Väylähankkeiden kuivatussuunnittelu mallintamalla
Juntunen, Sonja (2019)
2019
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-tutkinto-ohjelma
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-08-14
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201908092854
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201908092854
Tiivistelmä
Rakentaminen ja ilmastonmuutos vaikuttavat veden luonnolliseen kiertokulkuun. Riski rakentamisen seurauksena syntyvien hulevesien tulvimiselle lisääntyy ilmastonmuutoksen lisätessä rankkasateiden määrää Suomessa. Väylien kuivatussuunnittelussa väylän kuivatus on turvattava rakenteiden kestävyyden ja liikenneturvallisuuden takia, ja lisäksi hulevedet on hallittava niin, että ne eivät aiheuta haittaa ympäristölle. Väylien kuivatusjärjestelmät mitoitetaan Väyläviraston Teiden ja ratojen kuivatuksen suunnittelu -ohjeen mukaisesti. Kuivatusrakenteiden, esimerkiksi rumpujen, hydraulinen mitoitus perustuu mitoitustapahtuman eli joko rankkasateen tai lumien sulamisen aiheuttamaan huippuvirtaamaan. Huippuvirtaamaan vaikuttaa mitoitustapahtuman lisäksi valuma-alueen ominaisuudet. Rankkasateen aiheuttaman huippuvirtaaman laskentaan käytetään ohjeen mukaan rationaalista menetelmää.
Suomessa ja Pohjoismaissa on tunnistettu tarve kehittää mitoituskäytäntöjä tietokoneavusteisilla mallinnustyökaluilla, jotta tienpidossa kyettäisiin sopeutumaan ilmastonmuutoksen vaikutuksiin. Työn tavoitteena oli 1) vertailla rationaalisella menetelmällä ja Storm Water Management Model (SWMM) -menetelmällä laskettuja valuntamallinnuksen tuloksia, 2) selvittää, voidaanko mallinnusohjelmalla suorittaa Teiden ja ratojen kuivatuksen suunnittelu -ohjeen mukaisesti esimerkkikohteiden kuivatusjärjestelmien mitoitus sekä 3) selvittää mitä hyötyjä mallinnuksella ja SWMM-menetelmällä voidaan saavuttaa verrattuna nykyohjeistuksen mukaiseen kuivatussuunnitteluun.
Työssä tutkittiin mallinnusohjelmalla valunta- ja virtausmallien käyttöä väylien kuivatussuunnittelussa esimerkkikohteiden avulla. Esimerkkikohteina ovat lentokoneen varalaskupaikka moottoritiellä sekä moottoritien eritasoliittymä pohjavedensuojausalueella. Valuntamallinnuksessa käytettiin mallinnusmenetelmänä rationaalista menetelmää ja SWMM-menetelmää. Virtausmallinnus toteutettiin käyttäen laskentamenetelmänä dynaamista aaltoyhtälöä.
Kuivatusrakenteiden mitoituksessa tarvittava huippuvirtaama kyettiin laskemaan mallinnusohjelmalla sekä rationaalista menetelmää että SWMM-menetelmää käyttäen. Huippuvirtaamat lentokoneen varalaskupaikan valuma-alueelta olivat samaa suuruusluokkaa rationaalisella menetelmällä ja SWMM-menetelmällä laskettuina. Osavaluma-alueittain eroja menetelmien välillä kuitenkin esiintyi. Huleveden määrän laskentaan rationaalinen menetelmä soveltui vain tietyin rajoituksin.
Kuivatusjärjestelmien mitoitus mallinnusohjelmalla ei onnistu täysin nykyisen ohjeistuksen mukaisesti johtuen esimerkiksi laskennallisista eroista ohjeistuksen ja mallinnusohjelman välillä. Rumpujen mitoituksessa käytettäviä mitoituspadotuskorkeuksia voidaan kuitenkin vertailla virtausmallilla laskettuihin solmupisteiden maksimivedenkorkeuksiin, ja ohjeistuksen mukaisia mitoitussateita voidaan käyttää mallinnusohjelmalla.
