· · · Repository Hydraulic Engineering Reports

Design method for bed protections loaded by jets from main thrusters and bow thrusters

A research project on berm breakwater structures was carried out with the overall objective of arriving at a better design basis. Eight European organisations from Denmark, The Netherlands, United Kingdom, Norway, Italy and Iceland participated in the joint research project co-sponsored by the European Commission under the second research and development programme on Marine Science and Technology, MAST II. Studies were made for understanding the physics of berm breakwaters, profile development, problems related to practical engineering applications and three-dimensional (3D) effects. A combination of theoretical work, physical model tests and numerical modelling was used in the project. Features of berm breakwaters are described followed by examples of prototype experience. A summary of the main results of the research project is presented, including forces on individual berm stones, numerical modelling of the flow on and in berm breakwaters and of the berm reshaping, parameter analysis, study of the influence of permeability and stone gradation, results of model tests with scour protection, and analysis of 3D model tests carried out in both deep and shallow water for studying the roundhead and trunk stability.

Wave interaction with berm breakwaters is studied by means of a physical model and a numerical model. The physical-model tests have been used to verify the wave motion as calculated by the numerical model. The numerical model based on finite-amplitude shallow-water wave equations is capable of simulating the wave motion both on and inside the structure. This model for normally incident waves has been extended with a new morphological model for cross-structure transport, which resulted in a wave load-response model capable of simulating the reshaping process of the seaward slopes of dynamic coastal structures such as berm breakwaters and gravel beaches. The combined wave-morphological model has been verified with small-scale laboratory tests and with prototype data. Trends observed in physical model tests, such as the influence of wave height, wave period, and stone diameter on the reshaped seaward slopes, are also reproduced properly.

Wave interaction with dynamically stable structures is simulated by means of a numerical model based on fmite-amplitude shallow-water wave equations. The model can simulate wave motion on and inside permeable structures. For dynamically stable structures, including berm breakwaters, reef-type structures and gravel beaches, a procedure is developed to simulate the natural response to wave attack. This procedure is extended, for instance by implementing effects of grading and effects of seawalls, to increase the applicability for practical applications.

Comprehensive three-dimensional model tests with a berm breakwater roundhead and the adjacent trunk section were carried out at the Danish Hydraulic Institute (DHI) and at the Hydraulic & Coastal Engineering Laboratory of Aalborg University (AAU). This paper describes the influence of wave obliquity on the profile shape, on the initiation of longshore transport and on the longshore transport rate at the trunk section both during and after the profile reshaping, whereas the roundhead stability is described in Juhl et al (1996). Furthermore, tests were made for studying the influence of storm duration and of short crested waves. Equations for calculation of profile development and longshore transport rate under oblique wave attack are introduced.

The influence of permeability and stone gradation on the reshaping and wave overtopping of berm breakwaters was studied by flume model tests. Another aspect studied was the difference in reshaping comparing a berm breakwater constructed of two stone classes and a more stable Icelandic type of berm breakwater with the largest berm stones used as an armour layer covering a part of or the entire berm. A total of twelve series of model tests were carried out in a wave flume covering studies of the effect of two stone gradations, three permeabilities, two crest and berm free-board elevations, three berm breakwater solutions based on the Icelandic experience, and two wave steepnesses. The test results are described in the form of profile development, recession of the berm, waves generated by overtopping and reflection coefficients.

Local scour can occur at a breakwater constructed on a sandy seabed and may endanger the overall stability due to sliding of the main armour layer if the toe and scour protection is failing. The scouring pattern is a function of the water depth, wave conditions, sediment characteristics, and breakwater configuration and reflection characteristics as described by Arneborg et al (1996). A simultaneous current at the breakwater will significantly influence the scouring. Scouring in front of a berm breakwater constructed without a sufficient scour protection layer may result in berm stones to be moved into the scour hole, which will lead to further reshaping of the protecting berm. Physical two-dimensional (2D) model tests were made for qualitatively studying the scour development in front of a berm breakwater. Four test series were carried out in order to study the influence on the scouring and breakwater performance of varying the steepness of the incoming waves and of two types of scour protections.

A numerical model for the waves on the slope has been established. It is based on the existing NSW (Non-linear Shallow-water Wave Equations) model from MAST I (Norton and Holmes, 1991, and Norton and Holmes, 1992). This model has been re-established and more user friendly organized; impermeable and permeable slopes have been incorporated, and it is now fully operational. The model has been developed to determine the flow characteristics on the slope of impermeable coastal structures and on the slope and within the permeable layer of porous coastal structures as a result of the effects of incident waves. The model can be used to analyze monochromatic incident waves which are specified by wave height and period. Research at the DH! has been undertaken to study the effect of oblique waves on the reshaping and longshoretransport ofthe trunk and roundhead ofthe berm breakwater. Since the main cause for these processes is the velocity field around the structure, velocity measurements were taken with the aim of studying and analysing the velocityfield on the trunk and, especially, around the roundhead under wave attack. Regular waves were used for most of the experiments with one run usingirregular waves.

