Scheve golfinval - Hydraulische randvoorwaarden

SCHEVE GOLFINVAL

Inleiding

Vrijwel alle kennis op het gebied van de stabiliteit van steenzettingen is ontwikkeld voor de situatie waarbij de golven loodrecht op de dijk aanvallen. In de werkelijkheid zal dit slechts een uitzondering zijn. Voor vele dijkvakken geldt dat de lokale golf­-voortplantingsrichting nabij de dijk zodanig is dat de hoek van golfaanval t.o.v. de dijk niet 0° is (loodrechte golfaanval), maar veel groter, tot zelfs 90° toe (strijkgolven).

In de huidige situatie worden de golfrandvoorwaarden voor ontwerp en toetsing aangeleverd met daarbij de invalshoek die hoort bij de maatgevende combinatie van golfhoogte en golfperiode. In de rekenmethodes zoals beschreven in Ontwerp en Toetsing wordt hiermee nauwelijks rekening gehouden: in de methodes voor toplaaginstabiliteit, afschuiving en materiaaltransport speelt de invalshoek geen enkele rol en in de regels voor erosie van de onderlagen een zeer beperkte, namelijk in een van de toepassingsvoorwaarden voor de reststerkte van toplaag +granulaire laag (zie hoofdstuk 6) en in de belastingduur, zie 2.5.1.

Voor het faalmechanisme toplaaginstabiliteit en voor reststerkte is in het verleden onderzoek uitgevoerd om vast te stellen wat de invloed van scheve golfaanval is.

Omdat de toplaagstabiliteit erg afhankelijk is van details in de golfbelasting, is het te verwachten dat juist bij dit mechanisme deze invloed van belang zou kunnen zijn. Verder worden de erosieprocessen die bepalend zijn voor grootte van de reststerkte, be invloed door de golfinvalsrichting. In achtereenvolgende subparagrafen wordt de invloed van scheve golfaanval op toplaaginstabiliteit, erosie van de onderlagen en de overige faalmechanismen behandeld.

lnvloed scheve golfaanval op toplaaginstabiliteit

In 1988-1989 is door modelonderzoek in het Vinje-bassin van WL, waarin zowel de golfrichting als de richtingspreiding kan worden ingesteld teneinde een zo realistisch mogelijk golfbeeld te simuleren, de golfdruk op het talud bij verschillende golfrichtingen in detail gemeten. Dat onderzoek heeft toen geleid tot de conclusie dat scheve golven tot een hoek van ongeveer 30° a 40° een weinig afwijkende belasting geven ten opzichte van loodrecht invallende golven. Daarom worden de gewone methoden voor het vaststellen van de stabiliteit van steenzettingen ook toegepast als de golven in beperkte mate scheef invallen. In die tijd is niet getracht om de reductie van de golfbelasting te kwantificeren voor de gevallen dat de golven nog schever inkomen dan 60° a 70°; ook voor die gevallen worden de gewone methoden dus toegepast.

Sinds dat onderzoek zijn in de loop van de jaren aanwijzingen aan het licht gekomen die duiden op een mogelijk hogere belasting als de golfrichting 30° a 60° is. Een van de eerste constateringen van de invloed van scheve golfaanval vond plaats tijdens een zware storm in september 1986 op een kunstmatig eiland bij Prudhoe Bay, Alaska [lit.13]. Na de storm bleek het talud waar de golven loodrecht op aanvielen nog onbeschadigd te zijn, terwijl het talud waar de golven scheef op invielen duidelijk beschadigd was.

fysische processen bii scheve golfaanval op steenzettingen

Het scheef invallen van de golven heeft enerzijds een positieve invloed op de belasting, en anderzijds een negatieve:

