Avbördningssäkerhet i Norden

Dammar måste kunna avbörda överskottsvatten på ett säkert sätt vid högflödessituationer. I det nordiska klimatet är avbördningssäkerhet en central fråga för samtliga anläggningar. James Yang på Vattenfall och KTH har utvärderat två olika typer av pianotangentutskov som kan förbättra avbördningssäkerheten.

I Sverige avbördas överskottsvatten främst genom luckor, men intresset för pianotangentutskov ökar. I projektering av ombyggnationer av landets dammar inkluderas ofta labyrint- eller pianotangentutskov som alternativ till konventionell utskovslösning. Ett pianotangentsutskov tillåter väldigt höga extrema flöden att passera smidigt. Att på ett säkert sätt avbörda extrema vattenföringar under en tillåten magasinsnivå är en viktig del av dammsäkerheten. Innovativa lösningar för att öka utskovsflödena eftersöks kontinuerligt.

Labyrintutskov, som har en krökt planform, förlänger överströmningslängden och möjliggör betydande sänkning av reservoarens vattennivå jämfört med en linjär överfallsdamm av samma bredd. Pianotangentutskov är en vidareutvecklad version av labyrintutskov. De har en rektangulär layout i planform och vinklade golv för att skapa överhängande krön, och är strukturellt enklare och hydrauliskt mer effektiva. Den kan placeras på befintliga eller nya gravitationsdammar för att förbättra deras avbördningskapacitet.. Avbördningen styrs av flera parametrar, inklusive enhetens längd och bredd, inlopps- och utloppstangenternas bredd, samt överhängens längd och den strukturella höjden. Pianotangentutskov kan installeras på både befintliga och nya dammar eller ett fristående utskov för att öka avbördningskapacitet. Utmaningarna med labyrint- och pianotangentutskov i kalla klimat är främst isbildning och flytande skräp av viss storlek.

Det här projektet skiljer sig från dem jag vanligtvis arbetar med. Det handlar främst om produktutveckling, snarare än om matematiska beräkningar, berättar James Yang:

– Vi har vidareutvecklat och tagit fram två varianter av pianotangentutskov – en elliptisk och en triangulär och vi har konstaterat att balansen mellan hydraulisk effektivitet och strukturell komplexitet spelar en avgörande roll.

För att förbättra inströmningsförhållandena och förlänga krönet har inlopps- och utloppstangenternas ändar utformats i ellips- eller triangelform. De lutande bottnarna i båda tangenterna har anpassats för att öka vattenvolym i bägge tangenterna.

Modellerna av pianoutskoven är utskrivna med 3D-skivare för att nå en hög grad av noggrannhet. De bidrar till en jämnare flödesfördelning och till ett mer enhetligt flöde längs toppen och ger bättre inflödesförhållanden. För de modelldimensioner som valts i studien är det utvecklade krönet ~36% längre för den elliptiska layouten och ~23% för det triangulära.

Studien visar att förbättringarna i geometrin leder till märkbart förbättrad avbördningskapacitet. Inom det hydrauliska område som undersökts varierar ökningen av flödesavledningen inom ett intervall från 30‒53% för den elliptiska varianten och 16‒20% för det triangulära.

– Resultaten visar att det elliptiska pianoutskovet har en ökad avbördningskapacitet, särskilt vid låga överfallshöjder, där flödet ökar med mer än 50%. Vid högre vattennivåer minskar förbättringen, men avbördningskapaciteten är cirka 30% högre än i det konventionella pianoutskovet, berättar James Yang.

– Vi ser ett ökat intresse för den här typen av utskov, säger James Yang, men jag tror att det tar tid, innan branschen kommer att anamma den här typen av pianotangentutskov fullt ut. Uniper har nyligen testat flera modeller av pianoutskov. I prototypen är det knappt 100 m långt och knappt 4 m högt som uppförs på ett betongfundament. Det beräknas att färdigställas 2025‒26.

Är det kostsamt att ta fram de här pianoutskoven?

– Om klimatet tillåter kan det byggas i rostfristål. Här i Norden tror jag att det skulle kunna prefabriceras i betong och det är inte så kostsamt, avslutar James Yang.