Zandsluitingen: State of the art, supplement 1990

ZANDSLUITINGEN

STATE

OF THE ART

1

Z A N D S LUI TIN GEN

STATE OF THE ART, 1990

" ' "- .-) ,.1'....; ;r: I. ..,1 ..:.. .. J \'_" (

-2 INHOUDSOPGAVE

1. INLEIDING

2. WERVELSTRAAT: TURBULENTIES EN ZANDTRANSPORT 2.1 GEMETEN TURBULENTIE IN DE WERVELSTRAAT

2.2 RELATIE TUSSEN TURBULENTIESTRUCTUUR EN ZANDCONCENTRATIE 2.3 CONSEQUENTIES VOOR DE WERVELSTRAATVERLIEZEN

2.4 DIMENSIELOZE TRANSPORTFORMULE 2.5 REGRESSIE ANALYSE

2.6 HERIJKING OUDE SLUITINGEN 3. DE FINALE FASE 3.1 PROBLEEMSTELLING 3.2 ONTWERPAANPAK 4. ZANDVERLIESMODEL 4.1 DE TRANSPORTFORMULE 4.2 AANBEVOLEN VERLIESMODEL LITERATUURLIJST FIGUREN BIJLAGEN

3

LIJST VAN FIGUREN

2.1 Concentratie als functie van de turbulentie-intensiteit in de wervelstraat

2.2 Gemeten/berekend transport als functie van de snelheid 2.3 Relatie tussen transport- en stroomparameter in de

wervelstraat

2.4 Relatie tussen transport- en stroomparameter in de hoofdstroom.

LIJST VAN BIJLAGEN A. De finale fase.

r- _.'

4 SYMBOLENLIJST

a

=

ijkcoëfficiënt in formule van Engelund-Hansen al

=

op sluitingen geijkte waarde van a

A

b

= aanduiding van eerste stort

=

ijkcoëfficiënt in formule van Engelund Hansen B

=

aanduiding voor tweede stort

C D D50

=

Chezy coëfficiënt

=

korreldiameter

=

mediane korreldiameter f = 2g/C2 g h I ka p S T T.. TB v

=

versnelling zwaartekracht

=

9.81

=

waterdiepte

=

verhang = Nikuradze ruwheid (= 0,1)

=

poriëngetal (= ca. 0,4)

=

sedimenttransport (afgezet)

=

bodemtransportwaarde voor S

=

wervelstraattransportwaarde voor S = St voor stort A = St voor stort B

=

sedimenttransport (volume vaste stof) = afstand teenlijn voor stort A

=

afstand teenlijn voor stort B

=

stroomsnelheid

=

stroomsnelheid in vertikale richting

= relatieve dichtheid (= 1,65) [-] [ -] [miIs] [m] [m] [mI S2] [m] [-] [m] [

-

] [m3/m IIs] Im"/rnIIs] Im"/rnIIs] [m"/rnIIs] [m3/m' Is] lm/rn ' Is] [m] [m] [mIs] [mis] L - ]

e

=

-rr

c

:

Ll D <P

=

T

I

VgJ

D:

/.

1. INLEIDING

sinds het verschijnen van de eindevaluatie van de zand-sluitingen in het oostelijke deel van de Oosterschelde

(lit. [1]) heeft op een aantal gebieden nader onderzoek plaatsgevonden.

Gedurende de laatste dagen van de zandsluiting Krammer zijn turbulentie-intensiteit en zandconcentratie simultaan ge-meten in de wervelstraat benedenstrooms van het sluitgat. Gebleken was (zie lito [1]) dat het zandtransport in de wervelstraat een cruciale rol speelt bij de zandverliezen van zandsluitingen. De interpretatie van deze metingen (zie

lito [2]) heeft nieuwe inzichten opgeleverd, wat tot bepaalde aanpassingen van het verliesmodel heeft geleid. Naberekening van sluitingen uit het verleden met de in

lito [1] gepresenteerde methode leverde het opvallende resultaat op dat een aantal sluitingen onmogelijk konden slagen in de finale fase, terwijl deze in werkelijkheid wel gesloten zijn. Deze contradictie diende onderzocht te

worden.

Beide zaken, de interpretatie van de turbulentiemetingen en de tegenspraak t.a.v. de finale sluitingsfase waren aan-leiding om de in lito [1] gepr~senteerde methode nogmaals aan een kritische beschouwing te onderwerpen.

2.1 GEMETEN TURBULENTIE IN DE WERVEL STRAAT

Tijdens de sluiting van het Krammer zijn turbulentie en zandconcentratie simultaan gedurende enkele uren gemeten in de wervelstraat. Voor details betreffende de verwerking van deze metingen wordt verwezen naar lito [2).

Tijdens deze metingen zijn de stroomsnelheden in de 3 hoofdrichtingen x, y en z bepaald met een frequentie van

0,1 S.

Als maat voor de turbulentie is de a(vz) per 10 minu

ut-interval gebruikt.

