Sluis Empel Naar een veiliger, goedkoper en innovatief sluishoofd
‘Ivo Thonon’
Ramp Rosmalen na aanvaring Rosmalensche Hoeven Rosmalen, Empel en de Brand overstroomd; Ruim 400 kuub water schade meer dan één miljard 18 februari 2032, een ramp treft op dit moment Rosmalen en Empel. Vannacht, rond 02.15, werd een sluisdeur van sluis Empel aangevaren door het Nederlandse vrachtschip de ‘Acacia’ uit Dodewaard. Hierdoor kreeg het water uit de Maas vrij spel. Binnen tien minuten stroomde het water over de dijken en bulderde het water het achterland in richting Empel en Rosmalen. Vannacht rond 02.00 kwam het Nederlandse schip de ‘Acacia’ aan bij sluis Empel. De Maas stond op dat moment op de hoogste stand waarbij een schip de sluis nog mag binnenvaren. Door een nog onbekende oorzaak remde het schip niet af en ramde de deur. Het enorme schip, met een lengte van 105 meter, zorgde ervoor dat de sluisdeur het begaf. Vanaf dat moment bulderde het water het achterliggende kanaalpand in. Het schip is lek geslagen, de opvarenden worden vermist. Binnen tien minuten stond het water tot aan de dijken langs het kanaal en stroomde het water het achterland in.
De sluiswachter zette direct het evacuatieplan in werking. Binnen een uur waren de reddingsploegen ter plaatse in Rosmalen en Empel om de bewoners te evacueren. Tegelijkertijd werden de passages onder de A2 dicht gemaakt met zandzakken. Rond 08.00 waren de meeste mensen geëvacueerd. Rond deze tijd bereikte het water Empel en Rosmalen. Het afsluiten van de sluisdeur is door de hoge stroomsnelheden in de sluis onmogelijk. Er zal gewacht moeten worden tot het water stopt met stromen. Het kan nog uren duren voordat de Maas laag genoeg staat en de sluis gedicht kan worden.
De eerste huizen staan al onder water
stroomt per seconde de dijk over. Het eerste werd de Rosmalensche Hoeven getroffen. Binnen een uur stond het water een meter hoog bij de Rosmalensche plas en een halve meter hoog in de woonkamers van de boeren rond Empel en Rosmalen. Boeren moesten gedwongen hun boerderij en dieren achterlaten. Honderden dieren verdronken en tientallen boerderijen gingen compleet verloren. Dit was helaas nog maar het begin van de ramp. Empel In Empel naast Den Bosch is het leger nog druk bezig met de evacuatie. Over de A2 worden de inwoners nog steeds met bussen weggebracht naar een veilige plaats. Tegelijkertijd worden de passages onder de A2 gedicht met alles wat voor handen is. Honderden mensen helpen mee om een grotere ramp tegen te gaan. Overstroming van Rosmalen en Empel is niet meer te voorkomen, maar de A2 ligt hoger dan de dijken en kan Den Bosch nog beschermen tegen het water. Binnen een aantal uren zal het water de A2 bereiken zal blijken of de geïmproviseerde afdichtingen stand houden tegen het water. Rosmalen Ook in Rosmalen is de evacuatie nog in volle gang. Het zal niet lang meer duren voordat het water Rosmalen
Sluis Empel na aanvaring
in stroomt. Veel mensen willen echter hun huizen niet verlaten. Verwacht wordt dat geheel Rosmalen onder water zal komen te staan met waterdieptes tot twee meter. Het grootste deel van de huizen, winkels en kantoren zullen beschadigd raken door het water. Alleen al in Rosmalen loopt de waterschade naar verwachting in de honderden miljoenen euro’s. Het oude centrum zal zwaar getroffen worden. Het water bereikt niet alleen het centrum, maar ook het industrieterrein ‘De Brand’. Tientallen bedrijven zullen weken of zelfs maanden uit bedrijf zijn. Zodra het water stopt met stromen zullen Rosmalen en Empel helaas al volledig overstroomd zijn. Het kwaad is dan al geschied. Duizenden mensen zullen maanden lang dakloos zijn en veel van hun bezittingen zullen verloren zijn gegaan. De financiële schade wordt geschat op meer dan één miljard euro.
De emotionele schade bij de inwoners en de schade aan het imago van ‘Nederland, waterland’ zal echter nog veel groter zijn. De minister van V&W heeft in een verklaring laten weten enorme waardering te hebben voor de inzet van de vrijwilligers en hulpdiensten. Om niemand in de weg te lopen, zal hij pas overmorgen met koning Willem-Alexander een bezoek brengen aan het rampgebied.
Den Bosch gespaard? Op dit moment zijn nog steeds mensen bezig met het dichten van de passages onder de A2. Het lijkt er op dat de ramp Den Bosch bespaard zal blijven. Dit is echter pas te zeggen wanneer het water deze passages bereikt. Wanneer het water toch Den Bosch instroomt, zal de ramp vele malen groter uitvallen dan op dit moment wordt verwacht.
