Erosiebestendigheid van slib

FIGUREN 1 Korrelverdeling slib 2 Consolidatie slib h 3 Consolidatie slib 1 k Verband erosie-U R 5 Resultaten E. Partheniades 6 Relaties U , T, , T. met t T Relatie T - T,

EROSIEBESTENDIGHEID VAN SLIB

1. , .Inleiding en Opdracht

Uit onderzoekingen betreffende de erosiebestendigheid van slib blijkt, dat een eenvoudige correlatie tussen materiaalgrootheden en de kritieke schuif-spanning T niet mogelijk is. Wel blijkt dat T toeneemt met de mechanische sterkte van het materiaal en afneemt met toenemende gemiddelde diameter.

Voor een nauwkeurige bepaling van x, voor een willekeurig geval zal derhalve Kr

(veelal) een meting noodzakelijk zijn.

Op grond hiervan -werd door de Waterloopkundige Afdeling van de Deltadienst van de Rijkswaterstaat aan het Waterloopkundig Laboratorium te Delft bij briefnummer 2372, d,d. k april 1972 opdracht gegeven tot een onderzoek naar de invloed van de consolidatietijden op de mechanische sterkte en erosie-bestendigheid van Haringvlietslib.

Uit een eerder verricht onderzoek naar de erosiebestendigheid van enigszins geconsolideerd slib met consolidatietijden tot ca. 5 uur bleek, dat de

kritieke schuifspanning T toeneemt met de consolidatietijd t (zie rapport modelonderzoek M 103^» juni 1970). Na dit onderzoek bestond de behoefte aanvullende proeven te verrichten naar de erosiebestendigheid van slib met consolidatietijden tot ca. 50 dagen.

Mechanische sterkte, vochtgehalte, volumegewicht van het slib en het

alibgehalte van de tijdens de proef afgetapte watermonsters werden bepaald door het Physisch- Chemisch Laboratorium van de Deltadienst in HelIevoetsluis. De erosieproeven werden gedaan in de z.g. kleine glazen goot te Delft, die voorzien is van een gesloten circuit. De erosie werd bepaald uit visuele waarnemingen en uit de toename van de slibconcentratie in de goot. Het onder-zoek stond onder leiding van R. Adihardjo, die tevens dit verslag samenstelde.

2 Proeven

g.J Samenstelling slib

2

-Hieruit bleek een grote variatie in het slibgehalte, namelijk van 33 tot (gewichtsprocenten). Voor de proeven zijn 2 vaten gebruikt (vat k en vat 1 ) , waarvan de samenstelling alsvolgt was:

vat k vat 1 % water

T5,7

TT,0

% slib 22,5 22,2 % zand 1,8 0,8 % si it 92,6

96,6

% zand

De in de tabel vermelde percentages zijn gewichtsprocenten.

In. het algemeen wordt slib gedefinieerd als materiaal met een equivalente valdiameter kleiner dan 63 ym. De valsnelheidsverdelingen werden bepaald in

een 80 cm hoge perspex cylinder waarin water (p = 1000 kg/m ) met slibconcen-tratie (zonder zand) van 1g/l (droge stof) werd aangebracht, Op gezette tijden werd door pipetering op 25 cm vanaf het wateroppervlak een monster genomen. Van dii} monster werd het gehalte aan slib bepaald en uitgedrukt in gewichts-procenten van de oorspronkelijk aanwezige hoeveelheid slib. De valsnelheid werd berekend door de afstand tussen het wateroppervlak en de plaats waar het monster werd getrokken te delen door de tijd verlopen tussen het begin van de bezinkingsproef en het trekken van het monster, De equivalente

valdiameter werd berekend uit de formule van Stokes: ,2

w = ~ — ~ T5™~ (m/s)

waarin: 2600 kg/m" p = 1 0 0 0 kg/m"3

w -6 2

v = 10** m /s (afhankelijk van de watertemperatuur).

