.. opdrachtgever: Rijkswaterstaat, Directie Sluizen en Stuwen S S S kanaal Almelo-De Haandrik S S hydraulische aspecten van de schutsluizen van De Haandrik S S verslag bureaustudie S mei 1989 S Z4801 Q 329 rjtilol1 1&% UL*UÏ tt f!wruwijfl waterloopkundig IaboratoriumwL
ri0theek BIBLIOTHEEK Bouwdienst Rijkswaterstaat Postbus 20.000 3502 LA Utrecht kanaal Almelo De Haandrik hydraulische aspecten van de schutsluizen van De Haandrik M.J. van der Marel ~«-,%k waterloopkundig IaboratoriumwL
INHOUD 1. Inleiding 1 1.1 Opdracht 1 1.2 Voornaamste uitgangspunten 2 1.3 Samenvatting 3 2 Passage openschutsluis 5 2.1 Algemeen 5 2.2 Beschrijving van het rekenprogramma INVAAR 6 2.3 Bepaling invaarsnelheid 8 2.4 Berekening van snelheden en passagetijden 9 2.5 Maximum doorvaartijd 10 3 Vullen en ledigen 12 3.1 Inleiding 12 3.2 Keuze van de te gebruiken openingen 12 3.3 Vul- en ledigingskarakteristieken 13 3.4 Langskrachten op het schip in de kolk 13 3.5 Consequenties voor de bodemverdediging 17 4 Conclusies 19 LITERATUUR FIGUREN TABELLEN BIJLAGEN
Lijst met tabellen Tabel 1: Vaarsnelheden op het kanaal Tabel 2: Invaarsnelheid na wachten op loom Tabel 3: Doorvaartijd van de sluis met een spuidebiet van 6 m 3 /s Tabel 4: Berekening bodemsnelheden benedenstrooms van de kolkopening. Lijst met figuren Figuur 1: Figuur 2: Figuur 3: Figuur 4: Figuur 5: Figuur 6: Situatie Overzicht schutsluis Vulkarakteris tieken Ledigingskarateristiek Langskrachten tijdens het vullen Langskrachten tijdens het ledigen. Bijlage Vulkarakteristieken Ledigingskarakteristi-eken
Hydraulische aspecten schutsluizen DE HAANDRIK. 1. Inleiding. 1.1 Opdracht. Rijkswaterstaat Dir. Sluizen en Stuwen heeft in een bespreking op juli 1986 te Zwolle aan het Waterloopkundig Laboratorium opgedragen, advies uit te brengen over de hydraulische aspecten van het ontwerp van twee schutsluizen bij De Haandrik. De voor het advies benodigde studie is verricht door ir. E.A. van Kleef, ir. A. Vrijburcht en ir. J. Uwland in de periode julinovember 1986. De rapportage is verzorgd door ir. J. Uwland en ir M.J. van der Marel. Deze studie is noodzakelijk geworden nadat het oorspronkelijke plan ter verbetering van het kanaal Almelo-De Haandrik ingrijpend is gewijzigd. De oorspronkelijk opzet voorzag in een nieuw te bouwen schutsluis bij Aadorp en twee keersluizen bij De Haandrik (aan weerszijden van de Vecht één sluis). Voor de schutsluis te Aadorp en de beide keersluizen bij De Haandrik is reeds een studie uitgevoerd, september 1985 (R2115-I&II) [1,2]. Het toenmalige uitgangspunt, dat bij hoge waterstanden op de Vecht de keersluizen worden gesloten en dat dien ten gevolge de scheepvaart gestremd wordt, is inmiddels gewijzigd. Volgens de nieuwe uitgangspunten mag bij hoge waterstanden op de Vecht de scheepvaart niet gestremd worden. Dit maakt de toepassing van schutsluizen noodzakelijk. (figuur 1) Wederom is er een sterke onderlinge relatie tussen de schutsluis bij Aadorp en de sluizen bij De Haandrik; - de deuren moeten volledig uitwisselbaar zijn - de sluisafmetingen zijn identiek De volgende problemen dienen nu nader te worden onderzocht: - De passage van een schip bij openstaande schutsluis bij een spuidebiet van maximaal 6 m 3 /s. De Haandrik 1
- Het viii- en ledigingsproces wanneer er gebruik wordt gemaakt van één schuifopening per deur. - Nagegaan moet worden of het maatgevende schip (de verlengde hagenaar) zonder al te veel hinder de sluizen kan passeren bij een spuidebiet van 6 m 3 /s. Tevens moet worden bepaald hoe groot de toelaatbare doorvaarsnelheid is. - Bij toepassing van slechts één schuifopening mag de totale vultijd niet te groot worden, terwijl de totale krachten op de schepen in de kolk de maximaal toelaatbare waarde niet mogen overschrijden. Een extra probleem is het Ledigen waarbij de snelheid in de schuifopeningen (zoals oorspronkelijk voorgesteld in R2115-I) in tegengestelde richting is. De consequenties hiervan voor de bodemverdediging worden nagegaan. 1.2 Voornaamste uitgangspunten. Zoals uit voorgaande blijkt is dit onderzoek vereist omdat de in het oorspronkelijke ontwerp voorziene keersluizen bij De Haandrik in een later stadium zijn vervangen door schutsluizen, (figuur 1 en figuur 2). De randvoorwaarden, die betrekking hebben op deze verandering worden hieronder vermeld. De overige zijn al beschreven in [1) en [2. Afmetinqen schutsluis breedte 8.50 m lengte schutkolk (van deur tot deur) 75.00 m drempelhoogte 5.60 m + NAP max. spuidebiet bij scheepvaart 6.0 m 3 /s Schutpeil schutpeil Vechtzijde kanaalpeil min. schutpeill Vechtzijde 10.20 m +NAP 9.10 m +NAP 8.50 m +NAP De Haandrik 2
