D5) Bermen en ruwheidselementen

Download hier de PhD thesis gerelateerd aan dit project.

Uitkomst

In dit project hebben we nieuwe empirische vergelijkingen en numerieke modellen ontwikkeld voor het voorspellen van de effecten van bermen, ruwheid en schuine golven op golfoverslag bij dijken. Betere schattingen van deze effecten kunnen leiden tot nauwkeurigere voorspellingen van golfoverslag, wat belangrijk is voor dijkontwerp en versterking. Fysische modelresultaten toonden aan dat ruwheidselementen toegepast op het bovenste deel van het talud aan de waterkant effectiever zijn in het verminderen van de overslagafvoeren. De nieuw ontwikkelde numerieke modellen zijn in staat om de overslagdebieten en overslagdebietparameters met een goede nauwkeurigheid te voorspellen, wat een potentieel toont om een aanvullend instrument te worden met empirische vergelijkingen voor het voorspellen van golfoverslag bij dijken.

Boven: Verschillende soorten ruwheidselementen en een berm aangebracht bij een dijk (bron: EurOtop, 2018). Onder: Golfoploop en overslag bij dijken in Nederland en dijken in China (bron: EurOtop, 2018 en https://news.tvbs.com.tw/world/1001268).

Motivatie en uitdaging

Als gevolg van de klimaatverandering, de stijging van de zeespiegel en de bodemdaling neemt het risico van overstromingsrampen aan de kust overal ter wereld toe, vooral in laaggelegen landen zoals Nederland en dichtbevolkte landen zoals mijn vaderland China. Tegen deze achtergrond is het mogelijk dat sommige bestaande waterkeringen, zoals kust- en rivierdijken, dijken en taluds, niet aan de veiligheidsnorm voldoen en derhalve versterking behoeven. Om de gemiddelde overslagafvoer bij dijken te verminderen, worden versterkingsmaatregelen meestal over de helling van de waterkant heen gebouwd. Deze maatregelen omvatten overgangen met bijna horizontale taluds, ook wel bermen genoemd, en ruwheidselementen zoals blokbekledingen (figuur 1, bovenste foto). Daarbij kunnen doorlatende en ondoorlatende blokken over de taludovergangen van dijken en taluds de energie van de overstort afvoeren (figuur 1, onderste foto). De aanwezigheid, afwezigheid of combinatie van deze elementen, leidt natuurlijk tot de vraag: In hoeverre kunnen deze versterkingsmaatregelen de overstromingskansen verminderen? Verbeterde voorspellingsmethoden zijn noodzakelijk voor een efficiënter dijkontwerp en -versterking.

Doel van het onderzoek

Zoals op de bovenstaande foto’s te zien is, zijn bijna horizontale bermen en verschillende soorten ruwheidselementen langs het talud aan de waterkant gecombineerd, maar wat zijn de effecten van deze elementen op de gemiddelde overloopafvoer bij dijken?

Belangrijkste onderdelen van het onderzoek, inclusief onderdeel 3) dat toekomstig werk is. (Foto's ter beschikking gesteld door Weiqiu Chen en schema aangepast vanEurOtop, 2018)

Innovative components

Ik verken verschillende manieren om faalkansschattingen te verbeteren door verschillende soorten prestatie-informatie uit het verleden te incorporeren: Dit project geeft betere inzichten in de invloed van bermen en ruwheidselementen op golfoverslag om nauwkeuriger richtlijnen te definiëren voor Innovatieve componenten ontwerp en veiligheidsbeoordeling van dijken. De belangrijkste onderdelen van mijn onderzoek zijn:

Nieuwe empirische vergelijkingen voor het schatten van de invloed van bermen en ruwheid. Deze nieuwe vergelijkingen zijn afgeleid op basis van experimenten voor een combinatie van doorlatende, ondoorlatende en gladde beschoeiingen over taluds van de waterzijde met een berm. De vergelijkingen zijn verder gevalideerd aan de hand van het numerieke model om de gemiddelde overslagafvoer bij dijken te schatten.
Numeriek model van de overslagafvoer. We hebben OpenFOAM software gebruikt om de overslag bij dijken te modelleren om de gemiddelde overslag bij dijken met een berm en ruwheidselementen nauwkeurig te voorspellen. Dit model is ook uitgebreid naar 3D om de effecten van de schuine golven mee te nemen.
Numeriek model van overstromingsstroming. We hebben het 2D OpenFOAM model uitgebreid om de invloed van bermen en ruwheid op de stroomsnelheid en laagdikte van de overslag aan de waterkant van de dijkkruin te bestuderen. Deze stromingsparameters kunnen worden gebruikt als invoer voor erosiemodellen.

Relevant voor wie en waar?

Ontwerpers en adviseurs die zich bezighouden met de vermindering van overstromingsrisico’s door de toepassing van bermen en/of ruwheidselementen bij dijken.

Bevindingen uit dit project zijn ontwikkeld in een experimenteel lab, maar zijn toepasbaar op dijklocaties waar de bermen en gecombineerde ruwheidselementen worden toegepast.

Voortgang en toepassing

Wij hebben fysische modelproeven uitgevoerd met vier configuraties van doorlaatbare, ondoorlaatbare en gladde oppervlakken in de experimentele faciliteiten van Deltares in Nederland. Op basis van de analyse van de experimentele gegevens hebben wij nieuwe empirische vergelijkingen afgeleid voor de schatting van de invloed van bermen en ruwheid op de gemiddelde overslagafvoer. De nieuwe ruwheidsvergelijking kan omgaan met variërende ruwheid langs de hellingen met een berm. We ontdekten dat de ruwheidselementen op de bovenste helling het meest bijdragen aan de vermindering van de overslagafvoer. De resultaten tonen aan dat de nieuwe vergelijkingen de voorspellende nauwkeurigheid van de overslagafvoer aanzienlijk verbeteren ten opzichte van bestaande voorspellingsmethoden uit beschikbare technische richtlijnen (TAW, 2002; EurOtop, 2018). We hebben ook een OpenFOAM numeriek model ontwikkeld waarin het eenvoudig is om de dijkconfiguraties te veranderen en om de gemiddelde overslagafvoer en stromingsparameters te schatten.

Aanbevelingen All-Risk:

De ruwheidsfactor is niet constant, maar varieert met de golfeigenschappen en vrijboord op de kruin, waarmee rekening moet worden gehouden bij schattingen van overslagafvoeren.
Aanbevolen wordt te overwegen ruwheidselementen toe te passen op het hogere deel van de taluds aan de waterkant.
De afhankelijkheid van de schuine golfinvloed van de bermbreedte moet worden opgenomen voor een nauwkeuriger voorspelling van de overslagdebieten wanneer schuine golven en een berm tegelijkertijd aanwezig zijn.

Last modified: 07/01/2022