Bodembescherming rond brugpijlers

(1)

(2)

Voorwoord

Voor u ligt het afstudeeronderzoek 'Bodembescherming rond brugpijlers'. Dit onderzoek is

geschreven om meer inzicht te krijgen in ontgrondingen rond brugpijlers als gevolg van de stroming en de bescherming hiervan. Vanwege de nieuwe contractvormen is de opdrachtnemer

verantwoordelijk voor het ontwerp en daarom is het handig om hier als aannemer meer inzicht in te krijgen. Dit afstudeeronderzoek is geschreven in het kader van mijn afstuderen aan de opleiding Civiele Techniek aan de Hogeschool van Amsterdam. Vanaf januari tot juni 2015 ben ik bezig geweest met het schrijven van dit onderzoek.

Dit onderzoek is geschreven in opdracht van mijn afstudeerbedrijf Ploegam BV te Vinkel. Samen met mijn bedrijfsbegeleider Rody Kusters heb ik mijn onderzoeksvraag opgesteld en de daarbij behorende deelvragen. Het was niet het meest gemakkelijke onderzoek aangezien er weinig bronnen zijn en het een complexe materie is. Er blijven onderwerpen waarbij verder onderzoek nog is gewenst, maar uiteindelijk heb ik mijn hoofdvraag kunnen beantwoorden.

Ik wil graag Ploegam BV bedanken voor de kans om te kunnen afstuderen en in het bijzonder mijn bedrijfsbegeleider Rody Kusters en de rest van de werkvoorbereiding. Zij stonden altijd klaar om te helpen waar nodig. Ook wil ik Leo Voorberg (HvA), Gijs Hoffmans (Deltares), Daan Heineke

(Rijkswaterstaat) en Clara Spoorenberg (Fugro) bedanken voor hun inzet. Voor inhoudelijke vragen kon ik altijd bij hen terecht.

Ik wens u veel leesplezier toe.

Jos Straathof

Waverveen,2juni2015

Afstudeeronderzoek bodembescherming rond brugpijlers

(3)

Samenvatting

In dit rapport staat het onderzoek naar de ontgrondingen rondom brugpijlers. Op het project 'Ruimte voor de Waal' bij Nijmegen wordt er een nevengeul gegraven naast de bestaande Waal. Deze

nevengeul moet de bestaande Waal ontlasten bij piekafvoeren en zorgt voor een waterstanddaling van ongeveer 35 centimeter. Tussen de Waal en de nevengeul komt een eiland waar straks mogelijk woningen op worden gebouwd, er zijn ook plannen om hier een stadspark te realiseren. Om dit eiland te bereiken worden er twee nieuwe bruggen gebouwd. Ook de pijlers van de Spoorbrug worden verstevigd en de Waalbrug moet in zijn geheel worden verlengd over de nevengeul. Deze vier bruggen worden gefundeerd op brugpijlers, sommige van deze brugpijlers komen in de nevengeul te staan. Hierdoor moet er gekeken worden of de bodem rond deze pijlers beschermd moeten worden tegen erosie. De aannemerscombinatie i-Lent is hier verantwoordelijk voor

aangezien het een geïntegreerd contract is. Voor de ontwerper bleek dit een complexe materie. Er is onderzoek gedaan aan de hand van de bestaande literatuur naar de ontgrondingen rondom

brugpijlers en de bescherming hiervan. De erosie rondom een brugpijler kan ontstaan door de turbulentie die de brugpijler opwekt omdat de stroming wordt verstoord. De handleiding op dit gebied is de Scour Manual (1997), er is ook gekeken naar buitenlandse onderzoeken en

handleidingen. De Scour Manual geeft weer hoe een ontgrondingskuil berekend kan worden en eventueel beschermd. Vooral de informatie voor de bescherming van de ontgrondingskuil is beperkt en niet duidelijk. Veel methodes zijn gebaseerd op ronde brugpijlers, terwijl de pijlers in Lent andere vormen hebben. Ontgrondingskuilen kunnen hun evenwichtsdiepte bereiken in een tijdsbestek van uren of dagen. Hierbij is de dieptegemiddelde snelheid belangrijk, hierbij is het vooral belangrijk of deze snelheid groter is dan de kritische snelheid. Voor de diepte van de ontgrondingskuil maakt het niet uit hoeveel deze snelheid groter is dan de kritieke snelheid, als deze maar groter is. Voor de berekening van de ontgrondingskuil wordt de methode van Breusers et al. (1977) aanbevolen. Belangrijke invloedsfactoren op de mate van ontgronding zijn de vorm van de pijler, de hoek van inval van de stroming, de bodemgradatie, of er meerdere pijlers bij elkaar staan en de breedte van de pijler. Een funderingspoer die breder is dan de pijler kan voor extra turbulentie zorgen. Als deze !u~ :Licl:l~ de bo~ bevindt, kan d

eze funderin

g

ZQ!gen voor ~ reductie. De mate van

rëductie is nog niet opgenomen in een gevalideerde handleiding. Er kan wel gezegd worden dat een fundering kan worden ingepast in de bodembescherming, waardoor een kleinere

bodembescherming nodig is. De meeste onderzoeken bepalen het te beschermen oppervlak voor brugpijlers vanuit de pijlerbreedte. De beschermingsbreedte vanuit de pijler varieert bij de bestaande onderzoeken van één tot vijf keer de pijlerbreedte. Hierbij wordt onder andere de vorm van de pijler en de hoek van inval van de stroming niet meegenomen. Hierdoor is het betrouwbaarder om-vanuit de ontgrondingskuil de beschermingsbreedte te bepalen, dan worden deze factoren wel

meegenomen. Met behulp van de wrijvingshoek van het bodemmateriaal kan het talud worden bepaald en van hieruit wordt dan de beschermingsbreedte b~aald. Stortsteen is een goed

l>eschermïngsmlddel, om een goeae aansluiting te verKrijgen met de brugpijler moet er wel colloïdaal beton worden toegepast. Er zijn plannen om de Scour Manual te herschrijven, vooral omdat deze is verouderd en er nieuwe onderzoeken zijn uitgevoerd. Het zou goed zijn als deze handleiding ook kijkt naar de omgang van de fundering en de inpassing van veiligheid. Over de veiligheid is nog weinig bekend, een mate van veiligheid bij de bepaling van de ontgrondingskuil zou niet misstaan omdat de te verwachten ontgrondingskuil bepalend is of de brugpijler is bestand tegen deze ontgronding. Is een brugpijler niet bestand tegen de ontgronding, dan moet er worden gekozen voor een

bodembescherming.

2 Afstudeeronderzoek bodembescherming rond brugpijlers

(4)

Inhoud

Lijst met tabellen en figuren ... 4

1. Inleiding ... 6

2. Probleemstelling ... 7

4. Programma van eisen ... 13

4.1 Eisen/ uitgangspunten uit het contract ... 13

4.2 Hydraulische randvoorwaarden ... 13

5. Erosie rondom brugpijlers ... 15

5.1 Het ontstaan van ontgrondingen ... 15

5.2 De gevolgen van ontgronding ... 17

6. Het bepalen van de ontgrondingen ... 19

6.1 Invloeden van ontgronding bij brugpijlers ... 19

6.2 Berekening van ontgronding ... 32

6.3 Berekening snelheid ... 40

6.4 Conclusie ... 42

7. Bodembescherming rond brugpijlers ... 43

7.1 Wel of geen bodembescherming ... 43

7.2 Oppervlak bodembescherming ... 45

7.3 Bodembescherming ... 51

7.4 Overgangsconstructies ... 55

8. Ontwerp bodembescherming rond brugpijlers ... 58

8.1 Snelheden bij de brugpijlers ... 61

8.2 Ontgrondingskuil ... 62

8.3 Gradering stortsteen ... 63

8.4 Afmetingen bodembescherming ... 63

8.5 Verschil met huidig ontwerp ... 65

9. Aanbevelingen ... 67

9.1 Veiligheid ... 67

9.2 Advies ... 72

9.3 Herschrijven Scour Manual ... 74

10. Deelvragen ... 76

11. Conclusie ... 79

12 Bibliografie ... 81

3

(5)

Lijst met tabellen en figuren

Figuren:

Figuur 1, overzicht locaties van bruggen ... 7

Figuur 2, weergave van pijlers van Verlengde Waalbrug ... 8

Figuur 3, pijlers van Promenadebrug ... 8

Figuur 4, pijlers van Citadelbrug ... 9

Figuur 5, verbrede pijler van spoorbrug ... 9

Figuur 6, methodes van Hjorth en Bonasoundas (scour manual) ... 10

Figuur 7, huidig plan bodembescherming van pijler ... 11

Figuur 8, snelheidsverloop van de orbitaalsnelheid van golven. V.l.n.r. ondiepwatergolf, overgang, diepwatergolf ... 15

Figuur 9, stroombanen om een cirkelvormige pijler ... 16

Figuur 10, de beweging van waterdeeltjes langs een cirkelvormige brugpijler ... 17

