Invloed van wind op golfoverslag: Voorstudie. Verslag bureaustudie

A1 92.26

Opdrachtgeven

Rijkswaterstaat

Dienst Weg- en Waterbouwkunde

Invloed van wind op golfoverslag

vooronderzoek

verslag bureaustudie September 1992

Concept

Invloed van wind op golfoverslag

vooronderzoek

J.P. de Waal

delft hydraulics

KLANT : Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, TAW-A1 Postbus 5044, 2600 GA Delft

TITEL : Invloed van wind op golfoverstag

SAMENVATTING : In opdracht van de Dienst Weg- en Waterbouwkunde van Rijkswaterstaat heeft het Waterloop-kundig Laboratorium een voorbereidende bureaustudie uitgevoerd naar de invloed van wind op golfoverslag bij taluds en bij verticale constructies. De invloed van de wind op verschillende (voor golfoverslag relevante) deelprocessen is kwalitatief en -voor zover mogelijk- kwantitatief bepaald. Hierbij is gebruik gemaakt van bestaande literatuur en enkele sterk geschematiseerde berekeningen. Vervolgens is een opzet gemaakt voor het vervolg van het onderzoek. Als belang-rijk onderdeel van dit vervolgonderzoek is een opzet voor fysisch onderzoek in de Deltagoot vergaand uitgewerkt. REFERENTIES : WB/CX 923421 dd 28-06-1992 REV. 0 AUTEUR J.P. de Waal 9 DATUM sept. '92 • TREFWOORD(EN) golfoverslag, wind OPMERKINGEN concept PAGINA'S TEKST : 28 TABELLEN : 1 FIGUREN : 11 GECONTROLEERD DOCUMENT NR. H 1635 GOEDGEKEURD STATUS D VOORLOPIG • CONCEPT D DEFINITIEF ARCHIEF NR: H 1635.WP

Invloed van wind op golfoverslag H 1635 srptemoer 1992

Inhoud

Lijst van tabellen Lyst van figuren Lyst van symbolen

1 Inleiding 1 2 Bestaande literatuur en kennis 2

2.1 Golfoverslag zonder wind 2 2.2 Wind . 4 2.3 Invloed van wind op deelprocessen 4 2.4 Invloed van wind op de golven voor de constructie 8 2.5 Invloed van wind op de waterbeweging tegen de constructie 10 2.6 Invloed van wind op de waterstand bij de constructie 15 3 Opzet van verder onderzoek naar de invloed van wind op overslag 16

4 Opzet van prototype-onderzoek in de Deltagoot 19

4.1 Doel . 19 4.2 Windvoorziening in de Deltagoot 19 4.3 Constructie 20 4.4 Instrumentatie en data-acquisitie 24 4.5 Proevenprogramma 24 4.6 Kosten 25 5 Samenvatting en conclusies 27 Referenties Tabellen Figuren waterloopkundig laboratorium | wi

Invloed van wind op golfoverelag H 1635 september 1 992

Lijst van tabellen

1 Relatie tussen windkracht en windsnelheid

Invloed van wind op golfoverslsg H 1635 september 1992

Lijst van figuren

1 Overslag bij een verticale wand volgens (Goda, 1985) 2 Voorbeelden van wand- en kruinvorm

3 Schets van golftop tegen verticale wand, afhankelijk van de waterdiepte

4 Voorbeeld van numeriek berekende golfbreking tegen de wand zonder luchtinsluiting 5 Schematisatie van de beweging van de oplopende watertong langs het talud

6 Uit metingen afgeleide verdeling van het watervolume dat boven de kruin uitstijgt 7 Uit metingen afgeleide laagdikte van de opspuitende watermassa

8 Schematisatie van de beweging van het opspuitende water boven de verticale wand 9 Berekende verdeling van de overslaande watermassa over de afstand tot de wand

10 Opstelling van de windmachines in de Deltagoot 11 Debietmeting in de Deltagoot

Invloed van wind op golfoverslag H 1635 6eptemt>er 1992

Lijst van symbolen (vervolg)

o = taludhelling (°)

Ah, = opwaaiing (verhoging van de waterstand bij de teen van de

constructie) (m)

<p = hoek tussen de windrichting en de lengte-as van het betrokken

gebied (°)

Y = reductiefactor met betrekking tot golfoploop voor onder andere

de ruwheid van het talud; voor een glad recht talud met een

waterdiepte bij de teen groter dan 3HS geldt y = 1 (-)

pa = massadichtheid van lucht (kg/m3)

pw = massadichtheid van water (kg/m3)

{ep = brekerparameter op basis van de diep-water golflengte, behorend

bij de piekperiode van het spectrum (-)

Invloed van wind op goltoverslag H 163b sepiemDer 1992

Lijst van symbolen

aw = versnelling van het water (m/s2)

b = breedte (in de richting van de dijkas gemeten) (m)

co = coëfficiënt: 0.35*10"* (s2/m)

cq = fractie van het boven de kruin van een verticale wand uitstijgende

watervolume dat over de kruin slaat (-) c^j = windcoëfficiënt voor de spanning op een vlak evenwijdig aan de

wind-snelheid (-)

c

<Kx

= windcoëfficiënt voor de spanning op een vlak loodrecht op de

wind-snelheid (-)

C = parameter van Chézy (nV'Vs)

~d

t

= diktevaneen'verticaal opspuitend watersehenn

(m)-F = strijklengte (m)

F

a

= kracht op het water door luchtbeweging (N)

F

d

= dynamische kracht op de verticale wand per strekkende meter kruin (N/m')

F

g

= zwaartekracht op het water (N)

F

(

= kracht op het water door luchtbeweging (N)

F

r

= kracht op het water door wrijving met ondergrond (N)

F

$

= hydrostatische kracht op de verticale wand per strekkende meter

kruin (N/m')

g = versnelling van de zwaartekracht (m/s2

)

h = hoogte (m)

h

k

= kruinhoogte ten opzichte van SWL (m)

h

0

= representatieve waterdiepte voor het betrokken gebied (m)

h

a

= reikhoogte van opspuitend water ten opzichte van SWL (m)

h

t

= waterdiepte bij de teen van de constructie (m)

H

s

= significante golfhoogte (m)

k

N

= ruwheid volgens Nikuradse (m)

/ = lengte (langs het talud gemeten) (m)

L

e

= golflengte op diep water (m)

m = massa (kg)

V = overslagvolume per golf (m3

)

q = gemiddeld overslagdebiet per strekkende meter kruin (m2

/s)

R

u2%

= golfoploophoogte ten opzichte van SWL met overschrijdingskans

van 2% (m)

t = tijd (s)

T

p

= periode behorend bij de piek van het spectrum (s)

u

o

= snelheid van de lucht (horizontaal of langs talud) (m/s)

u

w

= snelheid van het water (horizontaal of langs talud) (m/s)

w = verticale snelheid van het water (m/s)

Invloed van wind op goltoverslag H 1635 september 1992

1 Inleiding

In zijn brief dd 28 juni 1992 (kenmerk: WB/CX 923421) heeft de Hoofdingenieur-Directeur van Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, aan WL (Waterloopkundig Laboratori-um) opdracht verleend tot het uitvoeren van een voorbereidende bureaustudie naar de invloed van wind op golfoverslag.

De huidige kennis met betrekking tot golfoverslag is vrijwel volledig gebaseerd op meetgege-vens uit fysisch modelonderzoek waarbij geen sprake is geweest van wind. In de praktijk is echter in. de maatgevende situatie met hoge golven vrijwel altijd sprake van een sterke aanlandige wind. Bovendien bestaat de indruk dat de wind een aanzienlijke invloed heeft op de overslag, in het bijzonder als er sprake is van veel spray.

Op basis van literatuuronderzoek en enkele sterk geschematiseerde berekeningen leidt de bureaustudie tot een onderzoeksplan. Het uitvoeren van fysisch onderzoek in de Deltagoot vormt een belangrijk en omvangrijk onderdeel van dit plan. Daarom wordt dit fysisch onderzoek in deze bureaustudie reeds vergaand voorbereid.

De onderhavige bureaustudie is uitgevoerd door ir. J.P. de Waal van WL, locatie "de Voorst", die tevens de rapportage heeft verzorgd. De rapportage van de bureaustudie afzonderlijk wordt alleen in concept-vorm geleverd. De definitieve rapportage van de bureaustudie wordt opgenomen in de gebundelde eindrapportage van de verschilende onderzoeksfasen.

Invloed van wina op goltoverslag h 1635 Eepterrmer 1992

2 Bestaande literatuur en kennis

2.1 Golf overslag zonder wind

Recht talud

Overslag bij rechte taluds is in het recente verleden uitvoerig onderzocht en goed in formules vervat (Van der Meer, 1992). De invloed van de waterdiepte bij de teen van de constructie is verwaarloosbaar voor h > 3HS.

