q.o-2cf 6 SEP havenmond Hoek van Holland grindstrand zuidwal stabiliteit zandige vooroever verslag berekeningen

Transcriptie

1 q.o-2cf havenmond Hoek van Holland grindstrand zuidwal stabiliteit zandige vooroever verslag berekeningen BIBLIOTHEEK Dienst Weg- en Waterbouwkr Postbus 5044, 2600 GA BB=F] M 1063 deel V 6 SEP november 1975

2 INHOUD blz. j Inleiding Probleemstelling Samenvatting en conclusies 1 2 Opzet van de studie Inleiding Schematisatie van de kustprocessen Schematisatie van de randvoorwaarden Schematisatie van refractie- en diffractie-effecten 4 3 Berekening zandtransporten Golfhoogteverdeling Relatie golfhoogte - golf periode Relatie golfparameters en waterstand Invloed refractie - diffractie Berekening transportcapaciteit 6 4 Berekening erosie vooroever 7 LITERATUUR

3 FIGUREN 1 Situatie zuidwal 2 Dwarsprofiel zuidwal

4 HAVENMOND HOEK VAN HOLLAND Grindstrand zuidwal. Stabiliteit zandige vooroever. 3 Inleiding 1.1 Probleemstelling Modelproeven (M ) hebben aangetoond dat de vorm van de vooroever ter plaatse van'de geprojecteerde grinddam bij de Zuidwal van de Havenmond te Hoek van Holland van grote invloed is op de stabiliteit van deze grindbekleding. Op verzoek van Rijkswaterstaat, Directie Benedenrivieren, Bouwbureau Havenmonden heeft het Waterloopkundig Laboratorium, in het kader van het onderzoek naar de stabiliteit van de grindbekleding op de Zuidwal, een schatting gemaakt van de te verwachten zandtransporten op de vooroever. Aan de hand van deze cijfers is getracht de grootte van een mogelijke verlaging van de vooroever te voorspellen. Deze berekeningen zijn uitgevoerd door ing. H.B. Schoonman. De hoofdlijnen van de berekening alsmede de belangrijkste resultaten en conclusies zijn in dit verslag verzameld. 1.2 Samenvatting en conclusies 1 Gezien de gecompliceerdheid van de optredende physische processen en de onzekerheid ten aanzien van de invloed van de diverse variabelen op deze processen, is een benaderde berekening opgesteld, om een bovengrens van de zandtransportcapaciteit te bepalen. 2 Met inachtname van de in hoofdstuk 2 genoemde schematisaties en beperkingen wordt voor deze bovengrens een transportcapaciteit in de orde van m 3 /jaar gevonden. 3 Aangezien geen zand wordt gesuppleerd zal erosie van de vooroever optreden. Aannemende dat de erosie lineair afneemt in het, aan directe golfaanval blootgestelde kustvak van 1000 m, wordt als maximale erosie aan het beginpunt een waarde van 440 m 3 /m.jaar gevonden. 4 Uitgaande van een beginprofiel als gegeven in figuur 1 en onder de aanname dat geen zandtransport optreedt beneden een diepte van N.A.P. -10 m, zal deze