Figuur 11, ontgronding bij een brug in New Zeeland ... 18

Figuur 12, stroombanen om een cirkelvormige pijler ... 20

Figuur 13, stroombanen om een vierkante pijler ... 20

Figuur 14, ontgronding bij een vierkante pijler stroomopwaarts gezien ... 21

Figuur 15, zij- en bovenaanzicht van ontgrondingskuîl ... 21

Figuur 16, invloed van de vorm van de pijler (Dietz, 1972) ... 22

Figuur 17, deflector ... 24

Figuur 18, Chabert en Engeldinger ... 24

Figuur 19, voorbeeld van proefopstelling ... 25

Figuur 20, optimum breedte t.o.v. diameter ... 25

Figuur 21, situatie met en zonder fundering ... 27

Figuur 22, ontgrondingskuîl t.o.v. bodemgradatie/uniformiteit (Ette ma 1976) ... 28

Figuur 23, snelheid van ontgronding (Scour Manual 1997) ... 29

Figuur 24, ontgrondingsproces tegen de tijd (Zanke 1978) ... 29

Figuur 25, invloed van de hoek van inval ... 30

Figuur 26, invloed van groepen pijlers ... 31

Figuur 27, vergelijking van ontgrondingsformules ... 33

Figuur 28, bepaling Kg-factor (Ettema 1976) ... 35

Figuur 29, bepalen Kgr-factor (Breusers en Raudkivi 1991) ... 36

Figuur 30, bepalen Kw-factor (Laursen en Toch 1956) ... 36

Figuur 31, bepaling Ks factor (Dietz, Neil, Laursen en Toch) ... 37

Figuur 32, bepalen Kb factor (Breusers) ... 38

Figuur 33, WAQUA-model voor de Waal ... 40

Figuur 34, Shields-diagram ... 41

Figuur 35, geen bodembescherming, gedeeltelijke bodembescherming ... 44

Figuur 36, grootte van ontgrondingskuil ... 45

Figuur 37, samenvatting bestaande onderzoeken ... 46

Figuur 38, bodembescherming bij "slanke" pijlers en bij "brede" pijlers ... 47

Figuur 39, breedte ontgrondingskuil volgens Richardson en Abed ... 49

Figuur 40, verschillende bodembeschermingen, Rock Manual ... 51

Figuur 41, bepaling hoek van inwendige wrijving ... 53

(6)

Figuur 42, plaats van aanbrengen bodembescherming ... 54

Figuur 43, aanleg rand van bodembescherming ... 56

Figuur 44, colloïdaal beton tussen damwand en de poer ... 57

Figuur 45, Verlengde Waalbrug ... 58

Figuur 46, Citadel brug ... 59

Figuur 47, Promenadebrug ... 59

Figuur 48, pijlers van de Spoorburg ... 60

Figuur 49, bescherming verlengde Waalbrug ... 65

Figuur 50, Gaussische benadering ... 69

Figuur 51, bodembescherming volgens Bonasoundas bij "slanke pijler" en "brede" pijlers ... 72

Tabellen: Tabel 1, dieptegemiddelde stroomsnelheden bij de bruggen ... 61

Tabel 2, kritieke stroomsnelheid in de nevengeul ... 61

Tabel 3, ontgrondingskuilen bij de pijlers ... 62

Tabel 4, graderingen stortsteen ... 63

Tabel 5, veiligheidsfactor volgens Johnson ... 67

Tabel 6, veiligheidsfactor volgens bovengrensbenadering ... 68

Tabel 7, veiligheidsfactor volgens Gauss kromme ... 69

(7)

1. Inleiding

Het ruimte voor de rivier project in Lent, tegen Nijmegen, is een van de grootste waterbouwkundige projecten in Nederland op dit moment. De plannen voor een nevengeul voor de Waal bestaan al langer, maar in eerste instantie was de gemeente Nijmegen niet welwillend. Uiteindelijk is er in combinatie met de gemeente Nijmegen en Rijkswaterstaat een plan gemaakt. Hierbij wordt er een Nevengeul gegraven waarbij er een eiland ontstaat om een combinatie te maken tussen het water en de omgeving. Om dit haalbaar te maken moeten er nieuwe bruggen worden gebouwd en moeten de bestaande bruggen worden verlengd. Verdere activiteiten zijn het aanleggen van 1500 meter kade, 700 meter nieuwe dijk en een drempelconstructie voor de toevoer bij normale waterstanden.

Ploegam BV vormt samen met Dura Vermeer de combinatie i-Lent. Ploegam BV is verantwoordelijk voor het grondverzet en de steenbestorting en Dura Vermeer is verantwoordelijk voor de betonbouw en het asfalt. Aangezien het een design en construct is op basis van UAV-GC, is de

aannemerscombinatie ook verantwoordelijk voor het ontwerp met de bijbehorende berekeningen om aan te tonen dat het ontwerp voldoet. Dit doen zij aan de hand van de richtlijnen en

uitgangspunten van het contract.

Bij het ontwerp zijn er problemen met het ontwerpen van de bodembescherming rondom de verschillende pijlers die straks in de nevengeul komen te staan. Er is al een ontwerp

gedimensioneerd, maar de opdrachtgever vindt dat er aanpassingen nodig zijn. De methode die gebruikt is mag nog wel toegepast worden, maar de opdrachtgever en andere deskundigen vinden de methode niet meer geschikt. Hierdoor is er een discussie ontstaan over de betrouwbaarheid van het ontwerp. Om voor dit project, maar ook in de toekomst meer inzicht te krijgen hoe een

ontgrondingskuil kan worden berekend en hoe deze eventueel beschermd moet worden, is er een onderzoek gewenst. Hierbij ligt de focus op het dimensioneren van een eventuele

bodembescherming rondom de brugpijlers. Er is vooral gekeken naar de bestaande handleidingen op dit gebied, buiten deze handleidingen zijn er ook nieuwe onderzoeken toegevoegd.

Dit rapport is opgebouwd uit een hoofddeel en met bijbehorende bijlagen. In het eerste deel zal beschreven worden hoe er om gegaan dient te worden met de ontgrondingen rondom brugpijlers. Mocht een bodembescherming nodig zijn, dan wordt er een stappenplan gegeven om een

betrouwbare en gevalideerde bodembescherming te ontwerpen. In het tweede deel wordt dit stappenplan toegepast op de situatie in Lent waar het ontwerp van de bodembescherming rondom de vier brugpijlers wordt gedimensioneerd. Tot slot worden er aanbevelingen gegeven op dit gebied en wordt er gekeken waar er verder onderzoek nodig is.

Om figuren en formules goed te begrijpen is er in bijlage 1 een symbolen lijst toegevoegd. Deze symbolen hebben betrekking op de formules en tabellen die zijn gebruikt in dit rapport

(8)

2. Probleemstelling

De nieuwe bruggen die worden gerealiseerd zijn de Verlengde Waal brug, de Citadelbrug, de

Promenadebrug en de Spoorbrug. Bij de Spoorbrug zit alleen de bodembescherming binnen de scope van het project, de rest van het werk aan de pijlers is in een eerder stadium uitgevoerd. De

brugpijlers van de bruggen komen in het water te staan. Bij sterke stroming kan er erosie ontstaan langs de pijlers doordat er verandering ontstaat in het stromingsprofiel. Dit hangt af van de hoek van inval, de stroomprofielen en de stroomsnelheid. Als de ontgrondingskuil groter is dan de constructie aankan, is er een bescherming vereist die deze erosie moet tegengaan.

Deze bescherming moet gelden voor een bepaald oppervlak, maar dit oppervlak is lastig te bepalen. Er besra'an\rer~ e methodieken om de oppervlakte te bepalen, maar di~ gelden vaak voor een ronde pijler waardoor het lastig is om de juiste keuzes te maken. In dit ontwerp zitten veel

verschillende soorten pijlers, ze verschillen van vorm, maar ook van afmetingen. In figuur 1 is een overzicht weergeven van de bruggen waar dit onderzoek zich op richt.

Figuur 1, overzicht locaties van bruggen

Hierna volgen foto's van de pijlers waarbij de vorm is te zien. Ook wordt gezegd hoe de fundering zich verhoudt ten opzichte van de bodem. Dit is van belang aangezien er bij de meeste formules vanuit wordt gegaan dat de poer een aantal meter onder de bodem staat. Het is gunstiger als de fundering niet boven het bodemniveau uit komt aangezien de bodem dan al voor een deel beschermd is.

(9)

De verlengde Waalbrug

De verlengde Waal brug is nog in aanbouw, in figuur 2 is deze pijler te zien. De damwand die nog om de pijler heen zit wordt afgebrand op bodemniveau. De vorm van de pijler onder water is ellips vormig.

Figuur 2, weergave van pijlers van Verlengde Waalbrug

De Promenadebrug

Deze brug is bestemd voor al het verkeer en vormt de aanrijroute voor Eiland Veur-Lent. De pijlers zijn gefundeerd op één poer, de bovenkant van deze poer ligt gelijk met de bodem. Deze pijlers staan achter elkaar, dit is in figuur 3 te zien.

Figuur 3, pijlers van Promenadebrug

(10)

De Citadelbrug

Deze brug is bestemd voor voetgangers en fietsers, bestaand uit ellipsvormige pijlers. De bovenkant van de fundering onder de pijler ligt gelijk met de bodem. De pijler is te zien in figuur 3.

Figuur 4, pijlers van Citadel brug

De spoorbrug

Bij de spoorbrug zijn de bestaande pijlers versterkt aangezien het maaiveld is verlaagd. Dit is gedaan door een diepwand om de bestaande pijler te maken om hierna de constructie te verstevigen. Het bovenste deel is mooi afgerond voor het aanzicht, maar onderin is hij hoekig en niet afgerond. Dit is te zien in figuur 5.