Voor de golfoploophoogte met een overschrijdingskans van 2% geldt:

= 1.5 y Zm m e t ^ maximum van 3.0 y (2.1)

met:

Ru3% = golfoploophoogte met overschrijdingskans van 2% (m)

Ht = significante golfhoogte (m)

Y = reductiefactor voor onder andere de ruwheid van het talud;

voor een glad recht talud met een waterdiepte bij de teen

groter dan 3 Ht geldt y = 1 (-)

£cp = brekerparameter op basis van de diep-water golflengte,

behorend bij de piekperiode van het spectrum (-) Voor het gemiddelde overslagdebiet per strekkende meter kruin geldt:

§= = 8*10-

5

exp (3.1 *"* '

K

(2.2)

H

s

j

met:

q = gemiddeld overslagdebiet per strekkende meter kruin (m2/s)

g = versnelling van de zwaartekracht (m/s2)

hk - = kruinhoogte ten opzichte van SWL • - - (m)

Ook de mate van de natuurlijke spreiding van meetgegevens rond de met bovenstaande formules berekende gemiddelde waarden van het overslagdebiet is gekwantificeerd. De overslag vindt vrijwel uitsluitend plaats in de vorm van een oplopende watertong. De watertong bestaat uit een gesloten watermassa en wordt daarom ook wel "groen water" genoemd in tegenstelling tot overslag in de vorm van spray. Het aandeel van spray in de overslag is bij taluds verwaarloosbaar.

Invloea van wina op golioversiaQ n 163b sepïemDer

Verticale wand

Voor de overslag bij een verticale wand zijn ontwerpgrafieken bepaald op basis van een combinatie van theorie en meetgegevens, zie Figuur 1 (Goda, 1985). Er wordt uitgegaan van een flauw onderwatertalud (1:10 of flauwer) tot de plaats van de wand. Er is geen informatie beschikbaar met betrekking tot de (kwantitatieve) invloed van de vorm van de wand en de kruin op de overslaghoeveelheid. Voorbeelden van wand- en kruinvormen zijn gegeven in Figuur 2.

Opvallend is de rol die de relatieve waterdiepte bij de teen van de wand speelt. Voor iedere combinatie van voorlandhelling, golfsteilheid en relatieve kruinhoogte is de volgende tendens herkenbaar:

0.0 < ht/Hs < 1.0 Voor deze kleine waterdieptes zijn de golven reeds voor de

wand-gebroken enjs deoverslaghoeveelheid-relatief.gering

1.0 < ht/Hs < 2.5 Bij deze relatieve waterdieptes breken de golven dichtbij de

wand en kunnen hevige golfklappen optreden waarbij het water hoog opspat, boven de wand uiteenvalt in druppels en deels achter de wand terechtkomt. Er is derhalve sprake van een piek in de overslaghoeveelheid voor deze relatieve waterdiepte.

3.0 < ht/Hs De golven breken niet of nauwelijks meer tegen de wand en

de overslag is dan ook relatief gering. De invloed van de waterdiepte bij de constructie is ook voor deze grote relatie-ve waterdiepte nog zeer aanzienlijk. Het orelatie-verslagdebiet neemt sterk af, waarschijnlijk vooral door de afnemende gepiektheid van de golven bij toenemende waterdiepte. Voor relatieve waterdieptes ht/Hsgroter dan ongeveer 1.5 is in Figuur 3 de vorm geschetst

van de watermassa op het tijdstip dat de top van de golf zich ter plaatse van de wand bevindt. Bij de staande sinusvormige golf zal de optredende overslag plaatsvinden in de vorm van groen water. (Hiervoor is overigens een relatief zeer lage kruinhoogte nodig, anders is de overslag nihil.)

Naarmate de langs de wand omhoog bewegende watermassa smaller is en een grotere snelheid heeft, treden de volgende verschijnselen op:

• De benodigde relatieve kruinhoogte om overslag te voorkomen neemt sterk toe. • De watermassa boven de kruin zal in sterkere mate uiteenvallen in druppels. Het

aandeel van de spray in de overslag neemt daardoor toe.

• De invloed van de vorm van de wand en de kruin op de richting van de oplopende watermassa wordt groter naarmate de afmeting van eventuele obstakels toeneemt in verhouding tot de dikte van de oplopende watermassa.

In literatuur wordt verslag gedaan van numerieke berekeningen met betrekking tot de kracht van een brekende golf tegen een verticale wand. Hierbij worden lokaal en gedurende zeer korte tijd zeer grote drukken tegen de wand berekend. Dit geldt met name voor de situatie waterloopkundig laboratorium | w i

Invloed van wind op goltoverslag H 1635 septemoer 1992

waarbij de golf zodanig tegen de wand breekt dat er net geen sprake is van luchtinsluiting tussen de overslaande golftop en de wand, zie Figuur 4. Voor het oog lijkt de golf dan nog net niet te breken. Het water zal in deze situatie een grote verticale snelheid langs de wand kunnen krijgen. Deze situatie wordt in (Cooker et al, 1990) gekenmerkt als "flip-through".

2.2 Wind

De voor deze studie van belang zijnde wind heeft een turbulent karakter. Dit houdt onder andere in dat de luchtsnelheid (grote) variaties vertoont in plaats en tijd. Bij het karakterise-ren van de windsnelheid wordt in de meeste gevallen gebruik gemaakt van middeling over de tijd. Er bestaan echter ook karakteristieken die de mate van vlagerigheid van de wind aangeven.

In deze studie wordt de wind gekarakteriseerd door de gemiddelde windsnelheid te nemen over een periode van 10 minuten, met de plaats op 10 m hoogte boven SWL als referentie-punt. Dit is namelijk de meest gangbare karakterisering. Voor de bepaling van de windsnel-heid op andere hoogtes kan gebruik worden gemaakt van een karakteristiek snelwindsnel-heidsprofiel, waarvoor de volgende formule wordt aangenomen:

f

ioi

p 3 )

Hierin is:

uaJt = de windsnelheid op hoogte h (m/s)

u^jg = de windsnelheid op 10 m hoogte (m/s) h = de hoogte boven SWL (m)

Voor deze studie zijn situaties van belang waarin sprake is van een storm (windkracht 8 Bft) tot een orkaan (windkracht 12 Bft). De bijbehorende windsnelheid is respectievelijk: Ua.l0 - 1 7 2 t O t 2 0 7 TtiJs e n Ua,10

In tabel 1 is de relatie tussen de windkracht, de windsnelheid en de aanblik van het zeeopper-vlak gegeven.

2.3 Invloed van wind op deelprocessen

Wind heeft invloed op de volgende (deel-)processen, die ieder het overslagdebiet kunnen beïnvloeden:

A De golven vóór de constructie

• Het vervormen (o.a. groeien) van de golven op diep water • Het breken van golven op ondiep water

Irwloea van wind op goltoverslag H I 635 septemDer 1992

B De waterbeweging tegen de constructie op en over de constructie heen: • opstuwing van de oplopende watertong op het talud

• transport van spatwater over de kruin van het talud

• transport van tegen de verticale wand opspuitend water over de wand heen C De waterstand ter plaatse van de constructie (opwaaiing)

Talud

Er is geen publicatie bekend van een specifiek onderzoek naar de invloed van wind op de overslag (of de oploop) bij een talud. Er zijn echter wel onderzoeken bekend waarbij de golf oploop is gemeten bij golven die door wind zijn opgewekt. In (TAW, 1972) wordt op een dergelijk onderzoek ingegaan. Bij de meetgegevens wordt een globale theoretische beschou-wing-gegeven—De eGndusie-is-daarbij-datde4nv!oed-vande-wmdop-de-golfo^^

ondergeschikt belang is als kan worden uitgegaan van golfrandvoorwaarden ter plaatse van de constructie. Een dergelijke theoretische beschouwing wordt ook uitgevoerd in paragraaf 2.4. Een heranalyse van de meetgegevens wordt hier achterwege gelaten.

Verticale wand

In de literatuur is slechts één publicatie aangetroffen waarin verslag wordt gedaan van specifiek onderzoek naar de invloed van wind op golfoverslag bij een verticale wand (Iwagaki e.a., 1966).

Het betreft hier een Japans onderzoek uit de jaren '60 waarin gebruik is gemaakt van een fysisch model met een vrij kleine schaal. Vlak voor de verticale wand was een ongeveer 10 m lang talud aangebracht met een helling van 1:15. Er zijn uitsluitend regelmatige golven opgewekt met een hoogte van 6.2 en 12.5 cm (bij proeven zonder wind bovendien 18.7 cm). De golfperiode was voor alle proeven 2.0 s zodat de golfsteilheid respectievelijk 0.01 en 0.02 (en 0.03 bij proeven zonder wind) is geweest. Dit is een hele lage golfsteilheid.

Enerzijds wordt de waarde van het onderzoek beperkt door het gebruik van regelmatige golven, de kleine schaal en de wellicht inmiddels verouderde meettechnieken. Anderzijds is de waarde echter groot, met name vanwege de uitvoerigheid waarmee de (overige) relevante parameters zijn gevarieerd:

De waterdiepte bij de teen is veelvuldig gevarieerd: 19, 12, 6, 3, 0, - 1 , en -2 cm. Er zijn meerdere relatieve kruinhoogtes toegepast, afhankelijk van de combinatie van relatieve waterdiepte bij de teen en de golfsteilheid. Bij iedere cominatie van golfhoogte, waterdiepte bij de teen en kruinhoogte zijn ongeveer 10 verschillende waarden voor de windsnelheid gebruikt met een maximum van ongeveer 9 m/s.