De korrelverdelingen van de gedispergeerde slibdeeltjes uit monsters genomen na iedere proef zijn gegeven in figuur 1. De figuur laat zien dat de gemiddelde korreldiameter van het slib na iedere proef nagenoeg dezelfde varen. Vat k bevatte echter meer fijnere deeltjes dan vat 1,

2.2 Consolidatie

3

-van 80 cm en een diameter -van '}k cm. Water met een slibconcentratie -van 50 tot 200 g/l {droge stof) werd in de cylinder aangebracht en zorgvuldig geroerd. De suspentie begon te zinken nadat het roeren werd stopgezet. Vanaf dit

moment werd de tijd bepaald» Op gezette tijden werd de afstand van het grensvlak slib/water tot de bodem (ïï ) opgemeten en vergeleken met de totale hoogte van de vloeistofkolom (H ), De resultaten zijn voor het slib uit vat 1+ en vat 1 gegeven in respectievelijk figuur 2 en 3. Uit de figuren blijkt dat de afzetting van slib 1 sneller verliep dan slib U, terwijl het zandgehalte van slib 1 kleiner was dan slib ht Vermoedelijk was dit te wijten

aan het feit dat in vat h meer organische stoffen aanwezig waren dan in vat 1.

2.3 .Erosiebestendigheid

De erosieproeven werden uitgevoerd in de kleine glazen goot waarbij de goot en de toevoerleiding naar de pomp tezamen een gesloten circuit vormden. Een gedeelte van de goot werd ov^r een afstand van \ m, waarover een uitsparing in de bodem met een diepte van 20 cm was aangebracht, door schuiven afgesloten. Binnen dit afgesloten deel werd een hoeveelheid slib ingebracht, zodanig dat na de gewenste consolidatietijd t (= 5,20,77,33^ en 1100 uren) een laagdikte

c

van ca. 20 cm zou worden verkregen. Na zorgvuldig mengen en roeren werd het slib de gelegenheid gegeven te bezinken en na de gewenste consolidatietijd t ontstcnd dan een laag slib van ca. 20 cm (« diepte van de bak). De schuiven

c

werden dan opgetrokken. Ten behoeve van het meten van de afschuifspanning ("vane shear stress") met behulp van een viscosimeter, werd het waterniveau langzaam verlaagd tot ca, 1 cm boven de sliblaag, zodanig dat het sliboppervlak niet werd aangetast. Op 3 plaatsen aan het einde van de slibbak werd de

afschuifspanning ("vane shear stress") van het slib gemeten. Daarna werd de goot voorzichtig met vers water gevuld tot de gewenste diepte, waarna het water met een geringe stroomsnelheid in beweging werd gezet. Voor de meting van het verloop van de erosie met de tijd werden op 3 hoogten aan het einde van de goot watermonsters genomen. Daarvan werden slib en zandgehalten bepaald. De stroomsnelheid werd in stappen van ca. 5 cm/s vergroot. De

tijdsduur van iedere stap bedroeg ca, 5 a 10 minuten- De waterdiepte bedroeg bij alle proeven gemiddeld ca. 18 cm.

~ k

-Getracht werd, naast het visueel waarnemen van de aantasting van het slib, dat alleen door de glaswand mogelijk was door de geleidelijke vertroebeling van het water, het begin van de erosie van het slib te correleren aan de toename van het zand/elibgehalte van de afgetapte watermonsters. De proef werd gestopt bij een ontgrondingsdiepte van ca» 2 a h cm. Daarna werd het water langzaam uit de goot gelaten, om vervolgens op 3 plaatsen aan het einde van de slibbak de "vane shear stress" te meten en om tevens monsters te

nemen voor het bepalen van het vochtgehalte en het volumegewicht van het gebruikte slib.

3 Resultaten van ae proeven

De voornaamste meetresultaten zijn gegeven in de tabellen I t/m VII. Het daarbij visueel waargenomen begin van de slibaantasting werd aangeduid met een ster ( K ) .

