Modellering van het jetten van slappe menggronden t.b.v. waterinjectibaggeren

Modellering van het jetten van slappe menggronden t.b.v. waterinjectibaggeren

Schuurman, K.A.D.

Van der Schrieck, G.L.M. (mentor)
Kranenburg, C. (mentor)
Van der Meulen, T. (mentor)
D' Angremond, K. (mentor)

Civil Engineering and Geosciences

Hydraulic Engineering

1997-07-01

Een eenvoudige en relatief goedkope baggertechniek voor het verwijderen van met name sliblagen (slappe menggronden van klei/zand en slib) is het waterinjectiebaggeren. Door middel van lage drukjets (0.1 MPa) wordt water met hoge snelheid (15 m/s) in de bodem gespoten waardoor de grond loskomt en opwoelt om vervolgens als een dichtheidsstroom weg te stromen. Het grote voordeel van deze methode is de beperking van slijtage doordat het materieel niet in aanraking komt met het grond-water mengsel. Het waterinjectiebaggerproces kan worden opgesplitst in de volgende deelprocessen: Het jetten (proces 1), waarmee de straalindringing in de bodem wordt bedoeld, de opwerveling van bodemmateriaal in de straal (proces 2) en als laatste deelproces het transport en de sedimentatie van de opgewervelde gronddeeltjes (proces 3). De modelleringen van met name de eerste twee deelprocessen van het waterinjectiebaggeren zijn tot nu toe blijven steken op voornamelijk empirische relaties. Voor het laatste deelproces, het afstromen, is recentelijk een theoretisch onderbouwd rekenmodel opgesteld (Verweij, 1996). Het doel van deze studie is het maken van een theoretisch onderbouwde modellering voor het eerste proces, de jetindringing in een slibbodem. Hiertoe is een literatuuronderzoek verricht naar bestaande theorieën en modelleringen voor de straalontwikkeling en de indringing van een straal in de bodem. Voor de straalontwikkeling worden formules gebruikt die gelden voor een straal in zuiver water, eventueel een wandstraal. De diepte waarover een jet in de bodem indringt verschilt per grondsoort. Er zijn empirische formules voor de indringdiepte in zand, vaste klei en slib en er is een computerprogramma voor de berekening van de indringdiepte van een jet in zand. Over het algemeen behandelen bestaande modellen slechts de jetindringing in zand, terwijl voor het waterinjectiebaggeren de indringing in zwak cohesief materiaal interessant is. Daarbij gaat het om slib met een ongedraineerde schuifspanning (cohesie) van ongeveer 2 kPa, dit is materiaal met een watergehalte rond de vloeigrens. Van de bestaande modelleringen komt alleen het computermodel in aanmerking voor een aanpassing met een erosiefunctie voor slib. Daarom is een aantal nieuwe modelleringen ontwikkeld om bij gegeven jet- en slibeigenschappen de indringdiepte te bepalen. Deze nieuwe modelleringen zijn gebaseerd op een indringvoorwaarde die samenhangt met het optreden van bulkerosie boven een kritieke stroomsnelheid of met de effectieve jetdruk die nodig is om (verder) in te kunnen dringen, gebaseerd op een energiebeschouwing of gebaseerd op erosie van de 'wand' van de straal zolang de wandschuifspanning groter is dan de kritieke Binghamse schuifspanning. Vervolgens zijn jetproeven op slib uitgevoerd in de baggergoot van de HAM zodat theorie en experiment vergeleken kunnen worden. De proeven zijn uitgevoerd met een translerende jet boven een kunstmatig aangemaakt slibbed. Hiervoor is het kunstslib kaoliniet, ook wel China Clay genoemd, gebruikt. Het kunstslibpoeder is direct aangemaakt met water op de gewenste sterkte (cohesie ongeveer 2 kPa). Voor verschillende jetdebieten, voortgangssnelheden en slibeigenschappen is telkens de indringdiepte gemeten. Daaruit bleek dat een toename van de verhouding uitstroomsnelheid / voortgangssnelheid over het algemeen een grotere indringdiepte tot gevolg heeft. Bovendien levert een grotere verhouding stuwdruk / cohesie ook een grotere indringdiepte op. Enkele van de nieuw ontwikkelde modellen en de bestaande, empirische formules voor indringing in vaste klei en slib zijn vergeleken met het experiment. De bestaande formule voor slib en de modellen met de verschillende indringvoorwaarden voldoen redelijk. De indringdiepten die met deze modellen berekend worden zijn van dezelfde orde van grootte als de gemeten indringdiepten van het experiment. Een groot nadeel echter van deze modelleringen is dat de voortgangssnelheid van de jet niet in het model is opgenomen. Terwijl uit het experiment een duidelijke invloed van de voortgangssnelheid op de indringdiepte naar voren is gekomen. De modellering gebaseerd op een energiebeschouwing voldoet totaal niet, de berekende indringdiepten zijn veel te groot. Geconcludeerd kan worden dat de ontwikkelde modellen voor de jetindringing in een slibbodem een goede aanzet geven voor het berekenen van indringdiepten. Er zijn nog aanpassingen en verfijningen nodig, met name de inbreng van de voortgangssnelheid in de modellering is van groot belang. Bovendien is verder onderzoek nodig naar de kritieke stroomsnelheid voor het optreden van bulkerosie en naar de benodigde stuwdruk voor het (begin van) indringen.

water injection dredging
jetting
mixed soils

http://resolver.tudelft.nl/uuid:7f2fab4d-5b50-4e3d-897a-ac5820cf5be3

Student theses

master thesis

(c) 1997 Schuurman, K.A.D.