Invloed van wina op goltovenslag H 1635 september 1992

De meetresultaten zijn gepresenteerd in grafieken, waarin de volgende dimensieloze groot-heden zijn uitgezet:

H/Lo golfsteilheid

hk/H relatieve kruinhoogte

ht/L0 relatieve waterdiepte bij de teen; meer gebruikel ijk is tegenwoord ig: ht/H

dimensieloos overslagvolume per strekkende meter per golfperiode; meer

0 gebruikelijk is tegenwoordig het hanteren van het dimensieloze

gemid-delde debiet per strekkende meter:

q zoals gebruikt in (Goda, 1985), of

W

—2— zoals gebruikt in (Van der Meer, 1992)

W

3

dimensieloze windsnelheid

Meetresultaten van overslagproeven zonder wind

De invloed van de relatieve waterdiepte bij de teen komt overeen met de beschrijving volgens (Goda, 1985), met dit verschil dat de invloed van de waterdiepte veel sterker is omdat sprake is van regelmatige golven. Hierdoor breken alle golven op dezelfde plaats en is er dus geen sprake van afvlakking door middeling over een variërend brekerproces.

Bij de grafieken van overslagmetingen zonder wind valt op dat voor specifieke combinaties van de golfsteilheid en de waterdiepte bij de teen (en de helling van het voorland van 1:15) nog overslag is gemeten bij zéér hoge relatieve waarden van de kruinhoogte (hk/H = 7).

Het is uitgesloten dat de opspuitende watermassa op deze hoogte nog een horizontale snelheidscomponent heeft. Het is daarom aannemelijk dat de top van de watermassa na het verliezen van het contact met de wand snel in druppels uiteenvalt en zich in de breedte verpreidt. Een deel van de watermassa die boven de wand uitstijgt zal dan aan de overzijde van de wand neerkomen als overslag. De maximaal mogelijke invloed van de wind op dit deelproces van de overslag is het over de wand verplaatsen van ook het andere deel van de watermassa die boven de kruin is uitgestegen.

Meetresultaten van overslagproeven met wind

Helaas is voor de specifieke combinatie van randvoorwaarden met zeer hoog opspuitend water de invloed van de wind niet gemeten. Er zijn echter wel meetgegevens gepresenteerd bij combinaties van randvoorwaarden rond dit specifieke geval.

invioea van wina op goitoversiag n 163b Geptemoer 1S92

Bij toenemende wind worden de volgende tendensen geconstateerd:

• Golfsteilheid H/L

o

= 0.01

h

t

/H = 2.0 De golven zijn bij de wand nog niet gebroken.

De overslag neemt eerst iets af, en vervolgens sterk toe, afhankelijk

van de relatieve kruinhoogte. De toename wordt waarschijnlijk

veroorzaakt door verschuiving van de locatie van golfbreking naar

een locatie met een grotere impact.

h

t

/H = 1.0 De golven zijn bij de wand nèt gebroken.

Er is sprake van veel overslag bij grote kruinhoogtes. De invloed

van de wind is echter gering en vertoont geen duidelijke tendens.

— kj/H =-0£ De-golven zijn-al-pjimvoor-de wand-gebroken

De relatief geringe overslag neemt iets toe.

k

t

/H z 0.0 De golven zijn al ver voor de wand gebroken.

De invloed van de wind is zeer gering, maar het feit dat er sprake

is van afname van de overslag is opvallend.

• Golfsteilheid B/L

o

= 0.02

k

t

/H = 1.5 De golven zijn bij de wand nog net niet gebroken.

De overslag neemt sterk toe, vooral voor grote kruinhoogtes. Dit

duidt op het toenemen van de impact door verplaatsing van de

breeklocatie.

k

t

/H = 1.0 De golven zijn bij de wand nèt gebroken.

Er is sprake van veel overslag bij grote kruinhoogtes. Er is reeds

bij weinig wind sprake van een verdubbeling van de

overslaghoe-veelheid. Bij verder toenemende wind blijft de overslag gelijk.

k

t

/H = 0.5 De golven zijn al ruim voor de wand gebroken.

De relatief geringe hoeveelheid overslag neemt iets toe.

k

t

/H z 0.0 De golven zijn al ver voor de wand gebroken.

De invloed van de wind is zeer gering, maar het feit dat er sprake

is van afname van de overslag is opvallend.

Zoals ook uit de beschouwingen van deze meetgegevens naar voren komt, is de invloed van

de wind niet eenduidig te beschrijven. Waarschijnlijk wordt dit veroorzaakt door de invloed

van de wind op de meerdere deelprocessen, zoals aan het begin van deze paragraaf is

verondersteld. De aard (toe- of afname) en de mate van de afzonderlijke invloeden zijn

afhankelijk van de randvoorwaarden. De totale invloed is daardoor op een gecompliceerde

wijze afhankelijk van de randvoorwaarden.

invioeO van wina op goltoverslag H 1635 _{september 1 992}

Het is bij fysisch (vervolg-)onderzoek van belang de gemeten invloed van de wind op het overslagdebiet te kunnen toeschrijven aan de invloed van de wind op slechts één van de genoemde deelprocessen. Hiertoe moet het proevenprogramma zodanig opgesteld worden dat de invloed van de wind op slechts één van de processen varieert, terwijl de invloed op de overige processen gelijk verondersteld kan worden.

In de hierna volgende paragrafen wordt nader ingegaan op de invloed van wind op de overslag, door de invloed op de deelprocessen afzonderlijk.

2.4 Invloed van wind op de golven voor de constructie

Het vervormen van de golven op diep water

Voor de berekening van de golfgroei bestaan formules en ontwerpgrafieken, waarin op basis van de waterdiepte, de windsnelheid, de tijdsduur en de strijklengte een schatting gemaakt wordt van de resulterende golfhoogte en -periode. Bekende formules zijn die van Bretschnei-der die ook vermeld worden in (TAW, 1989).

H = 0.283 \aah(0.530 Kf75) tanh 0.0125 F042

tanh(o.530 h007!)

(2.4)

f = 2.4 n tanh(o.883 h0a37s) tanh

Hierin is: H = 0.077 F0 2 5 tanh(o.833 h0037S)

(2.5)

—- = dimensieloze golfhoogte h0 = = dimensieloze waterdiepte = s.— = di F = p = dimensieloze strijklengte f = * = dimensieloze golfperiode

u.

Bij proeven in een goot wordt uitgegaan van een met een golfschot opgewekt golfveld, waarop vervolgens wind invloed kan uitoefenen. De groei van de golven in de goot kan worden geschat door aan te nemen dat de golven ook reeds door dezelfde wind waren opgewekt, zodat een fictieve strijklengte zeewaarts van het golfschot kan worden bepaald. De invloed van de wind op de golfhoogte kan dan worden bepaald door de strijklengte van de wind in de golfgoot bij deze fictieve strijklengte op te tellen. In de praktijk blijkt dan dat de gootlengte in verhouding tot de fictieve strijklengte nagenoeg verwaarloosbaar is, zodat ook de toename van de golfhoogte door de wind in de goot verwaarloosbaar is.

Invloed van wind op goltovens:ag H 1635 september 1992

De invloed van wind op de golfvorm is een onderwerp waarover nog geen bruikbare publicaties zijn gevonden.

Het breken van golven op ondiep water

In kwalitatieve zin is de invloed van aanlandige wind op brekende golven als volgt samen te vatten (Douglass, 1989):

a. De golven zullen eerder (dat wil zeggen op dieper water) breken. b. Het brekertype zal meer neigen naar een spil 1 ing breker.

De beschouwing in (Douglass, 1989) heeft betrekking op golven die breken op een flauw talud, zoals een strand. Als eerste benadering kan worden aangenomen dat deze verschijn-selen ook optreden in het geval dat zich ongeveer op de plaats van breken een verticale wand zou bevinden. In werkelijkheid is het golfbeeld echter sterk verschillend van de in (Douglass, 1989) geanalyseerde situatie door de hoge reflectie en het daardoor optredende patroon van staande golven. Een van de gevolgen van een sterke wind op het patroon van staande golven is het ontstaan van spray.

Uit de meetgegevens van [Iwagaki e.a., 1966] is zeer globaal de invloed van wind op de plaats van golfbreken te bepalen door aan te nemen dat de invloed van wind alleen bestaat uit:

• verplaatsing van het brekerpunt,

• verdubbeling van de overslaghoeveelheid onder invloed van de wind boven de kruin. De procedure is dan als volgt:

1 Kies een proevenserie met golven die bij de wand nog net niet breken (zonder wind). 2 Bepaal voor een bepaalde relatieve kruinhoogte het overslagdebiet bij maximale

wind.

