Literatuurscan uitspoeling granulair materiaal door spleten en scheuren
G. Wolters
Š Deltares, 2008
Opdrachtgever: STOWA
Literatuurscan uitspoeling granulair materiaal door spleten en scheuren
G. Wolters
Rapport augustus 2008
H5230
Literatuurscan uitspoeling granulair materiaal door spleten en scheuren
H5230
augustus 2008
Inhoud
Deltares
1
Inleiding................................................................................................................1
2
Literatuuroverzicht..............................................................................................2 2.1
Mechanismen............................................................................................2
2.2
Onderzoekresultaten ................................................................................4
2.3
Conceptuele erosiemodel.........................................................................5
2.4
Overige onderzoeken ...............................................................................7 2.4.1 Steenzettingen, oeverbekledingen...............................................7 2.4.2 Overige erosiemodellen ...............................................................8 2.4.3 Invloed van hoge freatische lijn..................................................10
3
Conclusies .........................................................................................................11
4
Referenties.........................................................................................................12
i
Literatuurscan uitspoeling granulair materiaal door spleten en scheuren
1
H5230
augustus 2008
Inleiding
Het doel van de literatuurstudie is de beschikbare kennis over de uitspoeling van zand / granulair materiaal door spleten en scheuren van asfalt- of vergelijkbare bekledingen te verzamelen. Het uitspoelen van zand / granulair materiaal door de hydraulische belasting is een van de bezwijkmechanismen die kunnen optreden voor een dijkbekleding. De literatuurstudie is deel van een onderzoekprogramma om de reststerkte van aangetaste (gescheurde) bekledingen te bepalen.
Deltares
1
Literatuurscan uitspoeling granulair materiaal door spleten en scheuren
2
H5230
augustus 2008
Literatuuroverzicht
Onderzoek naar de uitspoeling van materiaal uit smalle spleten in asfalt of vergelijkbare bekledingen, blootgesteld aan belasting door stroming en golven is tot heden zeer beperkt geweest. Wel is in het kader van onderzoek aan open bekledingen onderzoek uitgevoerd naar uitspoeling van materiaal uit steenzettingen en oeverbekledingen met brede openingen of gaten in de bekleding [1,2,6]. Het onderzochte filtermateriaal was zand/teelaarde (oevers) en grind (dijken). Hoewel de ontwikkelde semi-empirische formules niet zonder grote onzekerheid toepasbaar zijn voor ondoorlatende bekledingen met enkele/weinige scheuren (als bijvoorbeeld een asfaltbekleding), kunnen de beschreven fysische mechanismen voor het erosieproces in steenzettingen echter waardevolle inzichten leveren voor het erosieproces in gescheurde asfaltbekledingen. Slechts ĂŠĂŠn onderzoek [5] is uitgevoerd naar de uitspoeling van zand door een gescheurde asfaltbekleding met kleine spleten (breedte: 5mm). Dat onderzoek is gebaseerd op Deltagootproeven met een 1:4 asfalttalud blootgesteld aan brekende golven [3]. In het kader van dit onderzoek zijn enkele proeven uitgevoerd waarin kunstmatige scheuren in de vorm van zaagsneden in de asfaltlaag zijn aangebracht. Deze zaagsneden bevonden zich onder de stilwaterlijn, op de hoogte waar de belasting door golfklappen het grootste was. Bij deze proeven is de erosie onder het asfalt gemeten en is het gedrag van de asfaltlaag via peilingen vastgesteld. Daarbij zijn zowel twee scheuren loodrecht op de golfrichting (evenwijdig aan de dijkas) als evenwijdig aan de golfrichting (loodrecht op de dijkas) bestudeerd, zie Figuur 1. Voor het onderzoek zijn scheurbreedten van b=5mm beschouwd, bij een asfaltdikte van d=0.15m en d=0.25m. Dit leidt tot b/d waarden van orde 0.02-0.03. De zaagsneden waren 0.7m (loodrecht op de golfrichting, d=0.15m) resp. 1m (evenwijdig aan de golfrichting, d=0.25m) lang. De korrelgrootte van het zand was 210 m. Drie (!) proeven zijn uitgevoerd met golfcondities van maximaal Hs=1.49m (Tp=8.65s). De wijze van het uitspoelen van zand is beschreven en gemodelleerd en een conceptueel model is opgesteld voor een scheur loodrecht op de golfrichting, gelegen boven het neerlooppunt. Gezien de zeer beperkte informatie over uitspoeling van zand/granulair materiaal uit gescheurde (asfalt-) bekleding wordt geconcludeerd dat thans niet genoeg informatie beschikbaar is om dit proces op een zinvolle wijze te kwantificeren (grote onzekerheden). Verder onderzoek is nodig. In het vervolg worden de verschillende mechanismen bekeken die van belang zijn in het uitspoelingsproces, de resultaten van het al uitgevoerde onderzoek, en is een aanbeveling gemaakt voor verder onderzoek.
