Hydraulische aspekten van vul- en ledigingssystemen van schutsluizen

(1)

...

Hydraulica bijschutsluizen door dr.ir. P.A. Kolkman

Notitie 22 januari 1980

t6

bladzijden

6

bijlagen

Notitie 22: Hydraulische aspecten van vul- en ledigingssystemen van schutsluizen

(Notitie t~b.v. collegediktaat f9, aangevuld met een aantal bijlagen)

Inhoud blz.

1. Algemeen 2

2. Wijzevan vullen en ledigen van de schutkolk in relatie

tot de sluisconstructie

3

3.

Toelaatbare troskrachten 5

4. Het debietprogramma bijvullen en ledigen

7

5. Troskrachten bijvullen en ledigen 10

6.

Diverse verschijnselendie door de ~raagheid van het water

in de riolen geïnduceerd worden 12

7.

Middelen om de schuttijdte verkorten 12.

8. Invloed dichtheidsverschillen 14

9. Spaarbekkens 14

10. Aspecten bij groot-verval sluizen 1?

11. Schutsluizen met zout-zoet scheidingssystemen 15

B\jlagen

1. Notitie 1: checklist voor het ontwerpen van vul- en ledigingssystemen van schutsluizen.

2. Notitie 2: berekeningen van waterstand en debiet bijvullen en ledigen van schutkolk bijlineair met de tijdvrijkomendeopening

3.

Notitie 4: bodemvul- en ledigingssystemen waarbijhet debiet op

meer-dere punten wordt ingelaten

4. Uittreksel uit WL-rapport R 67311: factoren die de hydrodynamische krachten op afgemeerde schepen bepalen als de kolk door het boven-hoofd wordt gevuld

5. Aantal voorbeelden van openingen en rioolsystemen bijvullen en ledigen van schutkolk

6.

Tabel van toegepaste afmeerkabels bijdiverse typen schepen

De bijlagen4 t/m

6

zijnbijgevoegd.

(2)

.

'

Notitie 22 blz. 2

1. Algemeen

De voornaamste functie van een schutsluis is het laten passeren van schepen door een waterscheiding waar het water ter weerszijden een ver-schillend niveau heeft of/en een verschil in waterkwaliteit.

Tijdens de fase, waarin het schip in de schutkolk ligt en de deuren gesloten zijn, wordt het waterpeil (via nivelleren o~ de waterkwali-teit (via uitwisselen) geheel of gedeeltelijk aangepast aan de uitvaar-conditie.

Een schutsluis is slechts één van de mogelijkheden om aan genoemde func-tie te kunnen voldoen(ook: scheepslift, hellend vlak en waterhelling), maar het is wel veruit het meest gebruikte middel.

De schutsluis maakt deel uit van de waterscheiding en heeft daarmee een waterkerende functie, dus ook de hoogte en de sterkte zijn van be-lang.

De voornaamste doelstelling bij het ontwerpen van het vul- en ledigings-systeem van een schutsluis is het zo snel mogelijk schutten, met daarbij " acceptabele hinder voor het te schutten schip, alsmede voor de buiten

de sluis wachtende schepen. Verder kan soms als eis worden gesteld een minimaal verbruik aan schutwater.

Bij het opstellen van een programma van eisen kan eventueel van de checklist uit de bijlage 1: notitie 1 gebruik worden gemaakt.

De schutsluis is een onderdeel van een systeem, nl. een vaarweg en daarop moet de capaciteit zijnafgestemd. Het vullen en ledigen van de schutkolk, waaraan in deze notitie voornamelijk aandacht zal worden besteed, is slechts een gedeelte van de totale schutcyclus. Om de ge-dachte te bepalen ongeveer 2x 10 minuten voor tweemaal nivelleren bij een cyclusduur van 1

à

1i-uur •

.Enkele faktoren die de hydraulische kwaliteit van het vul- en ledi-gingssysteem bepalen zijn:

- vul- en ledigingstijd in relatie tot de grootte van de troskrachten, als gevolg van golven en stromingen.

waterverbruik.

scheepsverplaatsing door waterstroming na kabelbreuk.

wordt het schip tegen de wand gedrukt of ervan afgetrokken. ~ zoutpenetratie op een zoetwaterpand.

de mogelijkheid de sluis voor spuien te benutten.

Voor de voorhavens en de vaarweg zijnvan belang de grootte van het de-biet (translatiegolven) en het stroombeeld dat bij de wachtplaatsen ontstaat. Door de lokatie en de vormgeving van met name de uitlaat-openingen kan dit sterk beïnvloed worden.

Dit wordt in het volgende niet behandeld.

De capaciteit Van een sluis is sterk afhankelijk van de in- en uit-vaartijd van de schepen en het afmeren. De grootte van de sluis en de capaciteit van de wachtplaatsen gerelateerd aan het scheepsaanbod is

(3)

Notitie 22 blz.

3

van belang. Een lange kolk waarin veel schepen moeten afmeren geeft veel tijdverlies.Bijduwvaart kan de in- en uitvaarsnelheid sterk be-perkt worden als de doorsnede van het kolkprofiel te klein is ten opzichte van de scheepsdoorsnede. Ook hierop wordt in het volgende niet nader ingegaan.

2. Wijzevan vullen en ledigen van de kolk in relatie tot de sluiscon-structie

De kolk wordt verbonden met de belendende panden via afsluitbare (deur)openingen of riolen. Soms wordt dit indirekt gedaan via buffer-bekkens (vooral bijsluizen die bescherming geven tegen zoutpenetratie) of worden spaarbekkens toegepast (par~

9).

De kolk kan worden gevuld of geledigd via

A. de hoofden; deuropeningen (bijlage5, fig. 1), woelkamer in verbin-ding met langsriolen of met een omloopriool (bijlage5, fig.

3)

of woelkamer in verbinding met hefdeur (bijlage

5,

fig. 2) of met sec-tordeur.

B. de wand; dit kan via een langsriool met zijspruitenof via omloop-riolen die in de wand uitkomen. Het systeem met hooggelegen zij-spruiten wordt niet meer toegepast in verband met hinder voor de schepen.

C. de bodem; of de gehele vloer is geperforeerd of alleen een paar dwarsraaien of er wordt een laaggelegen zijdelingsgeperforeerd langsriool toegepast waarbijhet debiet via een sleuf bijde vloer omhoogkomt (bijlage

5,

fig.

7 - 9).

Ook zijnmeer gecompliceerde systemen mogelijk(bijlage3, fig. 1 en 2).

In de kolk worden voorzieningen aangebracht om het debiet te sprei-den. De schuiven die de openingen vrijgevenworden geprogrammeerd be-wogen of er wordt door de vorm van de opening voor gezorgd dat bij lineair heffen van de schuif een opening vrijkomtdie het juiste de-bietprogramma oplevert.

De wijzevan vullen hangt nauw samen met het verval van de sluis, de uitvoeringswijzeen met de vraag of ook gespuid moet kunnen worden. a. klein verval (om de gedachte te bepalen: tot ca.

6

m)

- - -

(4)

Notitie 22 blz.

4

b. middelgroot verval (tot ca. 12 m)

of

woelkelder

c. groot verval (tot nu toe grootste verval ca.

35

m)

Bodemvulsysteem (op enkele punten, over het middelste deel van de kolk, of over de gehele vloer)

Moet toch een spuiriool naast de sluis worden aangelegd dan is com-binatie met het vul- en ledigingssysteem mogelijk (zie bijlage

5,

fig.

5,

zeesluis Terneuzen).

Worden bij de kolkconstructie: gewichtsmuren toegepast, dan zijn hierin eenvoudig langsriolen aan te brengen. Bij de Kaingisluis in Nigeria (bijlage

5,

fig.

8

en

9)

was de sluis in de rots uitgehakt en werd de bodem als omgekèerd gewelf uitgevoerd zodat ruimte ontstond voor een ,centraal riool.

Wordt de sluis als een gewapend betonnen bak uitgevoerd, dan is een

langsriool relatief kostbaar. .

Wordt de sluis gebouwd als twee, in een bouwput aan te leggen, hoof-den met daartussen een kolk die in de natte wordt uitgevoerd (b.v. als damwand), dan kan een los gefundeerd langsriool worden toegepast met zijriolen die in de hoofden aantakken. De stopstreep voor schepen komt_dan achter de wandopeningen te liggen ter vermijding van dwars-krachten.

(5)

,

Notitie 22 blz.

5

3.

