Grote verschillen in stroomsnelheid en versterkend effect verklaren grote erosiekuilen

Gepubliceerd: 5 juni 2020

Grote stroomsnelheidsverschillen in horizontale richting kunnen een versterkend effect hebben op de ontwikkeling van grote erosiekuilen, blijkt uit het promotieonderzoek van Yorick Broekema, expert bij Deltares. De doorgaande ontwikkeling van grote erosiekuilen vlak achter de bodembescherming bij de Oosterscheldekering was de aanleiding om zijn onderzoek te starten.

Rijkswaterstaat monitort de kuilvorming intensief en stort waar nodig staalslakken of stortsteen om de stabiliteit van de kering te waarborgen. Broekema’s onderzoek is een belangrijke stap om tot een duurzame oplossing te komen en kuilvorming te voorkomen.

Datasets en experimenteel onderzoek laten stromingsgedrag zien

De stroming bleek lokaal sterker dan aangenomen was tijdens het ontwerp van de kering. Detailonderzoek om de oorzaak te achterhalen was nodig. Broekema ging aan de slag met de vele datasets met stroomsnelheden op verschillende dieptes en afstanden bij de kering. De essentiële data zette hij om in een experimentele opstelling in een stromingsgoot bij de TU Delft.

Yorick Broekema doet metingen aan de experimentele opstelling in de stroomgoot.

Yorick Broekema voert metingen uit aan de experimentele opstelling in de stroomgoot.

Door de data en de experimenten te combineren ontdekte hij dat de grote stroomsnelheidsverschillen in horizontale richting in sommige gevallen tot relatief hoge stroomsnelheden en hoge belasting langs de bodem van de kuil leidden. Dit effect bleek mede afhankelijk van de toename in diepte ter plaatse van de ontgrondingskuil, en zou dus zelfversterkend kunnen werken. “De data liet zien dat er veel verschil was in stroomsnelheden op de diverse locaties”, aldus Broekema die afgelopen week promoveerde aan de TU Delft op dit onderzoek. Het bleek dat deze verschillen in stroomsnelheid bij een lokale verdieping kunnen zorgen voor een horizontale contractie van de stroming. Deze contractie is afhankelijk van de toename in diepte, en kan er toe leiden dat de stroomsnelheid relatief hoog blijft. Dit heeft soms ook nog tot gevolg dat de stroming de bodemcontouren kan volgen bij relatief steile hellingen, waardoor de belasting langs de bodem relatief hoog is en kuilen snel groter worden. “De experimenten lieten zien dat zelfs bij een hele steile helling van 1:2 de stroming de bodemcontouren blijft volgen. Niet eerder werd aangetoond dat bij zulke steile hellingsvlakken de stroming de bodemcontouren kan blijven volgen en dat dit effect, wat dus mogelijk zelfversterkend kan werken bij ontgrondingskuilen, optreedt.”

Toevoeging aan morfodynamische kennisbasis

Het onderzoek voegt fundamenteel iets toe aan de kennisbasis voor morfodynamica en de stromingsleer in algemene zin. Zijn bevindingen zijn niet alleen relevant om tot een duurzame oplossing te komen voor de kuilvorming bij de Oosterscheldekering. Ze zijn ook van toepassing bij andere infrastructurele constructies waar stevige stromingsverschillen kunnen optreden zoals bij het nieuwe ontwerp van de Afsluitdijk of een doorlaat in de Brouwersdam. Daarnaast zou dit fenomeen ook op kunnen treden in natuurlijke situaties zoals de instroom van rivieren in grote meren of de zee. Of bij stroming langs koraalriffen zoals één van de commissieleden opperde tijdens Broekema’s verdediging.

Numerieke modellen voeden met uitkomsten

De volgende stap is om de onderzoeksresultaten in te bouwen in numerieke rekenmodellen, rapid assessment tools en ontwerprichtlijnen, zodat deze gemakkelijk meegenomen kunnen worden in het berekenen van nieuwe constructies of om adequate maatregelen te nemen bij bestaande constructies.

 

Download the thesis “Horizontal shear flows over a streamwise varying bathymetry“, Broekema, Y.B. (TU Delft Environmental Fluid Mechanics)