Valuma-alueilta muodostuneiden valuntojen ja kuivatusjärjestelmissä tapahtuneiden virtausten mallintaminen onnistui molemmissa esimerkkikohteissa, kun käytettiin SWMM-menetelmää. SWMM-menetelmällä pystytään ottamaan valuma-alueen ominaisuudet tarkemmin huomioon, kuin rationaalisella menetelmällä. Mallinnuksella ja SWMM-menetelmällä pystyttiin tarkastelemaan vaihtuvan intensiteetin mitoitussateita ja monimutkaisia kuivatusjärjestelmiä. Erilaisia mitoitussateita ja mitoitusvaihtoehtoja (eri rumpukoot) oli helppo tarkastella mallinnusohjelman avulla. Myös kuivatusjärjestelmän kapasiteetin ylittyminen oli havaittavissa ohjelmasta esimerkiksi visuaalisesti, ja laskennan tuloksia pystyttiin tarkastelemaan hyvin monipuolisesti Construction and the climate change affect the natural cycle of water. The risk of the flooding of construction-caused storm water increases as climate change increases the frequency of high-intensity rains in Finland. Drainage of highway is important to ensure the road safety and durability of highway structures. In addition, it is important to manage storm water so that any harm to the environment is prevented. Drainage systems of highways are designed following the instructions given by the Finnish Transport Infrastructure Agency. Hydraulic design shall be based on the peak flow of whether a high-intensity rain or snowmelt water. Additionally, characteristics of catchment area affect runoff caused by rain or snowmelt. According to the instructions the rational method shall be used to calculate the peak flow.
To adapt to the effects of climate change in road maintenance, design methods need to be further developed using modeling tools, as noticed by experts in Finland and other Nordic countries. The goal of this thesis work was to 1) compare the results of the hydrologic model calculated using rational method and SWMM, 2) figure out whether modeling software can be used to design drainage systems of example cases in accordance with the instructions given by the Finnish Transport Infrastructure Agency and 3) find out what advantages modeling and SWMM can provide in comparison to the design methods suggested by the aforementioned instructions.
In this thesis work, the use of both hydrologic and hydraulic models in highway drainage design were examined with the assistance of a modeling software. There are two case examples: 1) an aircraft emergency landing strip on a motorway and 2) a motorway interchange at groundwater protection area. Rational method and SWMM were used in hydrologic model, and dynamic wave analysis was used in calculations of the hydraulic model.
Both the rational method and SWMM calculated successfully the peak flow, which is needed in hydraulic drainage design. The peak flows of the emergency landing strip were of the same magnitude for both methods. However, there were differences between the two methods when individual subbasins were inspected. The rational method was found to have some limitations when applied to calculating the volume of storm water.
Using modeling software, it is not possible to design drainage systems completely in accordance with the instructions of the Transport Infrastructure Agency. This is because of some fundamental differences in the calculation methods used by those two. However, the design backwater elevation used in designing culverts can be compared to maximum water elevations at nodes calculated using hydraulic model, and design storms given by instructions can be used in the modeling software.
The modeling of both the runoffs from catchments and the flows that occurred in the drain-age systems was successful in both case examples when using SWMM method. When using SWMM, the characteristics of catchments can be taken into account more precisely than what is possible using rational method. Modeling and the SWMM method allowed the examination of variable intensity design storms and complex drainage systems. The modeling software allowed easy examination of design storms of different intensity and culverts of different size. Capacity exceedance of the drainage system can be visually detected, and calculation results can be examined very comprehensively.
Suomessa ja Pohjoismaissa on tunnistettu tarve kehittää mitoituskäytäntöjä tietokoneavusteisilla mallinnustyökaluilla, jotta tienpidossa kyettäisiin sopeutumaan ilmastonmuutoksen vaikutuksiin. Työn tavoitteena oli 1) vertailla rationaalisella menetelmällä ja Storm Water Management Model (SWMM) -menetelmällä laskettuja valuntamallinnuksen tuloksia, 2) selvittää, voidaanko mallinnusohjelmalla suorittaa Teiden ja ratojen kuivatuksen suunnittelu -ohjeen mukaisesti esimerkkikohteiden kuivatusjärjestelmien mitoitus sekä 3) selvittää mitä hyötyjä mallinnuksella ja SWMM-menetelmällä voidaan saavuttaa verrattuna nykyohjeistuksen mukaiseen kuivatussuunnitteluun.