3 Deel deze overslaghoeveelheid door twee om de invloed van de wind boven de kruin te elimineren.

4 Bepaal de relatieve waterdiepte bij de teen, die bij dezelfde relatieve kruinhoogte in een situatie zonder wind dezelfde overslaghoeveelheid oplevert als in punt 3 gevonden.

5 Vergelijk deze fictieve waterdiepte met de werkelijke relatieve waterdiepte bij de teen.

Bovenstaande procedure is uitgevoerd voor de drie grootste relatieve kruinhoogtes bij de proeven met een golfsteilheid van 0.02 en een relatieve waterdiepte bij de teen van 1.5. De fictieve relatieve waterdiepte bij de teen bleek voor alle drie kruinhoogtes ongeveer 1.4 te zijn bij de maximale windkracht (De grafieken laten zich overigens niet nauwkeurig aflezen).

invloed van wind op goltoverslrg H 1635 september 1992

Als zeer globale eerste schatting van de maximale invloed van wind op de plaats van

golfbreken kan nu worden aangenomen dat de relatieve waterdiepte bij de teen fictief met

10% wordt gereduceerd voor golven die bij de wand nog net niet breken. De fictieve

waterdiepte moet overigens uitsluitend geïnterpreteerd worden als parameter bij de bepaling

van de plaats van golfbreken en niet als een verlaging van de waterstand ter plaatse van de

wand.

2.5 Invloed van wind op de waterbeweging tegen de

constructie

Recht talud

In (TAW, 1972) wordt, mede op basis van enige meetgegevens uit schaalmodellen, een

globale beschouwing gegeven van de verwachte invloed van de wind op de krachten op de

oplopende watertong op het talud. Het aandeel van de wind in het krachtenspel blijkt relatief

gering te zijn.

Onderstaand wordt een vergelijkbare beschouwing gemaakt waarbij echter ook de invloed

van de wrijving langs het talud in rekening wordt gebracht. Er wordt getracht een relatie

te leggen tussen de windsnelheid en de oploophoogte.

De oplopende watertong wordt geschematiseerd tot een "blok" water met afmetingen h x

b x 1 dat met behoud van vorm langs het talud beweegt, zie Figuur 5. Het blok ondervindt

invloed van de zwaartekracht, de wrijving langs het talud en de wrijvingskracht van de wind.

(Er wordt geen drukverschü tussen het hoge en lage deel van het blok in de beschouwing

betrokken).

De beweging van het zwaartpunt van het blok onder invloed van deze krachten wordt

gevolgd, uitgaande van een opwaartse beginsnelheid ter plaatse van SWL.

m

1 T

= F

°

+ F

'

+ F

"

(26)

m = p

w

lbh (2.7)

F

g

= -mg sinar (2.8)

F

r = ~f

2

P« KK\ bl met C = 18 l o g f ^ j (2.9)

F

o =

c

«\ Pa

u

l

bl

(2-10)

waterloopkundig laboratorium | w i 1 0

Invloed van wind op golfovenslag H 1635 september 1992

In bovenstaande formules geldt:

b = breedte van het blok in de richting van de dijkas gemeten (m)

c^j = windcoëfficiënt voor de spanning op een vlak evenwijdig aan

de windsnelheid (-)

C = parameter van Chézy (m'^/s)

F

g

= zwaartekracht op het water (N)

F

t

= kracht op het water door luchtbeweging (N)

F

r

= kracht op het water door wrijving met ondergrond (N)

g = versnelling van de zwaartekracht (m/s2

)

h = hoogte van het blok loodrecht op het talud gemeten Oaagdikte) (m)

k

N

= ruwheid volgens Nikuradse (m)

/ = lengte van het blok langs het talud gemeten (m)

m = massa van het blok (kg)

t = tijd (s)

u

w

= snelheid van het blok water opwaarts langs het talud (m/s)

u

o

= snelheid van de lucht opwaarts langs het talud (m/s)

o = taludhelling (°)

p

t

= massadichtheid van lucht (kg/m

3

)

p

w

= massadichtheid van water (kg/m

3

)

De formules kunnen worden samengevat in onderstaande differentiaalvergelijking:

Pc 1

= g sinar • c. —

-dï

Met behulp van een eenvoudig spreadsheet-programma is een numerieke berekening uitge-voerd:

^ ( 2 1 2 )

+ «.

* (2-13)

Met als beginvoorwaarden x0 en u0.

Bij deze uitwerking geldt:

1 = index die het nummer van de tijdstap aangeeft (-)

u = snelheid van het blok water opwaarts langs het talud (m/s) At = tijdstap (s) x = positie ten opzichte van SWL, langs het talud opwaarts gemeten (m)

invloed van wind op goltoverslag H 1635 september 1992

Voor representatieve berekeningen kan worden uitgegaan van de volgende waarden van parameters: cota = = 1030 = 1.2 5 4 0 5 = 25 (kg/m3) (kg/m3) (mm) (glad betontalud) (-) (-) (m/s) (m/s)

De dikte h van de oplopende watertong varieert in werkelijkheid. In de berekeningen zijn daarom drie verschillende waarden voor deze dikte gebruikt.

Een veel gebruikte waarde voor c^, is 0.002. Omdat deze parameter meestal gebruikt wordt op een schaal van zeer veel golflengtes, is het niet duidelijk in hoeverre deze waarde in de context van ruwweg een halve golflengte juist is. Daarom wordt een drietal verschillende waarden gebruikt (waarvan twee naar verwachting conservatief).

De resultaten van enkele berekeningen zijn in onderstaande tabel samengevat. De toename door de wind is in deze tabel in procenten gegeven.

laagdikte h (m) 0.05 0.10 0.15 Windwrijvingscoëfficiënt c^, (-) 0.001 0.4 0.2 0.2 0.005 2.1 1.3 0.9 0.010 4.2 2.5 1.8

Tabel 2.1 Berekende toename van de golfoploop door wind in procenten

Uit deze tabel blijkt dat de maximale geschatte invloed van de wind op de oploophoogte nog kleiner is dan 5%. Daarom kan geconcludeerd worden dat de invloed van wind op de oploophoogte van de watertong langs het talud voor de praktijk verwaarloosbaar is.

Verticale wand

Onderstaand wordt een schatting gemaakt van de verdeling van de opspuitende watermassa over de hoogte boven SWL. Hierbij wordt uitgegaan van de meetgegevens uit (Iwagaki e.a., 1966). Gekozen is voor de overslagproeven zonder wind, met de combinatie van golfsteilheid en relatieve waterdiepte waarbij de opspuithoogte maximaal is.

Het is aannemelijk dat het volume van de opspuitende watermassa die boven een bepaalde kruinhoogte stijgt niet wordt beïnvloed door de kruinhoogte zelf. Het is wel goed mogelijk dat de kruinhoogte invloed heeft op het percentage van deze watermassa dat aan de achterzij-de van achterzij-de wand terecht komt. In achterzij-deze beschouwing wordt echter aangenomen dat voor ieachterzij-dere kruinhoogte de helft van de hoog genoeg opspuitende watermassa als overslag is gemeten.

Invioea van wind op goltoverslag H 1635 september 1992

Voor de verschillende waarden van de golfsteilheid is het volume van de totale watermassa dat boven de kruin uitstijgt gerelateerd aan de kruinhoogte. Het resultaat van deze beschou-wing is gegeven in figuur 6. Hieruit is een schatting gemaakt van de relatieve breedte van de opspuitende massa als deze nog niet gedispergeerd is tot druppels. Het resultaat van deze beschouwing is gegeven in Figuur 7.

Het hoog opspuitende deel van de watermassa blijk een relatieve dikte van 0.001 a 0.002 te hebben. Voor prototype golven met een periode van 8 s bedraagt deze dikte ongeveer 0.15 m. Als deze massa in de breedte is gedispergeerd tot een relatieve dichtheid van globaal 20%, dan is de breedte van de wolk ongeveer 0.75 m (zonder wind).

De maximale opspuithoogte is niet direct gemeten. Uit de maximale kruinhoogte waarbij nog overslag is gemeten valt af te leiden dat een opspuithoogte van meer dan 1H mogelijk is. In de figuren valt op dat de meetgegevens bij de golfsteilheid 0.01 en 0.02 sterke overeen-komst vertonen. Bij de golfsteilheid van 0.03 is de opspuitende watermassa kleiner. Waar-schijnlijk speelt de helling van het voorland (1:15) hierbij een rol. Het is aannemelijk dat de steilere golven bij een iets steiler voorland tot opspuithoogtes aanleiding geven, die beter vergelijkbaar zijn met de nu gemeten opspuithoogtes bij de kleine golfsteilheid.

Om een indruk te krijgen van de verplaatsing van de opspuitende watermassa wordt hieronder een zeer vereenvoudigde schematisatie kwantitatief uitgewerkt.

