Nederlands-Vlaams Onderzoekscentrum voor Kustconstructies
Dutch-Flemish Centre for Coastal Structures Research

English version

Onderzoekslijnen


Stabiliteit betonnen elementen
In de huidige stabiliteitsformules wordt de stabiliteit berekend met een formule die gebaseerd is op breuksteen. De haakweerstand wordt toegevoegd als een toeslag op het gewicht. Fundamenteel is dit niet correct. Voor flauwe oevers is het gewicht maatgevend, voor steile oevers de haakweerstand. Echter, de haakweerstand hangt ook af van het gewicht dat rust op het betreffende blok, en dat hangt natuurlijk weer af van het blokgewicht. Er moet dus gewerkt worden naar een stabiliteitsformule waarin, naast het gewicht ook haakweerstand en de kracht ten gevolge van bovenliggende lagen zit. Deze laatste kracht is een functie van het individuele blokgewicht, de taludhelling, het aantal blokken en de weerstand tussen de blokken en de eerste filterlaag. 

Om hier inzicht in te krijgen is het nodig ten eerste een waarde te vinden voor de haakweerstand. Hierbij wordt gedacht dat de kracht die nodig is om een element uit het talud te trekken een maat is voor deze haakweerstand. Er loopt op dit moment een kleinschalig onderzoek bij DMC uitgevoerd door Marco de Lange.

Fases voor het onderzoek:

Gerelateerd onderzoek is een wat meer fundamentele lijn naar meer inzicht in het bezwijkgedrag van breuksteen (het waarom van de Van der Meer formule).

Relevante Nevlock studies:
Van Buchem, R.V. 2009 Stability of a single top layer of cubes
Van Zwicht, B.N.M. 2009 Effect of the concrete density on the stability of Xbloc armour units
De Rover, R.A. 2007 Breakwater stability with damaged single layer armour units


Tenen
De stabiliteit van een teenconstructie bij verschillende soorten vooroevers is een punt van discussie. Wereldwijd verschillen de inzichten hierover. Er is geen eenduidigheid over de berekeningsmethode noch over te vereiste stabiliteit. Belangrijk is om vast te stellen aan welke functionele eisen te teen moet voldoen (hij moet de armourlaag ondersteunen, dus hoeveel zakking van de armourlaag is toegestaan). Dus is de vraag hoeveel vervorming toegestaan kan worden en op welke plaats. Door Gerding en later door Docters van Leeuwen is een formule ontwikkeld voor de stabiliteit van tenen; deze is een functie van de golfhoogte, de waterdiepte boven de teen en de steengrootte. Voor een standaardontwerp leidt dit vaak tot goede antwoorden, zoals ook bevestigd is door onderzoek van Ebbens. Zoals door Baart is aangegeven, is een fundamenteel juistere aanpak het bepalen van de orbitaalsnelheid (en eventueel de turbulentie) boven de teen, en vervolgens de stabiliteit van de stenen van de teen bepalen als een functie van deze hydraulische parameters. Baart heeft hiervoor een voorbeeldberekening gemaakt, waarbij hij uitgaat van de lineaire golftheorie. 
Metingen van Nammuni-Krohn laten zien dat de lineaire golftheorie gemiddeld een goede voorspeller is, maar dat er een heel grote standaardafwijking rond dit gemiddelde is. En dit zijn waarnemingen met regelmatige golven. Toch lijkt deze weg het meest belovend. Vervolgonderzoek zal de door Nammuni-Krohn gevonden grote standaardafwijking moeten verklaren en berekenbaar maken, bovendien lijkt het zinvol om een goede schatting te maken van de tubulentie. 

