Transcript 65524 (7.43MB)

t'l? &S2k
FILTEROPBOUW HAVENDAMMEN
III
KRITIEKE VERHANGEN
RAPPORT MODELONDERZOEK
B 1 S L I 0 T H E E 1<
Wenst Weg- en Wteb
stbus 5044, 2600 G
TeL 015-
WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM
D E L F T
14
M905
9.5
-
UÂTERLOOPKTJ1D IG LABORATORIUld
FILTEROPBOTJ1 HLVEIMUSUN
III
KRITIEKE VERHLNGEN
Rapport modelonderzoek
)ienst Weg en WtorLv.
-
?~(?
M C)05
januari 1969
sll-bus 5044, 2600 GA DELH
:r&. 015-699111
INHOUD
blz.
INLEIDING
1
1.1. Opdracht 1
1.2. Samenvatting van de resultaten 1
OVERGANG VAN ZEEZAND NAAR GRIND 2
11.1. Meetopstellingen en materialen 2
11.2, Metingen bij horizontaal zandbed 3
11.3. Metingen bij zandbed onder helling 14 5
OVERGANG VAN GRIND NAAR STORTSTEEN
6
111.1. Meetopstellingen en materialen 6
111.2. Metingen 6
111.3. Bewerking van enige meetresultaten van de onder- 8
zoeken It 633 en II 905
F IGIJHEN
Meetopstelling. Overgang van zeezand naar grind. Horizontaal zandbed.
Overgang van zeezand naar grind. Zeefkrommen van het zand,
Overgang van zeezand naar grind. Zeefkrommen van het grind.
iletingen met fijn zand onder grind. Horizontaal zandbed.
Metingen met matig fijn en matig grof zand onder grind. Horizontaal
zandbed.
Metingen met fijn zand onder grind. Zandbed onder helling 1 :4.
IIetingen met fijn zand onder grind. Horizontaal zandbed - herhaling.
Metingen met matig fijn zand onder grind. Zandbed onder helling 14- ,
Metingen met matig fijn zand onder grind. Horizontaal zandbed herhaling.
Meetopstelling, overgang van grind naar stortsteen, proeven a, b en c.
Meetopstelling, overgang van grind naar storisteen, proef d.
Overgang van grind naar storisteen. Zeefkrommen van het grind.
Stabiliteit van verschillende grindsoorten onder s±ortsteen
300 - 1000 kg.
FILTEB.OPBOUW HLVENDAiUvN III - IMITIEKE VERH.NGEN
I. INLEIDING
1.1, Opdracht
Door de Rijkswaterstaat, Directie Sluizen en Stuwen, Bouwbureau
Havenmond IJmuiden, werd in een brief van 20 april 1966, kenmerk
no. 736, aan het Waterloopkundig Laboratorium opdracht gegeven tot een
onderzoek naar de filtereisen voor de funderingslaag en de aansluitende
bodemverdediging van havenhoofden. De behandeling van dit vraagstuk is
in de loop van het onderzoek overgegaan in handen van het Bouwbureau
Havenmonden van de Directie Benedenrivieren.
De werkzaamheden voor dit rapport dienden te omvatten het bepalen
van de optredende verhangen, en het bepalen van de kritieke verhangen
voor de verschillende overgangen tussen de filterlagen. Van praktisch
belang zijn slechts de overgang Van het zeezand naar de grindlaag en de
overgang van de grindlaag naar de stortsteenlaag. De resultaten van de
metingen van de optredende verhangen worden gegeven in twee rapporten:
M 905 - Filteropbouw voor los gestorte Iiavendammen, en
M 905 - Filteropbouw havendammen II - Optredende verhangen,
De resultaten van de metingen van de kritieke verhangen worden beschreven in het onderhavige rapport.
Het onderzoek is in nauw overleg met de betrokken diensten van
de Rijkswaterstaat uitgevoerd. De proeven zijn tussen januari
1966
en maart 1968 verricht onder leiding van ir. J.D. van den Bunt, die
tevens dit verslag samenstelde.
