Sedimentatie en erosie van sliblagen

1.

SEDIMENTATIE EN EROSIE VAN SL1BLAGËN

1. INLEIDING EN OPDRACHT

Eind december 1968 werd door de Waterloopkundige Afdeling van de Deltadienst van de Rijkswaterstaat aan het Uaterloopkundig Laborato-rium te Delft de opdracht gegeven enkele principe proeven te verrich-ten met het doel gegevens te verzamelen met behulp waarvan mogelijk oen verklaring kon worden gegeven van het ontstaan van aand-sliMagen ("spekkoeklagen") in het Haringvliet.

Het proevenprogramma omvatte aanvankelijk;

a. Het vaststellen vtui de laagdikte van gekonaolideerd slib als funk-tie van de tijd, het zoutgehalte en het slibgehalte,

b. de bepaling van de kritieke schuifspanning van enigszins gekonsoli-deerd slibs

#c. de sedimentatie en de konsolidatie bij afnemende snelheid, d« de draagkracht van verse sliblagen en

/e. het gedrag van een sliblaag op een helling.

In de loop van het onderzoek kwam aan de hand van de uitkomsten van de reeds verrichte proeven vast te staan dat de onder de punten c

en e genoemde proeven niet dienden te worden uitgevoerd» Aan het proe-venprogramma werd toegevoegd het bepalen van de drainerende werking van een onder de sliblaag gelegen zandlaag waarvan het pori'énwater in rechtstreekse verbinding stond met het water boven de sliblaag.

2. PROEVEN

2.1. Saun.enstelling slib

Daar de aanvankelijk door de Waterloopkundige Afdeling van de Deltadienst aangevoerde hoeveelheid slib niet toereikend was om er de geil el e serie proeven mee te ^cunnen verrichten werd tot tweemaal toe

een nieuwe hoeveelheid slib aangevoerd. Do slibsoorten zullen in het vervolg worden aangeduid met de nummers I, II en III. Uit de nu vol-gende tabellen blijkt welke de samenstelling van de slibsoorten was.

TABEL 1 slib v a t v a t v a t 1 2

3

I

49

52

46

'o water I I 63

64

64

I I I 61

63

63

32 31 28 o slib I I

34

34

34

I I I

30

36

36

-I 19

17

26 )o zand I I 3 2 2 I I I 1 1 1 TABEL II slib v a t v a t v a t 1 2

3

I 62

65

52 slib I I 92

94

94

I I I

98

90

98

I

38

35

,48

'/o 2i a n d I I

0

6

6

I I I 2 2 2

De in de tabellen vermelde percentages zijn gewichtsprocenten. Het materiaal uit vat 3 van slib I is bij de proeven niet gebruikt vanwege het lage slibgehalte.

Het scheiden van de zandfralctie van de in het water aanwezige vaste stof gebeurde als volgt; Een cylinder werd tot een hoogte van 400 mm gevuld met vat er met een gehalte aan vaste stof (zand 4- slib) van 1 gr/l (droge stof). Gesteld werd dat de aandfraktie bestaat uit kor-rels mot een diameter > 63 |i. Dit komt overeen mot een bezinktijd van 100 sec (volgens Stokes). Het materiaal in de cylinder werd daarom de

3.

gelegenheid gegeven gedurende 100 sec te bezinken waarna het slibhou-dende deel van de vloeistof werd afgetapt. Met deze afgetapte hoeveel-heid water werd de procedure een aantal malen herhaald zodat uiteinde-lijk een vloeistof werd verkregen waarvan kon v/orden aangenomen dat ze geen deeltjes > 63 JJ. bevatte, ï)e zandfraktie die zich op de bodem van de cylinders had afgezet werd na drogen gewogen? het gewicht werd ver-geleken met de oorspronkelijk ingebrachte hoeveelheid vaste stof. De resultaten van de proeven zijn in tabel II samengevat. Van de zand-fraktie van slib I is een korrelverdelingsdiagram gemaakt. Zie fig. 1. De dp, van het zand was ongeveer 100 ja.