Opvallende constatering is dat de turbulentie sterk kan variëren per 10 minuutinter--~l.

De 10 minuutintervallen met lage turbulentie-intensiteit zijn opgesplitst in 2 minuutintervallen en vervolgens ge-analyseerd. Hieruit bleek dat in deze 2 minuutintervallen de turbulentie slechts weinig varieerde.

Dit was in sterke tegenstelling tot de 10 minuutintervallen met hoge turbulentie-intensiteit. Uit een gelijksoortige analyse bleek hier een factor 2 te liggen tussen het 2 minuutinterval met de grootste a(vz) en die met de kleinste

a(vz)' Het 2 minuutinterval met de kleinste a(vz) uit deze

hoogturbulente 10 minuutintervallen was qua turbulentie-intensiteit vergelijkbaar met de eerstgeanalyseerde laag-turbulente 10 minuutintervallen.

De resultaten van de analyse kunnen als volgt samengevat worden: Er is in de wervelstraat sprake van wervels die hoge turbulentie-intensiteiten veroorzaken. Perioden van wervels met lage turbulentie-intensiteit worden afgewisseld met perioden van wervels met hoge turbulentie-intensiteit. De perioden met lage turbulentie-intensiteit uit de

wervelstraat zijn vergelijkbaar met de turbulentie-inten-siteit in de hoofdstroom.

2.2 RELATIE TUSSEN TURBULENTIESTRUCTUUR EN ZANDCONCENTRATIE Naast de turbulentie werd gelijktijdig ook de zandconcen-tratie gemeten in de wervelstraat. De zandconcenzandconcen-tratie werd op vier verschillende niveaus gemeten; 0,2 m, 0,5 m, 1 m en 2 à 3 m boven de bodem (dit laatste niveau komt overeen met 1 à 2 m onder het wateroppervlak bij een diepte van ca. 4 m. De meetdata waren beschikbaar in de vorm van

gemiddelde waarden gedurende 2 minuutintervallen, zodat gemakkelijk een mogelijke relatie met de turbulentie onder-zocht kon worden.

In figuur 2.1 wordt het verband tussen de concentratie en de turbulentie-intensiteit a(vz) voor de 4 niveaus getoond.

Er wordt op gewezen dat gedurende de wervelstraatmeting de stroomsnelheden slechts weinig varieerden (tussen 1,5 en

In figuur 2.1 is tevens het gemiddelde verband tussen con-centratie C en turbulentie-intensiteit a(vz) (op één meter

boven de bodem, die goed de gehele vertikaal weergeeft) voor de 4 niveaus geschetst. Hieruit kan worden afgeleid dat bij toenemende turbulentie-intensiteit het bovenste gedeelte van de zandvertikaal (vanaf 1 m boven de bodem tot het wateroppervlak) in steeds sterkere mate gevuld wordt. Voor het niveau 0,5 m boven de bodem neemt de concentratie slechts in geringe mate toe, terwijl op het laagste niveau (0,2 m boven de bodem) zelfs het tegengestelde kan worden opgemerkt: een sterk afnemende concentratie bij toenemende turbulentie-intensiteit.

Een verklaring voor dit laatste fenomeen zou kunnen zijn dat bij sterk toenemende turbulentie het zand naar boven in de verticaal wordt gezogen, echter de erosie op de bodem is niet in staat het deficiet onder in de verticaal op het-zelfde moment weer volledig aan te vullen.

De omslag tussen toenemende en afnemende concentratie bij toenemende a(vz) ligt op een niveau van ongeveer 0,5 m

boven de bodem (bij een totale diepte van ca. 4 m).

Door de sterk toegenomen concentratie in het grootste deel van de zandvertikaal gedurende een periode van hoge

turbulentie-intensiteit zal ook het zandtransport sterk toenemen. De afname van de concentratie aan de onderzijde van de verticaal ten gevolge van het naijlen van de erosie op de bodem onder de gewijzigde (a(vz» omstandigheden, zal

deze toename iets minder sterk doen zijn.

Het voorgaande samenvattend kunnen de waarnemingen in de wervelstraat als volgt worden beschreven: rustige perioden met "normale" transporten worden afgewisseld door perioden met wervels met hoge transporten.

De tijdschaal hierbij heeft de orde van enkele minuten.

2.3 CONSEQUENTIES VOOR DE WERVELSTRAATVERLIEZEN

In lito [1] is het verband tussen het zandtransport in de wervelstraat en stroomsnelheden bepaald door een groot aantal transportmetingen op logaritmische schaal uit te zetten tegen de stroomsnelheid.

In figuur 2.2 is dezelfde figuur op lineaire schaal gegeven. Hier komen de hoge waarden veel duidelijker naar voren.

In de vorige paragraaf is aangetoond dat deze hoge waarden niet veroorzaakt worden door statistische ruis zoals in lito [1] is aangenomen, maar een wezenlijke onderdeel vormen van het transportproces in de wervelstraat.