1.2. Samenvatting van de resultaten
Hierna volgen in drie tabellen de kritieke verhangen voor verschillende materialen die zijn afgedekt met een bovenlaag van grover
materiaal (zie voor de meetopstellingen fig. 1 1 10 en 11).
2.
Tabel 1. Zand onder grind.; zandbed horizon -taal
r 50
dvan het
-
grindsoori
dvan hei
i
50
kritiek
grind in mm
- zand in um
130
uitgezeefd zsegrind 1
15 1 4
0 1 17
130
hand.elsgrind 1
29 1 0
0,10
220
zeegrind
14,0
> 0,28
220
uitgezeefcl zeegriiid.
15,4
0,26
220
handelsgrind. II
29,0
0,09
220
Maingrind 1
55,0
0,09
220
mijnsteen
400
"•'0,14
1Maingrinci.
II
1
0,22
42,0
Tabel II. Zand onder grind zancibed horizontaal en onder helling
helling
dvan het
zandbed
zand in jim
50
14--
130
horizontaal
130
50
i
krltieL
grind in mm
14,0
0 9 14
it
"
0915
ff
tf
0,17
ui -tgezeefd. zeegrind. II
220
horizontaal
dvan hei
grindsoort
0,25j
220
Tabel III. Grind onder stortsteen
grindnoor±
dvan het
50
grind in min
zoons ton1 steen
stukgew icht 1
stortsteen in kg
i
k ritiek
--
zeegrind
15,4
quarry-run
7,5 - 15
0 1 22
zeegrind
15,4
lichte stontsteen
10- 60
0 2 08
landgrind. 1
80
zvrare stontsteen
300- 1000
0,31
land.grind. II
80
zware storisteen
300- 1000j
0,30
II.OVERGANGVANZEEZkNDNfLRGO. 1MB
11.1. Ivleetopstelling en materialen
In fig. 1 is een schets gegeven van de meetopstelling bij een horizontaal zand.bed. De opstelling waarbij het zandbed onder een helling 16i
0
ligt is hieraan gelijk5 alles is alleen ca. 12 gedraaid.
De stroming is permanent en twee-dimensionaal. Getracht is ook de
stroomlijnen in het grind en in het zand horizontaal te doen verlopen.
De invloed van vertikale snelheden en de invloed van de periodiciteit
van het verhang zijn verwaarloosd. De proeven zijn verricht met mate-
01
rialen op ware grootte. Het zand en het grind, zijn s'bcecis droog in het
model gestort. De opstellingen waren zo ingericht dat •bij zettingen van
de grindlaag door uitspoeling van zand de roosters en de afdek,konstrukties met het grind konden meezakkeri,
De 'bovenbelasting, 1oestaande uit acht betonnen kan'bsiroken moest voorkomen dat de afdekkonstruktie door overdrukken in het filter werd opgelicht. De invloed van de bovenbelasting op het zandtransport of op het
kritieke verhang is niet nagegaan. De zetting van het filter aan het
eind van de proef bedroeg in de meeste gevallen ongeveer 10 cm. De zandtransporten werden volumetrisch bepaald met een zandvang.
De korrelverdelingen van de verschillende gebruikte materialen zijn
weergegeven op de figuren 2 en 3. De lijnen van fig. 3 geven feitelijk
de gewichtsverdeling naar aantal korrels weer, waarbij de korrelgewichten
zijn omgerekend naar korrelafmetingen, met de aanname dat de korrels
kubusvormig zijn. De verdeling is bepaald door weging van 100 korrels.
Onder uitgezeefd zeegrind dient te worden verstaan normaal zeegrind waaruit alle korrels, kleiner dan5mm zijn verwijderd om uitspoeling van de
fijne frakties tijdens het storten te simuleren. Handelagrind 1 was samengesteld uit een aantal grindsoorten. De zeefkromme is gelijk gemaakt
aan die van handelsgrind II, maar de korrelvormen zullen waarschijnlijk
anders geweest zijn.
