Frans De Meerleer Texion Geokunststoffen nv
Ing. Hans Dorr JCDORR & Partner
Ing. Arie Boon Voorheen Bitumarin bv
Samenvatting
Oosterschelde en Venetië: vergelijkbare technologie maar andere schaal
Venetianen vestigden zich op zandgronden in een lagune in het Noorden van de Adriatische Zee rond het jaar 400. Op funderingen van elzen- en eikenhouten palen bouwden ze huizen en paleizen. Het dalen van de bodem (12cm per honderd jaar) en het stijgen van de zeespiegel zorgen ervoor dat de strijd tegen de eindeloze getijdenwisseling nu drastisch moet worden aangepakt. Het MOSE project ging in 2003 van start en bestaat uit de bouw van vier afsluitbare waterkeringen in de bestaande drie stroomgeulen die de lagune van Venetië verbinden met de Adriatische Zee. De waterkeringen zijn voorzien van in totaal 78 beweegbare (drijvende) schotten, die alleen tijdens extreem hoog water worden gesloten. Deze oplossing lijkt sterk op de Stormvloedkering Oosterschelde, gebouwd over drie geulen: Hammen, Schaar van Roggeplaat
Figuur 1 Nederland.
Figuur 1 Italië.
en Roompot. De Oosterschelde constructie bestaat uit 65 voorgefabriceerde betonnen pijlers, waartussen 62 stalen schuiven werden geïnstalleerd. Als de schuiven open zijn,
Venetië Venetië is een overstromingsgebied geworden. Pogingen om (met lapmiddelen) de negatieve gevolgen van overstromingen te beperken, behoren tot het dagelijkse leven. Als referentievlak wordt het waterpeil van 1897 gebruikt, gemeten bij het Punta della Salute. Minstens tweemaal per jaar staan 65% van de gebouwen in Venetië blank, dit bij een peil (Acqua Alta) van +1,30m. In november 1966 werd het hoogste waterpeil van +2m gemeten. Als gevolg van de overstromingen zijn de helft van de gebouwen n Venetië beschadigd. De tijverschillen in de lagune van Venetië zijn klein, maar kunnen versterkt worden door opstuwen van het water in de Golf van Venetië door een meteorologisch lage druk gebied gecombineerd met thermische winden uit het Zuiden (Bora en Sirocco). Zware regenval op het land draagt eveneens bij tot de verhoging van de zeespiegel in de lagune. De moderne scheepvaart (pleziervaart, visserij en beroepsvaart) veroorzaakt golven die de kanaalwanden beschadigen.
Het REA project, Riequilibrio E Ambiente (Heruitbalanceren Omgeving) REA is een integraal project waarin geïnvesteerd wordt in het verhogen van kademuren, verbeteren van de kustverdediging (Jesolo, Cavallino,
70
GEOkunst – juli 2010
wordt driekwart van de originele getijdenLido, Pellestrina, Sottomarina and Isola Verde), het verbreden van stranden (45 km), de heraanleg van duinen (8km), het herstel en de bouw van dammen (11km), versteviging van de Murazzi stenen muren (20km), het saneren van een eiland dat gebruikt werd als afvalstort, saneren van vervuilde gronden en de bouw van een dijk om de stad te beveiligen.
werking in stand gehouden. In beide gevallen wordt de zeebodem, ter plaatse van de openingen in de dijk waar sterke getijdenstromen ontstaan, beschermd met grindmatrassen. De technologie toegepast in Venetië is een spin-off van de Nederlandse waterbouwkunde. Een vergelijk tussen toen en nu.
Het MOSE project MOSE is een acroniem voor Modulo Sperimentale Elettromeccanico (Experimentele Elektromechanische Module) en verwijst tevens naar Bijbelse figuur Mozes. In de dijk worden openingen voorzien beschermd door strekdammen, met in totaal 78 stalen afgezonken schotten: 19 aan de Malamocco, 18 aan de Chioggia, 21 aan het Treporti kanaal en 20 aan de San Nicolo kanaal. Aldus kan, bij normale waterstand, de scheepvaart doorgaan en worden de gevolgen van het tij binnendijks beheerst. Om zeeschepen door te laten wanneer de schotten gesloten zijn, worden sluizen voorzien.
Schotten De holle stalen schotten (20m x 30m x 5m) rusten op de zeebodem, 14m onder water en zijn bevestigd aan scharnieren, horizontaal in betonnen caissons. Bij overstromingsgevaar worden ze
leeggeblazen: het water in de schotten wordt er door perslucht uitgedrukt. In een half uur tijd komen de schotten omhoog. In deze vlottende positie vormen de schotten een waterkering tot max +3m. Wanneer het water terugtrekt, wordt opnieuw water in de schotten gelaten zodat deze terugzakken naar de bodem. Deze operatie zou 15 minuten duren.
