredkanalen. Tre påfølgende rister som er strategisk plassert i kanalen, kan stoppe hele strømmen i henhold til den numeriske simuleringen. Med dette blir den numeriske modellen sett på som et lovende verktøy for å evaluere ytelsen til skredristene for reelle skredhendelser.

E39 og lignende veier i bratt terreng trenger effektive mottiltak for skredmasser. Denne studien bidrar til å bygge innsikt og gi verktøy som er nødvendige for å velge mottiltak for skredmasser. Både skredristen og den numeriske modellen ble vist å være lovende verktøy for å redusere farepotensialet i områder som er utsatt for jordskred.  Skjermen er vist å potensielt redusere mobiliteten til skred gjennom laboratoriemodellundersøkelser og numeriske simuleringer. Kunnskapen som er innhentet fra laboratorieundersøkelsene, sammen med simuleringsevnen til GeoFlow SPH-FD numerisk modell for å fange ytelsen til skjermen, er gunstig i avfallsstrømningsreduserende arbeider.

Denne kunnskapen hjelper til med å oppskalere størrelsen på skredristene til feltnivå mens 50 % åpningsforhold eller gjennomsnittsdiameteren til skredmassene kan brukes til å bestemme skjermåpningsbredden. Med dette kan strategisk utvalgte og plasserte skjerm (er), kanskje i kombinasjon med andre mottiltakstyper, tjene som en metode for å redusere skadepotensialet på nærliggende infrastrukturer og bosetninger ved jordskred. 

Ashenafi Yufru har oppnådd doktorgrad ved NTNU med avhandlingen:

Investigation of a screen structure for mitigating debris-flows along coastal roads

Oversikt over Ashenafi Yifrus vitenskapelige publikasjoner.