11.2. Metingen bij horizontaal zandbed,
Er zijn proeven verricht met de volgende zandsoorten
dr0 =l3O.Lm, d50 =22Omend50 =4OOm.
De eerste twee zandsoorten kunnen voorkomen in de omgeving van Hoek van
Holland. Het zand met d50 = 400 im zou voor een tussenlaag tussen het
aanwezige zeezand en het grind kunnen worden gebruikt.
De volgende zand-grind kombinaties zijn beproefde
A. zand d50 = 130 im met a, uitgezeefd zeegrind 1 d = 15,4 mm
50
b. handelsgrind 1 29,0 mm
B. zand d.50 = 220 .im met a. zeegrind14,0 mm
b. uitgezeefd zeegrind 115,4 mm
C. handelsgrincl II 29,0 mm
Maingrind. 155,0 mm
mijnsteen ?
C. zand d50 = 400 im met a. Maingrind 11 42 9 0 mm
Wanneer een bepaald verhang, groter dan het kritieke verhang, was
ingesteld nam steeds het transport gedurende cle eerste 10 uur stromen
sterk af, terwijl na 20 i. 30 uur stromen het transport weinig meer veranderde. Hierbij wordt "transport'T gedefinieerd als de hoeveelheid zand
die per tijdseenheid wordt ouenomen uit een oppervlakte-eenheid, van
het zandbed. De tijd gedurende welke een transport naar één kant optreedt
zal korter zijn dan een halve golfperiode, en de hoeveelheid bewegend
zand zal vrijwel nooit zé groot zijn dat verzadigingsverschijnselen
optreden waardoor het in beweging brengen van zand wordt belemmerd door
teveel reeds bewegend zand. De proeven zijn daarom steeds zo uitgevoerd
dat eerst met de betreffende opstelling een duurproef van 20
t
30 uur
werd verricht bij een zodanig verhang dat een redelijk groot zandtransport optrad zonder dat aan het eind van de duurproef al het zand uit de
opstelling verdwenen zou zijn. Vervolgens werden met het zo enigszins
gekonsolideercie grindfilter zandtransporten als funktie van het verhang
gemeten. Elk van deze metingen duurde ongeveer een half uur. De resultaten van deze proeven zijn uitgezet in fig. 4 en 5. Hierbij wordt riet
volgende opgemerkt: Bij gelijk verhang blijkt het transport van zand van
130 ,tm onder handelsgrind 1 kleiner te zijn dan dat van zand van 220 pm
onder handelsgrind II met dezelfde zeefkromme. Waarschijnlijk hebben
korrelvorm en pakking van het grind een grote invloed op de stabiliteit
van het onderliggende zand. Verder was bij de proef met zeegrind.
d50 = 1 4,0 mm op zand d50 = 220 m het kritieke verhang groter dan 28
(grotere verhangen konden niet worden gerealiseerd). Het zeegrind out/
leent zijn goede stabiliserende werking mogelijk aan de sterk vertegenwoordigde fijne fraktie < 5 min, voornamelijk bestaande uit betrekkelijk
lichte scesten. Deze deeltjes zakten (zichtbaar door de glasruit
van de goot) door de holten tussen de grove korrels en vormden zo een
beschermende laag op het zand. Verwacht mag daarom worden dat de stabiliteit van fijn zand van 130 im onder zeegrnd eveneens vrij goed is.
Gevreesd moet echter worden dat deze fijne, lichte schelpresten bij het
storten in 10 15 m diep water niet gelijk met de grove korrels op de
bodem zullen aankomen. Daarom zijn ook proeven gedaan met zeegrind
waarbij alle korrels kleiner dan 5 mm zijn uitgezeefd,. De proef met ilaingrind II op zand d50 = 400 im tenslotte,had als bijzonderheid dat wel de
kleine zanclkorrels werden uitgespoeld, maar de grote korrels bleven lipgen (dit zand had een grote spreiding in korrelafmetingen, zie fig.