Toelaatbare troskrachten

Toelaatbare troskrachten hangen af van de toegepaste trossen, de wijze van afmeren, de wijzevan bedienen van kabels tijdenshet schutten en bijzeeschepen van de capaciteit van de winches aan boord.

~. Binnenvaartschepen

Bijbinnenvaartschepen is er in het verleden een wisselwerking ontstaan tussen de kwaliteit van de schutsluis en de toegepaste trossen aan boord en worden globaal in Europa dezelfde criteria gehanteerd.

Voor zeeschepen is het passeren van een sluis een zeldzame gebeurtenis, de kwaliteit van de sluis dient aan die van de kabels en winches aan boord van de schepen te worden aangepast.

Een binnenschip meert af door, zodra een bolder van de sluis wordt ge-passeerd, de voortros hier omheen te leggen en het andere elld van de-ze tros slippend over een enkele of dubbele scheepsbolder te leggen. Door de tros met een paar slagen om de scheepsbolder te leggen kan, door laten slippen of straktrekken van het losse einde van de kabel, de spanning in de tros geregeld worden zodat het schip met een gelijk -matige kracht wordt afgeremd. Aan het geluid van de rekkende en slip-_ pende kabel, en aan de doorhang, kan de schipper(sknecht) de tros-kracht beoordelen.

Ligt het schip stil dan wordt de achtertros symmetrisch gelegd (geval A) of het schip legt opnieuw de voortros uit, maar nu naar voren en zet weer de achtertros symmetrisch uit (geval B).