5 -2- erosie een gemiddelde vooroeverdaling van 2 m/jaar tot gevolg hebben. Met name in de eerste jaren zal plaatselijk echter met hogere waarden rekening moeten worden gehouden. 2 Opzet van de studie 2.1 Inleiding De stabiliteit van een kustvak wordt bepaald door de verhouding tussen het zandaanbod en het transporterend vermogen van de golf en/of stroom in het betreffende vak. In deze verhouding gelijk aan 1 dan is er sprake van een, zij het dynamisch evenwicht. Wanneer de transportcapaciteit het aanbod overtreft zal erosie optreden waardoor de kust achteruit gaat, of, indien de kust is verdedigd, een verdieping van de vooroever optreedt. Het zal duidelijk zijn dat de laatste situatie optreedt vóór de Zuidwal, ter plaatse van de aansluiting op de Zuiderdam. Zoals uit figuur 1 blijkt is dit deel blootgesteld aan directe golfaanval, terwijl aanvoer van materiaal hier niet optreedt. De dwarsprofielen van de geprojecteerde oeververdediging, die in figuur 2 zijn aangegeven, tonen aan dat een groot deel van de vooroever uit zand bestaat, dat geen weerstand biedt aan krachten van golf en stroom. Er moet dan ook worden verwacht dat over een grote afstand de vooroever zal worden verlaagd. Door de gecompliceerdheid van de optredende processen en het grote aantal variabelen, dat van invloed is op deze processen, is een berekening alleen mogelijk als zowel de optredende processen als de randvoorwaarden sterk worden geschematiseerd. Mede op grond van de beschikbare gegevens uit andere onderzoeken zijn daartoe de hieronder beschreven aannamen gedaan. 2.2 Schematisatie van de kustprocessen 1 Het transport langs de Zuidwal wordt voornamelijk bepaald door golven die rechtstreeks de havenmond binnenlopen. De invloed van getij stroom is van ondergegeschikt belang en mag worden verwaarloosd. Deze aanname wordt gerechtvaardigd door uitkomsten van stroommetingen uitgevoerd in het model M De binnenkomende golfenergie wordt volledig in rekening gebracht bij het bepalen van de transportcapaciteit van zand. In werkelijkheid zal ook een deel van de energie in het grindtalud worden geabsorbeerd of aldaar transport van grind bewerkstelligen. Deze aanname leidt daardoor tot een overschatting van

6 -3- de optredende zandtransporten. 3 De optredende transporten kunnen worden geschat met behulp van de zogenaamde CERC formule die de golfenergie relateert aan de transportcapaciteit. Aangezien deze formule is afgeleid voor flauwe zandige kusten is het twijfelachtig of deze formule ook geldt voor het hier onderzochte geval met een steil geultalud voor de zandige vooroever. Met name de brekervorm kan hierdoor sterk worden beïnvloed, hetgeen van invloed zal zijn op het transport. Hoewel geen kwantitatieve gegevens bekend zijn is voorshands aangenomen dat deze aanname een onderschatting van het transport tot gevolg zal hebben. 4 De erosie treedt op in het gebied, dat blootgesteld is aan directe golfaanval. Gezien de configuratie van de havenmond zijn daarbij alleen de golfaanvalsrichtingen tussen W en N van belang. Voor de begrenzing van het erosiegebied is als maatgevende richting een aanvalsrichting van 345 aangehouden. Dit levert een erosiegebied ter lengte van ca m. De keuze van de genoemde richting, zijnde de, voor het zandtransport maatgevende richting, wordt gemotiveerd aan de hand van de frequenties van voorkomen van de golven uit de beschouwde sectoren. Hieruit volgt dat, met name voor de lage en gematigde golfhoogten de bijdrage uit de richtingen 360 en 300 het hoogst is. 5 De erosie van de vooroever wordt bepaald door de verschillen in transportcapaciteit en optredende langstransporten. De invloed van dwarstransport, die met name in de beginfase van belang zal zijn, wordt verwaarloosd. 2.3 Schematisatie van de randvoorwaarden De randvoorwaarden worden gekarakteriseerd door de golfparameters - golfhoogte, golfperiode en golfrichting - en de waterstand. De waarde van elk der variabelen kan worden gekarakteriseerd door een verdelingsfunctie. Doordat een aantal variabelen onderling vrij sterk zijn gecorreleerd kunnen een aantal van deze verdedigingsfuncties worden gecombineerd. Daartoe zijn de volgende vereenvoudigingen aangenomen. 1 De golfhoogteverdelingen zoals waargenomen op het lichtschip Goeree [ij zijn als uitgangspunt gekozen voor de beschrijving van de verdelingsfunctie. In dit rapport is daarbij uitgegaan van de verdelingsfunctie voor de sector W-N,