In deze nota wordt 1)- een overzicht gegeven over de huidige kennis omtrent ingrepen ten behoeve van kustverdediging en 2) getracht een "open Haringvlietsluizen"-scenario te evalueren. Verder wordt ingegaan op 3) de impakt van de heersende visserij-aktiviteiten en 4) de huidige graad van verontreiniging in de Voordel tao Tot slot worden een aantal maatregelen voorgesteld die de ekologische waarde van de Voordelta nag zouden kunnen verhogen.

The Core-Loc, invented and developed at the Waterways Experiment Station (WES), is a new-generation, optimized breakwater concrete armor unit for protecting shoreline and navigation structures.Because of the very difficult construction, in-service, and repair conditions associated with high-energy wave environments, a need was identified to characterize the dynamic impact structural response of the Core-Loc. The most common method of accomplishing this goal is the drop test. Drop tests are used to evaluate the structural performance of a given armor unit when it is exposed to impact loads. During the test, the armor unit is dropped from incrementally increasing heights onto a rigid concrete base until the unit breaks apart. In this case, the drop heights were increased in 25-mm increments until the units totally failed.

Previous measurements (e.g., Klopman, 1994) have shown that in the centre-line of the flume the mean horizontal velocity profile in waves fol/owing the current bends back in the upper region of the water column compared to the current alone case. For waves opposing the current the opposite behaviour was found . In order to explain this behaviour Radder (1994) suggested the Craik-Leibovich (ell vortex-force mechanism. This hypothesis was successfully simulated numerically by Van Kester et al. 119961. However, the explanation of the mean horizontal velocity-profile changes by the CL vortex-force mechanism depends essentially on secondary circulation cells in the transverse cross-section of the flume . To test the existence of these secondary ci rculation cells in a laboratory wave-current flume, additional measurements have been performed in the present project. It was found that these secondary circulations are clearly present in the flume as well.

Old dikes are usually still constructed entirely from clay and since 1953 many much heavier dikes have been made from a core of sand with a covering. This construction puts heavier requirements on the covering, as it also does for grassland on a clay layer. These and other developments have led to the need for more insight into the strength of grassland as a dike covering and into the possibilities of managing it better. Regular maintenance is essential for grass coverings and furthermore they are relatively sensitive in their early years to damage; even somewhat older grass coverings sometimes show signs of unexpected damage. They require expenditure to put right and cause doubts about their strength under extreme circumstances. In addition, the Flood Defences Act requires an evaluation every five years of the existing primary flood water defences, of which the dike coverings form an important part. Dike managers have an inclination to put a hard covering on a dike because there is so little insight into the strength of grass coverings, thereby contributing to the reduction of herbage-rich grasslands. As a result, the other functions of dikes, such as the preservation of environment, landscape and culture-history values (abbreviated in Dutch as LNC-values), recreation and agriculture get less attention. Because dikes play a water defensive role before everything, other functions can only be considered if the required erosion resistance of the covering is sufficiently durable. Safety against water is the primary goal, for river, sea and lake dikes. This study has also been aimed at increasing insight into the strength of grassland as a dike covering and on measures that can increase the desired strength.

Bij zeer veel zeedijken in Sleeswijk-Holstein en op Jutland breken de golven tijdens de maatgevende stormvloeden op grasmatten. Deze groene zeedijken blijken voldoende veilig te zijn. De aanleg wordt gekarakteriseerd door o.a. flauwe buitentaluds en een gedeeltelijke bezoding met zoute kwelderzoden. Bij een voldoende brede kwelder is een harde bekleding overbodig. In Nederland kunnen geheel of gedeeltelijk groene zeedijken onder vergelijkbare randvoorwaarden ook goed voldoen. Dat vraagt een hogere waardering van grasmatten en een andere aanleg en beheer. In het alsnog t.b.v. de advisering opgestelde reisverslag wordt ook ingegaan op de mogelijkheden en problemen in Nederland.

Onderzoek naar mogelijke verbeteringen van de voorspellingen met het Meervoudig Lineaire Regressie Model Lobith na de hoogwaters van 1993 en 1995. De verbeteringen door de hercalibratie en een apart model voor hoge afvoeren zijn voor de korte termijn, het volgende hoogwaterseizoen, het maximaal haalbare. Voor de wat langere termijn is het echter niet voldoende. De voorspellingen zijn nog steeds niet goed genoeg, zeker niet voor de derde en vierde dag. Daarbij komt dat de verbeteringen door bijvoorbeeld het 5000+ deelmodel, zich in de praktijk nog moeten bewijzen. Inherent aan een black-box model geven de calibratie successen voor de tijdreeks tot en met maart 1995 nog geen garantie voor goede prestaties bij volgende hoogwaters. Een eerste test van het 5000+ model tijdens een bijnahoogwater leidde tot hoopgevende resultaten. Legt basis voor FloRIJN.