2.1
Mechanismen
Voor de erosie onder een asfaltbekleding (uitspoeling van filtermateriaal) zijn de volgende aspecten van belang: De duur en intensiteit van de hydraulische belastingen onder maatgevend ontwerp omstandigheden De grootte van de kritieke hydraulische belasting, namelijk de belasting door stroming en golven, die begin van uitspoeling kan inleiden.
Deltares
2
Literatuurscan uitspoeling granulair materiaal door spleten en scheuren
H5230
augustus 2008
De hoeveelheid zand/grind die bij overschrijding van de kritieke belasting wordt uitgespoeld. Al deze aspecten zijn opgepakt in [5]. In deze notitie zijn vooral punten 2 en 3 bekeken. Voor verdere informatie is verwezen naar de literatuur. Uitspoeling kan worden ingeleid door drukverschillen over de scheur of door hoge snelheden op het talud. Het laatste zal in vele gevallen begin van kuilvorming veroorzaaken bij spleten loodrecht op de stroomrichting. Bij spleten evenwijdig aan de stroming zal dit in alle gevallen het bepalende mechanisme zijn. Het lijkt niet aannemelijk dat een golfklap veel bijdraagt aan de uitspoeling (met name voor kleine spleten). Uitspoeling dreigt slechts ten tijde van golfterugloop als het uittredende debiet korrels kan meevoeren door het gat. Anderzijds kan de invloed van golfklappen op materiaaluitspoeling toenemen (bij wijze van ‘pomp’-effekten) als de eerste schadeontwikkeling is al ontstaan. Als eenmaal een holte is ontstaan, kan het in- en uittredende water materiaal uit de kuil spoelen. De snelheid waarmee materiaal wordt gespoeld wordt bepaald door de grootte van de uitwisselingsdebieten tussen kuil en buitenwater. Voor kuilen boven het neerlooppunt kan deze uitwisseling ongehinderd plaats vinden aangezien water tijdens de golfoploopfase instroomt en bij golfneerloop weer kan afstromen. Voor kuilen onder het neerlooppunt wordt uitwisseling grotendeels bepaald door aan- en afvoer van water uit het grondpakket, als gevolg van de varierende waterdruk op het talud. Deze uitwisselingsdebieten zijn een orde kleiner dan die bij scheuren boven water. Verschillende mechanismen / hydraulische randvoorwaarden kunnen in het uitspoelingsproces van belang zijn: Locatie van scheur boven de waterlijn / golfneerlooppunt Relatieve scheurbreedte b/d (b/d = scheurbreedte/dikte van asfaltlaag; beïnvloedt wijze van uitspoelingsproces) Initiële scheur-/kuildiepte Snelheden (opwaarts, neerwaarts) op het talud Snelheid in de scheur en erosiekuil (beïnvloed feitelijke sedimenttransport uit de erosiekuil) en kritieke snelheid voor transport Waterlaagdikten/stijghoogten op het talud (bepalen drukhoogteverschil over scheur) Kritieke verhang over de scheur voor het uitspoelen van materiaal Instroom-/uitstroomdebiet in de scheur (drukhoogteverschil over scheur nodig) Vervorming/verzakking van asfaltlaag als gevolg van ontgrondingskuiluitbreiding Taludhelling Materiaaleigenschappen van het onderliggende materiaal (hellingshoek, korreldiameter, etc.) Golfcondities De bovengenoemde mechanismen zijn voor een deel uitgewerkt in [5] met behulp van semi- empirische relaties uit een aantal verschillende onderzoeken (vooral Deltagootonderzoek). Voor de snelheid in de scheur zijn bijvoorbeeld formules voor vrije uitstroming gebruikt en voor het instroomdebiet formules voor vrije inlaat (volgens Carnot). Het kritieke verhang over de scheur was geschat tot ~ ic=1. Het sedimenttransport is bepaald met behulp van de relatie S=A*uk³. Het zandtransport is dus als evenredig met derde macht van de representative snelheid in de kuil beschouwd (A=transport coefficient [s2/m], S=sedimenttransport [m 3/s/m], uk=snelheid ter plaatse van de scheur [m/s]).
