Waterbouwkunde tentamenopgaven

f3 September 1994 275

Waterbouwku nde

tentamenopgaven

Bevat 1992,1993en 1994

275

f3 Waterbouwkunde

tentamenopgaven

Bevat de jaren 1992, 1993 en 1994

september 1994

Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek

Vakgroep Waterbouwkunde Sectie Waterbouwkunde

Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek Vakgroep Waterbouwkunde

Tentamen f3 - Waterbouwkunde 17 januari 1992 9.00 - 12.00 uur

N

...

meer B

F

Tussen meer A en meer B moet een scheepvaartkanaal worden gegraven dat geschikt dient te zijn voor schepen van laadvermogen 11(standaardschip Kempenaar).

De bodem van het kanaal bestaat uit zand (K = 10-2)en de taluds hebben een helling van 1:3, dus een trapezium vormig dwarsprofiel. Aangenomen mag worden dat de taluds dezelfde ruwheid hebben als de bodem.

VRAAG I

Bepaald het minimum benodigde dwarsprofiel uit de eisen van manoeuvreerbaarheid en bestuurbaarheid, als twee standaardschepen elkaar moeten kunnen passeren (ontmoeten en inhalen).

VRAAG 2

Bereken het verhang van het kanaal, als de ontwerpstroomsnelheid in het onbevaren kanaal 0,4

mis

bedraagt.

VRAAG 3

N.B. Indien U vraag 2 niet heeft kunnen beantwoorden, neemt U aan dat het gevraagde verhang 1,5 • 10.5bedraagt.

Om waterhuishoudkundige redenen moet het kanaal altijd minimaal een debiet van 50 m3/s doorlaten. Bepaal het benodigde dwarsprofiel, ervan uitgaande dat de verhouding bodembreedte : kanaaldiepte 8: 1 is. Hoe groot wordt de stroomsnelheid nu?

Uitbreiding van de gegevens

- de waterstand op het meer A is nagenoeg constant en bedraagt P

+

50 m.

- de waterstand op het meer B is eveneens constant te veronderstellen op P

+

40 m. - het totale kanaal is 100 km lang.

- indien U bij de voorgaande vragen geen antwoord hebt gevonden, mag U aannemen dat het natte oppervlak van het dwarsprofiel van het kanaal 120 m2bedraagt.

Om in het kanaal het gewenste verhang te krijgen worden halverwege het kanaal kunstwerken aangebracht.

VRAAG 4

Om wat voor soort kunstwerken gaat het hier? Beschrijf kort de functie van de kunstwerken. Hoe zou het debiet over de kunstwerken worden verdeeld?

VRAAG 5

Bereken het verval over de kunstwerken. Uitbreiding van de gegevens

Aangenomen mag worden dat de kunstwerken zijn opgebouwd uit de volgende elementen.

Dwarsdoorsnede

langsdoorsnede

.

hefschuif in het

midden v.h

.

kunstwerk

NAP+50

Uitgangspunten

- indien U vraag 6 niet heeft kunnen beantwoorden, neemt U voor het gevraagde verval 8- maan. - de waterdrukken (stijghoogtes) worden verondersteld lineair te verlopen.

- beton: volumieke massa

=

2400

kg/m'

water: volumieke massa

=

1000

kg/m'

g

=

10

mis?

- wrijvingshoek tussen betonvloer en ondergrond ó

=

40°

- inwendige wrijvingshoek ondergrond

((J =

30°

- het totale gewicht van het afsluitmiddel bedraagt 500 kN.

- wrijvingen en gronddrukken rondom de zijkanten van het kunstwerk worden verwaarloosd.

VRAAG 6

Beoordeel het kunstwerk op stabiliteit ten aanzien van de criteria "afschuiven" en "resultante binnen de

kern".

Hoe groot moet de lengte L van het kunstwerk zijn opdat de constructie hieraan voldoet?

De maximum toelaatbare korreldruk mag 150

kN/m2

worden verondersteld.

VRAAG 7

Controleer het kunstwerk op de grenstoestand piping

.

Neem de konstante van Bligh aan op 10

.

VRAAG 8

Indien het kunstwerk niet voldoet aan het criterium in vraag 7, welke maatregelen zou U treffen om

piping te voorkomen. Beoordeel van minstens twee oplossingen de invloed van de maatregelen op de

uitkomsten van vraag 6 en 7.

VRAAG 9

Hoe groot wo

r

dt de maximale retourstroom als gegeven is dat één standaardschip met 90% van zijn

grenssnelheid door het kanaal vaart?

VRAAG

10

Hoe groot is de bijbehorende waterspiegeldaling?

Uitbreiding vraagstelling

Door veranderingen in de waterstanden van meer A twijfelt men eraan of de dijken rond meer A nog wel

voldoen aan de eisen van veiligheid. Met name bij de dijk op het gedeelte EF moet worden onderzocht

of er voldoende hoogte aanwezig is tegen overlopen.

Het meer kan worden geschematiseerd tot een gelijkzijdige driehoek met een hoogtelijn HC ter lengte van

60

km.

De diepte van het meer is overal gemiddeld 4 m.

+46 "

+52

+50"

bekleding: grasbegroeiing op klei

Maatgevend voor het bepalen van de juiste kruinhoogte is een Noordwesterstorm, die voldoende lang waait om op het meer een stabiele toestand van het water te veroorzaken.

Maatgevende windsnelheid : v

=

20

mIs.

Raadpleeg ook de bijgevoegde grafiek, die ontbreekt in het diktaat (figuur 3.25) d.i. 2 % overschrijding golfoploop.

VRAAG 11

Controleer of de kruinhoogte voldoende is.

VRAAG 12

Indien de kruinhoogte onvoldoende is welke maatregelen denkt U te nemen om de dijk voldoende veiligheid tegen overlopen te geven.

4

1/

I

/Ij

t

J :~

f'~

ó)A 6

,:

() 6 (;.V , c

.

•

I._'J_"b

.

VR

v 6t.

/

x IJ .L"

/)

T..L

,11

T

'A

V

o

o

2 3 5

Figuur 3.25 Wave run-up on smooth slope (ref. Klein Breteler)

Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek Vakgroep Waterbouwkunde

Tentamen f3 Waterbouwkunde 31 maart 1992 14.00 - 17.00 uur

Figuur 1

Vraag 1 (45 min.)

Voor een riviervak benedenstrooms van punt A (zie figuur 1) wil men de afvoer reguleren. De ontwerp-rivierafvoer bovenstrooms van punt A staat gegeven in de nevenstaande tabel. Deze afvoer wordt alle jaren gelijk veronder-steld. Men wil de afvoer zodanig reguleren dat de afvoer per maand constant is

(5,25.108 m3/maand). Dit wordt gerealiseerd

door middel van een reservoir direkt boven-strooms van A met een dam in A.

la Hoe groot moet de bergingscapaciteit (in m') van dit reservoir zijn?

1b Het reservoir zal ook worden gebruikt voor energiewinning middels een waterkrachtcentrale. Dit vereist een minimale vulling van 20· 108m3

Indien de vulling van het reservoir op 1 januari start wanneer kan men dan starten met de afvoer uit het reservoir?

Meer

maand afvoer m3/maand

jan 1.108 feb

5

·10' mrt 10· 10' apr

5

·10' mei 1·10' jun 1.108 jul 1·10' aug 10.101 sep 20·10' okt 7 ·10' nov 1·10' dec 1·10'

Vraag 2 (30 min)

De bodem van het riviervak benedenstrooms van A bestaat uit grof zand. Met behulp van de kromme van Shields is bepaald dat U"'ril=0,03 mIs.

De breedte mag voor de gehele lengte van het

riviervak constant worden verondersteld op B= 100 m. De ruwheid is gegeven door k=0,05 m

.

Er wordt aangenomen dat bij de nieuwe evenwichtstoestand juist geen beweging van het grove

bodemmateriaal optreedt. Het debiet wordt constant gehouden en bedraagt 200

rrrls.

2a

Neem aan dat C=53

ml/2/s

Hoe groot is de gemiddelde waterdiepte in de nieuwe evenwichtstoestand?

2b

Hoe groot is het verhang in deze situatie?

2c

Ga na of de aangenomen C-waarde juist is.

4m _{a 4m} Siluatie [ Situalie 11 a max. reservoirpeil min. reservoirpeil a

=

maximaal 3 m _{a = maximaal 3 m}

Figuur 2

Vraag 3 (30 min)

In de stuwdam in A bevindt zich een waterkrachtcentrale en een kunstwerk met een regelbare

onderdoorlaat. In de normale situatie gaat de volledige afvoer uit het reservoir door de

water-krachtcentrale (Q=200 m

3

/s). In het geval de waterkrachtcentrale stil ligt moet het volledige

debiet van 200

m3/s

kunnen worden afgevoerd door de onderdoorlaat.

In figuur 2 staan twee situaties gegeven die op kunnen treden, waarbij het totale debiet door de

onderdoorlaat kan worden afgevoerd.

3a

Welke situatie is maatgevend voor het bepalen van de totale benodigde doorstroombreedte?

Motiveer uw antwoord.

3b

Bepaal de benodigde doorstroombreedte van de onderdoorlaat bij een afvoercoëfficiënt

m=0,9

3c

Hoe groot is het bruto vermogen van de waterkrachtcentrale bij volledige afvoer door de

centrale bij een verval van 6 m.

