Transcript wwkz-80-h243 (624.85kB)

i
I
I
I.
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
b
rijkswaterstaat
directie water6uishouding en waterbewegir)g
dbtrbt ICIJS~
p9n zee
studiedienut hoorn
notitie WWKZ-EO.H~O
proleetwd.
H18 10 I 21 81 A (
I
aan i
direktie Noord-Holland: afdeling,BN
van I
ir. H.D.Rakhorst
datum:
mei i980 (koncept); juli 1980
bulsgen:
5
,onderwerp :
Stationair zuigsysteem IJmuiden.
Inhoud:
blz.
1 Inleiding
2
2
2'
Slibonderzoek
3 Slibhoeveelheid
5
4
6
Pompinstallatie met persleiding
5 Kostenoptimalisatie
7
6
8
Dimensionering pomp en persleiding
7 Afmetingen en ligging slibvang
9
8 Kostenvergeïijking normaal baggeren versus slibgemaé
10
9
10
Invloed van het wegbaggeren van de zanddrempel
10 Konklusies en aanbevelingen
11
Bijlagen:
reg.nr.
1 Situatie; lokatie monstername slib.
2 Gewichtspercentage droge stof slib (pdr).
3 Volumegewicht slib ( pn).
4 Verband 'co en pdr.
5 Situatie slibvang.
80.500
80.501
80.502
80.503
80.504
I
I
I
I
I
I
I
I
I
l
i
I
I
I
I
I
I
I
I
rijkcwaterstaat
behoort bij:
datum:
bladnr:
notitie
mei 1980
2
WWKZ
nr: 80.H243
'1 Inleiding
In de havens van IJmuiden wordt de laatste jaren ruim j.OOO.000
m3 slib/jaar
gebaggerd. A l geruime tijd wordt gestudeerd op de mogelijkheid de baggerkosten te minimaliseren. Een van de mogelijkheden hiertoe zou het toepassen van een zgn. slibgemaal in kombinatie met een slibput kunnen zijn. In
deze notitie zal worden aangegeven wat de afmetingen van slibput, pomp
en persleiding moeten zijn, terwijl tevens een globale financiële beschouwing wordt gegeven.
2
Slibonderzoek
In de vaargeul zijn op 3 lokaties slibmonsters genomen (zie bijlage 1).
Van deze monsters is door de Dependanoe IJmuiden het gewichtspercentage
droge stof en het volumegewicht bepaald (bijlagen 2 en 3) en door Gemeentewerken Rotterdam de bezwijkwaarde To en de koëfficiënt van inwendige
wrijving 7)p
De grootte van de bezwijkwaarde TO bepaald in sterke mate de werking van
een slibgemaal. De bezwijkwaarde T O is afhankelijk van het droge stofgehalte van het slib.
Dit droge stofgehalte kan op een aantal manieren worden bepaald.
Methode 1 (Gemeentewerken Rotterdam)
Middels het nat volumegewicht pn is het droge stofgehalte Pdr bepaald
pw{l
volgens: Pdr = Pn
-
- &)
1-pw
Pk
Hierin is:
Pn
.
volume gewicht van het natte monster bepaald door de dependance
IJmuiden [kg/m3]
P w = soortelijk gewicht water = 1020 [kg/m 3 ] (aanname Rotterdam)
Pk = soortelijk gewicht slib + zand = 2450 [kg/m 3 ] (aanname Rotterdam)
L = luchtgehalte E 0% (aanname Rotterdam).
-Methode 2-
rijkswaterstaat
WWKZ nr: 80.H243
behoort bij: notitie
datum:
mei 1980
3
bladnr:
’Methode 2 (RIYC, dependance IJmuiden)
Met behulp van een pyknometer wordt eerst het gewicht van een monster sediment bepaald (Gn). Daarna wordt het verschil in gewicht bepaald van. eenzelfde volume sediment + (gedistilleerd) water en alleen (gedistilleerd)
water (A-B).