Zoals reeds eerder werd vermeld, ontstond na de gewenste consolidatietijd (t ) een laag slib met een dikte van ca. 20 cm. Een bovenlaag die lichter

c

van kleur was (lichtbruin-beige) was duidelijk te onderscheiden van de echte sliblaag (donkergrijs). De dikte van de bovenlaag bleek afhankelijk te zijn van de consolidatietijd en bedroeg 2 tot 10 mm. Deze bovenlaag werd reeds bij geriuge stroomsnelheden in vlakjes of repen weggespoeld totdat bij een zekere stroomsnelheid de echte sliblaag bloot kwam te liggen. De kritieke stroomsnelheid werd bepaald, wanneer enkele mm van deze echte sliblaag waren geërodeerd. De bij deze snelheid behorende kritieke schuifspanningssnelheden zijn in de laatste kolom van onderstaande tabel gegeven. Verder werden

gedurende de proef bij iedere vergroting van de stroomsnelheid watermonsters genomen. Uit de analyse bleek een toename van het slibgehalte bij toenemende stroomsnelheid. De relatie tussen deze grootheden zijn gegeven in figuur k. De figuur laat zien dat er een kritieke waarde van de schuifspanningssnelheid te vinden is, waarbij een sterkere toename van het slibgehalte begint. Deze gedachtengang is reeds eerder toegepast door E. Partheniades bij zijn" onderzoek naar de kritieke schuifspanning van 2 soorten cohesieve materialen (zie figuur

5) . De met bovengenoemde grafische methode bepaalde kritieke schuifspannings-snelheden zijn gegeven in de tabel.

— 5 —

De gemiddelde stroomsnelheid werd bepaald uit U = Q/Bh, waarin Q is het debiet

en Bh is het doorstroomprofiel. De schuifspanningssnelheid U werd onder

aanname dat de bodem hydraulisch glad was, bepaald uit de formule:

Ü = V~8A.u

3

waarin: U = de gemiddelde stroomsnelheid (cm/s)

X = f(Re, k /D) = de weerstandscoëfficiënt, bepaald uit het diagram

s

van Moody.

Re = getal van Reynolds betrokken op de hydraulische diameter D

(D = k maal de hydraulische straal R)

k = equivalente zandruwheid {- 0 in dit geval).

s

2

De schmfspanning T werd berekend uit T = pU

JE

De voornaamste resultaten zijn gegeven in onderstaande tabel, en samengevat

in figuur 6, waarin de relaties tussen de grootheden U

9

T , T , en de

*kr

k r 1

met t grafisch zijn weergegeven. Het verband tussen

visueel waargenomen U

kr

T en Ï . is weergegeven in figuur 7« Hieruit blijkt bij benadering dat x

recht evenredig is met T... Voorta geeft figuur 8 (foto) een indruk van het

sliboppervlak na erosie (proef 5 ) .

Proef

1

2

3A

kA

5

Slib

h

h

1

1

1

d (um)

17

18

19

19

19

t c (uur)

5

20

77

33^

1100

(dyne/cm )

91

103

109

182

232

2

(dyne/cm )

18U

220

1 nn

o\\ Q

6^0

vocht-gehalte

75,1

79,1

78,8

75,8

7^,3

Vol,

gew. ^

(g/cm )

—

1,16

1,20

1,17

1 ,22

*kr

(cm/s)

1,75

1,95

2

9

05

2,60

3,25

T

kr

(dyne/cm )

3,1

3,8

k,2

6,8

10,6

waarge-nomen

U

kr

(cm/s)

1,59

1,78

1,8U

2,8H

3,5

t = consolidatietijd

x

1 o

= vane shear stress, resp. voor en na de proef.

6

-Opmerkingen

3A is een herhaling van proef 3S waarin twijfel "bestond over de waarde van de vane shear stress na de proef, daar deze ten opzichte van de t te klein was.

- i+A is een herhaling van proef kt waarin de vane shear stress voor de

proef werd gemeten in de "bovenlaag (ca. 10 mm dik) in plaats van in de echte sli"blaag; "bovendien kon tl niet worden bereikt daar een duikende

kr

— 1 —

k Conclusies

Uit de resultaten van het onderzoek kunnen de volgende conclusies worden getrokken die uiteraard alleen voor de onderzochte slibsoorten geldig zijn;

1 De "vane shear stress" (x.) van het slib neemt toe bij toenemende

P 9 consolidatietijd (t ) en bedroeg 90 dyne/cm voor t = 5 uur tot 220 dyne/cm

c c voor t = 1100 uur.