9

Omdat het in paragraaf 2.2 beschreven verschijnsel van elkaar afwisselende perioden met lagere en hogere turbu

-lentie-intensiteit bij lagere snelheden « 1.0 mis) meer invloed op de transporten heeft dan bij hogere snelheden

(> 1.0 mis) zal de resulterende relatie met de snelheid kleiner zijn (en dus grotere transporten bij snelheden kleiner dan 1 mis opleveren) dan zoals eerder gevonden is

(lit. [1], V').

Bovendien is in lito [2] als resultaat van de analyse ge-vonden dat de turbulentie de snelheidsmeting (met de AZTM)

zodanig beïnvloedt dat deze 10% te lage meetwaarden op-levert. De uit de gemeten snelheid en concentratie bepaalde transporten (zoals in figuur 2.2) dienen dan ook met een factor 1.1 verhoogd te worden.

2.4 DIMENSIELOOS MAKEN VAN ENGELUNO-HANSEN

In lito [1] is voor de berekening van zandtransporten de formule van Engelund-Hansen gebruikt.

In de meer elementaire dimensieloze vorm luidt deze:

f

rp

=

O. 1

e

5/2

..

met f

=

2g/C

~ =

TI

V

g

1i

03'

e

=

hlI Cl0

=

v2/ C2/J0 als weerstandscoëfficient als transportparameter als stroomparameter verder is: g

=

versnelling zwaartekracht

=

9,81 C

=

Chezy coëfficiënt

T

=

sedimenttransport (volume vaste stof) À

=

relatieve dichtheid

=

1,65

o

= maatgevende korreldiameter (=050) h

=

waterdiepte I

=

verhang v

=

gemiddelde stroomsnelheid [miS2] [miIs] [m3/m'Is] [m] [m] [mis] Toegepast op zandsluitingen wordt de volgende vorm ge-bruikt:

Q;(g/C2) = a

e

b

met: a en bals ijkparameters

Uitgedrukt in volume zand in afgezette toestand inclusief poriën m.b.v. T

=

S (l-p): met: = aS'" als transportparameter en: S

=

sedimenttransport (afgezet) p

=

poriëngetal

=

ca. 0,4. (m3/m'/s]

2.5 REGRESSIE ANALYSE

Rekening houdend met de in paragraaf 2.3 genoemde correc-tiefactor 1.1 op de transporten is een lineaire regressie

uitgevoerd ter bepaling van de ijkparameters a en b volgens

Gekozen is voor een regressie op de logaritmische waarden in verband met het exponentiële karakter van het verband tussen

q,

en

e .

Het resultaat wordt gegeven in figuur 2.3 voor het

wervelstraat transport en in figuur 2.4 voor het transport in de hoofdstroom.

De hierbij berekende waarden voor de ijkparameters zijn:

a b

wervelstraat 0.078 1.75

hoofdstroom 0.031 2.50

2.6 HERIJKING OUDE SLUITINGEN

In lito [1] zijn de verliezen volgend uit de kuberingen van de sluitingen gebruikt om formule met een ijkfaktor te

corrigeren. Doordat de formule voor de wervelstraat ge-wijzigd is, wordt die,ijking hier herhaald voor de hoofd-stroom blijft de exponent hetzelfde als in lito [1] zodat geen herijking nodig is.

11

Per sluitgat wordt in onderstaande tabel het uit de

kubering bepaalde totale verlies (lit. [1]) verminderd met

het berekende bodemverlies om het "gemeten" wervel straat-verlies te bepalen.

Sluitgat Brielse Bahrein Tholensche Kranuner

Gat Gat 15/4-17/4 Verlies vlgns kubering u 600.000 240.000 83.000 257.000 o onbekend onbekend 48.000 95.000 [m3] Berekend bodemverlies 75.000 0 40.000 105.000 [m3] Wer vel-straat verlies 525.000 240.000 43.000 152.000 [m3]

Met de transportformule uit de vorige paragraaf kan het wervelstraatverlies worden berekend. De resultaten worden in onderstaande tabel vergeleken met bovenstaande "gemeten" wervelstraatverliezen Sluitgat berekend wervelstraat verlies [m3] 108.000 58.000 27.000 23.000 Brielse Gat Bahrein Tholensche Gat Krammer (15/4-17/4) "gemeten" wervelstraat verlies [m3] 525.000 240.000 43.000 152.000 gemiddeld "gemeten" berekend 4.9 4.1 1.6 6.6 4.3 De formule voor het wervelstraattransport uit de vorige paragraaf moet daarom met 4.3 worden vermenigvuldigd. Dit resulteert in een ijkparameter:

al

=

0.34

De nieuwe formule geeft hogere verliezen dan lito [1] be-neden de 2 mIs en lagere verliezen boven ruim 2 mIs.

3. DE FINALE FASE 3.1 PROBLEEMSTELLING

De finale fase geeft enkele specifieke problemen die uit-voerig besproken worden in bijlage A. Dit hoofdstuk is hiervan een samenvatting.