Fictief krachtenbericht
Sluis Empel Naar een veiliger, goedkoper en innovatief sluishoofd
Datum: 27 mei 2008 Auteurs: Rob Hendriksen Peter Spruijt Gert-Jan van Vuren
06-24999257 06-23928375 06-42871641
Afstudeerbegeleiders RWS: Ir. M. Rikkers Drs. P.G.M. Gerits Afstudeerdocent HAN: Ing. H.G.M. uit het Broek
Email:
[email protected] Copyright Rijkswaterstaat Bouwdienst
Civiele techniek
Bouwdienst
Voorwoord Voor u ligt het eindrapport van het afstudeerproject. De uitwerking hiervan telt als afstudeerproduct van de opleiding Civiele Techniek aan de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen. De opdracht is tot stand gekomen in samenwerking met Rijkswaterstaat. Tijdens de opdracht is gezocht naar een optimaal concept voor een aanvaarbeveiliging en een sluisdeur. Centraal in dit ontwerp staan veiligheid, innovatie en het verlagen van integrale kosten. Dit rapport geeft een overzicht van de werkzaamheden van de afgelopen vier maanden en de uitkomsten. De toelichtingen en uitwerkingen zijn te vinden in de bijlagen. Hier wordt naar verwezen in het rapport. Tijdens de afstudeerperiode heeft Rijkswaterstaat een faciliterende rol gespeeld. De gehele periode hebben wij gebruik mogen maken van alle faciliteiten die locatie Westraven, het hoofdkantoor van de Bouwdienst, biedt. Graag willen wij onze afstudeerbegeleiders Menno Rikkers en Pascal Gerits bedanken. Menno voor zijn uitstekende inhoudelijke en vakgerichte begeleiding en Pascal voor zijn projectgerichte coaching. Van beiden hebben wij veel mogen leren. Hans uit het Broek willen wij bedanken voor zijn begeleiding vanuit de HAN tijdens de voorbereiding en gedurende de afstudeerperiode. Mink Ros van MRCONSULT willen wij bedanken voor zijn uitstekende begeleiding op het gebied van innovatief ontwerpen, het onderhouden van civiele constructies in water en het verlagen van integrale kosten. Utrecht, mei 2008 Peter Spruijt Gert-Jan van Vuren Rob Hendriksen
Prins Bernhard sluis, Tiel
Samenvatting Sluis Empel, gelegen tussen Empel en Rosmalen, maakt deel uit van een primaire waterkering. Wanneer de sluisdeuren zouden bezwijken ten gevolge van een aanvaring kan het water uit de Maas vrij het achterland instromen. De gevolgen zijn dan niet te overzien. Vanuit Rijkswaterstaat is de wens ontstaan de haalbaarheid van een dynamische aanvaarbeveiliging te onderzoeken. Het doel van de afstudeeropdracht is het vinden van een optimaal concept voor een dynamische aanvaarbeveiliging en sluisdeur bij ‘Sluis Empel’. Centraal in dit project staan veiligheid en het verlagen van integrale kosten. Bij het gebruik van sluis Empel bestaat de kans dat een schip niet op tijd stopt en een sluisdeur aanvaart, waarop deze bezwijkt. Het gevolg is een sluiskolk waar het water vrij doorheen kan stromen. De kans bestaat dat op dat moment de waterstand van de Maas hoger is dan de dijken langs het achterliggende kanaalpand. Het water uit de Maas stroomt dan na enige tijd over de dijken het achterland in. Afhankelijk van de waterstand van de Maas kan het schadebedrag oplopen tot 1,4 miljard euro. De schade bestaat uit bedrijfsuitval en waterschade aan huizen, wegen, grondgebruik en voertuigen. Voor het risicobedrag is een range berekend tussen de 6.200 en 620.000 €/jaar. Om een dergelijke ramp te voorkomen is gezocht naar een optimaal concept voor een dynamische aanvaarbeveiliging. Er zijn reeds dynamische aanvaarbeveiligingen toegepast, deze zijn echter erg duur. Na een variantenstudie is er gekozen voor het concept ‘Gedempte hefbalk’. Een stalen balk hangt tussen twee heftorens in. Wanneer een schip de sluis invaart hangt de balk voor de deur en voorkomt zo een aanvaring met de sluisdeur. Wanneer de sluisdeur zich opent wordt de balk omhoog getakeld, zodat het schip eronderdoor kan varen. Bij een aanvaring wordt de balk gedempt door glasvezel-polyester profielen. Tijdens de aanvaring wordt de aanvaarenergie geabsorbeerd door de profielen kapot te drukken. Na de aanvaring zijn de profielen snel te vervangen en kan de aanvaarbeveiliging weer gebruikt worden. Uit berekeningen blijkt dat de investeringskosten voor de aanvaarbeveiliging lager zijn dan het risicobedrag waardoor deze te verantwoorden is. Naast de financiële kwestie speelt ook de morele vraag: ‘Wil de opdrachtgever dit risico lopen?’ Bij een ramp van deze orde staan mensenlevens op het spel. De opdrachtgever zal zich af moeten vragen of hij dit risico wil lopen. Voor het type sluisdeur bij Empel is gekozen voor een roldeur. Dit type sluisdeur heeft in het algemeen veel onderhoud nodig. Dit komt voornamelijk door de bewegende delen onder water en de uitvoering in staal. Het doel is het verlagen van de integrale kosten door het benodigde onderhoud en de bewegende delen onder water te reduceren. Na een variantenstudie is er gekozen voor het concept ‘Betonnen glijdeur met rubberdoek’. De deur bestaat uit een lijst van hoge sterkte beton met daarin een rubberdoek. Het rubberdoek zal de krachten overbrengen naar de lijst van beton. Onderin de deur komen schuimkisten, waardoor de deur opdrijvend vermogen krijgt en de krachten op de geleiding gereduceerd worden. Door het reduceren van de krachten kan glijgeleiding toegepast worden in plaats van rolgeleiding. Bij het openen en sluiten glijdt de deur over een kunststof baan. Aan het beton, het rubberdoek en de glijgeleiding wordt tijdens de levensduur nagenoeg geen onderhoud verwacht. Door het toepassen van glijgeleiding worden de bewegende delen onder water uit het ontwerp gesaneerd. Aangezien de materialen relatief goedkoop zijn wordt verwacht dat de integrale kosten van de deur fors omlaag gaan ten opzichte van een traditionele roldeur. De ‘Gedempte hefbalk’ en ‘Betonnen glijdeur met rubberdoek’ bevinden zich nog in de conceptfase. Er zal dus nader onderzoek plaats moeten vinden. De eerste berekeningen laten zien dat de concepten haalbaar zijn. Wanneer de concepten toegepast kunnen worden zal dit een forse besparing opleveren in de integrale kosten.