c

2 De kritieke schuifspanningssnelheid U en de bijbehorende kritieke schuifspanning x. nemen toe bij toenemende consolidatietijd t van het

J£ï" c „ slib. U varieerde van 1,7 tot 3,3 cm/s en x van 2,9 tot 11 dyne/cm .

kr **"

3 De verhouding i /x, bedroeg gemiddeld 26, maar nam iets af bij toenemende consolidatietijd t .

TABEL I

Proef I t =5 uur o slib T1 = T2

H

91

181+ d y n e / c m d y n e / c m

T . =

water V » 1,2

13

10

a

>

-6

1 li ri m /s Vochtgeh. = Kat vol.gew

75.1*

n a t t e t. cr,:v stpf h cm 21,5 21,2 20,9 20,8 20,9 20,7 21,3 22,6 y

' Ü

cm/s 0 19,5 21,7 27,2 30,8 35,0 1+0,0 kk,0 1+8,0 tijd min.

5

5

5

10

10

10 10

10

ontgr. cm

-0,2

0,1*

0,8

1,2 2,2

3,6

u

cm/s

-0,95

1,0^

1,29 1,59

1,77

1,92 2,07 watermonster slib mg/l

8

15

18

22

36

kk

68

11+9

277

zand m g / 1

1

0 0 1 1+ 2

3

7

6

O p m e r k i n g e n B o v e n l a a g c a . 2 m m dik

-Bovenlaag in vlakjes weggespoeld idem as Begin aantasting echte sliblaag Verdere aantasting idem idem

TABEL II Proef 2 t =20. uur slib k T1 = 103 dyne/cm^ ' r T„ = 220 dyne/cm^

B 1 3 è 11+ c Vochtgeh. = 19A% t.o.v. _g p natte stof _ 1,2 10~ m /s Nat vol8gew. = 1.16 g/cm h cm

18,8

18,0

17,7

17,5

17,3

17,1

17,0

16,9

17,7

18,7

Ü cm/s

13,8

22,2

26,0

31

t

k

3k,6

38,6

51,5

53,0

56,6

t i j d min.

5

5

5

10 10 10 10 10 10 10 ontgr. cm -0 , 2 0,6 0,8 1 . * 2 , 0 3 , 0 U cm/s 0,71 1.07 1,2U 1,1+8 1,62

1,78

2,00

2,30

2,36

2,U8

watermonster

slib

mg/l

38

75

86

95

115 116 150 259 1+35 z a n d m g / l 3 1 1 2 3 1+ 9 22 1 13 O p m e r k i n g e n

Bovenlaag ca.

k ram dik

-Bovenlaag in

vlakjes

wegge-spoeld

idem

« Begin

aantas-ting echte

sliblaag

Verdere

aan-tasting

idem

idem

idem

TABEL III

Proef 3 slib 1

water Vochtgeh. = 82,1$ t.o.v. natte 2 -6 2

t = 77 uur T1 = 106 dyne/cm v = 1,2 10 m /s Uat,vol.gew. = 1,22 g/cm c i 2 T2 = 129 dyne/om h cm 20,0 19,5 19,3 18,6 18,3 18,2

18, k

18,6

Ü

cm/a 12,5 20,0 23,8

3^ h

39 h

^6,5

51,0

57,0

tijd min.

5

5

5

5

10 10 10 10 h ontgr• cm

-0,2

0.U

0,6

o

t

8

1,2 3,0

U.o

U

cm/e 0.» 0,97 1,11+ 1,60 1,82 2,09 2,28 ,2,51 watermonster slib mg/l 28 32

kk

59 82 207 353

691

zand mg/l 0

6

5

3

7

8

D+

75

Opmerkingen Bovenlaag ca. 6 ram -d ik

-Bovenlaag in vlakjes wegge-spoeld x Begin aantas-ting echte alib-laag

Verdere aantas-ting

idem idem

TABEL IV Proef 3A 77 uur T- = 109 dyne/cm11 ' r TO = '\kk dyne/cm'1

T

_water 13°C 1,2 10~6 m2/s Vochtgeh.= 78,8$ t.o.v. natte stof Nat.vol.gev. = 1,20 g/cm~ h cm

21,1

20,3

19,8

19,3

18,8

18,3

18,2

18,5

18,5

Ü

cm/s

11,8

18,7

23,2

28,0

31» , 1 H6S2 51,0

57,3

tijd

min.