De korrelverdeling van de slibdeeltjes is af te lezen uit fig. 2. Deze figuur werd met behulp van de volgende proef samengesteld. In een cylinder met een hoogte van 800 mm werd water raet een slibkoncentratie (zonder de zandfraktio) van 1 gr/l (droge stof) gebracht. Op gezette tijden werd door pipetering op 250 ram vanaf het wateroppervlak een monster genomen. Van dit monster werd het gehalte aan slib bepaald en uitgedrukt in gewichtsprocanten van de oorspronkelijk aanwezige hoe-veelheid slib. De valsnelheid werd berekend door de afstand tussen het wateroppervlak en de plaats waar het monster werd getrokken te delen door de tijd verlopen tussen het begin van de bezinkingsproef en het trekken van het monster. In fig. 2 is de aldus berekende valsnelheid uitgezet tegen het percentage van het gewicht aan vaste stof dat uit de bovenste 250 mm van de cylinder door bezinking is verdwenen. De fi-guur moet dus als volgt worden gebruikt;

Voor slib I in een zoute oplossing (p = 1010 kg/m ) geldt dat 40^ van het gewicht aan vaste stof in i-jater een valsnelheid >1,6 x 10~ mm/sec heeft. (Dit is, doordat met tijdstappen van eindige grootte werd ge-werkt, niet geheel juist. Binnen hot gewichtspercentage is een doel op-genomen dat een valsnelheid <1,6 x 10 mm/sec heeft). Eet behulp van de volgende formule (Stokes) kan de sedimentatie-diameter van de slib-deeltjes worden bepaald.

P" ' P'« ___

' Iflv

ps .. Pw gd , 3 p 1000 kg/m en v 10 m2/ Voor p = 2600 kg/m3, pf = 1000 kg/m en v = 10 m2/sec (15° C) is d ^

(d in \M en u in |om/soc). Pig, 2 toont aan dat de afmetingen van de deeltjes bij de alibsoortöh II en III nagenoeg dezelfde waren. Slib I bevatte een groter percentage grovere deeltjes,

2.2, Konsolidatie

Uit fig* 3 blijkt dat het zoutgehalte van het water van geringe invloed was op de snelheid waarmee het gebruikte slib konsolideerde. De konsolidatie zette iets later in bij een grotere dichtheid van het water. Bij alle verdere proeven is gebruik gemaakt van water roet een dichtheid van 1010 kg/m .

De proeven werden als volgt verricht; In perspex cylindera van + 80 cm lengte en een diameter van 14 cm werd water gebracht mot een slibgehalte van 50 en 200 gr/l. De inhoud van de cy.linders werd daar-na geroerd. De tijd werd gemeten vadaar-naf het moment dat met roeren werd gestopt. Op gezette tijden werd de afstand van het grensvlak slib/wa-ter tot de bodem opgemeten en vergeleken met de totale hoogte van de vloeistofkolom. In de figuren 3,4 en 5 is H de totale hoogte en HL de dikte van de laag slib.

Figuur 4 toont aan dat het hogere zandgehalte van slib 1 t.o.v. slib II en III tot gevolg had dat de afzetting van de sliblaag sneller verliep. Dit is in overeenstemming met de bevindingen van Migniot (zie de literatuuropgave).

Uit figuur 5 tenslotte blijkt dat de afzetting van een sliblaag sneller verliep wanneer een vorm van drainage werd toegepast bij een slibgehalte van 200 gr/l. Bij een slibgehalte van 50 gr/l was de in-vloed gering. De proeven toonden aan dat de drainage bij de verdere proeven niet toegepast behoefde te worden. Bij die proeven word namelijk steeds gebruik gemaakt van water met slibgehaltes van 163- en

10 gr/l (droge stof).

De proeven worden als volgt verricht: Op de bodem van de cy.lin-ders werd een laag zand ter dikte van + 5 cm aangebracht. Het pori'én-water binnen het zand stond in verbinding met het pori'én-water boven de laag afgezet slib door middel van een pijp die aan de buitenzijde van de cylinder was aangebracht.

