Översvämning av Ljusterns hålldamm i juli 2009.
Hålldammen helt översköljd av vattenmassor 84 centimeter över högsta dämningsgräns, erosion på baksidan av utskovet, pågående inre genomströmningserosion, sammantaget förmodligen mycket nära ett dammgenombrott.
Redovisning
av mätningar, fotograferingar,
iakttagelser, samt beräkningar gjorda av ingenjör Janis Platbardis under
volontärinsats.
2009-07-29
Förord
Jag har under mitt räddningsarbete vid översvämningen av Ljusterns hålldamm även utfört konsultarbete med mätning, fotograferingar, iakttagelser samt beräkningar på uppdrag av insatsledaren Torbjörn Orr samt kommunens gatuchef Bengt Östblom.
I detta dokument redovisar jag detta, med målsättningen att det skall gagna samtliga inblandade parter, ge underlag och tips till förbättringar av hålldammen samt skötselrutiner inför framtiden så att risker kan minimeras och att liknande incidenter skall kunna undvikas.
Denna redovisning grundar sig på 300 fotografier, hundratals mätningar och observationer. Redovisningen är gjord i en form som jag normalt arbetar med i egenskap av ingenjör/konsult. Jag har bistått utan ersättning. Inte heller har ersättning utgått till mina företag TNT-Elektronik AB (www.TNT.info) eller TermoSense AB (www.TermoSense.se).
Ingen jävssituation föreligger, jag har ingen koppling till någon parts intressen, jag har ej eget intresse i sakfrågan och skulle ej själv beröras på något sätt av olika tänkbara scenarion, annat än som innevånare i Säters kommun. Jag är medlem i Säters Lions.
I detta ideellt utförda arbete reserverar jag mig från ansvar, garanti och eventuella sakfel. Upphovsmannarätten och Copyright © 2009 på materialet skänker jag till mitt företag. Allt mitt källmaterial, som fotografier, mätningar, m.m. kan redovisas efter förfrågan.
Detta dokument finns på Internet på www.konsult.se , samt på Säters Bibliotek, till allas gagn.
Slutligen hoppas jag att min rapport skall vara belysande och av intresse.
Säter 29 juli 2009
Janis Platbardis
Innehållsförteckning
Upptakt och förvärrande omständigheter
Igensatt fingaller vid dammluckorna
Grovgallret trasigt, potentiell dödsfälla.
Otillräckligt och igensatt bräddutskov
Förlopp med vattennivåer och normalisering
Alternativt förlopp, 49 centimeter översvämning istället för 84
Eskalerande genomrinning, stoppad med tätning
Försegling av filtret, slutlig tätning
Uppdagade brister i hålldammen
Kornsprång i vallens kornkurva
Inbäddat trämaterial i vallen, stockar, plank och rötter.
Stubbar efter gamla träd, mitt i fördämningen
Översida ej hårdgjord, motstår ej överströmningserosion
Dränerande lager med dräneringsbrunn saknas
Sediment i dräneringsbrunnen varnar för inre erosion.
Konsekvensanalys och klassning av hålldammen
Upptakt
och förvärrande omständigheter
Ett omfattande regnande har gjort marken mättad på vatten samt fyllt alla sjöar uppströms Ljustern till deras respektive dämningsgränser. Ovanpå detta kommer så en sammanhängande nederbörd om mer än 100 mm.
Dock kan sägas att ytterligare en infrastrukturell förvärrande orsak torde vara att dammen med luckor, utskov och bräddningskapacitet i likhet med de flesta äldre dammanläggningar är underdimensionerad för extremflöden i förhållande till de nya meterologiska omständigheter vi har i och med den globala uppvärmning som pågår. (Källa: Flödeskommitténs rapport 1990)
Slutligen har anläggningen inte skötts bra, under rådande situation, eftersom möjligt kontrollerat utflöde genom de helt öppna dammluckorna var begränsat av fingallret som var igensatt. Dessutom var under hela akutförloppet bräddutskovet igensatt av två kvarvarande plankor om 200 mm höjd innebärande en igensättning av 0,6 kvadratmeter utsläppsarea med flöde 1,5 m3/sekund!