.Bovenaanzichl Drsn A Figuur 3 A 6 4m 6 rivier Vraag 4 (75 min)

--,

6m :-:.::>:. .' 6

Ri J

:: ::

:

:

ti ~

~

:

~

~

~r

:

::::::

Drsn B

Voor het ontwerp van de onderbouw van het hiervoor genoemde kunstwerk is de toestand met maximale vulling van het reservoir en volledige afvoer door de waterkracht centrale maatgevend (zie figuur 3). Het kunstwerk bestaat uit een betonnen pijler en landhoofden met daar tussen schuiven en drempels. De schuiven overspannen in de horizontale richting. Dit betekent dat de horizontale belasting op de schuiven volledig wordt afgedragen naar de pijler en de landhoofden. Het gewicht van de schuiven wordt geheel afgedragen naar de drempel. (De schuif rust dus niet op de voet van de pijler). Verder is gegeven:

- PbelDD

=

2400 kg/m'

- de stijghoogte neemt lineair af langs de kwelweg.

- de damwanden kunnen geen horizontale of vertikale krachten overbrengen op het kunstwerk - de veiligheid tegen afschuiven dient minimaal 1,2 te bedragen

- de hoek van inwendige wrijving van de ondergrond bedraagt 30" - g=10 m/s2

- constante van Bligh is 10

4a Welke zijn de stabiliteitseisen voor de pijler?

4b Ga na d.m.v. berekeningen of de getekende pijler voldoet aan de stabiliteitseisen.

4c Indien niet aan de stabiliteitseisen wordt voldaan, welke maatregelen kunnen dan worden genomen om de stabiliteit te vergroten.

Tentamen f3 - waterbouwkunde 21 augustus 1992

Vraag 1 (60 min.)

Een rechthoekig reservoir is 3

km breed, 10 km lang, en 5 m diep. Eén van de korte

zijden is afgesloten door een gronddam. Uit grondmechanische overwegingen kunnen

de taluds van deze dam niet steiler zijn dan 1:3.

10 km

De dam moet weerstand bieden aan de optredende waterstand en aan golven, bij vaak

optredende stormen. Een maatgevende situatie is een wind die gedurende een periode

van meer dan 6 uur juist in de lengterichting over het reservoir waait. De

windsnelheid is 20

mIs.

(10)

A)

(15)

B)

Bereken de waterstand die tijdens de storm optreedt in de nabijheid van de

dam.

Bereken de golfhoogte en de golfperiode in de nabijheid van de dam.

Indien je vraag A en B niet hebt kunnen beantwoorden, neem dan voor het vervolg

een waterstandsverhoging van 0

,

5 m, een golfhoogte van 2 m

,

en een golfperiode van

6

s

.

(10)

C)

(15)

D)

(10)

E)

Als de dam met los gestorte breuksteen wordt beschermd tegen de golven, hoe

groot moet dan het gewicht van deze steen zijn bij taludhellingen van 1:3, 1:5

en 1:7 ? Neem als dichtheid van de steen 2650 kg/rn'.

Stel dat uiteindelijk wordt besloten het talud van de dam te beschermen met

gezette steen, hoe groot wordt dan de golfoploop tegen een talud 1:3, 1:5 en

1:7

?

Teken op schaal 1:100 het dwarsprofiel van de dam voor één van de drie

buitenbelopen die je hebt uitgerekend. Geef duidelijk aan hoe hoog je de dam

maakt. Licht je tekening kort toe

.

Vraae 2 (60 min.)

.

In een dijk langs een kanaal is een gat ontstaan. Daardoor is de achterliggende polder

volgelopen. Het bodempeil van het kanaal is N.A.P., evenals het niveau van het

maaiveld in de polder. De waterstand op het kanaal is N.A.P. +3 m. De bodem

bestaat uit grof zand.

Men wil het gat dichten door een ponton in het gat af te zinken. Beschikbaar is een

ponton van

10

m, een hoogte van

4

m, en een diepgang in drijvende toestand van

0,6

m. Men denkt het ponton te laten zinken door aan één zijde een gat in de wand te

branden. (Zie tekening). Indien nodig kan men nadat de ponton is gezonken ballast

aan dek brengen. Men mag er vanuit gaan dat de ponton overal goed aansluit op de

kanaalbodem.

10

m

NAP +3

.

4m

(30)

A)

Met hoeveel gewicht moet de ponton worden geballast om de stabiliteit te

waarborgen tot de waterstand in de polder is gezakt tot N.A.P.? Neem als

wrijvingscoëfficiënt tussen staal en zand 0,4. De wanddikte van het ponton

mag worden verwaarloosd.

(10)

B)

Maakt het voor je berekening verschil aan welke kant van het ponton het gat

is gebrand?

(10)

C)

Verwacht je nog andere problemen tijdens het leegpompen van de polder, en

zo ja, bij welke binnenwaterstand?

Vraag 3 (60 min.)

In een kanaal bevindt zich een schutsluis. Het benedenpand heeft een bodemniveau van N.A.P.-3,5 m, en een waterstand van N.A.P. Het bovenpand heeft een bodemniveau van N.A.P. +6,5 m, en een peil van N.A.P. + 10 m. De sluis is

12

m

breed, en de kolk is 150 m lang.

Vullen en ledigen van de kolk gebeurt door water uit het hoger gelegen gedeelte af

te laten naar het lager gelegen niveau.

(10)

A)

(10)

B)

(15)

C)

Hoe groot is het waterverlies bij elke schutting?

Wat kan men doen om het waterverlies te beperken?

Stel dat men het waterverlies wil beperken met 40%. Wat is dan het benodigd

oppervlak van een te bouwen spaarbekken, en tussen welke waterstanden

varieert de waterstand in het bekken. Wat is dus het maximale peilverschil

tussen sluiskolk en spaarbekken?

Veronderstel dat sluiskolk en spaarbekken verbonden zijn door een betonnen rioolbuis

met een lengte van 250 m en een diameter van 1,0 m. In het riool zitten 5 knikken

van 90° zonder afronding. De viscositeit bedraagt 10

-

6

m

2

/s.

(20)

D)

(5) E)

Wat is het debiet in dit riool bij het maximaal optredende waterstandsverschil?

(Als je geen antwoord hebt gegeven op vraag C, neem dan

aan

dat het verval

maximaal 5 m bedraagt).

Technische Universiteit Delft

Faculteit der Civiele Techniek

Vakgroep Waterbouwkunde

Tentamen f3 - Waterbouwkunde 15 januari 1993 9.00-12.00 uur.

De punten die Uper vraag

kunt

behalen staan tussen luJakjesin de kantlijn vermeld. Het totale aantal

punten bedraagt 180. Dil

komt

overeen met de beschikbare tijd in minuten.

VRAAG A.

zee

N

t

....•.•...•...•...':)_. .;.;.;.;.;.;.;,;.;.;.;.;.;.;.;.;.;.;.;.;.;.;.;.;.;.;.:.:.:.:.:.:.;.:.:.:.;.:.:.;.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.;.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.;.;.:.:.;.:.:.:.:.;.:.:.;.:.:.;.;.:.:.;.;.:.;.; ..

B

lagune· bekken

,/

Langs een zandige kust bevindt zich een getij-bekken (lagune), waardoorheen een rivier het

oppervlaktewater afvoert naar zee. In het droge jaargetijde is de afvoer betrekkelijk gering, maar in

het natte seizoen komen hoge tot zeer hoge afvoeren voor. Daardoor schuift de zoutwatergrens heen

en weer in de lagune.

De ligging van de zoutwatergrens wordt anderzijds nog bepaald door de waterstand op zee

.

Het

getij-verschil is echter zeer gering (enkele centimeters), zodat de invloed daarvan mag worden

verwaarloosd. Gedurende stormen kunnen evenwel waterstandsverhogingen optreden die zich in de

lagune voortplanten.

Omdat de behoefte aan zoetwater ten behoeve van de landbouw erg groot is

,

wil men de lagune

omvormen tot een zoetwaterbekken.

Dit kan op de volgende manier worden gerealiseerd:

Bij de uitmonding van de rivier in de lagune (bij A) wordt een stuwdam gebouwd, die d.m.v

.

een regelbare opening een in de tijd &emetenconstante hoeveelheid water op de lagune loost

.

Deze constante afvoer bedraag 200 ml/s.

Bij de mond van de lagune met de zee (punt B) moet dan een even grote. eveneens constante.

hoeveelheid water van 200 ml/s naar zee worden afgevoerd.

In de lagune ligt een vissershaven. Voor de visserij is het van groot belang dat de vissersschepen een

mum

verbinding met de zee hebben. Daarvoor moet bij de mond van de lagune met de zee (punt B)

een kunstwerk worden ontworpen dat normaal openstaat en slechts in bijzondere gevallen moet

worden gesloten.

Enkele &e&evens:

Om te voorkomen dat zoutwater naar binnen komt, is een minimum stroomsnelheid van 1,75 mis noodzakelijk.

Om de-vissersschepen veilig de lagune in en uit te laten varen is een maximum stroomsnelheid van 2,5 mis toelaatbaar.

Om de vissersschepen veilig het kunstwerk te laten passeren, is een doorvaartopening van de volgende afmetingen vereist:

minimum doorvaartbreedte 16 m

minimum doorvaarthoogte 12 m

minimum vaardiepte 2,50 m.

