WATERBOUW CONSTRUCTffiFO~~STUDffiBETONNEN DIJK- ENOEVERBEKLEDINGEN (I)ONTWERPPRINCIPES EN REKEN-MODELLEN VOOR BEKLEDINGENir.A.Burger en irJ.HLaboyrie, Waterloopkundig Laboratorium De Voorstir.A.Bezuijen, Laboratorium voor Grondmechanica, DelftAllerwegen probeert men meer inzicht te verkrijgen in het ontwerpenen uitvoeren van betonnen bekledingen op oevers en dijken. De nodigestudie en onderzoek daarnaar vinden plaats bij diverse instituten eninstellingen. Een serie artikelen in Cementgaat het onderwerp inonderlinge samenhang nader uitdiepen. Daarbij gaat het zowel omontwerp en uitvoering als de verschillende typen bekledingen.Dit eerste artikel behandelt ontwerpaspecten die samenhangen metbekledingsconstructies opgebouwd uit zetsteen. Verder spelenconstructieve problemen een rol die zich voordoen bijovergangsconstruc.ties.Uiteindelijk doel is te komen tot objectieve ditnensioneringscriteria. Inafwachting van deze algemeen toepasbare ontwerpregels kan metbehulp vanrekentnodellen en op basis van fysische modellen inzicht!worden verkregen in de sterkte en belastingen.Vanaf het begin van deze eeuwworden betonnen verdedigin~gen toegepast voor het verster-kenen beschermen van dijken. Zo'nverdediging beschermt - in samenhangmet onderliggende lagen - het dijkli-chaam tegen erosie. Deze kan hetgevolgzijn van belastingen door golfaanval enstromingen, maar er zijnook bijzonderebelastingen zoals kruiend ijs, uit dekoers geraakte schepen, drijvend vuil,vandalisme, recreatie ofchemische aan-tasting. De verdedigingsconstructies .moeten ook bestand zijn tegen belastin-gen door zettingen en ontgrondingenvan dijklichamen en ondergrond. Dijk~en oeververdedigingen kunnen bestaanuitstortsteenofgelegde bekledingscon~structies, asfaltbekledingen, natuurlijkeverdedigingen ofdamplanken.Dit artikel behandelt ontwerpaspectenmet betrekking tot bekledingscon-structies die uit zetsteen bestaan. Bij hetontwerpen van overgangsconstructiestussen verschillende typen bekleding46spelen constructieve detailproblemeneenrol.Overde belastingenkanwordenopgemerkt dat alleen de belastingenveroorzaaktdoor golvenen stromingen,de zogenaamde hydraulische belastin-gen aan de orde komen.Figuur 1 toont enkele kenmerkende ge-schematiseerde dwarsdoorsneden vaneen dijk met zetsteen bekleding.1. Inleiding en probleemstellingTot voor kort waren er voor betonnendijkbekledingen geen objectieve di-mensioneringscriteria beschikbaar. Dekeuze van tot op heden uitgevoerdedijkbekledingen (type en afmeting) be-rustte grotendeels op empirische. grondslag. Dit heeft tot gevolg dat in si-tuaties waar ervaring niet voorhandenwas, wat vooral voor extreme belasting-condities het geval was, de vraag kanworden opgeworpen of het ontwerp infeite wel technisch en economisch ver-antwoord is. Aspecten met betrekkingtot ontwerp, uitvoering, beheer en on-derhoud zijn momenteel punten vanstudie.De.nieuwe ontwikkelingen op het ge~bied van belastingen en sterkte van be-tonnen dijkbekledingen staan vermeldin de verslagen van een fundamenteelonderzoek dat momenteel in opdrachtvan de Rijkswater~aatdoor het Water-loopkundig Laboratorium en het Labo-ratorium voor Grondmechanica wordtuitgevoerd. Als gevolg vande complexi-teitvande materiezijneenvoudigealge-meen hanteerbare rekenmodellen voorde stabiliteitvande bekledingnogsteedsniet beschikbaar. wel