Fases van het onderzoek:

Relevante Nevlock studies:
Nammuni-Krohn, J. 2009 Flow velocity at rubble mound breakwaters
Ebbens, R.E. 2009 Toe structures of rubble mound breakwater: stability in depth limited conditions
Dijkstra, O.P.J. 2008 Armour layer stability on a bermed slope breakwater
Baart, S.A. 2008 Toe structure for rubble mound breakwaters: analysis of toe bund design tools and a method for toe rock stability description
Hoan, N.T. 2008 Stone stability under non-uniform flow
Hofland, B, 2005 Rock and roll : turbulence-induced damage to granular bed protections
Van den Berk, M. 1999 Stability of toe and slope structures of rubble mound breakwaters
Docters van Leeuwen, L. 1996 Toe stability of rubble-mound breakwaters
Gerding, E. 1993 Toe structure stability of rubble mound breakwaters


Bermen

Er is een tendens om een berm voor de breakwater aan te leggen om de vereiste hoogte van de breakwater verminderen. Dit met het oog op een beter visueel kontakt met de zee (dit is vooral een vereiste bij recreatie en urbanisatie projecten). Goede ontwerpregels hiervoor ontbreken. Bovendien bestaat het risico dat door de berm de golfimpact op de breakwater anders wordt (van surging naar plunging). Er is natuurlijk een relatie met het onderzoek naar de teen-stabiliteit. Tot voor kort bestond alleen het beperkte onderzoek van Vermeer uit 1986. Onderzoek in Nevlock kader door Dijkstra heeft wat aanvullende gegevens opgeleverd, maar de beschikbare datasets zijn niet uitgebreid genoeg om nieuwe stabiliteitsformules te ontwikkelen. Tot nu toe werd er gebruik gemaakt van een stabiliteits-vergrotings factor, die geldig is voor alle stenen. Uit het onderzoek van Dijkstra volgt dat er voor het ondertalud, de horizontale berm en het boventalud aparte vergrotingsfactoren nodig zijn. 

Fases van het onderzoek:

Relevante Nevlock studies:
Dijkstra, O.P.J 2008 Armour layer stability on a bermed slope breakwater

Relevante andere studies:
Vermeer, A.C.M. 1986 Stability of rubble mound berms and toe constructions. Report on literature survey and model investigation [in Dutch]. Report no M2006, WL|Delft Hydraulics, Delft.


Golfhoogte aan de teen

Voor alle berekeningsmethoden is de golfhoogte aan de teen van de constructie de maatgevende waarde. Deze is echter vanwege de reflectie niet te meten, en er de inkomende golf wordt daarom berekend uit een set van drie golfhoogtemeters. Maar dit stelsel van drie meters beslaat een bepaalde afstand, en direct bij de teen van de breakwater is de golfhoogte zeker niet constant over deze afstand. Het is onduidelijk hoe hiermee omgegaan moet worden. Het ligt voor de hand om dit te onderzoeken door zowel proeven in een golfgoot als berekeningen met een geavanceerd rekenmodel (een VOF model, zoals Comflow of Cobras). In alle generieke proeven wordt altijd het Jonswap spectrum gebruikt. Hierop zijn alle formules afgeijkt. Men gaat er momenteel vanuit dan de combinatie H2% en Tm-1,0 de twee parameters zijn die het gedrag van de constructie volledig bepalen. In hoeverre dit juist is bij significant andere spectra (smalle deiningspectra bijvoorbeeld, of bij typische cycloon situaties) is onduidelijk. Onderzoek van Hovestad heeft uitgewezen dat een identieke waarde van H en T bij de teen verschillende schades kan opleveren afhankelijk van de vooroever

Fases van het onderzoek:

  • Inventarisaties van potentiële spectrumvormen die kunnen optreden bij de teen van een breakwater, bijv. door het ontwikkelen van een aantal test-vooroevers (steil, flauw, verschillende knikvormen) en met SWAN bepalen wat het optredende ondiepwater spectrum is, gegeven een aantal standaard diepwater spectra (Jonswap, maar ook typische deiningsspectra). 
  • Analyse van de "standaard" methode voor het splitsten van inkomend en gereflecteerd spectrum uit een array van drie golfhoogtemeters, en bepalen waar precies het "punt" ligt wat als resultaat uit deze methode komt.
  • Gootproeven uitvoeren naar de stabiliteit van breuksteen als functie van de inkomende golf ter plekke van de teen. Het onderzoek van Hovestad uitbreiden en het komen tot meer eenduidige interpretaties hiervan.