Het normale waterpeil op zee bedraagt G.Z.N. (gemiddeld zee niveau) en is vrijwel constant. Het is uit oogpunt van de scheepvaart toegestaan dat gedurende één etmaal per jaar het kunstwerk moet worden gesloten door windopzet vanuit zee. Dit is bij een waterstand op zee van G.Z.N.

+

0,15 m.

De invloed van golfbewegingen mag worden verwaarloosd.

De afmetingen van de lagune zijn:

gemiddelde lengte

gemiddelde breedte

gemiddelde waterdiepte

15 km

5km

2,50 m.

(30) vraag .dl

Geef voor de normale situatie m.b

.

v. een berekening aan. hoe hoog het waterpeil in de lagune moet

worden gehandhaafd. Bereken tevens voor dit geval de grootte en verdeling van de

doorstroom-opening in één of meerdere doorstroom-openingen.

Er mogen de volgende aannamen worden gedaan:

de waterstand aan de zeezijde van het kunstwerk is gelijk aan het zeepeil (G.Z.N.)

de waterstand aan de lagune-zijde vlak naast het kunstwerk is gelijk aan het waterpeil in de

lagune;

de afvoercoëfficiënt

JL

= 1.

gebruik voor de afvoer formule

Q - J.' • A •

';2 ·g·Z

i

(20) vraag.d2

Laat m.b.v. een berekening zien dat ook in de bijzondere situatie als de waterstand op zee oploopt

tot G.Z.N.

+

0,15 m het kunstwerk aan de gestelde eisen m.b.t. doorstroomprofiel kan voldoen, dus

ook de afvoer constant.

(JO) vraagA3

Welk type afsluitmiddel zou U kiezen en laat zien dat dit afsluitmiddel aan de gestelde eisen kan

voldoen.

(10) vraagA4

Schets een dwarsdoorsnede over het kunstwerk. Geef hierbij aan de belangrijkste afmetingen en

peilen. Neem aan dat de hoogste waterstand op zee G.Z

.

N.

+

2.- m bedraagt.

(10) vraag A5

Uit oogpunt van waterbeheersing is het noodzakelijk dat de waterstand in de lagune niet meer dan

0,20 m stijgt in het geval dat de kering is gesloten.

Ga na of dit in de geschetste situaties een haalbare kaart is. Zo niet, welke maatregelen zouden dan

kunnen worden getroffen.

VRAAG B.

De volgende vragen gaan over de stabiliteit van het kunstwerk bij punt B. Er mag worden uitgegaan van de volgende aannamen:

de maatgevende belasting toestand wordt gevormd door een buitenwaterstand (op zee) van G.Z.N.

+

2.- m en een bijbehorende waterstand op de lagune van G.Z.N.

er wordt slechts gekeken naar een scheepvaart opening, dus een doorvaartbreedte van 16 m en een benodigde vaardiepte van 2,50 m.

alle dikte afmetingen van het kunstwerk zoals die van wanden en vloer, bedragen 1.- m.

De hoogte van de betonnen wand komt 0,50 m boven de waterspiegel uit, bij de hoogste optredende waterstand.

volumieke massa van beton : 2400 kg/m3

volumieke massa zeewater en water in de lagune: 1000 kg/or

g =

10 m1s2

gewicht van afsluitmiddel 5 kN/m2

de ondergrond bestaat uit goed draagkrachtige zandlagen, zodat op staal kan worden gefundeerd.

de inwendige wrijvingshoek van de ondergrond bedraagt <p

=

30°

de wrijvingshoek tussen de onderkant van de betonvloer en de ondergrond is eveneens 30°. de maximum toelaatbare korreldruk is 150 kN/m2•

de invloed van grond of andere openingen naast de beschouwde is niet aanwezig.

het verloop van de stijghoogte van het water mag lineair worden verondersteld.

(40) vraag BI

Beoordeel het kunstwerk op stabiliteit t.a.v. de criteria "afschuiven" en "kantelen" en maximale korreldruk.

Hoe groot moet de lengte van het kunstwerk daarvoor minstens zijn? Met lengte wordt bedoeld de afmeting van het kunstwerk in de stroomrichting.

De veiligheidscoëfficiënt tegen afschuiven mag 1,2 worden aangenomen.

(5) vraag B2

Controleer het kunstwerk op de grenstoestand piping. Neem de constante van Bligh aan op 10.

(15) vraag B3

Indien het kunstwerk niet voldoet aan het criterium in vraag B2, welke maatregelen zouden kunnen worden genomen om piping te voorkomen. Licht de uitwerking van de maatregelen toe en laat zien of de maatregel een haalbare oplossing is.

VRAAG C.

De volgende vraag gaat over de waterkering aan de zuidzijde van de lagune.

Het land aan de zuidzijde van de lagune ligt voor een groot gedeelte op een hoogte van ongeveer G.Z.N. en loopt daarom regelmatig onder. Omdat men met het zoete water uit de lagune landbouw wil gaan bedrijven moet de zuidzijde van de lagune door een dijk worden beschermd. Het dijkprofiel wordt bepaald door de waterstanden op het lagune-bekken en de invloed van de golven daarbij. Uitgegaan wordt van de situatie die in vraag A isvastgelegd en berekend.

Maatgevend voor de kruinhoogte iseen Noorderstorm die voldoende lang waait om op het bekken een stabiele toestand van het water te veroorzaken. De maatgevende windsnelheid daarbijis

U

=

17 mis.

Uitgegaan mag worden van een golfoploop overschrijding van 2 %

(25)

waar

C1

Bereken de aanleghoogte van de dijk.

Neem aan dat de klink

+

de zetting 0,30 m bedragen. Als beoordelingscriterium geldt dat een minimale aanleghoogte (minimaal grondverzet) gewenst is.

(15) vraag

<4

Schets een doorsnede over de gekozen dijk. Geef hierbij aan de voornaamste peilen. Geef tevens de materialen en de taludverdediging aan.

Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek Vakgroep Waterbouwkunde

Tentamen f3 - Waterbouwkunde 30 maart 1993 14.00-17.00 uur.

De punten die u per vraag kunt behalen staan tussen haakjes in de kantlijn vermeld

.

Het totale aantal

punten bedraagt 180. Dit

komt

overeen met de beschikbare tijd in minuten.

VRAAG A

probleemheschrijving

stad V

N

+

lagune

~ ~

De stad Vis gelegen aan een lagune die ca. 50 km lang en 10 km breed is. Deze lagune wordt door

een aantal eilandjes gescheiden van deA zee.

Tussen de eilandjes liggen geulen, waardoor het water van de A zee ongehinderd de lagune kan

in-en uitstromin-en. De eilandjes verhinderen wel het doordringen van de deining vanuit de A zee in de

lagune.

De belangrijkste geul

L

wordt in het diepste gedeelte door zeeschepen gebruikt om bij het havengebied

van de stad V te komen. De grootste schepen die de lagune kunnen bevaren hebben de volgende

afmetingen: laadvermogen "over all" lengte

breedte over het grootspant diepgang geladen

hoogte boven waterspiegel

40.000 d.w.t.

300

m

32

m

12

m

40 m

Als gevolg van regelmatig voorkomende stormen uit ZZO richting, wordt het water in de lagune hoog opgestuwd. Ter plaatse van de eerder genoemde geul L bevindt zich een meetpunt, waar de

hoogwater-en laagwaterstand al gedurhoogwater-ende vele jarhoogwater-en wordhoogwater-en geregistreerd. De overschrijdingsfrequhoogwater-entielijn voor

het hoogwater en de onderschrijdingsfrequentielijn voor het laagwater zijn in de figuren op de

(m.sl •maan sealevel)

2 , 0 " ~ ~ ~

10 10 10 10 10 10 10 - oversctvijä&ngsfrequentia par jaar

2 1 0 " .a ~ ~

10 10 10 10 10 10 10 - onderschrijäangsfrequentie par jaar

De gemiddelde bodemligging in de lagune is m.s.1.-2 m, de bodem van deÁzee ligt veel dieper dan die in de lagune.

Bij ZZO storm dient te worden gerekend met een windsnelheid van 20

mis.

Hierbij mag worden aangenomen dat de storm zo lang duurt dat de zeegang in de lagune volledig volgroeid is.

De invloed van buistoten en bui-oscillaties mag worden verwaarloosd.

Het dijkprofiel aan de NNW kant van de lagune (doorsnede A-A) ziet er als volgt uit:

m.s.l.+3.80m

m.s.l.-2m

(30) VRAAG Al

Controleer of de kruinhoogte van de bestaande dijk langs de NNW kant van de lagune in de huidige toestand een hoogwaterstand, die voorkomt met een frequentie van lO,z/jaar en een golfoploop met 2 % overschrijding kan keren.

(15) VRAAG A2

Als een zo gering mogelijke aanleghoogte gewenst is, welke aanpassingen aan het dijkprofiel -in het geval van noodzakelijke dijkverhoging- zouden moeten worden aangebracht? Motiveer kort uw keuze,

vervolg van de probleembeschrijving

Om aan een dijkverhoging langs de NNW kant van de lagune te ontkomen en de stad Vte vrijwaren van wateroverlast, wordt voorgesteld de geulen tussen de eilanden af te sluiten, door stormvloedkeringen. Dit zijn afsluitbareopeningen die onder normale omstandigheden openstaan, maar die in tijden van gevaarlijk hoogwater kunnen worden gesloten.

