RIJKSWATERSTAAT DELTADIENST. Waterloopkundige Afdeling 1959

Transcriptie

1 Rapport nr. 7 RIJKSWATERSTAAT DELTADIENST upri 1 Waterloopkundige Afdeling 1959

2 . - Titel Het onderctoek naar de toepasefng*mogelijrheden van een bodembescherming bestaande uit los materiaal zonder zinkstuk. Korte inhoud : Par. 1 hleiding Par. E! Probleemstelling Par. 3 Voorstel beperkt onderzoek Concluaies : geen Redactie :Ir U. van der Tuin *lremeen pbruik 5aYhWK Ognierklngen : geen

3 "Het onderzoek naar de toepassingsmogelijkheden van een bodembescherming bestaande uit los materiaal zonder zinkstuk". - Par.1 Inleiding. Tijdens het sinds kort afgesloten onderzoek, betreffende de waterdoorlatendheid van verschillende materialen (stortsteen, grind e.d.) en het bepalen van het critieke verhang (= het verhang, waarbij nog net geen zandtransport optreedt door de filterstroom in het materiaal), is de vraag naar voren gekomen of het niet mogelijk is een bodembescherming met behulp van deze materialen te maken zonder zinkstukken. In Nederland is het steeds gebruikelijk om voor practisch iedere bodemverdediging zinkstukken met steenbcotorting toe te passen. Bedoeld wordt dus het aanbrengen van bijv. een laag grind, die een zekere afdichtende functie moet hebben, zodat geen zandtransport meer optreedt. Op deze wijze is dus een goedkope bodembescherming eenvoudig en snel te maken. Bij het vorige onderzoek (waterdoorlatendheid) had men een zoifde combinatie van grind- en eandlaag, maar hier was plaatselijk een aanzienlijk verval aanwezig (orde van grootte 3 m over 20 m lengte) onder de afgesloten caisson. Bij bovengenoemde toepassing heeft men echter met een waterbeweging met vrije waterspiegel te maken, zodat het verval hier niet zo groot is (orde van grootte van 5 à 10 cm per km). Dit betekent ook dat er practisch geen stroom &al zijn door de aangebrachte laag op de zandbodem. Uitschuringen door transport van het door de grindlaag afgedekt zand za1 vermoedelijk niet meer voorkomen. Toch is het denkbaar dat bij een zeer dunne laag of bij een laag, die uit een zeer grof materiaal bestaat, zand door de stroom wordt "opgenomen" en getransporteerd. Voor toepassingen wordt gedacht aan bijv. oeververdedigingen, bodembeschermingen achter kunstwerken en aan het vasthouden van de bodem bij rivieren, waar het regime ingrijpend veranderd wordt, zodut: de gemiddelde snelheid aanzienlijk groter wordt;. In het laatste geval zal de stroom uitschuringen'gaan veroorzaken, daar de evenwichtstoestand tussen stroom en dwarsprofiel verstoord is. Men knn dan verschillende oplossingen overwegen o.a. a. het awarsprofiel vergroten (verbreden en of verdiepen), zodat de gemiddelde snelheid weer kleiner wordt. Dit zal in de m.este gevallen echter op onoverkomelijke bezwaren stuiten. b. een bodemverdediging aanbrengen als bovenbedoeld m.b.v. zeer goedkope materialen. C. een combinatie van a en b. Voorgesteld wordt een systematisch onderzoek naar bovengenoemde toepassingsmogelijkheden in de stroomgoot van het Waterloopkundig Laboratorium "de Voorst" in te stellen. In het navolgende zal in het kort de hierbij optredende problemen en het onderzoek besproken worden. - par. 2 -

4 ~ par.2 De probleemstelling. Men kan de bovengenoemde vraag naar de toepacsingsmogelijkheden in 2 aparts problemen scheiden n.1.: a. wat is de stabiliteit van het materiaal in de stroom. b. hoe groot is de afdichtende waarde van een bepaalde laag onder verschillende omstandigheden. Ter verduidelijking van een en ander zie men fig.? P P9 2 Ib = helling zandbodem I, = verhang waterspiegel h, = waterhoogte d V zz7- L Vergelijkingsvlak = dikte van laag van bepaald materiaal bejv. grind = gemiddelde snelheid iib = gemiddelde bodemsnelheid Cp I potentiaal van pt. P. Hier is -@.a, I, ax ox 2 = drukhoogte IJ9 z = plaatahoogte van pt.p t.o.v. eon vergelijkingsvlak De stabiliteit van het materiaal zal in eerste plaats sterk afhangen van de gemiddelde snelheid V of de plaatselijke bodemsnelheid vb. Tevens zal de waterhoogte hw, de turbulentie en de helling Ib een rol spelen. In vroegere rapporten is dit onderdeel reeds uitvoerig behandeld, zodat hier niet verder, wordt ingegaan. I