7

b t:.

~~~5

,( ,(

,('1:

t:. c ,( _t:. ,(

5

t:. ,(

/(:

t:. A B

Indien de sluismeester het toestaat kan in geval A de achtertros achterwege blijvenen blijftde schroef voorwaarts aanstaan, dit ver-snelt het afmeren en het uitvaren.

Al deze wijzenvan afmeren houden in dat van de wand af gerichte krach-ten op het schip slecht opgenomen kunnen worden.

Bijhet schutten ontstaan langskrachten die soms van richting omkeren. Steeds staat één tros strak, de andere heeft loos; stijgthet schip, dan worden de trossen wat ingenomen of, indien nodig, wordt de slap-hangende tros op een hogere bolder gelegd. Om de andere tros ook ho-·ger te leggen is het nodig dat de hydraulische kracht van richting

wisselt. De slappe tros heeft loos, de tros kan hooguit met de hand worden bijgespannen.Wisselt de kracht van teken dan krijgthet schip een snelheid en dus een kinetische energie die door slippen van de tros wordt opgevangen. Wordt dit niet gedaan dan ontstaan grote krach-ten hetgeen tot trosbreuk aanleiding kan geven.

De toelaatbare hydrodynamische kracht is gerelateerd aan de toelaat-bare kracht in de kabel. In bijlage6 is een overzicht opgenomen van trossen zoals die (ca. 1965) in gebruik zijnbijbinnenschepen. Ten opzichte van het scheepsgewicht hebben kleinere schepen zwaardere kabels. De zwaarste kabels die nog met de hand bediend kunnen worden

(6)

Notitie 22 blz.

6

Duwbakken hebben vaak handwinches aan boord om de bakken onderling ste-vig te koppelen, deze kunnen ook worden gebruikt om de trossen te span-nen. Dan zijn ook de stuggere kabels te gebruiken. .

Thans worden voor kleinere schepen veel nylontrossen toegepast. Doordat er meer rek in zit behoeven ze minder bediend te worden. Bij belasten tot breuk zit in de gerekte tros veel energie, zodat voorzichtigheid geboden is wegens het terugslaan van het gebroken losse eind.

De toegepaste criteria voor de hydrodynamische langskrachten (dit zijn de krachten op een schip dat niet beweegt in 't horizontale vlak) zijn nu bij

schepen tot 600 t 1,5 0/00 van het scheepsgewicht schepen tot 2000 t 1 0/00 van het scheepsgewicht duwconvooi

4

bakken

0,7.

0/00 van het scheepsgewicht

Hoewel er bijkleinere schepen een grotere marge lijkt tussen kracht en breuksterkte tros moet bedacht worden dat kleinere s~hepen soms zijdelings aan elkaar afmeren en dat de kleine schepen minder gestandaardiseerd zijn wat betreft kabels. Bovendien varen ze minder op vaste routes, waardoor ze soms de sluizen minder goed kennen.

Voor dwarskrachten is er geen criterium vastgesteld; in het algemeen is er een voorkeur dat deze naar de dichtbijgelegen wand toe gericht zijn en klein zijn. In de USA, waar vaak één convooi (duweenheid) wordt geschut, wordt geprobeerd de schepen gecentreerd te houden.

In Nederland, waar bijna alle sluizen een kopvulling of -lediging hebben, wordt via modelonderzoek geprobeerd translatiegolven en stromingskrach-ten zo op elkaar af te stemmen dat bij de schepen voor in de kolk, waar de troskrachten het grootst zijn, slechts één tekenwisseling optreedt. Eénmaal is wenselijk voor het wisselen van bolders. Tekenwisselingen zijn verder niet wenselijk i.v.m. mogelijke dynamische verschijnselen.

Bij sluizen met een bodemvulsysteem vervallen de stromingskrachten groten-deels. Translatiegolven geven automatisch meerdere malen wisseling van krachtrichting. De waterschommeling is echter min of meer symmetrisch

zodat het schip bij kabelbreuk slechts met kleine snelheid de deur of andere schepen zal raken.

b. Zeeschepen

Zeeschepen worden door sleepboten op hun plaats gebracht en als zijstil-liggen worden trossen uitgebracht. Het schip steekt boven de sluis uit en de bolders staan niet alleen langs de kant, maar ook verderop. Normaal worden

4

trossen uitgebracht, voortros, achtertros, voor- en achterspring. De laatste nemen een groot deel van de langskracht op. De winches (vaak constantespuming) trekken de kabel strak. Tijdens het schutten kan het op-of neerwaartsbewegen voor een groot deel door de rek van de (lange) tros-sen worden opgevangen.

voortros

Worden grote dwarskrachten verwacht (storm) dan worden twee extra tros-sen dwars uitgezet. Met het afmeren van de tros is veel tijd gemoeid, van-daar dat de extra trossen alleen in geval van noodzaak worden uitgezet.

(7)

..

Notitie 22 blz.

7

De toelaatbare troskrachten, voorzover in de langsrichting, zijnin de -tabel van bijlage

6

aangegeven. Zijn er ook -dwarskrachten, dan moet een zogenaamd combinatiecriterium ~orden toegepast, zie hiervoor WL publi-katie

18

9

"Criteria for the mooring forces of ocean-going ships in

_J.ocksll•

4.

Het debietprogramma bijvullen en ledigen

In een schutsluis zijnslechts kleine hellingen in de waterspiegel ~oelaatbaar i.v.m. troskrachten. Daarom «eldt bij benadering dat het

verval over de opening of het riool bepaald wordt door de buitenwater-stand en de gemiddelde kolkwaterstand.

a. Vullen en ledigen door openingen

--Bij -de berekening van het debiet mag -de traagheid van het water in de openingen worden verwaarloosd zodat het debiet zich aanpast aan het momentane waterstandsverschil en de momentane schuifstand. Bij benade-ring mag ook de door het schutten veroorzaakte translatiegolf op het belendende kanaalpand worden verwaarloosd. We krijgen nu de basisver-gelijkingen

Q=/-f~

Q -

_-

-

_-

A ~

_-

_at

( 1)

(2)

(z

=

momentaan verval,~f

=

momentane effectieve schuifopening,

Q

=

debiet, t

=

tijd, A

=

kolkoppervlak).

In bijlage 2 is de berekening uitgevoerd voor het geval van lineair met de tijd heffen van de schuif. Omdat uit vgl (1) en (2) afgeleid kan worden dat

Q

lineair met de tijd afneemt als~.f constant blijft

_.(= ~ro) .kan eenvoudig berekend worden dat bijeen oneindig snel ge-heven schuif geldt:

=

2 (schutschijfinhoud)

Qo

waarin

.1

H het initieel verval is

"

i

In bijlage 2 wordt aangetoond dat bijlineair heffen van de schuif bij aanname van een constante afvoercoëfficient geldt:

2

.1H

A tvul

=

t

thef +~f

V

2g

AH

I

Bij meer dan lineair toenemende opening wordt de faktor

t

groter, bij minder dan lineair juist kleiner.

(8)

Notitie 22 blz.

8

In het begin neemt het debiet lineair met de tijd toe (de waterspiegel in de kolk zakt of stijgt via een parabool en in het begin kan gerekend worden met constante kolkwaterstand). Komt de effectieve opening vrij met snelheid

(5)

dan volgt uit (1) dat

~fo

V

JQ/

at

=2g

Ll

th Ho ( 6)

Van

(6)

wordt gebruik gemaakt voor een eerste afschatting van

transla--ti~golven en de-daardoor ~eroorzaakte troskrachten. b. Vullen en ledigen door riolen

Als de ,sluis gevuld of geledigd wordt door riolen, dan kan de traag-heid van het water in het riool niet verwaarloosd worden. Een stukje verval is nodig om het water te versnellen.

dp

f

dv

Aangezien geldt ~

= -

dt' geldt:

av

-

f~

__L1_H

=

-

f

_L

-

ê

t _(7)

Vergelijking (1)

z

=

moet nu vervangen worden door

Q2

S·

---"----=-2

2g (f. 1)

r~oo

(8)

"Hierin is ~ het gesommeerde verlies (rioolschuif-, intree-, uittree-, wrijvings-, bochtverliezen) en

S

varieert tijdens het heffen van de schuif met de tijd.

Bij lineair heffen van de rioolschuif ontstaat aanvankelijk eveneens een debiet dat lineair toeneemt met de tijd; dit is als volgt in te zien:

Stel Q = 0( t ofwel

Bij het begin van heffen is alleen het schuifverlies van belang, de andere verliezen hebben bij een klein debiet geen betekenis. Het

ver-'vaL over het riool is op dit moment nog volledig aanwezig, dus gelijk aan

II

H.

Uit (8) volgt nu:

_

Q2

~-s 2

=

2g (f. 1) r~oo

z

₁₅

=

LI

H -g f riool Lo<. ( 9)

Hoewel er, normaal gesproken, vlak achter de schuif bij stroming een

lokaalonderdrukgebied ontstaat (de kinetische energie van de

gecon-traheerde straal (v 2/2g)is veel groter dan verderop in het riool (vr2/2g) en een deef van dit verschil wordt als drukhoogte teruggewon-nen speelt dit bij het begin van heffen nog geen rol.

(9)

Notitie 22 blz.

9

We kunnen nu invoeren

Q

=

/,f

\[2i:z;.

=

-)+f \!2g (

L1

H - 0(, Lig friool)\ (10)

Aangezien f in het begin, zoals is gesteld lineair met de tijdtoeneemt en~ niet sterk varieert, kan men schrijven/f

=

f3

t.

Er geldt dus: 0(

=

/3. \;

2g l

( Ll

H - 0< Lig f ) riool (11) Hieruit is ~

=

d

t

--

--- --- ---0<. te berekenen.

Voor de complete berekening moet het schuifverlies over de gehele hef-hoogte bekend zijn(in het begin is vr klein en zijnoverige verliezen verwaarloosbaar). Aangezien de verliezen zich bijde stroomvertraging afspelen, geldt volgens Carnot (volgt uit impulswet als alle debiet onder schuif stroomt):