Relevante Nevlock studies:
Hovestad, M. 2005 Breakwaters on steep foreshores


Overslag

Er is heel veel bekend over overslag. Er is nog een vertaalslag nodig van de berekende overslag over de rand van de breakwater naar een willekeurig punt verderop (om antwoord te geven op de vraag hoe ver een bepaalde functie vanaf de rand van de breakwater verwijderd moet zijn). Methoden om de overslag over de golfbreker te bepalen zijn voldoende beschikbaar. Maar er zijn nog geen goede regels om hieruit de stabiliteit van de elementen op het binnentalud te berekenen. Een aanzet hiertoe is gegeven in het onderzoek van Bas van Dijk uit 2001, maar dat behoeft nog het nodige vervolg. Er is ook behoefte aan simpel ontwerpgereedschap om een verschillende geometrieën kostentechnisch met elkaar te vergelijken (bijv. hoge breakwater met onbeschermd binnentalud, een lage breakwater met een verdediging aan de binnenzijde en een lage breakwater met keermuur en onbeschermd binnentalud).

Fases van het onderzoek:

  • Comparison of the test results of Van Dijk and Van Gent/Pozueta.
  • Verification of the u1% as given by Van Gent (2003), especially in relation to the findings of Bosman (2009).
  • Include the impact of the plunge in a physicaly more correct way, with special focus on the plunge point

Relevante Nevlock studies:
Dijk, B. van 2001 The rear slope stability of rubble mound breakwaters
Bosman, G. 2009 Velocity and flow depth variations during wave overtopping

Relevante andere studies:
Van Gent, M. 2003 Wave overtopping events at dikes. Proc 28th int conf coastal engg, Cardiff, 7–12 Jul 2002. World Scientific, Singapore
Van Gent, M. and Puzueta, B. 2005 Rear-side stability of rubble mound structures. Proc int conf coastal engg, Lisbon, 19–24 Sep 2004. World Scientific, Singapore


Grensvlakstabiliteit

In CUR kader wordt hier op dit moment het een en ander aan gedaan. Het gedrag van imperfecte filters, in het bijzonder bij belasting door stroom en golven is onvoldoende bekend. Hierbij treden ook schaalproblemen op. Een oplossing zou kunnen zijn het gebruik van een oscillating wave tunnel. Deze faciliteit is bij Deltares beschikbaar. In het kader van het CUR project kan onderzocht worden of deze faciliteit weer uit de mottenballen gehaald kan worden (en wellicht naar het Waterlab van de TU gehaald kan worden). Hiervoor is dan wel nader overleg met de CUR groep nodig (met name met Verheij en Hoffmans).

Doorlatendheid

In de formule van Van der Meer wordt de doorlatendheid van de kern gerepresenteerd door de “notional permeability”. In de praktijk blijkt dit niet goed te voldoen, omdat er te vaak niet bekend is welke P gebruikt moet worden. Ook onbekend is het effect van een geotextiel in de constructie. Sommige ontwerpers eisen het gebruik van P=0.1 bij toepassing van geen geotextiel. Het is de vraag of dat altijd noodzakelijk is. Een probleem hierbij is de verschaling van een geotextiel in een modelproef. Een ander discussiepunt in dit kader is het effect van “vulllagen” in de kern ten behoeve van de uitvoering, zoals het tijdelijk aanbrengen van een werkweg. Geeft een dergelijke horizontale laag inderdaad een lagere “notional permeabilty”?