Schip in sluis Heumen
Inhoud Inleiding
10
Gegevens
12
Aanvaring
17
Sluisdeur
26
Aanbevelingen
30
9
Inleiding Kader Op 19 oktober 1982 is de Zuid-Willemsvaart (hierna te noemen ZWV) door de Minister van Verkeer en Waterstaat aangewezen als hoofdvaarweg. Dit betekent dat gestreefd wordt naar het verbeteren van de ZWV tot vaarweg klasse IV. In juni 1993 is hiermee begonnen door Rijkswaterstaat met het presenteren van de startnotitie. Het doel is de regionale economie een impuls te geven door de bevaarbaarheid van het kanalenstelsel fors te verbeteren. Momenteel is de ZWV een klasse II-vaarweg, waarvan het tracé door de binnenstad van ’s-Hertogenbosch loopt. Het inpassen van een klasse IV-vaarweg in het bestaande tracé wordt onhaalbaar geacht vanwege praktische problemen. Daarom is gekozen voor een omleiding rond ‘s-Hertogenbosch. De omlegging heeft als voordeel dat de bereikbaarheid binnen de stad verbetert. Het omleggingsalternatief voor de ZWV is daarnaast ook nog eens het meest milieuvriendelijke alternatief. Met de aanleg van de omlegging zullen er twee nieuwe sluizen gebouwd moeten worden. Bij de afsplitsing van de bestaande ZWV zal ‘Sluis Berlicum’ gebouwd worden en bij de verbinding met de Maas ‘Sluis Empel’.
Tracé Zuid-willemsvaart
Tijdlijn ijdlijn ZuidZuid-Willemsvaart
10
Probleemstelling Sluis Empel maakt deel uit van een primaire waterkering en zal dus ook aan dezelfde eisen moeten voldoen. Wanneer de sluisdeuren zouden bezwijken, bijvoorbeeld bij een aanvaring, kan het water uit de Maas vrij het achterland instromen. De gevolgen zijn dan niet te overzien. Vanuit Rijkswaterstaat is de wens ontstaan de haalbaarheid van een aanvaarbeveiliging te onderzoeken. Bij Nederlandse en buitenlandse sluizen worden op dit moment nog weinig aanvaarbeveiligingen toegepast. Wanneer deze wel worden toegepast zijn dit vaste beveiligingen, dat wil zeggen dat ze op één maatgevende waterstand ontworpen zijn en dus niet geschikt zijn voor wisselende waterstanden. Aangezien de waterstand van de Maas constant verandert kunnen deze oplossingen niet worden toegepast bij sluis Empel. Bij sluis Empel is een dynamische beveiliging nodig die in hoogte verstelbaar is. Op dit moment zijn daar wel oplossingen voor, zoals het vangnet in Tiel, deze zijn echter erg duur. Sluisdeuren worden op dit moment vooral toegepast als puntdeuren of als roldeur. De deuren worden voornamelijk uitgevoerd in staal. Een groot nadeel van staal is het benodigde onderhoud. Het grootste deel van de deur en de bewegende delen bevindt zich onder water. Het conserveren van deze delen is erg duur. Het onderhoudsvrij maken van een deur en het onnodig maken van bewegende delen onder water verlaagt de integrale kosten aanzienlijk.
Opdracht Het doel van de afstudeeropdracht is het vinden van een optimaal concept voor de keer- en passeerfunctie van ‘Sluis Empel’. Centraal in dit project staan veiligheid en het verlagen van integrale kosten. Er zal gezocht worden naar een optimaal concept voor een dynamische aanvaarbeveiliging die toegepast kan worden bij ‘Sluis Empel’. Dit zal samengaan met de keuze voor een type sluisdeur en de materiaalkeuzes.
Wat zijn integrale kosten? Integrale kosten is het totaal van: - Ontwerpkosten - Bouwkosten - Onderhoudskosten; inspecties en reparaties - Bedrijfskosten; begeleiding van uitvoering en onderhoud - Economische en maatschappelijke kosten - Kringloopkosten en milieueffecten; hergebruik Uit de praktijk blijkt dat de kosten in de gebruiksfase minstens even hoog zijn als de stichtingskosten.
Werkwijze In de eerste periode van het project is een diepgaande literatuurstudie gedaan naar sluizen en in het bijzonder sluisdeuren en aanvaarbeveiligingen. Dit werd gedaan om een beeld te vormen van de bestaande oplossingen. Er is niet alleen gezocht naar oplossingen in Nederland, maar ook in andere landen met een soortgelijk vaarwegennet, zoals Frankrijk en Duitsland. Er werden ook oplossingen gevonden in landen als Canada en Panama. In aanvulling op de literatuurstudie zijn acht verschillende type sluizen bezocht in Nederland. Het verschil zat voornamelijk in de toegepaste sluisdeuren en aanvaarbeveiligingen. Het verslag van het sluizenbezoek is te vinden in de literatuurstudie. Tijdens het project zal gewerkt worden volgens de werkwijze van Systems Engineering. Systems Engineering is de nieuwe werkwijze van Rijkswaterstaat die gebruikt wordt om inzicht te verkrijgen in de gehele levenscyclus van een ontwerp. Onderbouwing van de keuze voor ‘Systems Engineering’ en een uitleg van deze werkwijze is te vinden in bijlage I: Systems Engineering
11
Gegevens De omgeving Sluis Empel wordt gebouwd waar de omlegging van de ZWV uitkomt in de Maas. De omlegging is 4700 meter lang en heeft een breedte van 46 meter. Om de omlegging mogelijk te maken zullen huizen en bedrijven moeten wijken. Het kanaal zal belangrijke verbindingen kruisen, zoals de A59 en de spoorlijn tussen ’s-Hertogenbosch en Nijmegen. Het tracé van het kanaal ligt langs Rosmalen en Empel en loopt grotendeels over landbouwgrond. Om het kanaal in te passen in de omgeving zullen er verschillende landschappelijke en ecologische maatregelen genomen worden. Door deze maatregelen wordt het landschap minimaal verstoord en zullen de omwonenden weinig last hebben van horizonvervuiling.
12
Scheepsklasse Zuid-Willemsvaart Op dit moment is de ZWV geschikt voor schepen tot klasse II. Dit houdt in dat de schepen niet langer mogen zijn dan 55 meter en niet breder dan 6,6 meter. Na de verbreding van de ZWV zal het kanaal bevaarbaar zijn voor schepen tot klasse IV. Dit betekent niet alleen dat het kanaal breder en dieper moet worden, maar ook dat de bestaande sluizen vervangen moeten worden. De schepen die de ZWV zullen gaan bevaren hebben een maximale diepgang van 3,5 meter en een lengte tot 105 meter. Schepen van dat formaat hebben een laadvermogen van 1500 ton en hebben geladen een gewicht van 3000 ton. Over het kanaal zullen meerdere bruggen komen. Bij de aanleg van de bruggen wordt rekening gehouden met de doorvaarthoogte van de schepen.
