Overslagberekening Loodswezenplein Nieuwpoort

Transcriptie

1 departement Mobiliteit en Openbare Werken Overslagberekening Loodswezenplein Nieuwpoort 15_005 WL Adviezen Vlaamse overheid

2 Vanneste, D., Verwaest, T., M ostaert, F. Oktober 2015 WL2015A15_005_1

3 Deze publicatie dient als volgt geciteerd te worden: Vanneste, D., Verwaest, T., M ostaert, F. (2015). Overslagberekening Loodswezenplein Nieuwpoort: Versie 4.0. WL Adviezen, 15_005. Waterbouwkundig Laboratorium: Antwerpen, België. Waterbouwkundig Laboratorium Flanders Hydraulics Research Berchemlei 115 B-2140 Antwerpen Tel. +32 (0) Fax +32 (0) waterbouwkundiglabo@vlaanderen.be Niets uit deze uitgave mag worden verveelvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welk andere wijze ook zonder voorafgaande toestemming van de uitgever.

4 Documentidentificatie Titel: Overslagberekening Loodswezenplein Nieuwpoort: Opdrachtgever: Klant/opdrachtgever Ref.: WL2015A15_005_1 Keywords (3-5): overslagberekening, stormvloedkering Nieuwpoort Tekst (p.): 9 Bijlagen (p.): / Vertrouwelijk: Ja Uitzondering: Opdrachtgever Intern Vlaamse overheid Vrijgegeven vanaf: / Nee Online beschikbaar Goedkeuring Auteur Revisor Projectleider Coördinator Studie & Advies Afdelingshoofd Vanneste, D. Verwaest, T. Vanneste, D. Verwaest, T. Mostaert, F. Revisies Nr. Datum Omschrijving Auteur(s) Conceptversie Dieter Vanneste Inhoudelijke revisie Toon Verwaest Revisie opdrachtgever Dieter Vanneste Definitieve versie Dieter Vanneste Abstract De klassieke overslagformules (EuroTop, 2007) werden toegepast om inzicht te verwerven over het gemiddeld overslagdebiet over het talud naast het Loodswezenplein, Nieuwpoort. De basisformule werd aangevuld met reductiefactoren (Van Doorslaer en de Rouck, 2015) voor de aanwezigheid van een promenade, een verticale muur, of de combinatie van beide. De overslagdebieten werden berekend voor 2 typesecties: één met verhoogde promenade en één met promenade en stormmuur. De golf- en waterstand condities die uitgerekend werden komen overeen met de 1000-jarige storm. Uit de berekende overslagdebieten blijkt dat de toevoeging van reductiefactoren aan de EuroTop overslagformule een significante reductie van het overslagdebiet oplevert. Zoals te verwachten is de plaatsing van een stormmuur beduidend efficiënter dan het aanleggen van een promenade onder helling. In deze studie zijn een aantal deelprocessen niet beschouwd, o.a. de geleidingsstructuur voor de ingang van de stormvloedkering en de ruimtelijke verdeling van het overslagdebiet over het plein. Het is raadzaam om verdere modelbeproeving uit te voeren indien de overslagdebieten met grotere precisie bepaald willen worden.

5 Inhoudstafel Inhoudstafel... I Lijst van de tabellen... II Lijst van de figuren... III 1. Probleemstelling Methodologie Berekening overslagdebiet Hydraulische randvoorwaarden 1000-jarige storm Waterpeil Golfhoogte Golfperiode Schematisering dwarssectie Rekenmethodes Overslagdebieten typesectie Overslagdebieten typesectie Berekende waarden met verschillende overslagformules... 6 Invloed van richting golfaanval Opmerkingen bij de berekende overslagdebieten Conclusies Referenties... 9 Definitieve versie WL2015A15_005_1 I

