Sist revidert: 05.06.2020. Vi tar gjerne imot dine tilbakemeldinger.

Steinstørrelser i et erosjonssikringstiltak bestemmes i praksis ut i fra en kombinasjon av teoretiske beregningsmetoder og praktisk erfaring. Både forventet belastning og «nytte/kost» for tiltaket må legges til grunn. I denne modulen får du tips til hva du må vurdere når du skal velge steinstørrelse i erosjonssikringer. Du finner en oversikt over de vanligste beregningsmetodene, hvordan de brukes og hvordan du vurderer resultatet.

Innhold: Stabil steinstørrelse | Bestemme sikringsnivå | Forventet belastning | Valg av sikringstypeBeregning av steinstørrelsen | Vurdering av resultat  | Endelig valg av steinstørrelse | Videre lesning

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.

Stabil steinstørrelse – mer enn bare beregning

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. Som vist i figuren er beregning av steinstørrelsen bare en del av prosessen. 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?

Figur 1: Valg av steinstørrelse i et erosjonssikringsanlegg bør baseres på en kombinasjon av teori og erfaring, og bør alltid vurderes som en del av nytte/kost-beregningen for tiltaket. Figuren viser hva som må vurderes i hvert tilfelle og hvordan prosessen kan foregå. Flere av trinnene må ses i sammenheng. I praksis må en ofte gjøre vurderinger i flere runder etter hvert som en får mer informasjon om prosjektet.

Figur 1: Valg av steinstørrelse i et erosjonssikringsanlegg bør baseres på en kombinasjon av teori og erfaring, og bør alltid vurderes som en del av nytte/kost-beregningen for tiltaket. Figuren viser hva som må vurderes i hvert tilfelle og hvordan prosessen kan foregå. Flere av trinnene må ses i sammenheng. I praksis må en ofte gjøre vurderinger i flere runder etter hvert som en får mer informasjon om prosjektet.

Relaterte moduler

Disse modulene utdyper noen temaer som er relevant for 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

Pågående forskningsprosjekt

Beregning og valg av steinstørrelse er et vanskelig fagområde, som i stor grad er basert på empiriske formelverk og erfaring.

Skred- og vassdragsavdelingen i NVE har et pågående FoU-prosjekt i samarbeid med Vassdragslaboratoratoriet ved NTNU for blant annet å få mer informasjon om ulike erosjonssikringstypers styrke.

Modulen vil bli oppdatert når resultatet av dette arbeidet foreligger.

Noen sentrale begrep

Gradering: Ulike forholdstall kan benyttes for å beskrive graderingen av stein. I Norge brukes graderingstallet C­u = d60/d10 (NS 3420, 2019). Vær oppmerksom på at en del amerikansk litteratur bruker d85/d15 til å karakterisere graderingen.

Et materiale benevnes ut fra graderingstallet som:

  • Ensgradert (Cu <5)
  • Middels gradert (5 < Cu < 15)
  • Velgradert (Cu > 15)

Samfengt stein: Usortert eller grovsortert masse fra steinbrudd. Massen inneholder mye finstoff og har en vid gradering. Massen brukes ofte i erosjonssikringer som ordna steinlag. Den vide graderingen gir god låsing mellom steinene og en naturlig plastisk oppførsel. Ved stor andel finstoff bør faren for utvasking vurderes. Dette kan kompenseres ved å øke tykkelsen på steinlaget.

Ensgradert stein: Benyttes i blant annet i erosjonssikringer som plastring, tørrmur og terskler. Massene må plasseres omhyggelig, og med god kontakt mellom steinblokkene, oftest med filterlag/filterduk mellom sikringslaget og underlaget for å hindre utvasking. Låsingen mellom steinmassene bidrar til at konstruksjonen opptrer som en samlet enhet, og gir større motstand mot destabiliserende krefter. Så lenge utførelsen er god, er dermed stabiliteten til konstruksjonen større enn for enkeltstein. Vær oppmerksom på at ensgradert stein kan gi en glattere overflate på sikringen og dermed høyere vannhastighet.

Form: Så fremt det er tilgjengelig bør sprengt stein med kubisk form benyttes til sikring. Bergarter som granitt, gneis og gabbro er gunstig med tanke på bestandighet mot frostsprengning og andre belastninger. Skifrige bergarter bør unngås, da de er mindre motstandsdyktige mot forvitring og knuses lettere under transport og utlegging.

Helleformet stein bør legges slik at lengste akse står vinkelrett på skråningen (damplastring). Hvis hellene legges med flatsiden ned (flatplastring) bør steinen overdimensjoneres.

Rund elvestein har lavere friksjonsvinkel enn kantet stein, og ved legging oppnår man ikke samme låsing mellom steinblokkene som ved bruk av kantet stein. Rund stein er dermed dårligere egnet til sikring med tanke på stabilitet, men brukes i områder med dårlig tilgang på bruddstein. Dimensjonert steinstørrelse bør da økes med om lag 25 %. Egner seg dårlig til sikring av bratte skråninger.

Vekt: Tetthet for stein er vanligvis i området 24002800 kg/m3. Tyngden på stein er av stor betydning for sikringens stabilitet. Typisk tetthet for bergarter fra NVE veileder 4/2009 Veileder for dimensjonering av erosjonssikringer av stein, kapittel 4.3.2: Gabbro, amfibolitt (3150 kg/m³), Anorhositt, klorittskiver (3000 kg/m³), Grønnstein (2850 kg/m³), Glimmerskifer, dolomitt (2800 kg/m³), Kalkstein, syenitt (2750 kg/m³), Trondhjemitt, dioritt (2700 kg/m³), Granitt, kvartsitt (2650 kg/m³).