Deltares
3
Literatuurscan uitspoeling granulair materiaal door spleten en scheuren
H5230
augustus 2008
De grote hoeveelheid van belangrijke parameters en de onzekerheid in de verschillende semi-empirische formules toont aan dat een nauwkeurige voorspelling van het uitspoelingsproces zonder verder uitgebreid onderzoek niet mogelijk is.
2.2
Onderzoekresultaten
Uit het modelonderzoek [5] volgt dat uitspoeling van zand uit een gescheurde bekleding een reĂŤel gevaar is. Bij golven met een Hs van 1.4m en periodes in de orde van 8s, kan tijdens een storm een gat ontstaan met een diepte van ca. 0.35m. De lengte van de kuil bedraagt ca. 2.5m (in golfrichting). Dit is een minimum waarde. In de praktijk kunnen door grondmechanische instabiliteiten flauwere hellingen en dus langere kuilen ontstaan tot ca. 5.0m.
Figuur 1
Proefopzet voor AS 501 t/m 504, AS 601, AS602 [5]
Verdere resultaten (voor erosie van zand door smalle, b<0.01m, en korte, L<1m, spleten): Uitspoeling wordt ingeleid door stroming loodrecht op het talud (in golfrichting) en/of stroming evenwijdig aan het talud (haaks op de golfrichting). Voor spleten in de orde van 5mm, en een asfaltdikte van 0.15m, leidt het laatste mechanisme tot de grootste erosie (voor spleten loodrecht op de golfrichting). De hoogste snelheiden treden op in het gebied tussen het golfneerlooppunt tot ver boven de stilwaterlijn. Bij ontwerp golfcondities zijn de optredende snelheden aanzienlijk groter dan de kritieke waarden voor uitspoeling. Daarom leidt scheurvorming in dit gebied tot uitspoeling van zand. Met name scheuren in het gebied rond de waterlijn zijn kwetsbaar door de hoge snelheden die hier in de open neergaande golftong optreden. Scheurvorming beneden het neerlopoppunt is minder gevaarlijk maar kan bij langdurige belasting uiteindelijk ook een erosiekuil onder de bekleding veroorzaken.