A l s G = gewicht; V = volume: k = korrel; w = water; zw = zeewater en
z = zout dan geldt: Gn = Gk + Gw + Ga of
A =
B
Vn p n = Vk pk
VW pw + Vk p k + VZW.PZW
= (VW
+ Vk +
-
-
(i)
Gn
Vn
pw
=
(1)
=
Vk ( pk
- pw)
Vn
-
+ Vzw
( pzw
-
pw) (2)
(2) geeft:
- (A-B)
=
] A-B
VZW) P W
Vzw. pzw
i
Vk
Vk + Vzw
1000 kg/m3
Dus is pn
=
+
Vzw) pw
Gn
Vn
(3)
(4)
Gn
Gn
-
pn
(A-3)
Gn
E
(A-3)
I
Verder wordt door gewichtsbepalingen van een nat slibmonster en droog slibmonster het percentage droge stof p bepaald.
(Gk + Cz) = pGn; Gw = (1- p )Gn; Gw Vw
pw) Vw zijn als pzw bekend is
met Gz = ( pzw
Gk, Gz, Gw en Gn bepaald.
Met Vn =
wordt (met pz = 2,15) pk bepaald.
= E+ % + E
Pn
Pk
P”
PW
E
-
Het droge stofgehalte
- /
I
h
pdr
=
Voeren we deze berekeningen uit op de slibmonsters van IJmuiden met de gegevens van bijlagen 2 en 3 , dan krijgen we de onderstaande waarden voor
pn, pk en pdr (zie tabel 1 ) . D e dichtheid van zeewater pzw=7023 kg/m.3
-monster-
rij kcwaterstaat
I
I
I
I
I
I
I
I
I
bladnr:
4
7
monster
pn
2
kg/m
pk
kg/m31 pdn kg/m3
WWKZ
nr:
80.H24j
methode 2
methode 1
pk
kg/m3 Ipdr
O
kg/m3
i N/m2 I
1143
1131
1224
1150
3
4
9
10
12
1143
1145
1124
15
16
1174
1183
17
i
I
I
I
I
I
I
I
I8
1;
datum:
notitie
mei 1980
behoort bij:
Methode 3
Indien geen rekening gehouden wordt met het zout i n zeewater geldt:
pdr =
Gk
Vn
=
P.Gn
Vn =
P.pn.
Zowel P als pn zijn bepaald in het laboratorium.
Wordt er wel met het zout in het zeewater rekening gehouden dan geldt in
ons geval pdr = ( 0 , 9 1 à O,92) p.pn.
.
Bijlage 4 geeft het verband tussen de bezwijkwaarde TO en het droge
stofgehalte pdr.
Volgens deze bijlage blijkt monster 4 niet aan het half-logaritmische verband te voldoen. Dit kan verklaard worden doordat dit monster 1 m onder
de echo van het slib ligt in het gebied dicht bij de "zanddrempel" bij de
havenmond.
-0nderstaande-
rijkswaterstaat
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
IE
1.
3
behoort bij: notitie
datum:
mei 1980
bladnr:
WWKZ
nr: 80.H243
5
'Onderstaande figuur geeft het verband tussen de diepte onder de echo en
het droge stofgehalte.
Pdr in kg/rn3
L.
~.
figuur 1
Figuur 1 geeft de indruk dat in de nieuwe buitenhaven het slib tot behoorlijke diepte een droge stofgehalte heeft van circa 220 kg/m 3 In de oude
buitenhaven is het droge stofgehalte erg afhankelijk van de diepte. Dit
kan verklaard worden doordat het meeste slib eioh in de nieuwe buitenhaven
afzet en daardoor het slib op een bepaalde diepte minder gekonsolideerd
is dan meer achter in de haven.
Bij situering van een slibgemaal in de nieuwe buitenhaven mag gerekend worden op slib met pdr = 220 kg/m3 en een t o = 10 N/m 2; pn = i145 kg/m 3 en
pk blijkt te liggen tussen 2500 en 2650 kg/m3.
.
3
Slibhoeveelheid
In de nieuwe buitenhaven wordt 1,5 à 2,3 miljoen m3 slib gezogen. Verondersteld wordt dat de aanslibbing vrij regelmatig plaatsvindt. Voor de bepaling
-van-
I
I
I
E
I
I
I
I
rijkswaterstaat
behoort bij:
datum:
bladnr:
notitie
mei 1980
6
WWKZ
nr:
80.H243
van de kapaoiteit van het slibgemaal zullen we een hoeveelheid van
= 3.500 m 3 /getij.