\).
.2.
'S
Deze achterblijvende grove korrels vormden weer een beschermende laag op
het zand waardoor het transport tijdens het stromen zeer snel in de tijd
afnam, zie duurproef op fig. 5.
In de grafieken voor het zandtransport als funktie van het verhang
zijn rechten getrokken door punten voor transporten van 5 1/m2 uur en
1 1/m2 uur. De waarde van het verhang die wordt gevonden door naar transport = 0 te ex±rapoleren wordt hier gedefinieerd als kritiek verhang.
Een opsomming van zo gevonden kritieke verhangen volgt hieronder.
50
zand
van het
soort grind
d50 van het
kri±iek
grind
uitgezoefc3.zeegrind 1
15,4 mm
0 2 17
130m
handelsgrind 1
29,0 mm
0,10
220 .tm
zeegrin d_
14,0 min
220 un
uitgezeef zcgrind 1
15,4 mm
0 1 26
220 im
handelsgrind II
29 1 0 mm
0 9 09
220 p m
Lïaingrind 1
55,0 mm
0,09
220 I.m
mijnsteen
400 Pm
LIaingrind II
42,0 mm
0,22
130
m
)
0,28
11.3. Metingen bij zandbed onder helling 14-
Als aaninmlling op de proeven die zijn beschreven in 11.2. zijn
enkele proeven verricht waarbij het grensviak tussen zand en grind onder
een neerwaartse helling 14 - ligt. Daarvoor is een nieuwe hoeveelheid
zeegrind aangevoerd en uitgezeefd. Dit materiaal wordt verder uitgezeefd
3, d50 = 15 1 0 mm.
Voor deze proeven is hetzelfde zand gebruikt als voor de proeven van
zeegrind II genoemd. De zeefkromrne wordt gegeven in fig.
11.3. Gewaarschuwd door de verschillen in de resultaten van de proeven
met handelsgrind. 1 en handelsgrind ii zijn ook de proeven voor eezi horizontaal zandbed herhaald om de invloed, van de helling goed te kunnen onderkennen. De uitvoering van de proeven was zoals reeds beschreven in
11.2. Hieronder volgt een overzicht van uitgevoerde proeven, figuren
waarin de meetresultaten zijn weergegeven, en gevonden kritieke verhangen
rl
helling
andbed
horizontaal
horizontaal
d50 van het
aantal
zand
proeven
figuur
i kritiek
130 im
3
6
0,14
130 im
220m
220 p.m
3
7
8
0 7 15
9
0,25
3
3
0,17
Waargenomen werd dat bij de proeven met het zancibed onder een
helling 1:4-- de opname van zand aan de bovenstroomse zijde van de
opstelling groter was dan aan de beneclenstroomse kant, terwijl de opname
bij een horizontaal zandbed gelijkmatig geschiedde.
Ook is nog een proef uitgevoerd met helling 1:4, zand met
c150 = 130 im enniet-uitgezeefd zeegrind. Daarbij bleek tot het maximaal
realiseerbare verhang, i = 0,34,transport op te treden. Dit kwam
mogelijk door dat de fijne korrels en schelprestenhet grindpakket
zakten en een afscherrnend.e laag op het zand vormden.
III, OVERGANG VAN GRIND NAAR STORTSTEEN
11101. Meetoøstellingen en materialen
In fig. 10 en 11 zijn schetsen gegeven van de gebruikte meetopstellingen voor de proeven Illa t/m Ilid. De korrelverdelingen van de gebruikte grindsoor -ten zijn weergegeven in fig. 12. De lijnen in deze figuur zijn eigenlijk gewichtsverd.elingen van de korrels, waarbij de korrelgewichten zijn omgerekend naar korrelafmetingen, aannemend dat de korrels
kubusvormig zijn. In tegenstelling tot cie proeven met zand onder zeegrind
zijn bij de proeven met stortsteen de materialen niet op ware grootte
gereproduceerd,
111.2. Metingen
Dc volgende konstrukties zijn onderzocht:
zeegrind onder quarry - run, schaal 1:2,2
zeegrind onder lichte stortsteen, schaal 1:6,0
landgrind onder zware stortsteen, schaal 1:5,4
landgrind onder zware stortsteen, schaal 1:2,9
7.