Er wordt nu verder alleen gekeken naar de stormvloedkering in de geul L.

Als de kering is gesloten, is het scheepvaartverkeer gestremd. Gedurende enkele dagen per jaar is het bovendien toegestaan dat door de lage waterstand in de lagune de grootste zeeschepen niet kunnen passeren.

Om de stroomsnelheden in de geul L acceptabel klein te houden, is een doorstroombreedte van minimaal 500 m vereist.

Het sluitingspeil voor de stormvloedkering wordt gekozen op m.s.1. +0,75 m, gemeten ter plaatse van het meetpunt in de geul L. Uit waarnemingen blijkt dat het gemiddelde peil in de lagune dan m.s.1. +0,80 m bedraagt.

Met de tijdsduur, nodig voor het sluiten van de kering, hoeft geen rekening gehouden te worden.

Aangenomen mag worden dat de kering minstens een etmaal gesloten is.

Voor het buitenpeil in de gesloten situatie mag worden uitgegaan van een overschrijdingsfrequentie van 10-4/jaar. Bij deze maximale waterstand, die moet worden gekeerd, moet rekening gehouden

worden met H,

=

3,60 m.

De grondslag ter plaatse van het tracé van de stormvloedkering is zodanig dat overal op staal gefundeerd kan worden.

(20) VRAAG A3

Ga, door middel van een berekening, na of het sluitingspeil zo gekozen is dat de bestaande dijk langs de NNW kant van de lagune nog voldoende hoog ligt.

(IS) VRAAG A4

Stel dat gekozen wordt voor een klepdeur, d.W.Z. een deur die draait om een horizontale as in de drempel. In geopende stand ligt de deur in een drempelbak die in het diepste vaargedeelte van geul L is gelegen.

In de gesloten stand staat de deur onder een hoek van 60° met het horizontale vlak (zie figuur). Wat is het maximale verval dat de klepdeur moet keren, als de invloed van de golven hier wordt verwaarloosd?

(30) VRAAG A5

Als gebruik gemaakt wordt van luchtkisten, zodat de deur omhoog komt tot de gewenste stand (a=600) en als wordt uitgegaan van een rechthoekige doorsnede van de klepdeur, geef dan, door middel van een berekening, aan hoe dik de klepdeur zou moeten worden (d in de figuur).

Het eigen gewicht van de deur bedraagt 200 kN per m' loodrecht op vlak tekening. De invloed van de golven mag worden verwaarloosd.

VRAAG B

probleembeschrijving

20km schutsluis

Tussen de meren

A

en

B

bevindt zich een scheepvaartkanaal met daarin een schutsluis. Het waterpeil

in meer

B

ligt 2 meter boven dat van meer

A.

De lengte van het scheepvaartkanaal bedraagt 20

km.

Het dwarsprofiel van het bestaande kanaal is weergegeven in onderstaande figuur:

doorsnede CC

tan Cl-Va

bodemruwheidsparameter kN·5'10-2m

In verband met het feit dat men grotere schepen op het kanaal wil laten gaan varen en dat de

waterhuishouding toestaat dat een bepaald debiet van meer

B

naar meer

A

stroomt, wil men de

mogelijkheid onderzoeken om de schutsluis, die de grotere schepen niet kan verwerken, te

verwijderen.

Het gegeven dwarsprofiel van het kanaal wil men handhaven, zij het dat enige aanpassingen in het

lengteprofiel daarvoor noodzakelijk zijn. In de eindsituatie mag men aannemen dat bodem en

waterspiegel van het kanaal evenwijdig komen te lopen.

Als maatgevend schip wordt het "EUROPA" schip genomen, dat in de CEMT-kJasse IV kan worden

gevonden (R.K

.

H. schip). Om de scheepvaart niet te hinderen, mag de stroomsnelheid in het kanaal

maximaal 1,0 mis bedragen. In verband met de waterhuishouding is een maximaal debiet van 150 m

3

/s

toegestaan.

(15)

VRAAG BI

Ga na of het bestaande dwarsprofiel voldoet aan de criteria van bevaarbaarheid en

manoeuvreerbaarheid, indien twee EUROPA-schepen elkaar moeten kunnen passeren.

(15) VRAAG 82

Ervan uitgaande dat de waterpeilen in beide meren onveranderd blijven, bereken dan de gemiddelde stroomsnelheid en het debiet in het kanaal.

Controleer of de gevonden waarden beneden de gestelde maxima blijven.

Als dit naar uw mening niet het geval is, welke aanpassingen zou u dan voorstellen?

(5) VRAAG B3

Bereken de grenssnelheid voor het EUROPA-schip in dit kanaal.

(5) VRAAG B4

Aangenomen mag worden dat de schepen varen met een snelheid die 80% bedraagt van de grenssnelheid.

Bereken voor dit geval de stroomsnelheid die de maatgevende situatie voor de controle van de bodemverdediging bepaalt.

(30) VRAAG 85

Zoals in de figuur van het dwarsprofiel te zien is, zijn de oevers tegen de golfaanval van voorbijvarende schepen beschermd door betonblokken van 1*1 mlo

Neem voor de volumieke massa van het beton: Pt-..

=

2400 kg/m" en voor de wrijvingshoek tussen de betonplaat en de ondergrond ó = 30°.

Ga na wat het maatgevende belastinggeval voor het berekenen van de dikte van de betonplaat is. Bereken deze dikte, zodanig dat geen gevaar voor oplichten en afschuiven van de betonplaat bestaat. Gebruik een veiligheidscoëfticiënt'Y = 1,2.

Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek Vakgroep Waterbouwkunde

Tentamen f3 - Waterbouwkunde 20 augustus 1993 14.00-17.00 uur. De punten die U per vraag kunt behalen staan tussen haakjes in de kantlijn vermeld. Het totale aantal punten bedraagt 180.Dit komt overeen met de beschikbare tijd in minuten.

VRAAG 1

d[m] 8 7 3 2 1 1CXXl 2CXXl 3CXXl ---. ..- Q[m'/s]

Gegevens:

N/jaar

365

DUURUJN

t

300 200 100

o

_{500 1CXXl 1500 2CXXl} ---. ..- Q[m'/s]

Q-d

kromme,

d

is gegeven in m boven de bodem

Duurlijn voor debiet

Rivierprofiel vlak, breedte bodem 200 m; oevers 1:5

(5) vraa~ la.

Hoe groot is het debiet wanneer de waterdiepte juist 3 meter is?

(5) vraa~ lb.

Hoe groot is de gemiddelde snelheid in dit geval?

(10) vraa~ Ic.

Stel dat het antwoord op vraag b. 1

mIs

is.

Geef een indruk over de relatie tussen de ruwheid (Chézy-waarde) van het rivierbed en het

verhang bij de waterdiepte van 3 m.

Aanwijzing:

kies een aantal waarden voor het verhang en reken de bijbehorende

Chézy-waarden uit.

(10)

vraae Je

.

Reken bij de door jou opgegeven C-waarde de bodemoneffenheid uit. Wat zegt deze waarde over de bodem?

(10)

vraae Jt

Hoeveel dagen per jaar is de waterstand lager dan 3 meter?

Zou dit aanvaardbaar zijn als de rivier deel uitmaaIct van een vaarweg klasse IV? Licht je antwoord toe.

(5)

vraae Je.

VRAAG 2

Langs een deel van de oever van een meer is een kering gebruikt zoals in onderstaand figuur is weergegeven.

4m

variabel meer peil

1m

Het meerpeil kan alle waarden tussen N.A.P. en N.A

.

P

.

+

2 m aannemen (zie figuur)

gegevens

:

Pbeloo

=

2400

kg/rn?

Constante van Bligh

=

10

g =

10 rn/s"

ondergrond: zand

(30) vraag 2a.

Is de kering onder alle voorgenoemde gevallen stabiel voor afschuiven en

ligt

de resultante binnen

de kern?

.

(10) vraag 2b.

4m

(30) vraag 2e.

De kering wordt omgedraaid zoals in de schets is aangegeven.

Is de kering in deze situatie onder alle voorgenoemde gevallen stabiel voor afschuiven en ligt de resultante binnen de kern?

(10) vraag 2d.

Welke maatregelen zou je In het geval a. kunnen nemen om stabiliteit te bereiken enlof te

vergroten?

(10) vraag 2e.

Welke maatregelen zou je in het geval c. kunnen nemen om stabiliteit te bereiken enlof te vergroten?

VRAAG 3

Gegevens:

schepen klasse IV: lengte 85 m

breedte 9.5 m diepgang 2.8 m kanaal profiel: t

I

3.5

m

38m

(5) vraag 3a.

Bereken de grenssnelheid van het schip.

(10) vraag 3b.

Bereken de spiegeldaling en retourstroomsnelheid indien het schip met 85% van de grenssnelheid

vaart.

(5) vraag 3e.

Is dit kanaal geschikt voor twee richting verkeer?

(10) vraag 3d.

Kan dit kanaal eenvoudig worden opgewaardeerd naar klasse V?

(10) vraag 3e.