Afmetingen sluis Empel Om schepen van klasse IV te laten passeren heeft sluis Empel bepaalde afmetingen nodig. De sluiskolk zal minimaal 110 meter lang en 12,5 meter breed moeten zijn. Om te zorgen dat de schepen niet vastlopen aan de bodem moet de diepte in de sluiskolk, bij de laagste waterstand, minimaal 3,5 meter zijn. Dit zijn alleen nog maar de afmetingen van de kolk zelf. Aan de twee uiteinden van de kolk bevinden zich de sluishoofden met daarin de sluisdeuren. De ruimte die deze deuren innemen hangt af van het type deur. Zo neemt een roldeur vooral in de breedte veel ruimte in en een puntdeur in de lengte. Naast de sluisdeuren zijn er nog andere objecten, waarmee rekening gehouden moet worden in het ruimtebeslag, zoals een gemaal en eventueel een aanvaarbeveiliging,
Impressie klasse II-sluis
Impressie klasse IV-sluis
13
Waterstanden De waterstanden van het kanaalpand en de Maas zijn bepalend voor het ontwerp van sluis Empel in relatie tot de vaarwegdiepte en de kerende hoogte van de sluisdeuren. De waterstand in het kanaalpand tussen Berlicum en Empel zal op NAP+2,0m gehouden worden. De stand van de Maas varieert echter constant, afhankelijk van de afvoer. Bij Empel varieert de waterstand tussen NAP-0,5m en NAP+6,83m. Aangezien sluis Empel deel uit maakt van een primaire waterkering, zullen de sluisdeuren deze waterstanden moeten kunnen keren. Wanneer de waterstand van de Maas boven NAP+4,40m komt, zal het schutten van schepen stoppen. Deze waterstand komt ongeveer eenmaal in de tien jaar voor. Wanneer de waterstand onder de NAP-0,5m komt, zal het schutten van schepen ook stoppen. Dit in verband met het vastlopen op de sluisbodem die op NAP-4,0m ligt.
Landschappelijke en ecologische maatregelen Het tracé van de ZWV loopt door belangrijke ecologische gebieden zoals een groot leefgebied van dassen en ecologisch gebied De Koornwaard. Om dit te compenseren, en op sommige punten zelfs te verbeteren, worden er verschillende landschappelijke en ecologische maatregelen getroffen. Aan de oostzijde van het tracé wordt een natuurvriendelijke oever aangelegd. Hier wordt een nieuwe watergang aangelegd, de Rosmalense Aa. De Rosmalense Aa zal een belangrijke rol spelen als ecologische verbinding tussen de Maas en de Aa. Bij Berlicum komt een stuw om de waterstroom in de watergang te beheersen. Op dit moment ligt het profiel van deze oever nog niet vast. Aan de westzijde van het tracé komen er bomenrijen op de dijk en komt er beplanting rondom de sluizen. Door deze maatregelen zal het aanleggen van de omlegging geen groot nadeel vormen voor de flora en fauna rondom Empel en Rosmalen.
14
Leefgebied dassen langs het toekomstige tracé van de Zuid-Willemsvaart
Toekomstvisie Zuid-Willemsvaart De omlegging van de ZWV is een onderdeel van het verbeteren van de algehele bereikbaarheid van Zuidoost-Brabant over water. Het opwaarderen van het kanaal naar klasse IV moet zorgen voor een economische impuls en minder vervoer van goederen over de wegen. Voor er met het project begonnen werd is er een studie gedaan naar de haalbaarheid van verschillende varianten, de zogenaamde BERZOB-studie (Verkenning Bereikbaarheid van Zuidoost-Brabant over water, oktober 2005). Er is gekeken naar de ligging van bedrijventerreinen en bedrijven die gebruik maken van de ZWV om goederen te vervoeren. Na een diepgaand onderzoek is het te verwachten aantal schepen per jaar berekend. Wanneer de gehele ZWV wordt opgewaardeerd, worden er in 2025 bij sluis Empel en Berlicum 13.000 scheepspassages per jaar verwacht. Dit komt neer op +/- 40 schepen per dag. Dit zal naar verwachting nog verder oplopen. In de eerste jaren zal de sluis alleen overdag beschikbaar zijn. Wanneer het drukker wordt kan de sluis langer open blijven.
Vaarwegennet Zuidoost-Brabant
15
Dijkdoorbraak
Aanvaring Algemeen Bij het gebruik van een sluis bestaat er een kans dat een schip niet op tijd stopt en een sluisdeur aanvaart. Indien dit scenario zich afspeelt bij het invaren van de sluis, kan de ene sluisdeur worden doorbroken terwijl de andere sluisdeur nog openstaat. Het gevolg is een sluiskolk waar het water vrij doorheen kan stromen. Het is mogelijk om de aanvaarbelasting in het ontwerp van de sluisdeur mee te nemen. Het is moeilijk om de krachten die op de deur staan te bepalen en te zorgen dat de deur waterdicht blijft. Een betere oplossing zou een aanvaarbeveiliging zijn die de deur beschermt tegen een aanvaring. In het geval dat een schip niet op tijd stopt wordt de energie van de aanvaring vernietigd met als doel een aanvaring te voorkomen of in ieder geval de aanvaarenergie te verminderen.
Risico factoren aanvaring Er zijn verschillende factoren die het risico vormen voor een aanvaring. De afmetingen en snelheid van een schip bepalen bijvoorbeeld voor een groot deel de belastingen bij aanvaring. De risicofactoren zijn onder te verdelen in vijf categorieën. 1. 2.
3. 4. 5.