Min uppföljning av nivå och utflöde efter akutskedet visar att kapaciteten på kontrollerat utflöde, givet att såväl grov- som fingaller samt bräddutskov hade hållits helt fria, så hade konsekvenserna reducerats kraftigt.
Utgående ifrån faktiska förhållanden, samt möjliga förändringar (rensning av fin- och grovgaller, samt borttagande av plankor i bräddutskov) så har en beräkning gjorts, som utvisar att höjningen av vattennivån till 84 centimeter över dämningsgräns, endast skulle blivit 49 centimeter. Tiden för akutskedet skulle även ha avkortats med 4 dygn, tills vattennivån åter hade kommit under dämningsgräns.
Igensatt fingaller vid dammluckorna
Vid extremförhållanden med hög vattennivå lyfts bråte som ligger uppspolat på stränderna och kommer på drift ut på sjöns yta. Påslaget av igensättande skräp framför dammluckorna blev högre på grov- och fingallren. Den huvudsakliga och kontrollerade utskovsgenomströmningen var starkt reducerad trots att DalaNät 2009-07-10 hade öppnat samtliga 4 dammluckor fullt.
(Observera på bilden nedan drivor av skräp, uppspolat av vågor, framförallt tallbark, på gallerrummets tak.)
Bilden tagen 2009-07-14, vattennivå 153,66 m.ö.h. visar endast en svag insjunkning av vattenytan (svart pil) efter grovgallret, indikerande lågt flöde genom huvudutskovet. Vidare var det ett flöde ut från taket över gallerrummet (röda pilar) , ut förbi huset, även det indikerande att nivån stod högre inne i gallermellanrummet, indikerande lågt flöde ut genom huvudutskovet.
Jag trädde in i tjänst 2009-07-15 07:00 för Torbjörn Orr, på förmiddagen beordrade jag personal från DalaNät att låsa upp luckorna till de inre fingallren, samt lämna luckorna olåsta. Med Bengt Östbloms försorg ordnades 4 stenkrattor fram. Tillsammans med FRG började vi rensa de igensatta grov- och fingallren, till dess att de var helt rena så långt ner som vi kunde nå med våra vanliga krattor. (Längd 1,70 m)
Skräp från gallren, dock försvann det mesta från oss vidare ut i flödet genom att det var så pass smått att det gick igenom gallren ”på tvären” i och med att vi försökte få upp skräpet.
När FRG (Frivilliga Resurs Gruppen) var klara med rensningen hade vi en nedsjunkning av vattnets nivå vid svarta pilen på 2 decimeter med svallbildning, inget flöde ut alls vid röda pilen, eftersom ytan i bakkant på gallerrummet sänkts 3-4 decimeter, samt att kraftiga malströmsvirvlar nu uppstod. Allt detta tecken på att strypningen av genomströmningen var borta, med ett väsentligt ökat utflöde!
Två ytterligare kvittenser kom snart nog, DalaNät fick larm från kraftstationen nedströms för ”hög nivå” p.g.a. det kraftigt ökade flödet, därefter kom personal upp från Säterdalens fäbod upp med oroade förfrågningar om huruvida dammen höll på att brista eftersom vattennivån nere i Säterdalen hade höjts med 2 decimeter.
Slutligen kan man på diagrammet se koincidens mellan det ökade utflödet och att nivån började sjunka rejält och stadigt fortsatte att sjunka. FRG höll alla galler berömvärt fria från skräp, så långt ner på fingallret som vi kunde nå, hela tiden intill dess att räddningsinsatsen blåstes av.
Om grov- och fingaller hade hållits rena redan från och med att dämningsgränsen överskreds samt att samtliga luckor öppnades så hade dämningsgränsen aldrig överskridits med 84 centimeter! Om även de kvarlämnade plankorna i bräddutskovet hade tagits bort skulle dämningsgränsen överskridits med 49 centimeter istället, se kommande redovisning.