Aan de hand van de resultaten van de hierboven beschreven proe-ven kan worden gekonkludeerd dat de proeproe-ven ter bepaling van de ero-siebestendigheid van vers afgezet slib verricht dienden te worden met

een zoute oplossing met een dichtheid van 1010 kg/m . Ter verkrijging van een laagje slib van enigszins redelijke dikte diende bij de ero-sie bestendigheidsproeven gebruik te worden gemaakt van een slibkon-centratio van 16^- gr/l voor slib I en 10 gr/l voor slib II en III. Na ongeveer 2 uur ontstond daarbij een laagje van 2 a 2-g- cm bij een wa-terdiepte van 25 cm. Zie ook fig. 6. Figuur 5 toont aan dat bij een slibgehalte van l6g- of 10 gr/l drainage van het onder de sliblaag gelegen zand niet van invloed is op de Iconsolidatie. Drainage is dan ook bij de proeven tev bepaling van de erosiebestendigheid van vers afgezet slib niet toegepast.

2.3. Erosiebestendigheid van slib

Een goot met een breedte van 50 cm werd tot een diepte van 25 cm met water (p = 1010 kg/ra ) gevuld. Het water kon met behulp van een pomp in beweging worden gezet. De goot en de toevoerleiding naar de pomp vormden tesamen een gesloten circuit. Een gedeelte van de goot werd over een afstand van 5 m door schuiven afgesloten. Binnen dit afgesloten deel werd aoveel slib toegevoerd dat de slibkoncentratie ongeveer lérj- gr/l (droge stof) bedroeg. Na mengen werd het slib de gelegenheid gegeven te bezinken. Fa ongeveer 30 min ontstond dan een laag slib ter dikte van +_ 2-J- cm (zie fig. 6 ) . Na 1 uur konsolideren werden de schuiven opgetrokken. Het water in de goot werd daarna in beweging gezet. (Het gedeelte van <ie goot dat door een laagje slib was bedekt bevond zich op een dusdanige afstand van de instroraings-opening dat nabij de bodem het snelheidsprofiel de juiste vorm had). De snelheid word gedurende een half uur konstant gehouden en daarna met een stap van io 5 cm/sec opgevoerd. Ook nu werd de snelheid gedu-rende een half uur konstant gehouden. De snelheid werd daarna tot nul teruggebracht- Beschadiging of aantasting van de sliblaag kon alleen -worden gekonstateerd door het water weg te laten lopen. Na 2 en 4 u u r konsolideren werd eenaelfde serie proeven verricht als hierboven is beschreven. De proeven werden met verschillende beginsnelheden zo va&k herhaald tot de aliblaag in ernstige mate was aangetast.

Reeds bij de eerste serie proefnemingen bleek dat de erosiebe-stendigheid (onder de gegeven omstandigheden) van vors afgezet slib bij een konsolidatietijd > 1 uur groter ;ras dan die van duinzand» In

figuur 7 is voor slib I uS uitgezet tegen de konsolidatietijd. In de figuur is aangegeven "bij welke waarde van u (u ) de sliblaag ster-ke aantasting Vertoonde. De figuur spreekt verder voor zich zelf. Be

in ds figuur aangegeven waarde van u "bij t = 4 uur van gekoneoli-deerd slib volgens Migniot komt overeen met een slibkoncentratie in de afgezette sliblaag van ^ 250 gr/l voor het door hem onderzochte slib "La Villame" (8^ zand, 92/<> slib). Bij het groter worden van de slibkonoentratie neemt u" toe. 2ie figuur 8.

u werd berekend met behulp van de volgende formule. (Het meten van verhangen was niet mogelijk)?

U E TE

u

u en u zijn uitgedrukt in. cm/sec, y in cm en v in om /sec. u werd be-paald door een meting met behulp van een micromolen op een afstand y boven de sliblaag.

De aantasting van de sliblaag werd op de volgende wijze gekarak-teriseerd. Wanneer geen putjes waren ontstaan en de sliblaag na de proef een glad oppervlak vertoonde werd aangenomen dat geen aantasting was opgetreden. Zio foto 1 (N,b,: De beschadiging aan het begin van de sliblaag zoals die te zien is op foto 1 werd veroorzaakt door ingrij-pen na afloop van de proef). Wanneer hier en daar enig slib was weg-gespoeld werd dit omschreven als een begin van aantasting tot sterke aantasting. Zie foto 2. Van sterke aantasting werd gesproken als de sliblaag op vele plaatsen gaten vertoonde. Zie foto 3.