Deltares
4
Literatuurscan uitspoeling granulair materiaal door spleten en scheuren
H5230
augustus 2008
De volgende kritieke snelheden voor het uitspoelen van zand door een scheur in de toplaag zijn berekend (gebaseerd op Deltagootmetingen, b=scheurbreedte, dikte van asfaltlaag d=100mm): b=50mm en D50 =100Âľm: ucr =0,5 m/s (ondergrens) b=5mm en D50 =300Âľm: ucr =2,5 m/s (ondergrens) Scheuren evenwijdig aan de golfrichting zijn minder gevaarlijk dan scheuren loodrecht op de golfrichting Een eenmaal gevormde erosiekuil breidt zich snel onder de bekleding uit, doordat het in- en uitstromende water zand uitspoelt. Dit mechanisme treedt met name op bij erosiekuilen boven het neerlooppunt waar het talud droog valt zodat het zand/watermengsel ongehinderd kan afstromen. De erosiekuil (met name bij scheuren loodrecht op de golfrichting) breidt zich in opwaartse richting uit tot ver boven de plaats waar de scheur zich bevindt. Wanneer eenmaal een initiele kuil is ontstaan zal die door het in- en uitstromende water snel groter worden. Een rekenmodel is ontwikkeld waarmee het verloop van de ontgronding als functie van de tijd kan worden beschreven. Het model is getoetst aan proeven die in de Deltagoot zijn uitgevoerd. De gevonden erosiewaarden zijn sterk afhankelijk van de spleetbreedte. Bij een scheurbreedte van 0.05m geeft de berekening een grotere erosiediepte dan bij 0.005m, terwijl het langer duurt voordat een evenwicht wordt bereikt. Het effect van de golfhoogte blijkt klein, de golfperiode is waarschijnlijk van meer invloed. Dit effect is echter niet onderzocht. Het zakken van de asfaltlaag tijdens de proeven heeft geleid tot het kleiner worden van de spleetgrootte. Dit kan het erosieproces vertragen. Geen waarneembare scheurgroei was geobserveerd tijdens de proeven. Verondersteld wordt dat het erosieproces pas goed op gang kan komen wanneer door intreden van buitenwater ter plaatse van de scheuren een lokaal hoge grondwaterspiegel is ontstaan. Een uitgebreider patroon van scheuren leidt tot een snellere erosie en grotere verschillen in zakking ter weerszijde van een scheur.
Het is waarschijnlijk dat die getrokken kwalitatieve conclusies algemeen geldig zijn voor het uitspoelen van granulair materiaal door spleten en scheuren. Dat is met name geldig voor de invloed van stromingsrichting, spleetrichting, punt van maximale watersnelheid, erosiekuilvorming. Helaas zijn de metingen en het rekenmodel alleen geldig voor het onderzochte materiaal en de gebruikte modelopzet (taludhelling 1:4), zie ook hoofdstuk 3 (verder onderzoek). Verder moet er rekening mee gehouden worden dat de resultaten op alleen 3 metingen gebaseerd zijn. 2.3
Conceptuele erosiemodel
De hoeveelheid uitgespoeld materiaal door een scheur is sterk afhankelijk van het erosieproces. Daarom moet een succesvol erosiemodel zorg dragen dit erosieproces zo goed als mogelijk weer te geven. Een voorbeeld kan het erosiemodel zijn dat in [5] is uitgewerkt. Een korte beschrijving is hier gegeven. Voor meer informatie is verwezen naar [5]. Het erosiemodel is gebaseerd op theoretische en empirische relaties voor waterbeweging en sedimenttransport, waardoor het erosieproces numeriek kan worden berekend (zie hoofdstuk 2.2). Het model is verder gebaseerd op een scheur evenwijdig
Deltares
5
Literatuurscan uitspoeling granulair materiaal door spleten en scheuren
H5230
augustus 2008
aan de kruinlijn en gelegen in de zone tussen het oploop- en neerloop punt (omdat in dit gebied de snelheden voldoende hoog bleken om materiaal uit de scheur te spoelen). Aangezien dat deze situatie minder gevaarlijk voor de stabiliteit van de asfaltslab zelf is, wordt alleen aandacht geschonken aan erosie door scheuren loodrecht op de stroomrichting. Het model gaat uit van een geschematiseerde kuilgeometrie, de erosie wordt gekarakteriseerd door een verplaatsing van het talud in opwaartse richting, waarbij de bodem van de kuil horizontaal blijft. Uit modelproeven is gebleken dat deze schematisatie goed aansluit bij de resultaten van uitspoeling van zand en grind uit openingen in doorlatende bekledingen.
