1. BEREKENING STEENBESTORTING Het storte

memo
Witteveen+Bos
postbus 233
7400 AE Deventer
telefoon 0570 69 79 11
telefax 0570 69 73 44
onderwerp
projectcode
referentie
opgemaakt door
datum opmaak
bijlagen
steenbestortingen vaargeul Drontermeer
ZL384-71
ir. M.L. Aalberts
23 september 2010
-
aan
kopie
1. BEREKENING STEENBESTORTING
Het stortebed dient twee doelen. Aan het Drontermeer dient het voorland van de huidige waterkering
van dijkringgebied 8 (Flevoland) beschermt te worden en ter plaatste van de opening van Roggebot
dient een stortebed te voorkomen dat de brugpijlers ondermijnd worden.
Over de gehele lengte van het Drontermeer is de huidige steenbestorting/zandbodem voldoende voor
de berekende stroomsnelheden tijdens het gebruik van de bypass, behalve bij de huidige Roggebotsluis. Daar neemt door vernauwing de stroomsnelheden toe en is een bodembescherming nodig.
Het doel van deze memo is het bepalen van de steengrootte en de benodigde lengte van het stortebed.
Er zijn twee bronnen van belastingen op de bodembescherming. Deze zijn scheepsvaart en afvoerstroming.
scheepsvaart
Bij het bepalen van de stromingsbelasting als gevolg van scheepsbewegingen is uitgegaan van de
CEMT-klasse IV (Eis S-39). De aanname van de kielspeling is 1,5 m.
Parameter
1
breedte *
lengte *1
diepgang geladen *1
maximaal motorvermogen hoofdschroef (totaal)
gebruikt motorvermogen hoofdschroef (totaal) *2
aantal hoofdschroeven
diameter hoofdschroef Dp
Dimensie
Waarde
[m]
[m]
[m]
[kW]
[kW]
[-]
[m]
9,5
85,0
2,5
1200
840
2
1,60
Opmerkingen bij tabel:
*1 conform het Binnenvaartpolitieregelement voor Roggebotsluis [1].
*2 70% van maximaal motorvermogen
De belasting door de boegschroef en door retourstroming wordt niet meegenomen, omdat verwacht
wordt dat de schroefstraalstroming maatgevend is. In bijlage 1 is de verwachte stroomsnelheid door
schroefstralen berekend op 2,2 m/s op de bodem.
afvoerstroming
In dagelijkse omstandigheden stroomt het niet of nauwelijks in de randmeren. Voor een 1/2000 jaar afvoer van de IJssel en daarmee van de bypass via Kampen is een stromingsberekening gemaakt. Ter
plaatse van Roggebotsluis is een vernauwing, de berekende stroomsnelheden staan in een overzichtskaar (zie Afbeelding 1.1).
Afbeelding 1.1 stroomsnelheden ter plaatse van het huidige Roggebotsluis
De dieptegemiddelde snelheid bedraagt bij de Roggebot-brug maximaal 1,75 m/s bij een waterstand
van NAP +1,43 m (bodemhoogte NAP -2,7 m). De dieptegemiddelde snelheid neemt af tot 1,5 m/s op
200m van de oorspronkelijke sluis.
In bijlage II is berekend dat een nominale steendiameter (Dn50) van 0,21 m voldoende moet zijn voor
stroming (max 3,2 m/s), stroming achter een pijler (max 2,7 m/s) en voor schroefstraalstroming (2,2 m/s
maatgevend). Een steengradering (Dn50) van 0,21 m komt overeen met een gradering 10-60 kg.
lengte steenbestorting
De lengte van de steenbestorting is berekend voor schroefstraalstroming en voor afvoerstroming. Het
doel van het stortebed is niet het voorkomen van een ontgrondingskuil maar om de ontgrondingskuil
voldoende ver van de brug te krijgen. Hiervoor geldt dat de inscharingslengte niet groter mag zijn dan
1/3 van de totale lengte van de bodembescherming benedenstrooms van de brugpijler.
De bestortingslengte voor schroefstraalstroming is in bijlage III berekend op 172 m, voor afvoerstroming
225 m.
Witteveen+Bos
ZL384-71 memo steenbestorting bij Roggebotsluis d.d. 23 september 2010
2
De bevindingen zijn samengevat in Tabel 1.1.