5

5

5

10 10 10 10 10

ontgr.

cm

-0 , 2 0,6 1,0 1,2 1,6 3,5

u

cm/s 0,61 0,93 1,13 1,31+ 1,61 1,81+ 2,13 2,33

2,59

watermonster

slila

mg/1

' 11

18 19 28 3^

5^

92 233

zand

mg/l

3 2

5

9

3

6

5

18 33

Opmerkingen

Bovenlaag ca.

5 mm .dik

-Bovenlaag in

vlakjes

wegge-spoeld

idem

idem

x aantasting

echte slitilaag

Verdere

aantas-ting

idem

idem

TABEL V

Proef k sli"b T = 13°C

water Vochtgeh.=80s3^ t.o.v. natte stof ; = 330 uur T1 = 97 dyne/cm v = 1,2 10~ m /s Nat vol.gew. = 1,25 g/cm3

2 TO = 220 dyne/cm h cm 20,7 20,0

19,5

19,3 19,1 19,0 18,6 18,3 U cm/s 15,0 23,0 28,2 33,2 38,8 M+,3 50,5 61 ,2 tijd min.

5

5

5

5

10 10 10 10 h . ontgr. cm

-0,2

0,U

0,6 0,8 1,0 1,1

u

cm/s 0,7*+

1,10

1,33 1,55

1

,T8 2,01 2,2^ 2,67 watermonster sli"b mg/1 22 30

53

69

76

123 93 109 zand mg/1 1* 1 19

3

5

11+

6

18 Opmerkingen Bovenlaag ca» ' 1 0 >rm dik Bovenlaag in vlak-jea weggespoeld idem idem idem Bovenlaag geheel weggespoeld

Geen verdere aan-tasting Jt Geringere aan-tasting echte slitilaag Proef gestopt -duikende straal aan het eind van de goot

TABEL VI

Proef i*A

slib 1

'1

water

= 16°C

Vochtgeh.^75,8^ t.o.v, natte

2 -6 2 o stof t = 33^ uur T1 - 182 dyne/cm v= 1 ,1 10 m /s Nat vol.gew.=1,17 g/citr

C 2 T = 2^0 dyne/cm h cm 18,7 17,7 17,0

16.1*

15,7

15,5

Ü

cm/s

23,0

30,5

1*0,0

51,3

63,7

76,2 tijd min.

10

10

10

10

10

10

ontgr.

cm

-0,6

1.5

2,0

U

cm/s

1 ,11

1 ,1*3

1,81+

2,32

2,81*

3,36

watermonster

sli"b

mg/l

85

150

165

172

2I47

388

zand

mg/l

1H

13

h

10

8

23

Opmerking

Bovenlaag ca. ;

1 0 mm dik

_

-Bovenlaag

gedeel-telijk weggespoeld

« Aantasting echte

sliblaag

Verdere aantasting

TABEL VII

Proef 5 Slib

water Vochtgeh. = 7^,3$ t.o.v. natte stof t ~ 1100 uur T1 = 232 dyne/cm2 v=1 ,3 10~6 m2/s Nat vol„gew,= 1S22 g/cm3

Tp = 2 dyne/cm h cm 17,5 16,5 15,8 1^5 13,7 13,5 Ü cm/s

17,1

27,8 ^0,5

57,6

6k>Q

77, h

89,0 tijd min.

