De bepaling van de grootte van wateroverdrukken onder een gesloten asfaltmastiekmat

De bepaling van de grootte van wateroverdrukken onder een gesloten asfaltmastiekmat

^

V

Rijkswaterstaat

Dienc) 'A/eg- !"!r

W-ar.-hie^ Astait

HC!-!^ ^

•'terboui'.'kunde Delft

In het vorige nummer van het Driemaandelijks Bericht werd de vormgeving besproken van de bodembescherming in het zuidelijke sluitgat van het Brouwershavensche Gat. Men kan daar lezen dat deze bescherming voor een gedeelte zal bestaan uit een asfalt-mastiekmat, die ondoorlatend is voor water.

Onder een dergelijke dichte verdediging kunnen wateroverdrukken optreden welke de mat gedeeltelijk of in zijn geheel oplichten, waardoor in het asfalt scheuren zouden ontstaan. Ter plaatse van zo'n scheur wordt de zandbodem dan niet meer beschermd; het zand wordt door de overtrekkende stroom meegezogen, de randen van de mat gaan verzakken en de scheur verbreedt zich. Aldus kan een desostreuze ontwikkeling worden ingeleid. Het is daarom zaak de dikte van de asfaltmat zodanig te kiezen dat zijn gewicht onder water gelijk is aan of groter dan de opwaartse waterdruk, zodat voor-komen wordt dat de mat wordt opgelicht.

Ter bepaling van de grootte van de overdrukken is een modelonderzoek verricht, dat twee gedeelten omvatte; een hydraulisch onderzoek in het Waterloopkundig Laborato-rium, waarbij de waterdrukken vlak boven de bodembescherming werden bepaald, en een onderzoek met behulp van een elektrisch analogiemodel voor de grondwaterbewe-ging, waarbij de waterdrukken onder de bescherming werden gemeten.

In dit artikel worden deze onderzoeken nader toegelicht; de resultaten ervan worden mede belrokken op het ontwerp van de bodembescherming in het Brouwershavensche Gat.

Hydraulisch onderzoek

Tijdens de opbouw van een sluitkade in een sluitgat veranderen de hydraulische om-standigheden ter plaatse voortdurend. Als voorbeeld nemen wij de afsluiting van een zeearm als het Brouwershavensche Gat, waardoor een kombergingsgebied wordt afge-sloten. Het achterliggende bekken wordt elke getijcyclus gevuld en geledigd door de geulen, die door het afsluiltracé lopen. De vul- en ledigingsstroom passeert het tracé

van de afsluiting dus tweemaal per dog. Door het omhoogwerken van een sluitkade

neemt de hoeveelheid water die het bekken in- en uitstroomt af; eerst heel langzaam, daarna, als het doorstroomprofiel tot 20% ci 10°/o van zijn oorspronkelijke oppervlak is verminderd, in steeds sterkere mate. Het verschil in waterstand aan weerszijden van de

534

sluitkade, dat het verval wordt genoemd, wordt echter van het begin af aan steeds groter, waardoor de stroomsnelheden boven de kade toenemen. Bovenstrooms en be-nedenstrooms van de sluitkade echter, waar het doorstroomprofiel niet verandert, nemen de snelheden in gelijke mate af als de vul- en ledigingsstroom.

Hel water dat het bekken uit- of instroomt wordt dus bij de sluitkade eerst Vfersneld totdat boven de kade de maximumsnelheid is bereikt, en vervolgens achter de kade ver-traagd. In het versnellingsgebied voor en boven de kade zakt de waterspiegel, om in het vertragingsgebied achter de kade weer gedeeltelijk op te lopen.