6 Lijst van de tabellen Tabel 1: berekende gemiddelde overslagdebieten (l/s/m), typesectie Tabel 2: berekende gemiddelde overslagdebieten (l/s/m)... 7 Tabel 3: berekende gemiddelde overslagdebieten (l/s/m) per golfrichting... 7 Definitieve versie WL2015A15_005_1 II

7 Lijst van de figuren Figuur 1: (a) stormvloedkering in de havengeul Nieuwpoort, (b) detailweergave positie stormvloedkering (volle lijn) en huidige mobiele kering op het Loodswezenplein (stippellijn), (c) artist impression stormvloedkering met aangepast plein naast landhoofd (bron: Afdeling Kust)... 1 Figuur 2: extreme waardenverdeling van de golfhoogte in uitvoerpunt Figuur 3: vereenvoudigde dwarssectie voor Loodswezenplein... 3 Figuur 4: definitieschets golfoverslag over gladde dijk met promenade... 5 Definitieve versie WL2015A15_005_1 III

8 1. Probleemstelling Afdeling Kust (Isabelle D hooghe) wenst de aansluiting van de huidige mobiele kering op het Loodswezenplein met de toekomstige stormvloedkering te Nieuwpoort te herbekijken. De inplanting van de geplande stormvloedkering en mobiele kering wordt weergegeven in Fig. 1 (a,b). Een voorstel voor heraanleg van het plein naast het landhoofd van de stormvloedkering wordt weergegeven in Fig. 1(c). De vraag stelt zich of de meest recente inzichten in overslagberekeningen en modellering het mogelijk maken om het huidige ontwerppeil van de stormmuur (+9.7 m TAW) te reduceren, en of het mogelijk zou zijn de huidige mobiele keermuur te vervangen door een aangepast verhoogd plein naast het toekomstige landhoofd van de stormvloedkering. (a) (b) (c) Figuur 1: (a) stormvloedkering in de havengeul Nieuwpoort, (b) detailweergave positie stormvloedkering (volle lijn) en huidige mobiele kering op het Loodswezenplein (stippellijn), (c) artist impression stormvloedkering met aangepast plein naast landhoofd (bron: Afdeling Kust) Definitieve versie WL2015A15_005_1 1

9 2. Methodologie Het probleem van golfoverslag over het Loodswezenplein tijdens extreme stormcondities (1000-jarige storm), in een toekomstige situatie na de bouw van de stormvloedkering, wordt gekenmerkt door een aantal deelprocessen: (a) de golftransformatie (refractie, diffractie) van de golven nabij de kust (op de -5 m TAW lijn) tot in de havengeul. Verwacht wordt dat niet-lineaire processen aanleiding geven tot een invallend golfveld bestaande uit korte en lange golven, zie numerieke studie WL (Suzuki et al., 2013); (b) het dempend effect van de geleidingsconstructie voor de ingang stormvloedkering, zie Fig. 1 (c); (c) reflectie en overloop op de verticale muur van het landhoofd naast de deur van de stormvloedkering; (d) de (schuine) golfaanval over het ruwe talud naast de havengeul; (e) de golfoploop over de promenade met een zekere helling; (f) de interactie met een eventuele verticale stormmuur op een zekere afstand en met een bepaalde oriëntatie tov. de kade. Het is te verwachten dat het ruimtelijk karakter van de golfinteractie met de verschillende structuren een grote impact zal hebben op de ruimtelijke verdeling van de overslagdebieten over de verschillende zones van het Loodswezenplein. Bovendien zullen bovenvermelde deelprocessen op een geïntegreerde manier in een studie vervat moeten zitten, vermits voornamelijk de onderlinge interactie tussen deze processen de grote onbekende vormt. Op basis van deze bedenkingen kan men concluderen dat het noodzakelijk is om 3D fysische modelproeven uit te voeren, bij voorkeur met directionele golfgeneratie, indien men de ruimtelijke spreiding van de overslagdebieten nauwkeurig wenst te bepalen. Onderhavige rekennota heeft het doel om na te gaan of de toepassing van de meest recente overslagformules het mogelijk maakt inzicht te verkrijgen in het overslagdebiet onder een 1000-jarige storm. Voor een vereenvoudigde dwarsdoorsnede kan op deze manier de impact van schuine golfaanval en de aanwezigheid van een promenade en stormmuur in rekening gebracht worden. De hoger vermelde deelprocessen (a), (b) en (c) komen echter niet aan bod. Definitieve versie WL2015A15_005_1 1