Aansluitende kanaa]oanden Almelo-De Haandrik De Haandrik-Coevorden bodemniveau 5.10 m +NAP peilen: max 9.20 m +NAP min 9.00 m +NAP normaal 9.10 m +NAP Vechtzij de bodemniveau 5.10 m +NAP peilen: max 10.75 m +NAP min 8.50 m +NJ\p calamiteit 7.50 m +NJW normaal 9.10 m +NAP Het maatgevende schip is een verlengde hagenaar klasse ITa, voor dit type schip moet een veilige passage van de openstaande schutsluis bij een spuidebiet van 6 m 3 /s mogelijk zijn. scheepseigenschappen verlengde hagenaar spits lengte 67 m 38.5 m breedte 7.2 m 5.5 m diepgang 2.5 m 2.0 m motorvermogen 50% overschrijding. 415 pk 150 pk 90% overschrijding. 270 pk 90 pk 1.3 Samenvatting. Per hoofdstuk wordt hierna een korte samenvatting gegeven. 2. Passage open schutsluis Met het rekenprogramma INVAAR is de doorvaartijd van de openstaande schutsluis berekend, waardoor een debiet van 6 m 3 /s wordt gespuid. Dit programma wordt in paragraaf 2.2 beschreven. De invaarsnelheden die nodig zijn als randvoorwaarden worden in paragraaf 2.3 bepaald: - bij onbelemmerde doorvaart (invaarsnelheden van geladen schepen zijn maximaal 2.1 á 2.4 m/s) De Haandrik 3
- in een situatie waarbij de schepen hebben moeten wachten (een verlengde hagenaar met een motorvermogen van 270 pk, die heeft stilgelegen bereikt een invaarsnelheid van 0.53 m/s). In paragraaf 2.4 is de totale doorvaartijd bepaald: - De doorvaartijd voor een schip, bij onbelemmerde doorvaart bedraagt 124 a 178 5. - De doorvaartijd voor een verlengde hagenaar, die heeft liggen wachten bedraagt maximaal ca. 240 s. Alle schepen kunnen in een acceptabele tijd de sluis passeren. De maximale inzinking in de sluis bedraagt 0.24 m. In paragraaf 2.5 is geadviseerd de maximum toelaatbare snelheid in de kolk te stellen op 0.6 m/s 3. Vullen en ledigen Het is goed mogelijk voor het vullen en ledigen van de kolk slechts één schuifopening per deur te gebruiken. In dat geval dient de bij de sluiswand gelegen opening te worden gebruikt. In paragraaf 3.3 worden de vul- en ledigingskarakteristieken gegeven: de vul- resp. Itedigingstijd is: 388 s resp. 400 s (zie voor berekening bijlagen 1 en 2). De gedeeltelijke blokkering van de vulopening over de onderste 6 cm behoeft niet te worden verwijderd. De langskrachten op de schepen in de kolk blijven ruim onder de toegestane waarden. Voor de bodemverdediging van de schutsluizen bij De Haandrik geldt dat bij lediging van de kolk, de aanval op de verdediging groter is dan bij de sluis te Aadorp. Over de eerste vier meter is een d50 van 0.30 m vereist. Het bij Aadorp toegepaste steenmateriaal 5/40 kg is hiervoor te licht. Indien gewenst is dat men over de eerste vier meter hetzelfde materiaal toepast, moet men penetratie met cementspecie of asfalt overwegen. De Haandrik 4
2. Passage open schutsluis. 2.1 Algemeen. Het te onderzoeken probleem is de doorvaart van de openstaande schutsluizen hij De Haandrik, in het geval dat door de sluis een debiet van maximaal 6 m 3 /s wordt gespuid in de richting van Coevorden. Te beantwoorden is de vraag, of de op het kanaal Almelo-De Haandrik varende schepen de sluis met een redelijke snelheid kunnen passeren. Ook moet bepaald worden, wat de passagetijd van de schepen is. Hiervoor zijn twee situaties te onderscheiden: onbelemmerde doorvaart en de situatie waarin het schip moet wachten. De doorvaartijd van schepen, die niet hoeven te wachten voor de sluis, wordt berekend door het schip met de maximaal te bereiken snelheid op het kanaal de sluis te laten invaren. De doorvaartijd voor schepen die hebben gewacht voor de sluis is groter dan de doorvaartijd voor niet wachtende schepen, omdat de snelheid waarmee deze schepen invaren kleiner is dan in het geval van onbelemmerde doorvaart. De doorvaartijd is berekend met het rekenprogramma INVAAR, waarvan in paragraaf 2.2 een korte beschrijving is opgenomen. De invoer voor het INVAARprogramma bestaat onder andere uit de invaarsnelheid, deze is bepaald in paragraaf 2.3 voor zowel de onbelemmerde doorvaart als voor de situaties waarin moet worden gewacht. De resultaten van de eigenlijke berekening van de doorvaart worden gegeven in paragraaf 2.4. De doorvaart wordt daar beschreven aan de hand van de snelheden en de passagetijden. Voor de navigatie-aspecten van het naderen van de sluis, waardoor wordt gespuid, wordt verwezen naar het verslag R2115 deel II: kanaal Alinelo-De Haandrik, hydraulische- en scheepvaart aspecten van de keersluizen van De Haandrik. In dit verslag is de nadering bestudeerd van kempenaars en verlengde hagenaars van de keersluis bij debieten van 6 en 10 m 3 /s. Van de oorspronkelijk ontworpen keersluis, komt de geometrie sterk overeen met die De Haandrik 5