1. Bestemme sikringsnivå

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 sikringsnivå (dimensjonerende flom/gjentaksintervall), valg av sikkerhetsfaktor i dimensjoneringen og nytte/kost-beregningen for tiltaket.

2. Forventet belastning – mer enn bare vannhastighet

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.

3. Valg av erosjonssikringstype

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 (NB! Tabellvisning fungerer kun fra PC – ikke tablet eller mobil).

NB! Hastighetene må betraktes som veiledende i forhold til hva slags sikringsmetode som er anbefalt eller best egnet. Andre belastninger eller lokale omstendigheter kan være bestemmende for hva slags sikringstype som bør velges. Stedlige og praktiske forhold må vurderes i tillegg.

Mulige destabiliserende krefter på sikringen

  • Krefter fra vannstrømmen, oftest uttrykt gjennom skjærspenning eller vannhastighet.
  • Isgang eller isflak som fryser fast i sikringsmassene.
  • Massetransport og drivgods.
  • Strømningskonsentrasjoner pga. masseavlagring, is eller konstruksjoner i vassdraget.
  • Bunnerosjon som undergraver sikringen.
  • Sig i skråningen.
  • Bølgeslag mot sikringen.
  • Trevelt, dumping av avfall eller annen belastning ovenfra.
  • Forvitring av sikringsmasser (frostsprengning, vekst av planterøtter m.m.).

Ved fare for ekstra belastning på sikringen kan du:

  • Øke dimensjonerende belastning i beregningen.
  • Øke sikkerhetsfaktoren i beregningen.

4. Beregning av steinstørrelsen

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.

Veileder for dimensjonering av erosjonssikring

I NVEs veileder 4/2009 Veileder for dimensjonering av erosjonssikringer av stein kan du lese mer om teorigrunnlaget og de vanligste beregningsmetodene som brukes. Du finner også beregningseksempler i Vedlegg 1.

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.

Figur 2: Krefter som virker på en stein i strømmende vann.

Figur 2: Krefter som virker på en stein i strømmende vann.

Sjekkliste for beregningen

  • Velg den beregningsmetoden som passer best til problemstillingen din, og vær oppmerksom på forutsetningene som gjelder.
    Antakelser lagt til grunn i utviklingen av beregningsmetoden har betydning for gyldighetsområdet. Du bør spesielt være forsiktig med å basere steinstørrelsen på beregning i bratte vassdrag (I >1:50) og ved stor belastning fra is og drivgods.
  • Gjør en følsomhetsanalyse ved å variere inngangsverdiene med min. ± 10 %.
    Små endringer i inngangsverdiene kan ha stor betydning for resultatet. De viktigste parameterne som bidrar til usikkerhet er:
    • Vannhastighet/skjærspenning
    • Steinens tetthet
    • Skråningshelning
    • Vanndybden
  • Legg størst innsats i å finne dimensjonerende vannhastighet. 
    Vannhastigheten er den viktigste inngangsparameteren i beregningsmetodene. Vurder alltid lokale strømningskonsentrasjoner og sekundærstrømninger – det kan være stor forskjell mellom gjennomsnittshastigheten og den lokale hastigheten i et tverrsnitt. Det er heller ikke nødvendigvis dimensjonerende flom som gir størst vannhastighet. Dimensjonerende vannhastighet kan for eksempel finnes ved en vannlinjeberegning (modul F1.003: Hydraulisk analyse og vannlinjeberegning). 
  • Vurder alltid ekstra belastning på sikringen på grunn av isgang, masseavlagring og lokale konstruksjoner i vassdraget.
    Uforutsett belastning kan tas hensyn til ved å øke sikkerhetsfaktoren i beregningene. Detaljprosjekter sikringen med fundament, linjeføring, avslutning mot terreng m.m. i henhold til prosjekteringsmodulene.
  • Kontroller resultatet av beregningen mot steinstørrelser som er brukt i vassdrag med tilsvarende belastning og/eller naturlige masser som ligger nær tiltaksområdet.
    Beregnet steinstørrelse bør alltid kontrolleres og vurderes med hensyn på praktisk utførelse og erfaring.

Dimensjonerende belastning

Beregningene tar utgangspunkt i dimensjonerende flom, Qdim, vannhastighet, v, og vanndybde, y. Beregningene bør utføres for strømningsforholdene (Q ≤ Qdim) som gir den største vannhastigheten. Elvas kurvatur og tverrprofiler må være kjent, i tillegg til steinens egenskaper.

Se prosjekteringsmodulene og NVEs veileder 4/2009 kap. 4.3 for generelle anvisninger om utforming av steinsikring.

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 (NB! Tabellvisning fungerer kun fra PC – ikke tablet eller mobil). 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 sikringsnivå, 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.

Anbefalt sikkerhetsfaktor

  • Hvis metoden ikke inneholder anbefalinger for sikkerhetsfaktor: Velg sikkerhetsfaktor på minimum 1,1.
  • Øk sikkerhetsfaktoren ved stor risiko, eller forhold som gir stor usikkerhet i beregningen.

5. Vurdering av resultatet

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, eller noen med kjennskap til vassdraget.

Noen viktige momenter en bør ta i betraktning:

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vurder steinstørrelsen med tanke på sikringsnivå 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.

Punkter til vurdering

  • Erfaringsverdier
  • Naturlige masser i vassdraget
  • Konstruksjon/utførelse
  • Tilgang på stein
  • Nytte/kost
  • Tilsyn og vedlikehold

6. Endelig valg av steinstørrelse og gradering

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 (dmin, dmax, 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.

Videre lesning og referanser

NS-EN 13383-1 Vassbyggingsstein – Del 1: Spesifikasjoner (NS-EN 13383-1:2002). 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 Beskrivelsestekster for bygg, anlegg og installasjoner – Del F: Grunnarbeider – Del 1 (NS 3420-F:2019) 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