10 3. Berekening overslagdebiet 3.1. Hydraulische randvoorwaarden 1000-jarige storm Waterpeil De waterstand te Nieuwpoort 1 werd bepaald voor een stormrichting NW, vermits deze dominant is m TAW (zonder ZSR) m TAW (met 0.3 m ZSR tegen 2050) m TAW (met 0.8 m ZSR tegen 2100) Golfhoogte Uitvoerpunt SWAN-2D (34920,205970) 30 m verwijderd van de kade ter hoogte van Loodswezenplein (eerste uitvoerpunt) Hm0 = 1.78 m (samengestelde extreme waardenverdeling, zie Fig. 2). Tweede uitvoerpunt 180 m verder in havengeul : Hm0 = 1.63 m. In de berekening werd de golfhoogte Hm0 = 1.78 m gebruikt uit het eerste uitvoerpunt. significante golfhoogte (m) 1,95 1,9 1,85 1,8 1,75 1,7 1,65 1,6 1,55 1,5 1,45 1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 1,1 1, terugkeerperiode (jaar) 303, ,25 337,5 348, samengestelde extreme waardeverdeling Golfperiode Tp=11.7 s Figuur 2: extreme waardenverdeling van de golfhoogte in uitvoerpunt 1 (bron: IMDC, 2007) 3.2. Schematisering dwarssectie De overslagberekeningen worden uitgevoerd voor 2 typesecties (Fig. 3): 1. met promenade (helling 2%) en stormmuur (met variabele kruinhoogte, zonder parapet) 2. met promenade onder steilere helling, zonder stormmuur. Verder gelden volgende vaste parameters van de dwarsdoorsnede: bodempeil havengeul : m TAW talud haveneul (steilste bovenaan 1:1.55) peil kade: m TAW 2 1 gemiddeld HW NPT = gemiddeld HW OST m Definitieve versie WL2015A15_005_1 2

11 3.3. Rekenmethodes Figuur 3: vereenvoudigde dwarssectie voor Loodswezenplein De basisformule voor golfoverslag is deze gebaseerd op EuroTop (2007), geldig voor langkruinige golfaanval over een (ruw) talud. Deze formule werd aangepast door Goda (2009) voor schuine golfaanval, en door Van Doorslaer en De Rouck (2015) voor een sectie met promenade en stormmuur. EuroTop (2007) De formule uit EuroTop werd toegepast in de berekeningsnota van IMDC (2007), geldig voor niet-brekende golven: waarin: q gh3 m0 = 0.2 eee 2.3 R c H m0 1 γ f γ β (1) q = gemiddeld overslagdebiet [m 3 /s/m ] g = versnelling van de zwaartekracht [m/s 2 ] H m0 = significantie golfhoogte bij teen van de dijk [m] R c = vrije kruinhoogte boven de stilwaterlijn [m] γ f = invloedsfactor voor de ruwheid [-] γ β = invloedsfactor voor de hoek van de golfaanval [-] Enkel de reductiefactoren ten gevolge van ruwheid talud en schuine golfaanval worden verrekend in de formule voor niet-brekende golven. Verwacht wordt dat deze formule een overschatting van het werkelijke gemiddeld overslagdebiet geeft indien een promenade of verticaal muurtje aanwezig zijn. Vergelijking (1) wordt gebruikt in een deterministische berekening van het gemiddeld overslagdebiet. Indien een probabilistische berekeningswijze gebruikt wordt, wordt de coëfficiënt 2.3 in vergelijking (1) vervangen 2.6. Vermits het talud plaatselijk ruwheidselementen bevat werd γ f = 0.85 gekozen. De invloedsfactor γ β voor schuine golfinval als volgt bepaald: γ β = β 0 β β > 80 (2) 2 Het opmetingsplan van de kade (bron: Afdeling Kust) toont aan dat het peil van de kaderand varieert tussen ca en +7.5 m TAW. Voor de schematisering van de doorsnede werd een waarde van +7.2 m TAW aangenomen. Definitieve versie WL2015A15_005_1 3