Schip Afmetingen, vaarsnelheid, massa en beladingsgraad, schroefvermogen en technische betrouwbaarheid van het schip. Menselijk handelen Onvoorzichtigheid, fout in besturing van het schip, beoordeling situatie, communicatie en foutieve sluisbediening. Geometrie sluis Geometrie ingang, lengte sluis, ruimte in dwarsprofiel, afwezigheid vangconstructie. Verkeersintensiteit Scheepsaanbod en schutcapaciteit. Externe omstandigheden Zicht, wind, stroming en golven.
17
Rampenscenario sluis Empel Het bezwijken van één van de sluisdeuren bij sluis Empel zal alleen grote schade veroorzaken buiten het kanaal wanneer de waterstand van de Maas hoger is dan de hoogte van de dijken langs het kanaal. Alleen dan zal het water over de dijken stromen en waterschade veroorzaken in het achterland. Om een beeld te vormen van deze schade is één scenario uitgewerkt waarbij de Maas een waterstand heeft van NAP+4,0m op het moment dat de sluisdeur bezwijkt. Deze waterstand is één meter hoger dan de dijken van het kanaal en komt eens in de vijf jaar voor. Het water zal eerst het kanaal in stromen totdat de waterstand in het kanaal NAP+3,0m heeft bereikt en daarna stroomt het water over de dijk het achterliggende land in.
Overstromingsbeeld rampenscenario
Wanneer de sluisdeur bezwijkt, is het waterstandsverschil tussen de Maas en de ZWV twee meter. Met bijna 500 kubieke meter per seconde zal het water door de sluis gaan stromen. Binnen tien minuten is de waterstand van de ZWV gestegen naar NAP+3,0m en stroomt ruim 400 kubieke meter water per seconde over de dijken. Het water zal vervolgens lager gelegen gebieden opzoeken. Op de linker pagina is te zien dat het overstromingsgebied is verdeeld in vijf gebieden. Gebied 1(rood) ligt het laagst en heeft een hoogte tot NAP+2,0m. Gebied 5(licht groen) ligt het hoogst en heeft een hoogte tot NAP+4,0m. Binnen 16 minuten zal gebied 1 onder water staan, na 5 uur zal het water al tot aan de gele lijn staan. Na 26 uur is het gehele gebied overstroomd en staat het water tot aan de NAP+4,0m lijn. Op de bovenstaande afbeelding is te zien dat Empel en Rosmalen dan volledig zijn overstroomd.
19
De vijf gebieden zullen alleen allemaal overstromen als de Maas een waterstand houdt van NAP+4,0m gedurende de overstroming. De waterstand van de Maas varieert echter constant en er is aangenomen dat gedurende de overstroming de Maas ongeveer een halve meter zakt. Dit betekend dat het water in dit scenario niet verder zal stijgen dan NAP+3,5m. Wanneer het water stopt met stromen zullen de gebieden 1 t/m 4 onder water staan. In gebied 4 staat het water maximaal een halve meter hoog en in gebied 1 maximaal twee meter hoog. Dit is slechts één van de scenario’s die voor kan komen. Het kan natuurlijk ook dat de sluisdeur bezwijkt bij een hogere waterstand of op het moment dat de Maas aan het stijgen is. In deze scenario’s zal het overstromingsgebied groter zijn.
Impressie waterdiepte van één meter
Schade bedrag na overstroming
20
€ 1.600 € 1.400 Schadebedrag (in miljoenen €)
Na de overstroming zullen er grote waterschades zijn aan huizen, wegen, bedrijven enzovoorts. Er wordt niet gesproken over slachtoffers, maar het zou goed kunnen dat er bij een dergelijke ramp mensen verdrinken. Het weergegeven schadebedrag vormt alleen een indicatie voor de materiële schade. De schade hangt af van de waterdiepte in het overstromingsgebied. De schade bij een waterdiepte van twee meter is groter dan bij een waterdiepte van een halve meter. De schade per object in gebied 1 zal daarom ook groter zijn dan in gebied 4. Bij het beschreven scenario, met een waterstand van NAP+4,0m, hoort een totaal schadebedrag van 620 miljoen euro. Wanneer de waterstand NAP+4,4m is, loopt dit op tot ruim 1,2 miljard euro.
€ 1.200 € 1.000 € 800 € 600 € 400 € 200 €0 2,8
3
3,2
3,4
3,6
3,8
4
4,2
4,4
Maaspeil bij bezwijken deur NAP+m
4,6
4,8
5
Risicobedrag Het is mogelijk om uit te rekenen wat de kans van voorkomen is van dit scenario waarbij het schadebedrag 620 miljoen euro is. De kans dat een schip de deur aanvaart en de deur -3 bezwijkt bij een waterstand van NAP+4,0m is theoretisch bepaald en is 1 * 10 per jaar. Dit betekent dat het scenario gemiddeld eens in de 1000 jaar kan voorkomen. Het risicobedrag wordt dan: 620.000.000 / 1000 = 620.000 €/jaar Deze kans is berekend met algemene getallen voor sluizen in Nederland. De praktijk leert echter dat er al sinds de Tweede Wereldoorlog geen ramp is gebeurd. Sinds de Tweede Wereldoorlog zijn er ongeveer 100.000.000 scheepspassages geweest bij Nederlandse sluizen waarbij geen rampen zijn voorgekomen. Dit komt niet overeen met de theorie. De praktijk wijst uit dat de kans een factor 100 lager kan liggen. Daarom wordt risicobedrag ook -5 berekend bij een kans van voorkomen van 1 * 10 per jaar. Voor het risicobedrag wordt dan een range aangenomen. De range wordt dan: 6.200 €/jaar - 620.000 €/jaar De uitwerking en onderbouwing van dit scenario zijn te vinden in bijlage V: Berekening schadebedrag
Risicobeperking Er is gezocht naar een beveiliging om een dergelijke ramp te voorkomen. Op dit moment zijn er al meerdere aanvaarbeveiligingen gebouwd. Dit zijn echter voornamelijk vaste beveiligingen. Een vaste beveiliging bevindt zich op dezelfde hoogte als het schip wanneer deze de sluis in komt varen. Wanneer de waterstand zakt en de sluisdeur open gaat, vaart het schip onder de beveiliging door. Bij sluis Empel is het niet mogelijk een dergelijke beveiliging toe te passen. De waterstand van de Maas varieert namelijk constant, waardoor schepen op verschillende hoogtes de sluis in kunnen varen. Hier is dus een aanvaarbeveiliging nodig die ook in hoogte kan variëren. Een zogenaamde dynamische aanvaarbeveiliging. Een dynamische aanvaarbeveiliging is te vinden in Tiel in de vorm van een vangnet. Deze oplossing is echter erg duur.