Figuur 5, verbrede pijler van spoorbrug

(11)

De pijlers hebben verschillende afmetingen en daarom moeten ze apart benaderd worden. De brugpijlers in de huidige methodieken zijn vaak benaderd als ronde pijler waarbij de fundering onder de bodem zit en dus geen invloed heeft op de mate van uitspoeling rondom de pijler. De stroming wordt verstoord door de pijler, de mate waarop dit gebeurd hangt onder andere af van de hoek van inval en de stroomsnelheid. De snelheid moet bekend zijn ter plaatse van de bodem en deze is op dit project benaderd met WAQUA, dit is een computerprogramma die de snelheid in een rivier

gedetailleerd modelleert. Aan de hand van onder andere deze stroomsnelheden en de

stromingshoek kan er worden bepaald wat de ontgrondingskuil wordt in de evenwichtstoestand. Als deze bekend is kan er worden geconcludeerd of er een bodembescherming nodig is. (Ontwerpnota Bodem en oeverbescherming RVDW -01101, 2014)

Eerste ontwerp

De methode van Bonasoundas en de methode van Hjorth zijn op dit project gebruikt om de oppervlaktes te bepalen. Dit zijn methodes waarbij proefondervindelijk is gekeken hoe groot de oppervlakte van de bodembescherming moet zijn rondom de pijler. In figuur 6 zijn deze methodes weergeven. Hierin is te zien dat er gebruik wordt gemaakt van een ronde pijler waarbij de diameter van de pijler wordt gebruikt om de oppervlakte te bepalen. Aangezien er sprake is van een nevengeul en de maatgevende stroming zelden voorkomt, is de methode van Hjorth gekozen om het ontwerp te maken. Deze methode geeft een kleiner beschermend oppervlak dan de methode van

Bonasoundas, dit is dus voordeliger. De cirkelvormige pijler is vertaald naar een ellipsvormige pijler, op deze manier is het beschermend oppervlak bepaald.

Gb

H;orth

/

,ea:,mmend

ed

s,o

u

r

p,

otedl<m

Figuur 6, methodes van Hjorth en Bonasoundas (scour manual)

De stroming langs ronde pijlers zal zich anders gedragen dan bij de stroming langs een rechthoekige pijler of als er twee pijlers na elkaar volgen. Ook is het lastig hoe er om moet worden gegaan met de fundering als deze gelijk met de bodem is. Enerzijds zorgt de fundering voor een bescherming van de

bodem, anderzijds kan de fundering ook extra turbulentie genereren vanwege de verbreding. In

figuur 7 is goed te zien dat het bepaalde te beschermen oppervlak voor een groot deel overlapt met de fundering. Er zal een klein puntje moeten worden afgestort en voor de rest zou de pijler voldoen.

Dit figuur is de pijler van de verlengde Waal brug en dit ontwerp is voorgelegd bij de opdrachtgever.

(12)

00

_

__

c-i

....

.,..

T""

Figuur 7, huidig plan bodembescherming van pijler

Volgens het contract is Scour Manual {1997) leidend voor ontgronding en deze moet worden

gebruikt om de erosie te analyseren. In de Scour Manual staat dat de methodes van Hjorth en

Bonasoundas voldoen. Na nieuwe inzichten blijkt dat de methode van Hjorth niet de voorkeur heeft

van Rijkswaterstaat, maar hij staat nog wel in de Scour Manual, waardoor het een lastig verhaal is

voor de opdrachtgever. Bij deze discussie is een second opinion gevraagd van Dhr. Hoffmans,

schrijver van de Scour Manual. Dit gesprek is vastgelegd in de notulen. Hieruit bleek dat hij het bovenstaande beaamd (Bespreking Advies bodem- en oeververdedigingen, 2014). Dhr. Hoffmans

voegt hieraan toe dat er twijfels bestaan over de manier van verschaling van de bodemgradatie :van

Hjorth.

De spoorbrug is een ander soort pijler, deze is niet gefundeerd op een poer. Bij deze pijler is er een

diepwand om de bestaande pijler gemaakt om ervoor te zorgen dat deze pijler geen invloed

ondervindt van de verlaging van de grond. De Bovenkant van de versteviging is rond afgewerkt, dit is

te zien in (figuur 2 en/of bijlage 2), daaronder is hij zeshoekig. Dit loopt door tot onder de nieuwe

bodem. Bij deze pijler verschilt alleen de vorm en heeft de fundering geen invloed.

Bij de spoorbrug is de hoek van inval niet parallel aan de pijlers, maar onder een hoek van 15 graden.

Op basis van Hjorth en de invalshoek van O tot 15 graden is de bodembescherming ontworpen, dit is'

te zien in figuur 8 (figuur 18 in de bijlage). Aangezien de oppervlaktes erg overiappen wordt nu,,,

aanbevolen het gehele stuk bij de spoorpijlers af te storten (figuur 9). (Spoorenberg, 2015)

Figuur 8, bepaling bescherming van spoorbrug Figuur 9, voorstel van bestorting van pijlers bij spoorbrug

/

(13)

Dit is het ontwerp zoals het er aan het begin van dit onderzoek voor staat. Door de complexiteit is het twijfelachtig dat er op korte termijn een overeenstemming is over de bodembescherming. Rijkswaterstaat vindt dat er nog veel aanpassingen moeten gebeuren om akkoord te gaan. Dit rapport is erop gericht dat er meer inzicht komt over de erosie rondom brugpijlers en de bescherming hiervan. Zodra dit helder is, wordt er gekeken hoe dit moet worden toegepast op dit

project waarna er een vergelijking wordt gemaakt met het ontwerp dat er nu ligt. Dit verslag is dus

opgebouwd uit twee delen, een literatuuronderzoek en het dimensioneren van het ontwerp. Dit is gedaan met de volgende hoofdvraag met bijbehorende deelvragen.

Hoofdvraag

Wat is de meest betrouwbare manier om de bodem rondom een willekeurige pijler te beschermen? Deelvragen

1. Welk proces treedt er op als de bodem rondom pijlers niet wordt beschermd terwijl dit wel zou moeten?

2. Wat zijn de invloedsfactoren die betrekking h~bben op de mate ontgronding? 3. Wat zijn de huidige methodes om de ontgronding rondom pijlers te bepalen? 4. Wat zijn de huidige methodieken om een brugpijler te beschermen?

5. Hoe dient het ontwerp er volgens dit rapport uit te zien?

6. Welke aspecten behoeven verdere duidelijkheid en/of nader onderzoek?

3. Doel

Het doel van deze opdracht is om meer inzicht te krijgen in de toepassing van bodembescherm

_...,

ing "

rond pijlers. In eerste instantie worden de ontgrondingen rondom pijlers in het algemeen benaderd.

~ i1'tfu.rmatie bekend over dit probleem en de eisen vanuit de opdrachtgever zijn niet

concreet. Er wordt verwezen naar de Scour Manual, maar hier staan meerdere manieren in die

verschillend kunnen worden geïnterpreteerd. Ook ontbreekt er veel informatie die wel van

toepassing is. Er wordt op de volgens dit rapport meest betrouwbare manier bekeken hoe de

oppervlakte van de bodembescherming rondom pijlers moet worden bepaald. Hiervoor worden

bepaalde stappen doorlopen waarbij er wordt aangegeven welke keuzes er zijn gemaakt. Als er

bekent is hoe er om gegaan dient te worden met de bodembescherming rondom pijlers zal dit

worden toegepast op dit Ruimte voor de Waal project. Het ontwerp zal worden vergeleken met het

huidige ontwerp en de verschillen worden verklaard. Het onderzoek bestaat uit twee delen; een diepgaand onderzoek met bijbehorend ontwerpplan en een uiteindelijk ontwerp.

12

(14)

4 .

Programma van eisen

In dit hoofdstuk worden de hydraulische randvoorwaarden en uitgangspunten benoemd. Deze randvoorwaarden en uitgangspunten zijn onderverdeeld. Er zijn bepaalde hydraulische

randvoorwaarden die gelden en de opdrachtgever heeft ook nog specifieke eisen/uitgangspunten geformuleerd voor dit project.

4.1 Eisen/

uitgangspunten uit het contract

De eisen in het contract met betrekking tot de bodembescherming rond brugpijlers staan hieronder weergeven, deze zijn leidend voor het ontwerp.

Eis-00876 De talud- en bodembescherming rond pijlers en landhoofden van de bruggen dient vormvast en erosiebestendig te zijn bij de stroomsnelheden die voorkomen tot de maatgevende afvoer van de nevengeul, zodanig dat geen uitspoeling achter landhoofden en pijlers kan

plaatsvinden. (Zie Uitgangspunten Ontwerp Bodem- en Oeverbeschermingen) (Gemeente Nijmegen, 2012)

Eis-00981 De pijlers en landhoofden van de Spoorbrug dienen beschermd te zijn tegen erosie. De talud- en bodembescherming rond pijlers en landhoofden van de bruggen dient vormvast en erosiebestendig te zijn bij de stroomsnelheden die voorkomen tot de maatgevende afvoer van de nevengeul, zodanig dat geen uitspoeling achter landhoofden en pijlers kan plaatsvinden. (Zie Uitgangspunten Ontwerp Bodem- en Oeverbeschermingen) (Gemeente Nijmegen, 2012)

De bovenstaande eisen laten zien dat er géén erosie mag ontstaan. Geen erosie is niet haalbaar in een watergang waar er continu erosie en sedimentatie optreed. De ribbelvorming die zal ontstaan op de bodem zal dan ook zorgen voor hoogteverschillen op de bodem. De aanvullende eis hierbij is dat er maximaal tien centimeter ontgronding mag ontstaan.