Onbeschermde kern en filters

Er is behoefte aan goede richtlijnen voor het omgaan met onbeschermde delen van de constructie tijdens de uitvoering. Bij standaardcontracten eist de opdrachtgever vaak dat er maar een heel klein deel van de breakwater uitgebouwd mag worden, bij design-and-build contracten is dit risico voor de aannemer, maar dat risico moet dan wel goed ingeschat kunnen worden. Naast het kunnen bepalen van de kans op vervorming van de onbeschermde kern en/of filterlaag speelt hierbij ook de vraag welke vervormingen geaccepteerd kunnen worden. In het verlengde hiervan ligt de vraag wat het transport van breuksteen door stroom en golven is. Vaak is het mogelijk om een constructie op een goedkope manier wat overdimensionering te geven en vervolgens enig transport toe te staan. Het is dan wel noodzakelijk om een goed inzicht te hebben in de verwachte mate van transport.

Roundheads

Er blijkt toch nog steeds een algemeen kennisprobleem t.a.v. roundheads te zijn. Onbekend is wat de optimale straal van zo'n roundhead is, en hoe je het beste de elementen hierop kan plaatsen. Voor Xbloc en Accropode wordt hiervoor een richtlijn door de blokontwerper gegeven, maar voor kubussen en Antifers niet. Door DMC is er al onderzoek naar dit onder¬werp voor het Xbloc gedaan, maar met name bij roundheads zijn er nog kennisleemtes.

Schroefstralen

Er is in het verleden onderzoek naar schroefstralen gedaan. Er zijn een aantal (stabiliteits) proeven gedaan met boegschroefstralen op een talud, en er zijn een aantal proeven gedaan met metingen van het stroombeeld (stroomsnelheid en turbulentie) van een boegschroef bij een verticale wand. Met een turbulentieprogramma (k-epsilon programma, Phoenics, een commercieel pakket) is de turbulentie ook in deze gevallen uitgerekend en vergeleken met de gemeten waarden. Dit bleek redelijk te werken. Inmiddels is Phoenics niet meer operationeel bij de sectie. Een vervanger hierover het pakket Deft (een RANS pakket van de TU Delft). De bedoeling is om met Deft complexe situaties met schroefstralen te kunnen doorrekenen, waarbij Deft op een willekeurig punt stroomsnelheid en turbulentie geeft. Door deze waarden in te voeren in stabiliteitsformule (met zowel stroom als turbulentie) kan de vereiste steengrootte bepaald worden. De formules van Jongeling, Hofland en Hoan kunnen hier een aanzet voor zijn. Een ander aspect hierbij is de schadeontwikkeling. Vaak is het toegestaan dat een enkele steen zich verplaatst. Er is echter te weinig inzicht in hoe snel zich een schade ontwikkeld.

Fases in het onderzoek:

  • Het opzetten van een Deft model met daarin een schip en een (boeg) schroefstraal en berekenen wat de stroming en turbulentie nabij de bodem zijn; het kalibreren van het model aan de hand van de metingen van Van Veldhoven, Nielsen en Van Blaaderen.
  • Het aanpassen van de formules van Jongeling Hofland en/of Hoan zodanig dat de stabiliteit in een turbulente schroefstraal bepaald kan worden.
  • Het uitvoeren van een experiment om de bovengenoemde formule te toetsen.

Relevante Nevlock studies:

Van Veldhoven, V.J.C.G.L. 2002 Vooronderzoek schroefstraal Op een talud met breuksteen: stroomsnelheden en steenstabiliteit
Schokking, L.A. 2002 Bowthruster-induced Damage
Nielsen, B.C. 2005 Bowthruster-Induced Damage: A physical model study on bowthruster-induced flow
Van Blaaderen, E.A. 2006 Modelling bowthruster induced flow near a quay-wall
Van der Laan, T 2005 Het ontwikkelen van een model voor boegschroefstralen bij verticale kademuren

Steentransport in stroom en golven

De formules van Shields en Izbash geven een waarde voor de stabiliteit van steen in normale stroming. Door Jongeling, Hofland en Hoan zijn deze formules uitgebreid voor toepassing in situaties met een arbitraire turbulentie. Bovendien is een overstap gemaakt naar een andere waarde om stabiliteit te beschrijven, nl. de entrainment rate. Dit maakt het ook mogelijk om transport van steen te beschrijven, dus feitelijk een verbetering te maken van de formule van Paintal.
Bovenstaande formules gelden voor (turbulente) stroming. Het effect van golven is in principe niet meegenomen. Voor niet-brekende golven wordt traditioneel de formule van Sleath gebruikt, maar hieraan kleven ook wel wat problemen. Er is op dit gebied wel wat onderzoek gedaan, met name door Terrile en Tromp, maar dat heeft nog niet tot een practische rekenmethode geleid. 
Uitbreiding hiervan is daarom gewenst, met name omdat dit ook  de basis is voor het bepalen van de stabiliteit onder schroefstralen.