7 -4- zoals gegeven in nota W van Rijkswaterstaat, Waterloopkundige afdeding van de Deltadienst [2J. 2 Eveneens met behulp van de waarnemingen van het lichtschip is de correlatie bepaald tussen golfhoogte en golfperiode. Aan de hand van deze uitkomsten is voor de sector W-N bij iedere golfhoogte een meest waarschijnlijke periode gedefinieerd. 3 Met behulp van de nota W zijn deze gegevens vervolgens herleid tot een gecombineerde verdelingsfunctie voor golfhoogten en waterstanden. 2.4 Schematisatie van refractie-en diffractie-effecten Afhankelijk van periode en waterstand worden golven meer of minder beïnvloed door de bodemconfiguratie. Een complicatie hierbij vormt in het hier beschouwde geval de geul die voor een aantal golfrichtingen een zeer geprononceerde - doch niet eenduidig verklaarde - invloed heeft. Ook stroomrefractie heeft op de golfvoortplanting een duidelijk invloed, speciaal op het moment waarop eb of vloedstromen maximaal zijn. Tot slot zal de golfbinnendringing worden beïnvloed door diffractie rond de koppen van de golfbreker. Op grond van waarnemingen tijdens de uitvoering van het modelonderzoek M 816 is getracht voor een aantal combinaties van waterstanden en golfparameters te schatten welke correcties op golf richting en golfhoogte in open zee in rekening dienen te worden gebracht om de bijbehorende condities ter plaatse van de Zuidwal te bepalen. Gezien de grote spreiding in de resultaten bleek deze differentiatie niet mogelijk en is de berekening uitgevoerd voor ëén reductie-coëfficiënt, die op grond van de modeluitkomsten is bepaald als veilige schatting. Verondersteld mag worden dat de laatste benadering een te hoge waarde zal geven voor het in werkelijkheid optredend transport.

8 -5-3 Berekening zandtransporten 3.1 Golfhoogteverdeling De meerjarige waarnemingen van het lichtschip Goeree zijn als uitgangspunt gekozen voor de golfhoogteverdeling. Gezien de oriëntatie van de havenmond is alleen de sector W-N van belang. Aangezien is aangetoond dat visuele waarnemingen systematisch afwijken van de optredende golfhoogte dient het waarnemingsmateriaal gecorrigeeerd te worden. Deze correctie is verwerkt in de nota W De hierin gegeven waarden, die voor deze studie als uitgangspunt zijn gekozen, zijn verzameld in Tabel Relatie golfhoogte - golfperiode Een globale vergelijking van de visueel waargenomen golfhoogten op het lichtschip Goeree maakt het mogelijk een correlatie te leggen tussen deze twee grootheden. De, voor iedere golfhoogte interval bepaalde, meest waarschijnlijke golfperiode is eveneens in Tabel 1 aangegeven. 3.3 Relatie golfparameters en waterstand In de nota W is een analyse gemaakt van de waarschijnlijkheid van voorkomen van gegeven combinaties van golfcondities en waterstanden. Aan de hand van deze gegevens is het mogelijk voor de geselecteerde golfomstandigheden een nadere indeling te maken, waarbij de kans op het voorkomen van een gegeven waterstand met een gegeven golfconditie kan worden bepaald. Met behulp van dit gegeven is Tabel 1 in zijn definitieve vorm gebracht. Het is duidelijk dat voor de berekening alleen de waterstanden tot N.A.P m van belang zijn. 3.4 Invloed refractie - diffractie De waarnemingen uit het model M 816 zijn geanalyseerd om na te gaan of er een systematisch verband bestond tussen de golfcondities langs de Zuidwal en die in open zee, een verband dat aan éën der onderzochte variabelen kan worden gerelateerd. Gezien het grote aantal variabelen en het - in vergelijkin daarmee - relatief gering aantal proeven, bleek dit niet mogelijk. Voor de berekening is derhalve gekozen voor een oplossing waarbij als golfrichting die richting is gekozen die het grootste transport levert. Aangezien deze richting

9 ***rifs*r»'itjjfe»a»iti**ac [iep' D ' i»»(l 8 «WÜtfi-Kit ****«!**«**;«.*«*** =*»»,*»?; i * - «üsfl wsïb&nrij. "t*tf«wsé ïoopkunaig ladoraionunr V4 delft hydraulics laboratory havenmond Hoek van hofland..,, f i. *. * * * i * - r.-. f * - *, i * * x ' -u, "ft'*;-. v^s^ gnndstrand zuidwaf 1 '. *-'-- stabiliteit zandige vgorpever »*. Af."*»" ' SS» ^-ij"toi<*jifta>a mm».,*, ^mtisiïi%'^%*rq&mm l M \r- tï>, " * M 1063 deel V novombo! 1975

