Evaluatie van de kwaliteitszorg voor de breuksteen voor de stormvloedkering Oosterschelde

(1)

(2)

I

t

I

J

I

,

I

t

i

t

I

EVALUATIE VAN DE KWALITEITSZORG VOOR DE BREUKSTEEN VOOR DE STORMVLOEDKERING OOSTERSCHELDE.

MAA-R-86074. WBS-N-86350.

Dienst Weg- en Waterbouwkunde KIWA

Dit rapport is opgesteld door:

Bouwbureau Stormvloedkering Oostersehelde: ing. J.M. van Westen ing. C.W. SChippers ing. G.J. Laan ing. R. Lievestro

(3)

I

II

I

t

I

bl.tzijde

I

-I.aOUD 1. Inleidiog _ PEojectbe8CllrijviDg. 1.1. OOel van het rapport.

1.2. FUnctionele steeneisen. 2

1.3. Kwaliteitszorg. 3

2. ontwerp eG beDadigde aftKial.a. 5

2. 1. Het ontwerp van de drelllpel. 5

2.2. De relatie tussen het ontwerp en de eisen voor de breuksteen. 11

2.2. 1. Inleiding. 11 2.2.2. FUnctie-analyse. 11 2.2.3. Stroo__ en golfbestendigheid. 12 2.2.4. Pilterfunctie. 14 2.2.5. Grondlllechanischeeigenschappen. 15 2.2.6. Duurza_heid en sterkte. 16

2.2.7. Porllluleringvan ontwerpeisen. 17

2.2.8. Porllluleringvan lIlateriaaleisen. 18

2.3. De reeds bestaande kwaliteitskennis. 20

2.4. Vooronderzoeken. 22

2.4.1. Oriënterend onderzoek. 22

2.4.2. Proefleveringen. 25

2.5. Eisen. 27

3. Bet plan ~ de ktIaliteit.8OC9. 30

3.1. Bescbrijving van bet plan en motivering. 30

3.2. De organisatie van de kwaliteitszorg. 32

3.3. Bet sanctiebeleid. 34

3.4. Certificaat. 35

4. De uitvoering ea bet re.a1tut van de lnraliteita.x9. 38

4. 1. AlgelIleen• 38

4.1.1. De boeveelheden steenaateriaal. 38

4.1.2. Invoering van de kwaliteitszorg. 39

4.1.3. Onderhouden van de kwaliteitszorg. 42

4.1.4. De betrouwbaarheid van de kwaliteitscontrole. 46

(4)

bladzijde

4.2. Oe steengroeve bij Parainen in Finland.

4.2.1. De steenformatie en de productiewijze. 4.2.2. Invoering van de kwaliteitszorg.

4.2.3. Onderhouden van de kwaliteitszorg.

4.2.4. De betrouwbaarheid van de kwaliteitscontrole. 4.2.5. De gemeten kwaliteit.

4.3. De steengroeve bij Eurajoki in Finland.

4.3.1. De steenformatie en de productiewijzen. 4.3.2. Invoering van de kwaliteitszorg.

4.4. De steengroeve bij Göteborg.

4.4.1. De steenformatie en de prod~ctiewijzen. 4.4.2. Invoering van de kwaliteitszorg.

4.5. De steengroeve Balduinstein.

4.5.1. De steengroeve en de productiewijzen. 4.5.2. Invoering van de kwaliteitszorg. 4.5.3. Onderhouden van de kwaliteitszorg.

4.6. De steengroeve Mayen.

4.7. Kwaliteitszorg in overige groeven. 4.7.1. Stahlhofen. 4.7.2. Naak. 4.7.3. Wilsenroth. 4.7.4. Uhrmacher. L3()Q ~ !O~v

k ~

4.7.5. Wassenach. 4.7.6. Birresborn. 4.8. Overige steenleveringen. 4.9. Rapportage. 4.10. Kosten. 4.10.1. Algemeen

4.10.2. Kwaliteitszorg t.b.v. de 4 grote leveringsovereenkomsten 4.10.3. Kwaliteitszorg t.b.v. de overige leveringsovereenkomsten 91

48 48 49 50 52 52 53 53 57 59 61 61 64 64 66 67 68 69 72 72 74 76 77 78 80 82 82 83 83 84 84 85 85 88 89 89 89

I

'

a

I

t

(5)

I

,

I

IJ

:

1 I

I

1

I

bladzijde 4.11. Certificering

4.12. Verwachtingen en ervaringen van de betrokken partijen.

4.12.1. Partek OY te Parainen.

4.12.2. Mynämäen Maanrakennus OY te Eurajoki. 4.12.3. Torshamnskrossen te Göteborg. 4. 12. 4. B. A.G. 4.12.5. De Deltadienst. 4.12.6. Wegbouwkundige Dienst. 4.12.7. KIWA. 92 94 94 95 96 97 99 101 102

5. Rende.ent van kwaliteitszorg. ₁₀₄

6. sa.envatting en conclusies. ₁₀₆

Bijlage: 1. OVereenkomst DED-lall.

2. De stormvloedkering in de Oosterschelde.

3. Gemeten massaverdelingen bij de bedrijven.

4. Formulier voor keuringsresultaten.

(6)

I

a

I

a

I

t

I

1 I

I

- 1 -1 • Inleiding en pcojectbesebrijving.

1.1. Doel van het rapport.

Nadat in 1976 een beslissing was genomen over de bouw van de stormvloed-kering in de Oosterschelde was het al snel duidelijk, dat hiervoor een grote hoeveelheid breuksteen vereist zou zijn in een breed scala van

sorteringen. Algemene informatie over het project wordt verstrekt in de bijlage 2 waar ook valt te lezen in welke onderdelen van het project de steen is verwerkt.

Gezien de te garanderen levensduur van het project van 200 jaar, moesten aan alle materialen, dus ook aan de breuksteen hoge eisen worden gesteld. De projectleiding verlangde zekerheid dat alle bouwmaterialen aan de van-uit het project te stellen eisen zouden voldoen.

Een groep, bestaande uit medewerkers van de toenmalige Deltadienst en de Wegbouwkundige Dienst, werd opdracht gegeven om dit verder voor de breuk-steen uit te werken.

De eerste opgave voor deze groep was het vinden van steenproducenten, die

de verlangde steensorteringen met de gevraagde dichtheid en sterkte en overigens voldoende kwaliteit voor acceptabele prijzen zouden kunnen en willen leveren.

In dit kader zijn een groot aantal steengroeven in noordwest-, westen midden-Europa bezocht. Bij al deze groeven werden nagegaan:

- kosten;

- produceerbare hoeveelheden; - produceerbare sorteringen;

- kwaliteit: in het bijzonder met betrekking tot dichtheid, sterkte en sorteringseisen.

Men kan deze aspecten samenvatten in kosten, quantiteit en kwaliteit. Over de eerstgenoemde aspecten, kosten en quantiteit, verschijnt een eva-luatienota Rsteenaankoopbeleid·. Over het laatstgenoemde aspect handelt dit rapport.

(7)

2

-Dit rapport dient

a.

aan te geven hoe:

de functionele eisen die vanuit het ontwerp aan d. breuksteen moesten worden gesteld zodanig zijn vertaald in k.urings.iaan, dat enerzijd. een econa.isch verantwoord. productie moq.lijk was en waarm .. ander-zijds d. ontwerper toch kon in.t .... n'

- de keurings.isen en de wijze van k.uring in d. leveringsov.reenkomsten zijn opgenomen,

- door de verschillende producenten aan d. k.uringsei ••n werd voldaan en hoe de kwaliteitszorg en keuring tijden. d. levering werden gereali-seerd.

De schrijvers van dit rapport hopen daarm .. een bijdrag. te leveren tot een verbetering van de kwalit.itsborginq voor breuk.te.n voor de wat.r-bouwen een optimaler ontwerpkundig g.bruik van dit bou.. at.riaal. Dit hoeft niet beper kt te blijven tot grot. werk." a.:Jat ook voor de normale bouwpcaktijk d. opgedan. ervaring.n in velerl.i oplicht r.l.vant zijn.

1.2. Functionele ste.n.i ••n

De functionele steeneisen worden bepaald door de belastingen waaraan de stenen weerstand moeten bieden. De belastingen worden veroorzaakt door golven en stroming van water.

DOOr deze belastingen, die in coabinatie of aflOnd.rlijk optreden, wordt het product van steengroott. (0) en d. relati.v. dichtheid van de steen

(t.) bepaald.

Aan de band van uitg.breid mod.londerzoek wa. het moqelijk

om

voor ieder

o

te bepalen. ond.rd ..l van d. stormVloedkering de waard. van

I)s - Pw Pw (

-

) (t/1l3) (t/1I3) ( 11 )

o

= Ps • dichtheid st.en Pw • dichtheid water ~ Ps

Ma •

lIassa van het lIaatgevende steen.tuk (MSO) Ps • dichtheid steen

( t ) (t/1l3)

oe

dichtheid van steen in d. landen waaruit levering in aanmerking kw.. varieerde tus.en 2,60 en 3,05 t/mJ•

I

,

\

I

,

I

,

I

t

I

'

I

(8)

I

3

-DOOr de verlangde steendichtheid in te vullen en rekening te houden met de dichtheid van het zeewater in de mond van de OOsterachelde kon de steengrootte 0 bepaald worden.