Grindmatrassen als bescherming tegen erosie De vernauwing van de doorstroomopening veroorzaakt grote stroomsnelheden met als gevolg erosie van de zeebodem. De stabiliteit van de constructies in de onmiddellijke nabijheid van de doorstroomopeningen ter plaatse van de schotten (dijken, de caissons waarop de schotten rusten, inspectietunnels, de scharnieren, etc.)
Figuur 3, 4, 5 Productie BFM.
zouden hierdoor bedreigd worden. Als bodembescherming worden BFM (Ballast Filtering Mattresses) geplaatst op de zeebodem. De BFM matras dient in contact te blijven met de ondergrond zodat onderloopsheid en erosie worden voorkomen. Eens geplaatst wordt deze matras afgestort met breuksteen 10-60 kg (0,60m) en daarna met breuksteen 500-2000 kg (2,35m).
Productie van de BFM grindmatras Op de oever wordt een productie opgezet waar de 4 componenten worden samengesteld tot één matras. De laagopbouw ziet er als volgt uit: niet geweven PP geotextiel (filter) 3-D structuur PP monofilamenten
Figuur 6 Oprollen BFM.
(stabiliteit vulling) fijn grind dubbel getordeerd zeskant vlechtwerk (wapening) niet geweven PP geotextiel (filter) Om de 0,33m h.o.h. worden HDPE pennen met afsluitringen door de structuur aangebracht en aangespannen. Aan één langszijde van de matras is er een extra breedte van 0,60m geotextiel voorzien. Deze wordt onder de aanliggende matras geplaatst zodat er een continuïteit en gronddichtheid verzekerd is tussen de verschillende breedtes. Het gewicht van de BFM matras bedraagt 50 kg/m2 in droge toestand en minstens 25 kg/m2 onder water. Het minimale gewicht onder water
werd opgelegd door het ontwerp: voorkomen van optillen als gecombineerd gevolg van golfwerking en stroming.
Ponton De ponton voor de plaatsing van de matrassen is U-vormig en samengesteld uit standaardonderdelen. De ponton is 44 meter lang en 23 meter breed. De hoogte van de ponton is 2,40 meter, de gemiddelde diepgang is 0,90 meter. De belangrijkste onderdelen van de ponton zijn: 2 generatoren t.b.v. de energievoorziening 6 lieren t.b.v. de beweging van de ponton tijdens plaatsen matrassen armconstructie t.b.v. de verbinding van de trommel aan de ponton
Figuur 7 BFM ponton.
GEOkunst – juli 2010
71
bedieningsruimte met bedieningslessenaar, navigatie- en besturingscomputers, GPS ontvangers, communicatieapparatuur, etc.
Na het uitleggen wordt een visuele inspectie uitgevoerd door duikers. Van elke uitleg operatie wordt een gedetailleerd rapport opgesteld.
Plaatsen van de matrassen
Oosterschelde
De BFM matras wordt op een trommel gewikkeld. Deze wordt aan een beweegbare arm van de ponton vastgemaakt. De ponton verplaatst zich door middel van ankers. De plaatsbepaling en de gecontroleerde uitlegsnelheid gebeuren door middel van geautomatiseerde referentie aan GPS posities.
De delta van de grote stromen, waarin Nederlanders zich vestigden, kent een niet aflatende strijd tegen het water. Na de overstromingen van 1953 werden drastische maatregelen voorzien om de kans op herhaling van een dergelijke ramp te verkleinen. De zeearmen in de zuidwestelijke Delta werden afgesloten met dammen en dijken.
Figuur 8 BFM Ponyon met trommel.
Hierdoor werd de kustlijn van Nederland met 700 km verkort. In 1967 werd begonnen met de voorbereidingen voor de laatste sluiting. De Oosterschelde is 9 km breed en tevens de diepste zeearm met stroomgeulen tot 40 meter diep en verraderlijke stromingen. Gestart werd met de bouw van werkeilanden en de sluiting van damvak Geul. Daarna bleef nog 3 km stroomgeul open die als laatste moest worden afgesloten. De traditionele wijze van beschermen van een zandige bodem onder water tegen erosie tengevolge van stroming en golven was het aanbrengen van rijshouten zinkstukken voorzien van een bestorting van breuksteen. Voor de afsluiting van de grote zeegaten werd steeds meer gezocht naar alternatieve materialen voor de bodembescherming. De enorme oppervlakken die moesten worden bekleed en het gebrek aan rijshout en de hoeveelheid arbeid waarmee dat gepaard zou gaan, samen met de technische problemen van de grote stroomsnelheden en de grote diepte waren de triggers voor een innovatie, die de Nederlandse waterbouwwereld definitief veranderde. De ontwikkeling van geotextielen kwam op gang. Tweedimensionale structuren voor het opnemen van de benodigde krachten en tegelijkertijd de vereiste filterkwaliteiten. Het Deltadoek, een 750 grams polypropyleen weefsel gecombineerd met wiepen van rijshout werden in grote mate toegepast.