Vaste aanvaarbeveiligingen Vaste aanvaarbeveiligingen zijn er in verschillende vormen en maten. In Nederland zijn er meerdere toegepast. In Maasbracht is een beveiliging toegepast in de vorm van een gedempte balk. Hier ligt een stalen balk aan op twee hydraulische cilinders. Wanneer een schip tegen de balk vaart, wordt de energie opgenomen door de cilinders. Bij sluis Panheel wordt gebruik gemaakt van een aanvaarkabel. Een stalen kabel is over de sluiskolk gespannen en zit vast aan hydraulische cilinders. Bij een aanvaring wordt de energie via de kabel overgebracht op de cilinders.
Aanvaarbalk bij sluis Maasbracht
21
Variantenstudie Na de literatuurstudie zijn er drie variantenrondes gehouden. In de eerste variantenronde waren er nagenoeg geen eisen en werden alle opties nog open gehouden. Uit deze variantenronde kwamen negen varianten voor de sluisdeur en elf varianten voor een dynamische aanvaarbeveiliging. Deze varianten zijn onderzocht op o.a. kosten, levensduur, onderhoud en innovativiteit. Tijdens de variantenrondes werden er gaande weg meer eisen gesteld en werden de varianten uitgewerkt op steeds lagere abstractieniveaus. Aan het eind van elke variantenronde werd een afweging gemaakt en werd bepaald welke varianten door gingen naar de volgende ronde. Aan het einde van de rondes is er één variant gekozen voor het type aanvaarbeveiliging, sluisdeur en geleiding.
De ‘Gedempte hefbalk’ De keuze voor de aanvaarbeveiliging is een concept genaamd de ‘Gedempte hefbalk’. Een stalen balk hangt tussen twee heftorens in. De heftorens staan op de sluiswand. Wanneer een schip de sluis binnen komt varen, hangt de balk voor de deur en voorkomt zo een eventuele aanvaring met de sluisdeur. Wanneer de sluisdeur opent, wordt de balk tot zeven meter boven het water getakeld. Dit is de benodigde doorvaarthoogte voor een klasse IV schip. Als de balk wordt aangevaren, ligt het schip niet direct stil. Om de botskracht te verminderen, en daarmee de schade aan het schip, is een remweg ingebouwd. De balk wordt gedempt door glasvezel-polyester profielen. Bij een aanvaring worden de profielen kapot gedrukt tot schroot en absorberen zo de energie van de aanvaring. Om de haalbaarheid van dit concept aan te tonen zijn een aantal zaken onderzocht, namelijk; -
De benodigde afmetingen van de balk bij een maatgevende aanvaring De afmetingen van de glasvezel-polyester profielen in de vorm van energieabsorptie
De onderbouwing voor deze keuze en de afwegingen tussen verschillende varianten zijn te vinden in de bijlagen II, III en IV: Varianten: ronde 1 t/m 3
3D-impressie van de gedempte hefbalk hangend in de heftoren
Voor de balk zal geen standaard profiel gebruikt worden. Daar zijn de krachten te groot voor. Uit berekeningen blijkt dat de balk ongeveer 66 centimeter hoog en 115 centimeter breed zal worden. De balk krijgt een lengte van ongeveer 13,5 meter. De berekening van de balk is te vinden in bijlage VI: Berekening aanvaarbalk
22
Energieabsorptie De innovatie en het verlagen van integrale kosten is bereikt door een nieuwe vorm van energieabsorptie. Bij het absorberen van de aanvaarenergie wordt meestal gebruik gemaakt van hydraulische cilinders. De twee grote nadelen van hydraulische cilinders zijn de hoge aanschafprijs en het benodigde onderhoud. Het voordeel van hydraulische cilinders is dat ze na een aanvaring meteen weer gebruikt kunnen worden. Glasvezel-polyester profielen hebben geen onderhoud nodig, zijn goedkoop in aanschaf en zijn erg licht, maar na een aanvaring zijn ze stuk en moeten ze vervangen worden. Vervanging is echter mogelijk binnen de gestelde eis van drie uur. Aangezien er na een aanvaring een schaderapport opgemaakt moet worden, en de sluis dus gestremd is, kost het vervangen van de profielen geen extra tijd. De aanvaarbalk ligt in een kist voor een pakket van glasvezel-polyester profielen. Wanneer de balk aangevaren wordt ‘verschrotten’ deze profielen in de kist. Na de aanvaring kunnen de profielen vervangen worden en is de aanvaarbeveiliging weer te gebruiken. Het pakket is opgebouwd uit twee segmenten, in het eerste segment bevinden zich twee profielen en in het tweede segment bevinden zich acht profielen. Bij een aanvaring zal eerst het eerste segment kapot gedrukt worden. Als de aanvaringkracht groot genoeg is zal ook het tweede segment kapot gedrukt worden. Door deze opbouw in segmenten worden, bij kleine aanvaringen, alleen de eerste twee profielen kapot gedrukt en hoeven dus niet alle profielen vervangen te worden. Deze opbouw zorgt er tevens voor dat, bij kleine aanvaringen, de remkracht en de schade aan het schip relatief klein blijven. Dit vormt een scheepsvriendelijk concept. Berekeningen aan de glasvezel-polyester profielen zijn te vinden in bijlage VII: Energieabsorptie.