Daar waar de steen een onderdeel vormt van een filteropbouw moest tevens aan de voorwaarde worden voldaan, dat de verhouding tussen de steengroot-ten van twee opeenvolgende lagen binnen bepaalde grenswaarden bleef. Tenslotte moest de steen van zodanige sterkte en duurza ..heid zijn, dat verwacht mocht vorden, dat gedurende de te garanderen levensduur van de constructie (200 jaar) de stukgrootte en dichtheid van de steen aan de functionele eisen zouden blijven voldoen.

1.3. Kwaliteitszorg

I

a

"

_J

I

11 I

I

Î

_.

I

Bij het ontwikkelen van een plan voor de kwaliteitscontrole is uitgegaan van de kans, dat produktiebedrijven met weinig ervaring betrokken zouden kunnen zijn. Deze ervaring zou stellig gering zijn ten aanzien van de omvang van de leveringen en de mate van zekerheid, die over de kwaliteit verkregen moest worden.

Dit maakte het noodzakelijk, dat een sterk accent gelegd werd op een voorgeschreven bedrijfscontrole en de controle daarop bij de bedrijven namens de bouwdirectie • Deze externe controle werd opgedragen aan de Stichting KOKO. De Megbouwkundige Dienst (tegenwoordig Dienst wegen Waterbouwkunde)

we.

vooral als adviseur betrokken.

De controles bij de bedrijven betroffen voorn ..elijk b..onsteringen met een betrekkelijk hoge frequentie, zodanig dat de gecuauleerde

onderzoekre.ultaten over een zekere periode een nauwkeurig beeld van de kwalitei t gaven.

De opgedane kennis over breuksteen voor de waterbouw is tengevolge van de opgedane ervaring bij de bouw van de stormvloedkering zowel ten aanzien van kwaliteit als kwaliteitszorg sterk toageno.en.

(9)

- 4

-Dit heeft reeds geleid tot een toenemende algemene kwaliteitszorg voor breuk-steen en een effectievere toepassing. Dit kan verder nog versterkt worden door het tot stand komen van RAW-bepalingen, een NNI-norm en zoals nu

voor-zien wordt een certificeringsregeling voor de levering van breuksteen.

De volgende produktiebedrijven hebben een groot percentage van de steenleve-ringen voor de stormvloedkering voor hun rekening genomen:

- Basalt Aktien Gesellschaft (B.A.G.) met steenleveringen uit Balduinstein nabij Limburg aan de Lahn (basalt) en Mayen in de Eiffel (basaltlava)• Aanvullende leveringen zijn door de B.A.G. uitgevoerd uit diverse groeven

in de Eiffel en het Westerwald (basalt en basaltlava).

- Partek OY met steenlevering (gneis en graniet) uit een groeve bij pareinen in het zuidwesten van Finland ten zuidoosten van Turku.

- Mynämäen Maanrakennus OY met steenleveringen (diabaas) uit Eurajoki aan de Botnische golf ten noorden van Turku.

- TOrshamnskrossen met steenleveringen (diabaas en gneis) uit Götebbrg. Deze leveringen betroffen 4 leveringsovereenkomsten.

Bij deze overeenkomsten werd de controle op de bedrijfscontrole aan ~o op-gedragen. Daarnaast zijn nog een aantal steenleveringen in andere overeenkom-sten opgenomen. Deze leveringen zijn uitgevoerd door enkele bedrijven in België en de Bondsrepubleik Duitsland waarbij de kwaliteitscontrole door de WBD zonder betrokkenheid van ~O is uitgevoerd. Omdat de problematiek met betrekking tot de kwaliteitsborging in deze gevallen veel eenvoudiger was, is hieraan in dit rapport slechts sumiere aandacht besteed (hoofdstuk 4.8).

I

~

I

,

I

f

I,

I

Î

I

t

(10)

I

a

I

t

I

t

I

2.1. 2. - 5

-Ontwerp en benodigde .aterialen

Het ontwerp van de drempel

De drempel van de stormvloedkering Oostersehelde (SVKO) dient een aantal

functies te vervullen.

De voornaamste zijn bescherming van de ondergrond tegen erosie en steun aan de pijler en de ondergrond.

De drempel is echter ook een onderdeel van de kering als geheel, vanwege

zo-wel een afsluitende functie, bij gesloten kering, als een stroomgeleidende

functie wanneer de kering open staat. Om de ondergrond te beschermen diende

de drempel als een filterconstructie opgebouwd te worden, waarbij als rand-voorwaarden enerzijds de afmetingen van de korrels van de ondergrond golden en anderzijds de massa's van de stenen van de toplaag. Vanwege de afsluitende functie worden eisen gesteld aan de doorlatendheid, terwijl de constructie daarnaast flexibel moet zijn, om ongelijkmatige zettingen te kunnen volgen en aansluiting te behouden op andere onderdelen van de kering. Een vloeiend ver-lopende vorm van de drempel is aantrekkelijk voor de stroomgeleiding onder dagelijkse omstandigheden. In verband met de steun aan de pijler werden eisen gesteld aan de minimale afmetingen van de drempel.

Dit scala van eisen heeft geleid tot een principe-ontwerp van de drempel (fig. 2.1). Het ontwerp met een open toplaag van breuksteen, verdiende de voorkeur boven een ontwerp met een dichte toplaag van steenasfalt, vanwege de

kosten en de herstelbaarheid bij schade. Om het principeontwerp verder uit te

kunnen werken was het noodzakelijk de grenstoestanden te bepalen: de situa-ties, waarbij de sterkte van de drempel nog net voldoende is om de belasting te weerstaan. Een marginale overschrijding van de belasting leidt al tot be-zwijken van de drempel en daarmee tot het bebe-zwijken van andere delen van de kering en tenslotte tot het bezwijken van de kering als geheel. Het onder-scheiden van grenstoestanden behoort bij de probabilistische benadering. Volgens deze ontwerpfilosofie dient er voldoende marge te bestaan tussen de ontwerpbelasting en de bezwijkbelasting. Deze marge wordt de veiligheid van de beschouwde constructie genoemd.

De onderste laag van de drempel diende te bestaan uit materiaal dat in vol-doende mate als filter fungeert ten opzichte van het onderliggende bodemzand.

(11)

- 6

-De bovenste laag van de drempel bestaat uit zeer grote stenen, met een gemid-delde diameter van ruim 1 m. Om te voldoen aan de filtereisen diende de drem-pel te worden opgebouwd uit een aantal lagen van loskorrelige materialen, waarvan de diameter van beneden naar boven steeds toeneemt. Iedere laag moet in staat zijn het materiaal van de eronder liggende laag vast te houden, ook wanneer bij gesloten kering tengevolge van een groot waterstandsverschil tus-sen de Noordzee en de Oosterschelde een sterke waterstroming door de drempel loopt. Deze stroming kan zeer sterk worden, zodat de filterwerking van de la-gen slechts dan voldoet als aan bepaalde filtereisen wordt voldaan. Dit houdt in dat de holle ruimten tussen de korrels van een bovenliggende laag kleiner moeten zijn dan de korrels van een onderliggende laag. Zo'n filter wordt

"geometrisch ondoordringbaar" genoemd.

Voor de dimensionering van de onderste filter lagen was naast de grenstoestand met betrekking tot de filterwerking nog een grenstoestand van belang, name-lijk de stroombestendigheid tijdens de bouw. Het ging daarbij om de stabili-teit van het materiaal, dat nadat het was aangebracht gedurende een kortere of een langere periode blootstond aan de overtrekkende stroom, voordat het word afgedekt met grover en dus stabieler materiaal.

De optredende stroomsnelheden waren in eerste instantie beslissend. Daarnaast veroorzaakten de pijlers lokale versnellingen en vertragingen, waardoor het materiaal eerder in beweging komt dan in een volledig ongestoor-de situatie. Echter, in deze fase was enig materiaaltransport nog wel toe-laatbaar, omdat de gevolgen vrij gering waren en opgetreden schade relatief eenvoudig hersteld kon worden.

ow ....

-.~.

I Itl,.. I "DCaLAIG 1 TOf'U.tG,ooen..,.u. IN ... T... • T'CJIII\.AM!'a'ftI " ... S AAJfITOII'''' • DiCMIJIIL ... , on" iiiiIiIICTII

Fig. 2.1. Algemeen schema van de drempelopbouw.