Bij een aantal proeven ontstonden aan de "bovenstroomse zijde van de sliblaag gaten over de gehele laagdikte. Naast deze gaten was do sliblaag nog volkomen intakt. Zie foto 2, Aanvankelijk werd veronder-steld dat deze wijze van aantasting werd veroorzaakt doordat afschui-ving' in het vlak tussen de sliblaag en de gladde gootbodem optrad. Ter kontrole werd een gedeelte van da goofbodem door het oplijmen van zandkorrels ruw gemaakt. Het verschijnsel trad ochter ook nu op zodat van afschuiving geen sprake kon aijn geweest. De geschetste wij zo van aantasting' van de sliblaag werd waarschijnlijk veroorzaakt door de aanwezigheid van harde brokjes slib en kluitjes organisch ma-teriaal.

7.

Rondom deze grovere delen kan door verhoogde turbulentie een snellere aantasting van de sliblaag zijn opgetreden. Dat de "kale plekken11 wat valeer aan de bovenstroomse zijde optraden kan zijn ver-oorzaakt door de plotselinge profielvernauwing ter plaatse van de sliblaag hetgeen op haar beurt een kleine verstoring van de snelheids-verdeling tot gevolg had.

Om de invloed van de koncentratie te kunnen nagaan werd één proef verricht waarbij deze bij het begin van de proef 67-3- gr/l (dro-ge stof, slib II) bedroeg. Dit resulteerde in een laagdikte van

£ 20 cm na een bezinkingstijd van 2y- uur. Sterke aantasting trad nu op bij een urf van ^ 1 cm/sec. Zie fig. 8.

De proef werd op dezelfde wijze verricht als hierboven is be-schreven voor do sliblaag met een dikte van + 2 cm. Het enige verschil bestond hierin dat de laag slib tot bezinlcing kwam in een verdiept gedeelte van de goot ter lengte van 2 m. Dij het begin van de proef lag de bovenkant van de sliblaag op gelijke hoogte met de gootbodem. Het verschil tussen het niveau van de gootbodera en de sliblaag als gevolg van de afname van de laagdikto door uitschuring1 en verdere kon-solidatie werd voortdurend gekompenseerd door de gootbodem ter weers-zijden van de sliblaag mee omlaag te brengen. Als kriterium voor het bereiken van u" werd aangehouden een sterke uitschuring (+ 25 mm) welke door de glazen wand van de goot heen kon worden waargenomen»

Met slib III tenslotte werden een aantal proeven verrioht bij een laagdikte van + 2>% mm en een konsolidatietijd van 2 uur. De proe-ven werden op deselfde manier gedaan als dat het geval was bij de proeven met slib I. De beginkoncentratie was nu echter 10 gr/l i.p.v.

J-OTJ gr/i..

De resultaten van de proeven uitgevoerd met slib I zowel als met slib II en III zijn verzameld in fig. 0. In de figuur zijn tevens de door Migniot gevonden meetpunten voor een tweetal door hem onderzoch-te slibsooronderzoch-ten die qua samensonderzoch-telling gelijkenis vertoonden met slib I, II en III opgenomen. Bestudering van de figuur toont aan dat de resul-taten redelijk met elkaar in overoenstemming zijn.

