Uitkomsten
Wij hebben verschillende methodes ontwikkeld voor de belasting van overslaande golven op de bekleding waardoor de belasting nu langs de dijk kruin en het binnentalud berekend kan worden inclusief het effect van overgangen. Geometrische overgangen, zoals veranderingen in hoek en hoogte verschillen, hebben grote invloed op de belasting in tegenstelling tot overgangen in bekleding die relatief weinig effect hebben op de belasting.
De ontwikkelde methodes kunnen gebruikt worden om de effecten van overgangen op belasting en de bijhorende erosie van de grasmat mee te nemen bij het ontwerp van dijken om de beste locatie en het beste ontwerp van overgangen te bepalen.
Boven: Een weg op een zee dijk met grasbekleding (Foto door Vera van Bergeijk). Linksonder: Overslag over een dijk met een weg op de kruin (Bron: Tipner Lake Coastal Defences, 2019). Rechtsonder: Erosie van de gras bekleding bij de binnenteen tijdens een overslag experiment (bron: Hoffmans, G. 2014).
Motivatie en uitdagingen
De introductie van multi-functionele dijken in Nederland heeft geleid tot een toename van het aantal overgangen op dijken. Een voorbeeld van zulke overgangen zijn wegen op een dijk met een grasmat (Bovenste foto) en geometrische veranderingen zoals een berm, trap of een boom. Hoge golven tijdens een storm zorgen ervoor dat de golven over de dijk heen slaan en langs het binnentalud naar beneden stromen. Deze overslaande golven oefenen een grote kracht uit op de bekleding en kunnen leiden tot erosie van de dijkbekleding (Foto linksonder). Na erosie van de bekleding begint de dijk kern te eroderen, wat leidt tot verzwakking van de dijk en uiteindelijk tot een dijk doorbraak. Erosie door overslag was een van de faalmechanismes die leidde tot de dijkdoorbraken tijdens de Waternoodsramp in 1953. Recente experimenten en numerieke studies hebben aangetoond dat overgangen zwakke plekken zijn langs het profiel waar de erosie van de dijkbekleding begint (Foto rechtsonder). Echter weten we niet hoe deze overgangen de stroming van en erosie door overslaande golven beïnvloeden, waardoor het moeilijk is om overgangen mee te nemen in bestaande rekenmethodes.
Onderzoeksdoel
Daarom is het doel om de belasting van overslaande golven op de kruin en het binnentalud te kwantificeren voor dijken met verschillende overgangen. Wij gebruiken een numeriek model om de belangrijke processen bij overgangen te bestuderen en de belasting te kwantificeren. Hierdoor kunnen de effecten van overgangen mee genomen worden in de bestaande rekenmethodes om het ontwerp van overgangen op dijken te verbeteren.
Innovatieve componenten van de onderzoeksaanpak.
Innovatieve componenten
Ik ontwikkel twee modellen om het onderzoeksdoel te beantwoorden. Het eerste model is simpel en snel, terwijl het tweede numerieke model in meer detail de krachten die op de bekleding werken berekend (Figuur linksboven). Deze modellen bepalen de plekken waar de krachten groot zijn wat zal leiden tot erosie van de grasmat en het falen van de dijk. Het figuur illustreert recht bovenin een locatie langs het talud waar de golf hard aan de grasmat trekt en waardoor de grasmat erodeert.
Bestaande rekenmethodes kunnen slechts op een locatie langs het profiel worden toegepast. Deze nieuwe modellen berekenen de krachten langs het gehele profiel waar zowel het effect van overgangen op de stroming bovenstrooms als benedenstrooms meegenomen wordt. De kennis over overgangen die we verkrijgen met het gedetailleerde model proberen we te simplificeren en toe te voegen aan het snelle model. Daarbij bestudeer ik drie type overgangen (figuur linksonder):
- Bekledingstype: een weg op een gras beklede dijk.
- Geometrie: veranderingen in hoek zoals een horizontale berm.
- Hoogte verschillen: erosie gaten of andere onregelmatigheden in het profiel.
De modellen zijn toegepast op een rivier dijk met gras bekleding en een weg op de kruin bij Millingen a/d Rijn waar veld testen uitgevoerd zijn in 2013. Ook zijn de modellen toegepast op het nieuwe groene ontwerp van de Afsluitdijk om zwakke plekken voor erosie van de grasmat te bepalen (zie de kaart hier onder).
Relevant voor wie en waar?
Vakmensen en organisaties die zich bezig houden met ontwerp, toetsing of onderhoud van overgangen op dijken. De methodes ontwikkeld in deze studie kunnen gebruikt worden om de faalkans van overslag te berekenen voor complexe dijken met verschillende overgangen.
De modellen gebruiken de metingen van experimenten op een rivier dijk bij Millingen en zijn verder toegepast op de Afsluitdijk.