I

,

I

,

J

I

,

1 rJ

I

t

1

1 )

I

1 I

I

(12)

I

Î

- 7

-I

t

I

Voor de bepaling van de benodigde steenafmeting van de diverse lagen is uit-gebreid modelonderzoek verricht. Hieruit volgde, dat het mogelijk moet zijn een constructie te ontwerpen die zowel aan de filtereisen zou voldoen als aan een voldoende mate van stroombestendigheid. Op één van de grenstoestanden, de

stabiliteit van de toplaag, wordt nu meer in detail ingegaan. De stabiliteit

diende onderzocht te worden voor twee situaties, een geheel gesloten kering en een gesloten kering met één weigerende schuif, beide onder extreme condi-ties. In het eerste geval treden in het gebied rondom de dorpelbalk hoge ver-hangen op, die bij overschrijding van een kritieke waarde het opdrukken van de benedenstroamse aanstorting tot gevolg kunnen hebben, waardoor de steun

voor de drempel gedeeltelijk wegvalt en het totale bezwijken van de drempel

kan worden ingeleid. Behalve dit bezwijkmechanisme, waarbij de aanstorting in feite steen voor steen bezwijkt, kunnen ook hele lagen afschuiven langs een glijvlak. Weigert er een schuif dan treden er zeer hoge snelheden op boven de drempel en de overgangsconstructie, die bovendien gepaard gaan met zeer ster-ke turbulenties. Hierdoor kunnen, bij overschrijding van een bepaalde kritie-ke waarde, de stenen uit de toplaag wegspoelen. Als dit transport doorgaat, zal op den duur de eronderliggende laag bloot gesteld worden aan de stroom, die bestaat uit kleinere elementen, die minder weerstand bieden. Verwacht kan worden, dat vervolgens de gehele drempel wegspoelt. In deze situatie is het stroombeeld zeer complex. Onderzoek naar de stabiliteit is daarom uitgevoerd met behulp van een hydraulisch schaalmodel. Voor de definitieve vaststelling van de benodigde steenmassa's per steenstuk was het noodzakelijk dat het ontwerp van de dorpelbalken en het niveau van de dorpelbalken vastlagen,

omdat die de mate van stroomaanval op de toplaag beinvloeden. De geometrie

wordt op zijn beurt echter weer mede bepaald door andere aspecten. Het niveau van de dorpelbalken wordt grotendeels bepaald door het gewenste

ontgrondingspatroon achter de bodembescherming. Naast dit aspect spelen

vanzelfsprekend ook aspecten als kosten en planning een voorname rol. Voordat begonnen werd met het hydraulisch onderzoek in het model, is eerst een

rekenmodel opgesteld, waarin zo volledig mogelijk de relatie tussen de

belastingen de sterkteparameters werd beschreven. Het hydraulisch onderzoek was er op gericht gegevens aan te dragen waarmee onzekerheden in dit

rekenmodel in voldoende mate konden worden weggenomen. Na het opstellen van het rekenmodel voor zowel de situatie "gesloten kering" als de situatie "weigerende schuif" is eerst een twee-dimensionaal onderzoek uitgevoerd in het Waterloopkundig Laboratorium de VOorst.

I

t

I

1 I

I

1 I

I

J

I

(13)

8 -I 300I

~oq,

I 500 ,,~50I -800-DORPELBALK 95 85 7S 65 ELEKTRISCH ANALOGON

NOORDZEE ZIJDE _{OOSTERSCHELDE ZIJDE}

DORPELBALK

60»-10.000kg

1)0 CJO 110 1I 60 50 40 1)% at

z

HYDRAULISCH MODEL

Fig. 2.2.

Overeenstemming tussen het hydraulisch model en het elektrisch analogon.

I

t

I

,

I

1 rt

,

I

.

,

I

(14)

I

t

I

~

I

J

I

9

-Naast de sterkte van de constructie kon met deze proefopstelling tevens de verdeling van de waterdruk in het gebied rondom de dorpelbalk worden vastge-steld. De gemeten verdeling stemde in bevredigende mate overeen met de met behulp van een rekenmodel en een elektrisch analogon bepaalde verdeling

(figuur 2.2.). Met de resultaten van dit onderzoek is de geometrie van de aanstorting vastgesteld, die vervolgens als randvoorwaarde fungeerde voor het toplaagonderzoek bij de situatie "weigerende schuif".

Dit laatste onderzoek vond plaats in een 5 m brede goot, waarin op schaal 1:30 ruim 3 compartimenten van de kering zijn nagebouwd (zie figuur 2.3).

Fig. 2.3: Destabilisatieproef in de 5 m brede modelgoot met drie secties van de Oosterseheldekering.

In de proefopstelling kon een verval worden ingesteld, al dan niet gecombi-neerd met golven. De sterkte van de toplaag werd uitgedrukt in het aantal stenen dat tijdens een extreme situatie verplaatst wordt. Als criteriwm werd hierbij het zichtbaar worden van de onderliggende laag gehanteerd, omdat dit vrijwel gelijk staat aan het totaal bezwijken van de drempel. Door het onder-zoek uit te voeren voor een aantal karakteristieke sluitgatlocaties kon in-zicht verkregen worden in de verdeling van de benodigde massa per steenstuk over het sluitgat.

Bij conventioneel stabiliteitsonderzoek wordt in de meeste gevallen als cri-terium het "begin van bewegen" van bodemmateriaal gehanteerd. Bij de toplaag echter wordt een zekere schade geaccepteerd.

(15)

NOORD.BEVELAND

ZEEZUDI! NOOIIOlA...,

,

I

- 10

-I

Daarom is naast de extreme situatie waarbij totaal bezwijken op zou treden tevens de schade bij lagere en vaker voorkomende belastingen bepaald.

Omdat de schade onder deze omstandigheden onacceptabel hoog was, is het ont-werp op een aantal plaatsen aangepast. Met name de teen van de aanstorting is om deze reden verzwaard.

Na evaluatie van de resultaten van het toplaagonderzoek is de verdeling van de benodigde massa per steenstuk over het sluitgat vastgesteld (figuur 2.4).

I

'.a'L.u. .:' _._. .:..;;.:~~:..::~:..:.:..~:..; :..::..:.;.:.:..:~:..;.:..;.:..;:_:..::..:~~.:.:...;:.. ~ 0" , ZEEZIJOI

I

AOGGENPl .... T H"_" ZEEZIJDE " IJ (, 0c ot I' lX~ ., ,-... Il ••ULIIIIIIIII l:J.JIJII

f11111lli'lA.'){J(...l:;' ...{:. ~:a:~~'. 111111",1'''

.1' ... '_'.' ",', I

t

. .,... . .

--~-

_

._--

---

-

_

.

-

----

-

---

--"'.1 II,II.!I.'III'

OOSTERSCHILDEZUDI!

I.LOC.JE (-;OC'I!f.LOC.•• ~OC'I.LOC"TIE JI[

OOSTllISCHELOElUOI

ILOC"TII • I LOCATIE. ILOC.". 11[

I

IIOOMI'OT

~'(J 1...:::::::;:··~r'''''''llll''"lltlllt''llIl!lllIlIflfIl11111''llI1IH'1IUII"I:::::::::::::::::::"'" ','"

~···;t"II'III"'·\'III~1111',r"I'lllllrlrll11'111111111.lrl'llIlllll:·.··· .•. :~

.:..:.;.:..;.:.~:..:.:.:..:.:..:~:...;' .. . ~~:~~:~!-:+:~ ~:~:~~!'-:~:~'!" ... ,... , .A·· • ,.·.!t :'.J' '. ) ,O·.·.,L, ~~

I

""11"11""11""11"1111""""11"""""1111' OOSTERSCHELDIlUDE nRKl"R'NO

EIIGl BRfUICSTEEII _TERING I·IQ TON A.OR¬ "'El

B. OYfIlOANOSCONSTIlUCT~

~ _UlCSTUN SORTERING 3·1 TON

E!!!!3 BIIEUKSTUII SORTERING ',3 TON

..

~HZ_ UElUDl!• 2.00

..

c:::J

BR(UIC~TEEN SORTERING 30D.1000 KG

YOOII ..LLE STUNSORnlllNGEN

E]3 III.UllSTlIII _Tl_ BO·30D KG IN DE TOPlAAG \•• 3 'ON'M3

1 I

I

Fig. 2.4: Overzicht van de steensortering in de toplaag van de drempel.

I

t

(16)

I

i

I

t

I

.

1 I

I

t

I

11

-De benodigde sorteringen variëren tussen 60-300 kg en 6-10 ton.

Vermeldenswaard is nog dat steen zwaarder dan 300-1000 kg in verband met be-schadiging van de betonnen pijlers en dorpelbalken niet vanaf de waterlijn mocht worden gestort, maar zeer voorzichtig met een speciale kraan geplaatst diende te worden. Steen zwaarder dan 1-3 ton mocht bovendien niet tegen de betonnen onderdelen kantelen; daarom werd tussen dit materiaal en de pijlers ter bescherming een strook asfalt aangebracht.

2.2. De relatie tussen het ontwerp en de eisen voor de breuksteen.

In dit hoofdstuk wordt in het kort de relatie tussen ontwerp en eisen voor de breuksteen gegeven. Eén en ander betreft het ontwerp van de drempel, de over-gangsconstructie en de breukstenen dammen van de SVKO. Er wordt niet op con-crete eisen ingegaan, daarvoor wordt naar de literatuur verwezen; wel wordt er ingegaan op mechanismen, die als grondslag dienen voor deze eisen.

In 2.2.2. worden de functies van de genoemde constructieonderdelen behandeld en de daaruit voortvloeiende functionele eisen. In 2.2.3 tot en met 2.2.6. wordt meer in detail op de belangrijkste constructieve functies (c.q.

eigen-schappen) ingegaan. De formulering van de ontwerpeisen wordt in 2.2.7.

behan-deld, terwijl in 2.2.8. op de materiaaleisen wordt ingegaan.