De waterdrukken op de bodemverdediging verlopen in grote lijnen overeenkomstig het waterspiegelverloop. Afwijkingen treden op als gevolg van de kromming van de

1. Verloop von de w o l e r s p i e g e l , de stroomsneltieid, de druk en de overdruk bij een sluitkade

WATEBSPIEGEL P R O T O 41 25 +1.00 + 0.75 • 0.50 + 025 WATCSKOLOM 4 O

^ -^

OVEPORUK

--^

N

535

I 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ; . A A M 5 L U I T P U N T E N S T ' J G B U I Z E N

2. Slijgbuisjes voor de b e p a l i n g van de drukken vlak boven de a s f a l t m a s t i e k m a t

3. De invloed van het v e r v a l , de d o o r l a t e n d h e i d van de d a m , de w a t e r s t a n d en de breedte van de slab o p y de grootte van de overdrukken

stroomlijnen ter plaatse van de laluds van de sluitkade. Men meet de drukken op de bescherming in het hydraulisch model' door op regelmatige afstanden openingen in de bodem te maken welke met slangen verbonden zijn aan stijgbuisjes. De stijghoogte van het water in het buisje is de maal voor de druk op de bodem. Het verloop van de drukken is sterk afhankelijk van de vorm van de sluitkade. Zowel de hoogte van de kade ten opzichte van de bodem als de breedte van de kruin en de taludhellingen zijn van invloed, evenals de doorlatendheid van de kade.

Bij hel onderzoek zijn zowel deze eigenschappen alsook de walerdiepte en hel verval over de kade gevarieerd. In de figuren is het verloop langs de bovenzijde van de bodembescherming voor een aantal gevallen weergegeven. Met behulp van deze gegevens kon nu in een elektrisch analogiemodel voor de grondwaterbeweging het verloop van de waterdrukken onder de asfaltmastiekmat worden bepaald.

Onderzoek met behulp van een elektrisch analogiemodel

Voor een algemene beschouwing over het elektrisch analogiemodel en de fysische wetten waorop het berust, wordt verwezen naar het vorige nummer van deze Berichten. Wil men met behulp van zo'n model de stroming van water door een grondpakket bepalen, dan is het in het onderhavige geval noodzakelijk geïnformeerd te zijn over hel

5 3 6 VERVAL I.AOm A S F A I T rn -;..+-.-. 1

> l

-J -fi.OOm - e . 00 - 1 0 0 0 - 1 2 , 0 0 - 1 4 , 0 0 - 1 6 00 - 1 6 , 0 0 -ZO 00 PROTO + 1,50m OVERDRUK IN c m WATERKOLOM

DE RELATIE TUSSEN HET VERVAL EN DE OVERDRUKKEN

OVERDRUK \H cm WATERKOLOM

DE REI.ATIE TUSSEN DE DOORLATENDHEID VAN DE SLUITKADE EN DE OVERDRUKKEN

(VERVAL 1,12m J

OVERDRUK IN cm WATERKOLOM

OE RELATIE TUSSEN DE WATERSTAND EN DE OVER-DRUKKEN. ( H E T VERVAL IS B'J ALLE WATERSTANDEN 1.50m GEWEEST)

OVERDRUK IN c m WATERKOLOM

OE RELATIE TUSSEN DE BREEDTE VAN DE ASFALT SLAB EN DE OVERDRUKKEN ( VERVAL 1 12m )

r^\

i

/ /

/ • '

:.^

^ ^ ^

"^^

N

— VERVAL 1.50 m — ,. 1.1 2 m 0.75 m 0.37m SLUITKADE ONDOORLATEND SLUITKADE MATIG DOOR-LATEND (SIORTSTEEN 1 0 - 3 0 0 k g )

. _ SLUITKADE ZEER DOOR-LATEND (BETONBLOKKEN VAN 2 5 0 0 kg ) BENEDENSTROOM5E-- BENEDENSTROOM5E-- WATERSTAND N.A,P+2O0m M A P + IOOm ,. NA P. H.AP. - 1 OOm • - .. N A P.-2 OOm

/ /

f

^

^

/ / / ^

' ^

^ ,

r^

^

T^ 75 65 55 45 35 25 15 5 0 4 BREEDTE IN f 537

drukverloop langs het grensvlak water - grond. Dit drukverloop is in het Waterloop-kundig Laboratorium bepaald, en hiervoren beschreven.