Als met de methode van lito [1] aangepast met de korrek-ties uit het vorige hoofdstuk de zandsluitingen Brielse Gat en Meldorf worden doorgerekend, blijken deze vanaf 100 à 150 m2 sluitgatoppervlak niet meer te sluiten te zijn d.w.z. bij een bepaald sluitgatoppervlak wordt het getij-gemiddelde verlies groter dan de produktie. De methode is gebaseerd op zandtransportmetingen en zandverliesmetingen

van 0-1000 m2 sluitgatoppervlak. Metingen bij zeer kleine

sluitgatoppervlakken zijn echter zowel gering in aantal als onbetrouwbaar door de combinatie van ongunstige meetom-standigheden zo als hoge stroomsnelheden en geringe diepten. Het is dus heel goed mogelijk dat voor sluit-gatoppervlakken kleiner dan 150 m2 de voorgestelde methode een afwijkend gedrag vertoont. Een aantal mogelijkheden worden opgesomd in bijlage A. Geen hiervan is echter zo-danig kwantificeerbaar dat er een aangepaste methode uit af te leiden is. Daarom wordt gekozen voor een versimpelde manier van aanpak.

3.2 ONTWERPAANPAK

Als de sluitingen van Meldorf en Brielse Gat nagerekend worden met de methode uit het vorige hoofdstuk dan zal het

getijgemiddelde verlies gelijk zijn aan de produktie bij een bepaald sluitgatoppervlak. Bij dat sluitgatoppervlak is de gemiddelde voortgang nihil. De gevonden waarden staan in onderstaande tabel

Sluitgat sluitgatoppervlak waar

berekend verlies

=

produktie Meldorf

Brielse Gat

150 m2

130 m2

De versimpelde ontwerpaanpak is nu de volgende: Bereken een sluiting slechts tot 150 m2. Is bij een sluitgatoppervlak van 150 m2 de sluiting nog steeds haalbaar, met in acht name van de te hanteren faalkans, dan zal ook de laatste sluitingsfase vanaf 150 m2 tot dicht haalbaar zijn. Van de sluiting van Meldorf is bekend dat deze ternauwernood

lukte, zodat de 150 m2 een goede maat lijkt. Van het

Brielse Gat zijn zulke problemen niet bekend, en ook uit de berekening blijkt dat 150 m2 nog gemakkelijk gehaald wordt.

13

De gevonden 150 m2 kan worden gezien als de gemiddelde

waarde voor een uit de ervaring bekende kritiek doorstroom-oppervlak tijdens de finale fase. Daarom heen bevindt zich een a-band, maar ook om de berekende verliezen bevindt zich een ruime a-band. Omdat beide a-banden in zekere zin

complementair zijn wordt terwille van de eenvoud volstaan met de a-band rond de berekende verliezen.

Dit wil dus niet zeggen dat de 150 m2 een vaststaand getal is, maar dat de onzekerheid daarover verwerkt is in de onzekerheid rond het berekende verlies.

4. ZANDVERLIESMODEL 4.1 DE TRANSPORTFORMULE

De transportformule zoals gebruikt voor zandsluitingen

luidt: h

<P*

fff{'-p

)

/

C~];:

(L

e

m-et~ =

sI

V

g1;)D5::'als transportparameter en

e

= v2/(C2/:l D50) als stroomparameter verder zijn: S v /.j g p C ka h a,b

= transport (gesedimenteerd zand) = vertikaalgemiddelde stroomsnelheid = relatieve dichtheid (=1,65)

= zwaartekrachtversnelling (=9,81) = mediane korreldiameter

= poriengetal (p = 0.4)

= Chezy coëfficiënt 18 log (12h/ka)

= Nikuradze ruwheid (= 0,1) = waterdiepte

= ijkfaktoren

De ijkfaktoren zijn als volgt bepaald:

a' b wervelstraat 0.34 1.75 hoofdstroom 0.06 2.50 [m3/m'/s] [mIs] [m/s2] [m) [m~/s] [m) [m)

Grafisch weergegeven snijden de transportkrommen voor wervelstraat en hoofdstroom elkaar bij

e

= 3.24 hetgeen afhankelijk van de waarden van de parameters overeenkomt met v ~ 2 mIs. Op grond van fysisch inzicht wordt het niet aannemelijk geacht dat het transport in de wervelstraat kleiner is dan in de hoofdstroom. Daarom wordt gesteld dat voor

e

> 3.42 de ijkfaktoren voor de hoofdstroom (a= 0.031

15 4.2 AANBEVOLEN VERLIESMODEL

Met ~e aanpassingen uit deze nota kan het aanbevolen v

er-liesmodel als volgt worden beschreven:

Voor bouwfasen met een sluitgatoppervlak groter dan of gelijk aan 150 m2:

Bepaal in de toekomstige damas in de gegeven bouwfase de snijpunten A en B van de storts met de bodem. Verdeel het gebied tussen A en B in vakken (zie figuur).