Functie-analyse

De drempel van de SVKO dient een aantal functies te vervullen zoals:

- afsluiting tussen dorpelbalk, fundering en pijler; - grondmechanische steun aan de pijler en de ondergrond;

- stroom--en golfbestendigheid van de bodem in bouwen eindfase; - stroomgeleiding.

De overgangsconstructie heeft als functie het voorkomen van dusdanige erosie

van de ondergrond, dat de fundatie van de SVKO gevaar zou kunnen lopen.

De breukstenen dammen dienen als afsluiting tussen de randpijlers, de

damaan-zetten en de ondergrond. Net als de drempel geven zij grondmechanische steun aan de eindpijlers en ondergrond en moeten zij de golf- en stroombestendig-heid van de bodem in bouwen eindfase garanderen.

(17)

schade) • ₍

-)

I

,

I

'

f

I

,

I

t

I

- 12

-uitgaand. van deze primaire functies van de constructieonderdelen kunnen

met betrekking tot de toe te passen breuksteen de volgende constructieve functies (c.q. eigenschappen) worden geformuleerd:

- stroo~ en golfbestendigh.idsfunctie,

- filterfunctie,

- grondmechanische eigenschappen,

Voor al het loskorrelig materiaal, dat voor de hier beschouwde

construc-tie-onderdelen is gebruikt geldt dat het stroo~ en golfbestendig moet

zijn. Voor de tussenlagen werd bestendigheid tegen stroom- en

golfOmstan-digheden in de bouwfase vereist, terwijl de toplagen aan omstandigheden

in de eindfase moeten voldoen.

ZOwel de mate van stroom- als van gOlfbe.tendigheid van breuksteen kan

worden uitgedrukt in de dD-waarde van het materiaal. Bierin is:

6 • relatieve dichtheid (ps-pw)/Pw ₍

-

₎

• dichtheid van de steen • dichtheid van water

• nominale diameter van de steen, deze is gelijk áan

~ p

s

• de mass. van een st..nstuk die door 50 mas.aprocent wordt

onderschred.n. (kg/m3) (kg/m3) m ) HSO kg )

In de •••• t alg..ene vorm is de vereiste~ D-waard. bij strooaaanval te

l.

schrijven al.a AD. ~u~/C Ijl

hierin isa k • invloedlCoifficient voor bijvoorbeeld geo.etrie, de aanwe-zigheid van ob.takels zoal. pijler. enVof dorpels e.d.(-)

u • ge.iddelde snelheid in d. vertikaal. (m/s)

C • coifficient van Chézy (m Ys)

(18)

I

'

I

~

I

,

j

I~

1 :

I

13

-voor de dreapel en de overgangsconstructie was de golfbelasting niet van

belang in het ontwerp, voor de breukstenen dammen echter is de

golfbelaa-ting wel van belang Cmet n..e voor het talud aan de zeezijde). De

verge-lijking voor de golfbe.tendigheid lijkt erg op die voor de

stroombesten-digheid • Deze luidt (formule van Budaon):

s

D - Bs/Ckeicotg ) 1/3;

hierin is: Bs- significante golfhooqte kd- stabiliteitacoifficient

a. taludhoek.

(m) (-)

(rad)

Een meer aan te bevelen stabiliteitsrelatie is die waarbij de sterkte

wordt uitgedrukt als functie van de zogenaa.de ·surf similarity

parame-ter· (parameter voor het brekertype) : Bs/t.D - f ( ~)

~. tan a/12,W BslgT2

T • gemiddelde golfperiode. ( s)

In de literatuur worden verschillende definitie. gebruikt voor de

steen-diameter. De reden hiervoor is dat vele onderzoekers hebben getracht om

een soort van vormparameter in hun uitdrukking voor de diameter op te

ne-men. Voor de SVIO is al in een vroeg stadiua van het ontwerp gekozen voor

de nominale diameter, die onafhankelijk is van de vorm. Dit houdt in dat

de stabiliteits parameters k en keiuit de bovenstaande formules niet

ge-heel onafhankelijk zijn van de vorm van de steen.

I

Een niet te brede sortering breuksteen, die weerstand moet bieden aan

golf-of stroa.aanval kan ontwerptechniach gelijk worden gesteld aan een

sortering met één uniforme mas.a per steenstuk. Globaal geldt dit voor

golven indien D9SIDS ~2,5 en voor strOOII indien D9SIDs ~ 4,0 (lit.1,2,3)

Hierbij hoort wel de kanttekening te worden gemaakt, dat de aard van de

schad. iet. kan verschillen. Bij het modelonderzoek M1451 zijn twee

ver-gelijkbare proeven uitgevoerd, één met basalt 1000-3000 kg en één met

porfier 500-5000 kg (t.O-waarde wa. nagenoeg gelijk). Bij gelijke

rand-voorwaarden was het aantal verplaatste stenen bij de porfier ca. 5 maal

zo groot als bij de basalt, de schadeconcentratie oftewel de ernst van de

schade voor het functioneren van de constructie was in beide gevallen

gelij k (lit.3) •

I

'

I

•

t

I

(19)

Voor gea.etriacb niet ondoordringbare filters geldt, dat de kritieke bela.ting (verhang wa.rbij transport van ba.i ..ateriaal optreedt) afhankelijk i. van de zgn. ·filterkarakteristiek.

- Y • nf D15!IDSob

De relatie tu••en de filterkarakteristiek y en de kritieke belasting ier moet vrijwel altijd via onderzoek bepaald.

Voor een taludverdediging in de golfzane word.n in de literatuur verschillende eisen gesteld, als alg .... n veilige ei. g.ldt: - 0SO(toplaag) ':'4,5

à

7 050(1. ond.rlaag) [resp. lito 7 en

s1.

I

,

I

14

-I

I

Een filterconstructie van steen bestaat uit achtereenvolgend in grofheid toenemende lagen steen. De lagen moeten elkaar zodanig in grofheid

opvolgen, dat onder invloed van stroming en gOlfwerking geen materiaal door de grovere bovenliggende laag kan verdwijnen. Hi.rbij mogen geen ontoelaatbare wateroverdrukken vanuit de onderste lag.n op de bovenste laag worden uitgeoefend. In principe zijn er twee filters te

onderscheiden, namelijk:

- een geometrisch ondoorlatend filter, - een geometrisch niet ondoorlatend filter.

I

'

J

I

Een filter is geometrisch ondoorlatend indien geldt:

- 0SO! < 3 à 5 0SOb (of nfOtSl < t à t,6 DSOb), hierin is:

-f • -filtermateriaal b • ba.i ..ateriaal n • poriingehalte.

De coifficient 3 geldt ingeval van cyclische stroaing en S ingeval van eenparige stroming. In verband met de wat.rdoorlatendheid en de daarmee in verband staande overdrukken geldt:

- 020f ~ 4 à 5 020b

Verder moet de filterlaag intern stabiel zijn:

- 060f < tO 0tO!. (lit.4).

f

In (lit. 9) worden eisen gesteld aan de laagopbouw van golfbrekers, die veel strenger _{zijn (deze eisen worden vrij alge.een toegepa8~):}

- HSO (toplaag) < 10 _HSO _{(2de laag) en} - HSO (2de laag)< 20 _{HSO (3de laag).}

(20)

I

- 15

-I

I

-

,

I

De eisen zijn echter niet alleen gebaseerd op filterwerking, zij garande-ren ook een goede afvoer van golfdrukken en een gOede haakweerstand tus-sen de verschillend. lagen (taludhellingen zijn vaak erg stijl) • Verder dient te worden opgemerkt dat de toplaag van golfbrekers vaak uit uniform materiaal bestaat.

In het algemeen zijn de toplagen van de beschouwde constructieonderdelen op geoaetrisch ondoordringbaarheid ontworpen, terwijl voor de tussenlagen de parameter Y dusdanig is gekozen dat de bijbehorende kritieke randvoor-waarden (lOkaal verhang) boven het optredende bezwijkverval ligt.

De drempel en de overgangsconstructie van de Stormvloedkering zijn uit meerdere lagen opgebouwd, waarbij iedere laa9 zowel een stroom (-golf) ba-stendigheidsfunctie als een filterfunctie heeft. Afst ... ing van tegen-strijdige eisen voor de breuksteen was dan ook van groot belang en luis-terde dan ook vrij nauw voor het ontwerp. Vooral bij de fijne sorteringen waar de filtereisen van groot belang waren kon met breuksteen met een dichtheid varierend tussen de 2650 k9/m3 en 3000 kg/a3 niet aan de

fil-tereisen en aan de stroombestendigheidseisen worden voldaan. Voor die la-gen is naar ander materiaal met een hogere dichtheid geZOCht, zodat met

relatief fijn materiaal toch een hoge 6.D-waarde kon worden bereikt. Hiertoe is buiten breuksteen ook staalslak en koperslak in het ontwerp

I

· I

I

opgenaaen.

I

Uit grondaechaniscb oogpunt zijn de volgende materiaaleigenschappen van belangt

- intern. wrijvingshoek,

- wrijvingshoek tussen breuksteen en beton, - effectief volu.. gewiCht.

