? waterbouw ? algemeen ontwerp?ing.J.G.M.Bos en Ir.C.P.W.J.Genders, Grontmij Verkeer en InfrastructuurErop ?n eronder, dat is het aquaduct Veluwemeer: op de hooggelegen brug en onder hetaquaduct. Deze combinatie van kunstwerken vormt vanaf eind 2000 de nieuwe oeverver?binding in de N302 tussen Harderwijk en Flevoland en vervangt dan de huidige verbin-ding, de Knardijk. In dit artikel een korte impressie van het 'waarom', maar ook vooral vanhet 'hoe' het aquaduct met de brug is ontworpen.AQUADUCTVELUWEMEER: EROP ?NERONDERVOORGESCHIEDENIS EN ONTWERPCD Situatieschets anno 199844In 1991 verscheen de projectnota 'Aanpas-sen of Vervangen van de Hardersluis'. Eenprojectgroep, bestaande uit vertegenwoor-digers van Rijkswaterstaat directie ijssel-meergebied, de provincies Flevoland en Gel-derland en de gemeenten Harderwijk enZeewolde, heeft in aanvulling hierop eenstudie verricht naar een verbeterde oever-verbinding tussen Harderwijk en Zeewolde.Deze studie had als uitkomst, dat de oor-spronkelijk als ??n van de varianten uitge-werkte aquaduct-oplossing gecombineerdmet een brug, de voorkeur zou moeten ver-dienen. In een optimalisatiefase heeft Wit-teveen en Bos Raadgevende Ingenieurs de-ze voorkeursvariant nader uitgewerkt.Op 10 april 1996 gaf de Provincie Flevolandde combinatie Grontmij/Maunsell de op-dracht om het ontwerp van de nieuwe oever-verbinding uit te werken.ProbleemstellingIn de optimalisatiefase kwam naarvoren datde nieuwe oeververbinding over de randme-ren terplaatse van de huidige Knardijk en deHardersluis zou moeten komen te liggen(fig. 1). De oeververbinding zou moeten be-staan uit een aan de Gelderse zijde gelegenaquaduct en een aan de Flevolandse zijdegelegen vaste brug. Door het aquaduct eneen opening in de dijk onder de brug wordenhet Veluwemeer en het Wolderwijd met el-kaar verbonden, zodat er gelijke waterstan-den ontstaan en de Hardersluis verwijderdkan worden.Met dit project wordt invulling gegeven aande wens om de wegverbindingA28 - Harder-wijk/Flevoland en de vaarverbindingen voorberoeps- en recreatievaart over de Randme-ren elkaar ongehinderd te laten kruisen. Devoorgestane infrastructurele maatregelenzullen zowel regionale als nationale spin-off-effecten hebben voor toerisme, recreatie enbedrijvigheid.Programma van EisenVoor het uitwerken van het project is door deopdrachtgever een kwantitatief programmavan eisen opgesteld. Hierin zijn als belang-rijkste punten aangegeven, dat voor het weg-verkeer een enkelbaansautoweg categorieIII volgens de RONA richtlijnen diende te wor-den ontworpen en dat het fietsverkeer enhet overige langzame verkeer van dezehoofdrijbaan gescheiden moest lopen. Bij-zondere aandacht werd gevraagd voor devoor het fietspad te kiezen oplossing, omdater door de vrij hoge brug en het lage aqua-duct een groot hoogteverschil was te over-bruggen.De doorvaartopening onder de brug en deafmetingen van het aquaduct moesten wor-den gebaseerd op beroepsscheepvaartklasse IV (CEMT, 1350 ton) en recreatie-vaart klasse 4, meteen intensiteit van meerdan 35 000 passages per jaar.De stroomsnelheid in de doorvaartopeningonder de brug mocht, in verband met descheepvaart, niet meer bedragen dan 0,7m/sec in 98% van de tijd. In de doorvaart-opening in het aquaduct, dat vooral door derecreatievaart gebruikt zal gaan worden,mocht de stroomsnelheid nietgroterzIjn dan0,8 m/sec in 98% van de tijd in het zomer-halfjaar.De ontwerpwerkzaamheden zijn onder teverdelen in een algemeen ontwerp, een ver-keerstechnisch ontwerp met als belangrijk-ste item het ontwerp van het fietspad, eenwaterhuishoudkundig en nautisch ontwerpen een civieltechnisch ontwerp van de brug,het aquaduct en van de toeritten naar hetaquaduct.CEMENT1998/3WOLDERWIJDVELUWEMEERHARDERWIJK@ Horizontaal alignement van het oude en het nieuwe trac?; links de nieuwe brug, in het midden het aquaductAlgemeen ontwerpOm tijdens de uitvoering van het werk hetwegverkeer ongehinderd door te kunnen la-ten gaan, is het trac? van de nieuwe verbin-dingsdam zo gekozen dat deze vrijwel volle-dig buiten de huidige Knardijk