Is de waterdruk langs het grensvlak lussen water en grond van plaats tot plaats ver-schillend, don stroomt water door het grondpakket van een plaats met een hogere druk naar een plaats met een lagere druk,

Als een gedeelte van het grensvlak wordt afgedicht met asfalt, don bepalen de water-drukken aan weerszijden van hel asfalt de stroming door de grond onder het asfalt en daarmee de drukken daar ter plaatse. De grootte van deze drukken wordt bepaald door hel drukverschil aan weerszijden van de osfaltslab, door de breedte van de slab en door de eigenschappen van hel grondpakket. Met name is de dikte van het water-voerend grondpakket van invloed. Gesteld dat de osfoltmat is aangebracht op een woterdoorlatende zandbodem, terwijl enige meters dieper een niet waterdoorlalende kleilaag aanwezig is, don beperkt deze kleilaag in sterke mate de stroming in het zandpakket onder de asfaltmat, en beïnvloedt doordoor het drukverloop onder de mot.

4. De invloed van de dikte von het wotervoerend grondpakket op de grootte van de overdrukken

OVERDRUK IN Cfn WATERKOLOM * O 538 ASFALT DIK 0 5 0 m ZINKSTUKKEN ASFALT D I K 0 . 2 5 m ZrNKSTUKKEN ASFALT Dm 0 2 0 n ^ zeOOm ^ 2 5 0 0 m ^ STEENBESTORTING ZINKSTUKKEN nrjoT)! STEENBESTORTING ZINKSTUKKEN >j^ 3O OOm y ZINKSTUKKEN

5. Relatie lussen breedte en dikte van de asfallslob voor het zuidelijk sluitgat von het Brouwershavensche Gat

In figuur 4 wordt deze invloed bij verschillende dikte van het watervoerend pakket geïllustreerd, In het elektrisch model is hel drukverloop onder de osfoltmat gemeten voor de in hel Waterloopkundig Laboratorium onderzochte situaties. Hierbij is de breedte van de asfallslob gevarieerd,

De overdrukken onder de mat zijn in de figuren voorgesteld door waterkolommen. Daar het soortelijk gewicht van asfalt 2,0 bedraagt, komt het gewicht van 10 cm asfalt onder water overeen met de waterdruk van een kolom van 10 cm. De grootte van de overdrukken geven dus zonder meer de minimale dikte van de te leggen asfoltmot aan. Brouwershavensche Gat

In hel zuidelijk sluitgat van hel Brouwershavensche Gat varieert de walerdiepte in het gedeelte dal voor de toepassing van asfalt in aanmerking komt van 7 tot 21 m. Hel verloop van de overdrukken hangt onder meer of van de walerdiepte; hier zal wor-den toegelicht welke conslructiemogelijkhewor-den er zijn bij een walerdiepte van 21 m. Aan de randen van een bodembescherming treden ontgrondingen op, die verzakkingen van de rand kunnen veroorzaken. Er treden dan trekkrachten op in de bescherming, Asfalt is geen materiaal dat in staat is langdurige trekkrachten van enige betekenis op te nemen, zodat toepassing ervan aan de randen van de bescherming niet raadzaam genoemd kan worden. Voor de constructie van deze randen wordt gebruik gemaakt van klassieke zinkstukken welke bovendien door hun ruwe oppervlak ten opzichte van het gladde asfalt de onlgronding aan de randen beperken. De breedte van deze rand moet voor hel Brouwershavensche Gat tenminste 50 m bedragen. De gladheid von het osfolt-oppervlak kan eventueel worden verminderd door het aanbrengen van een steenbestor-ting op hel asfalt. In bijgevoegde figuur 5 is voor drie gevollen de breedte von de osfoltmat gevarieerd. 'Men ziet dot naarmate de breedte afneemt, met een geringere osfoltdikte kon worden volslaan.

De geringere breedte van het asfalt moet worden gecompenseerd door het aanbrengen von een andersoortige bodembescherming, bijvoorbeeld zinkstukken.

Een kostenvergelijking voor de verschillende mogelijkheden zal moeten uitwijzen welke oplossing hel meest aantrekkelijk is.