Oe grootheden word.n bepaald door de vorm van de stenen en de aard (hardheid e.d.) van het materiaal.

In de analytische, nummerieke of fysische modellen zijn waarden voor deze grootheden ingevoerd, die het hele scala van te gebruiken materialen bestreken.

I

,

a

I

(21)

- 16

-I

I

2.2.6. Duurzaamheid en sterkte

---

I

In principe moeten de beschouwde constructie-onderdelen de gehele

levens-duur van de kering in takt blijven. Voor een groot deel van de breuksteen houdt dat in, dat de hoedanigheid ten tijde van het aanbrengen onveran-derd moet blijven.

Daar de tussenlagen echter alleen een stroombestendigheidsfunctie tijdens de bouwfase hebben is afname van de ~D-waarde tijdens de levensduur niet

geheel ontoelaatbaar (mits de korrelverdeling aan de filtereisen blijft

voldoen) •

De drempel is ontworpen als een loskorrelige constructie, dit houdt in,

dat zetting kan en mag voorkomen. Het is zelfs vereist dat door het toelaten van enig zand in de constructie bij uitspoelen van het zand de constructie de zettingen kan volgen. Samenkitten van materiaal is dus niet toelaatbaar.

Vooral tijdens de opslag, overslag en verwerking van de breuksteen worden er hoge eisen aan de duurzaamheid en aan de sterkte gesteld. Vooral de breukgevoeligheid van bepaalde soorten breuksteen heeft tijdens de bouw van de drempel en overgangsconstructie van de SVKO grote problemen met zich meegebracht. Afhankelijk van de wijze (en de duur) van de opslag en

de verwerking moet er worden gelet op de breukgevoeligheid (eventueel als

gevolg van zonnebrand), de slagbestendigheid en de slijtgevoeligheid van de breuksteen.

I

'

a

,

I

J

,

1 -I

I

,

.

1

(22)

I

o.f.= opslag factor voor te voorziene breuk.

I

- 17

-I

I

Globaal is het stroomschema voor het ontwerp van de beschouwde

construc-tie-onderdelen als volgt weer te geven:

-I

geometrie

I

stabiliteits

-~ benodigde

!;f.

model voor

ver-bezwijk randvoor- val en golven

I

~D

waarde verval + golf

--

stabiliteits _W~rterin9S

bezwijk randvoor- model voor e~sen

waarde verhang

_-

I

_filters

I

(Dx)

I

Fig. 2.5: Ontwerpproces. materiaal anschrijving

I

De bezwijkrandvoorwaarden zijn de ontwerprandvoorwaarden vermenigvuldigd

met de benodigde veiligheidscoëfficient. In deze coëfficient moet een deel zijn gereserveerd voor afwijkingen in de sortering van de breuksteen

ten opzichte van de gewenste sortering.

In dit deel van de veiligheidscoëfficient moet zijn opgenomen: - onnauwkeurigheid bij de keuring van het materiaal~

- onnauwkeurigheid rond de invloed van mechanismen, die de hoedanigheid van de steen beinvloeden (bijv. breuk)~

- de invloed van ontmenging~

- een inschatting van niet voorziene mechanismen, die de ~D van het materiaal kunnen beinvloeden.

I

(23)

- 18

-Het behoort tot "goed ontwerpen" om de benodigde veiligheidscoëfficient zo klein mogelijk te houden; dit is te bereiken door alle mechanismen, die de toestand van het materiaal kunnen beinvloeden zo goed mogelijk te

leren kennen enVof op een dusdanig tijdstip te keuren, dat dit soort onzekerheden kunnen worden geëlimineerd.

Voor de hier beschouwde constructieonderdelen bestond het stabiliteitsmo-del vooral uit fysische (schaal)mostabiliteitsmo-dellen.

om

onzekerheid ten aanzien van de interpretatie van dit soort modelgegevens zoveel mogelijk te elimine-ren is het raadzaam om de omstandigheden in model en prototype zoveel mogelijk gelijk te houden, zoals:

- korrelverdeling; - vorm van de steen.

Grote afwijkingen tussen model en prototype hebben hun repercussies voor de te hanteren veiligheidscoëfficient.

De op bovenbescbrevenwij_ bepaalde ont_rpeisen gelden voor bet aate-daal. zoal.s dit op de pl.aata van beat_ing in de conatructie aan_zig aoet zijn.

Indien keuring in situ mogelijk zou zijn, zouden de ontwerpeisen overeen-komen met de te stellen materiaaleisen (reparatie moet dan wel technisch en economisch mogelijk zijn). In de praktijk doet zich deze mogelijkheid zelden voor. In ieder geval was dit bij de bouw van de stormvloedkering niet mogelij k.

Als uitgangspunt voor de materiaaleisen gelden in principe de ontwerpeisen, deze eisen worden echter nog aangescherpt door: - uitvoeringseisen;

- mechanismen die tussen keuring en voltooide constructie de hoedanigheid van het materiaal kunnen beinvloeden;

- leveringsmogelijkheden en prijsoverwegingen. Uitvoeringseisen kunnen hun oorsprong vinden in:

- het gebruikte materieel, bijvoorbeeld de maximale hijscapaciteit van een kraan, dit was bijv. belangrijk voor de kap van de breukstenen dam;

I

1 -I

I

f

,

I

'

I

f

I

1 I

J

I

,

I

(24)

- de sterkte van de steensortering, bijvoorbeeld de als proeflevering uit Noorwegen aangevoerde dunietbreuksteen, die in de kap van de breukste-nen dam Noordland (per abuis) werd toegepast, werd door de grijper ver pul.ve rd s

- het mogelijk beschadigen van andere constructieonderdelen, bijvoorbeeld de massa van een steenstuk in de sortering 1-3 ton dat tegen het beton van de pijler en/of dorpelbalk aangestort werd mocht niet groter zijn dan 4,5 ton.

Bij het drempelontwerp is voor de verandering van hoedanigheid van de breuksteen tussen keuring (in de groeve) en plaats van bestemming in de constructie de zogenaamde "hiero-daaro· factor geformuleerd. Deze is op 15% afname van de (M50) gesteld (lit. 5). In de leveringsovereenkomsten is rekening gehouden met verfijning door overslag, door onder andere na aanvoer een 5% lagere gemiddelde massa van de steenstukken toe te staan dan bij controle in de groeve. Er golden daarmee verschillende keurings-eisen in de groeve en na aanvoer.

I

- 19

-ontwerpeis __ biero-daaro factor _ keur illCJaeis

groeve

..L

er

I

depot

I

schip (verwerking)

sJ.ten

(verwerking) bJem (eind-situatie)

.

1 I

,

I

1

na x jaar overslag vervoer overslag overliggen overslag verlies selectief verlies door stroom e.d.

breuk ontmenging keuringseisen keuringseisen breuk ontmenging

degeneratie hiero- aaro factor breuk

ontmenging

selectie bij laden ontmenging

breuk

degeneratie

ontwerpeisen Fig. 2.6: Handelingen die de breuksteen sortering beinvloeden.

(25)

De vóór de bouw van de stormvloedkering bestaande kennis over breuksteen voor waterbouwkundige constructies betrof voornamelijk ervaringskennis op grond van visuele waarneming.

Tot de jaren '60 had dit bij uitzondering betrekking op zwaardere steen-sorteringen dan nominaal 300 kg, omdat dergelijke steen-sorteringen nog slechts weinig toegepast werden. Tussen 1960 en 1974 zijn ook grote hoeveelheden zware steensorteringen toegepast. Dit betrof havendammen,en oevercon-structies bij IJmuiden, SCheveningen en Hoek van Bolland. Er werden

hier-bij sorteringen tot nominaal 8 ton verwerkt, namelijk 300-1000 kg,

1000-6000 kg, 1000-4000 kg, 4000-8000 kg en bij uitzondering 5000-7000 kg. - 20 -

•

I

'

I

In fig. 2.6 staat chronologisch weergegeven welke handelingen invloed

hebben op de sortering breuksteen. Een keuring van het materiaal op een

zo laat mogelijk tijdstip kan de onzekerheid in de hiero-daaro factor aanzienlijk verkleinen.

Het ontwerp van de drempel, overgangsconstructie en breukstenen dam was zeer complex. Per lokatie en per laag verschillen de eisen die aan het

materiaal worden gesteld. Om toch enige uniformiteit in de te gebruiken

materialen aan te brengen is er gekozen voor een klasse-indeling. Voor de lichte en zware sorteringen is gekozen voor in massa opéénvolgende

sorte-ringen, zoals 60-300 kg, 300-1000 kg e.d. De fijne sorteringen zijn

af-hankelijk van de ontwerpeisen aangeduid in mm, zoals 8/40 mm, 40/250 mm en dergelijke. Vooral bij de fijne sorteringen kan de dichtheid van de

steenstukken en dus de ~D-waarde sterk var ieren als ook slakken in

aan-merking komen. De dichtheid kan dan variëren tussen 2650 kg/m3 en 3900

kg/m3•

I

e.d. ;

,

I

'

I

,

I

,

I

'

Samenvattend heeft dit alles geleid tot eisen, die zich richten op: - soort steen (materiaal), zoals diabaas, basalt, staal- of koperslak

- ~D-waarde van het materiaal (per sortering);

- korrel- en massaverdeling van het materiaal; - vorm van de steenstukken.