12 Goda (2009) Goda schrijft de algemene formule voor het gemiddeld overslagdebiet in de volgende vorm 3 : q gh3 m0 = eee A + B R c H m0 1 γ f γ β (3) De invloedsfactor voor schuine golfaanval wordt bepaald op basis van een parabolische regressieformule met als input de hoek van golfaanval β : γ β = β β² (4) De constanten A en B in vergelijking (3) worden bepaald door: h t is de waterdiepte aan de teen van de dijk. De coëfficiënten b 1, c 1, b 2, c 2 worden berekend op basis van de helling van de zeebodem θ, samengevat in onderstaande tabel: (5) Voor een dijk hangen de coefficiënten A 0 en B 0 af van de taludhelling cot α s : (6) (7) Van Doorslaer en De Rouck (2015) Van Doorslaer en De Rouck (2015) stellen een reductiefactor γ pppp_v voor om het gecombineerd effect van een promenade en verticaal muurtje in de klassieke overslagformule van EuroTop in te brengen. De oorspronkelijke formulering geldt voor een gladde dijk en loodrechte golfinval (langkruinige golven), hier uitgebreid voor het geval van een ruw talud en schuine golfinval. Voor een deterministische berekening luidt deze formule: q gh3 m0 = 0.2 eee 2.3 R c H m0 1 γ f γ β γ pppp_v (8) γ pppp_v = 0.87γ pppp γ v (9) waarbij γ pppp en γ v de individuele reductiefactoren zijn tgv. het effect van de promenade en het verticale muurtje afzonderlijk: γ pppp = B L m 1,0 (10) 3 De ruwheidsfactor werd niet behandeld in de paper van Goda (2009) maar wordt wel opgenomen in de toepgepaste formule in deze nota. Definitieve versie WL2015A15_005_1 4

13 waarin B de lengte van de promenade is, gemeten loodrecht op het talud. L m-1,0 is de spectrale golflengte op basis van T m-1,0 =m -1 /m 0 op diep water. De reductiefactor tgv. het muurtje γ v hangt af van de verhouding muurhoogte/vrijboord: γ v = exp ( 0.56 h wwww R c ) 0.5 voor h wwww R c < h waww R c (11) De invloedsfactor γ β kan gekozen worden naargelang EuroTop (2007) of Goda (2009). Aanvoelen is dat γ β naargelang EuroTop enigszins conservatief is (zie ook de nieuwe methodologie Leidraad Toetsen die in de loop van 2015 uitgebracht wordt). De nauwkeurigheid van formule (8) werd bevestigd op basis van 1 experimentele proef met schuine golfinval uitgevoerd in de golftank op het WL (project 00_050), met gelijkaardige geometrie en invallende golven. Om het reducerend effect van een verhoogd plein onder helling te onderzoeken zoals in typesectie 1 (zonder stormmuurtje, zie Fig. 1(c) ), moet men γ pppp,v in (8) vervangen door γ pppp. Echter, in de proeven die aan de basis liggen van γ pppp, bedroeg de helling van de promenade maximaal 2 %. Vermits het kruinpeil gedefinieerd wordt op basis van het hoogste punt van de promenade (zie Fig. 4), zal de toepassing van vgl. (10) bij een grotere helling de golfoverslag onderschatten. Indien de helling niet teveel afwijkt van de beproefde maximale helling 2% zal het verschil in overslagdebiet hoogstwaarschijnlijk beperkt blijven. Figuur 4: definitieschets golfoverslag over gladde dijk met promenade (Van Doorslaer en De Rouck, 2015) Definitieve versie WL2015A15_005_1 5