Tabel 1.1 bevindingen steenbestorting
belasting
schroefstraalstroming
afvoerstroming
afvoerstroming
achter pijler
waterdiepte (m)
1,5
(kielspeling)
4,1
4,1
optredende
benodigde
stroomsnelheid
(m/s)
nomi-
stroomsnelheid
lengte
steenbe-
nale steendiameter
(m/s) gegeven Dn50
storting (m)
(m)
= 0,21 m
2,2
0,21
2,2
172
1,8
1,8
circa 0,06
circa 0,12
3,2
2,7
225
225
2. LITERATUUR
[1]
Rijk, ‘Binnenvaartpolitieregelement, Bijlage 13. Toegestane afmetingen van schepen op de vaarwegen bedoeld in artikel 9.02, eerste lid’, geldend op 14 juli 2010.
[2]
Introduction to Bed, bank and shore protection, G.J. Schiereck, 2001
[3]
Ontwerp van schutsluizen deel 2, RWS, 2000
Witteveen+Bos
ZL384-71 memo steenbestorting bij Roggebotsluis d.d. 23 september 2010
3
BIJLAGE I
Schroefstraalstroming
De berekening is volgens Ontwerpen van schutsluizen [3] hoofdstuk 16.
Witteveen+Bos
ZL384-71 memo steenbestorting bij Roggebotsluis d.d. 23 september 2010
Schroefstraal
project:
objectnaam:
objectcode:
datum:
IJsseldelta Zuid, Waterkeringsplan
Bodembescherming Roggebot
ZL384-71-20
24 september 2010
1 Eigenschappen uittredende straal
invoer:
1,60 m
Dp
echte schroefdiameter
Keuzemogelijkheid. Eén 1 toekennen bij de keuze, de overige vakken 0 invullen of
hulpparameter:
leeglaten.
0
zonder straalbuis
0,71
0
schroef in straalbuis
1,00
1
schroef/straalbuis/combinatie
0,85
uitvoer:
Do
1,36 m
invoer:
Pd
840,00 kW
effectieve schroefdiameter
16,6abc
aangewend vermogen per schroef
eerdere in/uitvoer benodigd voor deze berekening:
Do
1,36 m
effectieve schroefdiameter
schroef/straalbuis/combinatie
uitvoer:
up
8,84 m/s
stroomsnelheid achter schroef
16,7
2 Plaats en grootte van maximum-bodemsnelheid
Plaats maximum-snelheid bij de bodem
invoer:
dp
2,30 m
verticale afstand straalas tot bodem
uitvoer:
xbp
12,88 m
horizontale afstand schroef tot plaats
maximum-snelheid aan de bodem
16,8
Grootte van maximum-snelheid bij de bodem
invoer:
n
2,00 aantal schroeven
eerdere in/uitvoer benodigd voor deze berekening:
up
8,84 m/s
stroomsnelheid achter schroef
Do
1,36 m
xbp
12,88 m
effectieve schroefdiameter
horizontale afstand schroef tot plaats
maximum-snelheid aan de bodem
schroef/straalbuis/combinatie
uitvoer:
ubp
2,2 m/s
controle:
Ubp<=Up
OK
maximale snelheid boven de bodem
Witteveen+Bos
ZL384-71 memo steenbestorting bij Roggebotsluis d.d. 23 september 2010
16,9a
BIJLAGE II
Stabiliteit toplaag bodembescherming
De berekening is volgens Ontwerpen van schutsluizen [3] hoofdstuk 16.