Först efter fem dygn (2009-07-20) när den akuta faran var över och hålldammen skulle stängas och inspekteras för avblåsning av räddningstjänstens insats så kom DalaNäts egna, hitintills inlåsta, krattor fram! De hade en längd på 3 meter, och med dem kunde man rensa och känna ända ner i bottnen 2,5 meter ner under fingallrets topp! Där nere fanns ytterligare ansamlingar av bråte.
”- Vi har gjort deras jobb, i efterhand, och inte ens fått hjälp i det”. Citat, anonym volontär.
Grundregeln vid drift av dammanläggningar är –”Om nivån överstiger dämningsgränsen, så är det fel att inte hålla alla utskov fullt öppna”. Citat, DalaNäts ledning. Att ha utskovet igensatt med skräp borde enligt grundregeln vara en oacceptabel försumlighet, förutsatt att dämningsgränsen är överskriden och luckorna skall hållas öppna.
Grovgallret trasigt, potentiell dödsfälla.
Grovgallret saknar ”pinnar”, samt att en del är rubbade ur ursprungligt läge. Det finns hål som är så stora att en människa kan komma in, till en dödsfälla. Väl innanför grovgallret är det svårt att komma ut igen, vidare reduceras såväl möjlighet att påkalla hjälp, samt om hjälp väl anländer, möjligheten för tillskyndande att rädda ut den som har kommit in. Därinne har man malströmsvirvlarna från bottenutskoven som suger ner en, det är 2,5 meter djupt i bakkant. Grovgallret bör snarast utformas så att en människa ej kan komma igenom det!
Otillräckligt och igensatt bräddutskov
Det finns ett ytutskov som har utformning/funktion av ett bräddutskov. Bredd 3,0 meter och djup 67 centimeter. Detta utskov kan karakteriseras som hålldammens säkerhetsventil. Igenom detta utskov skall det flöde som ej kan/hinner sväljas genom huvudutskovet gå.
Dimensioneringen skall vara sådan att bräddutskovet för undan det maximala flöde som kan förväntas uppstå från sjöns hela upptagningsområde och under detta inte låter nivån höjas högre än att allvarliga skador kan uppstå på dammen i övrigt. I aktuellt fall är höjden (upp till dammens ovansida av grus) 74 centimeter.
Dimensioneringen borde ses över.
Möjlig avbördning genom bräddutskovet är 0,6 * 3 * 0,74 * 2 * 9,82 * 0,74 = 5,1 m3 / sek.
Förutom detta har avbördning genom överrinning skett
med flödet
 |
0,6 * (1,5+1,5+2) * 0,15 * 2 * 9,82 * 0,15 = 0,77 m3
Notera att allt vatten som runnit över dammen på vardera sidor om huset, m.m. faktiskt inte bidragit i någon större omfattning till det totala flödet. Detta visas även i nivådiagrammet på föregående sida som visar att sjunkhastigheten av Ljusterns vattennivå inte har minskat i och med att överrinningen av betongen slutade 17/7 och 18/8.
Igensatt bräddutskov
Under hela översvämningsförloppet har bräddutskovet varit igensatt längst ner med två plankor med 200 millimeters höjd.
Bräddutskovet fotograferat uppifrån Breddutskovet fotograferat bakifrån
Dessa två plankor med höjden 0,20 meter och bredden 1,5 + 1,5 meter har som mest vid högsta
vattenstånd stoppat ett möjligt kontrollerat utflöde om
 |
0,6 * (1,5+1,5) * 0,2 * 2 * 9,82 * (0,74+0,13) = 1,5 m3 / sekund. Per dygn blir det 130.000 kubikmeter vatten som ej tappats ur. Utslaget på sjöns yta om 3.030.000 m2 innebär detta att sjöns nivå skulle ökat 4,3 centimeter mindre per dygn under uppgången samt därefter sjunkit 4,3 centimeter mer varje dygn. En således signifikant skillnad som förlorats. Jämför med den sjunktakt mellan 15/7 till 23/7 om i snitt 10,6 centimeter per dygn, denna sjunkhastighet hade varit 15 centimeter per dygn om plankorna hade varit borttagna som avsett.