Stel U = 1mIs. Welke diameter zou het bodemmateriaal moeten hebben om te blijven liggen bij

Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek

Vakgroep Waterbouwkunde

Tentamen f3 - Waterbouwkunde 14 januari 1994 9.00-12.00 uur.

De punten die U per vraag kunt behalen staan tussen haakjes in de kantlijn vermeld. Het totale

aantal punten bedraagt lBO.Dit komt overeen met de beschikbare tijd in minuten. Dit tentamen is gebaseerd op het.f3-dictaat van augustus 1993.

N.B. Het gaat er bij dit tentamen vooral om dat bij het beantwoordenvan de vragen de schemati-sering van de oplossing wordt toegelicht en de invloed van de schematisering op het antwoord.

Een antwoord sec volstaat dus lang niet altijd.

Gebruik g

=

JO mi; bij alle vragen.

VRAAG 1 secundaire dijk primaire dijk 5km

m.v. •

NAP+40

m

/

ondergelopen gebied A schematisering situatie

Als gevolg van langdurige regenval in het stroomgebied van de rivier M, is de waterstand van de

rivier gestegen tot NAP

+

45 m. Als gevolg van deze extreem hoge waterstand is de primaire

dijk doorgebroken bij punt A. In korte tijd loopt het achter de primaire dijk gelegen gebied tot aan de secundaire dijk onder, tot de waterstand gelijk is aan die van de rivier.

Er ontstaat bij A een stroomgat, dat 20 meter lang is, gemeten in de dijkas, en waarvan de

(10) vraag la.

Bereken het maximum debiet dat vanuit de rivier de poider instroomt. Neem de waarde voor de afvoercoëfficiënt = 1

aan.

(15) vraag lb.

De rivierwaterstand wordt niet beïnvloed door het vollopen van de polder, maar blijft gedurende langere tijd constant. Ook de afvoercoëfficiënt verandert niet.

Laat door middel van een Q-t grafiek zien hoe het verloop is van het debiet door het stroomgat. Er hoeven geen berekeningen worden gemaakt maar de grafiek moet wel worden toegelicht op de kritische punten.

VRAAG 2

In de secundaire dijk bevindt zich een coupure (=verkeersopening in dijk, die in noodgevallen kan worden gesloten), die onder deze omstandigheden gesloten is.

Het kunstwerk ziet er als volgt uit:

4m

12m

4m

1m

8m

1m

4m

1m

1m

;~....--.+--

..

-

.

.

...

...

~

...

....

.

-

..

.

.

__,.-..,..,..,..,.-~

1

'---__

-1

-

=

I

10m

/ ;~damwand

20m

10m

LANGSDOORSNEDE

VOORAANZICHT

Gegevens:

ondergrond: grof zand

(/)

=

30°

5

=

20°

Pb =

2400

kg/m3

Pw =

1000

kg/m3

g = 10 m/s2

Gewicht afsluitmiddel coupure = 250 kN

Wrijving van de zijwanden met het dijklichaam wordt verwaarloosd.

(15) vraag 2a.

(35) vraag 2b.

Bepaal de ligging van de resultante in het grondvlak. Wat kunt u van aan de hand van de gevonden ligging zeggen over de stabiliteit tegen kantelen? Motiveer uw antwoord.

(15) vraag 2e.

Bepaal grootte en verloop van de korrelspanningen onder het kunstwerk.

(l0) vraag 2d.

Controleer de piping.

Indien niet aan het criterium voldaan wordt, welke maatregelen kunt u treffen? Motiveer uw

antwoord.

VRAAG 3

De situatie uit vraag 1 verandert enige dagen nauwelijks, maar er steekt een harde wind op uit het zuid-oosten. De windsnelheid bedraagt 10

mis.

Door de wind wordt de secundaire dijk extra belast. Het profiel van deze dijk is als volgt:

NAP+46m

(10) vraag 3a.

Bereken de significante golfhoogte en significante golfperiode vlak voor de dijk. (10) vraag 3b.

Bepaal of de kruinhoogte van de secundaire dijk voldoende is. (Ga uit van z2% voor de golfop-loop)

Wat is uw commentaar op het gevonden antwoord?

(10) vraag 3e.

Stel dat de kruinhoogte onvoldoende is, welke maatregelen kunt u dan bedenken om de situatie te verbeteren? Licht uw antwoord toe (met schetsen).

(15) vraag 3d.

VRAAG 4

Bij deze hoge waterstand kunnen scheepsgolven gevaar opleveren voor de oevers. Dit is ook het

geval in een scheepvaartkanaal, dat parallel loopt aan de rivier, en er mee in open verbinding

staat. In dit kanaal heerst in deze situatie een stroomsnelheid U

=

1

mis.

Het kanaal heeft het

volgende dwarsprofiel:

10m

50m

10m

Voor dit kanaal geldt dat scheepsgolven met een golfhoogteH = 0,12 m nog net toelaatbaar zijn.

Op het kanaal varen onder andere

super schepen,

CEMT klasse Va. Het kanaal heeft een verhang

i = 10-4.

(10) vraag 4a.

Bereken de toelaatbare snelheid van het superschip in het kanaal. Neem hierbij aan dat

Hscheepsgolj

=

2·spiegeldaling (z).

(5) vraag 4b.

Bereken de retourstroomsnelheid rond het schip als het vaart met de bij4a)berekende snelheid.

(10) vraag 4c.

Welke situatie is maatgevend voor de stabiliteit van het bodemmateriaal?

Bepaal of in deze situatie korrels met D = 6 mm op het vlakke gedeelte van de bodem blijven

liggen. Neem voor de kinematische viscositeit"

=

1,3·10-6m2/s en voor de volumieke massa van

de korrelsp = 2650 kg/rrr'.

(10) vraag 4d.

Stel dat de volumieke massa van de korrels p = 2200 kg/m3• Bepaal welke korrel (D) nog net

Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek Vakgroep Waterbouwkunde

Tentamen f3 - Waterbouwkunde 29 maart 1994 14.00-17.00 uur. De punten die U per vraag kunt behalen staan tussen haakjes in de kantlijn vermeld. Het totale aantal punten bedraagt 180. Dit komt overeen met de beschikbare tijd in minuten.

Dit tentamen is gebaseerd op hetf3-dictaat van augustus 1993.

N.B. Het gaat er bij dit tentamen vooral om dat bij het beantwoorden van de vragen de schemati-sering van de oplossing wordt toegelicht en de invloed van de schematischemati-sering op het antwoord. Motiveer dus uw antwoorden !

VRAAG 1

Een kleine nvier stroomt van

A

via

B

naar C. Benedenstrooms van

B

komen vaak

overstromingen voor. De rivier heeft bij B een dwarsprofiel zoals in onderstaande figuur

is weergegeven.

NAP+24m 14-, .. --=2.:=...S_.:..;;m-'---+!_A\~, ...NAP~~Om :.~ ....

A

.. . _. , .,

De

QH

kromme heeft de volgende kenwaarden:

H

(m boven NAP)

Q

(m

3

/s)

20

0

21

11

22

40

23

75

24

130

De afvoer van 130 m

3

/s is de ontwerpafvoer voor de werken die moesten worden

uitgevoerd om de rivier vrij van overstromingen te maken. De waterstand bij

B

van

NAP+24 m mag bij deze afvoer niet worden verhoogd door de kunstwerken, omdat

anders bovenstrooms van B ook overstromingen optreden.

De riviertak BC wordt beschermd door bij B een tweevoudig kunstwerk te bouwen. Het

ene deel van dit kunstwerk beperkt de afvoer door de

tak

Be.

Het andere deel van het

kunstwerk zorgt voor de afleiding van het meerdere water via een omleidingskanaal.

Het omleidingskanaal heeft een bodembreedte van 50 m op een niveau van NAP + 17 m.

De waterstand wordt constant gehouden op NAP+20 m. De taludhelling bedraagt 1:3.

De eisen zijn:

Bij een totaal debiet kleiner dan 11 m3/s moet de totale rivierafvoer via de bestaande tak

BC

worden geleid.

Het debiet door de tak

BC

mag niet groter worden dan

40

m3/s bij de ontwerpaf-voer van de rivier (130 m3/s).

De waterstand juist bovenstrooms van het kunstwerk bij

B

mag bij de ontwerpaf-voer niet hoger worden dan in de oorspronkelijke situatie

(NAP+24

m).

Het kunstwerk mag geen bewegende delen hebben.

Gebruik in dit vraagstuk:

g

=

10

m/s2 v

=

10-6

m2/s C

=

50

m1h/s

IJ. = 1 (onvolkomen afvoercoëfficiënt) _

m

= 1,2 (volkomen afvoercoëfficiënt)

Pwater = 1000 kg/m3 Pzand = 2650 kg/m3

(5) vraag la.

Teken de QH kromme voor het bepalen van tussenliggende waarden.

(10) vraag lb.

Geef aan hoe u denkt de afvoer naar tak

BC te

beperken binnen de gestelde eisen.

Geef met een schets de relevante maten aan van het kunstwerk, zoals hoogten en

afmetingen.

(15) vraag Ic.

Geef aan hoe u het overige water naar het omleidingskanaal afvoert, zonder de maximale

waterstand van

NAP+24

m te overschrijden.

Aanwijzing: kies de maatgevende omstandigheden als uitgangspunt voor de berekening

(5) vraag ld.