Het kritieke verhang is bij cle proeven a, b en c als volgt bepaald:
eerst is een zodanig verhang ingesteld dat enig transport optrad.
Na
enkele uren stromen werd het verhang verkleind tot een waarde waarbij
juist geen grind-transport meer optrad. Dit verhang nu is gedefinieerd
als kritiek verhang. Bij de laatste proef, die in het Laboratorium
"De Voorst" is uitgevoerd, is als kritiek verhang gedefinieerd het verhang waarbij enig transport begon op te treden.
Van elk van de proeven volgt hierna een korte beschrijving met het
resultaat van de betreffende meting. Voor beide materialen geldt dezelfde
lengteschaal. De schaalfaktor werd bepaald door beschikbare ruimte en
voorhanden zijnde materialen. Jir zullen geen beschouwingen aan mogelijke
schaaleffekten worden gewijd.
a. De stabiliteit van zeegrind onder quarry-run, lengteschaal 1:2,2.
7, 0 mm, het
steengewicht van de quarry-run lag tussen 0,7 en 1,4 kg. Dit komt overeen met prototypegrootheden van d 50 = 15,4 mm en steengewichten tussen
Het zeegrind was in het model fijn grind met d 5
7,5 en 15 kg, De proef is 4 maal verricht. De eerste keer werden de
materialen droog in de goot gebracht.(Voor de opstelling zie fig, 10).
Het kritiek verhang bleek 0,32 te zijn. De drie volgende keren zijn
de materialen in ca. 1 m diep water gestort. De kritieke verhangen
varen toen resp. 0,24, 0,13 en 0,23.
b, De stabiliteit van zeegrind onder lichte storisteen, lengteschaal
1:6 9 0.
liet lichte stortsteen wordt hier bedoeld stortsieen met een stukgewicht van 10 tot 60 kg, tervijl het zeegrind in prototype een gern.
korreldiameter van 15,4 mm heeft. De proef is op zeer kleine schaal gedaan: de d50 van het grind was 2,5 mm (grindzand) en het stukgewicht
van de stortsteen lag tussen 0,04 en 0,30 kg. De materialen zijn in
ca. 1 m diep water gestort. De proef is twee maal uitgevoerd en in beide
gevallen bedroeg het icritieke verhang 0,08.
c. De stabiliteit van landgrind onder zware stortsteen, lengteschaal 1 :574.
Materialen: landgrind met d50 = 80 mm en stortsteen van
300 - 1000 kg, In model: landgrind 1 met d50 = 14 1 8 —, steengewicht
tussen 0,9 een 11,0 kg, (De spreiding was dus iets te groot). Bij de
8.
eerste proef zijn de materialen droog in de goot gestort, de tweede
keer zijn ze in ca. 1 m water gestort. De gemeten kritieke verhangen
bedroegen 0,30 en 0 1 32.
cL. De stabiliteit van landgrind onder zware stortsteen, lengteschaal 1:2 9 9.
In prototype maten: landgrind met d 50 = 80 min en steengewichten van
300 - 1000 kg. In het model was dit landgrind II met d. 50 = 27,5 min,
steengewichten tussen 9 en 45 kg. (Ook hier was de spreiding te groot).
Deze proef was bedoeld als kontrole op proef c. Proef d is uitgevoerd
in de grote stroomgoot in het laboratorium "De Voorst". Daardoor kon
een grotere schaal worden toegepast en het wandeffekt worden verkleind.