-

--

-

--

-

---_. ---

"

-2

2

v (v - v. ) riool

_{= --~--~~~~-}

c r1oo1 2g 2g

z

_s

₌

~.

s ( 12)

v is gerelateerd aan v , en als de contractiecoëfficient geschat

c r

wordt, dan is vals functie van de schuifhoogte te bepalen. c

De berekening is slechts benaderend omdat er niet alleen een debiet onder de schuif door stroomt, maar er ook lekstroming aan bove~~ant en zijdelingsontstaat. Ook kan er een debiet zijndat vanuit de schuif-schacht in de sponning langs de schuif naar benedenstroomt.

Als de ~verige rioolverliezen bekend zijndan bepalen vgl

(8)

en (2) de vul- en ledigingskromme van de sluis. Dit vergt een eenvoudige nu-merieke aanpak.

Het resultaat van AAn en ander is dat bijeen rioolschuif tijdenshet heffen van de schuif het debiet iets achterblijftdoor traagheid van het water, dat het piekdebiet wat kleiner blijftdoor de overige ri-ooIverliezen en dat, als de schuif geheel geheven is, in de dalende tak van de debietkromme weer een lineaire debietafname ontstaat (de invloed van de traagheid heeft in de berekening als het ware een constante verschuiving van het buitenniveau tengevolge).

Als het debiet klein is wordt in vgl

(8)

de traagheidsterm dominant; rlit gebeurt aan het einde van het vullen en ledigen. Het kolkwater

vormt tezamen met het riool een laaggedempt systeem van communiceren-de vaten, het water schiet door ('overtravel') en het kan enige tijd duren voordat de sluisdeuren geopend mogen worden (of er moet gezorgd worden dat de deuren bijeen nuldoorgang van het verval onmiddellijk openen).

Q

traagheid

'<'"

met traagheid <, L-_~--- __---~~~~__

----~--?_/~---~-

i

"

..._

'---/

(10)

Notitie 22 blz. 10 De overtravel kan globaal analytisch bepaald worden omdat de dQ/dt bekend is zodra de schuif geheel geopend is (zie bijlage 2; hier is gevonden dQ/dt =- ~:2f2/A). Op analoge wijze geldt voor een riool-systeem met verlies ~ dat:

dQ/dt

=

g f2 / r.A

riool ., ( 13)

Dat de dQ/dt constant is geldt in elk geval totdat Q

=

0, en dit is tevens het moment waarop de doorslingering maximaal is.

Uit

(8)

volgt nu bijQ

=

0: z

=

L_g dv_dt

=

_{g f}L r

ss

dt f2 L g r =----= g fr

S·

A L f r ( 14)

-

_;.A

'

--5.

Troskrachten bij vullen en ledigen

De grootste langskrachten op te schutten schepen treden op bij vullen en ledigen door de hoofden. De krachten ontstaan door translatiegol-ven (hellingen van de waterspiegel) speciaal tijdens het vullen en ook door hellingen gerelateerd aan stromingsverschijnselen (opstuwing door straalwerking, lokale spiegelafzinking bij bv. een dekneer). De direkte stromingsweerstand en huidweerstand van het schip spelen meestal een ondergeschikte rol. Een helling in de waterspiegel ontstaat niet al-leen door translatiegolven, maar ook doordat het debiet dat de ver-schillende raaien passeert varieert met de afstand tot de deur, zodat de spiegel bij het hoofd waardoor gevuld of geledigd wordt het laagst is.

De translatiegolven zijn voor berekening vatbaar.

Bij vullen of ledigen door de hoofden geldt (zonder schip in de kolk) aanvankelijk:

z

=

Q/~c

=

Q/b ~ (15)

(c

=

loopsnelheid translatiegolf).

Aangezien deze z die bij de deur ontstaat zich met de loopsnelheid voortplant geldt: dz dx dz dt

=

dt dx

=

dz dt 1 = ~ _1_ ~ dt gh.b ( 16)

~it geldt voordat de golf teruggekaatst is.

De dz/dx vermenigvuldigd met het scheepsgewicht levert een kracht op het schip. Wel wordt de translatiegolf sterk beinvloed door het schip zodat (16) alleen g~bruikt mag worden voor een eerste afschatting. Het is wel mogelijk de invloed van het schip bij een eenvoudige bereke-ning enigszins mee te nemen. Als het schip nl. wel op en neer maar niet heen en weer kan, dan beinvloedt het niet de berging"bij water-spiegelvariatie en wel het stroomprofiel. Dit is alsof het onderwater-deel van het schip gezonken op de bodem ligt. De voortplantingssnel-heid c =

Vgh'

is nu te schrijven als c

=

Vg (F - f)/b: met

F

=

kolkprofieloppervlak, f

=

scheepsprofieloppervlak, b

=

waterspie-gelbreedte. Voor een nauwkeurige berekening dienen alle deelreflecties

(11)

Notitie 22 blz. 11 aan de voor- en achterkant van het schip en ook de waterspiegelrijzing te worden meegenomen en wordt de berekening complex. Hiervoor is op het \iL een rekenprogramma (TROS) ontwikkeld.

Wordt de kolk via beide hoofden gevuld (langsriolen met 2 aftappun-ten) dan wordt het debiet per hoofd gehalveerd en halveren de hellin-gen van de translatiegolf. Optimaal zou zijn de inlaatpunten op 1/4 en

3/4

van de kolklengte te leggen, de kolk bestaat dan a.h.w. uit

4

(deel)kolken die elk een kopvulling met 1/4

Q

hebben (zie bijlage

5,

fig.

5,

alleen is hier gekozen voor inlaatpunten die halverwege de werkelijke deelkolken liggen). .'

Zoals in bijlage

4

is"aangegeven, ontstaat bij kopvulling tijdens line-air heffen (en dus constante dQ/dt)' in het begin in de sluiskolk een constante helling in de waterspiegel die na terugkaátsen weer een ho-rizontale waterspiegel oplevert. Daarna kaatst de golf weer bij de vul-deur terug en ontstaat weer opnieuw een van deze deur af gerichte

(= positieve) helling. De troskracht die ontstaat is zoiets als kromme

I. ,

K

]I

_-

-

'-...

~ 2.L/~

.1

De troskracht kan wel verkleind worden door dQ/dt te halveren, en pas na een tijd t

=

L/ ~ de tweede helft bij te voegen. De sommatie van I en 11 levert een totaalkracht van ca. 1,5 van I. De getrapte dQ/dt kan bereikt worden door een getrapt hefprogramma van de schuiven of door de vulopening (of de vUlschuif) te profileren. Is de waterspie-gel bij het begin van vullen (door getij) een variabele grootheid dan werkt dit minder effectief, en zou een variabel tijdsverschil moeten worden ingevoerd.

Voor wat betreft stromingskrachten moet vooral bij kopvulling gezorgd worden voor een debiet dat goed gespreid over het kolkprofiel wordt ingebracht. Dan blijven de invloed van straalwerking en lokale water-spiegeldaling gering. (fig.1

tlm

3

uit bijlage

5

geven hiervan een voorbeeld). Het is bv. bij een eenvoudige deurvulling gelukt tot een

~H van ca.

6

m een acceptabele vulling te krijgen. De stroming kan zowel van de deur af gerichte krachten (straal tegen het schip) als

'naar de deur toe gerichten krachten (spiegelafzinking ter plaatse van de dekneer) geven. Zo zal bij het begin van vullen de straal tegen het schip komen en daarna door de gestegen waterspiegel er onderdoor schieten. Hiervan kan bij aangepaste vormgeving van de verdeelconstruc-tie gebruik gemaakt worden door het troskrachtenverloop bij het vó6r in de kolk gelegen schip slechts één tekenwisseling te geven (door de translatiegolfslingeringen alléén ontstaat een reeks nuldoorgangen) en de maximale positieve (van de deur af gericht) en negatieve kracht in ordegrootte gelijk te maken. Hiervoor is modelonderzoek nodig of moet naar de ervaring van bestaande. ontwerpen worden gekeken.

(12)

,-Roti tie 22 blz'.12 stroming (de straalwerking en de dekneervervallen). Wel van belang is bij schepen die qua lengte bijna de gehele kolk vullen dat naar de be-nedendeur toe het debiet dat een raai passeert toeneemt zodat een v2/2g term (Bernouilli) ontstaat.

Bij het vullen door wandopeningen zijn de stromingskrachten weliswaar .k.Lein, maar kunnen door-de stand van de trossen ook moeilijkworden

opgenomen. Bijeen bodemvulling worden deze krachten veel geringer en geven bijeen debietinbreng over een redelijk deel van de kolklengte weinig problemen. Wandopeningen worden niet meer toegepast.

_

6.

Diverse verschi,;nselendie door de traagheid van het water in de riolen gelnduceerd worden, .

Een ongunstige situatie voor de debietverdeling bijvloerv~lling over meerdere punten ontstaat bijtoepassing van een langsriool (buiten de kolk) voorzien van dwarsspruiten. Een goed afgeregelde debietverdeling ingeval van permanentie is niet .goed als dQ/dt

>

0 of als dQ/dt ~ 0 omdat dan in het riool extra drukgradiënten ontstaan. Oplossingen (wel duur) zijnte vinden in bijlage

3

(per punt gelnke traagheid).

Een ongunstige situatie voor de debietverdeling bijvloervulling over meerdere punten ontstaat bijtoepassing van een langsriool (buiten de kolk) voorzien van dwarsspruiten. Een goed afgeregelde debi etverde-ling ingeval van permanentie is niet juist als dQ/dt

>

0 of als dQ/dt

<

0 omdat dan in het riool extra drukgradiënten ontstaan. Ge-avanceerde (dure) oplossingen zijnte vinden in bijlage

3.

Bijde Zeesluis Terneuzen (bijlage

5,

fig.

5)