\ \ \ \ Oo(çprcr'l~elijke, ccdll'm _, \... .~~ __ ...-1

A

Bereken voor elk vak het bodemtransport met de formules

uit par. 4.1 (a=0.06, b=2.50). Tel het resultaat van

alle vakken op tot het bodemverlies Sb.

Bereken voor A en B het wervelstraattransport S~ en S~

volgens de formules uit par. 4.1

(e

< 3.42: a=O.34,

b=1.75;

e>

3.42: a=O.06, b=2,50)

Bepaal de afstanden T~ en T~ tussen de toekomstige damas en de toekomstige benedenstroomse teenlijn (zie figuur).

-

-

-_)

-(--~

--

--

--Bereken het wervelstraatverlies Stmet

St = 0.3

*

T"

*

Su + O.3

*

T..

*

St..

Tel St en Sb op tot het totale sluitgatverlies.

Bepaal met par. 15.6, 18.4 en 18.5 uit lito [1] de ver-eiste veiligheid op het totale sluitgatverlies.

Als de sluiting met de vereiste veiligheid lukt tot 150 m2 sluitgatoppervlak, slaagt de sluiting vooropgesteld dat de inzet en capaciteit van rijdend materieel in de finale fase

mogelijk (begaanbaarheid van het stort) en voldoende groot

Literatuur

1. Zandsluitingen, state of the art 1988:

Rijkswaterstaat, BCZ-88-20-002 2. Analyse turbulentiemetirigen

3000 c

f

(~/l) 2000 1000 o o +

0\

\

\

\

\

\

~

\

)( 1" _ + _-- - -+- - - -- ./ _ ._ - - 0 ,/ "t • /' y4

/.0

/.

o o +

•

.

,

-:

>(

x.·

/'

/ J( •

.

/

x/

•

•

• _••

_•

0.05 0.1 o 0.2 m boven bodem ~ +t+ + 0.5 mboven bodem x 1 mboven bodem

•

2- 3 m boven bodem cr("z; 1/10 sec) (mis) (1 mboven bodem)

Concentratie als funktie van o(v ) inwervelstraat

•

...., lI( ~ 0

-5

lI(lI( 0

·

1:J (\j _..... lI( lI(-'" Q., c: Q., lI( c IJ) lI(~. 0e lI( lI( ₀ lI(l~ l.. _, 111

,f

IJ) 0 .

;~,

lt) , lI(lI(

·

lI(lII ~~ 111 111 111 -'lI( lI( 111 lI(-'" 111 111 0 111 0 111

·

111 111 111 _lI(lI( 111 111 111 ₁₁₁ 111 ~ ~ 111 111

lI( lI( lI(

111 ~ ll/'ElI( 111 111 lI(

--

lil 111\ _>Jl4.111 111. 111

·

0 111 111 111 o o

r---r---~---~---~---~.

₀₀ IJ)

~

·

-c: Q) e, Q) ~

....

~ ~Q) ~"t:! ... q, .... t,. ... !(gt:ll 10 10 _c::, lt ....11) c::, q,q,;X:

·

~c:

-...1tIc:

....

....,~ ~t::l

--

~ (J)_tJ1

-

·

0

-

c::,

'""

--

111

--

_-

----

-.

-

_--

_-

_-

--

C)

-

- lil

-C) 0 lil C)

--

11( 111 lil

-

•

-Cf)

-

lil _~ ~

...

-

• Cl ~ C) Cl

.

-

₁ c, ~ -hl Cf)

tt

c::

• Cl..l

-"t::l

...

Cl..l

c::

Cl..l _c::, C) -Cl 'It- _C) 'It- _• -hl c::,

-C'tl

-

1 C'tl

-

• c, 1 -hl Cf) '"-1 Cl..l I1 ~ ).;" c,

_o.

Cl..l _0'1 ~ _c

...

c::

-ec

-.~ ..., C) ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ C) ~ I

...

-.. C) c::, C) _{c::, ~} c:::: ~

.

.

•

.

.

• •

.

.

.

Cl..l 0'1

-

c::, c::, c::,

-

-~ ~ C") ~ ~ J J 1 I I -i--.J ~ '=::I (_J/6 ~ 50t ct:)

·

l::

r

-~ e, ~ '"

_,

... ~ ~Cb ~"t:I ...

_.,

_... t.., ...

~ c! ~

_c:::,

~"'i

c:::, ~Cb

·

-loel::

-...Cbl::

...

c!

ctCl c:::, ,'J) Lt) _0'>

·

0 lil c:::, .-I '-lil lil

'-1Il'-

'-lil '- lil c:::,

lil lil

_-!I!\

lil c::a

·

llf ~ ~~ ~ l:< ,.-<. tr:l

lII-ro tr:l

-

~ ~ E: ~ C) C) ~ c, _Oj ~

,..

tr:l

.

c::

_~ Q) "t::l Q)

c::

c:::, c:::, Q) ~ c:::, -Cl _• 0)

-E:

,..