4.2 Hydraulische randvoorwaarden

De maatgevende afvoer is 16.000 m3/s bij Lobith, dit debiet heeft een overschrijdingskans van 1/1250 jaar. Deze afvoer is bepaald voor dit Ruimte voor de Waal project. De opdrachtnemer dient zelf de stroming te analyseren en uit te zoeken wat de maatgevende stroming is, dit hoeft namelijk niet de maatgevende afvoer te zijn.

In de onderstaande tabel zijn de waterstanden te zien in de nevengeul bij een debiet van 16.000 m3/s (W. de Jong, 2010).

Locatie Waterstand in as van de rivier Waterstand bij de oever

Km 882.5 (instroom nevengeul) NAP+ 15.22 NAP+ 15.12

Km 883.5 (Waalbrug) NAP+ 15.12 NAP+ 14.99

Km 884.5 (Spoorbrug) NAP+ 14.97 NAP+ 14.87

Km 886 (Uitstroom) NAP+ 14.82 NAP+ 14.81

(15)

De hydraulische belastingen op de rivierbodem kunnen bestaan uit golven door de wind, golven door de scheepvaart en door de stroming. Aangezien er in de nevengeul geen scheepvaart plaatsvindt en de golven een erg kleine strijklengte hebben, zullen de golven geen invloed hebben op de erosie bij de bodem. In de Nevengeul zorgt alleen de stroming voor erosie op de bodem.

Stroomsnelheden dienen zelf herleid te worden, WAQUA geeft de dieptegemiddelde snelheid weer over een vak van 20 bij 20 meter. Objecten kiêmer dan 20 611 20 metèr, zoals brugpijlers, worden niet goed gemodelleerd waardoor de berekende stroo'7iisnelheden geldig zijlÎ vo;;'; een ongestoord 1 profiel. Aangezien brugpijlers de stroming wel degelijk kunnen beïnvloeden, moet er worden

gekeken hoe de juiste snelheid ter plaatse van de pijler moet worden bepaald.

Aanvullende eisen uit de Uitgangspunten bodem en oeverbescherming: (Rijkswaterstaat, 2011)

-De minimale waarde van de mediane nominale steendiameter (Dn50-min} van de toe te passen steensortering dient 15% groter te zijn dan de berekende waarde met de maatgevende gehanteerde stabiliteitsformule (golven of stroming).

-Het schadegetal (S} dient maximaal 5 te zijn (bij extreme omstandigheden wordt geringe schade geaccepteerd}. Dit geldt niet voor de bodem-en oeverbeschermingen bij de waterkering (daar geldt S = 2).

- Als waarde voor de Shie;lds parameter dien_t

W

= 0,05 te worden genomen. Dit geldt niet voor de bodem-en oeverbeschermingen bij de waterkering (daar geldt

W

= 0,035}.

-Met de onderstaande methode moet worden bepaald of er een filterlaag nodig is: d15f / d85b < 5

d15f / d15b > 5

- Stabiliteit filterlaag, dan moet hij voldoen aan d60 / dlO < 10 -De geotextiel moet voldoen aan 090 < D50b

Leidende documenten voor het ontwerpen vanuit Rijkswaterstaat:

- The Rock Manual (CIRIA/CUR/CETMEF, 2007, inclusief de erratalijst): Bodembescherming.

-Toegepaste Vloeistofmechanica, hydraulica voor waterbouwkundigen (ir. I.W. Nortier en ir. P. de Koning, 1996)

-CUR 174, Geokunststoffen in de waterbouw (CUR, 2009); Onderdeel van zowel bodem- als oeverbescherming.

-Geosynthetics and geosystems in hydraulic and coastal engineering, (Pilarczyk, 2000), A.A. Balkema, Rotterdam

- Scour Manual (Scour, 1997), G.J.C.M. Hoffmans, H.J. Verheij, Balkema Rotterdam, 1997

(16)

5. Erosie rondom brugpijlers

In dit hoofdstuk wordt ingegaan op het proces dat zou kunnen ontstaan als er ontgrondingskuilen ontstaan als gevolg van stroming en golfaanval. Ontgrondingen zijn lastig te bepalen en daarom worden ze ook niet altijd voorspeld en/of beschermd. Dit kan grote gevolgen hebben.

5.1 Het ontstaan van ontgrondingen

Ontgrondingen kunnen ontstaan door stroming, maar ook door golfaanval. Bij golven komen de deeltjes veel sneller in beweging. Bij een snelheid van 1 m/s is het effect van de golven een factor 6 hoger dan bij stroming {Termes, 2015). Dit komt doordat golven een orbitaalsnelheid genereren waarbij de waterdeeltjes een cirkelvormige beweging maken waar de bodemdeeltjes erg gevoelig voor zijn. Voor de meeste brugpijlers is alleen de stroming maatgevend, dit komt omdat de golven een te kleine strijklengte hebben met als gevolg dat er een diepwatergolf ontstaat {Spoorenberg, Ontwerpnota Bodem en oeverbescherming RVDW - 01101, 2014). In figuur 8 is te zien dat de snelheid van een diepwatergolf bij de bodem nul is, waardoor er geen erosie zal zijn als gevolg van golven. Bij een diepwatergolf geldt: Waterdiepte/Golflengte> 0,5. Dit is eigenlijk altijd het geval in een rivier of op zee. Er zijn ook voorbeelden waarbij er wel een overgangsgolf ontstaat of zelfs een ondiepwatergolf, hierbij moet er wel rekening gehouden worden met de orbitaalsnelheid als gevolg van golven. Bij het project, ruimte voor de Waal in Lent hoeft er geen rekening gehouden te worden met de golven aangezien er geen scheepvaart zal zijn in de nevengeul en de windgolven hebben geen invloed.

z-as

û-

as

j ...

...

;;. ;.. . /'

/

;. ; ·1

'

.1

.

,

I

1

;. :-f

J

l

û-

as

I

_

/

z-as

~ /

---✓--I

/

û-as

Figuur 8, snelheidsverloop van de orbitaalsnelheid van golven. V.l.n.r. ondiepwatergolf, overgang, diepwatergolf.

Een ontgrondingskuil ontstaat doordat de waterdeeltjes, die een bepaalde snelheid hebben, zich langs een object moeten bewegen waarbij er turbulentie optreedt. De stroomsnelheid in een rivier ontstaat doordat er een bepaald debiet moet worden afgevoerd die onder een verhang naar het laagste punt stroomt. De snelheid van deze stroming hangt onder andere af van het debiet, de rivierbreedte en de waterdiepte. Ontgrondingen kunnen bij meerdere objecten ontstaan, bij brugpijlers, landhoofden, pijpleidingen, offshore constructies, enzovoorts. In dit rapport wordt er alleen gekeken naar ontgrondingen rond de brugpijlers.

(17)

Aangezien de waterdeeltjes zich stroomafwaarts bewegen, moeten deze waterdeeltjes zich om de brugpijler heen bewegen. Doordat er een vernauwing is in de watergang, zal de snelheid toenemen en zal er een bepaalde opstuwing plaatsvinden. Als deze snelheid groter is dan de kritieke snelheid, ontstaat er erosie.

Aan de hand van het Shields-diagram kan de kritieke snelheid worden bepaald wanneer de

bodemdeeltjes in beweging komen. Dit diagram gaat er echter vanuit dat er ongestoorde stroming is.

Dit wil zeggen dat de stroming over de gehele lengte en breedte uniform is verdeeld. Als de snelheid wordt bekeken in de verticale richting, zal deze logaritmisch verdeeld zijn. Bij stroming langs een brugpijler zal er turbulentie optreden en zal de snelheid plaatselijk toenemen aangezien de

stroombanen dichter naast elkaar komen te liggen. Shields houdt alleen rekening met de gemiddelde stroomsnelheid terwijl er ook een bepaalde turbulentie bij moet worden opgeteld als het gaat om verstoorde stroming. Turbulentie heeft een grote invloed op de stabiliteit van de bodem. In formules komt er vaak een turbulentiefactor naar voren.

In figuur 9 zijn de stroombanen te zien van stroming langs een cirkelvormige pijler. De stroming volgt de vorm van de pijler, maar zal op een gegeven moment 'loslaten'. Dit wil zeggen dat de stroming de vorm van de pijler niet meer volgt. Hierdoor ontstaat er een zog met wervels en neren. Deze wervels ontwikkelen zich achter de constructie, maar verliezen snel hun intensiteit. (R.H. van Breugel, 1995)

1

buitenstroming

' -stuwpunr. zog

@

Figuur 9, stroombanen om een cirkelvormige pijler

In figuur 10 is te zien hoe de waterdeeltjes zich in het driedimensionale langs een cirkelvormige pijler bewegen. Er ontstaan wervelingen rondom de pijler waardoor het sediment aan de voorkant van de

pijler begint te bewegen. Voor de pijler ontstaat horseshoe vortex(hoefijzer wervel), vanwege de vorm wordt dit zo genoemd. Een horseshoe vortex is een wervel die zich om een horizontale as beweegt en zich verticaal verplaatst. Achter de pijler ontstaat wake vortex, ook wel wervelstraten genoemd, deze wervels draaien om een verticale as en bewegen zich horizontaal voort. Op den duur ontstaat er een kuil die zich stroomafwaarts om de pijler begint te ontwikkelen. Hoe turbulenter de stroming, hoe groter en dieper de ontgrondingskuil wordt. Het sediment zal zich achter de

ontgrondingskuil ophopen en er bestaat een evenwichtsstand waarbij de ontgrondingskuil niet dieper wordt. Het diepste punt van deze ontgronding zal zich aan de voorkant van de pijler bevinden.