Het kapot drukken tot schroot van glasvezel-polyester profielen
De aanschafprijs van de glasvezel-polyester profielen is vele malen lager dan die van de hydraulische cilinders. De hydraulische cilinders hebben onderhoud nodig en moeten na een levensduur van 50 jaar volledig vervangen worden. Hier staat tegenover dat de glasvezelpolyester profielen na een aanvaring vervangen moeten worden. Uit berekeningen blijkt dat het voordeliger is om glasvezel-polyester profielen toe te passen. Door glasvezel-polyester profielen toe te passen kan er bij sluis Empel per aanvaarbeveiliging ongeveer € 136.000,bespaard worden over de gehele levensduur. Aangezien er twee beveiligingen komen, één aan de maaszijde en één aan de kanaalzijde, is dit een totale besparing van € 272.000,-. Naar het gebruik van glasvezel-polyester profielen als energieabsorptie is veel onderzoek gedaan in de auto-industrie, maar in andere omstandigheden. Daarom zijn nog aanvullende praktijktesten nodig.
3D-impressie: kist met energieabsorptiepakket
23
Conclusie De grote voordelen van de gedempte hefbalk zijn: - Geen bewegende delen onder water; - Geen onderhoud nodig hydraulische cilinders; - Besparing door toepassen van glasvezel-polyester profielen. De integrale kosten van een complete aanvaarbeveiliging worden over de gehele levensduur geraamd op € 246.000,-. Aangezien er twee beveiligingen komen zullen de kosten ongeveer € 492.000,- zijn. Met een levensduur van 100 jaar komen de kosten op € 4.920,- per jaar. Deze investering ligt vele malen lager dan het risicobedrag en is daarom verantwoord.
Een uitwerking van de aanvaarconstructie, inclusief tekeningen, en een onderbouwing van de kosten zijn te vinden in bijlage VIII: Tekeningen en kosten aanvaarbeveiliging
Morele kwestie Naast de financiële kwestie speelt ook de morele vraag: ‘Wil de opdrachtgever dit risico lopen?’ Bij een ramp van deze orde staan mensenlevens op het spel. Ook al is het water niet diep genoeg om in te verdrinken, de stroomsnelheden en meedrijvend vuil kunnen vele slachtoffers eisen. Het vertrouwen in Rijkswaterstaat als beheerder van het waternet zal ernstig verminderen. De slachtoffers en imagoschade kunnen zwaarder wegen dan de materiele schade. De opdrachtgever / het ministerie van V&W zal zich af moeten vragen of hij dit risico wil lopen en mee moeten nemen in zijn afweging al dan niet te investeren in een aanvaarbeveiliging.
24
Balgstuw Ramspol
Sluisdeur Doel Voor de sluisdeur is gekozen voor een roldeur. Dit type deur heeft veel bewegende delen onder water en heeft in het algemeen veel onderhoud nodig. Het doel is het minimaliseren van de kosten. Dit kan bereikt worden door het reduceren van het onderhoud en de bewegende delen onder water. Bij dit type sluisdeur is hier nog veel op te winnen. Traditionele roldeuren zijn gemaakt van een stalen vakwerk. Een groot deel van de stalen deur staat constant of wisselend onder water. De deur zal geconserveerd moeten worden, anders gaat deze roesten. Conserveren wordt voornamelijk gedaan door het aanbrengen van een verflaag. Deze verflaag moet elke vijftien jaar opnieuw aangebracht worden. Bij het opnieuw aanbrengen van deze laag moet de sluisdeur droog staan en is de sluis gestremd. De verflaag maakt de stalen deur erg duur in het onderhoud. Een sluisdeur, uitgevoerd als roldeur, staat in de meeste gevallen op rolwagens. Deze rolwagens zijn gemaakt van staal en hebben veel bewegende delen, waaronder de wielen. De samenwerking van corrosie en hoge belastingen zorgt ervoor dat de rolwagens erg onderhoudsgevoelig zijn. De rolwagens zijn ook in aanschaf erg duur.
Aanzicht vakwerk van een stalen roldeur
Het doel is het vinden van een alternatief voor een stalen deur met een minder onderhoudsgevoelige geleiding. De eis aan het alternatief is dat de integrale kosten omlaag gaan.
26
De betonnen glijdeur met rubberdoek Als vervanger voor staal is gekozen voor hoge sterkte beton. Beton lijkt op het eerste gezicht niet ideaal om een sluisdeur mee te bouwen. Hoge sterkte beton is echter, zoals de naam al doet vermoeden, erg sterk en constructies kunnen hierdoor slank en licht worden uitgevoerd. Wanneer de deur helemaal in beton uitgevoerd zou worden, wordt deze toch erg zwaar vergeleken met een stalen deur. Zoekend naar een oplossing werd het antwoord gevonden in balgstuw Ramspol. Dit is een waterkering die gebruik maakt van een rubberdoek. Het concept dat is uitgewerkt is een lijst van hoge sterkte beton met daarin een rubberdoek. Het rubberdoek zal de krachten overbrengen naar de lijst van beton. Onderin de deur komen schuimkisten. Deze kisten zijn lichter dan water, waardoor de deur opdrijvend vermogen krijgt en de krachten op de geleiding minder groot wordt.
3D-impressie van de betonnen glijdeur met rubberdoek
Glijgeleiding Het reduceren van bewegende delen onder water kan bereikt worden door het toepassen van glijgeleiding. Bij glijgeleiding staat de deur met blokken van RVS op een ‘glijbaan’ van kunststof. De wrijving tussen deze twee materialen is relatief klein waardoor de deur over deze geleiding kan glijden. De belasting op de geleiding moet zoveel mogelijk beperkt worden, omdat de wrijvingskracht, en daarmee de benodigde kracht om de deur te bewegen oploopt met een toenemende last op de geleiding. Onder de deur zullen twee platen RVS komen met een breedte van een halve meter en een lengte van 13,5 meter. De levensduur van het RVS is 50 jaar. De glijbaan van kunststof wordt ontworpen op een levensduur van 100 jaar.