2.450.000 m 3 aanhouden. Dit is
700
LJ
Pompinstallatie met persleiding
Bij een zuigtijd van 3 uur per getij is het te verpompen debiet:
2
2
0,325 m3/s; Q = v.aED : 0,325 = v.0,7854 D
I
I
+=
3.3 00
dus v
0,4138 of D
=
dT
D2
I
I
0,64343
hierin is: v
gemiddelde leidingsnelheid [ m / s ]
D = diameter van de persleiding [m]
De benodigde persdruk bedraagt:
2
2
PI h ( p ) g + g.p E + Cf. p~
x qL., hierin is:
2
2
D
I
I
5 m of minder
3
p = volume gewicht slib = 1145 kg/m
= koëfficiënt voor bocht, in- en uittreeverliezen g= 3
L = lengte persleiding = 2500 rn
Cf = weerstandskoëfficiënt van de l e i d i n g .
Bij turbulente stroming (Re > 2000 à 2500) : Cf = 8.10-3
2
Bij laminaire stroming Cf =
en Re =
Re
O
h
I
I
I
I
I8
1 s
FI
= opvoerhoogte, deze is na het aanzetten van de pomp
met in ons geval
=
TO =
10 N/m
2
, de
56160 + 1720 v2 + 71181 v2 \rv
stroming ie turbulent bij v
.
1,s m/s.
[N/m2 ]
Het in het mengsel opgenomen vermogen is: P x 0,325 [Nm/s]
Stel de effioiëncy = 70$, dan is het te installeren vermogen: P x 0,4643 kW
.
1000
-Laminaire------*--
rijkswaterctaat
I
I
I
I
I
I
I
I
I1
I
bladnr:
7
P=
=
56160 + 1720 v2 + 16 T O
- . P 2 .
B Pv2
56160 + 1720 v2 + 155417
Stel de effioiency
= 70$,
v2
&
=
WWKZ
56160 + 1720 v2
+
nr:
80.H243
To.4L
D
dan is het te installeren vermogen: P x 0,4642 kW.
1000
De optimale waarde van v kunnen we bepalen door een kostenoptimalisatie.
5
Kostenoptimalisatie
De
a.
b.
c.
d.
kosten van het slibgemaal kunnen worden onderverdeeld in:
aankoopkosten leiding
aankoopkosten pomp
exploitatiekosten
aanlegkosten
e. onderhoudskosten
ad a: Aankoopkosten leiding
...........................
I
I
datum:
notitie
mei 1980
behoort bij:
I
1
I
I
I
Aangenomen wordt dat de wanddikte van de leiding onafhankelijk is
van de diameter en 4 mm bedraagt.
1
Dr 0,004 x 7850 = 100 Dkg.
Het gewicht per m leiding is dan:
Bij 9 3,- per kilo is dit: K1 = 300 DL =
300.2500.0,64343 = 482572,5
E
V T
Aangenomen wordt dat de aankoopkosten zijn:
K = 1000 x aantal kW.
2
ad c: Expoitatiekosten
-__-__---------------
aanname: 1 kWh = f 0,25
K ' = aantal kW x 3 (uur/getij) x 700 (getijen/jaar) x 0,25 =
3
= aantal kW x 525 gulden/jaar.
-ad d en e:-
rij kswaterstaat
I
I
I
E
I
I
I
I
I
I
1
I
I
I
I
I
I
I8
11.
o
behoort bij: notitie
datum:
bladnr:
WWKZ
nr: 80,H24j
mei 1980
8
...........................
ad d en e: aanleg- en onderhoudskosten worden onafhankelijk van pomp- en
leidingdimensies verondersteld en zijn dus konstant.
Optimaliseren we de kosten bij een 5-jarig gebruik:
K = K1 + K2 + K3 + C1 + C2.
K = 482572,S + (1000 + 5 x 525
v
= 482572,5 + 1,6831P
P x 0,4643
P
1000
G
-------------------
Turbulente stroming; v a i,? m/s
R = 482572,z + 1,6831. (56160
\ry
(Deze vergelijking heeft een optimum bij V~
---------_-------
Laminaire stroming; v
E:
=
+ 1720 v2 + 71181 v2 \Iv)
482572,5
+ 1,6831
0,93 m/s rc i,? m/s).
< 195 m/s
(56160
+
1720 v
2
+ 155417 fl).
v7
(Deze vergelijking heeft een optimum bij v z 1,85 m/s>1,5 m/s).