Ontgrondingskuilen kunnen meters diep worden en de vorm van de erosie lijkt van bovenaf op een hoefijzer. De mate van de ontgronding hangt ook sterk af van de vorm van de pijler, hier wordt later op ingegaan.

16

(18)

Plor su,r.ce roti" _ ___,~.;...._~·scovr hoh

· .

.

:··~--

.

· ..

Secunl~~l ·.. -.,...'-'-'-;..;,--:~ •••11toe

"°''••

bod . ·•·,·.-·.· .• ::_-•:•·.:·•·: :. \.; :: : .

.

. .

.

Figuur 10, de beweging van waterdeeltjes langs een cirkelvormige brugpijler.

Er zijn 5 belangrijke verschillen tussen verstoorde en ongestoorde stroming:

-De snelheid is niet uniform verdeeld over de lengte en de breedte van de stroming, er treden lokaal snelheidsverhogingen op.

- De turbulentie-intensiteit neemt toe bij brugpijlers

- Verticaal gezien wijkt het snelheidsprofiel af van het logaritmische snelheidsprofiel.

-Bovenstrooms en benedenstrooms van de brugpijler buigt de stroming af, hierdoor ontstaan snelheden in de breedterichting van de stroming.

- Door de wervelingen ontstaan er snelheden in de verticale richting.

Soorten stroming

Er zijn twee soorten stroming, live bed scour waarbij geldt: stroomsnelheid U/ kritieke snelheid Uc, >

1 en clear water scour waarbij geldt: U/Uc, < 1 (voor symbolen lijst, zie Bijlage 1). Bij live bed scour ontstaat er overal erosie en is er sediment in beweging, maar bij de brugpijlers zijn er grotere ontgrondingen. Bij clear water scour ontstaat alleen bij de brugpijlers erosie. Bij livebed scour ontstaat de ontgrondingskuil sneller, maar aangezien hij weer wordt aangevuld vanaf bovenstrooms zal de uiteindelijke ontgrondingsdiepte bij clear water scour iets groter zal zijn. In rivieren heb je bijna altijd te maken met Livebed Scour, in stroomgaten vaak met clear water scour. Later wordt hier verder op ingegaan, in Figuur 23 is het verschil goed te zien.

5.2 De gevolgen van ontgronding

Vaak wordt ontgronding toegelaten tot op zekere hoogte. Ontgronding kan ook ontstaan op plekken waar het niet schadelijk is. Ontgronding rondom brugpijlers hoeft ook niet direct schadelijk te zijn, dit hangt erg af van de soort fundering die de brugpijler heeft. Op dit project is de opdrachtgever

duidelijk; er mag geen erosie of ontgronding ontstaan rondom de pijlers. De ontgronding rond pijlers wordt vaak onderschat, maar heeft een grote invloed op de functie van het object. Mocht een pijler van een verkeersbrug verzakken als gevolg van ontgronding, dan zijn de kosten enorm. Daarom is het beter om een goede bescherming te ontwerpen als dit nodig is en de pijler ook jaarlijks te monitoren aangezien ontgronding een proces is dat lastig is waar te nemen. Deze kosten staan niet in

verhouding met het werkelijk falen van een object. In figuur 11 is te zien hoe de grond rond de brugpijlers is geërodeerd in New Zeeland (Unger).

17

(19)

Figuur 11, ontgronding bij een brug in New Zeeland

Maatregelen

Er zijn verschillende maatregelen om deze erosie tegen te gaan, maar ook om het effect van een ontgrondingskuil te verminderen. Funderingen onder een pijler zorgen er meestal voor dat er meer ontgronding plaatsvind dan bij een pijler zonder verbredingen. Uiteindelijk gaat het erom dat de brugpijler al zijn krachten over kan brengen naar de bodem. Een damwand of een diepwand heeft een positieve invloed op de stabiliteit van een brugpijler. Deze loopt door tot onder de fundering en zorgt ervoor dat de grond om de fundering niet weg kan spoelen. Hierdoor blijft de stabiliteit van deze constructie gehandhaafd. Ondanks dat een damwand ervoor zorgt dat de grond onder de fundering niet weg kan, kan ook een damwand bezwijken als er te veel grond erodeert.

De grond rondom de spoorbrugpijlers is verlaagd van ongeveer+ 10 m NAP tot +2 m NAP. Bij de spoorbrug is er gekozen voor een diepwand tot - 12 m NAP, aangezien de grond om de bestaande pijlers verlaagd werd, moesten de pijlers verzwaard worden. Dit is gedaan door de fundering te versterken en een diepwand te plaatsen zodat de grond om deze pijlers niet weg kan en de stabiliteit blijft gewaarborgd. De diepwand is zodanig gedimensioneerd dat deze diepwand extra belasting opvangt als gevolg van de verlaging van het maaiveld. Aangezien de pijlers erg breed zijn (16,2 meter), worden er grote ontgrondingskuilen verwacht en zal er een bodembescherming moeten worden aangebracht, Pro rail heeft dit ook duidelijk aangegeven. Pro rail wil geen risico lopen met de stabiliteit van de spoorbrug aangezien deze intensief wordt gebruikt. In Figuur 5 is een foto van de spoorbrug te zien. In de bijlage 2 zijn er ook 2 situatietekeningen bijgevoegd om een goede indruk te krijgen.

Andere maatregelen en invloedsfactoren komen later aan bod.

18

(20)

6. Het bepalen van de ontgrondingen

In dit hoofdstuk worden de invloedsfactoren behandeld die betrekking hebben tot de mate van ontgronding, daarna wordt aangegeven hoe de werkelijke ontgrondingskuil kan worden berekend.

Dit gebeurt in één hoofdstuk aangezien deze onderwerpen nauw samenhangen met elkaar. Voor het

bepalen van de ontgrondingskuil heeft de snelheid de waterdeeltjes veel invloed, de bepaling van

deze snelheid wordt ook in dit hoofdstuk behandeld.

6.1 Invloeden van ontgronding bij brugpijlers

In deze paragraaf worden de invloedsfactoren van ontgrondingen rond brugpijlers behandeld. Hierbij

volgt een theoretische onderbouwing. Hoe dit wordt toegepast in de ontgrondingsformules komt aan bod in paragraaf 6.2

6 .

1 .

1 Invloed van de vorm

De meeste bestaande studies gaan over cirkelvormige pijlers. Deze zijn relatief simpel te verschalen en komen vaak voor in de praktijk. Veel ontgrondingsformules worden gebaseerd op cirkelvormige pijlers met een bepaalde factor om de vorm aan te passen. In hoofdstuk 5 is al gezegd dat de vorm van een pijler veel invloed heeft op de ontgronding. Niet alleen de vorm is van belang, maar ook de verhouding van de breedte van de pijler t.o.v. de breedte van de watergang. Dit wordt vaak

uitgedrukt in een vernauwingspercentage.

In hoofdstuk 5 is al vermeld dat de stroombanen zich meebewegen met de vorm van de pijler, hoe minder vloeiend deze vorm is, hoe sneller deze stroombaan zal 'loslaten' waardoor er wervelingen ontstaan. Bij brugpijlers wordt aan de voorkant de stroming naar beneden gedrukt in de onderste

lagen van de stroming. Dit leidt tot snelheidsverhogingen langs de pijler en dus tot verhoogde gemiddelde schuifspanningen aan de bodem. De vorm van de voorkant van de pijler heeft een grote

invloed en bepaalt in welke mate er ontgronding optreedt en waar deze optreedt. De achterkant van

de pijler heeft minder effect op de ontgronding. Er bestaat veel literatuur naar het onderzoek naar de vorm van de pijlers. Hjorth heeft modelonderzoek gedaan naar het verschil van een vierkante en een cirkelvormige pijler. In dit onderzoek heeft hij gekeken naar de plaats van de ontgronding met behulp van de stroombanen langs de pijlers (Hjorth, 1975).

19

(21)

Cirkelvormige pijler

Hjorth heeft modelonderzoek gedaan naar twee verschillend cirkelvormige pijlers. Deze hebben een diameter van 3,8 centimeter en van 8,4 centimeter.

In figuur 12 is te zien hoe de stroombanen zich ontwikkelen rond de pijler. Het sediment dat zich verplaatst zal zich achter de pijler, bij de pijltjes neerslaan.

Figuur 12, stroombanen om een cirkelvormige pijler

Vierkante pijler

De geteste vierkante pijlers hebben afmetingen van 3,8 x 3,8 centimeter en 8,4 x 8,4 centimeter. Bij vierkante pijlers treedt een erg complexe stroming op. De stroming laat snel los, omdat de hoeken scherp zijn, dit is te zien in figuur 13. Verder wordt geconcludeerd dat de stroming niet alleen aan de voorkant naar beneden is gericht, maar ook aan de achterkant.