• De golven zullen de dijk bereiken nadat ze direct v66r de dijk (binnen enkele tientallen meters van de waterlijn) door refractie en diffractie zijn bijgedraaid. Beide processen gaan gepaard met een verlies aan golfhoogte. In feite komt het erop neer dat de golfenergie, die oorspronkelijk in een smalle strook aanwezig was, bij de dijk wordt uitgesmeerd over een langer stuk dijkbekleding. De golven komen daardoor met een kleinere hoek op de bekleding en de golfhoogte is lager.
• Op basis van geschematiseerde numerieke simulaties is door Bezuijen [lit.14] de stabiliteit van een bekleding bij scheve golfaanval geschat. Deze berekeningen suggereren een lagere stabiliteit bij scheve golfaanval dan bij loodrechte golfaanval. Daarbij is de richting van de golven op het moment van breken maatgevend. Er is berekend dat bij een hoek van golfinval van 60° de belasting beduidend hoger is dan bij loodrechte golfinval en dat deze invloed bij een hoek van 40° ook nog duidelijk merkbaar is.

Ook de indicatieve berekeningen van Bezuijen [lit.14] op basis van tijdens regelmatige golfaanval gemeten drukken geven de indruk dat er sprake is van twee elkaar tegenwerkende invloeden, waarbij bij zeer grote invalshoeken ( > 60° a 70°) de eerst genoemde invloed (lagere golven door refractie en diffractie) het wint van de tweede (hoge belasting bij scheve golfbelasting), maar bij kleine hoeken ( = 30° a 60°) de tweede invloed dominant is.

De vraag is welk fysisch proces verantwoordelijk zou kunnen zijn voor de negatieve invloed op de stabiliteit. Hiervoor is een eerste indicatieve theorie ontwikkeld. De hogere belasting, ofwel de lagere stabiliteit, bij scheve golfaanval zou een gevolg kunnen zijn van het feit dat bij scheve golfaanval een gebied op het talud is aan te wijzen met een grote opwaartse verschildruk als gevolg van een steil golffront, met daarnaast op hetzelfde moment een golfklap die ook een bijdrage geeft aan de verschildruk. Deze twee oorzaken van een verschildruk vinden bij loodrechte inval na elkaar plaats (op verschillende tijdstippen) terwijl ze bij scheve golfaanval tegelijk optreden (naast elkaar). Als de filterlaag ongeveer verzadigd is met water, zullen de drukken in de buurt instantaan worden doorgegeven en wordt dus de verschildruk volledig bepaald door de druk op het talud in de buurt van het beschouwde punt (klassieke leklengtetheorie). Hierdoor is het veel belangrijker welke drukken op het talud in de buurt van een bepaald blok optreden, dan de drukken die kort geleden zijn opgetreden. Het feit dat er bij scheve golfaanval twee oorzaken voor een grote verschildruk tegelijk optreden (naast elkaar) zou kunnen verklaren dat de belasting groter is en de stabiliteit kleiner.

grootte van de invloed van scheve golfaanval

De afname van de golfhoogte op het moment dat de golven het talud bereiken is thans moeilijk te kwantificeren. De genoemde bureaustudies geven indicatieve resultaten, maar hangen tevens af van enkele nog niet geverifieerde aannamen.

Gezien de korte tijd dat de golven de gelegenheid hebben om zich aan te passen aan de veranderende waterdiepte wanneer zij de teen van de dijk gepasseerd zijn, is de vermindering van de golfhoogte waarschijnlijk geringer dan zal volgen uit de formules voor refractie van golven. Op grond hiervan is het zeer waarschijnlijk dat voor een breed scala aan golfaanvalsrichtingen het negatieve effect groter is dan het positieve effect:

• Voor golfrichtingen tussen 30° en 60° zou het gecombineerde effect van de scheve golfaanval een netto vergroting van de belasting van ongeveer 10 a 30% kunnen geven. Helaas is er thans zo weinig bekend over deze processen, laat staan het combineren van de positieve en negatieve invloed, dat deze percentages gezien moeten worden als een zeer ruwe schatting.