is gekozen voor het toe-passen van schuiven in de zijspruiten.De extra hoge weerstand bijhet begin van vullen (kleine schuifopening) maakt dat de traagheid in het riool weinig invloed heeft op het verval over de schuiven. .

Aan het einde van het vullen of het ledigen blijftdoor de traagheid het water in het riool nog stromen zodat een circulatiestroming on t-staat met een tegenstroming in de kolk.

Bijriolen met ongelijkelengte ter weerszijdenvan een kolk {bv. om-loopriolen bijeenzijdigedeurkas van een roldeur) kan dit aanleiding

·~even tot reststroming die dwarskrachten ge~ft op schepen. Ook bijhet aanzetten van het debiet ontstaat een ongelnke stroming.

Een belangrijkeinvloed kan de traagheid van het water in de omlooprio-len hebben bijhet sluiten van schuiven (in een noodsituatie). Omdat de debietafname (deceleratie) door de traagheid aanvankelijkafneemt, en het depiet op het moment van gesloten zijntoch nul is, wordt dQ/dt

vlak voor het sluiten extra sterk. .

~en belangrijkeinvloed, kan de traagheid van het water in de om loop-riolen hebben bijhet sluiten van schuiven (in een noodsituatie). Om

-dat de debietafname (deceleratie) door de traagheid verminderd wordt, en het debiet op het moment van gesloten zijntoch nul is, wordt dQ/dt vlak voor het sluiten extra sterk.

Aangezie~ de schuif in feite de afremkracht levert die op het water wordt uitgeoefend, nemen deze krachten sterk toe; bovendien ontstaat bovenstrooms van de schuif een extra hoge druk die tot overlopen van de bovenstroomse noodschuifschacht kan leiden. Remedies: langzamer sluiten, dekzerk verhogen, schacht afsluiten. Benedenstrooms van de schuif ontstaat een verlaging van druk juist daar waar toch al lokaal bijde schuif een lage druk heerst, en hier kan luchtaanzuigen optre-den.

7.

Middelen om de schuttijdte verkorten

De schuttijdwordt verkort do~r het snel in- en uit~aten van water. Dit moet dan wel kunnen voor wat betreft hinder op de belendende pan-den: stroming en translatiegolven.

(13)

Notitie 22 blz.

13

Bodemvulsystemen zijnvoor de scheepshinder in de kol~ het beste, mits het debiet goed verdeeld is over het bodemoppervlak. Slib en vuil moeten verwijderdkunnen worden.

Zoals reeds in de vorige paragraaf is genoemd kan een goede debiet-verdeling bereikt worden door riooltakken gelijke~eerstand en gelijke traagheid te geven (zie bijlage

3).

Ongunstig is een langsriool met meerdere aftappunten met één inlaat-schuif aan het begin van het riool. Met name bijhet meest kritieke moment, het begin van vullen, zit de weerstand geconcentreerd bijde schuif en speelt de traagheid van het water in het riool een domine-rende rol. Aanvankelijkgaat het debiet alleen door het eerste aftap-punt! Dit kan worden ontlopen door elk aftappunt van schuiven te voorzien (bijlage

5,

fig.

5).

Worden 2 langsriolen toegepast met vulpunten op 1/4 ~n

3/4

van de kolklengte, dan kan het beste één vulpunt door het ene, en het andere vulpunt door het andere riool gevoed worden. Valt één riool uit dan wordt uiteraard het debiet door één punt ingelaten op 1/4 L. Is dit niet acceptabel dan moet een systeem worden gekozen waarbijhet gehele debiet op 1/2 L wordt ingelaten, eventueel via secundai~e riolen over de kolk verdeeld (bijlage

3,

fig. 1 en 2).

Bijvulling of lediging via de hoofden kan, zoals reeds in par.

5

is vermeld de dQ/dt bijhet begin van vullen in twee trappen worden opge-bouwd.

Een (geringe) reductie van de vultijdwordt ook verkregen door de deu-ren al te openen voordat het verval gelijknul is. In bijlage2 wordt de te behalen tijdwinstberekend. Voor de afschatting van de hierbD op-tredende~oskrachten kan gesteld worden dat een steile translatiegolf

met hoogte z een kracht op het schip uitoefent van

P

g z f (f

=

op-pervlak scheepsdoorsnede). Dit is bijbenadering

z

L x scheepsgewicht (17)

Het toe te laten troskrachtcriterium is nu gelijkaan z/L.

'Is er nu een restverval over de deur van ~H, dan ontstaat een naar binnen gerichte golf die iets kleiner is dan LlH omdat ook in het buitenwater een (negatieve) golf ontstaat (reducerend effect).

Q=-o Q=o Q-o

!

L

_____

----ll_ ~ --1

~

I

voor openen deur even na het openerivan de deur

.De golf kaatst bijhet schip gedeeltelijkterug waardoor het schip weer een groter verhang krijgt(toenemend effect).

Als benadering worden beide effecten aan elkaar gelijkgesteld zodat we krijgen

criterium

=

~H/L (18)

Een nadeel van het openen van de deuren bijrestverval is dat de tros-krachten ontstaan op een moment dat dit door de schipper niet meer verwacht wordt.

(14)

Noti tie 22 blz. 14

8 .

Invloed dichtheidsverschillen

Wordt een kolk, die zoet is, via kopvulling gevuld met zout water dan wordt de inkomend~ straal naar beneden afgebogen (vermindering

straalwerking tegen het schip) en loopt als zouttong onder het schip door. De aanvankelijke translatiegolf 100 t weer met snelheid ~

terwijL de zout tong loopt met

«

l!f

/

_P

11 gh (ex. in orde van 0,5),

dus veel langzamer. In het zoete ovenwater ontstaat een tegenver

-hang (naar de vuldeur toe gericht). De invloed van de translatiegolf

blijft onveranderd aanwezig, maar de stroomkrachten zijnnaar de vul

-deur toe gericht (totdat de tong terugkaatst, maar dan is de sluis

meestal al ongeveer gevuld).

Bijeen vulling van een zoute kolk met zoet water ontstaat een omge

-keerd verschUnsel: het schip wordt sterker van de vuldeur afgeduwd.

Geconstateerd is bijhet modelonderzoek aan de Rozenburgse sluis dat de dichtheidsverschillen de krachten sterk kurinen beInvloeden (tot bijna 2x groter ten opzichte van die bij homogene toestand).

9 .

Spaarbekkens

Moet een bepaald verval overwonnen worden dan is er de tendens dit in een minimaal aantal trappen te doen (wachten, invaren en vastmaken schepen is tijdrovend). Een sluis met verval L1H verbruikt 2x me er

water dan 2 sluizen in serie met elk

t

L1

H.

Door de vul- en ledigingsriolen aftakkingen naar één of meerdere

spaarbekkens te geven kan het waterverbruik beperkt worden •.1 bekken met oppervlak gelijkaan het kolkoppervlak spaart

3

3 %

water.

hoogste kolkpeil -laagste kolkpe il--r

-1J t.

H ..1H

6

t.H YiiJH ~ 1 -T

I

hoogste peil __..__spaarbekken laagste peil spaarbekken sc liui f

BU vullen van de kolk loopt eerst het spaarbekken leeg in de kolk,

tot beide peilen gelijk zijn;de kolk is voor

1/3

gevuld. De rest moet

van buitenaf aangevuld worden. Ledigen verloopt analoog, eerst vul

-len van het bekken, dan naar buiten afvoeren.

Twee spaarbekkens met elk eenmaal het kolkoppervlak geven een water

-besparing van 50%.

Overwogen kan worden om 2 schutsluizen naast elkaar te bouwen en de

riolen onderling te verbinden. Dit geeft 50% waterbesparitig per schutting terwijl de schutcapaciteit aanmerkelijk vergroot wordt.

(15)

Noti tie ?-2.

blz.

15

Totaal geen waterverbruik hebben overtoom, scheepslift, hellend vlak,

waterhelling (zie notitie 13 van"de serie "Hydraulica bijschu tslui-zen" door P.A. Kolkman, beschikbaar bijde vakgroep Constructieve

Waterbouwkunde).

-10. Aspecten bti groot-verval sluizen

r.~

Voor wat betreft de kwaliteit van vul- en ledigingssystemen is er geen feitelijkebeperking aan het verval. Schepen dienen afgemeerd té worden

aan drijvendebolders.

De debietverdeling van bodemvulsystemen raakt volledig ontregeld als

er lucht in het water wordt meegenomen; lucht verzamelt zich in de

lage-druk z6nes en komt schoksgewijzevrij.Schuiven en noodschuifschach~

ten dienen dus adequaat ontworpen te worden, of zeer diep, of zodanig dat ze geen contact hebben

me

t

lucht. Vlak achter de schuif, boven de

gecontraheerde straal, heerst de laagste druk.

Een speciaal geval kan zich voordoen als de schuif bijeen calamiteit

v66rtijdiggesloten moet worden. Het debiet wordt afgeremd en beneden

-strooms van de schuif wordt de druk extra laag. Als er dan lucht in

het water komt verzamelt die zich bijde schuif, het debiet wordt te weinig afgeremd, het luchtkussen wordt "uitgerekt" of behoudt atmo

-sferische druk. Na het sluiten komt de kolom water terug en veroor-"

zaakt een grote drukstoot.

Bijeen groot verval is het bijnaondoenlijkbijde schuiven cavitatie te vermijden.Cavitatie is het koken van water bijatmosferische druk, dus het ontstaan van bellen gevuld met waterdamp waarbijook luchtbel-len zich in de caviteit kunnen verzamelen. Bijandere onderdelen kan cavitatie ook optreden (bv. bijde pijpenvan het multiport systeem, bijlage5, fig.

7 - 9,