bieden de mo~menteel beschikbare ontwerpmetho-dieken een objectieve maatstafbij be-oordeling en onderlinge vergelijkingvan de stabiliteit van gezette bekledin-gen.2. Ontwerpeisen en typering vande bekledingenEen dijkbekleding moet worden gedi-mensioneerd op hydraulische belastin-gen, belastingen door zettingen en ont-Cement 1986 nr. 2Bij het ontwerp van een constructieworden belasting en sterkte met elkaarvergelekenvoorde maatgevendgesteldebelastings?tuatie. Over de belastingenkunnen de volgende vragen worden ge-steld:- wat zijn de van belang zijnde typenexterne belastingen;- hoe var??ren deze belastingen?n ru?m-te en tijd;- ?nwelke mate versterkenofverzwak-ken verschillende belastingen elkaar;Onde~houdse?sen enduurzaamhe?dsei-sen dienen in relatie met economischeaspecten bekeken te worden.vervolg op blz. 48Erbestaateen groteversche?denhe?daantypen bekled?ngen. F?guur 2 geeft eenoverz?cht van enkele toegepaste typen.Het aanleggen en onderhouden van be-tonnenbekled?ngen?s een kostbare aan-gelegenhe?d. Om .de kosten te kunnenoptimal?seren zijn goed onderbouwdeontwerpen nodig, waarin zowel aanlegals onderhoud zijn gekwantificeerd.Een ontwerp dat aan deze e?sen voldoetmoet .probabil?stisch worden u?tge-voerd, omdat alleen dan onzekerheden?n de invoerparameters bij het ontwerpworden betrokken. In dat geval kan detotale, gedurende de levensduur optre-dende schade worden bepaald, op bas?swaarvan de onderhoudskosten medeberekend kunnen worden. Naast dezeprobabil?stische aanpak is het ook mo-gelijk om een determ?nistisch ontwerpte maken, waarbij een bepaalde s?tuatieals maatgevende belasting wordt ge-steld.In dit artikel wordt de deterministischeaanpak, d?e aan de probab?l?stische aan-pak ten grondslag l?gt, nader uitge-werkt. In hetlopendefundamentele on-derzoek is ook een verdere u?twerkingvan de probab?l?stische ontwerpmetho-de voorzien.Dwarsdoorsneden van enkelesteenzettingen op dijken1K)~.l'1'i~.~.::.:.::?;\~ndCrgrOnd {zi:mdIklClD~~;::~/-:::.~:::-,6,3Dl!0::"Svee blok(maten in cm)losse blokkenarmoflex blokken schuine zijden rechte zijdenCement 1986 nr. 2 47WATERBOUW CONSTRUCTIEF ONTWERP STUDIEBETONNEN DIJK- EN?OEVERBEKLEDINGEN~ op welke manier worden de belas-. tingrandvoorwaarden vastgesteld,met behulp van metingen ofbereke-ningen;~ zijn normen enlof criteria met be-trekking tot de keuze van maatge~vende belastingen aanwezig.stotlschawatar spuzgl2lwatl'lrsplaga)dallng-.flHarstaanzClttmgzand?miliiDe overheersende windrichting en degeografische plaats bepalen naastde eer-der genoemde verschijnselen de groottevangolven bij zeedijken. Bij het bepalenvan de resulterende maatgevende golf-hoogten zal deskundig advies op dat ge~bied vereist zijn. Ter illustratie volgenhier enkele gegevens voor het ontwerpvan een dijk aan de Oosterschelde.Voor de golfhoogte kon een waarde vanH, ~ 1,5 m worden aangehouden. Eenander ontwerpgegeven is de golfsteil-heid. Hier kan een waarde van RiL ~0,05 bereikt worden, die representatiefis voor de relatief steile golven die tij-dens een storm optreden.