d
Figuur 2
Geschematiseerde kuilgeometrie
De ontwikkeling van de erosiekuil wordt berekend door de hoeveelheid uitgespoeld materiaal gelijk te stellen aan de daardoor optredende volumevergroting van de kuil. De hoeveelheid uitgespoeld materiaal is berekend met behulp van empirische formules, die het transport berekenen als functie van korreldiameter en stroomsnelheid. Deze stroomsnelheid is berekend met behulp van de hydrodynamische basisvergelijkingen. De debieten door de spleet zijn met behulp van de vergelijking van Bernoulli berekend waarna de snelheden in de kuil met behulp van een vierkantennet zijn benaderd. De ontgrondingsdiepte is dan een functie van instroming, vulling van de kuil en maximale waterstand in de kuil, minimale waterstand van de kuil bij leeglopen, sedimenttransport en ontgronding tijdens het leeglopen. Gezien het kleine aantal referentiemetingen (3), de globale schematisatie van het erosieproces en het empirische karakter van de gehanteerde transportrelaties kan het erosiemodel alleen worden gebruikt als grove indicatie van de te verwachten erosiedieptes. Voor een nauwkeuriger modellering moet het modelconcept in elke geval nog verder worden uitgewerkt en toegepast voor verschillende filtermaterialen, asfaltdikten etc. Helaas zijn ook niet alle stappen van het model duidelijk documenteerd (het numerieke model zelf is niet meer beschikbaar). Geconcludeerd wordt dus ook in het geval van het erosiemodel dat verder grootschalig onderzoek is aan te bevelen.
Deltares
6
Literatuurscan uitspoeling granulair
H5230
materiaal door spleten en scheuren
2.4
augustus 2008
Overige onderzoeken
2.4.1
Steenzettingen, oeverbekledingen
In [4] is kleinschalig modelonderzoek uitgevoerd naar het gedrag van een filterlaag na initiele beschadiging van de toplaag van een steenzetting. De invloed van de golfhoogte en periode, de grootte en plaats van het gat in de toplaag en de korrelgrootte van het filter op de ontwikkeling van de erosie is onderzocht in negen proeven. Alle proeven zijn uitgevoerd op een 1:3 talud met een relatief groot gat en een grof filter. Uit de metingen zijn empirische formules afgeleid voor de ontwikkeling van de erosiekuil in de tijd. De grootte van het filtermateriaal bleek geen grote effect op de erosiekuil te hebben. De betrouwbaarheid van de formules is echter niet groot, vanwege het kleine aantal proeven en het grote aantal parameters dat is meegenomen (zie ook discussie in [5]). De berekening van de erosieparameters is gebaseerd op de volgende empirische formules (zie Figuur 3):
D0 Bg
0.135 (1
Bd Bg
0.9 (1
B0 ) Bg
B0 ) Bg
dg = afstand onderkant gat in toplaag t.o.v. SWL, gemeten langs talud, positief opwaarts [m] D0 = erosiediepte, d.w.z. maximale diepte in erosiekuil [m] Bg = diameter van gat in toplaag, gemeten in opwaartse richting langs talud [m] B0 = ondermijningsdiameter [m] Bd = dwarsdiameter erosiekuil [m] In deze formules wordt B0/Bg (voor nader uitleg zie [4]) gepresenteerd door een ingewikkelde functie die afhankelijk is van het aantal golven, hoek van golfaanval, golfhoogte, golfstijlheid en het afstand onderkant gat in de toplaag t.o.v. SWL.