Voortgang en toepassing
In dit project zijn verschillende methodes ontwikkeld die voor iedereen beschikbaar zijn en breed toepasbaar zijn. Deze methodes zijn nauwkeuriger dan bestaande reken methodes en kunnen toegepast worden op dijken met meerdere overgangen. Een model studie van het nieuwe ontwerp van de Afsluitdijk laat zien dat overgangen leiden tot een maximaal toelaatbaar overslag debiet dat tien keer kleiner is dan dijken zonder overgangen. Daarbij is de binnenteen de zwakste plek langs het talud door de hoge snelheden. Een andere geometrische overgang is de kruinlijn bij het binnen talud. De golf kan hier loslaten van de kruin in het geval van een steil binnen talud, wat leidt tot hoge krachten op de landing locatie. Hetzelfde proces gebeurd bij overgangen in hoogte zoals beschadigingen in de grasmat. Bovendien laten de berekeningen met het snelle model zien dat de faalkans behoorlijk toeneemt als de dijkt beschadigd is door erosie van de grasmat of een afschuiving. Voor een uitgebreidere beschrijving van het onderzoek, klik op de onderzoeksresultaten.
De modellen gebruiken de metingen van experimenten op een rivier dijk bij Millingen en zijn verder toegepast op de Afsluitdijk.
Aanbevelingen voor de praktijk
-
Bereken de belasting van overslaande golven en de erosie langs het dijk profiel om zwakke plekken te vinden voor het falen van de grasbekleding.
-
Neem overgangen en andere onregelmatigheden mee in de rekenmethodes voor het ontwerp en de beoordeling van dijken.
-
Overgangen in hoogte hebben een grote invloed op de belasting en kunnen daardoor tot veel erosie leiden. Daarom is het belangrijk om het aantal overgangen in hoogte te verkleinen zodat dijken beter beschermd zijn tegen overslag.
-
Bepaal de sterkte van de deklaag en de kern van dijken zodat er realistische faaldefinities ontwikkeld kunnen worden.
Last modified: 07/01/2022
Contributing researchers
Vera van Bergeijk
Twente Universiteit
Project outputs
Hydrodynamic modelling of wave overtopping over a block-covered flood defence
Dit nieuwe model ontwikkeld in OpenFoam simuleert de krachten van de golven, zoals de druk en de schuifspanning, langs het hele dijkprofiel over het buitentalud, de kruin tot aan de binnen teen. Het model kan gebruikt worden om verschillende ontwerpen en locaties van de blokken te bestuderen om tot het beste ontwerp van de dijk te komen.
10/01/2022 by Vera van Bergeijk et al.
Bevat: Publication upon journal access
The wave overtopping load on landward slopes of grass-covered flood defences: Deriving practical formulations using a numerical model
De belasting inclusief loslating en impact is gemodelleerd voor een individuele overslaande golf in OpenFOAM. Voor een steil binnentalud laat de golf los bij de kruinlijn wat leidt tot een hoge belasting op het boventalud. Nieuwe praktische formules zijn afgeleid voor de maximale snelheid, druk, normaalspanning en schuifspanning. Deze formules zijn gebruikt om verschillende erosie indexen te berekenen die laten zien waar en wanneer erosie van de grasmat verwacht wordt.
11/11/2021 by Vera van Bergeijk et al.
Bevat: Publication open access journal
Modelling the wave overtopping flow over the crest and the landward slope of grass-covered flood defences
Een nieuw gedetailleerd model om de belasting van overslaande golven op de dijk bekleding te berekenen en inzichten te verkrijgen in hoe de belasting veranderd langs het profiel.
02/07/2020 by Vera van Bergeijk et al.
Bevat: Publication open access journal
An analytical model of wave overtopping flow velocities on dike crests and landward slopes
Nieuwe formules voor de snelheid van overslaande golven over de kruin en het binnentalud die toepasbaar zijn voor verschillende dijk geometrieën en bekledingstypes.
01/07/2019
Bevat: Publication upon journal access
Failure probability by wave overtopping over grass-covered and damaged dikes
We berekenen de faalkans van overslag voor dijken met een goede en beschadigde grasmat en laten zien dat beschadigen aan de grasmat, zoals een konijnen hol of een erosie gat, leiden tot een behoorlijke toename van de faalkans.
03/03/2021 by Vera van Bergeijk et al.
Bevat: Conference proceedings Publication open access journal
Evenementen
10/06/2021
Reflectie: Naar een realistische inschatting van weerstand tegen golfoverslag
Golfoverslag zorgt voor een hoge belasting op de dijkbekleding en kan leiden tot erosie van de grasmat. Het onderzoek naar overslag binnen het All-Risk project heeft zich gefocust op twee aspecten: maatregelen op het buitentalud en maatregelen op het binnentalud.