Fases van het onderzoek:

  • De entrainment rate, zoals gebruikt door Hofland en Hoan uitbreiden tot een waarde die gebruikt kan worden voor het bepalen van transport of schade (bij lage transporten), en niet alleen als een "begin van bewegen" criterium. 
  • Het efect van golven inbrengen in deze methode en e.e.a. calibreren met de metingen van Tromp en Terrile

Relevante Nevlock studies:
Forschelen, P. 1999 Transport van granulair bodemmateriaal: Een onderzoek naar transport bij lage hydraulische belasting
Tromp, M. 2004 Influences of fluid accelerations on the threshold of motion
Terrile, E. 2004 The threshold of motion of coarse sediment particles by regular non-breaking waves
Terrile, E; Reniers, A; Stive, M; Tromp, M; Verhagen, H.J. 2006 Incipient motion of coarse particles under regular shoaling waves; Coastal Engineering (53) pp81-92
Hoan, N.T. 2008 Stone stability under non-uniform flow
Hofland, B, 2005 Rock and roll : turbulence-induced damage to granular bed protections
van den Bos, J.P. 2006 Design of granular near-bed structures in waves and currents
Dessens, M. 2004 The influence of flow acceleration on stone stability
de Ruijter, R. 2004 Turbulence structures affecting stone stability in backward-facing step flow: experiments by means of Particle Image Velocimetry
 


Marginale steenkwaliteit

In veel gevallen is geen steengroeve beschikbaar die steen levert van voldoende kwaliteit. Het is dan mogelijk om een ontwerp te maken waarin hier rekening wordt gehouden. Echter, er zijn geen praktische richtlijnen hoe dit gedaan moet worden. Hoe voorspel je de sterkteafname als functie van het degradatiegedrag van de steen? Het schijnt dat er in Iran nogal wat ervaring is met deze vorm van construeren.

Ontwerpfaalkansen

Een wat ander soort probleem is het feit dat op dit moment vaak ontworpen wordt op een golfhoogte die 150% van de “ontwerpgolfhoogte” is, waarbij “ontwerpgolfhoogte” die golfhoogte is die dezelfde terugkeertijd heeft als de levensduur van de constructie (dus als de levensduur van een constructie 100 jaar moe zijn, wordt vaak ontworpen op een Hs die 1,5 keer de golfhoogte is met een kans van 1/100ste per jaar). Het is verstandiger om te ontwerpen op een golfhoogte die bijv. een kans van 5% heeft om tijdens de levensduur van de constructie voor te komen. PIANC heeft geprobeerd om hiervoor een methode met partiële veiligheidscoëfficienten in te voeren. In principe is dat een goede methode, maar de uitvoering daarvan is zo gecompliceerd, dat deze methode in de praktijk nooit wordt toegepast. Het is zelfs zo dat een volledige probabilistische berekening simpeler is dan de PIANC methode met partiële veiligheidscoëfficienten.

 

 

 

 


Het Nederlands-Vlaams onderzoekscentrum voor kustconstructies is een samenwerkingsverband tussen de TU Delft, Universiteit Gent, Van Oord, Royal Boskalis Westminster, BAM en Deme. Het doel is gezamelijk onderzoek te initieren en uit te voeren op het gebied van constructies voor kustbescherming zoals havendammen, bodembeschermingen, dijkbekledingen en dergelijke. Voor informatie:  mail@nevlock.nl.
Postadres: TU-Delft-Sectie Waterbouwkunde - Postbus 5048 - NL2600GA Delft