Jag visade plankorna till personal från DalaNät och fick den spontana kommentaren –”Fan, Svensson* sade att det var fixat”. (* det riktiga namnet är utbytt)
Det kan finnas anledningar till att plankorna blev lämnade kvar. De kan ha svällt fast, det kanske var för djupt vatten, det kan ha varit förenat med fara att kliva i och försöka ta loss dem. Det kan ha saknats verktyg för att få loss dem.
Inget kan dock ursäkta situationen, det finns bara några få manöverdon på en hålldamm och det är luckorna, och de måste alltid hållas i manöverbart skick.
Förlopp med vattennivåer och normalisering
Nivåns förändring har fortlöpande följts av räddningspersonalen, se diagrammet nedan. Mätningarna har dels korrelerats i nivå med dammstrukturen, dels med faktisk höjd i meter över havet. De blå punkterna markerar avläsningstillfällen. Gröna fyrkanter markerar avläsningar gjorda på DalaNäts egen mätsticka längst ute på bryggan.
Värt att notera är att DalaNät stypte utflödet 2009-07-23 till 30 % av full utflödeskapacitet. Efter 40 millimeters ytterligare nederbörd, 23-24/7 med likartade omständigheter, så överstiger 20-30 % av utflödeskapaciteten fortfarande Ljusterns kommande inflöde. Inte ens dagar efteråt kommer ett nivåpåslag som följd av nederbörden. Det leder mig till slutsatsen att den maximala utflödes-kapaciteten, förutsatt att grov- och fingaller är rensade, med sin 70-procentiga flödesreglerings-reserv mer än väl kan hålla tillrinnande vattenmassor i balans.
Jag har räknat fram flödet, som del av maximalt flöde, genom att använda grovgallret som hydrostatisk mätshunt. Jag gjorde normaliseringsmätningen på grovgallret 2009-07-22. Detta är troligtvis samma mätmetod som DalaNät använder, de har en mätsticka inne i gallerrummet som kan användas till just sådan flödesmätning. Den är avläsbar endast för DalaNäts personal, eftersom den finns inne i det låsta utrymmet. Den borde vara publikt avläsningsbar, flödet är fördolt för allmänheten.
Detta leder fram till en principiell fråga. Hanteringen av sjöns yta påverkar många. Vattenståndet är avläsbart för alla. Dock är dammluckornas inställning inne i huset helt fördold. Detsamma gäller den inre mätstickan som kan ge fingervisning om flödet. Skall det verkligen vara så? Att ingen annan än DalaNät har insyn i hur detta sköts, förutom när räddningstjänsten har ”tagit befälet”.
Data, tabeller, diagram och Excel-ark kommer att finnas tillgängliga på www.Konsult.se. Diagrammet är relaterat till betongstrukturer m.m. och är därmed användbart för beräkningar av flöden och tryck. © Copyright 2009 TNT-Elektronik AB.
Alternativt förlopp, 49 centimeter översvämning istället för 84
Det har funnits ett antal flödesförhindrande omständigheter, redovisade ovan.
1) Igensatt fingaller vid huvudutskov
2) Delvis igensatt grovgaller.
3) Kvarlämnade plankor i bräddutskov.
Med den kunskap om tillrinning, Ljustern, genomflödeskapacitet, och faktiska förlopp som nu finns i dataform inlagt i Excel, så har ett alternativt förlopp kunnat räknas fram;
Inlagt finns uppgifter om upptakten till det akuta skedet som hanterades av räddningsorganisa-tionerna. (2009-07-09 till 2009-07-13) Dels nivåhöjningsuppgifter i centimeter, dag för dag, dels gjorda åtgärder. Källa: DD onsdag 15 juli 2009, uppgifter från Dala Elnät ABs regleringsansvarige, Anders Uhlin.