komt te liggen.Door de brug zover mogelijk westelijk en hetaquaduct zover mogelijk oostelijk te situe-ren, ontstaat de grootste ruimte om hethoogteverschil tussen brug en aquaduct tekunnen overwinnen, hetgeen vooral voor hetfietspad noodzakelijk is (fig. 2).Tevens kan door deze westelijke ligging vande brug de beroepsvaart tijdens de uitvoe-ringsperiode zoveel mogelijk gebruik blijvenmaken van de bestaande vaargeulen van ennaar de Hardersluis.Bij het vaststellen van het trac? is tevens re-kening gehouden met de dwangpunten, zo~als de woningen nabij de bestaande sluis diegehandhaafd moeten blijven en de invaartvan de jachthaven aan de kant van Harder-wijk.BouwfaseringDe bouwfasering is globaal in een aantalstappen onderte verdelen. Tijdens de eerstebouwfase worden de nieuwe dijklichamenaangelegd, het complete aquaduct met detoeritten gebouwd en de onderbouw van debrug gemaakt. In deze fase kan al het weg-verkeer gebruik blijven maken van de be-staande weg en kan hetscheepvaartverkeerde schutsluis blijven gebruiken.Deze fase loopt globaal van begin 1998 toteinde 1999.De dijklichamen worden in een zo vroeg mo-gelijk stadium aangelegd om een zo grootmogelijke consolidatievan de ondergrond teverkrijgen.In de tweede fase wordt het wegverkeer om-gelegd door het nieuwe aquaduct. Aan dewestzijde blijft het wegverkeer echter nogwel gebruik maken van de route over desluis. Door de dijk ten zuiden van het aqua-CEMENT1998/3duct door te baggeren, kan de scheepvaartdoor het aquaduct varen en kan de boven-bouw van de brug worden aangelegd.Globaal loopt deze fase van einde 1999 totmedio 2000.In de laatste fase, wanneer ook de brug ge-reed is, worden de bestaande sluis en deresterende oude dijklichamen gesloopt.Het gehele werk is eind 2000 gereed.Verkeerstechnisch ontwerpZoals hiervoor aangegeven is de horizontaleafstand tussen de brug en het aquaduct,binnen de randvoorwaarden en dwangpun-ten, zo groot mogelijk gekozen. Met dit gege-ven en het pakket aan geldende normenvoor hellingpercentages en minimale enmaximale verticale boogstralen, is een ont-werp gemaakt voor het verticaal alignementvan de verkeersweg en van het fietspad.Voor het fietspad is onder het aquaduct eenminimale doorrijhoogte bepaald van 2,5 m.Hiermee komt het laagste punt van het fiets-pad op c',rca NAP -6,20 m. Het hoogste puntvan het fietspad, in het midden van de brug,ligt op circa NAP + 8,30 m, bepaald uitgaan-de van de benodigde doorvaarthoogte voorde beroepsvaart en een minimale construc-tiehoogte van het brugdek. Het hoogtever-schil dat de fietsers moeten overbruggen be-draagt aldus circa 14,50 m.De helling van het fietspad bedraagt maxi-maal4%entussen de hellingen worden hori-zontale gedeelten aangelegd. Naarmate defietsers hoger komen, worden de horizonta-le gedeelten langer en de hellingpercenta-ges kleiner, dit om het vermoeiingseffect tereduceren. Bovendien is bij het opstellenvan het verticaal alignement er rekeningmee gehouden, dat de fietsers over het eer-ste gedeelte van de helling nog gebruik ma-ken van de restsnelheid van de afdaling enzich in het gebied beneden circa 1,50 m +NAP in een tegen de wind beschutte situatiebevinden.Het fietspad wordt aangelegd a.an de zuidzij-de van de weg, omdat de meeste (school-gaande) fietsers uit Zeewolde komen eneen bestemming hebben in Harderwijk-zuid(en omgekeerd). Op deze manier wordt hetoversteken van de hoofdrijbaan voor demeeste fietsers voorkomen. Het fietspad isontworpen voor twee richtingen.HoofdrijbaanHet horizontaal en verticaal alignement vande hoofdrijbaan en de parallelweg zijn ont-leend aan de RONA - richtlijnen. Ter plaatsevan het aquaduct is een minimale doorrij-hoogte aangehouden van 4,60 m. Het diep-ste gedeelte van de weg komt hiermee opcirca NAP - 8,30 m, terwijl het hoogste puntvan de weg, in het midden van de brug, opcirca NAP + 8,30 m komt.In dwarsrichting zijn de hoofdrijbaan en deparallelweg elk opgebouwd uit twee rijstro-ken met een breedte van 3,25 m. De totaleverhardingsbreedte bedraagt 7,50 m.ln hetaquaduct is een breedte tussen de beton-wanden