14 3.4. Overslagdebieten typesectie 1 Berekening met formule Van Doorslaer en De Rouck (2015) γ β volgens Goda (2009), vgl. (4) breedte promenade : B=30 m, variabel kruinpeil promenade (z prom ) γ pppp = 0.92 Tabel 1: berekende gemiddelde overslagdebieten (l/s/m), typesectie 1 z prom [m TAW] Waterpeil [m TAW] 0 deg (γ β = 1) 22.5 deg (γ β = 0.81) 45 deg (γ β = 0.68) 67.5 deg (γ β = 0.60) 80 deg (γ β = 0.58) 85 deg (γ β = 0.57) ,7 46,7 23,5 13,6 11,5 11, , ,9 31,1 27,1 26, ,3 238,0 165,6 123,8 113,4 111, ,4 28,1 12,8 6,8 5,6 5, ,4 51,7 26,6 15,6 13,3 12, ,5 143,1 90,0 62,1 55,5 54, Overslagdebieten typesectie Berekende waarden met verschillende overslagformules Alle waarden betreffen gemiddelde overslagdebieten (in l/s/m), volgens de deterministische berekeningswijze. Deze waarden zijn overslagdebieten over een stormmuur geplaatst evenwijdig met de kade (havengeul) zoals afgebeeld in Fig. 3. Aangezien γ β volgens vergelijking (2) identiek is voor een golfrichting van 5 of 10 graden (de hoek tussen de lengteas kade en de golfvoortplantingsrichting), bekomt men een identiek overslagdebiet voor beide richtingen. Indien men γ β volgens vgl. (4) gebruikt, is een (miniem) verschil in overslagdebiet naargelang de invalsrichting van de golven γ β = 0.58/0.57 voor 5/10 graden met de kade. De berekende waarden worden samengevat in onderstaande Tabel 2, voor een invalsrichting van 10 graden (β=80 ) en een breedte van de promenade van 30 m (γ pppp = 0.92) met helling 2 % : h wall = z wall [m TAW] (7.20+B*0.02) De overslagdebieten worden berekend voor 2 verschillende peilen van stormmuur : +8.5 m TAW (het kruinpeil van de stormvloedkering) en +9.7 m TAW (het ontwerppeil berekend door IMDC (2007) op basis van een maximum toelaatbaar overslagdebiet van 1 l/s/m). Definitieve versie WL2015A15_005_1 6