Wat zijn de gevolgen van dit kunstwerk voor de rivier als geheel? Hoe zijn eventuele negatieve gevolgen te beperken?

(10) vraag Ie.

Bereken hoe groot de gemiddelde stroomsnelheid in het kanaal is bij ontwerpomstandighe-den.

De bodem van het kanaal bestaat uit zandkorrels met een diameter van 0,3 mmo Is dit

VRAAG 2

Een overlaatconstructie bestaat uit

een voetp

l

aat en een betonnen wand

,

zie figuur

.

In de getekende situatie

moet de stab

ili

teit van het kunstwerk

gecontroleerd worden.

De d

i

kte van de damwand mag

verwaarloosd worden. De damwand

sluit waterdicht aan op de vloerplaat

van het kunstwerk

,

maar brengt geen krachten over.

betonvloer

De lengte van de damwand bedraagt 7,5 m.

De lengte

L

van het kunstwerk bedraagt 20,0 m.

De ondergrond bestaat uit grof zand

,

met een inwendige wrijvingshoek van 30

0•

De

wrijvingshoek met het beton wordt bepaald via de vuistregel: ó=%!p.

(45) vraag 2a.

Ga na of het kunstwerk voldoet aan de eisen met betrekking tot afschuiven en kantelen.

(5) vraag 2b.

Ga na of het kunstwerk voldoet aan de eisen met betrekking tot piping.

(5) vraag 2c.

Om te voldoen aan de eisen van piping wordt achter het kunstwerk een betonvloer

aangebracht met een dikte van 0,80 m

.

De volumieke massa van het beton bedraagt

2300 kg/rrr'

,

De verbinding met het kunstwerk is waterdicht

,

maar brengt geen krachten

over.

Bepaal de benodigde lengte van deze vloer

.

(10) vraag 2d.

Neem voor de lengte van de vloer 10 m

.

Ga na of deze vloer stabiel is bij de gegeven dikte en lengte

.

(10) vraag 2e.

Heeft het aanbrengen van deze vloer consequenties voor de stab

i

liteit van het kunstwerk

zelf?

VRAAG 3

Een zeearm is 30 km lang, zie figuur. De gemiddelde (ongestoorde) waterdiepte bedraagt 3,0 m. Voor de mond van deze zeearm ligt een langgerekt eiland. Hierdoor kunnen er geen golven vanuit zee de zeearm bereiken.

De geul tussen het eiland en de mond heeft een gemiddelde (onge-stoorde) diepte van 10,0 m.

De maatgevende wind (in dit vraag-stuk) komt uit het westen, met een snelheid van 15

mIs.

Bij vragen 3a. en 3b. is de dam nog

niet

aanwezig.

n::

f

..

J

:::

:

~peil.

ç

rr

Skm 30 km

doorsnede I-I

(20) vraag 3a.

Hoe groot is de opwaaiing bij punt

A

als de wind het eiland ongehinderd

kan

passeren?

(20) vraag 3b.

Gevraagd worden de significante golfhoogte en -periode bij punt A. Neem voor de diepten

(geul en zeearm) de gemiddelde diepte (geg)

+

de gemiddelde opwaaiing (vraag 3a).

Aanwijzing: Bepaal de golven inB en gebruik deze goltboogten om een fictieve strijklengte te bepalen over

het deelCB, bij de diepte vanBA.

(5) vraag 3e.

Men vindt de opwaaiing en de golven te hoog. Er wordt besloten om een dam aan te

leggen in de mond van de zeearm. Hierdoor komen er geen golven meer binnen in de

zeearm. De wind wordt echter niet gehinderd.

Bereken de opwaaiing bij punt

A

na aanleg van de dam.

Hoe beoordeelt u het effect van de dam op de opwaaiing?

(5) vraag 3d.

Bereken de significante golfhoogte en -periode bij punt A. Hoe beoordeelt u het effect van de dam op de golfhoogte? (l0) vraag 3e.

Bepaal de golf oploop als het talud van de dijk bij punt

A

1:4 bedraagt.

Welke maatregelen zijn denkbaar om de golfoploop te beperken. (Laat zien hoe een maatregel de oploop beïnvloedt!)

Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek Vakgroep Waterbouwkunde

Tentamen f3 -Waterbouwkunde 19 augustus 1994 14.00-17.00 uur.

De punten die Uper vraag kunt behalen staan tussen haakjes in de kantlijn vermeld. Het totale aantal

punten bedraagt

180.

Dit

komt

overeen met de beschikbare tijd in minuten

.

Dit tentamen is gebaseerd op het f3-dictaat van augustus

1993;

fouten gemaakt door gebruik van

oudere uitgave worden niet geëxcuseerd.

Voor

alle

vragen geldt:

g

= 10

m/s

2.

VRAAG 1

Achter een zeedijk ligt een polder, zie figuur. De waterhuishouding van de polder wordt in grote lijnen als volgt geregeld.

Het teveel aan water wordt via de poldersloten door een gemaal in de spuiboezem gepompt. De oppervlakte van de spuiboezem bedraagt 25 ha. (1 ha è: 104 m2)

Aangenomen mag worden dat het gemaal een constant debiet levert en continu in bedrijf is.

Vanuit de spuiboezem wordt het water op zee geloosd via een uitwateringssluis.De uitwateringssluis werkt dan als een lange overlaat. De sluis treedt in werking, zodra de buitenwaterstand lager is dan de boezemwaterstand. Het afsluitmiddel sluit zodra het water in de boezem hetzelfde niveau heeft bereikt als de zee. De periode waarover geloosd wordt heet ook wel

suatietijd.

----t--- poldersloot ·::::::::rm~;~~;:;:: \: >nabJurgebied ... spuiboezem zeedïk ~ zee uitwateringssluis

Het verloop van de buitenwaterstand in de tijd is bij benadering sinus-vormig, met een amplitude van 1 m en een periode van 12 uur, zie bijlage.

Afvoerrelaties: _suetieqd

\

+O.25m

---volkomen afvoer: , 12tAr\ E onvolkomen afvoer: waarin:

H = energiehoogte boven drempel

h2

=

buitenwaterstand boven drempel

Bst

=

sluisbreedte

[m]

[m]

[m]

10) vraag la.

Bereken hoeveel m3 water tijdens één suatie vanuit de boezem op het buitenwater moet worden geloosd.

Bereken het bij behorende gemaaldebiet.

15) vraag lb.

Geef in de bijlage aan in welke tijdvakken de uitwateringssluis volkomen en onvolkomen werkt. Laat zien hoe u hier aan komt.

20). vraag

Ie.

Bepaal nu (bij benadering) voor elk tijdvak de gemiddelde stroomsnelheid en de afvoer per strekkende meter breedte (q).

Hoe kan het totale volume water worden berekend, dat over de gehele suatietijd geloosd wordt?

15) vraag ld.

Bepaal nu de benodigde breedte van de uitwateringssluis om het overtollige water te kunnen lozen.

10) vraag Ie.

Het ontwerp dat voorhanden is heeft spuiboezemfluctuaties van 0,5 m. Deze fluctuaties hebben nadelige gevolgen voor de vegetaties in het aangrenzend natuurgebied. De beheerder van dit natuurgebied stelt de maximaal aanvaardbare spuiboezemfluctuatie op 0,20 m.

Geef aan welke ingrepen noodzakelijk en/of mogelijk zijn om aan deze eis te voldoen en verklaar hun effect.

VRAAG 2

Het water uit de polder wordt met een zogenaamde

tonmolen

geloosd op de spuiboezem.

Deze molen draait rond in een betonnen 'bakconstructie' , die bestaat uit een vloer en drie wanden. In de onderstaande figuur wordt een schematische langsdoorsnede en een bovenaanzicht gegeven.

E q IC ::::::::::::::::::-:... . <: ::zand laag a5 m __ ~7.""aC!:m,-,--__ ...

~l

t a.5m I ~

Verder is gegeven dat de damwand waterdicht is aangesloten op de constructie en in de ondoorlatende laag steekt, zodat hier ook een waterdichte aansluiting is. De damwand draagt geen krachten af naar de constructie.

Het gewicht van de tonmolen en de aandrijving worden verwaarloosbaar geacht. Verdere gegevens: Pwater = 1000 kg/m3 Ó = 17° Pbeton

=

2400 kg/m3

"

ukorrel. max =50 kN/m-20)

vraag

2a.

Geef een schematisering van alle belastingen die op de constructie werken. Bereken de grootte en ligging van de krachten.

10)

vraag

2b.

Bereken de optredende veiligheid van de constructie tegen afschuiven, in de gegeven situatie.

10) vraag 2c.

Bereken waar de resultante het grondvlak snijdt.

10) vraag

2d.

Bereken of de constructie voldoende veiligheid heeft tegen kantelen.

VRAAG 3

Om de spuiboezem ligt een dijk, waarvan in de figuur slechts het oostelijke deel is weergegeven.

De waterdiepte van de spuiboezem bedraagt ~

gemiddeld 5 m.

t\I

De grootste lengte (oost-west) van de spuiboezem bedraagt circa 1000 m. Er staat een storm-achtige westen wind, met een windsnelheid van 20

mis

.

10)

vraag

3a.

Bepaal de significante hoogte en periode van de golven bij de oostelijke dijk. Schat tevens de

piek

periode.

Hoelang moet de wind aanhouden tot de golven volgroeid zijn?