aangehouden van 9,28 m, zijnde debreedte van de rijstroken vermeerderd metredigeerstroken en ruimte voor geleidebar-riers. Op de brug worden de rijbanen ge-scheiden met geleiderailconstructies.In het ontwerp voor het trac? van de verbin-dingsdam is zorggedragen voor een aanslui-ting die qua bochtstralen, tracering van we-gen en NAP-hoogtes van wegen goed aan tesluiten is op de bestaande infrastructuur terplaatse van de aanlandingen. Een gedetail-leerd verkeerskundig ontwerp van de ver-keersknooppunten ten oosten en ten wes-ten van de nieuwe oeververbinding is alsextra opdracht verstrekt.45? waterbouw ? constructief ontwerp?~ ~~~ +_~~_'~099OO==(l~OB=O~OO=h=aa=k='=olas landhoofden en pijlers)""~-- lIt -- NAP."" 11 II-n-W.S. -0.100/-0.300? Langsdoorsnede over de brug in de as van de weg@ Bovenaanzicht van het aquaductontwerp opgenomen breedte van 21,75 mvoldoet hieraan dus ruimschoots. De mini-maal benodigde doorvaartdiepte dient 1,4 xde diepgangvan schip te zijn, ofwel4,22 m.I!IDe middenpijlers van de brug worden dooreen stalen remmingwerk beschermd tegenaanvaringen.Het watergedeelte van het aquaduct be-staat uit een in het werk gestorte bakcon-structie gefundeerd op twee eindsteunpun-ten en een middensteunpunt. Deze steun-punten vormen de wanden van het verkeers-deel van het aquaduct. De zijwanden van hetaquaduct worden aan de waterzijde voor-zien van rubber fenders, die het grootstedeel van de aanvaringsenergie van eenschip opnemen (fig.4).Het gehele aquaduct wordt in een bouwkuipvan stalen damwanden met een vloer vanonderwaterbeton gebouwd. De funderingwo rdt gevormd door Vi bro-combinatiepalen.!IIICivieltechnisch ontwerpDe brug krijgt een totaaloverspanning van108 m, onderverdeeld overviervelden. Tweelandhoofden en drie middenpijlers zorgenvoor de ondersteuning van het dek (fig. 3).Het brugdek bestaat uit prefab-betonele-menten met een in het werk gestorte druk-laag. Er is gekozen voor een prefab brugdekin verband met de snellere bouwtijd. Omdater geen bekisting wordt toegepast, geeft ditdek bij de bouw geen beperkingen in hoogtevoor de scheepvaart.DoorvaartwijdteVoor het bepalen van de afmetingen van hetaquaduct is gebruik gemaakt van de richtlij-nen van de Commissie Vaarweg Beheerders(CVB). Volgens deze richtlijnen kan hetvarendoor een aquaduct vergeleken worden methet varen door een keersluis, waarvoor, voorde maatgevende scheepvaartklasse, eenbreedtemaat van 2 x 9,5 m wordt aanbevo-len. De benodigde doorvaartdiepte is gere-lateerd aan de diepte van het normale vaar-wegprofiel, vermeerderd met 0,3 m als ge-volg van golfslag.De minimaal benodigde doorvaartwijdte en-diepte ter plaatse van de brug zijn eveneensaan de CVB-richtlijnen ontleend. Voor een-richtingsvaart van het maatgevende schip,beroepsvaart CEMT klasse IV, is een mini-male breedte nodig van 14,25 m. De in hetWaterhuishoudkundig en nautischontwerpNadat hetgehele werk gereed is, is een openverbinding ontstaan tussen het Veluwemeeren het Wolderwijd. Hierdoor zullen, als ge-volg van op- en afwaaiing tijdens storm,stroomsnelheden in de doorstroomopenin-gen van de oeververbinding optreden die, uithet oogpunt van nautische eisen en het te-gengaan van ontgrondingen, niet te hoogmogen zijn.Door het Waterloopkundig Laboratorium(WL) te Delft is een studie verricht naar deeffecten van deze open verbinding. Het WLheeft geadviseerd een doorstroomopeningte kiezen van circa 350 m2, te verdelen overhet aquaduct en de opening onder de brug.De opening onder de brug moet gecombi-neerd worden met strekdammen met eenlengte van circa 250 m, om zodoende eenweerstandsgeul van voldoende lengte tecre?ren.Om de brug en het aquaduct goed aan te la-ten sluiten aan de bestaande en de nieuwterealiseren vaar- en stroomgeulen, liggen zo-wel de pijlers van de brug als devaargeul vanhet aquaduct onder een hoek van circa 75graden ten opzichte van deverbindingsdam.46 CEMENT1998/3+2265 + 3100 ,1520019649179003100 + 5000+1.500 i ~ I I/,NAP. W.S. r---",3.000\I1\ -6.2200~i~ ~llii ~~ ",I ,I I I I~I~I~ W.S. -0.100/-0.300 ~? Doorsnede over het aquaduct, ter