Steenasfalt- en blokkenmatten Figuur 9 Detail trommel met BFM matras.
Voor de afsluiting van de Oosterschelde werden als bodembescherming de steenasfalt- en de blokkenmatten ontwikkeld. De steenasfaltmatten bestonden uit een filterweefsel, een gaas, versterkt met staaldraad en een laag open steenasfalt met een dikte van 12 cm. De blokkenmatten bestonden uit een polypropyleen dragerweefsel, vervolgens een niet geweven verzwaarde geotextiel met daarop gehechte betonblokken met een gewicht van 600 kg per m2. Kenmerkend voor beide systemen was dat ze werden opgerold op een grote trommel en verticaal werden afgezonken. Dit in tegenstelling tot eerdere systemen die steeds gestrekt werden gepositioneerd en afgezonken. Nadat gekozen werd voor een pijlerdam werden beide systemen op grote schaal toegepast voor de constructie van de stortebedden en de bodem erosiebescherming.
De pijlerdam De pijlerdam bestaat uit 66 geprefabriceerde
72
GEOkunst – juli 2010
Oosterschelde en Venetië: vergelijkbare technologie maar andere schaal
Figuur 10 Doorsnede filtermat.
Figuur 11 Ensis of Twensis.
Figuur 12 Cardium.
Figuur 14 Italië.
Figuur 13 Twensis of Ensis.
pijlers en een stelsel van 63 afsluitbare stalen schuiven. Gekozen werd voor een grote mate van prefabricage omdat de werkomstandigheden in de Oosterschelde met getijde en hoge stroomsnelheden moeilijk waren. Al het werk kon alleen maar worden uitgevoerd in de periode van wisseling van het tij als de stroomsnelheden laag waren. De pijlers kregen geen andere fundering dan een fundatiebed, dat op de zeebodem werd opgebouwd, nadat de ondergrond was verdicht. Op de bodem werd een filterconstructie aangebracht, die de stabiliteit van de zandbodem onder de pijlers moet waarborgen. Ook hier werd gekozen voor een geprefabriceerd fundatiebed.
Figuur 14 Nederland.
Filtermat Met de ervaring die was opgedaan bij de toepassing van de blokkenmat en de steenasfalt mat kon worden gewerkt aan het ontwerp van een geprefabriceerd fundatiebed dat al gauw benoemd werd als filtermat. Behalve hydraulische belastingen en constructieve eisen was de duurzaamheid van groot belang. In die periode was de lange termijn duurzaamheid van meer dan 200 jaar voor geotextielen nog geen bewezen feit. Het gebruik van geotextielen als filterconstructie kon daarom niet als enige
GEOkunst – juli 2010
73
worden gebruikt. Gekozen werd voor een combinatie van geotextiel en granulair materiaal. De filtermat werd geprefabriceerd in een daarvoor gebouwde fabriek en opgerold op een drijvende rol. De filtermatten vormen een filterconstructie doordat ze van onder naar boven zijn opgebouwd met steeds grover filtermateriaal. Op deze wijze dekken ze de zandbodem af en vormen ze aan nauwkeurig opgebouwde overgang naar de grovere steenlagen van het stortebed rond de pijlers. De doorlatendheid is van belang om verweking van de zandbodem te voorkomen en de zanddichtheid zorgt er voor dat de zandbodem in stand blijft. Het hele systeem bestaat uit een ondermat met afmetingen 200 * 42 meter en een dikte van 36 cm en een bovenmat met afmetingen van 60 bij 31 meter en eveneens een dikte van 36 cm. De mat is opgebouwd uit 3 lagen granulair materiaal, zand, kif en grind, gescheiden door geotextiel, een dragerweefsel bestaande uit een polypropyleen weefsel met ingeweven staalkabels en staalgazen korven ten behoeve van de interne stabiliteit tijdens het oprollen en afzinken van de mat. Om een hechte samenhang tussen de diverse lagen te garanderen werden in een vast patroon verticaal stalen pennen aangebracht, die werden geborgd aan onder en bovenzijde van de mat. De productiecyclus van de filtermattenfabriek was telkens 10 minuten voor 2 meter. Tegelijk