5)

vraag

3b.

Bereken de opwaaiing ter plaatse van de oostelijke dijk. 10)

vraag

3e.

Kies een taludhelling en motiveer uw keuze kort. Bepaal de golfoploop, op het gekozen talud. 10)

vraag

3d.

Hoe hoog zal de kruinhoogte moeten zijn bij de aanleg?

Voor eventueel ontbrekende gegevens moet u zelf een redelijke schatting maken. 15)

vraag

3e.

Schets een dwarsdoorsnede over de dijk, met enige afmetingen en globaal aangegeven de benodigde bekledingen.

B.ijlage bij

j3 tentamen, dd. 19-08-1994

Naam

Studienummer

a.

«

z

WO·~

_so

₀

E

L!1

.

~ I

a.

«

z

Vakgroep Waterbouwkunde - Sectie Waterbouwkunde College f3

Antwoorden tentamens 17 jan.! 31 mrt.!21 aug. 1992

17 januari 1992

1 bodembreedte 22.6 m spiegelbreedte42 m diepte 3.25 m

2 i = 1.7· 10-5

3 via iteratie: waterdiepte = 3.32 m bodembreedte = 26.6 m waterspiegelbreedte= 46.6 m

U=0.41

mis

4 Overwinnenverval; doorlaat schepen~ stuw + schutsluis 5 Bij verhang van 1.7.10-5 is het verval 8.30 m

Bij verhang van 1.5.10-5 is het verval 8.50 m

6 IH=8964 kN; IV=500+1208·L kN; IM=43196,28 kNm;

afschuiven:

r=

1,5 ~ L ~ 18,87 m kantelen: IMIIVs l/eL ~ L ~ 14.4 m

korreldruk: IV/{b·L}+{IM· Y2L}/C/12·b·L 3}S150 ~ L~21,35 m 7 Lbligh ~ 126 m ~ gevaarvoor piping

8 enkeledamwand, 53 m ~ te lang

twee damwanden,26,5 m ~ mogelijk langer kunstwerk ~ te duur

filter constructie benedenstrooms~ goede oplossing

invloed op waterspanningenonder kunstwerk bij damwanden invloed afm. grondvlak bij langer kunstwerk

9 max. retourstroomsnelheidis 0.70 + 0.41 = 1.11

mis

10 z=0,20

m

11 Opwaaiingis 0.80 m

Hs=1.2 m; T=4.7 s;

f

Op=1.8; z2%=3.2 m

kruinhoogte: NAP+ 50 + 0.8 + 3.2 =NAP.+ 54m

12 Flauwer talud, ruwer talud, muurtje op dijk, berm, veranderen voorland,dijk ophogen.

31

maart

1992 1a Bergingscapaciteit is 21.25.108 m3

m3

~---

--

---

---

----

~

50 60 leegreseNOir 0123456789 10 11 12 MAAND 1b Start

afvoer in eerste week van juli.

2a Uitgaan van de formule voor de schuifspanningssnelheid.

Gevraagde d = 3.94 m

2b Gevraagde verhang is 2.28.10-5

3a Situatie 11is maatgevend.

3b Doorstroombreedte bedraagt 16.6 m 3c Brutovermogen is 12· 106 Watt.

4a .IV=9000 kN IH =5550 kN

IM = 26700 kNm (om zwaartepunt grondvlak) 4b Afschuifkriterium: voldoet niet:

1.2 . EH

=

0.74

>

tan~

=

0.577

EV

kantelkriterium: resultante valt buiten de kern:

x = 2.97 m

>

Ll6 = 2 m

piping: voldoet niet:

Lbligh = 90 m

>

32 m

4c Zie dictaat 4d Zie dictaat

21 augustus 1992 1a d= 5.15m. 1b Hs = 1.3 m.

Ts = 5

s

.

Ga na of aan de voorwaarden voor diep of ondiep water is voldaan.

1c 1 : 3 1 : 5 1 : 7 W = 1440 N W

=

864 N W

=

617 N 1d 1 : 3 1 : 5 1 : 7 Z2% = 3.60

m

z2% = 2.15 m z2% = 1.55 m

1e Geef in de schets van het dijkprofiel ook de bekleding en gebruikte materialen aan.

2a Geen ballast nodig.

2b Ja, gat aan polderkant ongunstiger

2c Piping

2d Provisorische filterbestorting bijv.

3a Waterverlies per schutcyclus 18000 m3.

3b Terugpompen

spaarbekkens

ander kunstwerk, bijv. scheepslift.

3c Spaarbekken oppervlak = 2 x schutkolkoppervlak

peil spaarbekkens tussen N.A.P.

+

6 m. en N.A.P.

+

4 m.

maximaal peilverschil is

6

m.

3d bij ks = 1 mm

-+"

=0.02

-+

Q = 2.59 m3/s

bij ks = 5 mm

-+"

=0.03

-+

Q = 2.34 m3/s

Vakgroep Waterbouwkunde - Sectie Waterbouwkunde College f3

Antwoorden tentamens 15 jan.! 30 mrt.!20 aug. 1993 15januari 1993

A 1 normaal zeepeil = GZN

1.75

:s

U

:s

2.5 mIs ...0.15

:s z :s

0.31 m

aangezien ook bij zeepeil = GZN+0.15 m ook U ~ 1.75 ...GZN+0.31m doorstroom profiel: A

=

80 m2, drempel GZN-2.5 m

A2

z

=0,1 6 ...stroomsnelheid oké

doorstroom profiel benodigd A = 114 m2 twee situaties: variabele opening 8.0 - 114 m2

- twee openingen van 40 m2 plus één regelbare van 34 m2 - één variabele opening

- etc.

A3 eisen: sluitbaar in stromend water, tweezijdig kerend, vrije doorvaarthoogte van 12m, waterafdichting ivm zoutbezwaar

diverse combinaties mogelijk A4 afhankelijk van gekozen oplossing

A5 24 uur gesloten: verhoging van waterstand

=

0.23 m

>

0.20 m stuwdam A sluiten, pompen, etc.

81 IH

=

1620 kN ... IV

=

422L + 400 kN ~

afschuiven: 1.2· IH

:s

IV· tanó ...L ~ 7.0 m kantelen: IM

=

3700-1 OL2...L ~ 6.4 m ...maatgevend L

=

7.0 m

L

=

7 invullen ...korrelspanning O"oP.z

=

26,5

±

21,5

... O"max

=

48 kN/m2

<

150 kN/m 82 L ~ 1.5· Cs •H = 30 m

83 zie dictaat

Cl peil in bekken = GZN +0.30 m ...dgem = 2.8 m

;=

4·10-6·172/(10·2,5) ...llh

=

O,12m

ontwerppeil = GZN + 0,42 m

golfhoogte

=

0,75 m; golfperiode

=

4 s

fop

= 5,8

tana;

kies flauw talud (1 :6) ...

fop'"

1 z2%

=

1,05 m ; aanleghoogte

=

GZN + 1,77 m C2 zie dictaat

30 maart 1993 A1 peil (f

=

10-2/jr)

=

msl

+

1 m diepte = 3 m opwaaiing: Sh

=

0,5 m golven: Hs

=

0,9 m ; T

=

4,3 s oploop: fop

=

1,9 ...z2%

=

2,6 m kruin: msl + 1 + 0,5

+

2,6 = msl + 4,1 m A2 flauwer talud, ruwer talud etc.

A3 lagunepeil = msl +0,8 m ...d = 2,8 m opwaaiing: flh = 0,27 m

golven:

H

s = 0,9 m ;

T

= 4,4 s

oploop: fop = 2,0 ...z2% = 2,52 m

kruin: msl + 0,8 + 0,27 + 2,52 = msl + 3,59 m ...bestaande dijkhoogte voldoet (msl + 3,80 m) A4 zeepeil (f = 10-4) = msl + 1,3 m

lagunepeil = msl + 0,8 - 0,27 (afwaaiing) = msl + 0,53 m verval = 0,77 m

A5 enkele dagen per jaar: peil = msl - 0,40 m diepte: 1,3·d = 15,6 m ...drempel: msl-16,0 m krachten op de deur: kN/m F1 =1728 F2~1,44d2+95,44d+1578 F3 = 165,3d F4 = 2,5d2 G = 200 IM = 1,94J3 + 110,2d2 + 759,3d - 2468 =0

...d = 2,32 m; acceptabel bij 20 m 'hoogte'.

81 bodem: 33,91 m; spiegel: 55,75 m; d: 3,64 m 82 Q = 149,3

m

3

/s;

U = 0,88

mis ...

voldoet

83 Vgr = 2,84

mis

84

u

r = 0,63

mis;

maatgevend: 1,51

mis; z

= 0,17 m

85 oplichten: G1. ~ Pw·V ...d ~ 0,18 m

20 augustus 1993 1a) Q = 81 5 m3/s 1b) A = 645 m2 U = Q 1A = 1.26 mIs t c) R = 2.797 m C = 1

IVlR',l

= 0,597

lVi

i= 10-5 C= 189 lm1/2/s] 5·10~ 85 7.5 .10-5 69 10-4 60

1d) Een redelijke combinatie is i = 5.10-5 met een C-waarde van 85 m1/2/s• 1e) C = 85 m1/2/s -+k = 0.6 mm -+D90 = 0.3 mm -+vlakke, zandige bodem.