Het kostenoptimum blijkt te liggen op het snijpunt van de 2 kostenkrommes,
dus voor 71181 v2 E = 155417\/v; v'c 1,5 m/s9 dus precies op de overgang
laminaire etroming naar turbulente stroming.
K
=
394.020
+
1,6831 (56160
+
3870
+
188922) = f 813.030,=
6 DimensionerinR pomp en persleiding
Bij v
=
l,5 m/s is de leidingdiameter D - 0.64543
=
0,525 m
6 7
Het te installeren vermogen is: P x 0,4642 = 116 kW.
1000
-1-
rij kcwaterstaat
behoort bij:
notitie
datum:
mei 1980
9
bladnr:
3
WWKZ n,r: 80.H243
Afmetinaen en ligging slibvang
De diepte van de zuigmond in het slib wordt bepaald door:
-2
h
= Psxv
, waarin:
2(
-
h
v
pa
pw
h
PU-
PWk
sliblaagdikte boven de zuigmond [In]
= gemiddelde leidingsnelheid = 1,5 m/s
i145 kg/m3
= 1025 kg/m3
= 1145.2,25 = 1,lO m
2~120~9.81
=
-
De zuigmond moet zich tenminste 1,lO m onder het sliboppervlak bevinden.
Het is echter gewenst de zuigmond circa 2 m onder de contractdiepte te situeren.
De helling waaronder het slib zich instelt bij h = 1,lO m bedraagt:
1
-
I
=
T
=
Ah
I
=
=
2
, waarin:
-( p6- pW)g. Ah
de helling waaronder het slib bijloopt
2
de bezwijkwaarda van het slib N/m
de dikte van de toestromende sliblaag
10
120.9,81.1,10
=
i:130
Indien de zuigmond op 2,O m onder de contractdiepte wordt gesitueerd bedraagt de beginhelling 1:235
Indien er minder dan 1,lO m slib op de zuigmond ligt zal indien met het opgegeven debiet gezogen wordt water meegezogen worden en de mengseldichtI wordt dan groter.
heid teruglopen.
.~
L
Indien er’meer dan 1,lO m slib op de zuigmond ligt zal indien de
P”-
PW
verhouding hetzelfde blijft de I afnemen.
Het is echter waarschijnlijk dat o.a. door consolidatie deze verhouding
-( 1ogaritmisch)-
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
rijkswaterstaat
behoort bij: notitie
datum:
mei 1960
bladnr:
10
Tlogaritmisch) toe aal nemen vanaf een bepaalde sliblaagdikte. I zal daardoor toenemen.
Voorlopig zullen we veronderstellen dat het slib onder een helling 1:130
toeloopt.
h
260m
--
ibtiing te verwijderen met baggeren
De put zal een cirkelvormig oppervlak beslaan met een straal van 260 m. De
theoretische inhoud bedraagt dan V = 1/3
TC
2602 .2 = 141.580 m 3 Indien
. .
.
al het slib uit de buitenhaven in de put bezinkt is deze put in circa
1 maand vol.
Veranderen de bezwijkwaarde T en het droge stofgehalte ps niet over de
diepte of blijft de verhouding 7:
-over de diepte gelijk, dat wil zeg-
.
_I
PS- P W
I.
I
%
5;
[ b
WWKZ n,r: 80.H243
gen er vindt geen o f nauwelijks konsolidatie plaats, dan zal de beginhelling
indien er 2 m slib boven de zuigmond staat 1:235 bedmgen. De put zal dan
een cirkelvormig oppervlak beslaan met een straal van 470 m en de theore2
3
tische inhoud zal dan V = l/3 T C
470
. ,2 = 462.650 m bedragen. De put vult
zich dan in circa 3 maanden.
Gekonkludeerd kan worden dat de slibopbrengst afhankelijk is van het putoppervlak, het putoppervlak is afhankelijk van de bezwijkwaarde, het droge
stofgehalte en de diepte van de zuigmond in het slib. De bezwijkwaarde en
het droge stofgehalte zijn in het algemeen afhankelijk van de dikte van het
slib, dus van de konsolidatie. Is de put snel vol dan is de konsolidatietijd kort en zal 7: en p s over de diepte nauwelijks veranderen.
Om de putafmetingen goed te bepalen zijn moet de konsolidatie van het slib
bekend zijn, dat wil zeggen de verandering van T en pe in de tijd (en
met toenemende bovenbelasting van het bovenliggende slib).