Aan de hand van bestaande wind-/waterstand statistiek, SWAN golfberekeningen en ontwerplijnen voor steenzettingen is een probabilistisch model gemaakt waarmee de kansverdeiing van de benodigde steendikte is bepaald. Met behulp van de berekende kansverdeling van de diktes en de kosten van investering en van afkeur bij toetsing, is een economisch optimale steendikte bepaald. Voor het dijkvak Kleine Huissens-/Eendragtpolder zijn probabilistische berekeningen uitgevoerd en vergeleken met deterministische berekeningen zoals uitgevoerd in de ontwerpnota. De ontwerpprocedure bestaat uit 3 fases: bepalen waterstand en windsnelheid per windrichting bij een belastingsniveau van 1/4000. bepalen golfgegevens: H^, Tp en hoek van inval (met waterstand/wind gegevens). bepalen dikte van de steenzettingen (met toets-lijnen en golfgegevens). Fase 1: Voor astronomisch hoog water kon de windsnelheid met 2 0 % gereduceerd worden. Voor waterstanden lager dan hoog water was de statistiek niet goed bruikbaar maar is een reductie van 5% aantoonbaar. Fase 2: Voor hoog water kon de windreductie omgezet worden in een reductie van de significante golfhoogte. Voor waterstanden lager dan hoog water is dit lineaire verband twijfelachtig door invloed van de bodem en is dus geen reductie toegepast. Het gemiddelde en de standaardafwijking van de golfhoogte en golfperiode berekend met SWAN zijn aangegeven. Fase 3: Met behulp van de toets-lijnen en de bovengrenslijn van het model ANAMOS (breker-belasting grafiek) is benodigde steendikte en daarbij behorende onzekerheid gekwantificeerd. Kijkend naar een levensduur van 50 jaar ligt het economisch optimum bij de 5% overschrijdingslijn. Het huidige probabilistische model geeft, bij het economisch optimum, een reductie in de steendikte aan van 25 tot 30% voor steenzettingen op geotextiel (type 1). Voor steenzettingen op filter (type 3) is er geen reductie, aangezien de deterministische berekening kleinere diktes geeft. Dit duidt erop dat hetzij de huidige deterministische berekening aan de onveilige kant zit hetzij de modelonzekerheden te pessimistisch zijn ingeschat. Het probabilistische model lijkt een betrouwbaar beeld te geven. Door het model verder te optimaliseren kunnen nieuwe ontwerplijnen worden aangegeven waarmee een uitgekiender ontwerp kan worden uitgevoerd dat probabilistisch onderbouwd is. Fase 1 kan worden verbeterd door statistiek van waterstanden lager dan hoog water en windsnelheid te verdiepen. Fase 2 kan worden verbeterd door meer te weten te komen van de relatie windsnelheid en golfhoogte afhankelijk van water diepte. Ook kan gekeken worden naar dijkvakken waarin de significante windrichting niet ligt in de richting van de maximale golfhoogte. Fase 3 kan worden verbeterd door nauwkeurig te kijken naar de ontwerplijnen en de daarin verdisconteerde veiligheden. Het economisch optimum kan verbeterd worden door meer gegevens over de kosten van verschillende steentypes en diktes in de berekening mee te nemen.

Dit rapport beschrijft de resultaten van een extra aantal metingen aan de vegetatiedichtheid voor een drietal transecten bij Groote Keeten (N.-H.). Ten behoeve van de metingen is een grid vastgelegd waarmee de variatie in vegetatiedichtheid ook gekoppeld kan worden aan overstuiving. Op basis van de verzamelde gegevens staat vast dat er duidelijk sprake is van een seizoens-variatie in de vegetatie, zowel wat betreft de dichtheid als de hoogte. De gevonden trends lijken enigszins reproduceerbaar (1996-1997) de waargenomen ontwikkeling lijkt niet incidenteel te zijn. Wel blijkt de vegetatiedichtheid in de zomer van 1996 hoger te zijn dan in de zomer van 1997. De variatie zal van jaar tot jaar verschillen, en gerelateerd zijn aan het jaarlijkse temperatuur- en neerslagverloop en de mate van overstuiving. Omdat inmiddels een aantal opnames over een langere periode beschikbaar zijn, is het mogelijk gebleken om de pieken en dalen in vegetatiebedekking te kunnen vaststellen. Deze blijken minder aan winter en zomer gerelateerd te zijn en meer aan lente en herfst. De geringste bedekking is in de periode april / mei waargenomen, de hoogste rond september. Het beste inzicht in de seizoensvariatie wordt verkregen door de zeereep op te delen in zones met een vergelijkbare vegetatiebedekking. De seizoensvariatie in vegetatie voor deze zones is bruikbaar voor het vast stellen van een eerste kwantitatieve relatie tussen seizoen en vegetatieparameters. Aanbevolen wordt de transecten bij Groote Keeten ook in de toekomst te blijven volgen. Ten eerste zal hierdoor een directe koppeling tussen overstuiving en afname in bedekking mogelijk zijn, iets wat tot nu toe niet mogelijk is geweest. Ook zal het mogelijk zijn het doorschuiven van stuifzones, na het begraven van vegetatie, vast te stellen. Daarnaast zal een langere meetreeks meer informatie verschaffen over de variatie van jaar tot jaar, met name over de waarde van pieken en dalen over verschillende jaren en het tijdstip waarop deze optreden. Dit alles zal tot een nadere precieziering van het kwantitatieve verband tussen vegetatiegroei en seizoen kunnen leiden.