I C)

-

• C) _I c, -l-.J tr:l "'t:J ~ "-C) " C) Ol ~ ,.._ c

-

...

r-- _~

--

...,

c::a c::a I

.

,_,

c;:,

~ c::a ~ c::a ~ c::a ~

...

_{c::a c::a c::a c::a c::a Lt)}

-...

.

.

.

.

_{• •}

.

.

_•

.

c::

~

-

_{c:::, c::a c:::,}

- -

_{~ ~ C") C")} Q) 0'1 _{I I I I I I I} s, -l-.J _~ C) ::.::.;. Z:J/D~607 G:::l

2

DE FINALE FASE BIJLAGE A

INHOUDSOPGAVE

Al PROBLEEMSTELLING

A2 DIVERSE ASPECTEN VAN DE FINALE FASE

A3 MANIER VAN AANPAK

A4 NABEREKENINGENBRIELSE GAT EN MELDORF

A5 AANBEVOLEN BEREKENINGSMETHODE

AG AANBEVELINGENTOEKOMSTIG ONDERZOEK

A.l PROBLEEMSTELLING

Bij de evaluatie van de zandsluitingen in het Oosterschelde gebied is t.a.v. de verliezen de aandacht volledig gericht op sluitgatoppervlakken van orde 5000 m2 tot de definitieve sluiting. De verliezen zijn voor deze oppervlakken steeds als één geheel beschouwd, zonder onderscheid te maken in de diverse fasen binnen dit bereik van sluitgatopeningen. De nauwkeurigheid van de gegevens was onvoldoende om dat te kunnen doen.

In werkelijkheid echter zijn bij vele sluitingen vaak niet de laatste duizenden m2 maar de laatste paar honderd m2 cruciaal voor het succes van de sluiting. Vooral bij

sluitingen die een kombergingsgebied afsluiten, blijft de snelheid vaak laag tot orde 200 m2 en neemt vervolgens de snelheid sterk toe. Deze laatste 200 m2 vormen slechts een fraktie van bovengenoemde totale sluiting vanaf ca. 5000 m2, zodat de in de evaluatie gebruikte gemeten verliezen niet zoveel zeggen over deze 200 m2. Als de verliezen in deze laatste fase afwijken van het gekozen model komt dat in de gemeten verliezen eigenlijk niet tot uiting.

Dat het op de metingen gebaseerde model de finale fase niet goed weergeeft, blijkt uit het feit dat tijdens deze fase zowel voor het Brielse Gat als Meldorf het getijgemiddelde verlies de produktie overschrijdt, terwijl beide toch met zand gesloten zijn. Duidelijk zal zijn dat de finale fase nader onderzocht moet worden.

A.2 DIVERSE ASPEKTEN VAN DE FINALE FASE

Er zijn diverse aspekten die tijdens de finale fase anders zijn dan bij veel grotere sluitgatoppervlakken. Zonder de pretentie volledig te zijn, wordt hieronder een aantal van deze aspekten gegeven:

a. Het is goed voorstelbaar dat een sluitgat reeds tijdens laagwater droogvalt, terwijl tijdens hoogwater er nog een behoorlijk debiet door het sluitgat stroomt.

Afhankelijk van de lokale getijamplitude en de op-tredende storthellingen zou dit al bij de doorstroom-oppervlak van 50 à 100 m2 t.O.v. NAP (als gemiddelde waterstand) kunnen optreden. Er is dan al sprake van een

sluiting, mits bulldozers er in slagen met het opkomende tij mee een sluitkade op te werpen tot hoogwaterniveau. b. Tot nu toe is steeds gesproken over getijgemiddelde

verliezen. In werkelijkheid echter varieert het verlies met de optredende stroomsnelheid gedurende het getij, terwijl de produktie als constant beschouwd kan worden. Wanneer er dus t.a.v. de produktie/verlies verhouding een bepaald sluitgatopening (b.v. 100 m2) genoemd wordt, kan dit in het prototype betrekking hebben op een andere opening (b.v. 50 of 150 m2).

4

c. Wanneer in een bepaalde fase van het getij (meestal rond het tijdstip van laagwater, zie a.) het sluitgat

droog-valt, kunnen bulldozers het laatste gat dichten door een

sluitkade op te zetten. De voor een smalle sluitkade benodigde hoeveelheid zand is veel kleiner dan wanneer het laatste gat door spuiten met de bijbehorende flauwe hellingen afgesloten zou worden. Wel dient de in te

zetten bulldozer-capaciteit dusdanig hoog te zijn dat het kruinniveau van de sluitkade het opkomende getij

voor blijft.

d. De zandverliezen in het model zijn gerelateerd aan de stroomsnelheden ter plaatse van de damas. Wanneer na het passeren van de damas de stroom nog substantieel ver-snelt of vertraagt zal dit invloed hebben op de ver-liezen. In lito [1] par. 14.5 wordt op basis van een groot aantal stroomsnelheidsmetingen geconcludeerd dat de stroming in het sluitgat na het passeren van de damas nog enigszins versnelt. Dit geldt voor situaties van enkele duizenden m2 sluitgatoppervlak. De mate van ver-snelling varieert, maar ligt in orde 10%. In lito [2]

(fig. 2.6) wordt echter bij een oppervlak van ca.