Indien de vaargeul op diepte moet worden gehouden, dient de put in de vaargeul gesitueerd te zijn. De praktische putafmetingen zijn dan (zie bijlage 5):
-bij I-
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
‘I
I
I
I
I
rijkswaterstaat
datum:
notitie
mei 1980
bladnr:
11
behoort bij:
bij I = l:l3O; lengte
bij I 1:235; lengte
D
mz
nr: 80.~243
500 m; breedtez.300 m; diepte 2 m
900 m; breedte ”, 300 m; diepte 2 m.
Het te verrichten extra baggerwerk bedraagt dan respektievelijk circa
150.000 m 3 resp. 300.000 m 3 (Moet worden nagegaan!).
.
8
Kostenvergelijking normaal banneren versus slibgemaal
Een globale kostenvergelijking tussen normaal baggeren en een slibgemaal
kan er, voor een 5-jaarlijkse periode, als volgt uitzien:
normaal baggeren
5
x 2.000.000
m 3 x f 2,= (geschat)
ca. 20.10 6
6
1.10
1 A 2.10 6
6
0,5 1.10
6
0,5.10
aankoop leiding, pomp; exploitatie
aanlegkosten slibgemaal
aanleg slibvang A f 3,=/m 3
ca.
onderhoudskosten
ca. 20.10 6
9
slibgemaal
3
6
4,5.10
Invloed van het wegbaggeren van de zanddrempel
Bij de kop van de noorderbuitsnha.vendam zit een zanddrempel.
Deze zanddrempel kan 2 oorzaken van ontstaan hebben:
a. Bij de vloedstroom ontstaat ten noorden van de zuiderhavendm een neer,
door de geringere stroomsnelheden in de neer slaat zand neer.
b. De ebstroom komt na passage van de noorderhavendam in de diepere vaargeul, hierdoor vindt etroomsnelheidevermindering plaats en daardoor eedimentatie.
Wegbaggeren van de drempel verandert het stroombeeld niet of nauwelijks,
de drempel zal vanzelf weer ontstaan.
Een gedachte was dat indien de zanddrempel weggebaggerd wordt het slib uit
de buitenhaven in de erosieput voor de havenden kan stromen. Uit het krach-ten-
rijkswaterstaat
I
behoort bij: notitie
datum:
mei 1980
bladnr:
12
I
I
I
I
I
WWKZ nr: 80.H243
etenevenwicht volgt dan de slibhelling, deze is: I =
waarin h de
P
e
;
h
sliblaagdikte is.
Het verhang is naar schatting -*1000' indien t = 1 0 N /m 2 en p = li45 kg/m 3
zal het slib in de put gaan stromen bij een laagdikte van 20 ca. Doordat
het slib in de havenmond vermengd wordt met zand zal T zeer sterk kunnen
toenemen, hierdoor zal pas toestroming plaats kunnen vinden bij grote sliblaagdikte.
Om bovengenoemde redenen bestaat de indruk dat wegbaggeren van de zanddrempel niet bijdraagt tot een minimalisatie van de baggerkosten.
10 Konklusiet? en aanbevelingen
Het volumegewicht van het slib uit de buitenhaven van IJmuiden blijkt uit
de bepaling met de pyknometer erg laag te zijn en 1145 kg/m3 te bedragen.
Uit dit volumegewicht resulteert een droge stofgehalte van 220 kg/m 3
Bij een zuigtijd van 3 uur per getij is, bij een ?-jarig gebruik van het
slibgemaal, de optimale leidingsnelheid 1,5 m/s, de leidingdiameter 0,'525 m
en het te installeren vermogen 116 kh'. Hierbij is uitgegaan van een leidinglengte van 2,5 ka. De putafmeting is afhankelijk van de slibeigenschappen ( t en p s ) op grotere diepte (diepte zuigmond), deze slibeigensohappen
zijn afhankelijk van de consolidatie. Hiernaar moet aanvullend onderzoek
uitgevoerd worden.
De hoeveelheid baggerwerk voor de slibvang bedraagt i5O.OOO m 3 à 300.000 m 3
.
I
I
I
I
I
I
.
Het wegbaggeren van de zanddrempel bij de noorderhavendam zal waarsohijnlijk niet bijdragen tot een minimalisatie van de baggerkosten.
\
I'