(Rs)maxis de maximale significante golf-hoogte na breken en db de verticale af-statid van de bodem tot het niveau vanstil water. Hoewel de processen in feiteaanmerkelijk gecompliceerderzijn, kanglobaalworden gestelddatbij eenhoog-gelegen vooroever alleen de lagere gol-ven worden doorgelaten en de hogeregolven door breken worden afgezwakt.Bij zeedijken waar veelal onregelmatigegolven de belasting veroorzaken, wordtvaak gebruik gemaakt van:Instabiliteit van een zetsteen bekledingwordt veroorzaakt door de werking vandekortewind- enscheepsgolven, terwijlde'plaats van de instabiliteitop het taluddoor de lange golven van de ~aagfrequente) waterspiegelveranderingenwordt bepaald.Voordat de golven de teen van een dijkbereiken kunnen deze nog een vervor-ming ondergaan die wordt veroorzaaktdoor bodemgeometrie en andere plaat-selijke omstandigheden. Dit kunnenzijn refractie, diffractie, stromingenbo-demwrijving, welke vervormingenvoornamelijk een rol spelen bij zeedij-ken:Golfbreking speelt op zeedijken eengrote rol. Een hooggelegen vooroeverzal de golfaanval ter plaatse van de dijkin meer ofmindere mate reduceren. De De scheepsge?nduceerde waterbewe~maximale diepte db waarbij golven bre- ging kan worden opgedeeld in drieken staat theoretisch in vaste verhou~ hoofdcomponenten: de schroefstraal,ding met de brekerhoogte Rb ~ 0,78 db' de primaire waterbeweging en de se-Onder de diepte db wordt verstaan de cundaire waterbeweging (fig. 5). De pri-verticale afstand van bodem tot golfdal, maire waterbeweging bestaat uit water-dat bij dit type golven bij het niveau van spiegeldaling, frontgolf en haalgolf enstil water zou worden gevonden (fig. 4)..,-- -- -------~golvc;n, opwaaiingsverhangen en sei- .ches;2. windgolven en deining;3. scheepsgolven in vaarwegt::n (meestalscheve golfaanval).De belastingen die op eendijkbekleding L--------~-----___lwerken zullen over het algemeenvoort-vloeien uit korte en lange golven ofeencombinatie daarvan. Deze golven kun-nen nog worden onderscheiden in:1. laagfrequente waterspiegelverande~ringen zoals hoogwatergolven, getij-Over de sterkte kunnen de volgendevragen worden gesteld:~ kan beton worden toegepast (druk-sterkte, pori?ngehalte/wateropna-me, duurzaamheid) in relatie tot hettype bekleding (open ofgesloten) ende plaats van aanleg (onder ofbovenwater);~ wat is het verband tussen de externebelastingende resulterende belastingop een element in relatie met de top-laag- en ftlterconstructie;~ wat is er bekend over de externe sta-biliteit van de dijkbekleding, hierbijkan worden gedacht aan uitspoelingvan het onderliggende materiaaldoor spleten en aan afschuiving;- watis erbekendoverde internestabi-liteitvanhetdijklichaam metbetrek- 4?Fenomeengo1fbrekingking tot onder meer erosie, verwe- r--------------------------,-Jking en piping;- op welke wijze werken de elementenuit de toplaag samen bij het weer-stand bieden tegenverplaatsenenwatis de resulterende sterkte (inter-locking)De sterkte van de constructie wordt in 3 Optre~ende drukken enverhangen bijeen steenzettinghoofdzaaak bepaald door de materialen L-~ ~~__-_~--'waar toplaagen onderlaag uitzijn opge-bouwd. Figuur 3 geeft een geschemati-seerde doorsnede van een dijk met zet-steen bekleding. Sterkte-aspecten dievanbelang zijn kunnen aan de hand vandeze figuur worden nagegaan. Dooreenbelasting zullen de elementen willenverplaatsen. Om dit te voorkomen zijnmaatregelen nodig die dit tegengaan(stabiliteit). De mate waarin elementenwillen verplaatsen wordt bepaald doorde optredende drukverschillen die af-hankelijk zijn van de effectieve doorla-tendheid van de gehele constructie. Ditlaatste aspect is eensamenspel tussen to-plaag en onderlaag, waarop naderhandwordt ingegaan.48 Cement 1986 nr. 2~------- ~=-=-"....