plaatse van het fietspadControleberekening aquaductMet de eindige-elementenmethode (Ansys)zijn de afmetingen van hetaquaduct gecon-troleerd en is de gehele betonconstructiebeoordeeld. De gehanteerde berekenings-methode biedt diverse mogelijkheden tenaanzien van het bepalen van het spannings-en vervormingsgedrag van de constructie.Vooral de capaciteit tot het modelleren vangefaseerde bouwen de opties voor tempe-ratuurswisselingen, alsmede mogelijkhe-den voor driedimensionale verwerking zijndoorslaggevend geweest bij deze keuze.De constructie wordt uiteindelijk in verschil-lende stappen gebouwd.De spanningen envervormingen die in een eerdere fase ont-staan, worden bij het storten van de navol"gende fasen gesuperponeerd met de na datstort optredende verschijnselen. Zo is reke-ninggehouden mettemperatuurbelasting inverschillende situaties en belasting door ijs(zowel uitzetting van ijs als contractie). Ookis ereen aanvaringsbelasting in rekening ge-bracht, werkend op de rand van het vaarge-deelte van het aquaduct. Daarnaast is deonderbouw - hetweggedeelte van het aqua-duct - op diverse plaatsen met een aanrij-dingsbelasting geconfronteerd.Hetberekeningsmodel van de constructie isonder meer opgebouwd uit verende onder-steuningen voor de fundering aan de onder-kant van de constructie en voor de damwan-den aan weerszijden van het aquaduct. Inverband metde invoervan over de betondik-te verlopende temperatuurslasten, is verdergekozen voor het gebruik van massieve,driedimensionale elementen.CEMENT1998/3De groottevan hetmodel wordtgereduceerddoor gebruik te maken van lokale netverfij-ning van de elementen. Na berekening vande diverse situaties zijn de spanningen envervormingen snel grafisch zichtbaar ge-maakt met contourplots in verschillendekleuren. De met Ansys berekende spannin-gen blijken binnen de bij het ontwerp gestel-de grenzen te liggen, terwijl de vervormin-gen, zoals verwacht, zeer klein blijven. De bijde verschillende temperatuurbelastingsi-tuaties optredende eigenspanningen zijneveneens voldoende laag. Deze berekenin"gen geven een grote mate van inzichtelijk-heid van de resultaten.ToerittenDe toeritten naar het aquaduct bestaan uitstalen damwanden een vloervan gewapendbeton op een onderwaterbetonvloer. Devloer wordt gefundeerd op trekpaJen: in hetdiepere gedeelte Vibro-combinatiepalen enverder geprefabriceerde betonpalen. Dewanden van de toeritten worden, over hetdiepe gedeelte van de toerit, verankerd metgroutankers. Deze damwanden zijn bere-kend met hetcomputerprogramma Msheet.De kerende hoogte van de toerit is vastge-legd op 1,50 m + NAP (fig. 5). Bij een combi-natie van opwaaiing van het water bij eenstorm (+1- 0,20 m) en een golfoploop (+/-0,65 m) wordt het maximale waterpeil onge-veer 1,05 m+NARDe golfoploop wordtgere-duceerd door de dijklichamen met stort-steen te bekleden. Doordat op de dijk eenhorizontale berm met een breedte van 6 mwordt gemaakt, zal er geen spatwater in detoerit terecht kunnen komen.Het fietspad wordt in het aquaduct en in detoeritten hoger aangelegd dan de naastlig-gende rijweg. Met een betonnen keerwandwordt dit hoogteverschil gerealiseerd. In deruimte onder het fietspad worden voorzie-ningen opgenomen, zoals depompkelderende leidingen voor de interne waterafvoer. AIhet regenwater wordt afgevoerd op de be-staande riolering van Harderwijk en van deFlevopolder.VervolgtrajectVoor de uitvoering wordt het gehele werk intotaal vier bestekken verdeeld. Het eerstebestek betreft de aanleg van de dijklicha-men en werkplateaus ter plaatse van delandhoofden van de brug en het aquaduct.Het tweede bestek omvat de bouw van hetgehele aquaduct. Het derde bestek behelstde bouw van de brug en het vierde bestekomvat deasfalteringswerkzaamheden enhet slopen van de bestaande sluis en dijkli-chamen.De eerste twee bestekken zullenin hetbeginvan 1998 worden aanbesteed.De bouwkosten van het gehele werk wordeningeschat op circa f 52 miljoen. De onder-houds- en exploitatiekosten, bepaald metde methode van de Netto Contante Waarde,bedragen circa f 390 000,- gemiddeld perjaar.?47