Figuur 3 Erosieparameters volgens [4]
Deltares
7
Literatuurscan uitspoeling granulair
H5230
materiaal door spleten en scheuren
augustus 2008
Uitspoeling van materiaal uit steenzettingen en oeverbekledingen met brede openingen of gaten in de bekleding is ook onderzocht in [1,2,6]. Het gebruikte filtermateriaal was zand/teelaarde (oevers) en grind (dijken). In [1] wordt de formule van Brown [12] genoemd voor de erosiediepte door open taludbekledingen (uitspoeling van zand). Deze geeft een directe relatie tussen snelheid op het talud en erosiediepte: 0.43 50
u
21 D
Y G
0.45
u = snelheid op het talud [m/s] D50 = korrelgrootte die door 50 gewichtsprocenten van de filter worden onderscheiden [m] Y = gatdiepte bij evenwicht [m] G = gatdiameter [m] Het wordt echter opgemerkt dat als het percentage open ruimte in de toplaag klein is, is er sprake van een belangrijk uit het talud stromend debiet. De stroming in het gat is dan onbekend en als gevolg daarvan is tevens de uitspoeling nog onvoorspelbaar. Het onderzoek [1] zelf heeft geresulteerd in het volgende type van empirische formule voor erosie van grind door betonblokken met gaten:
Y G
0.23
H D50
0.33
, gatgrootte G>0.1m
Voor gatgrootten G<0.1m (zie [1]) is een formule afgeleid die afhankelijk is van het parameter n0=verhouding gatoppervlak / oppervlak steenzetting (waarbij de spleten tussen de blokken verwaarloosd zijn). Dit onderzoek heeft de mogelijkheid aangetoond dat er een gatdiepte/gatbreedte verhouding bestaat, die een maximale stabiliteit van de gatvulling garandeert. Een verklaring kan zijn dat voor kleine gaten de stroomsnelheid over het talud de gaten niet kan leegspoelen, en dat het uittredend water verantwoordelijk is voor de erosie (relatief grote verschildrukken). Bij het groter worden van het gat krijgt echter blijkbaar de stroomsnelheid over het talud nog nauwelijks kans om korrels mee te voeren, terwijl het uittredend debiet al sterk afneemt. Kennelijk bestaat er een optimale gatdiameter waarbij beide bezwijkmechanismen moeite hebben om de gatvulling te eroderen. Voor verdere informatie is verwezen naar de literatuur omdat de afgeleide erosieformules uit deze onderzoeken niet zonder grote onzekerheid toepasbaar blijken voor asfaltbekledingen met hier en daar scheuren.
2.4.2
Overige erosiemodellen
Er zijn een aantal erosiemodellen beschikbaar in de literatuur die misschien van hulp kunnen zijn bij de ontwikkeling van een erosieformule voor gescheurde asfaltbekledingen. Deze erosiemodellen zijn :
Deltares
â&#x20AC;˘
Delft Hydraulics [8]: Onderzoek naar de sterkte van graszoden van rivierdijken
â&#x20AC;˘
Van den Bos [9]: Erosiebestendigheid van grasbekleding tijdens golfoverslag
â&#x20AC;˘
Hoffmans et al. [10]: Erodibility of Clay and Grass
8
Literatuurscan uitspoeling granulair
H5230
materiaal door spleten en scheuren
â&#x20AC;˘
augustus 2008
Hoffmans & Verheij [11]: Breusers model
Het erosiemodel van Delft Hydraulics [8] voor grasdijken gaat uit van een erosieproces die evenwijdig aan het kwadraat van de signifikante golfhoogte is:
y
t cE H s2
cE = graserosieconstante [m -1s-1] = f (bedekkingsgraad, wortellengte, gehalte afslibbaar materiaal) De modellen van Van den Bos [9], Hoffmans & Verheij [11] en Hoffmans et al. [10] zijn gebaseerd op het erosiemodel van Breusers (1966) waarbij de erosieontwikkeling voor uniforme stroming over een niet cohesieve grond kan worden beschreven volgens de formule:
ym yme
1 exp ln 1
yme
t t1
of voor t<t1:
ym
t t1
, met t1
K h02
1.7
U0 Uc
4.3
ym = ontgrondingsdiepte [m], yme = evenwichtswaarde van ontgrondingsdiepte [m] = karakteristieke lengteschaal = water diepte h0 [m], = coefficient [-], t1 t K h0
= karakteristieke tijd [s] bij die ym= = tijd [s] = faktor [m 2.3/s4.3] = karakteristieke lengteschaal = water diepte [m] (Breusers) / dikte van graszode [m] (EP Model) = relatieve dichtheid [-] = turbulentie coefficient [-]
De formule was destijds ontwikkeld om de ontgronding benedenstrooms van hydraulische drempels te beschrijven. De nauwkeurigheid van de formule hangt af van de juiste inschatting van de stroomsnelheden en intensiteit van turbulentie. Ze is vaak gebruikt omdat geen informatie nodig is van de snelheden naast het bodem of van de turbulentie in het ontgrondingskuil. Van den Bos [9] ontwikkelde ermee de â&#x20AC;&#x153;Erosiegevoelige plekken methodeâ&#x20AC;? (EP Model) om de erosie op de binnenkant van dijken met grasbekleding weer te geven. Hij geeft de volgende formule voor t1 (met =1):
t1
Deltares
K h02
1.7
U0 U c
2
9
Literatuurscan uitspoeling granulair
H5230
materiaal door spleten en scheuren
augustus 2008
De ontgronding voor klei en gras afhankelijk van de stroomsnelheden kan worden beschreven met (Hoffmans et al. [10]):
ym
Esoil
1
U0 U c
2
t
Esoil = aardparameter [m/s] ym = erosiediepte [m] = turbulentie coefficient [-] uc = diepte-gemiddelde kritische stroomsnelheid [m/s] u0 = over diepte gemiddelde stroomsnelheid [m/s] De bovengenoemde onderzoeken tonen een afhankelijkheid van de erosie met de stroomsnelheidsparameter (u0-uc) aan.
Conclusies Alle hier genoemde erosiemodellen zijn ontwikkeld voor losse/cohesieve deklagen zonder herkenbare scheuren. De modellen hebben derhalve een grote onzekerheid om de hoeveelheid van het uitgespoelde losse materiaal uit een gescheurde asfaltlaag in te schatten. De scheurgeometrie, de dikte van de asfaltlaag (diepte van de scheur) en de verschillen in stroomsnelheden aan de boven- en onderkant van de scheur kunnen een grote invloed hebben op het erosieproces en maken verder onderzoek noodzakelijk. Evenwel blijkt het model van Breusers een goede basis te vormen voor verder onderzoek. Zonder verder onderzoek kan niet vastgesteld worden welk van de beschikbaren modellen, [11] of [5], het meest geschikt blijkt voor de erosie van gescheurde asfaltbekledingen.
2.4.3
Invloed van hoge freatische lijn
Door een gescheurde asfaltbekleding kan water de dijk instromen. Als er veel water naar binnenstroomt, dan is het denkbaar dat de freatische lijn hierdoor omhoog gaat wat tot een bedreiging van de stabiliteit van het asfalt kan leiden (Voor een hoge freatische lijn in de dijk (natte kern) wordt grotere zanduitspoeling/erosie verwacht dan voor een lage freatische lijn (droge kern)). In de notitie van Klein Breteler [7] is een zeewaarts verzwaarde dijk bekeken met een kleikern aan de landzijde. In dit geval kan het water opgesloten raken tussen het asfalt en de kleikern. Uit de notitie blijkt dat de stijging van de freatische lijn door infiltratie door scheuren in de asfaltlaag waarschijnlijk verwaarloosbaar is.