Bezie de schematisatie in Figuur 8:

Een driehoekige watertong beweegt als een geheel langs de verticale wand omhoog met een beginsnelheid w0. Op het deel van de tong die boven de kruin komt zal een winddruk

p werken die eenvoudigheidshalve onafhankelijk is van de hoogte boven de kruin. De

water-tong zal niet uiteenvallen in druppels, noch treedt er wisselwerking in verticale zin op. De afmetingen van de tong die boven de kruin zal komen zijn een hoogte h^ en een basis-breedte b. De verticale beweging wordt als volgt beschreven:

h(t) =h0 +WJ -Vzgt2 (2.14)

De verblijfsduur boven de kruin At van een deeltje Ah van deze tong wordt bepaald door de oorspronkelijke hoogte h0 van dit deeltje:

= - v K + 2 gh0 (2.15)

8

De massa van het deeltje is:

m = pw — ^ b Ah (2.16)

hmcx

Invloed van wind op golfoverelag H 1635 september 1992

Tijdens het verblijf boven de kruin zal het deeltje een horizontale kracht ondervinden van:

F

w

=p Ah (2.17)

De versnelling a

H

is derhalve:

flw=— (2.18;

De snelheid van het deeltje is echter maximaal gelijk aan de windsnelheid u^.

Met bovenstaande gegevens kan een schatting verkregen worden van de plaats waar het

opspuitende water achter de wand terecht zal komen.

Hierbij is uitgegaan van de volgende gegevens:

p = 1000 N/m

u

w

= 25 m/s

M>0

= 10 m/s

b = 0.2 m

De totale hoogte van de opspuitende watermassa bedraagt in dit geval:

h^ = 5.1 m

De massaverdeling van het achter de wand neerkomende water over de afstand achter de

wand is gegeven in Figuur 9. Uit dit rekenvoorbeeld blijkt dat het water tot grote afstanden

achter de wand getransporteerd kan worden. Als orde van grootte kan gedacht worden aan

tientallen meters. De grootste hoeveelheid water komt echter direct achter de wand terecht,

dat wil zeggen binnen de eerste 10 meter achter de wand.

In de praktijk zal hooguit gedurende zeer korte tijd sprake zijn van een dicht waterscherm.

Het opspuitende water zal namelijk dispergeren tot druppels van verschillende afmetingen.

Uit alledaagse waarnemingen met betrekking tot fonteinen bij wind kan worden afgeleid dat

er slechts weinig wind nodig is om de waterstraal af te buigen. In het bijzonder kleine

druppels kunnen over grote afstand worden getransporteerd.

Invloed van wind op goltoverelag H 1635 september 1992

2.6 Invloed van wind op de waterstand bij de constructie

De wind kan zorgen voor een verhoging van de waterstand bij de constructie. Deze

opwaai-ing heeft tot direct gevolg dat de kruinhoogte verkleind wordt en daarmee de overslag

vergroot.

Een praktische formule voor het berekenen van de opwaaiing is gegeven in (TAW, 1989):

c„ ui F cosp

óh

'

B

-

S

-

JL

l ~ ( 2 1 9 )

Hierin is:

Ah

t

= opwaaiing (verhoging van de waterstand bij de teen van de

constructie) (m)

c. = coëfficiënt: 0.35*10* (s

2

/m)

u

a

= windsnelheid (m/s)

F = strijklengte (m)

<p = hoek tussen de windrichting en de lengte-as van het

betrokken gebied (°)

h

0

= representatieve waterdiepte voor het betrokken gebied (m)

Omdat de juiste waterdiepte bij de teen van de constructie in deze studie bekend wordt

verondersteld wordt de opwaaiing verder buiten beschouwing gelaten.

De opwaaiing bij eventuele proeven in de Deltagoot is te verwaarlozen, hetgeen blijkt uit

de volgende berekening:

__ 0.35*10- * 2? * 150*1 __

' 4.5

Invloed van wind op goltoveralag H 1635 september 1992

3 Opzet van verder onderzoek naar de invloed

van wind op overslag

Uit hoofdstuk 2 is gebleken dat vooral de invloed van wind op golfoverslag bij een verticale wand nader onderzocht dient te worden. Dit onderzoek kan gesplitst worden in twee sporen:

a. Bepaling van de invloed van wind op het watertransport over de verticale wand. b. Bepaling van de invloed van wind op de plaats van golfbreken.

Hieronder worden beide sporen nader uitgewerkt. ad a.

Bij de bepaling van de invloed van wind op het watertransport over de verticale wand kunnen de volgende drie fasen onderscheiden worden:

fase 1 In de eerste fase staat centraal het verkrijgen van meetgegevens. Omdat juist bij de vorming van waterdruppels en de interactie tussen wind en waterdruppels schaalef-fecten te verwachten zijn, is het noodzakelijk gegevens op prototypeschaal te verkrijgen. Hierbij kan gebruik gemaakt worden van onderzoek in de Deltagoot. Een mogelijke opzet van dit onderzoek wordt in hoofdstuk 4 uitgewerkt.

In de eenvoudigste uitwerking van dit onderzoek wordt de aandacht gericht op de invoed van de wind op de fractie cgvan de boven de kruin uitstijgende watermassa

die over de kruin slaat onder invloed van de wind, bij een verticale wand. In een eerste uitgebreidere variant hierop kan de invoed van wind op de verdeling van de overslag over de afstand achter de wand bestudeerd worden. In een tweede, uitge-breide, variant kan tevens een alternatieve vorm van de kruin onderzocht worden. fase 2 In de tweede fase worden de prototypegegevens geïnterpreteerd met de overslaggra-fieken uit (Goda, 1985) als referentiepunt. Deze interpretatie wordt uitgebreid naar schattingen voor de windinvloed bij andere combinaties van randvoorwaarden. Getracht wordt om mede op basis van de prototype-gegevens een eenvoudig concep-tueel (reken-)model voor de invloed van de wind op de overslag op te stellen. fase 3 Afhankelijk van de eenduidigheid van de resultaten uit de eerste twee fasen kan in

de derde fase de interpretatie met behulp van modelonderzoek op kleine schaal worden geverifieerd. Een belangrijk onderdeel van dit modelonderzoek vormt de reproductie van de resultaten van het deltagootonderzoek op schaal. Zodra hieruit de vertaling tussen schaalmodel en prototype bekend is, kunnen andere relevante parameters in het schaalmodel gevarieerd worden.

Invloed van wind op ooltovcr«lao H 1636 september 1892

adb.

Bij het tweede spoor staat de invloed van de wind op de plaats van golfbreken centraal. Naar

verwachting is met behulp van modelonderzoek op kleine schaal voldoende nauwkeurige

informatie te verkrijgen om deze windinvloed te kunnen kwantificeren. Dergelijk onderzoek

kan echter pas uitgevoerd worden als de eerste twee fasen van spoor a. zijn afgerond.

Combinatie van het modelonderzoek met de derde fase van spoor a is goed mogelijk.

Hydraulics Research (HR), Wallingford (Engeland) heeft eveneens het voornemen om de

invloed van de wind op de golfoverslag in rekening te brengen. In grote lijnen ziet de door

HR voorgestelde opzet van de ontwikkeling van het rekenmodel er als volgt uit:

1. Bepaling van het windsnelheidsprofiel boven de constructie.

2. Bepaling van de momentane verdeling van water(-druppels) boven de constructie op

het tijdstip waarop de opspuithoogte maximaal is.

3. Ontwikkeling van een computermodel met de volgende basiskenmerken:

Invoer:

• het windsnelheidsprofiel boven de constructie

• de momentane waterverdeling boven de constructie

Uitvoer:

• de totale overslaghoeveelheid

• de verdeling van de overslag over de afstand achter de constructie

4. Bepaling van de kans (-verdel ing) van het optreden van momentane waterverdelingen

boven de constructie bij verschillende constructietypes en golfrandvoorwaarden.

5. Implementatie van de kansverdeling in het computermodel.

Deze opzet wijkt duidelijk af van de door WL voorgestelde opzet. De belangrijkste punten

van verschil zijn:

1. HR gaat uit van meetgegevens met betrekking tot wind en golven afzonderlijk, terwijl

WL de combinatie van wind en golven in fysische modellen onderzoekt.

2. HR wil op basis van een schaalserie extrapoleren naar prototype-afmetingen, terwijl

WL reeds in een vroeg stadium prototype-gegevens als referentie wil verkrijgen.

3. HR gaat uit van een nauwkeurige beschouwing van een individuele golf, terwijl WL

zich reeds vanaf het begin vooral richt op de gemiddelde verschijnselen bij

onregel-matige golven.

4. HR bestudeert alleen de invloed van de wind op de waterbeweging boven de

con-structie, terwijl WL tevens de invloed van de wind op het breken van de golven in

de studie betrekt.

Invloed van wind op golfoverslag _{H 1635} september 1892

Voor zover bekend bevindt het onderzoek bij HR zich op dit moment nog in de planningsfase (net als bij WL). Juist omdat HR en WL vanuit verschillende invalshoeken hetzelfde doel nastreven is het zeer zinvol onderling contact te onderhouden. Bij een begroting voor het totale onderzoek bij WL zal hiervoor dan een bedrag gereserveerd te worden, waarbij een wederzijds bezoek is ingecalculeerd.