--.......-golf v6?rhlltschipinzinking .schiphaaigoll~~~~~~DOORSNEDE HALVERWEGE HET SCHIPgrllnsloogl'"lltour-stroomrlltourstroomnznsloog schipvolgstroom bovG:nt udpositiavtlsntllhllidvoor hllt sChipschr?tlfstraalgolfoploopSClkundcrirlZ golwninzichten met betrekking tot descheepsge?nduceerde waterbewegingzijn vervat in het rekenmodel SHIWAvervolg op blz. 50a ~ hoek van het talud ten opzichtevan horizontaal vlak;Hiervoor is kort ingegaan op de ont-staanswijze van de verschillende belas-tingen metbetrekking tot golven. Wan-neer deze golven de dijk bereiken treedter een aantal verschijnselen op waarbijde golf vervormt en golfenergie wordtomgezet. De belangrijkste verschijnse-len zijn golfbreking, golfoploop, golfte-rugloop en golfreflectie.Bij het breken van golven op eendijkta-lud kunnen, afhankelijk van de golf-steilheid.ende taludhelling,verschillen-de brekervormen worden onderschei-den. Als karakteristieke parameter vooreerdergenoemde processen wordt debrekerparameter ~ gebruikt, die alsvolgt is gedefinieerd:~ ~ tga,JH14Tijdens prototypeproeven in het Har-telkanaal bleek de haalgolfveroorzaaktdoor eenzesbaksduweenheid varend opkorte afstand van de oever, een hoogtevan ca. 1 m te bereiken.retour- of volgstroom. De secundairewaterbeweging bestaat uit transversaleen divergerende golven.Een in beton uitgevoerde dijkbekledingkent als belangrijkste belastingen doorscheepvaart:- haalgolfaanval en waterspiegelda-Iing;~ belastingen door secundaire golven.Beide worden kort toegelicht.5 Overzicht van de waterbewegingrond een schip in een kanaalDe achterste begrenzingvande dooreenvarend schip opgewekte spiegeldaIing-kuil wordt gedefinieerd als de haalgolf.Deze haalgolfaanval manifesteert zichbij het bovenste gedeelte van het talud.De golf loopt evenwijdig aan de vaar-wegas met het schip mee. Van belangzijnde grootheden zijn de spiegeldalingaan het begin Van de haalgolfboven het'talud en het maximale verhang van hetfront van de haalgolf boven het talud{fig. 5).Secuqdaire scheepsgolvenZijn te onder-scheiden in divergerende en transversa-le golven. De interferentiepieken vanbeide hebben eenvoorplantingsrichtingonder een hoek Van ca. 19? met descheepsas op onbeperkt diep water enzijn van meer belang dan de samenstel-lende divergerende en transversale gol-ven. Foto 6a toont een voorbeeld van dewaterbeweging zoals een varend schip?die veroorzaakt.Recent modelonderzoek in het Water-loopkundig Laboratorium heeft tot re-laties geleid waarmee de golfhoogte vaninterferentiepieken is te voorspellen.Tevens is hierbij met behulp Van de be-staande golflengtetheorie op diep watereen relatie opgesteld voor de golfhoogtevan interferentiepieken.Bij prototypeproevenin het Hartelka-naal (foto 6b) zijn bij de passage van een.--------~--~--------,onderzoekingsvaartuig interferentie-6 Waterbeweging rondoIl1 een pieken met een hoogte van ca. 0,70 mvarend schip (Il1odel) en bij opgetreden. De tot op heden verkregenpraktijkmetingen in het Harte1kanaalCement 1986 nr. 2 49WATERBOUW CONs'TRUcrIEF ONTWERP STUDIE_____::.~??a = ~ _schade aan~ bescheming doorextremebelastingentkorreltransport inzakken_ door steen- ~ steenzettingzetting ofvia door kuilteen talud vormingopwaartse druk uitlichten/onder ~ van sten