waar hoge snelheden voorkomen). Bijlediging s-schuiven"kan cavitatieschade beperkt of voorkomen worden door fijn-verdeeld lucht in het water te brengen; voor de vulschuiven mag dit in het algemeen niet in verband met de reeds genoemde problemen met de debietverdeling.

Een effectieve methode om cavitatieschade te bestrijdenis een staal-bekleding (tegenwoordig ook zg. "fibre-concrete") Van de rioolwand en een plotselinge afzijdigerioolverwijdingbenedenstrooms van de schuif. Door dat laatste ontstaat cavitatie niet langs de rioolwand en worden drukstoten die bijimplosie van bellen ontstaan gedempt aan de wand doorgegeven. Meer gegevens over cavitatie zijnverzameld in de notities

6

en

7

in de serie "Hydraulica bijschutsluizen" door P.A. Kolkman, beschikhaar in de vakgroep Constructieve Waterbouwkunde. Als het water niet vrijis van materiaaltransport ontstaat bijhoge snelheden slijtageva~ beton. Het is van belang dat de stroming geen bodemneren of neren met verticale as veroorzaakt. Hierin zamelt mate

-riaal zich op waardoor een continu slijtageprocesontstaat.

11. Schutsluizen met zout-zoet scheidingssystemen

Een scheidingssysteem van zout en zoet water kan van belang zijnals het zoete scheepvaartkanaal ook dient voor irrigatie of indus

trie-water. .

Wordt geen enkel scheidingssysteem toegepast dan wordt steeds eerst de"schutschijfvan het ene pand.onttrokken en op het andere gebracht,

(16)

·

;

Notitie 22 ,

blz.

16

terwijlbijhet openen van de deuren de kolkinhoud door het dichtheids -verschil geheel met het zoute water van het buitenpand uitwisselt.

Het zoute water zakt dan,naar de bodem en het zoete gaat naar het oppervlak, de dan ontstane twee-lagenstroming is ook een oorzaak van aanmerkelijketroskrachten. Per schutting wordt dus het hele kolkvolume, inclusief de schutschijf,van het ene pand naar het anqere gebracht.

Dit volume kan beperkt worden door:

a. terugpompen van de schutschijf.

b. luchtbellenschermen ter plaatse van de deuren (dit reduceert de snelheid van uitwisselen bijgeopende deuren). Dit systeem is lange tijdbijde grote sluis van IJmuiden toegepast, tevens bijVolkerak -sluizen, binnenvaartsluizen Terneuzen.

c. verdiept zoutwater-opvangbekken buiten de sluis met terugspuien met klein debiet via een laaggelegen spleet.

d. klein of groot zoutopvangbekken met terugspuien met hetzelfde d e-biet als het inkomend z9utwaterdebiet. Dit systeem is bijde Zee~

sluis Terneuzen toegepast.

e. ledigen van de zoutwaterkolk (als de deuren nog dicht zijn)via de

bodem, en aan het oppervlak gelijktijdiginbrengen van zoet water.

Voorwaarde is dat de menging zo klein is dat een horizontale ge-' laagdheid blijftbestaan. Dit systeem kan ook gebruikt worden om

weer zoet water terug te winnen bijeen schutting naar het zoute

pand toe. Voor het eerst toegepast in Duinkerken, in de toekomst

toegepast in de Kreekraksluizen (Schelde-Rjjnkanaal)en de sluizen

in de Philipsdám.

f. toepassen van een zoute binnenkolk (liftbak) en een zoete bu

iten-kolk Cliftsluissysteem, wordt in de Oesterdam gebouwd). Vaart het

schip vanuit het zoute pand de binnenkolk in, dan wordt daarna de

binnenkolk met het zoute water naar beneden gebracht, terwijlhet

schip blijftdrijvenin het zoete water van de buitenkolk dat nog

het oorspronkelijke niveau heeft. Daarna (of gelijktijdig)wordt de

buitenkolk via pompen of natuurlijkverval op het peil van het zoe

-te pand gebracht. Dit systeem kan in omgekeerde vaarrichting ook

(17)

Bijlage bijcollege f9 - Ontwerpen van waterbouwkundige constructies

auteur: dr.ir.

P

.

A

.

Kolkman

Inhoud

- Notitie I: Checklist voor het ontwerpen vul- en ledigingssystemen

- Notitie 11: Berekeningen waterstand en debiet bijvullen en ledigen

- Notitie IV: Bodemvul- en ledigingssystemen bijinlaten op meerdere punten

- Uittreksel uit WL-rapport R 673 11: Factoren die de hydrodynamische krachten op afgemeerde schepen bepalen als de kolk door het bovenhoofd wordt gevuld

- Voorbeelden van openingen en rioolsystemen bijvullen en ledigen

- Tabel toegepaste kabels bijschepen

')

(18)

Bijlage

4

₁

-Factoren die de hydrodynamische krachten op afgemeerde schepen bepalen

als de kolk door het bovenhoofd wordt gevuld (overgenomen uit het

rap-port R

673

II "Overzicht van modelonderzoeken van vul- en ledigsystemen van Nederlandse sluizen na

1955"

van het \iaterloopkundigLaboratorium (auteur: ir. A. Vrijer).

(19)

- 2

2. Sluizen met deurvulling

2.1 Inleiding

Dit deel van het verslag beschrijft het vul- en ledigsysteem van schutslui -zen met deurvulIing.

Eerst volgt een inleidend verhaal, (2.2 t/m 2.7), waarin het krachtenspel op schepen ten gevolge van het vullen en ledigen van de kolk besproken wordt

en hoe 'het krachtenspel te be'invloeden is door.de vormgeving en het hefpr o-gramma. Daarna volgt een gedetailleerde uitwerking van door het Waterloopkun

-.

.

dig Laboratorium onderzochte scha~lmodellen van tchutsluizen met deurvulling

(2.

8 ).

2.2 Vullen/ledigen kolk

Bij het vullen van de .sluiskolk wordt het water in de kolk vertraagd; er vindt energievernietiging plaats.

De schepen in de kolk zijn hieraan onderhevig.

De grootte van de troskrachten op de schepen in de sluis is dus bepalend voor de kwaliteit van het vulsysteem.

Bij het ledigen van de sluiskolk wordt het water in de kolk versneld; de s che-pen in de kolk ondervinden hier weinig hinder van. Buiten de sluiskolk wordt het water vertraagd.

Nu is de bodem onderhevig aan deze energievernietiging.

De aanval op het stortebed bepaald nu'in hoofdzaak de kwa.Láteit van: het le dig-systeem.

2.3 Hydraulische krachten tijdèns het vullen

2.3.1 Inleiding

Het hydraulisch krachtenspel op een schip in de kolk tijdens de vulling

van de kolk is zeer gekompliceerd.

De als gevolg van het instromende water ontstane waterbeweging in de kolk

brengt het schip onder de helling die voortdurend variëert. De trossen

moeten de horizontale beweging van het schip tegengaan ..·

-Het deurvulsysteem is een langsvulling van de kolk; in hoofdzaak zijn de

krachten dan ook langskrachten.

(20)

3-De

.

krachten op de schepen zijn een sommatie van de faktoren:

translatie-golf, waterspiegelafzinking, straalwerking en huidwrijving beschreven in

2.3.2 ,

2 .

3 .

3, 2

.

3 .

4 en 2

.

3 .

5 .

2 .

3 .

2 Tr

ans

l

a

ti

eg

olf

z

-1:-

_/

_" _i '"

I

x

\

-

_..

₄

-h

1 I~

L

h c

waterdiepte

,

b

=

sluisbreedte

,

L

=

sluislengte

z

=

translatiegolfho

o

gte

,

x =

afstand tot sluisdeur

c

=

v

o

ortplantingssnelhe

i

d

=

vgh

T ~.

Q

edebiet

=

b.

z

.

c

dan is dz

=

dz ~

= d.x

dt

d.x

dQ

1

dt

• bc

• _C

1 =

dQ

dt

•

bgh1·'

D

e helling van de watersp~egel wordt direkt

b

epaa

l

d d

o

or het verloop van

h

et debiet:

d

z

dQ

1

di

=

dt

•

bgh:

De translatiegolf kaatst afwisselend tegen ben

e

den

-

en

b

ovenhoofd terug~

In het verloop van de waterspiegel zit een periode T i

n,

die veel

klei-ner is dan de vultijd van de kolk.

T

=

2 L

c

Geschetst wordt bij enige debi

e

tkromm

e

s het v

e

rloop van de waterstand in

de kolk met de bijbehorende lan

gs

Y~acht op een schip

,

uitgaande van een

(21)

-4-lineair toenemend debiet ~--- ~t laogskr. extra toenemend debiet langskr. ~---~. t

rT

· -

I

minder toenemend debiet

o

l';lngskr.

~

T

bovenhoofd

t

=

t

+

t

T

o benedenhoofd t - t

+

T o t

bovenhoof'd, benedenhoofd

t

=

t

+

T

o

bovenhoofd benedenhoofd'

t t = t

+

T o· t

•

t

=

t +1_o_. 2.₂ T .'--~---_._-_...".,. .• , .!'.

(22)

5

-Aangenumen wordt van een normale sluis een vulkromme, die opgebouwd·is uit

verschillende delen:

constant

w:..

Dit geeft onderstaande langskrachten tengevolge van de translatiegolf.

pos. tangs kr.

tvoor tr o s)

t

2.3.3 l'laterspiegelafzinkingbij de straal en negatief verhang

Afhankelijk van het debiet en de snelheid van de vulstraaI heeft dit een

waterspiegelafzinking ter plaatse van deze vulstraaI tot gevolg.

De invloed van de vulstraal strekt zich vooral dus uit voor schepen die voor

in de kolk liggen ten tijde van het maximum debiet.

De snelheid neemt in benedenstroomse richting af tot bij het benedenhoofd,

waar de snelheid van de waterdeeItjes nul is.

Dit veroorzaakt dus een negatief verhang over de hele scheepslengte.

-"

(23)

-6-

,

De

precieze groott~ van de langkrachten tengevolge van de waterafzinking

bij de straal en het negatief verhang is moeilijk te berekenen.

De vorm van de langskracht is schetsmatig aan te geveni

pos. langskracht

debiet

neg. langs kracht

Lacht ert ros)

2.3.4

Straahlerking

Er is ook een straalwerking tegen de boeg van het schip. Deze treedt vooral