van het huidige sluishoofd. Zodat de resultaten van R2115-II mogen worden gebruikt. 2.2 Beschrijving van het rekenprogramma INVAAR Een zelfvarend schip in een prismatisch kanaal stuwt een hoeveelheid water voor zich uit, die recht evenredig is met de snelheid van het schip. Deze hoeveelheid water stroomt onder en naast het schip terug (retourstroom). Vanaf het schip gezien, komt het water voor het schip aanstromen met een snelheid gelijk aan de snelheid van het schip ten op zichte van een aardvast assenstelsel. Daar ter plaatse van het schip het profiel vernauwd is, zal het water daar sneller stromen. Deze versnelling van het water gaat gepaard met een daling van de waterspiegel (de inzinking). Bij het hek wordt het terugstromende water vertraagd tot de scheepssnelheid. Dit gaat gepaard met energieverlies. Bij het hek wordt echter ook door de schroef energie aan het terugstromende water toegevoegd. Bij een schip dat vaart met een eenparige snelheid, is de energie die door de schroef wordt toegevoegd even groot als het energieverlies ten gevolge van de vertraging en de wrijving. Wanneer de vaarweg zich plotseling vernauwt, ondervindt het teruqstromende water een extra weerstand. Het water heeft immers een hogere snelheid in het nauwe gedeelte dan in het wijde gedeelte van de vaarweg. Ter plaatse van de overgang: vernauwing/normaal profiel treedt een extra energieverlies op. Omdat de door het schip verplaatste hoeveelheid water niet meer volledig onder het schip kan af stromen, zal voor het schip een positieve translatiegolf ontstaan die voor het schip uitloopt en vanaf de vernauwing een negatieve translatiegolf die naar achteren loopt. De hoogte van de opgewekte translatiegolf is afhankelijk van de geometrie van de doorsneden en van de momentane snelheid van het schip. Het stromingsbeeld rond het schip kan worden berekend met een quasi-stationaire, 1- dimensionale methode, gebruik makend van de continuïteitsvergelijkingen en van de Bernoulli-vergelijkingen, eventueel aangevuld met energieverliestermen, bij het hek, de boeg en de vernauwing. De Haandrik 6
De translatiegolven lopen door de vernauwing. Zij reflecteren op het open uiteinde van het kanaal en komen dan als negatieve golven terug. Deze golven komen weer terug bij de boeg van het schip. Hier vindt voor een deel positieve reflectie plaats, terwijl een ander deel van de golf doorloopt langs het schip. Als de golf, die langs het schip loopt, het begin van de vernauwing bereikt, wordt hij daar negatief gereflecteerd. In het rekenprogramma INVAAR wordt rekening gehouden met de verschillende snelheden van de translatiegolven met de stroom mee en tegen de stroom in. Naast het schip en in de vernauwing lopen de golven langzamer. De kracht die het schip ondervindt, bestaat uit drie gedeelten: - de schroefkracht - de weerstandskracht - de golfkracht. Er wordt aangenomen dat de schroefkracht niet wordt beïnvloed door het stromingsbeeld rond het schip. De weerstandskracht wordt berekend met de empirische formule van Van der Kaa [3]. Hierbij wordt rekening gehouden met de verschillende snelheden naast de boeg en het hek van het schip. De beide snelheden worden naar ratio van de afstanden waarover het schip zich in de vernauwing en daarbuiten bevindt, in rekening gebracht. De golfkracht is gelijk aan de hydrostatische kracht die het gevolg is van het verval over het schip ten gevolge van de golf tegen de boeg. Omdat bij het invaren de resultante van deze krachten tegen de bewegingsrichting van het schip in gericht is, zal het schip vertragen. Bij deze vertraging wordt de toegevoegde watermassa in rekening gebracht. Het rekenmodel werkt als volgt. Uitgaande van de snelheid van het schip wordt de hoogte van de opgewekte translatiegolf voor het schip berekend. De opgewekte translatiegolf dient als randvoorwaarde voor de berekening van het goifstelsel in de vernauwing. Dit golf stelsel wordt berekend met de karakteristiekenmethode. De hiervoor benodigde reflectiecoëfficiënten bij het open eind van de vernauwing en bij de boeg van het schip worden eerst berekend. Daarbij wordt rekening gehouden met feit dat de rand die gevormd wordt door de boeg van het schip zich verplaatst met de snelheid van het De Haandrik 7