Työssä tutkittiin mallinnusohjelmalla valunta- ja virtausmallien käyttöä väylien kuivatussuunnittelussa esimerkkikohteiden avulla. Esimerkkikohteina ovat lentokoneen varalaskupaikka moottoritiellä sekä moottoritien eritasoliittymä pohjavedensuojausalueella. Valuntamallinnuksessa käytettiin mallinnusmenetelmänä rationaalista menetelmää ja SWMM-menetelmää. Virtausmallinnus toteutettiin käyttäen laskentamenetelmänä dynaamista aaltoyhtälöä.
Kuivatusrakenteiden mitoituksessa tarvittava huippuvirtaama kyettiin laskemaan mallinnusohjelmalla sekä rationaalista menetelmää että SWMM-menetelmää käyttäen. Huippuvirtaamat lentokoneen varalaskupaikan valuma-alueelta olivat samaa suuruusluokkaa rationaalisella menetelmällä ja SWMM-menetelmällä laskettuina. Osavaluma-alueittain eroja menetelmien välillä kuitenkin esiintyi. Huleveden määrän laskentaan rationaalinen menetelmä soveltui vain tietyin rajoituksin.
Kuivatusjärjestelmien mitoitus mallinnusohjelmalla ei onnistu täysin nykyisen ohjeistuksen mukaisesti johtuen esimerkiksi laskennallisista eroista ohjeistuksen ja mallinnusohjelman välillä. Rumpujen mitoituksessa käytettäviä mitoituspadotuskorkeuksia voidaan kuitenkin vertailla virtausmallilla laskettuihin solmupisteiden maksimivedenkorkeuksiin, ja ohjeistuksen mukaisia mitoitussateita voidaan käyttää mallinnusohjelmalla.
Valuma-alueilta muodostuneiden valuntojen ja kuivatusjärjestelmissä tapahtuneiden virtausten mallintaminen onnistui molemmissa esimerkkikohteissa, kun käytettiin SWMM-menetelmää. SWMM-menetelmällä pystytään ottamaan valuma-alueen ominaisuudet tarkemmin huomioon, kuin rationaalisella menetelmällä. Mallinnuksella ja SWMM-menetelmällä pystyttiin tarkastelemaan vaihtuvan intensiteetin mitoitussateita ja monimutkaisia kuivatusjärjestelmiä. Erilaisia mitoitussateita ja mitoitusvaihtoehtoja (eri rumpukoot) oli helppo tarkastella mallinnusohjelman avulla. Myös kuivatusjärjestelmän kapasiteetin ylittyminen oli havaittavissa ohjelmasta esimerkiksi visuaalisesti, ja laskennan tuloksia pystyttiin tarkastelemaan hyvin monipuolisesti
To adapt to the effects of climate change in road maintenance, design methods need to be further developed using modeling tools, as noticed by experts in Finland and other Nordic countries. The goal of this thesis work was to 1) compare the results of the hydrologic model calculated using rational method and SWMM, 2) figure out whether modeling software can be used to design drainage systems of example cases in accordance with the instructions given by the Finnish Transport Infrastructure Agency and 3) find out what advantages modeling and SWMM can provide in comparison to the design methods suggested by the aforementioned instructions.
In this thesis work, the use of both hydrologic and hydraulic models in highway drainage design were examined with the assistance of a modeling software. There are two case examples: 1) an aircraft emergency landing strip on a motorway and 2) a motorway interchange at groundwater protection area. Rational method and SWMM were used in hydrologic model, and dynamic wave analysis was used in calculations of the hydraulic model.
Both the rational method and SWMM calculated successfully the peak flow, which is needed in hydraulic drainage design. The peak flows of the emergency landing strip were of the same magnitude for both methods. However, there were differences between the two methods when individual subbasins were inspected. The rational method was found to have some limitations when applied to calculating the volume of storm water.
Using modeling software, it is not possible to design drainage systems completely in accordance with the instructions of the Transport Infrastructure Agency. This is because of some fundamental differences in the calculation methods used by those two. However, the design backwater elevation used in designing culverts can be compared to maximum water elevations at nodes calculated using hydraulic model, and design storms given by instructions can be used in the modeling software.
The modeling of both the runoffs from catchments and the flows that occurred in the drain-age systems was successful in both case examples when using SWMM method. When using SWMM, the characteristics of catchments can be taken into account more precisely than what is possible using rational method. Modeling and the SWMM method allowed the examination of variable intensity design storms and complex drainage systems. The modeling software allowed easy examination of design storms of different intensity and culverts of different size. Capacity exceedance of the drainage system can be visually detected, and calculation results can be examined very comprehensively.