op bij het begin van vullen en neemt weer af als het schip stijgt. De straal gaat dan meer onder het schip door •

.Alleen van belang als het schip dicht bij de vulopening ligt.

1 J

2.3.5

Huidwrijving en golfweerstand van het schip

Deze spelen geen grote ro\ omdat de snelheden gemiddeld over de natte door-snede naast het schip niet groot zijn.

2.3.6

Kombinatie van de faktoren

De resulterende langskracht is een sommatie van de vier genoemde faktoren. Schetsmatig ziet de langskracht er als volgt uit.voor een goed ontworpen sluis:

langs~r2cht (pos): vco rtr o s

tan q s kracht (neg) :: achtertros

(24)

.

- 7

De invloeden van alle faki~ren proberen we minimaal mogelijk te houden en in een goede,verhouding tot elY~r z6danig:

dat de grootste positieve langskracht ongeveer gelijk is aan de grootste

negatieve langskracht en in de regel niet meer is dan 1 0/00 van de wate

r-verplaatsing van het schip

dat de langskracht slechts één keer van teken wisselt.

2·4 Beïnvloeden hydraulische krachten

2.4.1 Beïnvloeden translatiegolf

\

a. De langskracht wordt direkt verbeterd door de veranderingen van het

debiet in de tijd geleidelijk te laten verlopen.

De toename van het debiet in het begin van de heffing is te verminderen door een bi .izonderevormgeving of een aangepR.st hefprogrq,ITj}];u

De afname van het debiet aan het eind van de vulling van de kolk wor-dt geleidelijker door de totale doorsnede van de opening te verminderen.

Bilz~n~eEe_v~r~g~v~n§ ~a~ ~e_~l~p~n~n§:

- afschuinen onderzijde opening

- speciale vorm schuiven

trapeziumvormige breekplaat voor de

opening

bij jalouzieschuif bovenschuif aan onderzijde

verlengen, zodat bovenste opening later vrijkomt

Speciaal hefprogramma

--- een extra langzame schuifheffing in het begin

tijd

-alle schuiven niet tegelijkertijd heffen

(25)

8

b. We kunnen, een heffing bewerkstelligen waarbij door- het opwekken van golven reeds aanwezige golven tegengewerkt worden

door een niet-lineaire heffing van een speciale vorm door een lineaire heffing:

gedurende de eerste halve golfperiode de debiettoename te halveren en daarna de overige debiettoename te starten, wordt theoretisch de maximale helling ongeveer de helft van wat bij een konstante toename venlacht kan worden, tenlijl het slingerend verloop verdwijnt.

Q L

,

2.4.2 Beïnvloeden waterspiegelafzinking bij de straal en negatief verhang

Om de invloed van deze faktoren te beperken moet gezorgd worden voor een soed

stroombeeld :

onmiddellijk achter de openingen moet het instromende water zich.zo goed mogelijk over het hele dwarsprofiel van de kolk verdelen.

We bereiken dit door de volgende regels te hanteren:

(26)

'I

,

9

-- de openingen evenwijdig aan de sluisas te plaatsen:

-,

een goed stroombeeld in breedterichting is te verkrijgen met.vertikale bree k-balken en een divergerende opening:

of een breekplaat, die de stralen tegen elkaar doet botsen:

een goed stroombeeld in hoogterichting is te verkrijgen door een afgeschuinde bovenkant van de opening met eventueel horizontale breekbalken:

De straal wordt meer naar het oppervlak gericht; dit mag ook niet teveel bedragen daar anders het 'wateropppervlak uitermate woelig wordt.

(27)

10

-een goed stroombeeld is ook te verkrijgen met een geperforeerde plaat voor de

opening:

Men moet echter zeer bedacht zijn op vastraken van drijvend vuil. 2.4.3 Beïnvloeden straalwerking

Door de straal omlaag te richten is er weinig straalwerking tegen de boeg van

een schip dat voorin de kolk ligt.

Deze maatregel is echter in tegenspraak met de maatregelen van punt 2.4.2. 2.4.4 Beïnvloeden huidwrijving en golfweerstand van het schip

Dit is van ondergeschikt belang. 2.5 Opmerkingen

~o~i!i~v~ !r~s~r~c~t~n_(langskrachten) zijn YJachten richting benedenhoofd en betreffen de voortros.

boven hoofd

('<

Y" (

beneden hoofd

Deze krachten worden in hoofdzaak veroorzaakt door translatiegolven en straa l-werking tegen de boeg.

!!e~!i~v~ !:r:~s~~c~t~n (langskrachten) zijn krachten richting bovenhoofd en betreffen de achte~tros.

Deze krachten worden in hoofdzaak veroorzaakt door de waterspiegelafzinking bij de straal en het negatief verhang.

Dichtheidsverschillen wijzigen sterk de hiervoor beschreven situaties: zoute kolk gevuld met zoet water:

dit geeft een sterke bovenstroom met als resultaat een extra grote positieve troskracht en een sterk verminderde negatieve troskracht.

(28)

11

-zoete kolk gevuld met zout water:

dit geeft een sterke onderstroom met als resultaat een verkleinde positieve

troskracht maar een sterke toeneming van de negatieve troskracht.

- Een defe~t_aan een van de deurschuiven geeft een asymmetrisch stroombeeldj behalve een langere vultijd treden hier vaak ongunstige bijverschijnselen op. ~o~l~nge!::dicht bij de vulopeningen moeten zo klein mogélijk zijn om een zo

groot mogelijke schutlengte te verkrijgen.

Woelingen verminderen door de vulstraaI meer naar beneden te richten of een

strip boven de opening aan te brengen:

- E~~g~n~l~n_in een puntdeur kurmen een goede verdeling van de openingen over

de breedte "van de deur verhinderen.

Jaloezieschuiven hebben als voordeel ten op zichte van enkele schuiven dat de

deur minder ver-zwakt"Hordt.

Als nadeel weegt echter zwaar- dat al bij weinig heffen van de schuif een groot

debiet aanwezig is.

Bij sluizen is ook een belangrijk punt of er kans op verstopping van de op

e-ning met drijvend vuil aanwezig is met als konsekwentie het niet kunnen s

lui-ten van de opening. Daarom de openingen zo laag mogelijk met weinig kans op

wervels en de mazen van het breekrooster niet te krap.

Bij een vast kanaalpeil is een breekrooster dat los van de deur staat mogelijk:

•

(29)

12

Als riadeeI geldt echter dat er kans op aanvaring bestaat bij het invaren van de kolk~

De deuren kunnen vaak al geopend worden tegen een verval in van bijvoorbeeld

0,05 m.

Om de hydraulische krachten op een schip te beperken in de sluis is een lan

g-zame schuifheffing wel doeltreffend maar meestal zijn ook eisen gesteld aan de

vultijd van de kolk.

Geprobe~rd ....ror'dt steeds een goed kompromis te vinden tussen beperkte langs

-krachten en aanvaardbare vultijden van de kolk.

.

2.6 Ledigen van de kolk

Bij bet ledigen van de kolk wordt het water in de kolk versneld.

De krachten die bij het ledigen een rol spelen zijn alleen de translatiegolven en het verhang door de toename van de watersnelheid in de richting van de benedendeuren.

De troskrachten die hierbij optreden zijn aanzienlijk minder'dan bij vullen van de kolk.

Bij puntdeuren is het gebruikelijk dat boven~ en benedendeuren uitwisselbaar zijn.

De deuren zijn ontworpen voor het vullen van de sluis. Daarom wordt meestal

geen optimaal resultaat behaald bij het ledigen van de sluis.

- Energievernietiging ten gevolge van het ledigen van de sluis vindt buiten de sluis plaats.

Troskrachten op schepen, die wachten voor de sluis, zijn veelal beperkt door

-dat de voorhavens breed zijn.

Het stortebed wordt sterk aangevallen door het water van de kolklediging.

Vaak wordt het stortebed nog sterker aangevallen deor de retourstrooIDsnelheden van binnenvarende schepen of wanneer door de openingen gespuid wordt.

(30)

Bijlage

5 _-

₁₃

(31)

Bijlage

5 .

...

.

..

.

Figuur

1 Vulopenin

g

en in puntdeuren

"

_•

z ,. o zz

...

~~ .';; Xc.

r

-

=:': -

--

-

--

-

ij

-,

1 :

, i

j

'

:

_.

I I ./ 8' , ;: ,

,

i I,

i

.__ __ ---J__j_ , I ! lil

e

z ~ o

____j

-r

YfJ

!!:

lil

! u

...

l.J

lil

..

s

z' o N i: o %

_-SCHUTSLUIS

BINNENSCH

E

EP

V

AART

TERNEUZEN

V

ORMGEVING

V

ULOPENIN<?EN

/

(32)

Sluis

LEFDE

DRS#.

BOVENHOOFlJ.

15 -Figuur 2

Vullen door heffen deur

'-'-'~'-

'T

I

/ÓS"

I

T

...

.

'

o

c

0' t'( o o

...

.

,

.

(33)

.... ~. ~"""":"

.

" 8

f

-:

,.

..

_-

_'

" ~ 8_

,

I

..

,

..

f'\ , ~

.

;;,-, ': v,'.'. ri· ,

<

'

..

on. w

~

.

f

,

::--,. w ,_,_., ~I ZIJ) ",- cr:

'

,

.

I

§

~~

n'f

::<

.

'

.

$I

..

', ., _._' ~:.

~1

.. ,,\ ,"

- 16

Figuur

3

Woelkamer in hovenhoofd ---+ 8_

•

~ I

.~

, 2' ,,'

i

, ct

_,

~I

i ct on· Z

-

(/'

..

,

-IJ) i cr

§

I

f

8' ..,~

t

I I

si

0'

I

o u al

,

dl :i IJ) cr 0 0 ~ 0 ~

s

~

,

ft

:

1,

.. .1 8.8 « «

..

.

_....

_.

CD

SCHU

TS

LUIS BU BORN

VOR

MGE

VING

BOVENHOOFD

(34)

...

.

r -~/ -.-,_

'

/

-

,

---.:,/ .: / ~/.

-~,_,.../rr=r

"7', /",' ",0'" ~.-/~""""_~ ~/) .' , , J. , »Ó. / _, / ' • ,/

.=...

,t",

T

Figuur

4

Omloopriolen in benedenhoofd

_

.

---I

I

.