schip. Met de bewegingsvergelijking van het schip wordt de vertraging van het schip berekend. Door integratie in de tijd volgt hier uit de snelheid van het schip. Hierna kan een volgende tijdstap worden uitgevoerd. 2.3 Bepaling invaarsnelheid. - Onbelemmerde doorvaart. Op het kanaal Almelo-De Haandrik varen spitsen, hagenaars. De vaarsnelheden op het kanaal, en het scheepstypen zijn opgenomen in tabel 1. Voor de parige snelheid en de daarbij behorende inzinking nodig de grootte van de schroefkracht te kennen. afgeleid uit het motorvermogen. empenaars en verlengde motorvermogen van deze berekening van de eenvan het schip is het De schroefkracht wordt Uit statistische gegevens blijkt dat 90% van de spitsen een motorvermogen van meer dan 90 pk heeft en 50% meer dan 150 pk. De schroefkracht is uit het motorvermogen geschat met de vuistregel dat 100 pk motorvermogen overeenkomt met 10 kn schroefkracht. Voor de schroefkracht van een spits wordt dan een waarde van 9 resp. 15 kn gevonden. Met de schroefkracht kan de evenwichtssnelheid van een schip berekend worden. In dat geval is het vertraqingsverlies achter en de wrijvingskracht op het schip in evenwicht met de opvoerhoogte. De evenwichtssnelheden zijn berekend met het rekenmodel EENP. In de situatie met een debiet op het kanaal zijn de evenwichtssnelheden 0,05 m/s hoger resp. lager bij stroom mee resp. stroom tegen. - Het versnellen van het schip uit stilstand. Hoe een schip versneld wordt bepaald door de schroefkracht, de kanaalvakken voor en achter het schip en het water onder het schip. De schroef pompt water onder het schip door. Het schip versnelt door een waterstandsverschil voor en achter het schip. Bij het versnellen zinkt het schip in. De Haandrik 8
Het systeem kan worden doorgerekend door gebruik te maken van een scheepsvast assenstelsel, de continuïteits- en de bewegingsvergelijking. Voor de bewegingsvergelijking van het schip geldt dat de kracht die ontstaat door het waterstandsverschil voor en achter het schip, gelijk is aan de versnelling van het schip. De snelheid van het schip en de door het schip afgelegde afstand kunnen met deze vergelijkingen worden berekend als functie van de tijd. Op deze manier is een schip dat op een afstand van 100 m voor de sluis stil heeft gelegen, versneld tot het moment dat de boeg de sluis heeft bereikt. De snelheid die het schip dan heeft ligt lager dan de maximum snelheid van het schip. De snelheid van een verlengde hagenaar met 415 pk motorvermogen is 0.66 m/s. Het schip heeft 305 s nodig om de sluis te bereiken. De andere scheepstypen met bijbehorend vermogen staan in tabel 2. 2.4 Berekening van de snelheden en passagetijden. - Onbelemmerde doorvaart Voor schepen die niet hoeven te wachten voor de sluis is de invaarsnelheid gelijk genomen aan de maximum snelheid op het kanaal. Deze vaarsnelheden zijn reeds vermeld in tabel 1. De doorvaart is berekend met een afvoer van 6 m 3 /s. De berekeningen worden uitgevoerd voor dezelfde scheepstypen als de doorvaartberekeningen vanuit stil liggende positie. De invaartijd ligt tussen de 77 en 90 s, de uitvaarsnelheid ligt tussen de 0,7 en 1,1 m/s. De vaardiepte is voldoende, want de maximale inzinking, inclusief de toename van de inzinking ter plaatse van de boeg ten gevolge van de trim, bedraagt 0,24 m. Daar de waterdiepte 3,50 m is, en de diepgang van de schepen 2,50 m, is de kielspeling van de schepen minimaal 0,76 m. Er bestaat geen gevaar voor aan de grond lopen. De Haandrik 9
De totale doorvaartijd wordt bepaald door de invaar- en uitvaartijd. Dit laatste is de tijd die nodig is om het schip volledig uit de kolk te laten varen. De uitvaartijd is geschat met de formule: t= lengte schip eindsnelheid schip (1) De totale doorvaartijd bedraagt in dat geval: - een spits 90 pk: 124 s (2.1 min) - een verlengde hagenaar 270 pk: 178 s (3.0 min). - een verlengde hagenaar 415 pk: 139 s (2.3 min). De doorvaartijden zijn acceptabel. De schepen verlaten de sluis met snelheden tussen 0,8 en 1,1 m/s. De vaarsnelheden blijven redelijk. Bij hoge invaarsnelheden zijn er echter wel relatief grote golfkrachten op de boeg van het invarende schip. Hierdoor bestaat de kans, dat het schip dwars op de vaarrichting draait. Dit effect is in een bureaustudie niet te kwantif 1- ceren. - Passage na wachten. Voor schepen die op 100 m liggen te wachten is de invaarsnelheid bepaald met het programma EENP (tabel 2). De doorvaart is berekend met een afvoer van 6 m 3 /s. De invaartijd ligt tussen de 124 en 155 s, de uitvaarsnelheid ligt tussen de 0,66 en 0,8 m/s. Om dat de snelheden geringer zijn dan in het geval van onbelemerde doorvaart is de totale inzinking kleiner. Er is in dit geval zeker geen gevaar voor aan de grond lopen. De totale doorvaartijd bedraagt in dat geval: - een spits 90 pk: 213 s (3,5 min) - een verlengde hagenaar 270 pk: 240 s (4,0 min). - een verlengde hagenaar 415 pk: 211 s (3.5 min). De Haandrik 10