De opstelling is geschetst in fig. 11. De materialen zijn in ca. 2
in
water gestort. De proef is twee maal verricht. De eerste maal is het
verhang opgevoerd tot 0,45 zonder dat enig transport optrad. Bij de
tweede proef bedroeg het kritieke verhang 0,30. De oorzaak van dit
grote verschil lag mogelijk in de wijze waarop de stortsteen zich bij
het storten op het grind stapelde. De doorlatendheid was de tweede keer,
blijkens debietmetingen, ook 15% kleiner dan de eerste maal.
111.3. Bewerking van enige meetresultaten van de onderzoeken lvi 633
en II 905.
Drie mee -tgegevens van het onderzoek ii 633, betrekking hebbend op
de stabiliteit van grind onder een stortsteenpakket, zijn tezamen met
de resultaten die zijn beschreven in 111.2, aan een bepaaldebewerking
onderworpen. Op elk van de proeven is een zodanige schaalvergroting toegepast dat de stortsteen in prototype een stukgewicht van de 300 - 1000 kg
kreeg. Daaruit volgde ook de schaalfaktor voor de d van het grind,
50
terwijl de verhangen steeds op schaal 1:1 zijn weergegeven. Het resultaat van deze bewerking is weergegeven in fig. 13. Ofschoon op de verschillende proeven sterk verschillende schaalvergrotingen zijn togepast,
variërend van 2,9 tot 17, blijken de punten toch redelijk op een lijn te
liggen. Voor een bepaalde grinclkorrelafmeting kan zo een redelijk indruk
van de stabiliteit van dat grind onder stortsteen van 300 - 1000 kg
worden verkregen. De schaalinvloeden worden hij verdere extrapolatie
gering geacht.
2,10
IL 8 UISJES
BALLAST
rT
CHUIMPLASTIC
GRIND
-
ZAND VANG
GROVE ROÛSTERS
FIJN KOPERGAAS
GOOTBREEDTE = 0,70 m.
MEETOPSTELLING OVERGANG VAN ZEEZAND NAAR GRIND
HORIZONTAAL ZANDBED
I
I
MATEN INm. F
SCHAAL 1:20 A4
WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM M.905 - 1001I FIG.1
VOOR GA TZEVEN
u
0
C3
0
rrl
N
__
(
12 mm) DIAMETER MET 15
%
GEREDUCEERD
Ol
______
___
1
o
>
rr
>
/
80
70
r n 60
tu
30
N
O
j-
----------------------
°
rri
rn
___ __
___
__
__
-----------------
__
20
C
1
---------__
__
_
__
___
20
30
40
__
50
-60
70
__
80
--90
5
95
-
99
rtl
1
T
- - -
7
_
__
L
0
-L___
0
r¼)(4),
(0
0
_
_
(4
.
Q)(O
ow DIA M. IN mm
-0
•
FUN ZAND
d50
130 lim
MATIG FUN ZAND
d50
=220 j.m
. MATIG GROF ZAND d5o:4004m
tj
-
-T-'
r
10
0,1
-
r
99
e
rr,
-
1
l
99,9
>
H
0
0
v
0
c
rri
99
'(1)
-
717
z
rrl
rrl
0
-
i1
95
90
0
c
j10
0
>
-1
rri
lo
rri
:O
80
70
60
50
40
rl30
20
>
0,1
-
------99
0,1
Lj
(43.(,14
(-n
0
0
(4)
-
n
(4)
rrl
EEE1I
1
(0
0
30
rn
(00 0
o 0
(fl
999
:
Zt
r-
4c(0 O
0o 0 O
rr
- DIAM. IN mm rn
0—0 ZEEGRIND
d50 z 14,0 mm rn
d50 :15.4mm
• UITGEZEEFD ZEEGRIND 1
-® UITGEZEEFD ZEEGRIND ir
d5o z 14,0 mm
• HANDÉLSGRIND r EN ird5o = 29,0 mm
- MAINGRIND 1 d50 :55,0 mm
L MAINGRIND 11 d5o 43.0 mm