5 - 3- Wat de afdichtende waarde van een bepaalde laag betreft kan men nog een verder onderscheid maken in: b-l. De filtersnelheden in de laag worden zo groot dat zandtransport in deze laag kan plaats vinden. b-2. Door de turbulentie van het stromende water zijn drukverschillen aanwezig, die zich voortplanten in het water, dat zich in de porien bevindt van het aangebrachte materiaal, zodat het onderliggend zand opgenomen wordt (ttopgezogenft) en door de stroom wordt getransporteerd. Daar de gemiddelde drukhoogte (bijv. pt. P fig.1) gelijk is aan de waterhoogte, die zich er boven bevindt, kan men direct insien dat het potentiaalverschil tussen 2 punten in stroomrichting (= $ f niet groot kun zijn n.1. gelijk aan het verhang van de vrije waterspiegel. Ilierdoor zal de filterstroom in het materiaal ook niet groot zijn. Met behulp van de nu bekende gegevens omtrent de wat-erdoorlatendheid kan men de optredende filterenelheden ongeveer bepalen. Voor een zeer ongunstige aanname vindt men bijv. -2 1, = 2 =& i 0,002 als V = 4 m/ ec C = 40 m 3 /sec (zeer ruw!).en h 5 m. Rij dit verhang is de filtersnelheid in Naingrind - + 0,005 m/sec en in lichte stortsteen 0,01 m/sec. Bij deze kleine filtersnelheden aal geen zandtransport plaats vinden op de scheidingslaag tussen zand en afdekkende laag. Men kan dus stellen dat alleen pt.b-2 overblijft. De afdichtende waarde van een bepaalde laag zal sterk afhangen van de volgende factoren: 1. het materialil. Men kan het materiaal karakteriseren door de gemiddelde diameter d,. Daar echter de poreusiteit van de laag een rol zal spelen is deze maat alleen niet voldoende. Behalve de d, zal men ook de samenstelling of korrelverdeling van het materiaal moeten vastleggen, zodat men een indruk krijgt omtrent de gradatie. Eventueel kan men ook het poriënvolume bepalen. Verder zal bij een grof materiaal (dus grote d,) de turbulentie in de waterlaag vlak boven het materiaal sterker kunnen zijn dan bij een minder grof materiaal, zodat ook de drukverschillen groter kunnen zijn! 2. de laagdikte. In het algemeen kan men stellen dat voor een bepaald materiaal de afdichtingswaarde zal toenemen met de dikte van de laag. Men kan zich tevens voorstellen, dat vanaf een bepaalde wnarde voor de dikte niet veel meer aan afdichtingswaarde wordt gewonnen als men de dikte steeds laat toenemen. Net ia voor practische toepassingen belangrijk deze minimum laagdikte, waarbij dus bijna de maximum afdichting bereikt wordt, voor ieder materiaal afzonderlijk te bepalen. Verder zal men bij een materiaal met een kleine gemiddelde korreldiheter, dm, met een kleinere laagdikte kunnen volstaan dan bij een grover materiaal

6 -4- ' 3. het af te dekken zand. Op de te bepalen criteria voor verschillende materialen kan de korrelgrootte en samcnstelling van het zand eventueel het slibgehalte van het zand van grote invloed zijn. Hier komt alleen zeezand in aanmerking met een gemiddelde korreldiameter van 100 &. 2QQp Verder wordt aangenomen dat geen slib aanwezig is. 4. de stroomsnelheid. Bij grotere stroomsnelheden mag men meer invloed van de drukverschillen (turbulentie) verwachten dan bij kleinere snelheden. Duidelijk is dat de maximum snelheden onder de waarde van de toelaatbare snelheid van het materiaal moeten blijven. 5. udsduur. Bij een zeer klein zandtransport zal de totale tijdsduur van het optreden van de max. snelheden een rol gaan spelen. Het is gewenst dat men de omstandigheden waarbij geen of een verwaarloosbaar klein zandtrannport voor een nader te bepalen tijdsduur van de stroom leert kennen. De nader te bepalen tijdsduur moet dan veiligheidshalve zeer groot genomen worden t.o.v. tijdsduur van de max. stroom in werkelijkheid. Kan men echter nauwkeurig de omstandigheden vastleggen waarbij geen zandtransport optreedt, dan kan men de factor tijdsduur uitschakelen! Verüer dient men rekening te houden met het eventuele optreden of het reeds aanwezig zijn van grondwaterstromen in het zandpakket. Vooral die grondwaterstromen, die een aanzienlijke component van de filtersnelheid of het verhang in opwaartse, verticale zin hebben. Het is denkbaar dat de grondwaterstroom in het zandpakket zo groot is dat de korrelspanningrk %o klein is, dat het gewicht van het aan te brengen materiaal niot gedragen kan worden en de afzonderlijkeptenen in het zand verdwijnen (drijfzand) zodat van enige afdichting geen sprake meer kan zijn. In deze gevallen is men altijd aangewezen op het gebruik van zinkstukken, die dan voor het zand zeer dicht moeten zijn. Vorder geeft de verticale grondwaterstroom in het zand een schijnbare gewichtsvermindering van de Zandkorrels, zodat het opnemen door de stroom gemakkelijker kan plaats vinden. 6. ozaartse grondwaters troom in zandpaklce t. Tenslotte moet ook aandacht besteed worden aan de volgende problemen: c. Wet gebeurt aan de randen (begrenzing) van de aan te brengen laag? Ontstaat hier een ontgronding en brokkelt de beschermende laag steeds verder af, of is dit een proces dat na enige tijd tot atiletand komt? Bij toepassing in de werkelijkheid, voor een practisch horizontale bodemligging, is het de vraag of men dit ernstig moet opvatten, daar men dan toch gedwongen is de bodembescherming door te trekken tot een gebied waar de gemiddelde snelheden klein zijn, zodat geen uitschuringen meer gevreesd behoeven te worden. - d -