1000 m2 gevonden dat slechts van een beperkte verhoging sprake is (op basis van één meetpunt). Dit zou er op kunnen wijzen dat de mate van de versnelling afhankelijk is van de sluitgatgrootte. Zeker bij zeer kleine door-stroomoppervlakken zouden afwijkende stroombeelden op kunnen treden.

e. De zandverliezen in de finale fase treden voor een deel van het getij (laagwater) op bij zeer beperkte water-diepten. Over het algemeen hebben de berekeningen van lito [1] plaatsgevonden bij waterdiepten van minstens enkele meters. Het is de vraag of de gebruikte zand-transportformule ook bij deze diepte juist is.

Bovendien is het de vraag of de gehanteerde ruwheid van 0.10 m bij deze beperkte diepte en hoge snelheden

terecht is. In ieder geval dient de voor de berekening van de Chezy coëfficiënt gebruikte waterdiepte beperkt te blijven tot een zekere praktische waarde b.v. 1 m i.v.m. de sterke toename van de ruwheid beneden deze grenswaarde.

Uit het verleden ZlJn twee sluitingen bekend met kritieke situaties tijdens de finale fase:

*

Tijdens de sluiting van het Brielse Gat is een duidelijk verschil waarneembaar tussen de fase van 600 m2 tot

175 m2 doorstroomoppervlak en van 175 m2 tot gesloten. Deze laatste fase duurde slechts 1 dag terwijl eerstge-noemde fase een periode van 25 dagen vereiste. De

beschikbare litteratuur geeft onvoldoende informatie om te kunnen bepalen, waardoor dit veroorzaakt werd.

*

Tijdens de laatste fase van de sluiting van Meldorf werd bij een doorstroomoppervlak van 150 à 100 m2 geen voort-gang meer geboekt. Bij laagwater was de opening nog

slechts enkele tientallen meters breed. Met bulldozers werd dit dichtgeschoven toen sluiten door spuiten niet lukte. Hierna werd met bulldozers pijlsnel de dam op-gezet tot hoogwaterniveau, iets wat maar ternauwernood lukte.

A. 3 MANIER VAN AANPAK

De in de vorige paragraaf genoemde aspecten ZlJn niet een-voudig kwantificeerbaar. Dit wordt mede veroorzaakt door het feit dat meetcampagnes in het verleden in het algemeen op grotere sluitgatopeningen geconcentreerd zijn geweest. Bovendien zijn de meetomstandigheden in kleine

« 300 m2) sluitgatoppervlakken zeer ongunstig. Een model dat alle voorgaande aspecten gedetailleerd bevat is daarom in dit stadium niet op te stellen. Er wordt daarom gekozen voor een verregaande simplificatie die alle aspecten echter

zo goed mogelijk impliciet bevat: op volledige juistheid maakt deze methode echter gaan aanspraak.

De aanpak is als volgt: bereken de sluitingen van het Brielse Gat en Meldorf volgens de methode voorgesteld in

lito [1) en deze nota.

Bij een bepaald sluitgatoppervlak zal het getijgemiddelde verlies gelijk zijn aan de produktie. Vanaf dit sluitgat-oppervlak zal dus de dam gemiddeld geen voortgang meer boeken. Omdat deze sluitgaten in werkelijkheid echter toch gesloten zijn, wordt gesteld dat vanaf deze sluitgatopening zandsluitingen onder gelijksoortige omstandigheden altijd zullen gelukken. Dit impliceert dus onder andere een

minimale produktie van ca. 3000 m3/hr (Brielse Gat:

3000 m3/hr en Meldorf: 9000 m3/hr) en de mogelijkheid vol-doende bulldozer capaciteit in te kunnen zetten.

6

A.4 NABEREKENING BRIELSE GAT EN MELDORF

De gegevens die gebruikt ZlJn voor de naberekening van het Brielse Gat en Meldorf zijn:

Het kombergingsoppervlak achter de dam als funktie van de waterstand.

De geschatte buitenwaterstand gedurende het getij in de finale fase.

De dimensies van de dam (met name de teenlijn en de sluitgatvorm) volgens de ~-waarden zoals gepresenteerd in lito [1].

Een produktie van 3000 m3/hr voor het Brielse ~at en 9000 m3/hr voor Meldorf.

De geschatte korreldiameter (Brielse Gat 150 ~, Meldorf 400 ~).

De rekengegevens, die gebruikt zijn zijn de volgende: Een afvoercoëfficiënt 0.9 (zie lito [1]).