Aan de universiteit van Milaan is ervaring aanwezig met betrekking tot overslag bij verticale constructies. Er is in het verleden in dit kader fysisch modelonderzoek uitgevoerd (zonder wind) in een golfgoot die vergelijkbaar is met de Scheldegoot van WL. Men is geïnteresseerd in uitwisseling van kennis en samenwerking op het gebied van overslag in het algemeen. Hierover wordt contact onderhouden met de betrokken professor.

De meetgegevens van het in Milaan uitgevoerde onderzoek zijn slechts in beperkte mate uitgewerkt. De suggestie is daarom gedaan om een student uit Milaan deze gegevens bij WL nader te laten uitwerken (onder begeleiding van WL). Tegelijkertijd zou deze student kunnen deelnemen in het onderzoek naar de invloed van wind op golfoverslag.

Om de samenwerking gestalte te geven is het zinvol om de betrokken professor uit te nodigen voor een bezoek aan WL. Tijdens dit bezoek kan informatie met betrekking tot overslag worden uitgewisseld, met een presentatie bij de RWS, kunnen de plannen voor het komende onderzoek met wind worden besproken en kan de taakstelling voor de student bij WL worden vastgelegd.

Een zeer globale schatting van de kosten van het totale vervolgonderzoek is in onderstaande tabel gegeven. Met name het fysisch onderzoek op kleine schaal moet nog nader ingevuld worden, afhankelijk van de resultaten van het onderzoek in de Deltagoot en de uitwisseling van informatie met HR en de Universiteit van Milaan. Het vermelde bedrag voor het onder-zoek op kleine schaal is daarom te beschouwen als een p.m. post.

Fysisch onderzoek in de Deltagoot Fysisch onderzoek op kleine schaal Analyse en eindrapportage

Samenwerking met HR en Univ. Milaan Totaal (excl. BTW) 400.000 300.000 75.000 35.000 810.000 Tabel 3.1 Schatting van de totale kosten van het vervolgonderzoek (in guldens) De totale looptijd van het vervolgonderzoek zal ongeveer 2 jaar zijn.

Invloed van wind op golfoverelag H 1636 september 1992

4 Opzet van prototype-onderzoek in de

Deltagoot

4.1 Doel

Het primaire doel van het prototype-onderzoek in de Deltagoot is het verkrijgen van prototypegegevens met betrekking tot de invloed van wind op de overslag van water dat ten gevolge van de golfbeweging boven de kruin van een verticale wand uitstijgt.

Het is uitdrukkelijk niet het doel met de gegevens van het Deltagootonderzoek de invloed van wind op overslag bij alle praktisch denkbare situaties te kunnen bepalen. De aandacht wordt slechts geconcentreerd op de situatie waarbij de hoeveelheid hoog opspuitend water relatief groot is.

4.2 Wind voorziening in de Deltagoot

Windmachines TNO

Hieronder volgen enkele karakteristieken van de windmachines die bij TNO te huur zijn: lengte breedte hoogte massa = 2.50 = 2.45 = 2.65 = 3600 m m

m

kg luchtdebiet = 100 m3/s (maximaal)

De machines zijn bestand tegen spatwater, zolang dit vergelijkbaar is met een fikse regenbui. Het brandstofverbruik is bij levering van het maximale vermogen ongeveer 25 liter benzine per uur per machine.

Gekozen wordt voor het gebruik van vier windmachines, die worden opgesteld als in Figuur 10 is weergegeven. De windmachines worden op een brug over de goot geplaatst.

Als doorstroomoppervlakte van de windtunnel wordt gekozen voor 5 x 5 = 25 m2. De

onderzijde van de windtunnel ligt op de gootrand. Bij gebruik van de maximale vermogens van de windmachines bedraagt de gemiddelde windsnelheid in de tunnel:

400/25 = 16.0 m/s.

De middenas van de tunnel ligt 5.0 m boven SWL. De representatieve windsnelheid op 10 m hoogte is dan:

1.10* 16.0 = 17.6 m/s.

Dit komt overeen met een windkracht van 8 Bft. Hoewel kennelijk de windkracht van 12 Bft niet haalbaar is, wordt aangenomen dat hiermee toch voldoende informatie wordt waterloopkundig laboratorium | WL 1 9

Invloed van wind op golf overslag H 1636 september 1992

verkregen om te kunnen extrapoleren naar situaties met een windkracht tot 12 Bft. (Deze extrapolatie zal deel uitmaken van het op te stellen conceptuele rekenmodel, dat later met behulp van schaalmodelonderzoek een bredere en betrouwbaarder basis zal moeten krijgen.) Ter plaatse van de verticale wand is echter het doorstroomprofiel voor de wind nog enigszins anders. Als de kruin van de wand zich 1 m onder de windtunnel (c.q. gootrand) bevindt, dan is de doorstroomoppervlakte boven de kruin 5 x 6 = 30 m2. De (maximaal mogelijke)

gemiddelde windsnelheid boven de kruin is dan 400/30 = 1 3 . 3 m/s. Bij deze berekening is geen rekening gehouden met mogelijke verliezen door de opening tussen het wateropper-vlak en de tunnelbodem. "

Overkapping en zijwanden

De wind wordt door een tunnel naar de verticale wand geleid. De horizontale afstand tussen de windmachines en de wand wordt gesteld op 20 m. De onderzijde van de windtunnel wordt op 5 m voor de verticale wand beëindigd. De bovenzijde en de zijwanden van de windtunnel worden doorgetrokken tot 10 m achter de wand om het overslaande water binnen de goot te houden. In de zijwanden worden voorzieningen getroffen voor visuele waarnemingen en het maken van video-opnamen. Tevens zal in de zijwanden verlichting worden aangebracht op enige meters voor de verticale wand.

4.3 Constructie

Bodem voor de wand

In de gewenste situatie breken de golven ongeveer ter plaatse van de wand. Deze situatie kan het eenvoudigst verkregen worden door voor de wand een flauw talud aan te brengen van 1:10 (in combinatie met een geschikte waterdiepte bij de wand). Een dergelijk talud wordt ook door Goda beschreven in de grafieken voor overslag zonder invloed van wind.

Waterdiepte bij de wand

De grootste overslagdebieten zijn te verwachten voor ht/Hs « 2.0. Dat is ongeveer de

verhouding waarbij de golven ter plaatse van de wand zullen breken (als de wand er niet zou staan). De impact op de wand is in deze situatie het grootst, zodat hierbij ook de grootste hoeveelheid opspuitend water te verwachten is.

Kruinhoogte

De invloed van de relatieve kruinhoogte is het kleinst bij een relatieve waterdiepte bij de teen van hïimd = 2.0 Ht. Voor de bepaling van de invloed van de wind wordt een situatie

gekozen waarin de overslaghoeveelheid naar verwachting grotendeels bepaald wordt door de overslag van opspuitend water. De relatieve kruinhoogte wordt daarom vrij groot gekozen, namelijk hk/Hs £; 1.5.

Invloed van wind op golfoverslag H 1635 september 1892

Het patroon van staande golven in de goot mag niet tot de gootrand reiken. Omdat het niveau van de kruin een goede eerste indicatie geeft van de maximale hoogte van het mogelijke patroon van staande golven, wordt (met inachtneming van enige reserve) gekozen voor een hoogteverschil tussen de gootrand en de kruin van de wand van 1.0 m.

Wand

Er is een wand beschikbaar met een hoogte van 3.5 m, die ontworpen is op de hydrostatische druk behorend bij een verval over de gehele hoogte van de wand. Deze wand is afkomstig uit een onderzoek naar piping in de Deltagoot.

De nu gewenste hoogte van de wand bestaat uit de gewenste waterdiepte bij de teen en de gewenste kruinhoogte. Beide gewenste maten zijn gerelateerd aan de significante golfhoogte zodat voor de totale wandhoogte geldt:

= 2.0 Ht * 1.5 Ht = 3.5 Ht (4.1)

Hieruit volgt dat de wand optimaal wordt gebruikt bij een significante golfhoogte van 1.0

m. ~'/, ~ " • • ' < , • •-' -.- •.: •• • -•

Het is in principe mogelijk met behulp van opzetstukken de vorm van de kruin te veranderen in de loop van bet onderzoek. Deze mogelijkheid is nog onvoldoende onderzocht om in dit concept-verslag te kunnen worden opgenomen.

Golfhoogte

In het voorgaande is gebleken dat de significante golfhoogte maximaal gelijk aan 1.0 m gekozen kan worden. Bij hogere waarden is de relatie met de kruinhoogte en de waterdiepte minder geschikt (lagere waarden van de golfhoogte kunnen eventueel worden gebruikt om grotere relatieve kruinhoogtes te onderzoeken). Voor het ontwerp van de modelopstelling wordt uitgegaan van een vaste waarde van de significante golfhoogte van 1.0 m. Voor het bestuderen van verschillende golfsteilheden wordt alleen de golfperiode gevarieerd.