1f) Gedurende ca. 105 dagen bedraagt de waterdiepte

-s

3 m.

Diepte vereist van 3.64 m. Deze diepte wordt gedurende ca. 220 dagen per jaar NIET gehaald. Dit betekent dat de schepen slechts zo'n 40% van het jaar gebruik kunnen maken van de vaarweg. Dit is onaanvaardbaar.

1g) Zie dictaat

2a) Waterstand NAP

+

2.00 is maatgevend voor afschuiven.

IH = 20 kN-+ ; I V = 32 kN ~

Y'IH

s

IV·tamp; bij zand: tp=30o

Y = 0,92. De veiligheid

<

1 ~ NIET stabiel voor afschuiven Resultante binnen kern:

IT = 19 kNm -; IV = 32'kN ~ ~ x = 0,59 m

<

0.67 m voldoet

2b) Piping,overschrijding maximale korreldruk, mechanische beschadiging (aanvaring) 2c) Bekijk situatie waterstand is NAP

+

2.00

IH = 20 kN-+ ; IV = 82 kN ~ Afschuiven:

Y'IH

s

IV·tamp

Y = 2.37 ~ stabiel voor afschuiven

Resultante binnen kern:

IT = 52,5 kNm -; IV = 82 kN ~ ~ x = 0,64 m

<

0.67 m voldoet

Bekijk vervolgens meerpeil = NAP

+

1,00 m: (lege bak is maatgevend) Afschuiven:

IH= 5 kN; IV= 52 kN ~ Y = 6.0 voldoet

Resultante binnen kern:

IT=36 kNm; IV=52 ~ x = 0,69 m

>

0.67 m ~ BUITEN DE KERN!

2d) zie dictaat 2e) zie dictaat

3a) Vgr

=

2.81 mIs

3b)

v

=

0.85· Vgr -+z

=

0.256 m -+Ur

=

0.90 mIs 3c) zie dictaat

3d) zie dictaat

3e) Een praktische benadering:

Stel C ... 50 m 1/2/s; met U = 1.9 m/s -»

U.

CT

=.[i~

= 0.120 mIs

Uit Shields diagram voor begin van bewe~ing:

o.;»

10.5 mm

Hierbij hoort eenk ...2.5·0(90) ... 25·10- m. Met R

=

2.96 m .. C

=

57 m 1/2/s. Uit Shields:

o.;»

10.5 mm

14 januari 1994

1a) 1b)

Volkomen, lange overlaat.Q = m·1,7-8·fi312

=

179 m3/s

Afvoer volkomen tot water in polder NAP+44 m daarna onvolkomen.

(Verloop volgens niet-lineaire differentiaal vergelijking)

poIln~ -1W'+44m : Q(~ 2) V1 V2

V3

V4 V5

V6

H F(kN) 5736 250 3825 -2500 -2500 45 -1250 e(m)

o

o

5

o

3,33 9 1,67 M(kNm)

o

o

19125

o

-8333 405 -2083 I V

=

4856 kN (omlaag) IH = 1250 kN (naarlinks) IM = 9114 kNm (rechts om)

2a) Afschuifcriterium: y = 1,41; y> 1 (voldoende)veiligheid

2b) Ligging resultante:

e

=

1.88 m rechts van midden <3,33 - veilig tegen kantelen.

2c) 0mm' _ ••

= -

Ev

'f -

EM

=

24,3 'f 13,7 kN

/m

2 .- A W 1n6~ 38.0kN/m2 2d) Cs = 12; H = 5 m:L 2:: 1,5'12,5 = 90 m L = 40 m - 50 m tekort. (Bligh)

Maatregelen:- langere damwanden, - dichte bodembekleding,- filterconstructie droge zijde etc.

3a) U = 10 mIs, d = 5 m (gemiddeld), F = 5 km

Stel: diepwater: aflezen levert Hs = 0,57 m; Ts = 2,2 s

Controle:c ... 1,56' T

=

3,43 mIs; A

=

7,55 m; dIA

=

0,66 > % - diep

3b) Golfoploop: fop"'" 1,36 - Z2% "'" 1,16 m. Evt. reductie voor gras:Ar = 0,95; z2% ... 1,10 m

Opwaaiing:i ...7,5'10-6; llh ... 0,04 m.

Kruinhoogte:NAP + 45 m + 1,10 m + 0,04 m = NAP + 46,14 m, dijk is te laag.

3c) -zandzakkenop de dijk, - ruwer talud, - flauwer talud,- muurtje op dijk, - overslag toestaan

3d) Invloed op stabiliteit: - 0,04 m opwaaiing is verwaarloosbaar, - de golven korte periode,invloed

relatief klein, - wind heeft dus weinig invloed op de stabiliteit van de constructie, - wel golfoverslag bij de coupure.

4a) ~c

=

519,5 m2, As

=

44,46 m2!_AsIAc

=

0,09

h

=

5,65 m,zmax

=

0,06 m - zlh

=

0,011, V "'" 2,2 mIs

4b) ur AI 0,26 mIs

4c) Schip tegen stroom in; u = U+ur = 1,26 mIs; R=5,27 m

Stationaire situatie: u =

c{ïiJ -

c

=

44mYt/s

Maatg. situatie: u. =

!!..{i

= O,09m/s - beweging

C

4d) Nu Ps

=

2200 kg/m3,'II

=

1 2' Re• =70000'D

" lp = 6,9·10 ...·D-1

29 maart 1994

1b) Eerst afvoer naar tak BC:

wegens eis: 0:5.11 m3/s doorBC volgt hiervoor onderafvoer noodzakelijk. kies een

a,

in dit geval 1m (geringeopstuwing).

uitgaande van ontwerpafvoer:

+22

Q

= ~

·B·a)2gz

40

=

l

·

B

·

l )2g·2

Huv:B = 6,32 m. a-1m Q-4Om3/s Opstuwing bij0 = 11 m3/s: z = 0,15 m. , c) Afvoer naar omleidingskanaal:

wegens eis0:5.11 etc.... drempelop 2: + 21, 15 m. gekozen: +21,15 m. 24 Q-9Om3/s 21.15m l~ 20

H'

=

2,85

m

Q

=

m·B ·1,7 ·H

3/2

90

=

l,2·B ·1,7 .2,85

3/2 Huv:B = 9,'7 m. 1e)

o

= 90 m3/s 0

=

69 m 'A

=

177 m2 R

=

2,57 m C

=

50 m%/s U.

=

0,032 mIs

Uit Shields-diagram(fig. 3.9) volgt dat korrels met D = 0,3 mm in beweging komen.

.... 10m 15m 10m 2a) .. . '.' . kN/m2m'

t

v

3

Kracht kN/m arm m moment kNm/m

V1

=

9,5·'·5·pg

=

475

,

5,25 -2493,8 V2

=

9,5·1·1·pg

=

95

,

5,25 +498,8 V3

=

53,57·1·10

=

535,7 t 5 +2678,5 V4

=

25·1·10

=

250 t 5 -1250 V5

=

~H65-53,57)·1 0·1 57,2 t 6,66 +381,4 V6

=

%·(36,43-25)·10·1 57,2 t 3,33 -190,7 G

=

(30+5)·Pb·g·'

=

840

,

0 0 IV = 509,0 kN/m , H1

=

%·pg·6,52

=

211,3

...

2,16 +457,9 IH = 180 kN/m ... H2

=

%·pg·2,52

=

31,3

...

0,83 -26,1 IM 56 kNm/m (rechtsom) Afschuiven: y = ',03

Kantelen:

e

= 0," m.

e

:5. 20/6 = 3,33 m. Er is dus voldoendestabiliteit tegen kantelen. 2b) Piping volgens Bligh (L=72m) en Lane(L=30m) Aan beide criteria wordt niet voldaan. 2c) Benodigdelengte: Bligh: I

=

72 - 38

=

34 m Lane: I

=

3(30 - 24,7) = 15.9 m 2d) Lengte = lOm; dikte = 0,8 m;

2e) Het aanbrengen van de vloer beïnvloedt de opwaartse waterdruk onder het kunstwerk. 3a) In totaal treedt bij A een windopzet op van 0,04 + 0,83 = 0,87 m.

3b) Gemiddeldediepte geul: 1

°

+ Y:z'0,04 = 10,02 m.

Tplv. de ingang zeearm:Hs = 0,9 m; Ts = 2,6 s (controleren diep/ondiep).

Deze golven komen de zeearm binnen. Grafieken (fig 3.23 en 3.24) gelden voor golfgroei met beginwaarde Hs

=

Om.Hs

=

0,9 m kan worden verrekenddoor de zeearmfictief langerte maken, zodanig dat tplv. het begin van de zeearm Hs = 0,9m. Voor de fictieve strijklengte over de geul geldt dat bij F/d

> >

2000 (getrokken lijn) zodat de fictieve strijklengte geen invloed heeft op de golven in A. Doordat de strijklengte al "maximaal" is, zullen de golven dus niet hoger worden dan 0,9 m in het geval van ondiep water.

Hs /d ... 0,25 ....Hs ...0,9 m; Ts ...4,1 s.(Controle diep/ondiep!) 3c) Het blijkt dat de opwaaiing gehalveerd wordt.

3d) Hs =0,8 m; Ts = 3,8 s (controleren diep/ondiep).