Untitled

Samenvatting
Samenvatting
Recentelijk zijn in Nederland twee waterkeringen ontworpen en uitgevoerd die bij
maatgevende (storrnvloed)omstandigheden overstromen: de Hartelkering in het
Hartelkanaal nabij Rotterdam en de Zeesluizen in het Noordzeekanaal nabij IJmuiden.
Omdat niet voldoende theoretische kennis en ervaring voorhanden is om het stroombeeld
te kunnen beschrijven is in beide gevallen ten behoeve van de dimensionering van de
bodembescherrning onderzoek verricht met behulp van schaalmodellen.
Het is wenselijk om voor het ontwerpen van soortgelijke constructies in de toekomst een
algemeen toepasbare ontwerprelatie voor de toplaag van het stortebed voorhanden te
hebben in plaats van telkens ad hoc onderzoek te verrichten.
De doelstellingen van dit afstudeerwerk zijn derhalve:
1. Verkrijgen van inzicht in het stroombeeld boven het stortebed ten gevolge van een
overstortende straal.
2. Bepalen van ligging en omvang van het zwaarst aangevallen gebied.
3. Vergroten van de kennis over de steenstabiliteit onder een overstortende straal met
behulp van de resultaten van experimenten.
4. Opstellen van een meer algemeen toepasbare ontwerprelatie voor de dimensionering
van de toplaag van een granulair stortebed in het zwaarst aangevallen gebied onder
een overstortende straal.
Uit literatuuronderzoek blijkt dat er geen theorie voorhanden is die het gedrag van de
straal zowel boven als in het benedenwater beschrijft. Voor een vrije, vlakke straal en
een wandstraal is door Rajaratnam (1976) het verloop van de stroomsnelheid in
stromingsrichting bepaald. Beltaos (1973, 1976) heeft het verloop van de maximale
snelheid van een wandstraal afgeleid voor de situatie van een scheef invallende straal.
Echter, een koppeling tussen de drie theorieen ontbreekt.
Vanwege het niet-uniforrne karakter van de stroming in het benedenwater ten gevolge
van de overstortende straal, is de stabiliteitsforrnule van Shields (1936) niet geschikt om
de benodigde steendiameter te bepalen. Andere stabiliteitsforrnules, bijvoorbeeld de
aangepaste Shields-forrnule met zogenaamde stabiliteitsfactoren en de forrnule van
Izbash (1930), zijn in hun oorspronkelijke vorm niet toepasbaar omdat de uitgangspunten waarvoor deze forrnules zijn opgesteld afwijken van de situatie met een overstortende straal.
Om meer inzicht te verkrijgen in de processen die de stabiliteit van het stortebed
bei"nvloeden, zijn in een van de kleine kantelgoten van het Laboratorium voor Vloeistofmechanica van de Faculteit der Civiele Techniek experimenten uitgevoerd in eeh
goot. In de opstelling waarrnee de experimenten zijn uitgevoerd is de overstortende straal
gemodelleerd tot een rechthoekige straal die uit een zogenaamde spuitmond stroomt.
Variabelen in de opstelling zijn: de hoek tussen de spuitmond en het stortebed, en de
afstand van de spuitmond tot het stortebed. Deze afstand is overigens gelijk aan de
Steenstabiliteit in overstortende straal
iii
Samenvatting
waterdiepte in de stroomgoot. Met behulp van stabiliteitsproeven is het kritieke debiet
bij begin van bewegen vastgesteld. Vervolgens zijn bij het kritieke debiet, voomamelijk
in het gebied met de zwaarste schade, de vertikale en horizontale stroomsnelheden boven
het stortebed gemeten.
Uit de stabiliteitsproeven bleek dat debiet waarbij begin van bewegen van de stenen
optreedt voor de ingestelde hoek tussen de spuitmond en het stortebed (tussen 50° en
85°) nauwelijks te varieren. Bij toenemende waterdiepte nam het kritieke debiet licht toe.
Ofschoon de scheef invallende straal boven het stortebed een stroming genereerde
stroomafwaarts en -opwaarts van het raakgebied van de straal met het stortebed,
verplaatsten de stenen voomamelijk stroomafwaarts van het raakgebied. De omvang van
het schadegebied dat door de verplaatste stenen ontstond, nam toe bij toenemende
waterdiepte.
Uit de snelheidsmetingen bleek dat bij het kritieke debiet de resulterende stroomsnelheid
vlak boven het stortebed in het schadegebied afnam bij toenemende waterdiepte. Dit
betekent dat behalve de stroomsnelheid ook andere factoren een rol spelen in de
steenstabiliteit. Dit kunnen bijvoorbeeld drukverschillen en -fluctuaties in het benedenwater zijn. Hier is verder geen onderzoek naar verricht.
Omdat bekende stabiliteitsrelaties niet voldoen, is getracht met een statische beschrijving
van de belasting door een schuin invallende, uniforrne straal op een steen in het stortebed
een relatie op te stellen tussen stroomsnelheid, invalshoek en benodigde steendiameter.
De resultaten van deze modellering bleken kwalitatief goed overeen te komen met de
constateringen uit de stabiliteitsproeven. Uit het vereenvoudigde statische model is een
ontwerpforrnule voor de dimensionering van het stortebed afgeleid met de structuur van
de stabiliteitsrelatie volgens Izbash. Hierin is een stromingscoefficient opgenomen die
afhankelijk is van de invalshoek. Met behulp van meetresultaten is deze ontwerpforrnule
gecalibreerd.