met de productie werd de mat opgerold op een drijvende rol met een diameter van ca 15 meter. Er waren twee rollen beschikbaar zodat min of meer continu kon worden gewerkt. Deze rollen, genaamd Ensis en Twensis, werden in bedwang gehouden door de beladingslieren. De mat werd gekoppeld aan een kopbalk en een staartbalk, waarmee de krachten voor het oprollen en het afrollen konden worden overgedragen op het dragerweefsel. De ontwikkeling van het systeem om deze krachten over te dragen (meer dan 200 kN per m1) was, naast allerlei andere ontwikkelingen, een bijzonder staaltje van samenwerking tussen Rijkswaterstaat als opdrachtgever, Dosbouw als aannemer en diverse leveranciers, waarbij onder tijdsdruk een groot aantal proeven werden uitgevoerd en systemen in situ werden getest. Nadat de rol beladen was met een mat met een gewicht van ca 5.500 ton werd hij getransporteerd naar de ponton Cardium. Op dat moment werd een tijdschema in gang gezet dat beheerst werd door het getij. De bodem van
74
GEOkunst – juli 2010
Grindmat
BFM Venetië
Oosterschelde mat
Dikte cm Gewicht onder water kg/m2 Gewicht boven water kg/m2 Afmetingen m x m
5 25 50 10 x 200
36 400 (geschat) 600 42 x 200
9/9 50/65 150 550 nvt nvt 4-8 mm Stalen vlechtwerk 32 kN/m Geotextiel onder treksterkte (langs/dwars) kN/m 26/26 Geotextiel onder verlenging (langs/dwars) % 50/60 350 Geotextiel onder gewicht g/m2
100/80 25/15 400 nvt 8-40 mm 2-8 mm 0,3-2 mm Stalen net 4mm h.o.h 2,5 cm 800/80 nvt 1200
Onderdelen Geotextiel boven treksterkte (langs/dwars) kN/m Geotextiel boven verlenging (langs/dwars) % Geotextiel boven gewicht g/m2 3-D structuur gewicht g/m2 Grindlaag 3 Grindlaag 2 Grindlaag 1 Stalen wapeningsnet
Omstandigheden Ondergrond Max stroomsnelheid m/sec Max stroomsnelheid tijdens plaatsen m/sec Max golfhoogte tijdens het plaatsen m Max tijverschil m Max diepte onder water m Diameter rol m Tijd nodig voor plaatsen onder water min Totale hoeveelheid geplaatst m2
Slib en fijn zand 3-4 0,5 0,5 1,50 14 4 60 600.000
Fijn Oosterschelde zand 4 0,5 0,5 2,8 30 15 60 1.000.000
Tabel 1
de Oosterschelde ter plaatse van de sluitgaten was constant in beweging. Toch moesten de fundatiebedden met grote nauwkeurigheid in verticale richting worden geplaatst. De Cardium werd ontworpen om deze matten te leggen. Dit vaartuig werd uitgerust met zuigmonden, die op het laatste moment voor het leggen van de mat de bodem zijn uiteindelijke vlakke profiel moesten geven. De ingezette cyclus was dus positioneren, profileren, mattenrol invaren, koppelen en afzinken. Dit allemaal op een zodanig tijdstip dat tijdens het afzinken de stroomsnelheid niet groter was dan 0,5 m/sec.
Vergelijking Oosterschelde – Venetië project (tabel 1) Overeenkomsten In beide gevallen is gebruik gemaakt van een oprolbaar prefab systeem. Geotextiel speelt een essentiële rol en de plaatsing onder water
gebeurt door afrolpontons.
Verschillen Er is één groot verschil de dimensie: de filtermat gebruikt in Venetië kan gezien worden als een schaalmodel van de filtermat gebruikt op de Oosterschelde. De filtermat van de Oosterschelde werd uitgerold vanaf de ponton, hierdoor ontstond de situatie dat de stroming (hoe klein ook) voor- en na het kenteren van het tij, een druk uitoefende op de mat (breedte x diepte). In Venetië wordt de filtermat boven de bodem uitgerold, zodat de oppervlakte waarop de stroming drukt veel kleiner wordt (breedte x diameter) van de rol. De bouw van de Oosterschelde kering is wereldwijd een mijlpaal in de geschiedenis van de waterbouw. Innoverende technieken voor productie en plaatsen van erosiematten vinden nog steeds navolging en dragen bij tot het beveiligen van bewoonde gebieden tegen overstromingen.
