Invloed van boegschroeven en propellers van schepen op bodembescherming

Deltares heeft in een samenwerkingsverband met de Haven van Rotterdam, Haven van Antwerpen, Holcim en Rijkswaterstaat schaalmodelproeven uitgevoerd om de invloed van boegschroeven en scheepspropellers op waterbodems vast te stellen. SBRCURnet, de nationale civieltechnische samenwerkingsorganisatie in Nederland, heeft het project gecoördineerd. Het project heeft geleid tot een vergroting van inzichten van hoe schroefstralen van scheepsschroeven (propellers) en boegschroeven de bodem kunnen beïnvloeden. Deze inzichten kunnen op termijn grote kostenbesparingen opleveren, omdat hiermee beter de zwaarte en uitgebreidheid van aan te leggen bodembeschermingen nabij kades en kunstwerken bepaald kunnen worden.

CUR project. Schroefstralen

In testen met de boegschroef werd een schematische scheepsvorm ingezet, waarin een transparante boegschroef-buis was ingebouwd

Ontgrondingskuilen voorkomen

Propellers en boegschroeven van schepen kunnen hoge stroomsnelheden opwekken die grote en diepe ontgrondingskuilen kunnen veroorzaken. In extreme gevallen kunnen die ontgrondingskuilen leiden tot het falen van een kade, oever of andere constructie. Om dit te voorkomen wordt bodembescherming toegepast op plaatsten waar de grootste hydrodynamische belasting wordt verwacht, bijvoorbeeld nabij (afmeer)kades en sluizen. Die beschermingsmaatregelen kunnen bestaan uit losse stortstenen, blokkenmatten, en beton- of asfaltlagen.

Schaalmodeltesten

Deltares heeft schaalmodeltesten uitgevoerd om de maatgevende hydrodynamische condities als gevolg van schroefstralen opgewekt door boegschroeven en scheepspropellers in verschillende configuraties vast te stellen. Een eerste testserie was gericht op de invloed van een boegschroef nabij een kade. Een tweede testserie was gericht op de invloed van de hoofdschroef (propeller) van (binnenvaart)schepen op bodembeschermingsmaatregelen (losse stenen en blokkenmatten).

Testen invloed boegschroef nabij een kade

In testen met de boegschroef werd een schematische scheepsvorm ingezet, waarin een transparante boegschroef-buis was ingebouwd. Dit maakte het mogelijk om de uitstroomsnelheden zoals opgewekt door de boegschroef te kunnen meten zonder het stroombeeld te verstoren, ook als het schip zeer nabij de kade was. Het complete scheepsmodel kon niet worden ingebouwd, maar de schematische rompvorm zorgde er in ieder geval voor dat de stromingsblokkade door het schip werd weergegeven. Stroomsnelheden rondom het schip werden gemeten in een reeks van horizontale en verticale posities rondom het schip en tussen het schip en de kade. Meetinstrumenten weggewerkt in een verhoogde bodem registreerden de drukfluctuaties net boven de bodem. Op deze manier werd de stroming niet beïnvloed.

De gemeten waarden zijn vergeleken met rekenregels uit de literatuur. Deze rekenregels geven aan voor een bepaalde uitstroomsnelheid van de boegschroef welke stroomsnelheden waar op zullen treden. Hierbij is ook reflectie van de schroefstraal tegen de kade in meegenomen. De grootte en ruimtelijke verdeling van de stroomsnelheid dicteert de minimale sterkte van de bodembescherming. De uitkomsten geven aan dat de rekenregels vaak conservatief zijn en mogelijk aangescherpt kunnen worden. Dat zou betekenen dat er minder zware en/of minder uitgebreide bodembescherming nodig kan zijn. Dit vereist eerst nog nader onderzoek om dat te verifiëren.

Testen invloed scheepspropeller op bodembeschermingsmaatregelen

Een tweede serie testen beschouwde de schroefstraal opgewekt door de propeller van een binnenvaartschip en hoe deze losse steenbestorting en blokkenmatten kan beïnvloeden. Deze blokkenmatten zijn betonnen elementen die op een geo-textiel zijn vastgezet. In het verleden zijn rekenregels voor minimale zwaarte van losse stenen, voor een gegeven schroefstraalbelasting, uitgebreid om ook de minimale dikte van blokkenmatten weer te geven. Uit de testen volgde dat de plaatsing van de blokkenmatten (nauwkeurigheid) van groot belang is op de stabiliteit van dit type bodembescherming. Daarnaast bleek dat de bestaande richtlijnen – tot nu toe bestaand uit een schaalde versie van die voor losse stenen – niet altijd eenduidig van toepassing zijn voor blokkenmatten.

Beschikbaarstelling resultaten

De resultaten zijn beschikbaar gesteld aan de deelnemers in de vorm van gemeten hydrodynamische belastingen als functie van de uitstroomsnelheid in de boegschroef-buis. Meetgegevens werden vergeleken met rekenregels uit de literatuur en resultaten zijn beschreven in rapportages die beschikbaar zijn gesteld aan de deelnemers. De vergelijking impliceert dat de bestaande formules geoptimaliseerd kunnen worden. Echter, eerst zijn er aanvullende verificaties van deze voorlopige bevindingen benodigd.

Fase 2

Een tweede fase wordt op dit moment voorzien om aanvullende metingen en andere situaties te beschouwen. De resultaten daarvan zullen het mogelijk maken om minder zware bodembeschermingen aan te leggen, of in een kleiner gebied. Uiteindelijk zal dit significante kostenbesparingen opleveren.