---

~

---Figuur 13, stroombanen om een vierkante pijler

(22)

De wervelstraat en de zog achter de pijler, is 50 procent breder dan bij een ronde pijler, het

'

stroombeeld is wel hetzelfde alleen extremer. De grotere pijler geeft een snelheidsverhoging die wat

verder van de pijler af ligt. Dit is aannemelijk aangezien de stroming meer opzij wordt gestuwd.

Aan de hand van de stroombeelden die bij deze proeven zijn waargenomen, is Hjorth op de bodembescherming gekomen zoals in figuur 6 al eerder is beschreven.

Figuur 14 is een foto van de ontgronding rondom een vierkante pijler, hierbij is goed te zien dat aan de voorkant de diepste ontgrondingskuil ontstaat en dat deze aan de achterkant minder diep wordt.

(Lagasse, 2007) Figuur 15 uit de Scour manual laat dit ook zien.

Figuur 14, ontgronding bij een vierkante pijler stroomopwaarts gezien

''o ·~$lepe Il lower \lope 111 ~ rtfj,otl aoss-1«11on A • A ~t!on~il lopllicwscourholc

Figuur 15, zij- en bovenaanzicht van ontgrondingskuil

(23)

Andere vormen

Dietz, Laurens en Toch, en Neil! hebben onderzoek gedaan naar de invloed van de pijlervorm. Hierin hebben zij bepaald welke vorm gunstig is en welke vorm ongunstig is. Hierbij zijn zij uitgegaan van een cirkelvormige pijler, deze heeft de factor 1. Deze onderzoeken bevestigen de resultaten die

onderling zijn gevonden. In figuur 16 is te zien hoe deze factoren zich verhouden tot elkaar. Naast de

vorm is ook de verhouding van de lengte en de breedte van belang, dit staat ook hierin weergeven.

De vierkante pijlers zijn het minst gunstig, ellipsvormige pijlers het meest gunstig zijn. {Dietz, 1972)

Pijler vorm

l

eng

te

breedte

vonnfaktor

verhouding

1/D

_Kr

[

-

]

Cilinder

➔ O

_-

_1.0

--Rechthoekig

➔

D

₁

_1.22

~c::J

₃

_1.08

~c:=::,

₅

_0.99

/

Rech:thoekig afgeronde

i~oeke~

1~1

3

10.90 ₁

Halfronde

neus met wigstaart

➔ c::=-

₅

₀

_.

₈₆

---Rechthoekig

met schuine hoeken

➔ c:::,

₄

_1.01

-Rechthoekig met

wigneus

~Cl

₃

_0.76

1

Draagvlak

1➔-1

3.5 [

0.80 l

Lensvormig

➔ O

₂

_0.80

-➔ c:::>

₃

0.70 El1ipsvormig

~o

2

0.85 +c:::>

₃

_0.8

-➔C:,

₅

_0.6

Figuur 16, invloed van de vorm van de pijler (Dietz, 1972}

(24)

Verhouding brugpijler

Naast de vorm van de pijler en de verhouding van de lengte en de breedte zijn er nog meer invloeden

op de mate van ontgronding. De verhouding van de pijlerbreedte tot de breedte van de rivier en de verhouding tot de waterdiepte zijn van invloed op de mate van ontgronding. Hier zijn verschillende

onderzoeken naar gedaan.

In de methodes om de ontgrondingsdiepte te berekenen moet er gekeken worden hoe de

verhouding is van de pijler, ten opzichte van de waterhoogte. Wanneer de waterdiepte groter is dan de pijlerbreedte, dan is de ontgrondingskuil onafhankelijk van de waterdiepte. Wanneer de

waterdiepte kleiner is dan de pijlerbreedte, dan heeft de waterdiepte wel invloed op de

ontgrondingskuil. Dit is te verklaren door de bodemweerstand van Chezy. In de Chezy-formule is de

waterdiepte een belangrijke factor, als de waterdiepte kleiner wordt, wordt de bodemweerstand

groter. Een lagere Chezy-waarde geeft een kleinere kritieke snelheid voor het begin van bewegen

volgens de Shieldsrelatie. Bij kleinere waterdieptes ontstaan er ook relatief meer wervels en deze

kunnen elkaar beïnvloeden. Dit kan voor grotere ontgrondingen zorgen.

Naast deze invloed is er ook nog de invloed van de verhouding pijlerbreedte/ rivierbreedte. Dit wordt

ook wel het vernauwingspercentage genoemd. Dit wordt vaak uitgedrukt door de snelheid net voor

de vernauwing terug te rekenen naar de snelheid tussen de brugpijlers. Hier wordt later in dit verslag verder op ingegaan.

Fundering

Zoals al eerder is genoemd, is bij 3 van de 4 gevallen in Lent een fundering aanwezig waarbij de bovenkant van de fundering gelijk is met de bodem van de nevengeul. De Spoorbrug vormt hier een uitzondering op. Bij de spoorbrug vormt de diepwand de buitenkant van de brugpijler en er is geen

sprake van een funderingspoer. De bestaande handleidingen geven geen antwoord als het gaat over

de omgang van een funderingspoer.

De Scour Manual geeft in enkele zinnen weer dat het zo zou kunnen zijn dat een fundering een positieve invloed heeft en de ontgrondingskuil reduceert. In de Scour manual staat dat een fundering kan fungeren als deflector, dit is een soort schild, te zien in figuur 17. Hier is onderzoek naar gedaan

door Carstens (1976) en Dargahi (1987). Er wordt vermeld dat er geen echte ontwerpresultaten

kunnen worden gegeven, wel hebben deze onderzoeken bewezen dat een deflector een

reducerende werking heeft. Dit is afhankelijk van de plaats en de afmeting. Chabert & Engeldinger

(1956) hebben gevonden dat de ontgrondingskuil gereduceerd wordt als de diameter 3 keer de

pijlerbreedte is en de diepte 0,5 keer de diameter onder de bodem ligt (zie figuur 18). Dargahi bevestigt het bovenstaande, maar voegt daaraan toe dat het niet veel uitmaakt of hij op de bodem ligt of net daaronder. Geconcludeerd kan worden dat de Scour Manual geen antwoord geeft over de

omgang van een fundering (G.J.C.M. Hoffmans, 1997).

23

(25)

3b

dtcullJI

p,

t.

r

with

c

a

i

iso,1

scdJor,

a/ong p

f P

r d

KiS

Figuur 17, Chabert en Engeldinger

1

b

...

horizontal def/edor (col/ar)

Figuur 18, deflector

Daan Heineke (Rijkswaterstaat) en Gijs Hoffmans (~cour ManualJ geven toe dat verder onderzoek naar brugpijlers gewenst is. Er kan een voorzichtige conclusie worden gegeven dat een funderingg_p

bodemniveau positief is als er een bodembeschermin rden aan ebracht, het te besc ermen oppervlak wordt namelijk k einer. Als de fundering werkt als een deflector zal de ontgrondingskuil ook kleiner worden, maar het zou ook kunnen dat er door de verbreding meer

~

-

-turbulentie optreedt waardoor er een diepere ontgrondingskuil ontstaat. Dit lijkt echter niet het

...

::.:...:::.::.:::.:..:=:;:.:.=..:::.::.:-=-:-=:~~

~:_::

:.:..:!:~=

~

=,..._.~~

-geval aangezien er in de ontgrondingskuil stilstaand water is omdat hier geen afvoer plaatsvindt. In het geval van beschermen gaat het erom dat er een bodembescherming wordt ontworpen die buiten het invloedsgebied van de erosie ligt. De fundering kan hierin worden geïntegreerd waardoor er minder bescherming hoeft aan te worden gebracht. Mocht de fundering breder zijn dan de oppervlakte van de ontgrondingskuil, dan hoeft de pijler niet verder te worden beschermd. De bodem is dan dusdanig beschermd door de fundering dat de ontgrondingskuil zeer klein zal zijn, er is dan geen aanvullende bescherming nodig. Aangezien de Scour Manual al wat verouderd is, staat hier geen informatie in over de mate van de reductie van een funderingspoer. Er is de laatste jaren veel onderzoek naar gedaan.

De Amerikaanse methodiek geeft alleen antwoord op funderingen die boven de bodem uitkomen. Hieruit blijkt een negatieve invloed, dit lijkt logisch aangezien er door de verbreding meer turbulentie is. Als er gerekend wordt met een fundering waarbij de bovenkant gelijk ligt met de bodem, dan is er geen reductie, maar een toename van de orltgrondingskuil. Dit is tegenstrijdig met andere literatuur. Bovendien wordt er gerekend vanaf de onderkant van de pijler, terwijl de bovenkant maatgevend is. Hieruit blijkt dat deze formule niet geschikt is voor een situatie waarbij de fundering onder de bodem ligt.

Literatuur

Alleen in Nederland wordt gebruik gemaakt van stortsteen, in andere landen zijn ze op zoek naar andere oplossingen om de ontgronding te reduceren. Hierdoor wordt er in andere landen ook meer onderzoek gedaan. Een fundering is te vergelijken met een collar/ deflector, dit is een soort schild die ervoor zorgt dat de naar beneden gerichte turbulentie niet kan zorgen voor erosie. Er is relatief veel onderzoek gedaan naar dit principe. Voorbeelden hiervan zijn Laursen and Toch (1956), Chabert and Engeldinger (1956), Thomas (1967), Tanaka and Yano (1967), Ettema (1980), Dargahi (1990), Chiew (1992), Vittal et al. (1993), Fotherby and Jones (1993), Kumar et al. (1999), Singh et al (2001),

(26)

Mashahir and Zarrati (2002), Zarrati et al. (2004), Mashahir et al. (2004), Kayaturk et al. (2004) en Zarrati et al. (2006).