5

5

5

10 10 10 10 h , ontgr, cm

-0,2

0,1*

0,7 1.0 2,0

3,5

u

K cm/s 0,87 1,35

1,91

2,66

2,95 3,50 3,98 watermonster slib mg/l 21

27

36

70

79

146 252 zand mg/l 1

1

0

1

5

8

^k

Opmerking Bovenlaag ca. 10 mm dik Bovenlaag in vlakjes weggespoeld idem idem Bovenlaag geheel weggespoeld « Aantasting echte aliblaag Verdere aantasting

\

s

sX. s. \ |\

s

\

V

\

\

\

s

K

V \ \ \\ • \

V-,

\ \

\

\

\

\

\

' • , \ . * —

s

s \ \ s . \ . \ Co \t-O)

S

•»-* < \ | ^ ^ t < < < i •

V rs

A CD <O

3-O co <o

M-83

5

99,5

98

5

§

§

IO 0

-KORRELVERDEUNG SUB

JB

A4

i

m u O O

"O 7;

c o

ö

>

o

5

o

c

I

p-

g

-H f—

s

°

1,0

_0,8

_0,4

_0,2

o

\

s

"•

^

\

\5

\

X

.

s

b'

\

\

\

₆₀

\

's . \ \ 'S. s * V [) ''S . --. \ S 1

70

0

s. •> ^ _ 's . •«f c *-. * • -. -. \ • — . \ 'N

121

i ) * •*> — '* » 4

-L

• .

_**^

*• •

-» 1 . / /

6

8W

4

6

8

10'

4

6

5/0

°

4

6

810

4

2

4

6

810

5

—-»

f

(minuten)

3

%ZAND,

%SLIB

SLIB

4:

3,4

96,6

H

o

=

50cm

H-HOOGTE

SLIBK0L0M

BUGESCHREVEN

WAARDE

:

BEGINCONCENTRATIE

IN

gr/i

| WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM

—* Cb

T

c>

Cü Tl P> <O

CONSOLIDATIE SLIB 1

H_

H

° 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

\

\.

\

*N

t

10gr,

//

•* -> \ ^ .

r/l

'•^^ ,

~1

2

4

6

8

10

1

2

4

6

8

10

2

2

4

6

810

3

2

4

6

810

4

2

4

6

8

• f

(minutei

%ZAND,

%SLIB

H

0

=50cm

SLIB

1

:

7A

92,6

H

z

HOOGTE

SUBKOLOM

10

5

3 • 4 x o < ; \ • \ \ ] \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ <1 \ \ \ \ \ \ \ \ X 1 1 • i \ \ \ \ ',4 \ •

o ;

\ ;

[* \

\

• ' i l \ ; \ • i M l i ' q \ s

4o

1

x

-4

x

°

\

*

I J * \ \ ' x CS I 1 i U j

t

O f->w

g

ir> M- ^0 f\j *— O

ujcrn/s) ~*

VERBAND EROSIE - u

%

WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM

M.1161-1004

JB

A4

F16. 4

r

yne,

2

ïfi"

ii V)

Ni?

5 "

q *o V-1 \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ b 00 Vp ii * J

5

0 "

ct

Uj ^ 5 Q^ t/j tj rr *: °: Q. 5 o. Ui N \

3

PER O ) 0 o. CC O)

1

§

8

t

(o O1

s

_o*

AVERAGE B0TT0M SHEAR STRESS (Ibs/sg.tt)

RESULATEN E PARTHENIADES

JB

A4

—

U j

- 2

yi

ÏZ

T

ZT

O i \ \ \ \ \

\°

\\

1

1

1

II

1

]

i * ; ; • ,

Je

\

\

i 1 \ \ — \ \ \ Je \ ï l

II

\

J

\

\

1

\

\

V \ \ X * \

r

l

1

x

VISUEEL

t

1 \

1

É U *

GENOMEN

WAAR

*- c

(O ^o

t

CM oo t\i o oo <o O 00 (o C\|

(cm/s) (dyne/cm

2

) (dyne/cm

2

)

RELATIES u*

kr

,T

#kr t

r

1

MET t

c

JB

A4

I

33

5

o

-o

z

D

O

>

m O

13

55

o

3 Cb I O o I T l ia . H i _-1

5

0

(dyne/cm

2

)

t

7 0 S

5

-/

/

1 / • / • / / / A \

4

6

8

10'

6

8

10

J

2

T

, (dyne/cm

2

)

..VANE

SHEAR

STRESS"

F/G. 8 SLIBOPPERVLAK NA EROSIE (PROEF 5)