De verliesberekening volgens de ~-waarden zoals gepre-senteerd in lito [1] en zoals gecorrigeerd in deze nota.

De berekening is uitgevoerd voor enkele sluitgatopeningen. De resultaten worden gegeven in figuur A.1.

Uit deze figuur volgt dat volgens de berekening Meldorf tot 150 m2 gesloten kan worden en het Brielse Gat tot

130 m2. Van Meldorf is bekend dat op een gegeven moment inderdaad niet verder gesloten kon worden (een sluitkade met bulldozers bood toen de oplossing). Van het Brielse Gat is niet bekend dat zich ernstige problemen tijdens de

finale fase hebben voorgedaan. Het voor de naberekening van de finale fase van Meldorf gevonden sluitgatoppervlak van

150 m2 wordt daarom voorgesteld als maatgevende waarde (~).

A.5 AANBEVOLEN BEREKENINGSMETHODE

Bij een produktie van meer dan 3000 m3/uur wordt op grond van het voorgaande het volgende model voorgesteld:

Bereken de verliezen bij verschillende sluitgatopeningen tot 150 m2. Kijk of deze verliezen ergens groter zijn dan de produktie. Zo niet dan is voor de ~-waarde de sluiting verzekerd.

De a-waarde kan op de volgende manier geïntroduceerd worden:

*

Het berekende verlies heeft een bepaalde betrouwbaar-heid. Deze onzekerheid kan m.b.v. de beschouwingen uit

lito [1] bepaald worden en behoeft geen verdere toe-lichting.

*

Het voorgestelde model heeft een bepaalde onzekerheid.

Al opgemerkt (paragraaf A.3) is dat de te berekenen sluitingen gelijksoortig moeten zijn. In feite zouden alle onzekerheden welke verbonden zijn met het hier gebruikte begrip "gelijksoortig" beschouwd moeten

worden, maar met nadruk wordt gewezen op de mogelijkheid tot inzet en de vereiste capaciteit van het rijdend

materieel op het stort.

Helaas is het wegens gebrek aan consistent meetmateriaal zeer moeilijk de onzekerheid van het voorgestelde model voldoende eenduidig vast te stellen, zodat terwille van de eenvoud gebruik zal worden gemaakt van alleen de onzeker-heid in het berekende verlies.

Dit betekent niet dat het model voor de finale fase geen eigen onzekerheid bezit, maar dat alle onzekerheid daarvan impliciet in de onzekerheid van het berekende verlies wordt verdisconteerd.

Dit is nog niet zo erg als het op het eerste gezicht lijkt, daar tot op zekere hoogte beide 0 beschouwingen elkaar

overlappen.

De ontwerpmethode wordt voor de finale fase als volgt geïl-lustreerd (fig. A.2).

Met behulp van de tabel op blz. 220 van lito [1] worden de U + 0 en U + 20 waarden van het (getijgemiddelde) verlies bij 150 m2 sluitgatopening berekend. De kans dat de

sluiting slaagt kan dan voor een gegeven produktie bepaald

worden,

A.6 AANBEVELINGEN TOEKOMSTIG ONDERZOEK

Het is uit het voorgaande duidelijk dat de finale fase een cruciale fase in een zandsluiting is, waarvan echter weinig meetgegevens bekend zijn.

Er zijn drie elementen van belang:

1. de geometrie van het sluitgat gedurende de sluitings-fase

2. het stroombeeld gedurende de sluitingsfase 3. het zandverlies behorend bij dat stroombeeld.

De geometrie van de laatste 200 m2 sluitgat zou vastgelegd kunnen worden met frequente luchtfotografie (eventueel

driedimensionaal) vanuit een zoveel mogelijk gefixeerd punt (helikopter, luchtballon).

De diepte in het sluitgat kan gemeten worden m.b.v. peil-stokken vanuit ondiep stekende vlets of rubberbot~n.

Het stroombeeld kan met dezelfde luchtfotografie en

drijvers worden vastgelegd. Tijdens het drijven moet dan zeer frequent worden gefotografeerd. Dit kan enkele keren worden herhaald.

De zandconcentratie is het moeilijkst te meten omdat door de ondiepte de manoevreermogelijkheden van meetboten be-perkt zijn. Maar aan de teenlijn is mogelijk een goede positie te vinden.

Getijgemiddeld verlies ~m3/hr] 40.000 30.000 20.000 10.000

o

•

\

\ \

Produktie Meldorf

Produktie Brielse Gat

'--

-

_

o

50 100 150 200 250

Sluitgatopening [m2J

Verlies afhankelijk van sluitgatopening

tijdens de finale fase van het Brielse Gat en Meldorf

/

/

/

60

o

40 30 Faalkans [%] 15 m2 sluitgatoppervlak [m2J ~---+---~~ produktie ,..--- )-'-verlies .----,ui" uverlies r----IJ-+QG'verlies ) ...t'l._ ) verlies 20 10