De doorvaartijden zijn acceptabel. De schepen verlaten de sluis met snelheden tussen 0,6 en 0,8 m/s. 2.5 Maximum doorvaartijd. Nu een doorvaart bij een spuidebiet van 6 m 3 /s mogelijk blijkt te zijn, is het zinvol na te gaan of aan de doorvaarsnelheid beperkingen moeten worden opgelegd. Maatgevende situatie voor de doorvaart is een schip komend van de Vecht in de richting van Aadorp. Dit schip zal naar alle waarschijnlijkheid een nogal slingerende koers volgen als gevolg van de stuurkorrekties op de bochtige vaarweg en als gevolg van de voorafgaande oversteekmanoeuvre op de Vecht. Bij een te hoge snelheid is het gevaar voor een aanvaring van de sluishoeken of de daar achter gelegen deuren zeker niet denkbeeldig. Op een kanaal kan als globale regel worden gehanteerd dat de scheepssnelheid gelijk is aan 0,9 * grenssnelheid. Beperking van de snelheid in de sluis tot 0,7 * de grenssnelheid wordt zinvol geacht. Voor een hagenaar is de grenssnelheid in de kolk gelijk aan 0,9 mis. De aanbevolen maximum snelheid is dus 0,6 m/s. De Haandrik 11
3. Vullen en ledigen. 3.1 Inleiding. De sluis bij De Haandrik is identiek aan die bij Aadorp. Dit geldt ook voor de toe te passen sluisdeuren en de vul- en ledigingsopeningen, alleen de stand van de deuren aan de kanaalzijde is anders. Omdat het het verval bij De Haandrik geringer is dan het verval bij Aadorp, overweegt men slechts édn van de twee openingen per deur te gebruiken. De consequenties hiervan zijn in dit hoofdstuk aangegeven. Allereerst is bepaald welke van de twee openingen benut zal moeten worden (par. 3.2). Vervolgens zijn in paragraaf 3.3 de vul- en ledigingskarakteristieken bepaald, waarna in paragraaf 3.4 de grootte van de langskracht op het schip in de kolk is bepaald. Tenslotte is in paragraaf 3.5 nagegaan hoe groot de aanval is op de bodemverdediging bij het ledigen. 3.2 Keuze van de te gebruiken openingen. Er zijn twee mogelijkheden - de bij de sluis-as gelegen openingen - de bij de sluiswand gelegen openingen. - De bij de as gelegen openingen. De stralen uit de dicht bij elkaar gelegen openingen zullen elkaar beïnvloeden, het aanzuigen van water is geen probleem omdat de wanden relatief ver verwijderd zijn. In het gebied tussen beide stralen ontstaat door het aanzuigen wel een onderdruk, waardoor de stralen naar elkaar komen. Er zal zodoende een krachtige straal in de as van de sluis ontstaan. Deze straal is bovendien instabiel omdat de verhouding tussen de breedte van de opening ten opzichte van de breedte van de sluiskolk klein is, bestaat het gevaar dat de straal gaat meanderen. Aan de eis van gelijkmatig over de kolkdoorsnede gespreide vulstraal wordt beslist niet voldaan. De Haandrik 12
- De bij de wand gelegen openingen. De stralen uit deze openingen zullen een duidelijke voorkeur vertonen voor de nabij gelegen wanden. Deze zullen dan ook aan de wanden gaan aanliggen en daardoor minder snel spreiden dan een vergelijkbare Vrije straal. Het grote voordeel van deze oplossing is het stabiele stroombeeld. Het bezwaar is de minder snel spreidende wandstralen. Hoewel geen van beide mogelijkheden een ideale oplossing is, gaat de voorkeur uit naar de oplossing met de bij de wand gelegen openingen. Deze oplossing is dan ook nader geanalyseerd. 3.3 Vul en ledigingskarakteristieken. Voor het vul- en ledigingsproces zijn een aantal berekeningen verricht met het rekenprograxrima LOCKFILL. In dit programma wordt per tijdstap berekend: het verval AH het debiet Q de langskrachten op het schip. In figuur 3, grafiek 1 en 2 zijn de resultaten van de vulberekeningen gegeven voor de situatie waarbij de randvoorwaarden zoveel mogelijk overeenstemmen met de voorwaarden bij de sluis te?\adorp. De totale vultijd bedraagt 388 s, het maximum debiet is 2.84m 3 /s. In de eerste twee grafieken van figuur 4 zijn de resultaten van de ledigingsberekening gegeven waarbij de afvoercoëfficiënt is verandert, zoals dat gebeurt is bij het ontwerp van de schutsluis te Aadorp. De ledigingstijd is 400 s, het maximum debiet is 2.63 m 3 /s. 3.4 Langskrachten op het schip in de kolk. De langskracht op een schip tijdens het vullen en ledigen van de kolk is als volgt gedefinieerd. De langskracht bij het vullen is positief als de De Haandrik 13
kracht gericht is naar de benedenstroomse deur en negatief als de kracht gericht is naar de bovenstroomse deur (de vuldeur). (zie figuur 5) De langskracht bij het ILedigen is positief als de kracht gericht is naar de bovenstroomse deur en negatief als de kracht gericht is naar de benedenstroomse deur (de ledigingsdeur). De krachten op het schip tijdens het vullen van de kolk worden bepaald door (zie figuur 5 en tevens lit. [5], [6] en [71): translatiegolven Het debiet komt als funktie van tijd de kolk in. Hierdoor worden translatiegolven opgewekt, die reflecteren tegen het schip en de deuren. Er ontstaat een wisselende kracht op het schip, die in het begin overwegend positief is en na het maximum debiet overwegend negatief is. debietaf name in langsrichting van de kolk In Langsrichting van de kolk neemt in de richting van de benedendeur het debiet af dat door een dwarsprofiel stroomt. Hierdoor loopt in de richting van de benedendeur de waterstand op en ontstaat een negatieve langskracht. Bij de achterkant van het