Krachten op de verticale wand

Op basis van de rekenmethode, voorgesteld in (Goda, 1985) worden de volgende waarden voor de kracht op de wand gevonden:

K

=

*• -cotar, =

1.5

2.0

10

m

m

Voor de hydrostatisch kracht geldt dan: F, = 19.6 (kN/m')

Invloed van wind op golfoverelag H 1636 september 1992

Voor de dynamische kracht (aan te nemen als quasi-statisch) geldt dan:

H

a

= 1.0 m

T

p

(s)

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

F

4

(kN/m')

34.6

39.6

44.3

48.0

50.8

Tabel 4.1 De dynamische kracht van golven tegen een verticale wand

De totale kracht is dus maximaal ongeveer 70 kN/m'. De wand is ontworpen op

hydrostati-sche kracht over de gehele hoogte (60 kN/m'). Als de hydrostatihydrostati-sche kracht aan de

achterzij-de van het schot wordt opgeheven door daar een gelijke waterstand in te stellen, dan is achterzij-de

maximale kracht ongeveer 51 kN/m'. In dat geval is het schot voldoende sterk. Het is echter

niet bekend in hoeverre de locale zeer kortdurende golfklappen een probleem vormen.

Krachten op de overkapping en de zijwanden

• Krachten door opspuitend water

De gekozen waterstand in de goot is 2.5 m onder de gootrand. De hoogte van de

bovenzijde van de windtunnel ligt dan op 7.5 m boven SWL. Omdat de grootste

opspuithoogte globaal 7 golfhoogtes boven SWL ligt, moet bij een significante

golmoogte van l.Om rekening gehouden worden met het optreden van een opwaartse

kracht op de bovenzijde van de windtunnel. De grootte van deze kracht is echter

moeilijk te schatten omdat de waterstraal bij het tunneldak in omvang en snelheid

onbekend is en bovendien gedispergeerd zal zijn tot druppels.

• Krachten door wind

• , Omdat de windmachines blazend zijn opgesteld, is in de windtunnel sprake van een

'- overdruk. Deze overdruk kan alleen grote waarden aannemen op tijdstippen dat de

windtunnel gedeeltelijk wordt afgesloten door opspuitend water. De te verwachten

maximale luchtdruk is niet nauwkeurig uitgewerkt maar geschat op ongeveer 500

N/m

2

. Hierover is overleg geweest met de beoogde bouwer van de windtunnel.

invioea van wina op QOIlovoreiaQ H 1635 6eptomber 1992

Debietmeting

Op basis van berekeningen volgens (Goda, 1985) worden de volgende overslagdebieten (zonder wind) verwacht:

HM = 1.0 m Tp (s)

4.2

6.2

7.2

q O/s/m') 4 11 19

Tabel 4.2 Overslagdebiet bij een verticale wand (zonder wind).

De verwachte invloed van de wind wordt globaal geschat op een verdubbeling van deze overslaghoeveelheid. In het bijzonder voor de lange golfperiodes van 7 è 8 s is de overslag-hoeveelheid groot.

Een mogelijkheid voor de opstelling van de debietmeting is gegeven in Figuur 11. De overslagmeting bestrijkt de eerste 20 m achter de verticale wand en bestaat uit twee delen: 1. In een grote opvangbak wordt de totale overslaghoeveelheid in de eerste 20 meter achter de wand gemeten. Het is het eenvoudigst de beginwaterstand en de eindwater-stand te meten en daaruit het debiet af te leiden. Het is echter ook mogelijk deze methode te combineren met het terugpompen van een constant debiet tijdens de proef. De oppervlakte van de opvangbuffer kan dan beperkt worden en de meting kan daardoor wellicht nauwkeuriger zijn. Hierover moet echter nog overleg plaats-vinden. De beschikbare pompcapaciteit moet voor deze opstelling ongeveer 200 l/s zijn.

2. Met behulp van een meetbalk wordt de verdeling van de overslag over de afstand achter de kruin gemeten. De meetbalk is ongeveer 20 cm breed, verdeeld in secties van ongeveer 2.S m lang. Iedere sectie wordt voorzien van een kleine pomp die het opgevangen water door een slang naar een opvangbak buiten de goot pompt. In deze opvangbakken wordt het totale overslagvolume voor iedere sectie afzonderlijk bepaald. Het detail-ontwerp van de meetbalk en de opvangbakken moet nog worden uitgewerkt.

Invloed van wind op Boltoverslag H 1636 . september 1992

4.4 Instrumentatie en data-acquisitie

Golfkarakteristieken

Tijdens de proeven met golven wordt op twee plaatsen de golfhoogte gemeten, zodat de inkomende en de gereflecteerde golven van elkaar gescheiden kunnen worden.

Windsnelheid

De windsnelheid zal op ongeveer drie verschillende hoogtes aan het einde van de windtunnel gemeten worden. Tijdens proeven zonder golven zal de windsnelheid boven de verticale wand gemeten worden.

Golfoverslag

Van iedere proef wordt het gemiddelde overslagdebiet gemeten. Bij de proeven met onregel-matige golven zal het niet mogelijk zijn de overslaghoeveelheid per golfte meten. Uit visuele waarnemingen en video-opnamen zal de fractie cq worden afgeleid.

4.5 Proevenprogramma

Het proevenprogramma zal uit drie onderdelen bestaan: a. Windsnelheidsmetingen zonder golven

b. Regelmatige golven bij een rechte kruin (met eventueel een variant op deze kruin-vorm)

c. Onregelmatige golven bij een rechte kruin Deze onderdelen worden hieronder nader uitgewerkt:

a. Windsnelheidsmetingen zonder golven

Dit onderdeel zal bestaan uit twee proeven van ongeveer 10 minuten. De windmachi-nes zullen respectievelijk op halve en volle kracht draaien.

b. Regelmatige golven

Deze proevenserie bestaat uit (eventueel twee maal) negen proeven van ongeveer 10 minuten met:

• 1 waterstand • 3 golfsteilheden

• 3 windsnelheden (geen, halve en volle kracht) • 1 of 2 kruinvormen

Invloed van wind op goltovervlag H 1635 september 1992

c. Onregelmatige golven

Deze proevenserie bestaat uit negen proeven, echter nu met een lengte van ongeveer 1 uur per proef met:

• 1 waterstand • 3 golfsteilheden

• 3 windsnelheden (geen, halve en volle kracht) • 1 kruinvorm

Geschat wordt dat het volledige proevenprogramma in vijf dagen voltooid kan zijn. Hierbij is echter geen rekening gehouden met de benodigde tijd voor de eventuele verbouwing van de kruinvorm.

4.6 Kosten

Een schatting van de kosten van het onderzoek in de Deltagoot (volgens het prijspeil van 1992) is in onderstaande tabel gegeven.

Kostenpost Bouw grondwerk proj ectingenieur assistent assistent assistent goothuur (gereduceerd) materiaal

Bouw verticale wand

proj ectingenieur assistent assistent assistent goothuur (gereduceerd) materiaal Bouw debietopvang proj ectingenieur assistent assistent assistent goothuur (gereduceerd) materiaal md 2.0 2.0 2.0 21.0 7,0 7.0 1.0 2.0 4.0 15.0 3.0 3.0 4.0 3.0 2.0 25.0 2.0 2.0 Cat

D

C

B

A

D

C

B

A

D

C

B

A Tarief 1.295 1.020 0.760 0.545 1.850 1.850 1.295 1.020 0.760 0.545 1.850 1.850. 1.295 1.020 0.760 0.545 1.850 1.850 Kosten 2.590 2.040 1.520 11.445 12.950 7.000 1.295 2.040 3.040 8.175 5.550 10.000 5.180 3.060 1.520 13.625 3.700 15.000 Sub-totaal 37.545 30.100 42.085 waterloopkundig laboratorium | wi 25

Invloed van wind op golfovenslag H 1635 september 1992

Kostenpost

Bouw brug vindmachines

proj ectingenieur assistent assistent assistent goothuur (gereduceerd) materiaal Aanbrengen instrumenten proj ectingenieur assistent assistent assistent goothuur (gereduceerd) materiaal

Bouw vindtunnel (Mabeca) Huur vindmachines (TNO) Huur pompen Uitvoering proeven projectingenieur assistent assistent assistent goothuur Video en foto's proj ectingenieur fotograaf materiaal Afbreken model assistent goothuur (gereduceerd) Meetverslag proj ectingenieur typ e"/tekenkamer reproductie materiaal Management en overleg proj ectingenieur sectorbureau TOTAAL (excl. BTW) md 1.0 2.0 1.0 5.0 1.0 1.0 2.0 2.0 1.0 3.0 1.0 1.0 5.0 2.5 5.0 15.0 5.0 2.0 10.0 10.0 15.0 5.0 7.0 4.0

0.5

0.5

5.0

2.0

Cat

D

C

B

A

D

C

B

A

D

C

B

A

D

C

A

D

A

A

D

A

Tarief 1.295 1.020 0.760 0.545 1.850 1.850 1.295 1.020 0.760 0.545 1.850 1.850 1.295 1.020 0.760 0.545 3.700 1.295 1.020 1.020 0.545 1.850 1.295 0.545 0.545 0.545 1.295 0.545 Kosten 1.295 2.040 0.760 2.725 1.850 4.000 2.590 2.040 0.760 1.635 1.850 2.000 55.000 80.000 20.000 6.475 2.550 3.800 8.175 18.500 2.590 10.200 1.000 8.175 9.250 9.065 2.180 0.273 0.500 6.475 1.090 378.573 SubTtotaal 12.670 10.875 55.000 80.000 20.000 39.500 13.790 17.425 12.018 7.565 378.573 waterloopkundig laboratorium | WL 26

Invloed van wind op golfoverslag H 1635 . . september 1892

5 Samenvatting en conclusies

In opdracht van de Dienst Weg- en Waterbouwkunde van Rijkswaterstaat heeft WL (Water-loopkundig Laboratorium) een voorbereidende bureaustudie uitgevoerd naar de invloed van wind op golfoverslag.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen verschillende deelprocessen die bij overslag van belang zijn en waarop de wind van invloed kan zijn. Deze deelprocessen zijn als volgt te karakterise-ren:

A De golven vóór de constructie

• het vervormen (o.a. groeien) van de golven op diep water, • het breken van golven op ondiep water.