Om gallren rensats och kontinuerligt hållits rena, samt om de två 200 millimeters plankorna i bräddutskovet hade tagits bort fr.o.m 9/7, hade resultatet blivit det alternativa gröna förloppet.
Jag har i beräkningsmodellen i Excel utgått ifrån faktiskt förlopp varför eventuella fel i beräkningar och estimeringar endast påverkar differensen. Fingallrens påverkan är beräknad från observationer och mätningar, samt reducerad med 50 % för att ej ge ett ogrundat alltför optimistisk förlopp. Plankornas påverkan är beräknat utifrån vattnets höjd ovanför utskovsbottnen, dag för dag, och därför tämligen exakta. Bräddning över betong behövde ej beräknas i det alternativa förloppet, eftersom nivån aldrig skulle kommit upp till att brädda över betongen.
Sammantaget skulle vattennivån överstigit dämningsgräns med 49 cm istället för 84 cm. Nivån skulle kommit under dämningsgräns 4 dygn tidigare. Om åtgärderna hade vidtagits tidigare än 9/7, vid överskridande av dämningsgränsen som lagstadgat, skulle förloppet sett ännu lindrigare ut.
Slutligen, konsekvenserna nedströms; Den alternativa hanteringen hade inte skadat Säterdalen mera, eftersom det maximala flödet inte hade blivit större, endast kommit tidigare, och fördelats över 10 dygn istället för 8.
Eskalerande genomrinning, stoppad med tätning
2009-07-15 informerade Ulf Höglin om att det kom ut vatten under tryck på baksidan av dammvallen. Vi informerade räddningschefen Torbjörn Orr och försökte omedelbart klarlägga förhållandena runt genomrinningen.
Eskalerande genomrinning
Till hälften dolt under presenningen, som vickade fram och tillbaka av vågorna, sprutade två strålar med vardera 2x10centimeters tjocklek fram. Markerade med röda pilar. Jag hade en kikare med vilket var bra för att hålla uppsikt över flödet. Det gick inte att komma till bättre än positionen på bilden. Detta flöde ökade för varje timme trots försök att täta vallen mot sågverket med sandsäckar. Vi bedömde att vi hade ett begynnande inre genombrott av vallen, på grund av genomflödeserosion av material inifrån vallens kärna. Beslöts tillsammans med Torbjörn Orr och Bengt Östblom att vallen mot sågverket måste tätas. (Vad som senare framkom vid besiktningen, se kapitlet ”Skador på hälldammen, Inre erosion” samt ”Uppdagade brister i dammen” så fanns det en mängd vattenådror genom dammen, så de två utspruten var bara två utav ett tiotal, varav de flesta inte var synliga för oss)
Under tiden, innan skogen avverkades samt maskiner och material till tätningen kom på plats, fram till 15/7 kl. 14:00, så ökade trycket så att allt starkare strålar kom ut, och stenar lossnade. Det hela utvecklades till en kamp mot tiden.
Tätning med filterprincipen
Beslöts att flanken mot sågverket måste säkras, med sandfylld storsäck, eller med storsäck på avjämnat underlag, alternativt med lösmaterial. Före detta gjordes en besiktning
För
att komma åt att täta vallen från sjösidan, med början från sågverkets tomt och
ända fram emot bräddutskovet, behövde vegetation tas bort. Detta sköttes av
räddningstjänsten. Det gick inte att såga mer än någon decimeter ner i vattnet,
så det blev stubbar kvar, vilket omöjliggjorde placering av storsäck direkt på
vallen.
Det fanns en gammal cementmur, 30 cm bred och varierande 40-60 centimeter hög, i vallens sjösida. Vid detta tillfälle låg den 30 cm under vattenytan. Den var inte tät, den var murad på stora block, och hade mera funktionen av erosionsskydd för stranden mot vågor och is. Beslöts att inkorporera denna mur i den tätning/stöd/fyllning som sedan gjordes.