De onderzoeken van de laatste 10 jaar zijn nauwkeuriger, dit komt door nieuwe ontwikkelingen van het meten van de ontgrondingskuil. De bovenstaande onderzoeken zijn er voornamelijk op gericht om te kijken naar het verschil met, en zonder deflector. Hierbij is er gekeken naar de ideale vorm en de ideale grootte van een deflector. Geconcludeerd kan worden dat alle onderzoeken bewijzen dat er een reductie is als er een def)eçtor a:_owezis is gp bodemniveau. De mate van reductie hangt af

~ 1 ..,. ç: '-=

---~ n de grootte hiervan en van de vorm. Onderzoeken tonen aan dat een reductie van 10 tot 100 procent mogelijk is.

Een van de onderzoeken die is uitgevoerd heeft zich gericht op de vorm van de deflector (B. Kamali, 2012). Zij gebruikten de proefopstelling van figuur 19. Zij concludeerden dat er een ideale afmeting is van de breedte van de deflector, dit is te zien in figuur 20. Hierbij is Wc de funderingsbreedte.

1

:screen

1

Figuur 19, voorbeeld van proefopstelling

120 100 80 40 20 0 0 1

rl

2 Wc/D Figuur 20, optimum breedte t.o.v. diameter

~

~lW

c

Section a•a Pier - - v/vc=0.90 ... v/vc=0.95 T 3 4 Movable

sand surface meter

Valve f!O'.v meter

(27)

Hieruit blijkt dat de optimale breedte van de fundering/deflector minimaal 2,8 keer de pijlerbreedte moet zijn, dit kan er voor zorgen dat er helemaal geen erosie ontstaat. Er is een verschil tussen de bovenstroomse kant en de benedenstroomse kant. Bovenstrooms is het gemakkelijker om de erosie te voorkomen dan benedenstrooms. Dit is te verklaren doordat de deflector de naar beneden gerichte wervels aan de bovenstroomse zijde wel tegenhoudt, maar de wervels achter de pijlers bewegen zich horizontaal voort, dus deze kunnen achter de deflector nog zorgen voor

ontgrondingen.

Reductieberekenin~ )

Viren er eftilfÎ999 een formule ontwikkeld om de ontgrondingskuil te berekenen met een deflector. Hierbij moet eerst de ontgrondingskuil worden berekend zonder deflector. Deze formule geeft als uitkomst dat er geen ontgrondingkuil ontstaat bij een funderingsbreedte van 4 keer de pijlerbreedte. De fundering moet dan wel op bodemniveau zitten. De formule ziet er als volgt uit:

d'

-d

(

8 )1.,12 (

D-h)o

.

1.11

" H

=0

.0S1

-

-d'

_u

b

D

Hierbij geldt:

d'se = ontgrondingskuil zonder fundering dse = werkelijke ontgrondingskuil

B = breedte fundering b = breedte pijler D = Waterdiepte

h = hoogte t.o.v. de bodem Voorbeeld d'se = 1 meter dse = -B = 3 meter b = 1 meter D = 5 meter h = 0 meter

d'se-dse

B1.612

D-ho.837

=

0.057 *

-b

* -

D-d'se

1 _

dse

3

1.612

5 _

0

o.a37

1 =

0.05

7 *

1 *

-

5 -ose

=

0,66 m

Deze formule geeft een reductie van ongeveer 33 procent terwijl de fundering wel 3 keer zo breed is als de pijler. Andere onderzoeken geven hogere reducties bij deze ge~vens, Chabert & Engeldinger bijvoorbeeld geeft 60 procent reductie (G.J.C.M. Hoffmans, 1997).

26

(28)

nllieer-+tt;4-tïe-a~+t-errT1i~n, oppervlak wordt benaderd vanuit de ontgrondingskuil, wordt de te beschermen breedte weergegeven met Ls. Als er gekeken wordt naar Figuur 21, dan is voor een situatie met/ en zonder fundering dezelfde beschermingsbreedte nodig. Aangezien deze kuilen hetzelfde talud zullen hebben, zorgt de fundering voor een reductie. Deze manier van benaderen houdt rekening met de breedte van de fundering t.o.v. de pijlerbreedte. Hierbij wordt er gebruik gemaakt van veiligheid, omdat een tal.ud vao 1 ·1 een veilige aanname is. Simpel gezegd hoeft er dus

~

geen rekening te worden gehouden met de fundering voor het bepalen van de ontgrondingbreedte. Als deze is bepaald kan er gekeken worden naar de breedte van de fundering en kan er bepaald worden of er überhaupt een verdere bodembescherming nodig is. Het principe van de

beschermingsbreedte wordt uitgewerkt in paragraaf 7.2.

-=-C

Ls Ls

Figuur 21, situatie met en zonder fundering

Voorbeeld:

Met dezelfde gegevens als bij Virender Kumar, is ook hiervoor een voorbeeld uitgerekend. Dit geeft een ontgrondingskuil naast de fundering van 0,5 meter, dit zorgt voor een reduceriQl?fH!

sa

W

IT

:

:!

Uitleg van deze benadering volgt in paragraaf7.2

Conclusie

Er kan met zekerheid gezegd worden dat een fundering een reducerende werking heeft op de ontgrondingskuil, de fundering moet zich dan gelijk of onder de bodem bevinden. De bovenstaande onderzoeken bevestigen dit. Hieruit blijkt dat de vorm en de grootte van de fundering ook invloed hebben op de ontgrondingskuil. Al deze onderzoeken geven resultaten van de mate van reductie, deze zijn echter erg uiteenlopend. Dit varieert van 10 tot wel honderd procent. Om te kijken naar de invloed van de fundering zou er een reducerende factor kunnen worden ingepast. Deze moet bepaald worden met behulp van de vorm en de grootte van de fundering. Aan de hand van de bestaande onderzoeken is deze lastig te bepalen. Een andere manier is de reductie te bepalen vanuit de ontgrondingskuil. Aangezien dit relatief nieuwe onderzoeken zijn, zal er eerst door deskundigen gekeken moeten worden naar dit principe voordat het verder wordt toegepast. De benedenstroomse kant van de brugpijler is kwetsbaarder dan de bovenstroomse kant. Dit komt door de horizontaal voortbewegende wervels achter de pijler, deze kunnen ver achter de pijler nog voor ontgrondingen zorgen. De verticaal gerichte wervels bovenstrooms worden wel geblokkeerd door de fundering.

ooralsnog heeft de fundering vooral een voordeel bij een bodembescherming en wordt dit voordeel

voor de bepaling van e ontgrondingskuil nog niet meegenomen.

(29)

Bodemgradatie

Ettema (1976) heeft veel onderzoek gedaan naar de invloed van de gradatie van het

bodemmateriaal. Dit heeft hij gedaan bij verschillende ronde cilindrisch brugpijlers. Hieruit

concludeerde hij dat fijn materiaal verder weg wordt verplaatst dan grover bodemmateriaal. Ook

kwam er uit dat de hoek van de ontgrondingskuil kleiner is bij een kleinere gradatie. Over het

algemeen zijn grove korrels beter bestand tegen erosie, een grote spreiding van de korreldiameter

zorgt ook voor een bepaalde reducering. Bij een grotere spreiding bedekken de grove korrels de

kleinere korrels wat een positieve invloed geeft op de ontgronding. Wat geconcludeerd kan worden

is dat hoe hoger de stroomsnelheid, hoe minder de invloed is van de bodemgradatie. De grens

hiervoor is ongeveer als de snelheid groter is dan de kritieke snelheid. In Figuur 22 is te zien hoe de

ontgrondingskuil zich verhoudt ten opzichte van de bodemgradatie/uniformiteit (R. Ettema, 2011).

De bodemgradatie

a

g wordt berekend door d84/d50.

y/a

2.5

.

2.0

I.S 1.0

o.s

0 1.0

1. '\

#

•

~ !

'

~

• ...

~-'-...

2.0 1 D(mm) 0.55 ♦

-0.85 ■

-1.90 • 4.10 •

-~

-

·

■

...

♦

---..

....__.

3.0 4.0 5.0

cr

~

Figuur 22, ontgrondingskuil t.o.v. bodemgradatie/uniformiteit (Ettema 1976)

Tijdschaal

Als er erosie is bij brugpijlers, ontstaat er een ontgrondingskuil. De mate van erosie bepaalt de

snelheid van dit proces, dit gaat relatief snel (paar uur tot een paar dagen). Een ontgrondingskuil

heeft een evenwichtstand waarbij de kuil niet dieper zal worden aangezien het sediment zich niet

meer tegen de bult zand kan opwerken. Het proces begint snel, maar deze snelheid neemt af

naarmate de ontgrondingskuil dichter bij de evenwichtstand komt. Dit proces hangt sterk van de

bodemgradatie en van de soort erosie. Een grove bodemgradatie zorgt ervoor dat de maximale

ontgrondingskuil sneller wordt bereikt, bij fijne graderingen duurt dit langer. Dit heeft als voordeel

dat modelproeven niet zo lang hoeven te duren als er een grove gradatie wordt gekozen. Er zijn twee

soorten erosie, clear water scour en livebed scour. Bij clear water scour is er alleen lokale erosie

terwijl er bij livebed scour overal erosie plaatsvindt, maar dat er bij sommige objecten bepaalde

pieken zijn. Bij livebed scour zal de ontgrondingskuil ook weer deels aangevuld worden door het

bovenstroomse sediment. In figuur 23 is te zien hoe de tijd zich verdeelt ten opzichte van livebed

scour en clear water scour. Hierin is te zien dat bij livebed scour de maximale ontgrondingsdiepte sneller wordt bereikt en dat deze daarna blijft stijgen en dalen. Bij clear water scour gaat dit veel vloeiender (R. Ettema, 2011).