2.4» Draagkracht van een

Proeven toonden aan dat oen sliblaag ontstaan door sedimentatie van slib bij een waterdiepte van 25 cm na 3y- a 4 uur een laagje zand

(cLn a 200 \x) kan dragen van 5 mm dikte. De dichtheid van het water was 1010 kg/m en het slibgehalte bij het begin van de proef l6§- gr/l voor slib I en 10 gr/l voor slib II en III. De waterdiepte was 25 cm, De proeven werden op de volgende wijze uitgevoerd? In een cilinder iierd x-iater gebracht met een slibgehalte van 16-^- gr/l (slib l). Na

2/3 uur werd op het afgezette slib voorzichtig een hoeveelheid zand gestrooid. Bij eon vijftal andere cylinders werd hetzelfde gedaan na

2» 3j 4) 5 ®n- & uur. Na een konsolidatietijd van 2/3 uur vermengde het zand zich volkomen met het slib. Na 2 uur zakte het zand ten dele

in het slib en ontstonden er drie lagen, Van onderen naar boven; 1,1 cm slib, 0(5 cm zand en 0,5 om slib. Na 3 uur zakte het laagje zand nog tot een diepte van 1-|- mm in het slib. Na 4 uur konsolideren bleef het laagje aand op de sliblaag liggen. Evenzo na 5 en 6 uur. De proeven met slib II en III werden op dezelfde manier verricht en ga-ven vrijwel hetzelfde resultaat.

3. SAMENVATTING

De proeven toonden aan!

1. Dat do erosieToestcndigheid van een sliblaag sterk afhankelijk is van. de mate van konsolidatie van het slib. Bij toenemend slibge-halte neemt u ' toe. Voor c > 150 a 200 gr/l is u ,,, \.

s s

er, zand

2. Dat ook het aandgehalte van de slibsoort van invloed is op de ero-siebestendigheid.

Een groter percentage zaiid (d ,> 63 \i) hooft een snellere konsoli-datie tot gevolg. Daardoor neemt u " toe.

c r

Bij een zeker percentage z?md (Migniots JH 40^) neomt u echter si' tot bij toenemend zandgehalte uiteindelijk u. van auiver zand

er wordt bereikt.

3. Dat drainage van de sliblaaff niet van invloed is op de konsolidatie bij een oorspronkelijk slibgehalte van 50 gr/l. Bij een slibgehalte van 200 gr/l is er wel sprake van beïnvloeding vooral bij slibsoort II en III (laag zandgehal-te).

4. Dat een laagje slib van 2 a 2-y- cm (c, . = l&V gr/l bij een v;a-terdiep-te van 25 cm) n'a 3^- a 4"u.'ur(c = + 200 gr/l) een laagje aand van + 5 mm dikte kan dragen.

LITERATUUR

C. Migniot - Etudets des propriétés physique de différents sediments tres fins et de leur oomportement sous des actions hydrodynamiquesf

rtrt QC J 99,9 99,8 99 SE 56 ^ 95 ¥> 70

i: so

^ 50 -ü 40 '

fej

5

-§ ' . "

ca 0,2 -0,1 ~ 0,05 -L c c ;<; ^ t t i l tv I

voc

l: t

— M l !) ' • 1 — • 1 J -„ -3 - G 3~ C)

)RPLAAU

d

• , . , - / . . 1 ' — — . . . — -c {

IE

50 —-— --- ---I — — — -— ... — L -/ — — — - — — -s" o" 0" 0" c? 0* o o" c

ZEEFDIA

VEN IS EEN REDUCTIEFAC1

= 103 fl

• U<\,^ ft.it ,— — -. •> < \ c •) V u

METER

'0R Qfi

i

ZANDFRAKTIE SLIB I

WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM

—„-—

1—

—

D O ^ . l o T <O tN CD 3" C> O C> t ^

f5 AANGEHl

- —•

1U

-0,1 -0,2 -1 -2 L ^

[*> ï.

-30 Q

-40 JJ

-50 i--60 ? - 7 0 ^

-ao C

-so [^

c Q -99,8 -99,9 C\l j

5

b 3 J J J J > M.1034-100AFIG. 1

ii n a u tt n

6 6 E E

« it u a

VALSNELHEID u (mm/sec)-*

I

I

J_

I

DIAMETER SLIBDEELTJES (STOKES) [f±m

AFMETINGEN SUBDEELTJES

WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM

M.1034-1002

A3

9 = 1000 kg /m

3

P

w

= 1005 kg /m

3

p =1020 kg/m

3 O 4 6 8 102 4 6 8 1Q3 _{4 6 8 104}

-+*- t(min)