B De waterbeweging tegen de constructie op en over de constructie heen: • het oplopen van de watertong op het talud,

• transport van spatwater over de kruin van het talud,

• transport van tegen de verticale constructie opspuitend water over de wand heen. C De waterstand ter plaatse van de constructie (opwaaiing)

Bij punt B wordt onderscheid gemaakt tussen overslag bij taluds en overslag bij verticale constructies. De invloed van wind op de verschillende deelprocessen is kwalitatief en -voor zover mogelijk- kwantitatief bepaald. Hierbij is gebruik gemaakt van bestaande literatuur en enkele sterk geschematiseerde berekeningen.

Bij taluds is referentie (TAW, 1972) de belangrijkste informatiebron in de literatuur. De hierin gepresenteerde schatting van de invloed van de wind is verder uitgewerkt.

Bij verticale constructies vormen de referenties (Goda, 1985) en (Iwagaki e.a., 1966) de belangrijkste bron van informatie. Vooral de meetgegevens die in (Iwagaki e.a., 1966) gepresenteerd worden zijn uitvoerig bestudeerd. Het betreft hier meetgegevens van een uitgebreid modelonderzoek op kleine schaal met regelmatige golven.

Op basis van de kwalitatieve en kwantitatieve schatting van de invloed van de wind op de golfoverslag is een opzet gemaakt voor het vervolg van het onderzoek. Als belangrijk onderdeel van dit vervolgonderzoek is een opzet voor onderzoek in de Deltagoot vergaand uitgewerkt.

Conclusies

1. De invloed van de wind is onder te verdelen in invloeden op verschillende deelpro-cessen. De aard (toe- of afname van overslag) en de mate van de afzonderlijke invloeden zijn afhankelijk van de randvoorwaarden. De totale invloed is daardoor op een gecompliceerde wijze afhankelijk van de randvoorwaarden.

Invloed van wind op goltovertlag H 1636 september 1992

2. Afgezien van golfgroei op dieper water en opwaaiing is de invloed van de wind op golfoverslag bij een talud voor de praktijk verwaarloosbaar.

3. De invloed van wind op de overslag bij verticale constructies is voornamelijk toe te schrijven aan de invloed van wind op:

a. het breken van de golven (met name de locatie van breken)

b. het transport van langs de constructie opspuitend water over de kruin heen 4. In referentie (Douglass, 1989) wordt gesteld dat golven door aanlandige wind

geneigd zijn iets eerder te breken dan zonder wind. Een dergelijke invloed is ook in de meetgegevens van (Iwagaki e.a., 1966) te herkennen. Uit de overslaghoe-veelheden valt af te leiden dat de golven bij zeer sterke aanlandige wind breken op een waterdiepte die ongeveer 10% groter is dan in een situatie zonder wind. 5. Uit de meetgegevens van (Iwagaki e.a., 1966) blijkt dat slechts weinig wind

voldoen-de is om al het boven voldoen-de kruin opspuitenvoldoen-de water over voldoen-de kruin te transporteren. De verdeling van de overslag over de afstand achter de verticale wand wordt in de genoemde referentie niet gepresenteerd, hoewel uit de meetopstelling blijkt dat deze verdeling wel gemeten is.

6. Nader onderzoek is vooral gewenst naar de in punt 3 vermelde windinvloeden. In verband met schaaleffecten is het noodzakelijk om met betrekking tot punt 3b gegevens op prototype-schaal te verkrijgen. Door middel van een onderzoek in de Deltagoot van WL locatie "de Voorst" zijn dergelijke gegevens te verkrijgen tot een windkracht van ongeveer 8 Bft. Met behulp van modelonderzoek op kleinere schaal is vervolgens een breder inzicht in de invloed van wind op golfoverslag te ontwikke-len, hetgeen uitgewerkt kan worden in een conceptueel rekenmodel.

7. Bij het vervolgonderzoek kan worden samengewerkt met Hydraulics Research in Wallingford en de Universiteit van Milaan.

Invloed van wind op goltoveralag H 1636 september 1992

Referenties

MJ. Cooker, D.H. Peregrine, 1990. Violent water motion at breaking-wave impact, ICCE proceedings, 1990, pp. 164-176.

Y. Goda, 198S. Random seas and design of maritime stnictures. University of Tokyo Press.

J.W. van der Meer, J.P. de Waal, 1992. Waterbeweging op taluds, invloed van berm, ruwheid en ondiep voorland. Waterloopkundig Laboratorium, verslag modelonderzoek, tweede concept.

Y. Iwagaki, Y. Tsuchica, M. Inoue, 1966. On the effect of wind on wave oveitopping on vertical seawalls. Buil. Disas. Prev. Res. Inst. Kyoto Univ., Vol. 16, Part 1, No 105, pp. 11-30.

S.L. Douglass, 1989. The influence of wind on nearshore breaking waves. Drexel University. TAW, 1989. Leidraad voor het ontwerpen van rivierdijken, deel 2 - benedenrivierengebied. TAW, 1972. Wave run-up and overtopping.

Invloed van wind op goUovenjIag H 1635 september 1992 Windkracht (Bft) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Windsnelheid u^„ (m/s) 0.0 - 0.2 0.3 - 1.5 1.6 - 3.3 3.4 - 5.4 5.5 - 7.9 8.0 - 10.7 10.8 - 13.8 13.9 - 17.1 17.2 - 20.7 20.8 - 24.4 24.5 - 28.4 28.5 - 32.6 > 32.6 KNMI'benaming Stil Stil Stil Zwak Matig Vrij krachtig Krachtig Bard Storm-achtig Storm Zware storm Zeer zware storm Orkaan

Beschrijving van de zichtbare uitwerking van de wind op het zeeoppervlak (de zoge-naamde Petersenscbaal)

Spiegelgladde zee

Golfjes, welke de zee een geschubd aanzien geven; schuimvorming heeft niet plaats Kleine, nog korte golven, maar beter ge-vormd; de toppen hebben een glasachtig aan-zien en breken niet

Kleine golven; de toppen beginnen te breken en het hierdoor gevormde schuim heeft een overwegend glasachtig aanzien, terwijl hier en daar op zichzelf staande witte sehuin-koppen kunnen voorkomen

Kleine, langer wordende golven; de witte schuimkoppen beginnen vrij veel voor te komen

Matige golven, van aanmerkelijk grotere lengte; overal zijn witte schuimkoppen te zien en hier en daar komt opwaaiend schuim voor

Grotere golven beginnen zich te vormen; de brekende koppen doen overal grote witte schuimplakken ontstaan en opwaaiend schuim komt vrij veelvuldig voor

De golven worden hoger en het witte schuim begint zich als strepen in de richting van de wind te ontwikkelen

Matige hoge golven, met aanmerkelijke kam-lengte; de toppen der golven waaien af en vormen goed ontwikkelde schuimstrepen in de richting van de wind

Hoge golven; zware strepen schuim in de richting van de wind; de karakteristieke rollers beginnen zich te vormen; het zicht kan door verwaaid schuim worden beïnvloed Zeer hoge golven met lange overstortende golfkammen; grote oppervlakken schuim wor-den door de wind in zulke zware witte stre-pen verspreid, dat de zee een wit aanzien krijgt; zware overslaande rollers; het

zicht is door verwaaid schuim verminderd Buitengewoon hoge golven (kleine en middel-matig grote schepen verliezen elkaar in de golfdalen tijdelijk uit het zicht); de zee is geheel bedekt met lange in de windrich-ting lopende schuimstrepen; de randen der golfkasmen verwaaien overal; het zicht is sterk verminderd

De lucht is met schuim en verwaaid zeewater gevuld; de zee is volkomen wit door schuim; zicht op enige afstand bestaat niet meer

Tabel 1 Relatie tussen windkracht en windsnelheid