Voor kwantificering van deze eisen zie lito 5.

(26)

I

Î

I

21

-De aan de steen gestelde eisen betroffen een minimale waarde voor het "soortelijk gewicht" en de volgende eis: "de stukgewichten moeten onge-veer gelijkmatig verdeeld liggen tussen de aangegeven gewichtsgrenzen". Er werden voor zover bekend geen vooronderzoeken in steengroeven ver-richt. De "keuring" betrof gewoonlijk een visuele beoordeling bij aan-voer. Als overschrijding van de nominale bovengrens van een sortering werd maximaal ongeveer 10% (m/m) toegestaan. Overschrijding van de nominale ondergrens werd voor maximaal 3 tot 5% (m/m) toelaatbaar geacht. Incidenteel werden de dichtheid en de massaverdeling van

aangevoerd materiaal gemeten. Bij de bouw van de havendammen bij Hoek van Holland is dit bewust gedaan om gegevens te verzamelen om een goed

systeem van eisen en kwaliteitcontrole op te kunnen zetten met

gebruikmaking van de kansberekening. Uit de meetgegevens bleek, dat de sorteringen soms te licht waren en dat de overschrijdingen van de nominale sorteringsgrenzen veelal nogal groot waren. Er zijn

overschrijdingen van meer dan 30% (m/m) tot maximaal ongeveer 50% (m/m) gemeten. Bovendien kwamen in sorteringen wel steenstukken voor, die een 2- tot 4-voudig grotere massa hadden dan de waarde van de nominale bovengrens.

Bij de voornoemde statistische benadering van de keuringsproblematiek ging men er vanuit, dat zowel de dichtheid als de massaverdeling op grond van aantallen, normale verdelingen betroffen. Dit is voor beide

verdelingen niet het geval. Bij de bouw van de havendammen bij Hoek van Holland is een poging gedaan om een levering van 400.000 ton breuksteen in de sorteringen 300-1000 kg, 1000-6000 kg en 5000-7000 kg optimaal met goede eisen en zorg voor de kwaliteit te doen plaatsvinden.

Er werden overschrijdingen van de nominale grenzen toegestaan van maximaal 2,5% (aantallen). De massaverdeling moest normaal verdeeld

zijn. Ook gOlden er eisen voor de gemiddelde massa van de steenstukken en voor het "soortelijk gewicht".

De eisen waren kennelijk geformuleerd op grond van statistische kennis, echter zonder voldoende inzicht in de (on)mogelijkheden bij de produktie en in de functionele eisen voor de steensorteringen die voor de te maken constructies golden.

(27)

22

-Na levering van 10.000 ton, die doorgaans niet voldeed aan elk van de ge-stelde eisen werd de levering onder de gestelde condities gestaakt.

Deze ervaringen deden sterk afbreuk aan het streven naar realistischer eisen afgeleid uit functionele voorwaarden, en keuring volgens objectieve keuringsmethoden.

In de praktijk was het voorkomen van veel fijn materiaal wel aanleiding tot afkeuren. Soms betrof dit ook het voorkomen van te zware steenstuk-ken~ bijvoorbeeld waar dit op verwerkingsproblemen stuitte. Volgens de huidige inzichten kan een visuele controle van het voldoen aan sorte-ringseisen gemakkelijk tot willekeur leiden.

2.4. Vooronderzoeken

2.4.1. Oriënterend onderzoek

---De vooronderzoeken voorafgaande aan de leveringen voor de stormvloedke-ring werden uitgevoerd door de Wegbouwkundige Dienst en de Deltadienst. Bij deze diensten bestond toendertijd nog onvoldoende kennis over breuk-steen voor de waterbouw. Oriënterende onderzoeken en vooronderzoeken naar aanleiding van de bouw van de stormvloedkering waren daarom ook een leer-school. Hierbij werden allerlei onder,oeken verricht, die nuttig leken te zijn.

Veel informatie werd ook verkregen van alle betrokken partijen bij de breuksteenleveringen: producenten, geologen, ontwerpers, bouwers, labora-toria en besteksschrijvers. De opgedane kennis heeft geleid tot het rap-port ·Kwaliteit en kwantiteitscontrole van breuksteen voor de waterbouw.

(lit. 10).

In dit rapport zijn ook ervaringen verwerkt, die opgedaan zijn bij de bouw van de stormvloedkering en diverse andere grote en kleine waterbouw-kundige werken.

Het eerste oriënterende onderzoek werd uitgevoerd in de basaltlavagroeve bij M~yen in de Bondsrepubliek Duitsland en in de kalksteengroeve bij Beez in België.

I

,

I

(28)

I

1 I

I

23

-Hierbij werden vooral de mogelijkheden van de 2 belangrijkste produktiemethoden voor sorteringen breuksteen nagegaan: machinale

produktie door breken en zeven en selectie op grond van visuele schatting van de massa van steenstukken. Uit deze onderzoeken werd een eerste indruk verkregen van de nauwkeurigheid van de selectiemethoden, waardoor de

breedte van sorteringen bepaald wordt. Er werd ook nagegaan in hoeverre de grootte van het scala aan diverse denkbare sorteringen beperkt werd door gesteentekundige en produktie-technische mogelijkheden.

Nadien zijn van een groot aantal andere groeven steenmonsters onderzocht. Dit betrof groeven, die enigerlei kans hadden om voor levering voor de stormvloedkering in aanmerking te komen.

Het monsteronderzoek had de betekenis van een eerste en oriënterend on-derzoek naar de gesteentekundige eigenschappen. De groeven lagen in België, Luxemburg, West-Duitsland, Frankrijk, Spanje, Portugal, Engeland, SChotland, Noorwegen, Zweden en Finland. De monsters werden op allerlei eigenschappen onderzocht: uiterlijk voorkomen, porositeit, holten, scheu-ren, aders, gelaagdheid, druk- en treksterkte, aggregate impact value, rock toughnes, dichtheid, wateropneming, bestandheid tegen vorst- en

dooiwisselingen, E-modulus en soms de erosiegevoeligheid (zandblaasproef). De diverse sterkte-eigenschappen werden mede onderzocht om natuursteen beter te leren kennen. Uiteindelijk zou als enige voor breuksteen te voe-ren sterkteproef gekozen worden voor de dynamische verbrijzelingswaarde. Deze waarde komt vrijwel overeen met de aggregate impact value (lit.l0). Wanneer zowel de prijs, de produktiecapaciteit als de kwaliteit van de steen perspectieven boden voor een eventuele levering werd de groeve of winplaats bezocht voor een nader onderzoek.

Het gesteente werd visueel beoordeeld op kwaliteitsvariaties (kleur en struktuur). De groevewanden werden uitgebreid bemonsterd voor onderzoek

in het laboratorium.

De produktiemogelijkheden werden onderzocht. Hierbij werd vooral aandacht besteed aan de struktuur van het gesteente en de springmethoden. Deze factoren zijn bepalend voor mogelijkheden om zware sorteringen te ver-krijgen.

Het breuk- en scheurenpatroon van de steenformatie bepaalt de verkrijg-baarheid van lichte of zware sorteringen.

(29)

- 24

-Door aanpassing van het springproces kan de hoeveelheid vrijkomende zware steenstukken belnvloed worden. Hierbij was ook van belang in welke

verhouding steen voor de diverse gewenste sorteringen geproduceerd zou kunnen worden, omdat een zo goed mogelijke aansluiting op de verlangde hoeveelheden van de diverse sorteringen zowel economisch als kwalitatief het meest aantrekkelijk is. Kwalitatief, omdat bij het overmatig in de groeve vrijkomen van een bepaalde sortering, de neiging bestaat om steen van deze sortering ook in de naastgelegen sorteringen in te delen,

waardoor deze te licht of te zwaar kunnen worden.

De meeste steengroeven zijn voornamlijk gericht op het produceren van fijne sorteringen zoals steenslag. Daarom wordt het springproces zo uit-gevoerd dat het gesteente reeds sterk verfijnd wordt. Verfijning door springen is goedkoper dan door machinaal breken. Voor de produktie van zware sorteringen moet het springproces dan aangepast worden. Het schat-ten van de verkijgbare hoeveelheden zware sorteringen is, vóór het

springproces is aangepast, nogal speculatief en vereist deskundigheid. Daarom werd in de fase van vooronderzoek in sommige groeven een aangepas-te springing uitgevoerd. Dit werd in elk geval gedaan bij het uitvoeren van proefleveringen. Voor het aanpassen van het springproces werden door de groeveleiding eveneens deskundigen aangesproken. Niettemin moest door proberen het op dat moment optimaal geachte springproces gevonden worden. Het breukpatroon en de eventuele gelaagdheid in de steenformatie zijn doorgaans ook bepalend voor de sterkte van de zware steensorteringen

(lit. 10).

Door visuele beoordeling kan de invloed van breukvlakken op de sterkte niet goed geschat worden. Hiervoor is onderzoek van een proeflevering of nagebootste overslag noodzakelijk.