Deltares
10
Literatuurscan uitspoeling granulair materiaal door spleten en scheuren
3
H5230
augustus 2008
Conclusies
Literatuur over het uitspoelen van granulair/zand materiaal uit smalle spleten in asfalt of vergelijkbare bekledingen is nauwelijks voorhanden. De beschikbare formules en meetresultaten uit [5] hebben een grote onzekerheid en zijn alleen toepasbaar voor asfaltbekledingen met vergelijkbare opzet en toplaaggeometrie. De beschikbare literatuur is onvoldoende om een beoordeling van de hoeveelheid van uitgespoelde materiaal als functie van scheurparameters zoals spleetgroote, -lengte of scheuraantaal (per m 2) aan te geven. Ook het effect van zanduitspoeling op de stabiliteit en reststerkte van de asfaltbekleding kan niet voldoende beoordeeld worden. Gezien de globale schematisatie van het erosieproces en het empirische karakter van de gehanteerde transportrelaties kan het erosiemodel in [5] alleen worden gebruikt als grove indicatie van de te verwachten erosiedieptes. Voor een nauwkeuriger modellering moet het modelconcept nog verder worden uitgewerkt. Verder onderzoek is derhalve aanbevolen naar de invloed van: o Kritieke verhang over de scheur o Verschillende dikten van (asfalt-) toplaag o Verschillende taludhellingen o Verschillende relatieve scheurbreedten b/d (andere uitspoelmechanismen); invloed van scheurbreedte op erosiediepte en het bereiken van de evenwichtsituatie o Stroming loodrecht/evenwijdig tegen het talud, o Watersnelheden en verdeling ervan in golfrichting langs het talud (bijvoorbeeld door een literatuuronderzoek), snelheden in de scheur o Effect van golfhoogte/periode op erosiediepte en hoeveelheid uitgespoeld materiaal Vanwege de ingewikkelde relaties tussen stroomsnelheden en erosie zijn grootschalige onderzoeken (Deltagootonderzoek) bijzonder geschikt. Kleinschalige proeven zullen niet kwantificeerbare modeleffecten kunnen opleveren. Vanwege de grote kosten voor Deltagootonderzoek is een kleinschalig modelonderzoek echter aan te bevelen om de invloed van sommige parameters van tevoren al in te schatten (b.v. watersnelheden, kritieke verhang, relatieve scheurbreedte, dikte asfaltlaag). Een selectie van deze parameters kan dan als basis voor het volgend grootschalig onderzoek dienen en geverifieerd worden.
Deltares
11
Literatuurscan uitspoeling granulair materiaal door spleten en scheuren
4
H5230
augustus 2008
Referenties
[1] Delft Hydraulics, 1989, Erosie door open taludbekledingen, samenvattend verslag en bijlagen A - F, rapport H657 [2] Delft Hydraulics, 1989, Erosie door open taludbekledingen, praktijkgericht onderzoek milieuvriendelijke oevers, verslag aanvullend modelonderzoek, rapport Q913. [3] Delft Hydraulics, 1992, Gedrag van asfaltbekleding onder golfaanval, rapport H1480 [4] Delft Hydraulics en GeoDelft, 1992, Reststerkte van dijkbekledingen, Granulaire filters, rapport H195 [5] Delft Hydraulics, 1995, Uitspoeling zand door gescheurde asfaltbekledingen, bureaustudie, rapport H2155. [6] Delft Hydraulics, 1998, Uitspoelen van spleetvulling, open taludbekledingen, rapport H3037. [7] Klein Breteler M., 2007, Notitie â&#x20AC;&#x153;Infiltratie door gescheurd asfaltâ&#x20AC;? (2.1.2007) [8] Delft Hydraulics, 1995, Onderzoek naar de sterkte van graszoden van rivierdijken, Rapport Q1878. [9] Van den Bos, W. (2006), Erosiebestendigheid van grasbekleding tijdens golfoverslag, Afstudeeronderzoek,Technische Universiteit Delft, Delft [10] Hoffmans, G.J.C.M., Verheij H.J., Lindenbergh J. (2008): Erodibility of Clay and Grass, submitted to Journal of Hydraulic Engineering [11] Hoffmans, G.J.C.M. and Verheij, H.J., 1997. Scour manual, Balkema, Rotterdam. [12] Brown, C.T.,1984, Flexible revetments, theory and practice, Int. Conf. on Flexible armoured revetments incorporating geotexiles, London.
Deltares
12