(30)

-

1"" ,.,\

.• ,./ \ , \ / v·

Time

Figuur 23, snelheid van ontgronding {Scour Manual 1997)

Het ontgrondingsproces kan worden opgedeeld in 4 fases. Het begin van de ontgronding, de verdere

ontwikkeling, de stabilisatie en de evenwichtssituatie. Hoe deze fases zijn opgedeeld is te zien in

figuur 24. tiY~ /'to Ym• ho t) 1 t 1 1 t t

..

_•

_'

1 1 1 1 tn .!.

pltascl ph&)el 0 f!N.U 3 pllue<I

,,

(ttitiiliOI\I ld-lopn~nt) (ltal,j\utlo,,) teqlillibolvt"I)

Figuur 24, ontgrondingsproces tegen de tijd (Zanke 1978)

Er zijn veel onderzoeken gedaan naar de tijd die nodig is voor een ontgrondingsproces. Voorbeelden hiervan zijn Nakagawa, Dargahi en Breusers, deze formules werken allemaal met tl ent. Hierin is t

het tijdstip waarbij de bijbehorende ontgrondingsdiepte kan worden berekend. tl is de tijd die nodig

is om de maximale ontgrondingsdiepte te bereiken. Deze onderzoeken kunnen worden samengevat volgens de volgende formule (Suzuki, 1976):

~ 3 ₁₉

tl

=

29 2

*

_ b _

*

-"-'--uy_u..,v_

*

.J?_ • ' ,fî.•UO ,fî.•UO-Uc dSO

Om de ontgrondingdiepte te berekenen na een bepaald tijdstip kan de volgende formule worden gehanteerd:

(31)

Hoek van inval

De hoek van inval heeft een sterke invloed op de diepte van de ontgrondingskuil, dit geldt niet voor cirkelvormige pijlers, dit is logisch aangezien deze aan iedere zijde dezelfde vorm heeft. Wanneer de hoek van inval groter wordt, is er meer erosie omdat de pijler een breder front heeft. Laurens en Toch hebben een onderzoek gedaan naar de hoek van inval bij rechthoekige pijlers. Hierbij is er gekeken naar de verhouding lengte en breedte en naarmate deze groter wordt, wordt de ontgronding ook groter. De grafiek is te zien in figuur 25.

1

la-_

16

1

4

1

2

10

8

6

4

2

0

15

30

45

60

75

90

Figuur 25, invloed van de hoek van inval

30

(32)

Groep van brugpijlers

Als er twee pijlers dicht bij elkaar staan, kunnen ze elkaar beïnvloeden. Er wordt onderscheid

gemaakt tussen drie verschillende groepen van brugpijlers. Brugpijlers die in dezelfde lijn staan als de stromingsrichting, ze haaks op de stromingsrichting staan en als ze onder een bepaalde hoek op de stromingsrichting achter elkaar staan. De invloed van de ontgronding varieert per pijler, de factor verschilt voor de voorste of de achterste pijler. Daarbij is het ook van belang hoe ver de brugpijlers uit elkaar staan. In figuur 26 is te zien hoe het er om moet worden gegaan met groepen van brugpijlers (M. van der Wal, 1991).

Tablc 6

.

5 .

The factor

K

6,

fora group of 2 circular pier$.

Pier spacing

Front pier

K

₆,

Rear pier

K

gr

lb

1.0

0.9

➔

0

0 2to 3b

1.15

0.9 >15b

1.0

0 .

8

0 lb

1.9

➔

5h

1.15

1.2

0 >8b

1.0

0 lb

l.9

1.9

➔

2 to3b

1.2

0 >8b

1.0

Figuur 26, invloed van groepen pijlers

(33)

6.2 Berekening van ontgronding

Literatuur

Er zijn tal van formules die de diepte van de ontgronding bij brugpijlers berekenen, maar deze formules lijken erg veel op elkaar. In de Verenigde Staten houden ze de HEC-18 aan als het gaat om ontgrondingen. Dit is een rapport die de hydraulische richtlijnen vermeldt over ontgrondingen bij brugpijlers. HEC staat voor Hydraulic Engineering Circular, de 5e editie is de laatste en deze is in 2012 uitgekomen. In de Verenigde Staten is er meer ontgronding bij de bruggen omdat de constructies niet worden beschermd met een bodembescherming, hier worden de constructies zo gebouwd dat ze de ontgronding moeten aankunnen. Dit is niet altijd het geval en daarom zijn er in de Verenigde Staten meer onderzoeken gedaan naar de ontgrondingen bij brugpijlers.

Dhr. Hoffmans, schrijver van de Scour Manual, heeft in 1995 een rapport opgesteld waarbij hij heeft gekeken naar de validatie van de ontgrondingsformules (Hoffmans, 1995). "Vrijwel alle formules zijn geschikt voor die experimenten waarop ze zijn gekalibreerd". Het toepassingsgebied van vele

formules is beperkt tot één type constructie. Indien deze relaties worden toegepast buiten het bereik van de geijkte hydraulische condities zijn de berekeningsresultaten veelal onbetrouwbaar vanwege het empirische karakter. Dit maakt het lastig een geschikte formule te kiezen, die in alle situaties toegepast kan worden. In dit rapport zijn 64 methodieken vergeleken en hier kwam uit dat de meeste formules elkaar bevestigen. Hierbij is er gekeken naar lokale ontgronding waarbij er bij een rivier bijna altijd sprake is van live bed Scour, hierbij ontstaat er relatief snel een maximale

ontgrondingskuil waarbij de ontgrondingskuil zich langzamerhand weer aanvult met het sediment bovenstrooms. Dit blijkt ongeveer 90 procent te zijn van de maximale ontgronding.

In het rapport heeft hij alle formules vergeleken en kwam hij tot de conclusie dat in het minste geval de ontgrondingskuil ongeveer één keer de pijlerbreedte is en in het slechtste geval de ontgronding ongeveer 2,5 keer de pijlerbreedte is. Dit heeft Dhr. Hoffmans ook aangegeven op een gesprek op 17-03-2015. Figuur 27 geeft het bovenstaande aan, deze figuur komt uit de HEC-18 en vergelijkt de meest gebruikelijke methodes met elkaar. Hierbij geeft Breusers een constant verloop van ongeveer 1,5 keer de pijlerbreedte en de methode van Melville en Sutherland wordt na 2,5 waterdiepte/ pijlerbreedte ook constant, maar dan met een verhouding van 2,5. Doordat deze formules vrijwel allemaal werken met constanten, kan deze verhouding veranderen bij bijvoorbeeld

andere pijlervormen (LA. Arneson, 2012). Figuur 23 laat ook duidelijk zijn hoe uiteenlopend de formules zijn. Dit heeft met de complexiteit te maken.

(34)

6

Fr • 0.3

ruesers

2 3 4 5 G

7

8

/o

(Flow

Oei:,lh/Pier Width)

Figuur 27, vergelijking van ontgrondingsformules

In de Scour Manual wordt verwezen naar het rapport van Hoffmans (1995), aan de hand van dit rapport zijn er in deze handleiding de meest betrouwbare methodieken beschreven om de maximale

ontgrondingskuil te berekenen. Als meest betrouwbare methodes komen de methodieken van

Breusers et al. (1977), Laursen & toch(1956) en CSU(1992) naar voren. Deze methodes zijn

vergeleken met andere onderzoeken en is er gekeken welke methode het beste de algemene situatie

beschouwd. Volgens Johnson en Dhr. Hoffmans is dit de methode van Breusers et al. (1977). Hierbij is

er gekeken welke methode voor zowel live bed scour kan worden gebruikt als voor Clear water scour.

Dit onderzoek was gebaseerd op het verschil tussen de verwachte ontgrondingsdiepte en de

werkelijke ontgrondingsdiepte. Breusers et al. (1977) heeft alleen de beperking dat het geen goede

waardes geeft wanneer de werkelijke snelheid twee keer zo klein is als de kritieke snelheid, want

onderzoek heeft namelijk aangetoond dat er geen ontgronding plaatsvindt bij deze snelheid (G.J.C.M.

Hoffmans, 1997).

In de HEC-18 staat de methode van de Universiteit van Colorado beschreven, deze wordt ook als

weergeven in de Scour Manual. Deze methode geeft goede uitkomsten en is ingewikkelder dan

nodig. Bovendien wordt er in Amerika geen gebruik gemaakt van bodembescherming zoals in

Nederland, hierdoor zijn deze methodes niet altijd even goed te vergelijken. In Amerika worden ook

andere soorten pijlers gebruikt waarbij de grond rondom de fundering wel mag eroderen.