• Als de golfrichting kleiner is dan 30°, dan geldt de oude conclusie dat de invloed van scheve golfaanval verwaarloosd kan worden.
• Voor de gevallen met zeer scheef invallende golven (zoals strijkgolven), met golfrichtingen tussen 60° en 90°, is een reductie van de golfbelasting te verwachten. Voor strijkgolven met β > 80° is de reductie waarschijnlijk ten minste 30%.

In de praktijk wordt nog geen rekening gehouden met de invloed die scheve golven kunnen hebben. Dit leidt bij zeer scheef invallende golven tot een conservatief resultaat. Voor golven met β = 30° a 60° is het resultaat mogelijk juist niet conservatief. Zoals aangegeven in 1.1.6 wordt hierdoor wellicht een deel van de aanwezige veiligheidsmarge opgebruikt, en kan het zijn dat er in een enkel geval wellicht zelfs onveilig wordt gerekend. Voorlopig wordt aangenomen dat deze marge voldoende is om de invloed van scheve golfaanval op te vangen. Het is wenselijk om in de nabije toekomst de invloed van scheve golfaanval te kwantificeren opdat meer zekerheid ontstaat over de stabiliteit van steenzettingen bij de veel voorkomende golfaanvalsrichting van 30° a 60° en er minder steenzettingen onterecht worden afgekeurd op locaties waar strijkgolven optreden. Het ontbreken van rekenregels voor beide gevallen wordt gezien als een belangrijke kennisleemte, zie ook hoofdstuk 10.

Invloed scheve golfaanval op erosie van de onderlagen

De reststerkte van steenzettingen en de reststerkte van de dijk worden waarschijnlijk sterk be invloed door de hoek van golfinval. Hier speelt waarschijnlijk vooral het proces dat de golfenergie bij scheve golfaanval gespreid wordt over een breder stuk dijk dan wanneer de golven loodrecht aanvallen.

De invloed van scheve golfaanval is voor de reststerkte van toplaag + granulaire laag door middel van modelonderzoek gekwantificeerd. De invloed .is vrij grof weergegeven door slechts onderscheid te maken tussen de situatie met vrijwel loodrecht invallende golven en duidelijk scheef invallende golven:

Hieruit blijkt dat de reststerkte van toplaag + granulaire laag bij scheef invallende golven 1,5 a 3 maal groter is dan bij loodrechte golfaanval. Overigens: de reststerkte is in deze formules uitgedrukt in seconden; in de rekenregels is dit vertaald naar uren. Ondanks deze geconstateerde invloed wordt deze niet in rekening gebracht bij het toetsen van steenzettingen, zie Toetsing en hoofdstuk 6 van dit deel Achtergronden. De achterliggende gedachte hierbij is dat de onzekerheid omtrent de grootte van de reststerkte nog zo groot is dat men graag vasthoudt aan een methodiek die conservatieve resultaten geeft. Werken met een methodiek die afgeleid is voor loodrechte golfaanval leidt bij scheve golfaanval tot conservatieve resultaten.

Waarschijnlijk geldt een vergelijkbare invloed bij reststerkte van kleilagen. In onderzoek is al een verband gelegd tussen inkomende golfenergie en mate van erosie. Als de golfenergie gespreid wordt over een breder stuk dijk zal naar verwachting de resulterende erosie van klei minder zijn. Dit is echter nog nooit onderzocht.

Invloed scheve golfaanval op overige bezwijkmechanismen

De invloed van scheve golfaanval op het optreden van andere bezwijkmechanismen, zoals afschuiving of materiaaltransport, is nog nooit nader onderzocht. Gezien de aard van deze bezwijkmechanismen mag verwacht worden dat scheve golfaanval een wat kleinere belasting geeft dan loodrechte golfaanval. Daardoor levert het rekenen met methoden, die afgeleid zijn voor loodrechte golfaanval, bij scheve golfaanval een conservatief resultaat.