Veelal kon een geoloog nuttige informatie verschaffen over de aard en de variatie van het gesteente. Het onderzoek in de groeve en de ontwikkeling van produktieplannen werd mede door deze informatie bepaald. Bij een groeve-bezoek werd ook steeds ingegaan op de wij ze, waarop het steemate-riaal geproduceerd en overgeslagen zou worden. Hierbij werd nagegaan of geschat of de gewenste sorteringen geproduceerd zouden kunnen worden en

in welke mate verfijning bij overslag verwacht zou kunnen worden.

I

'

I

l

I

(30)

I

'

I

i

I

25

-Er zijn in het kader van vooronderzoek 7 proefleveringen uitgevoerd. Het betrof groeven, die zowel op grond van gegevens over prijs en productie, als van tot dan bekende gegevens over kwaliteit voor levering in

aanmerking kwamen. De volgende proefleveringen zijn uitgevoerd:

- november en december 1978, B.A.G. (Basalt Aktien Gesellschaft) , groeve

Lautzenbrücken: basalt 6-10 ton (700 t), 1-5 ton (800 t) en 1-3 ton

(1000 t) (Ut. 11):

- december 1978, Hargreaves Quarries Ltd., Teesdale (Engeland): diabaas

1-6 ton (1700 ton) (lit. 12):

- februari 1979, A.S. Olivin, Aaheim (Noorwegen): duniet 6-10 ton

(2100 tI, 1-3 ton (700 t) (lit. 13):

- maart en april 1979, B.A.G., Balduinstein: basalt 6-10 ton (2200 t),

1-5 ton (800 t) en 1-3 ton (1300 ton) (lit. 14):

- maart 1979, Mynämaën Maanrakennus, Eurajoki (Finland): diabaas 6-10

ton (2000 t), 1-3 ton (1200 t), 300-1000 kg (500 t) en 60-300 kg

(500 t) (lit. 15):

- augustus tlm november 1979, Longhaven Quarries Ltd., Peterhead

(SChotland): graniet 6-10 ton (600 t), 1-3 ton (500 t), 300-1000 kg

(500 t) en 60-300 kg (100 t) (Ut. 16):

- oktober 1979, Norsk Hyperit AIS, Kragero (Noorwegen): gabbro 6-10 ton

(1500 tI, 1-3 ton (500 t) en 300-1000 kg (500 t) (Ut. 17).

De volgende doelstellingen stonden met het uitvoeren van de

proefleverin-gen voor oproefleverin-gen: het testen van het uitvoeringsvermoproefleverin-gen met betrekking tot produktie, kwaliteit en transport, het bepalen van de mate van breuk door overslag, het komen tot realistische eisen voor de te leveren steensorte-ringen en het beschikken over steenmateriaal voor grootschalig onderzoek in Nederland.

Er gelden bij proefleveringen bijzondere omstandigheden, waardoor de resultaten beinvloed kunnen worden. De producent is wellicht sterker gemotiveerd om de proeflevering goed te laten verlopen dan een gewone levering vanwege het belang om een grote opdracht te verkrijgen.

(31)

26

-I

I

,

I

De produktie- en transportmiddelen en -methoden kunnen bij een proefleve-ring verschillen van die bij een werkelijke leveproefleve-ring in verband met in-vesteringen dienaangaande, die pas na verkrijging van een opdracht gedaan worden. Bij het openen van een nieuwe groeve kan een proeflevering, die daaruit betrokken wordt materiaal betreffen van de rand van een steenfor-matie, die kwalitatief kan verschillen van de grote massa van het dieper gelegen materiaal.

De voornoemde factoren hebben ongetwijfeld een rol gespeeld, maar hebben het bereiken van de doelstellingen niet essentieel gehinderd. De proefle-vering van Lautzenbrücken was vooral nodig om over steen te kunnen be-schikken voor studie naar de verwerkingsmogelijkheden van zware sorterin-gen. Op dat moment was de voor levering bestemde groeve Balduinstein nog niet operationeel. De basalt uit Lautzenbrücken bleek breukgevoelig te zijn door het voorkomen van veel scheuren en door een "breukvlakkensys-teem" in sommige zuilvormige steenstukken, waardoor uiteenvallen in klei-nere zuilen kon voorkomen. De overige proefleveringen leidden niet tot afwijzing van betreffende groeven op basis van de bereikte resultaten. De proefleveringen werden in alle fasen van voorbereiding en uitvoering begeleid en kritisch beoordeeld door de WBO en de Deltadienst. De kwali-teit werd op alle relevante aspecten onderzocht. Dit betrof de massaver-deling, de dichtheid, de sterkte, het voorkomen van scheuren en breuk-vlakken, de vorm van de steenstukken etc. De resultaten leiden tot het vaststellen van eisen, die in de groeve mogelijk geacht werden en maakten formulering van eisen voor de massaverdelingen na aanvoer mogelijk. Er werden goed gefundeerde, dat wil zeggen statistisch en economisch verant-woorde eisen, eisen geformuleerd voor de gemiddelde dichtheid en voor de dichtheid, waaraan 90' van de steenstukken moest voldoen.

De eisen waaraan de massaverdeling van de sorteringen in de groeven moes-ten voldoen werden in overleg met de ontwerpers van de steenconstructies iets aangepast en verruimd ten opzichte van de eerste concepten: de lig-ging van het gebied waarin de gemiddelde massa van de steenstukken moest liggen werd iets verschoven en de toelaatbare overschrijdingen van de nominale grenzen werden verruimd.

Op grond van de geconstateerde mate van verfijning door overslag konden ook eisen voor de massaverdelingen na aanvoer vastgesteld worden. De ei-sen voor de vorm van de steenstukken werden aangepast.

(32)

I

27

-I

I

De breuk door overslag werd bepaald door steenstukken zowel in de groeve als na aanvoer te wegen. Het merken van de steenstukken was hiervoor noodzakelijk. De metingen leverden voldoende betrouwbare gegevens op. Het door een proeflevering op schaall: 1 meten van de breukgevoeligheid van zware steensorteringen is een omvangrijk en duur onderzoek. Er zijn hier-voor nog geen kleinschaliger gestandaariseerde proeven ontwikkeld. Moge-lijk is een valproef in de groeve bruikbaar. Een voorwaarde hierbij is, dat de ondergrond waarop de steen valt steeds eenzelfde stijfheid en dem-pingsgedrag moet hebben. Een andere mogelijkheid biedt wellicht het meten van de elementaire sterkte en stijfheid van het gesteente in combinatie met de hechtsterkte en configuratie van de breukvlakken.

I

2.5. Eisen

I

De kwaliteitseisen voor de breuksteen van de grote leveringen van de di-verse herkomsten waren, tenzij anders aangegeven, aan elkaar gelijk. In bijlage 1 zijn de eisen voor de basalt van Balduinstein aangegeven. Dezelfde eisen golden ook voor de diabaas van Eurajoki en de greenstone van GBteborg. De gemiddelde dichtheid van gneis en graniet van Partek moest tussen 2,55 en 2,68 t/m3 liggen en de gemiddelde dichtheid van de gneis van GBteborg tussen 2,55 en 2,75 t/m3.

Voor alle gneis en graniet werd als eis gesteld, dat tenminste 90' van de steenstukken een grotere dichtheid moest hebben dan 2,45 t/m3• De

basaltlava van Mayen moest wat gemiddelde dichtheid en 90'-eis betreft respectievelijk voldoen aan waarden van ten minste 2,65 en 2,75 t/m3• Het steenmateriaal van Partek kwam in de groeve gemengd voor met zeer zwakke kalksteen. In verband daarmee was een eis gesteld aan het gehalte

kalksteen van maximaal 1,5' (m/m). Aan deze eis zou volgens de producent juist voldaan kunnen worden.

In principe werd voor de toplaag van de drempel gekozen voor steen met een hoge dichtheid en voor het kernmateriaal voor steen met een lage dichtheid. Door voor de toplaag voor een hoge dichtheid te kiezen werd de

zwaarte van de sorteringen beperkt en werd de dikte en massa van de toplaag geringer dan bij gebruik van steen met een geringere dichtheid.

.

~

.

I

(33)

Voor het definiiren van eisen voor de massaverdeling van de sorteringen golden de overwegingen van praktische en functionele aard, die genoemd zijn in het rapport ·Kwaliteit en kwantiteitscontrole van breuksteen voor de waterbouw· (lit.10). De eisen beperkten de breedte van de sortering

zodanig, dat met de MSO de gehele massaverdeling gerepresenteerd kon wor-den met betrekking tot de stabiliteit. Naarmate een sortering smaller is wordt de rol, die ontmenging ten aanzien van stabiliteit kan spelen ge-ringer. Door een opeenvolgende reeks van smalle sorteringen toe te passen is steeds een zo optimaal mogelijke keuze mogelijk. Dit was van belang, omdat de stromingscondities voor de drempel van plek tot plek nogal var ieren.