Nicklas
Järudd anlände, efterlängtad. Vallens material (lera/silt) kunde inte bära tunga
maskiner, så vallen förstärktes med det grövsta tätmaterialet, fraktioner 0-90
mm i kornstorlek. Packning skedde i och med att maskinen (7,5 ton) larvade fram
och tillbaka.
Bilden
ovan visar hur vallen har förstärkts och byggts på. Fyllning har gjorts, med släntning
ut emot botten till 1 meters djup med grovt kärnmaterial, kornstorlek 0-90 mm.
Ännu har ej tätning lagts ut, så i detta skede är det fortfarande fullt portryck
på baksidan, vattnet sprutade ut med i stort sett oförminskad styrka.
Sammanlagt åtgick drygt 10-talet lass.
Materialet
för tätning anlände, 6 lass med 0-18 mm kornstorlek, samt därefter sand 0-3 mm.
Först lades ett 30 cm tjock lager med 0-18 mm, som skall sila in i och fastna i
kärnan av 0-90 mm och täta den. Slutligen, ytterst sand som skall sila in i och
täta 0-18 mm materialet. I och med detta upphörde i stort sett genomrinningen
av vallen. Under natten blåste det upp, vilket hjälpte till att ”skvalpa in”
det grannare materialet i det grova, självtätningsprocessen påskyndades. Efter
natten var det nästan helt tätt.
Försegling av filtret, slutlig tätning
Denna akuta tätningsåtgärd bör permanentas, förseglas och skyddas slutgiltigt, med ett lager med mycket låg hydrostatisk konduktivitet, och utanpå det ett erosionsskydd mot vågor och is.
Enligt regelboken bör det tätande lagret vara geotextilduk+bentonitlera, 0,5 meter tjockt. Det väsentliga är dock att tätlagret blir tio gånger tätare än vallen, för att portrycket inne i vallens kärna inte skall bli för högt och därmed kunna initiera ett skred. Om en provkärna tas ut, och vallens material befinns ha hög konduktivitet, så skulle man kunna täta med exempelvis silt.
Slutligen skall denna tätning skyddas mot våg- och is- erosion från sjön. Enklast sker detta med ett lager grov samkross, på samma sätt som erosionskydd utförs i vattendrag.
Skador på hålldammen
Två omständigheter har skadat hålldammen, dels den massiva överströmningen med erosion bakom bräddutskovet, ”gropen”, dels det extremt höga hydrostatiska differentialtrycket som pådrivit en inre erosion.
Gropen (jacuzzin)
Det extrema flödet från breddutskovet, tillsammans med att längd och profil på utskovets ränna är för kort, (5,0 meter) dessutom felaktig, (skall ha form som en rutschbana), har gjort att vattnets kraft har uträttat en omfattande erosion. Ett 30-tal block om c:a 250-500 mm har grävts upp och flyttats till en vall nedströms. Betänk att kraften, energin, i det vatten som kom från överloppsutskovet utvecklar 9,82 * 5,1 * 1 = 50 kW i sitt meterhöga fall ner mot ”gropen”.
Skadan
som gropen utgör leder till ett minskat stöd bakifrån mot vallen, och en
kortare väg för vattenådror, att gräva sig under utskovet (inre erosion). Vid
reparation måste utfyllnad göras med material som har rätt kornkurva och
grovlek. Vidare behöver utskovsrännan göras längre, och med rätt form (rutschbaneform).
Detta för att vattnets energi och kraft inte ska riktas emot bakomliggande
material eller botten, utan riktas horisontellt mot strömfårans mitt.
Inre erosion
Det har skett en inre erosion inne i hålldammens kärna. Vi såg bara en bråkdel av problemet (de två vattenutspruten om 2x10 centimetet) i det akuta skeendet. Ytterligare tiotalet vattenådror fanns under vattenytan och presenningen.