10 -6- nagenoeg samenvalt met de richting 345, een richting die overeenkomt met de dominerende golfrichting op zee, lijkt deze aanname reëel. Voor het bepalen van de reductie in golfhoogte is de waarde van de reductie coëfficiënt beschouwd als een stochastische variabele. De in model gevonden waarden zijn in de vorm van een histogram uitgezet. Aan de hand hiervan is de waarde van de reductiecoëfficiënt bepaald die door 10% van de waarnemingen wordt overschreden. Deze waarde, een reductie factor van 0.70, is verder voor alle golfcondities en waterstanden aangehouden. De keuze van het overschrijdingspercentage van 10% is arbitrair en leidt tot een overschatting van de werkelijke transporten. Indien de gemiddelde waarde wordt aangehouden wordt een reductiefactor van 0.35 gevonden, hetgeen een halvering van de berekende transporten impliceert. 3.5 Berekening transportcapaciteit De transportcapaciteit is berekend met de zgn. CERC formule [3j,die luidt: S = 1.4 x 10~ H 2. C K 2 sin d> Y e o r cos Y d> waarin S = transport in m 3 /sec H = equivalente golfhoogte, gedefinieerd als \ \J2 H C = voortplantingssnelheid van de golf in diep water K = refractie coëfficiënt <J> = hoek tussen dieptelijnen en golfkam op punt van breken Uitgaande van de in gegeven randvoorwaarden (zie Tabel 1) en de in hoofdstuk 3.4 gegeven waarden voor K en 0 wordt een totaal transport in de orde van m /jaar gevonden. Deze waarde moet worden gezien als een bovengrens, gezien het cumulatief effect van diverse aannamen,die tijdens de berekening zijn gehanteerd. Voor een gemiddelde waarde van K gelijk aan 0.35 wordt een waarde van m 3 /jaar gevonden. Deze waarde zal een meer reële schatting zijn van de optredende transporten.

11 -7-4 Berekening erosie vooroever Gezien het ontbreken van zandtoevoer zal het gehele transport geleverd moeten worden door erosie van de vooroever. Wanneer als globale schematisatie wordt aangenomen dat erosie lineair afneemt over het aan golfaanval blootgestelde kustvak van 1000 m dan levert dit een maximale erosie van 440 m /m. per jaar aan het begin van het kustvak. Wanneer verder wordt aangenomen dat beneden een diepte van N.A.P. -10 m geen transport van betekenis zal optreden dan is erosie over een breedte van ca. 250 m mogelijk (zie figuur 2). Bij gelijkmatige erosie van de vooroever zal jaarlijks een gemiddelde verdieping in de orde van 2 m zijn te verwachten. Met name in het begin zal, zeker in het meest ondiepe gedeelte nabij de grinddam, met aanzienlijk hogere waarden rekening dienen te worden gehouden.

12 LITERATUUR 1 R. DORRESTEIN., Wind and wave data of Netherlands light vessels since 1949 Mededelingen en verhandelingen K.N.M.I. No. 90 Staatsdrukkerrij 's Gravenhage Tussentijds bericht W Nota R.W.S. Deltadienst, Waterloopkundige Afdeling Golfrandvoorwaarden voor het modelonderzoek naar de stabiliteit van de kop van de Zanddam West-Goeree 3 Shore Protection Planning and Design U.S. Army Coastal Engineering Research Center, Techn. Report. No. 4

13 golf- waterstand t.o.v. NAP parameters < H s T (m) (sec) (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10" x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10" x 10~ x 10" x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ x 10~ 5 Tabel 1 Frequentie van voorkomen van gespecificeerde combinaties van golfcondities en waterstanden (in % van de tijd)

14 ... ***M*4*ttiMMWMtf***«MaU* SITUATIE ZUIDWAL WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM SCHAAL V M.1063 FIG. 1

15 DWARSPROFIEL ZUIDWAL SCHAAL hor. 1:2500 vert. 1:250 WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM M 1063 FIG. 2