Om de validiteit van de afgeleide stabiliteitsrelatie te toetsen, zijn in een case-study van
de bodembescherrning van de Hartelkering de uitkomsten volgens deze relatie vergeleken met het ontwerp van Rijkswaterstaat. Het blijkt dat de afgeleide ontwerpforrnule
hogere waarden oplevert voor de benodigde steendiameter. Verklaringen hiervoor zijn
dat de stroomsnelheid berekend volgens de straaltheorie te hoog is, en in de calibratie
van de forrnule verschillen tussen de opstelling waarrnee de experimenten zijn uitgevoerd en de werkelijke overstortende straal niet verdisconteerd zijn.
Bij toekomstige experimenten is het aan te bevelen om de dynamische drukken
(drukfluctuaties) in het benedenwater te onderzoeken, omdat deze een grote invloed
lijken te hebben op de steenstabiliteit. Bovendien dienen een aantal verschillende
steensorteringen beproefd te worden, opdat de constateringen uit dit afstudeerwerk
geverifieerd kunnen worden. Tenslotte is het aan te bevelen om in de modellering van de
krachten op de toplaag de invloed van turbulentie te verdisconteren, zodat een 'betere'
ontwerpforrnule opgesteld kan worden.
IV
Steenstabiliteit in overstortende straal
Summary
Summary
Recently two storm surge barriers have been designed and constructed In the Netherlands, which are allowed to be overtopped during storm surges. The bed protection for
both barriers was determined by means of scale model tests, because of lack of sufficient
knowledge of and experience with the load by an overtopping jet on a bed. It would be
useful to have a generally applicable design rule for future designs of bed protections in
such conditions.
The main objectives of the research as presented in this MSc-thesis are:
1. Gaining insight into the flow pattern above a granular bed protection due to an
overtopping jet
2. Determining the position and size of the damage area
3. Increasing the knowledge of the stability of stones for flow conditions caused by an
overtopping jet, by means of experiments.
4. Formulating a more generally applicable design rule for granular bed protections in
the case of flow conditions caused by an overtopping jet.
Literature study shows that there is no theory available describing the behaviour of an
overtoppingjet before and after entering the tailwater. Rajaratnam (1976) defined the
development of the flow velocity in the flow direction for a plane free jet and a plane
wall jet. Beltaos (1973, 1976) described the maximum flow velocity of an obliquely
impinging plane free jet. There is, however, no connection between the respective
theories and descriptions.
Because of the non-uniform character of the flow in the tailwater caused by the overtopping jet, the well known stability formula by Shields (1936) is not applicable to
determine the stone diameter. Other stability formulae, e.g. the adapted Shields formula
with so-called stability coefficients and the stability formula by Izbash (1930), are - in
their original form - not applicable, because the assumptions for which these formulae
are derived also differ from the flow conditions in an overtoppingjet.
To gain more insight into the processes influencing the stability of a granular bed
protection under an overtopping jet, experiments were carried out in a flume at the
Laboratory of Fluid Mechanics of the Faculty of Civil Engineering of Delft University of
Technology. The overtoppingjet was modelled to a rectangular jet coming from a
nozzle. The variables were: the angle of incidence of the nozzle with the bed, and the
distance between the nozzle and the bed. This distance was the same as the water depth
in the flume. By means of damage experiments the critical discharge at incipient
movement was determined. Next, horizontal and vertical flow measurements were
carried out at critical discharge, mainly in the damage area, by means of a flow meter.
From the damage experiments it appeared that the critical discharge at the angles of
incidence of the nozzle (between 50 and 85 degrees) hardly varied. The critical discharge
Steenstabiliteit in overstortende straal
v
Summary
slightly increased with increasing water depth. Although the overtopping jet caused a
flow upstream as well as downstream of the damage area, the stones in the toplayer
displaced predominantly downstream. The size of the damage area increased almost
linearly with increasing waterdepth.
From the flow measurements it was concluded that the resulting flow velocity right
above the bed protection at critical discharge decreased with increasing water depth.
Thus, other processes beside the flow velocity seem to have an influence, which might
be pressure differences and pressure fluctuations. This was not investigated.
Known stability formulae seem to be of no use in case of an overtopping jet. So an
attempt was made to model the stone stability in case of an impinging jet. A model was
considered in which an obliquely impinging jet was schematized, leading to static forces
on a single cubical stone. The results from this static model matched qualitatively quite
well with the experimental results. From the simplified static model a stability formula
was derived with the same form as the Izbash formula, containing a flow coefficient
depending on the angle of incidence of the jet. The stability formula derived was
calibrated with the results of the flow measurements.
To validate the derived stability formula, in a case-study its results were compared to the
design of the bed protection of the Hartelkering as made by Rijkswaterstaat (DirectorateGeneral for Public Works and Water Management). It was found that the derived
stability formula yields larger stone diameters than the design of Rijkswaterstaat. This is
due to the fact that the flow velocity calculated according to the jet theory is too high and
the differences between the scale model and the prototype flow conditions in an
overtopping jet are not (sufficiently) taken into account.
For future experiments it is recommended to investigate the dynamic pressures (pressure
fluctuations) in the tailwater flow, because they seem to have a great influence on the
stone stability. It is also recommended to use a larger variety in stone grading to verify
the observations of this research.
Lastly, to improve the modelling of the forces induced by the overtopping jet on the bed
protection, the influence of turbulence should be taken into account, in order to be able
to formulate a 'better' design rule.
VI
Steenstabiliteit in overstortende straal