~~~~~0 0 ~0 0 - -

J -_

1_

j---~__r

.

32,6~::t-=~~;=-- _ '32,0

~.DOORSNEDE VOLGENS SLUISAS

T3

NOODSCHUIF BEDR')FSSCHUIF

-

9,~ 'r .' ,'/,' " / • 0,2~ 0,40

1-o o 11:)' NOODSCHUIF SLUISAS 2,60

-

8,90 2,75

---

.1,75 __ • 10,00• a· .-.-. _ •_6,00. __ I t- 32,00 .,' _.

-

.

_

.

....

HOR.DOORSNOJËR oe: RIOLEN PEILEN TOV.NAP MATEN IN METERS 1,0 3~ _1.. 3.~ _! _3,0

WATERLOOPKUNDIG

LABORATORIUM

SCHUTSLUIS BU BORN

VO

RMG

EVING

B

E

N

E

DEN

H

OOFD

(35)

__ .a21 I

_•

f ! I

I

t

Î I ..

-

..

,

-

,

!

al

J

1

I

..

,

g:

! ~ :;~~: .!~. o~~, ~

..

;

~.'

o·

I

IL-- -, I

I

I ! I I I

!

I

:

I

i

I

o ë -1= }

i

I~ 5 +=

~

:;::---_r--

i

~1

~ m - t· 0 - - - ~

-

I

!

I

;

I

;

,

I

I ~ I

I

~

I

'0

-

₈

_r

« _I

.

\ .l I ~

I

~

I

,

c' }! v'

..

I I

I

i

I I

.,.

-

--

'

..

I

I I \'---..._.- ._- ...1- -- I ~

i

I

N

1

.."

I

;i\Dij a ~~ ~

J

0..,

,

i~1

i

- 18

Figuur

5

Vullen en ledigen via bodemroosters N N ~ 2 a: 0 I-~ a: 0

z

al W ~ N ..J ::> w Q

z

0 Ir _Z W _:J I- _~ ti) Q. 0 5

_c

-' ..J ti) _l- _a: I- _I UI cr: _u .... <{ N ct ~

3 ....

cr: w W Lu > N 0

(36)

_ .... h

m---,

.

~'i

-

--'M\-

:

-

"

'

-

~

""'ri

~~

--

-

~

..

'

~

..

---..1 i i I ~ 'l 19 , '-

"

'.

,

Figuur

6

Bodemrooster en schuivensluis

••

! I!

..

:

: 1° I ~ 1° I~ 10 1°0 1°0 1°0

1::

0 , 000 10000 f 10000 I IOOGO0 1.0 1000000 ,:00

~_

· -'

_

l!..o.:~o~e~_

--_

r

\"

',

'~'

.

\. ,

,,"

~

,

r M <t" I U Z W a::: N w

?

I-If) ~ 0 a::: 0

w

a::: I- I-<{ <{ ..J ~ I-I U ~ W >

o

I 1

s

i

.

,

I

_:;

~. II ~ä_~ I

,

1

.

r 1

.

I

.

i ;..

,

"

.

~ ,,

,

"

...

lil .: _:J ..J lil I l-a:::

.

_[:.

_<{

<

> w W N .\,,';

.

- ••~"".J""••

(37)

-111

.- 20

Figuur

7

Langsriolen met perforatie (multiportsystem) .

.

•

(38)

..

•

.. 21

Figuur.8

Multiportsystem met entraaI riool

'"

ti '"

.,

~

)

ci)

I I I I I I I :I I 0 _~

...

I .... l

...

I

'"

I

---{

>- _________ J

11

\t ' F E 0 .,;

...

'" '" -e, ....

'"

C>

'"

"-..,

...

0 c)

'"

.... I;--< ii: • I

-

I

r-:;

-

1--

-

J_J t--_":' II ---"''1 II

,_

// / I f-- ' I I- / _I

t:

/- I

"

I I I I /

..

0

,

lIS lij

"',

~~

,.,

...

'./ ....t

...

.

_{... ,}

'"

.... I ~ :1:;: I

~

.

...

:a:. =l! J I ,I 11 .\\ \

.

\

....

-\'

E \ \ ~ ,\ ~

.

::: 0.. Q .... ~ I _~_{._}

..

~ E ...

E

..,

Q::Iq ~

,.

..

Iq

..

.~

Q:: ~

_'"

r~

'",

--.

00

..,

...

m

...

.... CD ~ 0_.... <:t

...

:t ~

-'"

...

_'"

_...

~ co Z

'"

;:: _~ -c

...

...J

'"

~

...

.... Q_

,

... ...

'"

Iq

,.

1

...

_~ Q:: E

_...

~;; ~ tij ~

'"

... .... Q:: '

..

~ ~

'"

cc: 0 0 00 11'1 .~ c)

"'

_.... ..; _III e-, ., e-, _on .... ....

..,..,

..,

I

...

III

'"

:t: z :t Q :t

.-

_U W lil lil lil 0 0:: U <t I <t C>

'"

z Q

.-u W lil C> Z :::; 1: ~ =>

...

ä: :I: VI 0 t-t:~ -c 3:: ... a: lIo::~ 0<Xl u:> _:ei gu wc> o :I:Z ë5 0-;:: Z lLO- => oo._ >l z Q.. .... w

₈

:> 00 ...J >-z a: Set w t--c ...J ~ et ~ LL.

(39)

..

- 22

-Fi

g

uur

9

Centraal riool met

ga

atjes (detail

)

I

CROSS-SECTION MAIN CONDUIT WITH PORTS

WATERLOOPKUNDIG

L

ABO

R

ATORIUM

_F

_IG

_.

₄

(40)

Bijlage

6

Tabel

23

-Toegepaste afmeerkabels bijdiverse typen schepen

De gegeven afmetingen zijn'eenglobale afspiegeling van pogingen die gedaan zijnom vanuit de grote spreiding in gebruikte typen kabel een soort representatieve waarde te bepalen.

Binnenschepen: TH-Delft, Lab. voor Hefwerktuigen en Transportinri ch-tingen, rapport K 25

Zeeschepen: WL-rapport

R

673 "Troskrachtkriteria van zeeschepen in sluizen"

schip water- .kabel netto 0/00 van

water-verplaatsing breuksterkte verplaatsing

1.300 ton 1.700 ton _~ 18 mm) 7 ton 4

2.00 ton 2.600 ton _~ 20 mm)) 9 ton 3,5

duweenheid

10.800 ton _~ 22 ) 10,5 ton 0,95

4 + 1 mm)

idem 10.800 ton ~ 22 mm 16 ton 1,45

20.000 DWT 120.000 DWT 28.000 ton 156.000 ton variërend, nylon of staalkabel 35 '110

•

ton

•

ton 1.25 0,7 o/00 • o/00•

.

)

Bijhet afmeren van zeeschepen wordt in beide richtingen de la

ngs-kracht overigens door twee kabels opgenomen.

Hierdoor zou de effectief op te nemen langskracht ca. 50% groter zijn.Evenwel is de voorspanning waarop de winches werken maatge-vend, en deze is (in doorsnee) slechts 15% van de breukspanning.