KONSOUDATIE ALS FUNKTIE VAN HET ZOUTGEHALTE EN DE SUBKONCENTRATIE

A3

H

,

/H

o

100

70

60

50

40

30

20

10

o

\

\

c= 50gr/l

=200 gr/1

SL/BSOORT I

SUBSOORTH

SLIBSOORTM

GEW.'/cSUB

63 %

93%

98 %

GEW.% ZAND

37%

7%

2%

SLIBSOORT I

„ SLIBSOORT Ken JE

p = 1010 kg /m

3 J I I i_J I !__ 8 1Q1 6 8 6 8 2 4 6 8 104 •- t (min )

KONSOUDATfE ALS FUNKTIE VAN HET SLIBGEHALTE EN DE SUBKONCENTRATIE

(e.

A3

SUBSOORTM

c=200gr/(

SUBSOORTI

= 50gr/l

SUBSOORTI

= 200gr/l

SUBSOORTM

c=50gr/

ZONDER DRAINAGE

MET DRAINAGE

p = 1010 kg/m

4 6 8 10 4 6 8 10 4 6 8 10 4 6 8 10

INVLOED VAN DRAINAGE OP DE KONSOUDATIET'JD

A3

u / u mn "o ' " " on uu •yn

60

50

40

30

20

10

i H iH < / ' o ^\ \ \ \ 0 • ' ' 1 2 4 t f \ ^ \ \ \ \ \ \ \ \ \

rï

\

^-—"

- • - — ^===-~

._

- • — • _ / •i V*-—

—

~- — .— - — • " ï 8 101 2 ,4 6. 8 102 i

KONSOUDATIE VAN HET BU DE PROEVEN GEBRUIKTE SUB

WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM M. 1034-1006

ft

A3

FtG. 6

_^ . . • — > 4 t SLIB I co= 16,5 . SUBM e r 10 <

p

w

= 1010kg/m

3 A()f) e- 1 rt •*uw C { Q

360

r/l )

2R0 200 160 120

80

40

l 1 1 U i e 103 l [ min } gr/l jr/L

H

o

= 25 cm

A

M

'tl

1

i

t l '

) J( r ) i£VAN ZAND

(d^ 220 ju)

O

5

(uur)

SLIBI

O = 1010kg/m

3 I W co-- 16,5 gr/1 (DROGE STOF) WATERDIEPTE *25cm

DIKTE VAN DE SUBLAAG *2cm o-STERKE AANTASTING SUBLAAG

• = GEEN OF GERINGE AANTASTING SUBLAAG

IN

GEBIED I

" II

" m

: GEEN : BEGIN : STERKE AANTASTING n

u* ALS FUNKTIE VAN DE KONSOLIDATIET'JD

A4

ft

u* (cm/sec)

i

5

4

2

1

0

L

*

K

) 1C

-• ^ \ y

• f ó

N T >0 21

100 95

A

SLIB „LAVILLAINE'

• SLIB „ MAHURY "

—•—SLIB I (37% ZAND,

• SLIB IL ( 7% ZAND,

o SLIB Mi 2% ZAND,

A " •

10 3C

A A A * #

10 4L

•

#

10 5C

•

10 6C

rfar/tJ

1 1 1

90 85 80

- - i/ni o/ u/ATcn ^ ^ VUL. /o WAI Ct<

(8% ZAND, 92% SLIB)

(2%ZAND, 98% SLIB )

63% SLIB) (LAAGDIKTE ± 2 cm)

93% SLIB ) (LAAGDIKTE ± 20cm)

98%SUB ) (LAAGDIKTE* 2cm)

c IS HET GEWICHT VAN DROOG SLIB PER LITER AFGEZET MATERIAAL

DE BUGESCHREVEN

u* ALS FUNKTIE VAN

er

TUDEN GELDEN VOOR SLI&I

' c

WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM

M.1034-1008

ff.

A4

CO

t

SLIBI

u*= 1,45 - 1,70 cm/sec

2

3

Cü

5

c # 11 O) l o* (o o

3

- • STROOMRICHTING

5

5:

SUBI

:

- 2t

Q0 - 2,20 cm/sec