7 - 5 - d. Wat zijn de toepaseingsmogelijkheden, indien de zandbodem een bepaalde helling heeft en wat zijn de grenshellingen? Dit heeft alleen betrekking op de stabiliteit van het materiaal. Voor Erind, stortsteen kan men aannemen, dat de inwendige wrijvingshoek in de buurt van de 40 45O ligt, d.w.z. dat de stabiliteit van het materiaal hij hellingen van ongeveer 1:l bij de geringste verstoring verloren gaat. De steilste hellingen voor een zandbodem, die in de werkelijkheid voorkomen zijn ongeveer 1:s. Bij toepasoing van die materialen met een grotere inwendige wrijvinôshoek dan overeenkomt met een helling l:5 is dan nog, wat de stabiliteit betreft, enige reserve aanwezig. Voorgesteld wordt het onderzoek alleen met de maximale helling van 1:5 voor de.zandbodem te verrichten. - Par> Het onderzoekprogramma. Het onderzoek zal plaats vinden in de grote stroomgoot van het Waterloopkundig Laboratorium "de Voorst". Het grote voordeel hiervan is, dat de materialen niet op schaal verkleind behoeven te worden, zodat geen rekening gehouden behoeft te worden met eventuele achaaleffecten. De snelheden kunnen vrij hoog opgevoerd worden, alleen de waterhoogte is natuurlijk beperkt en te klein t.o.v. de werkelijke omstandigheden. Om nu snel enig inzicht te verkrijgen omtrent de toepassingamogelijkheden voor verschillende in aanmerking komende materialen wordt voorgesteld het onderzoek voorlopig te beperken tot de gevallen met een horizontale ligging van de zandbodem. Verder wordt voorlopig ook afgezien van de verticale grondwaterbeweging, zodat als variabele factoren of grootheden resteren: a. het materiaal b. de Laagdikte c. stroomsnelheid t. In onderling overleg met het W.L. i8 bcsloten.de lengte, waarover het materiaal wordt aangebracht, voldoende lang te kiezen, zodat men er van verzekerd kan zijn dat de stroom zich t.p.v. de meetplaats aan de ruwheid van het materiaal heeft aangepast. Het is niet nodig, dat het zand ook over deze lengte wordt aangebracht; voldoende lijkt hiervoor 5 $ 7 m aan het benedenstroomfie eind. Voor het zand zal een zo fijn mogelijke zandsoort gekozen worden, dat overeenkomt met het zand van de Benedenrivieren. Het onderzoek wordt dus voorlopig 2-dimensionaal opgezet en later kan eventueel het effect van extra-turbulentie zoals hij wervelstraten voorkomt in beschouwing worden genomen (3- dimensionaal onderzoek). - Als -

8 - 6 - Als materialen, die voor het bovenbedoeld onderzoek in aanmerking komen wordt gedacht aan:?. Maingrind eventr Elzasgrind 2. Handelsgrind (fijn en grof) 3. Mijnsteen. Ket meten van het zandtransport kan misschien 't eenvoudigst geschieden door waterpassing van verscheidene punten van het zandbed. De proeven moeten voldoend lnnge tijd gehandhaafd worden om te constateren of het zandtransport mat de tijd constant blijft of na enige tijd tot stilstand komt. Afhankelijk van de uitkomsten van dit beperkte onderzoek kan men overwegen het onderzoek uit te breiden met toestanden, waarbij een yrondwaterstroom optreedt, de zandbodem een zekere helling heeft en tenslotte een onderzoek in te stellen naar de gedragingen aan de randen van de aangebrachte laag.