15 Tabel 2: berekende gemiddelde overslagdebieten (l/s/m) Kruinpeil stormmuur [m TAW] Waterpeil [m TAW] γ v [-] EuroTop (2007) Goda (2009) Van Doorslaer en De Rouck (2015) (γ β = 0.74) (γ β = 0.58) (γ β = 0.74) (γ β = 0.58) Invloed van richting golfaanval Berekening met formule Van Doorslaer en De Rouck (2015) γ β volgens Goda (2009), vgl. (4) Lengte promenade dwars op havengeul : B= 30 m (γ pppp = 0.92) met helling 2 % h wall = z wall [m TAW] (7.2+B*0.02) Tabel 3: berekende gemiddelde overslagdebieten (l/s/m) per golfrichting Kruinpeil stormmuur [m TAW] Waterpeil [m TAW] γ v [-] 0 deg (γ β = 1) 22.5 deg (γ β = 0.81) 45 deg (γ β = 0.68) 67.5 deg (γ β = 0.60) 80 deg (γ β = 0.58) 85 deg (γ β = 0.57) ,4 9,9 3,7 1,6 1,3 1, ,9 19,4 8,2 4,1 3,3 3, ,3 56,9 29,8 17,8 15,2 14, Opmerkingen bij de berekende overslagdebieten De overslagformules zijn afgeleid op basis van proeven met langkruinige golven. De invloed van kortkruinige golven en niet-lineaire effecten, meer bepaald lange golven cfr. Suzuki et al. (2013) zit hier niet in. De reductiefactoren γ v, γ pppp en γ pppp,v zijn afgeleid op basis van proeven met loodrechte golfinval. Aanvoelen is dat deze nog met vertrouwen toegepast kunnen worden voor schuine golfinval tot ca. 45 (in combinatie met γ β ), maar voor meer extreme schuine golven wordt de onzekerheid groter. Verder onderzoek is aangewezen. In de modelproeven van Van Doorslaer en De Rouck (2015) staat de stormmuur parallel met hoofdas havengeul. Het verschil met een stormmuur dwars op de havengeul is op dit moment niet goed in te schatten. Ook is er onzekerheid over de geldigheid van de reductiefactor γ pppp,v wanneer stroming over berm en tegen muur quasi haaks op elkaar staan en rijst de vraag hoe γ β en γ pppp,v te combineren in zo n geval. Definitieve versie WL2015A15_005_1 7

16 4. Conclusies De klassieke overslagformules (EuroTop, 2007) werden toegepast om inzicht te verwerven over het gemiddeld overslagdebiet over het talud naast het Loodswezenplein, Nieuwpoort. De basisformule werd aangevuld met reductiefactoren voor de aanwezigheid van een promenade, een verticale muur, of de combinatie van beide. De overslagdebieten werden berekend voor 2 typesecties: één met verhoogde promenade en één met promenade en stormmuur. Uit de berekende overslagdebieten blijkt dat de toevoeging van reductiefactoren γ pppp en γ pppp,v in de klassieke EuroTop overslagformule een significante reductie van het overslagdebiet oplevert. Zoals te verwachten is de plaatsing van een stormmuur beduidend efficiënter dan het aanleggen van een promenade onder helling. Het gebruik van de 2D overslagformules impliceert wel een aantal beperkingen en vereenvoudigingen. Een ruimtelijke verdeling van het overslagdebiet kan enkel bepaald worden in een 3D studie. Verder worden enkele aspecten die het overslagdebiet aanzienlijk kunnen beïnvloeden niet beschouwd, waarvan de voornaamste het dempend effect van de geleidingsconstructie en de langegolfcomponent in het invallend golfspectrum zijn. Definitieve versie WL2015A15_005_1 8

17 5. Referenties EuroTop (2007) EuroTop, wave overtopping of sea defences and related structures: assessment manual. Technical Report. Environment Agency, UK / ENW Expertise Netwerk Waterkeren, NL / KFKI Kuratorium für Forschung im Kustingenieurswesen, DE / Pullen, T. / Allsop, N.W.H, Bruce, T. / Kortenhaus, A. / Schüttrumpf, H. / van der Meer, J.W. Goda (2009) Derivation of unified wave overtopping formulas for seawalls with smooth impermeable surfaces based on selected CLASH datasets. Coast. Eng. (56) IMDC (2007) Loodswezenplein Nieuwpoort Bepaling hoogte stormmuurtje Suzuki, T.; Verwaest, T.; Verelst, K; Schramkowski, G. (2013) Super storm modeling of harbor entrance Nieuwpoort. Boundary conditions at storm surge barrier: SWAN estimation WL rapporten 2012R12_016_2. Van Doorslaer, K. and De Rouck, J. (2015) Crest modifications to reduce wave overtopping of non-breaking waves over a smooth dike slope. Submitted for publication in Coastal Engineering. Definitieve versie WL2015A15_005_1 9

18 Waterbouwkundig Laboratorium Flanders Hydraulics Research Berchemlei 115 B-2140 Antwerpen Tel. +32 (0) Fax +32 (0)