schip ontstaat een energieverlies door de overgang van het nauwe stromingsprofiel naast het schip naar het dwarsprofiel van de kolk. wrijving De wrijving langs de bodem en wanden van de sluis en langs de scheepshuid geeft een waterstand die in de richting van de benedendeur afneemt. Dit geeft een positieve langskracht op het schip. directe vullstraal tegen de boeg De geconcentreerde vulstraal botst tegen de boeg van het schip (met name in het begin van het vulproces) en geeft een positieve Langskracht op het schip. waterspiegelafzinking boven de vulstraal Bij de boeg is vaak nog de geconcentreerde vuistraal aanwezig. Door de hoge snelheden in deze vulstraall is de waterspiegel hierboven verlaagd. Dit levert een naar de bovendeur gerichte, negatieve langskracht op. De totale langskracht op het schip is een sommatie van bovengenoemde effecten en varieert in de tijd. Hierin zitten geen effecten die mogelijk op kunnen treden bij dichtheidsverschillen tussen kolk en voorhaven. De Haandrik 14
De krachten op het schip tijdens het ledigen van de kolk zijn deels vergelijkbaar met het vullen en worden bepaald door (zie figuur 6): translatiegolven Het debiet stroomt als funktie van tijd de kolk uit. Hierdoor worden translatiegolven opgewekt, die reflecteren tegen het schip en de deuren. Er ontstaat een wisselende kracht op het schip, die in het begin overwegend negatief is en na het maximum debiet overwegend positief is. debietafname in langsrichting van de kolk In langsrichting van de kolk neemt in de richting van de bovendeur het debiet af dat door een dwarsprofiel stroomt. In stromingsrichting (in de richting van de benedendeur) neemt het debiet dan toe. Hierdoor neemt in de richting van de benedendeur de waterstand af en ontstaat een negatieve langskracht. Bij de voorkant van het schip ontstaat een energieverlies door de overgang van het nauwe stromingsprofiel naast het schip naar het dwarsprofiel van de kolk. wrijving De wrijving van de stroming langs de bodem en wanden van de sluis en langs de scheepshuid geeft een waterstand die in de richting van de benedendeur afneemt. Dit geeft een negatieve langskracht op het schip. Effecten van de de geconcentreerde ledigingsstraal zijn niet in maar buiten de sluis merkbaar, aandacht moet hierbij aan bodemverdediging geschonken worden. Een schuifhefsnelheid van 0.003 m/s levert een positieve langskracht van 0.19 0 / 00 (van de waterverplaatsing van het schip) en een negatieve langskracht van -0.18 0 / 00 op een verlengde hagenaar. Voor de andere scheepstypen zijn de krachten kleiner.(zie bijlage 1 en 2, figuur 3 en 4) Zoals reeds opgemerkt kunnen de vulstraalkrachten groter zijn dan berekend (in geval het schip langs de wand ligt). Maar in elk geval zullen de krachten kleiner zijn dan de 1 0 / 00 van de waterverpilaatsing. Voor de schutsluis te Aadorp is de toepassing van vulstukken geadviseerd om het slingerende verloop van de langskracht als gevolg van de translatiegolf te verminderen. Gedurende de eerste 20 seconden wordt de oppervlakte van de De Haandrik 15
vulopening gehalveerd (par. 2.2 en 3.4.3 van [11). Ook in de sluis bij De Haandrik zal dit zelfde slingerende verloop optreden, alleen de grootte van de resulterende kracht is veel kleiner. Wordt de vormgeving van Aadorp gehandhaafd, dan betekent dit dat gedurende de eerste 20 seconden slechts 1/3 van de schuifopening vrijkomt, i.p.v. de helft (fig. 3.1). Hierdoor zal het slingeren niet worden ondervangen (fig 3.2), de resulterende maximum kracht wordt hierdoor niet groter (fig. 3.3). Het lijkt daarom niet noodzakelijk de blokkering te verwijderen. - - t---------t li A vooroonzicht Figuur 3.1 Vulopening 0 1 Ct 1/3 OPfl1)9 Vrij volledig. opening Figuur 3.2 Effect van de blokkering ml nt vllst1. - zonder vllstlç 0 L 1 0-2 - 0 80 160 240 t1jds 3aJ Figuur 3.3 De translatiegolfkracht De Haandrik 16
3.5 Consequenties voor de bodemverdediging bij iledigen. Met het rekenprograrnma LOCKFILL is het verloop van het debiet als functie van de tijd c.q. de schuifopening vastgelegd tijdens het ledigen. In bijlage 2 zijn de resultaten van deze berekening gegeven. De afvoercoëfficiënt p van de schuifopeningen is hierbij bepaald voor een aantal schuifstanden volgens: p = 0.75 x d x b - 0.0396 db x (2) b = breedte schuif d = schuifopeningshoogte Met behulp van de theorie voor de spreiding van een Vrije en van een bodemstraal zoals weergegeven in {4], (zie ook par. 4.3.2 van [11) is de maximum snelheid op 6 m afstand bepaald. Dit is de afstand waarop de ledigingsstraal de bodem zal kunnen treffen. In tabel 4 zijn voor een aantal schuifstanden deze maximum snelheden Vm bepaald, uitgaande van de gemiddelde snelheid V in de opening. De verhouding v/v is als functie van x/.ja bepaald uit figuur loa en lob van [1]. Hierin is x de horizontale afstand tot de opening en A het oppervlak van de opening. De maximum snelheid blijkt op te treden bij een schuifopening van 0.45 m dus na 150 sekonden heffen. De maximumsnelheid boven de bodemverdediging is dan 2.30 m/s op 6 m afstand en 1.83 m/s op 10 m afstand. Bepaling van de vereiste steendiameter d is verricht volgens de methoden zoals aangegeven in par. 4.7.1 van [1] De Haandrik 17