I

28

-I

I

Ook werd de opbouw van de filterconstructie eenvoudiger door de geringere afmetingen van de steen in de toplaag bij een hogere dichtheid. Ce beper-king van de zwaarte van de sorteringen door een hoge dichtheid te eisen, maakte de produceerbaarheid van wat de zwaarst benodigde sortering

be-treft ook beter. De nu geleverde zwaarste sortering 10-15 ton is ook bij een dieptegesteente veelal de zwaarste sortering die in een groeve nog in een voldoende hoog percentage van de totale productie verkrijgbaar is. Het transport en het aanbrengen van de nu toegepaste zwaarste sorteringen maakten speciale maatregelen al noodzakelijk. Dit zou nog meer het geval geweest zijn voor nog zwaardere sorteringen met een geringer dichtheid. Breuksteen van de 2 zwaarste sorteringen werd door de Duitse producent van stalen haken voorzien. Dit was noodzakelijk in verband met de han-teerbaarheid van de steenstukken. Deze sorteringen waren daardoor duurder dan de lichtere sorteringen.

Voor het kernmateriaal van de drempel was gesteente met een lage dicht-heid economisch aantrekkelijk, omdat dan minder massa nodig is om het ge-geven volume te vullen. Het begrenzen van de dichtheid van dit materiaal was ook mogelijk met het oog op de stabiliteit in de bouwfase.

Met beperking van de spreiding van de dichtheid door het stellen van de "90t-eis· wordt voorkomen, dat materiaal met een te lage dichtheid plaat-selijk in de constructie de stabiliteit bepaald. In het algemeen geldt dat steen met een lage dichtheid minder sterk is dan steen met een hoge dichtheid.

I

(34)

I

- 29

-I

I

Aan de vorm van de steenstukken werd alleen bij de zware sorteringen een eis gesteld. Bij de lichte sorteringen en 300-1000 kg was het stellen van een eis niet nodig, omdat bij vooronderzoeken reeds gebleken was, dat al-tijd aan eventueel te formuleren functionele eisen voldaan zou worden zonder het nemen van enigerlei maatregelen.

Oe aan de zwaardere sorteringen dan 300-1000 kg gestelde eis voor de vorm

van de steenstukken was betrekkelijk zwaar maar goed haalbaar in de be-trokken groeven. Het beperken van zeer platte steenstukken was aantrekke-lijk voor de hanteerbaarheid en bevorderde het verkrijgen van een geslo-ten homogene toplaag zonder ver uitstekende steenstukken.

I

De eisen voor de sterkte, uitgedrukt in de dynamische

verbrijzelingswaar-de, voorkwamen dat te zwak materiaal met een te grote breukgevoeligheid geleverd werd. Alhoewel bij zware steensorteringen de sterkte voorname-lijk door het breukpatroon in de steenstukken bepaald wordt, is de mate van afsplinteren en verbrijzelen aan de randen van de steenstukken wel

sterk afhankelijk van de elementaire sterkte, zoals die in de dynamische verbrijzelingswaarde wordt uitgedrukt.

I

Bij het stellen van eisen werd enerzijds rekening gehouden met het func-tioneel optimaal gewenste en anderzijds met de praktische haalbaarheid, mede gelet op de kosten. In elk geval bleek het niet lastig te zijn om daarbij aan de minimaal gestelde functionele eisen te voldoen.

I

Bij het ontwerp van de stormvloedkering is gebruik gemaakt van probabi-listische beschouwingen van de veiligheid. Hiertoe werd van de steenmate-rialen de kansverdeling gevraagd van de MSO' Door transport en overslag van de groeve naar Nederland treedt verfijning op waardoor, volgens de ervaringen bij de proefleveringen, de MSO ongeveer 5 tot 10' lager wordt. Voor zware sorteringen geldt, dat de MSO ongeveer 5 tot 10' groter is dan de gemiddelde massa van de steenstukken, ~. Door deze verschillen aan elkaar gelijk te stellen kan gesteld worden, dat de MSO na aanvoer gelijk

is aan de

M

in de groeve. Er werd aangenomen, dat kansverdeling van de

MSO normaal was en dat de 2,S'-overschrijdingsgrenzen gelijk zouden zijn

aan de grenzen van het gebied, waarbinnen R bij keuring in de groeve

moest liggen.

Het voornoemde werd enigszins speculatief gebaseerd op de tot dan bekende

ervaringen met 3 proefleveringen. Er werd tevens aangegeven, dat nog

ver-dere verfijning op zou treden door overslag na aanvoer.

I

(35)

- 30

-I

I

t

I

'

I

3. Bet plan voor de k..liteitszorg

3. 1. Beschrijving van het plan en motivering

Het plan voor de kwaliteitszorg lag vast in de bepalingen van de leve-ringsovereenkomsten. Allereerst werden hierin de eisen genoemd waaraan het steenmateriaal moest voldoen. Deze eisen betroffen de volgende eigen-schappen en hoedanigheden van het steenmateriaal: verontreinigingen, zon-nebrand (alleen bij basalt), de dichtheid, de sterkte, de vorm van de steenstukken, scheuren en aderen en de massaverdeling van de sortering. In principe werd de kwaliteitszorg en keuring uitgevoerd door de produ-cent. De produktie van de verlangde steensorteringen is daartoe opgevat als een langdurig proces, waarbij door regelmatig onderzoek een betrouw-baar beeld verkregen kan worden van de gemiddelde kwaliteit over een ze-kere periode. Deze periode is in de leveringsovereenkomst op 12 prodUk-tieweken gesteld. uiteraard kon deze periode, wanneer daar aanleiding toe was bekort worden door frequenter onderzoek. Dit was vooral in de begin-periode van de produkties van belang om snel een verantwoord kwaliteits-niveau te kunnen bereiken.

De kwaliteitszorg van de producent bestond naast het terugkoppelen van de resultaten van keuring naar de produktie, uit vele aspecten zoals:

verkenning van de steenformatie, vooronderzoeken, visuele inspecties, op-timalisering van overslag en opslag, eventuele na-selectie, kontrole op ver lading etc.

Door het KIWA werd in opdracht van de RKS volgens de bepalingen in de overeenkomsten minder frequent dan door de producent, onderzoek in de groeve verricht. Bet resultaat van dit onderzoek diende als controle op de keuring door het producerende bedrijf.

De toetsing van de resultaten van de bedrijfscontrole aan de eisen van de overeenkomst vond telkens aan het einde van een produktieperiode van 12 weken plaats. De controle op de keuringsresultaten van het bedrijf verg-den, afhankelijk van de grootte van de eventueel aanwezige en aan te to-nen verschillen, een nog langere periode van keuring door het KI~ dan 12 produktieweken •

(36)

I

- 31

-I

Oe keuringsinspanningen betroffen primair dus geen scheepsladingen, maar de continue doorlopende geproduceerde materiaalstroom. Indien echter vol-gens visuele inspectie de kwaliteit van een hoeveelheid materiaal in de groeve of aan de haven twijfelachtig was, kon het KIWA volgens de overeen-komst toch tot keuring daarvan overgaan. Ditzelfde gold voor een op de bouwplaats aangevoerde scheepslading steen. De controlerende kwaliteits-zorg door het KI~ betrof ook alle aspecten, die de kwaliteit beinvloed-den. Oe door het KIWA gerapporteerde gegevens hadden hierdoor rechtstreeks invloed op de productie. De volgende overwegingen hebben geleid tot de beschreven wijze van keuring en kwaliteitszorg:

- Door de kwaliteitszorg expliciet door regeling via de leveringsovereen-komst in handen van de producent te leggen, werd ver zekerd, dat deze zorg primair uitgeoefend wordt door de partij, waarbij dat thuis hoort. Dit was vooral nodig, omdat voor materialen voor de waterbouw de be-drijfscontrole in het algemeen sterk is achtergebleven in vergelijking met materialen voor andere doeleinden.

- Door de keuring bij het producerende bedrijf uit te voeren werd bevor-derd, dat er zeer gemakkelijk een terugkoppeling zou ontstaan van de re-sultaten van de keuring naar de produktie. Dit leidt tot een snellere aanpassing van de kwaliteit aan het gewenste niveau. Dit werd vooral noodzakelijk geacht, omdat nieuwe producenten, groeven en personeel be-trokken zouden kunnen zijn, waarbij een leerproces onontkoombaar is. Bovendien vereist het in grote hoeveelheden produceren van zware sorte-ringen, waarvan enkele zeer zware en nog niet eerder geproduceerde sor-teringen, ook bij ervaren bedrijven een zekere leertijd.

Door de keuring primair bij de producent uit te oefenen werd b~reikt, dat de aanvoer en lossing van de breuksteen niet of zeer weinig ge-stoord werden door keuring en afkeuring van scheepsladingen. Keuring na aanvoer vereist de inzet van losmaterieel voor het nemen van monsters, waardoor de lossing stagneert of gehinderd wordt. Het eventueel afwij-zen van ongeschikte scheepsladingen breuksteen levert onderbrekingen op in de inzet van los- en overslagequipment en kan leiden tot beperkingen van de totale hoeveelheid steen, die per tijdseenheid kan worden aange-voerd.

- Door de ROMO in te schakelen als keuringsinstantie werd vermeden, dat partijdigheid verweten zou kunnen worden bij keuring door de directie zelf of een namens haar optredende andere dienst van de Rijkswaterstaat.