Witteveen+Bos
ZL384-71 memo steenbestorting bij Roggebotsluis d.d. 23 september 2010
Stabititeit toplaag bodembescherming
project:
IJsseldelta Zuid, Waterkeringsplan
objectnaam:
Bodembescherming Roggebot
objectcode:
ZL384-71-20
datum:
24 september 2010
1 Dieptegemiddelde stroming
invoer:
2
g
9,81 m/s
gravitatiesnelheid
∆
1,65 relatief gewicht steen
Ψ
0,032 Shields-coefficient
r
0,20 turbulentie-intensiteit
h
4,13 m
waterdiepte
Dn50
0,21 m
diameter stortebed sluis
Ksl
1,00 hellingsreductiefactor
φ
0,75 stabiliteitsfactor
φ
1,50 stabiliteitsfactor
2
Kt
1,51 turbulentiefactor
Kh
0,55 snelheidsprofielfactor
uitvoer:
u (continue bescherming)
3,2 m/s
stroomsnelheid
u (einde bescherming)
2,2 m/s
stroomsnelheid
(tussen 0,1 en 0,4)
(continue bescherming)
(einde bescherming)
2 Turbulente stroming achter brugpijler
invoer:
r
0,25 turbulentie-intensiteit
uitvoer:
u
2,7 m/s
stroomsnelheid
(Ontwerp van schutsluizen)
2 Geconcentreede stroming (schroefstraalstroming)
invoer:
r
0,40 turbulentie-intensiteit
uitvoer:
u (Ontwerp van schutsluizen)
2,2 m/s
stroomsnelheid
(Ontwerp van schutsluizen)
Witteveen+Bos
ZL384-71 memo steenbestorting bij Roggebotsluis d.d. 23 september 2010
BIJLAGE III
Lengte steenbestorting
De berekening is volgens Ontwerpen van schutsluizen [3] hoofdstuk 16.
Witteveen+Bos
ZL384-71 memo steenbestorting bij Roggebotsluis d.d. 23 september 2010
Lengte bestorting bij schroefstraalstroming
project:
IJsseldelta Zuid, Waterkeringsplan
objectnaam:
Bodembescherming Roggebot
objectcode:
ZL384-71-20
datum:
24 september 2010
algemene invoer:
g
9,81 m/s2 gravitatiesnelheid
∆
1,65 relatief gewicht steen
Ψ
0,032 Shields-coefficient
object invoer:
up
8,84 m/s
straalsnelheid
D50B
0,00035 m
korreldiameter materiaal na stortebed (basismateriaal)
dp
2,30 m
afstand schroefas tot ongestoorde bodem
D0
1,36 m
β
y
h
n
hulpparameters:
Dn50B
30,0
3,5
4,13
2,00
effectieve schroefdiameter
aanzethelling kuil (23-30º)
eindhelling bodem na afschuiving of verweking
waterdiepte
aantal schroeven
°
°
m
-
0,000294 m
nominale korreldiameter basismateriaal
u*c;B
0,01 m/s
kritieke schuifspanningssnelheid basismateriaal
ucr;B
0,50 m/s
kritische stroomsnelheid basismateriaal
16.30
uitvoer (o.b.v. theorie van erosie achter ronde straal):
ye;1
5,6 m
evenwichtsdiepte van de kuil
Lb;1
41,0 m
16.37
16.29a
lengte bodembescherming
uitvoer (o.b.v. theorie van straalspreiding):
ye;2
7,8 m
evenwichtsdiepte van de kuil
Lb;2
57,3 m
lengte bodembescherming
uitvoer (conclusie):
Lb
Lb;steenbestorting;benodigd
57,3 m
172,0 m
16.39
16.29a
max{Lb;1 en Lb;2}
benodigde lengte steenbestorting (inscharingslengte mag niet
groter zijn dan 1/3 van de totale lengte van de
bodembescherming benedenstrooms van de brugpijler)
Lengte bestorting bij afvoerstroming
Eerst wordt de evenwichtsdiepte van de kuil bepaald voor een Clear-water scour, dit is conservatief.
Clear-water scour: hse = 0,5αh0
u − uc
(eq 4.15 [2])
uc
symbool
omschrijving
eenheid
waarde
hse
α
ho
u
uc
evenwichtsdiepte van de kuil
turbulentie factor afhankelijk van de lengte van de bestorting
waterdiepte
diepte gemiddelde snelheid
kritische stroomsnelheid basismateriaal
m
m
m/s
m/s
10,3
2
4,13
1,75
0,5
Witteveen+Bos
ZL384-71 memo steenbestorting bij Roggebotsluis d.d. 23 september 2010
ye;2
Lb;2
uitvoer (conclusie):
Lb
Lb;steenbestorting;benodigd
10,3 m
75,3 m
75,3 m
225,8 m
evenwichtsdiepte van de kuil
lengte bodembescherming
16.29a
max{Lb;1 en Lb;2}
benodigde lengte steenbestorting (inscharingslengte mag niet
groter zijn dan 1/3 van de totale lengte van de
bodembescherming benedenstrooms van de brugpijler)
Witteveen+Bos
ZL384-71 memo steenbestorting bij Roggebotsluis d.d. 23 september 2010