Methode 1 d 50 > r 1+3r 2 lvg 1.45 1 kr ga (3) = turbulentie intensiteit = 0.35 A = relatieve massa = 1.65 v =V /0.65 g b kr = stabiliteitsparameter = 2 v 2 g d 50 > - A 2g C = constante = 1.4 (6) De resultaten op afstand x = 6 en x = 10 m zijn hieronder gegeven. Steendiaineters afstand Vg d 50 d 50 d 50 methode 1 methode 2 6 m 2.30 0.33 0.23 0.30 10 m 1.83 0.21 0.14 0.18 Bij de directie Overijsel van Rijkswaterstaat bestaat de uitdrukkelijke voorkeur de bodemverdediging van de schutsluis bij De Haandrik uit te voeren zoals die bij de schutsluis te Aadorp. Bij Aadorp is toegepast steenmateriaal 5/40 kg. Dat betekent voor de d50: 0.19 ~ d 50 :~ 0.24 De Haandrik 18
Dit materiaal is dus te licht voor toepassing bij De Haandrik, onmiddelijk aansluitend aan de sluis over de eerste vier meter. Indien men over de eerste vier meter geen zwaarder materiaal wil toepassen, dan is vastleggen van het steenmateriaal door penetratie met asfalt of cementspecie een goed alternatief. Vanzelfsprekend biedt een betonvloer ook voldoende bescherining. De Haandrik 19
4. Conclusies. Passage open schutsluis Een veilige en redelijk vlotte doorvaart is bij een spuidebiet 6 m 3 /s mogelijk voor alle scheepstypen.dit geldt zowel voor schepen die op 100 m voor de sluis hebben stilgelegen als voor schepen met een onbelemrnerde doorvaart. De doorvaartijden variëren van 2 tot 4 minuten. De aanbevolen maximum doorvaarsnelheid is 0.6 mis. Vullen en ledigen Het vullen en ledigen is met een opening per deur goed mogelijk. Hier - voor wordt de nabij de sluiswand gelegen opening aanbevolen. De totale vultijd bedraagt 388 s bij een verval van 1.1 m en bij een hefsnelheid van 0.003 m/s. De totale ledigingstijd bedraagt 400 s. De langskrachten op de schepen in de kolk zijn ruim toelaatbaar. De bodemverdediging tegen de ledigingsstralen, dient over de eerste vier meter te bestaan uit materiaal met d 50 = 0.30 m. Indien men materiaal van 5/40 kg wilt toepassen zoals bij de schutsluis te Aadorp dan moet men dit penetreren met asfalt of cementspecie. De Haandrik 20
Uwland, J. Kanaal Almelo-De Haandrik Hydraulische aspecten schutsluis Aadorp Water loopkundig Laboratorium. Verslag bureaustudie R2115 deel 1, sept. 1985 Uwland, J. Kanaal Almelo-De Haandrik Hydraulische en scheepvaart aspecten keersluizen van De Haandrik. Waterloopkundig Laboratorium. Verslag R2115 deel II, sept. 1985 v.d. Kaa, E.J. Power and speed of push-tows in canals, Symp. on Aspects of Navigability of constraint Waterways, inciluding Harbour Entrances Delft, 1978 Rajaratnam, N. Turbulent jets (Developments in water Science no. 5) Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, Oxford, New York, 1976 Kolkman, P.A. Low-head navigation locks door filling and emptying systems developed by hydraulic investigations, Land + Water International, 16 (1973), WL-publicatie 111. Bosma, J. Langskrachten op schepen in sluizen met een vul- en ledigingssysteem in de hoofden, WL-Delft, R1222/M1481, februari 1978 de Jong, R.J en Vrijer, A. Mathematical and hydraulic model investigation of longitudinal forces on ships in locks with door filling systems, IAHR-Congress New Delhi, February 1981, De Haandrik
WL-publLicatie 239. 8. Vrijburcht, A. Het vulproces van een schutsluis met een langsvulsysteem, invloed translatiegolven, vulstraaleffecten en dichtheidsverschillen op de llangskrachten, verslag berekeningen, WL-Delf t, Q176 deel 2, augustus 1988. De Haandrik
.14 1 1-4 ra t 1 d 1: 1 -Ik
Scheepstype Vermogen Schroefkracht Vaarsnelheid ven. hagenaar 270 pk 27.0 kn 2.1 m/s ven. hagenaar 415 pk 41.5 kn 2.3 m/s kernpenaar 200 pk 20.0 kn 2.1 m/s kempenaar 315 pk 31.5 kn 2.3 m/s spits 90 pk 9.0 kn 2.2 m/s spits 150 pk 15.0 kn 2.4 m/s Tabel 1 Vaarsnelheden op het kanaal. Run Schip Schroefkracht Tijd Invaarsnelheid Si verl. hagenaar 27.0 kn 376 s 0.53 m/s S2 veril. hagenaar 41.5 kn 305 s 0.66 m/s S3 kempenaar 20.0 kn 375 s 0.54 m/s S4 kempenaar 31.5 kn 300 s 0.67 m/s S5 spits 9.0 kn 375 s 0.42 m/s S6 spits 15.0 kn 485 s 0.54 m/s Tabel 2 Invaarsnelheid na wachten op 100 m. Run Schip Schroef kracht begin snelh. eind sqiiat snelh. door vaart uit vaart Totaal TOl spits 9.0 kn 2.10 0.88 0.12 80 44 124 s T02 ven. hag. 27.0 kn 2.10 0.78 0.18 90 88 178 s T03 ven. hag. 41.5 kn 2.30 1.08 0.24 77 62 139 s T04 spits 41.5 kn 0.42 0.66 0.04 155 58 213 s T05 ven. hag. 27.0 kn 0.53 0.74 0.10 149 91 240 s T06 ven. hag. 41.5 kn 0.66 0.80 0.14 127 84 211 s Tabel 3 Doorvaartijd van de sluis met een spuidebiet van 6m 3 /s. De Haandrik
v/v m g v max V Schuif Vrije bodem vrije bodem maat positie Vgem x/ja straal straal straal straal gevend 0.06 3.61' 24.5 0.28 0.37 1.01 1.32 1.20 0.15 3.35 15.5 0.42 0.57 1.41 1.89 1.65 0.21 3.37 13.1 0.47 0.63 1.58 2.11 1.90 0.30 3.30 11.0 0.55 0.70 1.82 2.31 2.10 0.45 3.01 8.9 0.65 0.84 1.96 2.51 2.30 0.60 2.58 7.8 0.70 0.92 1.81 2.37 2.15 0.81 1.76 6.7 0.78 0.95 1.37 1.67 1.52 1.00 0.69 6.0 0.79 1.00 0.55 0.69 0.60 op x=6m v/v m g v max v Schuif vrije bodem vrije bodem maat positie Vgem x/.ja straal straal straal straal gevend 0.06 3.61' 31.6 0.20 0.25 0.72 090 0.85 0.15 3.35 20.0 0.33 0.45 1.11 1.52 1.35 0.21 3.37 16.9 0.41 0.50 1.38 1.69 1.60 0.30 3.30 14.1 0.46 0.60 1.52 1.98 1.75 0.45 3.01 11.5 0.54 0.67 1.63 2.02 1.83 0.60 2.58 10.0 0.60 0.75 1.55 1.94 1.76 0.81 1.76 8.6 0.64 0.82 1.13 1.44 1.29 1.00 0.69 7.8 0.70 0.92 0.48 0.63 0.56 op x=lom 1) door blokkering 3 maal zo groot als in bijlage 2. Tabel 4 Berekening bodemsnelheden benedenstrooms van de kolkopening. De Haandrik
-1-0v Vecht bedenings9ebouw S em hramsber0en ebcuw E 1 b L L ----------------- -. te bopr Schufst te bouwe u J - -
111960-1 22B511 1265 \\1 ~ft." BOVENAANZICHT 22 241k 'I 6870 12000 - OVERZICHT SCHUTSLUIS WATERLOOPKUNDG LABORATORIUM 0 329 IFIG. 2
00-- 10.50 10.00 Ï 9.50 9.00 8.5% 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. 550. 60 tijd [s] kak voorhav, 5. 3. Lj 2. 1 1 5. 100. 150. 200. 250. 300. 35L 400. 450. 500. 55 jd [s] 0.6 0.4 ---------------- 0.2 - - ==.-----------1------ Nl - 0.0-0.2 - - "- ;::.j T- - -0 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. 950( tijd [s] tota tralel Tk[) NOC!G VOOR REDUCEREN VVAL TOT 10 G4 = 3.0 S - vusfro wijvg De Haandrik vullen 1 WATERSTAND, DEBET EN LANGSKRACHT LOCKFILL 1.03 WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM Q FIG 3
ii.00 io.50 10.00 Ï 9.50 9.00 8.50-... tijd[s] kok vocrha,en 2. t. T 0. - 'I t. -2. 50. 100. 150. 20 25. 300. 350. 400. 450. 500. 550. 600 tijd[s] Im 0.4 0.3 0.2 0.1. t 0.0 t!jd[s] totooi goff TkI) NODIG VOOR F )JCEFN VVAL TOT 10 24 = 3420 s wiig De Haandrik ledigen 1 WATERSTAND, DEBET Bi LANGSKRACHT LOCKFILL 1.03 WATERLOOPKUNDG LABORATORtUM Q J _F1G 4
- F 4 -* Definitie langskrocht _c x.:çç.. fxq? ççq;ç';.x.? o. tronslatiegolven 1 - -- -, - - b. debietofname in langsrichting von de kolk»o.x c. wrijving 1 directe vulstrool tegen de boeg waterspiegelafzinking boven de vuistraal De componenten van de langskrocht DEFINITIE LANGSKRACHT BU VULLEN DE COMPONENTEN VAN DE LANGSKRACHT WATERLOOPKUNCGLABORATORIUM 1 _255 1 _FIG.5
30 Definitie langskracht 0 translatiegolven b. debiet verandering in langsrichting van de kolk c wrijving De cornponenten van de langskracht DEFINITIE LANGSKRACHT BU LEDIGEN DE COMPONENTEN VAN DE LANGSKRACHT WATERLOOPKUN()G LABORATORIUM 0 255 TF n. 6
Bijlage 1 Vulkarakteristieken BEREKENING BEEINDIGD OP T = 388.00 TIJD NODIG VOOR VULLEN KOLK = 388.00 TIJD NODIG VOOR HET REDUCEREN VAN HET VERVAL TOT 20 CM = 286.00 DEBIET: MAX = 2.838 M3/S OP T = 220.00 MIN =.020 M3/S OP T = 2.00 DQ/DT: MAX =.020 M3/S2 OP T = 4.00 MIN = -.030 M3/S2 OP T = 338.00 KRACHT T.G.V. TRANSLATIEGOLVEN: FMAX =.162 0/00 OP T = 4.00 FMIN = -.142 0/00 OP T = 338.00 KRACHT T.G.V. WATERSPIEGELAFZINKING: FMAX =.000 0/00 OP T =.00 FMIN = -.297 o/oo OP T = 202.00 KRACHT T.G.V. VULSTRAAL: FMAX =.415 0/00 OP T = 170.00 FMIN =.000 o/oo OP T =.00 KRACHT T.G.V. WRIJVING: FNAX =.007 0/00 OP T = 166.00 FMIN =.000 0/00 OP T =.00 TOTALE LANGSKRACHT OP SCHIP: FMAX =.193 o/oo OP T = 164.00 FMIN = -.180 o/oo OP T = 338.00 De Haandrik
Bijlage 2 Ledig ingskarakteris t ieken BEREKENING BEEINDIGD OP T = 400.00 TIJD NODIG VOOR LEDIGEN KOLK =.00 TIJD NODIG VOOR HET REDUCEREN VAN HET VERVAL TOT 20 CM 310.00 DEBIET: MAX = -.017 M3/S OP T = 2.00 MIN = -2.628 M3/S OP T = 238.00 DQ/DT: MAX =.022 M3/S2 OP T = 338.00 MIN = -.017 M3/S2 OP T = 4.00 KRACHT T.G.V. TRANSLATIEGOLVEN: FMAX =.177 0/00 OP T = 388.00 FMIN = -.079 o/oo OP T = 4.00 KRACHT T.G.V. WATERSPIEGELAFZINKING: FMAX =.000 0/00 OP T =.00 FMIN = -.051 0/00 OP T = 274.00 KRACHT T.G.V. WRIJVING: FMAX =.000 o/oo OP T = 2.00 FNIN = -.007 o/oo OP T = 288.00 TOTALE LANGSKRACHT OP SCHIP: FMAX =.172 o/oo OP T = 400.00 FMIN = -.080 0/00 OP T = 106.00 De Haandrik
. locatie De Voorst' hoofdkantoor -_--11Ti.1 T ip hoofdkantoor Rotterdamseweg 185 postbus 177 2600 MH Delft telefoon (015) 56 93 53 telefax (015) 61 96 74 telex 38176 hydel-ni locatie' De Voorst' Voorsterweg 28, Marknesse postbus 152 8300 AD Emmeloord telefoon (05274) 29 22 telefax (05274) 35 73 telex 42290 hylvo-ni