Glijgeleiding
27
Hoge sterkte beton Om het onderhoud aan de deur te reduceren wordt de deur gemaakt van hoge sterkte beton. Hoge sterkte beton is vele malen sterker dan normaal beton. Hierdoor kunnen constructies slanker uitgevoerd worden dan vroeger. Hoge sterkte beton is vrijwel onderhoudsvrij voor een periode van 100 jaar. Aangezien de sluisdeur voor een periode van 100 jaar ontworpen wordt, hoeft er tijdens de levensduur nagenoeg geen onderhoud gepleegd te worden aan het frame en de lijst. Uit berekeningen bleek dat de deur niet volledig uitgevoerd kan worden in hoge sterkte beton. De deur wordt dan te zwaar, waardoor het toepassen van glijgeleiding niet mogelijk is. Om het gewicht van de deur te reduceren wordt de bovenste helft van de deur gemaakt van een betonnen lijst waar een rubberdoek in hangt. Onder de waterlijn van de laagste waterstand worden schuimkisten in de deur geplaatst. Hierdoor krijgt de deur opdrijvend vermogen. De deur moet wel op de bodem blijven. Er mogen dus niet zoveel schuimkisten in de deur worden geplaatst dat de deur gaat drijven bij de hoogste waterstand. Om genoeg schuimkisten in de deur te kunnen plaatsen moet de deur ongeveer drie meter dik worden. Uitwerking van de betonberekening is te vinden in bijlage XI: Berekening betonlijst
Rubberdoek Het rubberdoek heeft zich bewezen in meerdere balgstuwen rondom de wereld. Het rubberdoek zal versterkt worden met nylon. Het doek krijgt een afmeting van 12,5 bij 5,8 meter en heeft een dikte van ongeveer 16 millimeter. Met klemmen zit het doek vast aan de betonnen lijst. Wanneer er waterdruk op het doek komt te staan, komt het doek onder spanning te staan en de krachten brengt het doek over op de betonnen lijst. De lijst brengt de kracht vervolgens over op de sluiswand. Het rubberdoek heeft een levensduur van minimaal 25 jaar.
Uitwerking van het rubberdoek is te vinden in bijlage X: Berekening rubberdoek
28
Ramspol Ramspol is de grootste balgstuw van de wereld en ligt tussen het Ketelmeer en het Zwarte Water. De balgstuw is aangelegd om de bewoners langs het zwarte Water te beschermen tegen het opstuwende water in het Ketelmeer. Een balgstuw is een rubberdoek bevestigd aan constructies op de bodem en de oevers. Wanneer de stuw nodig is, pompt men de balg vol met lucht en water, waardoor de balg omhoog komt. Wanneer de dreiging weg is, wordt het water en/of lucht weer uit de balg gepompt en ligt het doek in een betonnen bak op de bodem.
Conclusie De grote voordelen van de betonnen sluisdeur met rubberdoek en glijgeleiding zijn: - Geen bewegende delen onder water; - Geen onderhoud aan onderstel en lijst; - Gewichtsreductie door toepassen HSB en het rubberdoek; - Geen onderhoud aan rubberdoek, alleen vervanging nodig na 25 jaar; - Relatief goedkope materialen. De betonnen glijdeur met rubberdoek bevindt zich nog in de conceptfase er zal dus nader onderzoek plaats moeten vinden. De eerste berekeningen laten zien dat het concept haalbaar is. Wanneer het concept toegepast kan worden zal dit een forse besparing opleveren in de integrale kosten. Vooral de kosten voor onderhoud worden vele malen lager in vergelijking met stalen sluisdeuren. In de aanschaf wordt ook een besparing verwacht vanwege de relatief goedkope materialen. De maatschappelijke kosten worden lager, omdat de sluis minder vaak gestremd hoeft te worden voor onderhoud. Tot slot neemt ook de milieubelasting af door de afwezigheid van verflagen op de deur.
3D-impressie ‘Gedempte hefbalk’ en betonnen glijdeur met rubberdoek
29
Aanbevelingen Aanbevelingen Uit de berekeningen in de bijbehorende bijlagen volgt dat zowel het concept ‘Gedempte hefbalk’ als het concept ‘Betonnen glijdeur met rubberdoek’ haalbaar zijn. In beide concepten is er ruimte voor optimalisatie. Voor de optimalisatie van de concepten worden de volgende aanbevelingen gedaan. De aanbevelingen zijn uitgebreider beschreven in de bijbehorende bijlagen. Energieabsorptie Met praktijkproeven dient aangetoond te worden dat schaalvergroting van reeds uitgevoerde proeven kan plaatsvinden. Er kan worden gezocht naar een optimum in materiaalkeuze, profielmaat en opbouw van het systeem, zodat een betere verhouding wordt gevonden tussen specifieke energieabsorptie, restmateriaal en de prijs voor de toepassing. Om het knikken van de profielen te voorkomen zal de geleiding in de kist uitgewerkt moeten worden. Hierbij moet aandacht besteedt worden aan de tussen- en eindplaten, een triggermechanisme en een scharnierende overbrenging tussen het systeem en de aanvaarbalk. Sluisdeur De aandrijfkracht van de deur kan gereduceerd worden door optimalisatie van de indeling van de deur. De ruimte in de sluisdeur onder de laagste waterstand wordt gevuld met schuimkisten voor opdrijvend vermogen. Voor het aantonen van de haalbaarheid is de hoeveelheid luchtkisten hoog aangehouden. Door optimalisatie kan het gewicht van de deur boven de laagste waterstand gereduceerd worden en ontstaat er een nog lichtere constructie. De opbouw van het doek is in de berekeningen niet meegenomen. Er kan gezocht worden naar een optimale opbouw van het rubberdoek om de juiste krachtsverdeling te verkrijgen. Voor het nivelleren zijn standaard maten gebruikt met betrekking tot de schuiven. Er is onderzoek nodig om na te gaan of deze afmetingen een gewenste vultijd van de kolk mogelijk maken.
30
Watermensen Watermensen Onze ogen konden kijken Sinds het licht ons land bescheen Maar na het breken van de dijken Ging men denken naar ik meen Zolang golven overheersen Wars van droogte en van tij Zo kan ik niet overleven In gewone zekerheid Laat het water mij maar dreigen dreigen Laat het me grijpen naar de keel Alleen voor ons wij watermensen Wordt het water nooit te veel En als 't water ons zal krijgen Heeft 't lang genoeg geduurd Dan worden wij, die watermensen Naar een hoger plan gestuurd Tussen de zilvergrijze aderen Leef ik in mijn waterland Ik kan strijden, ik kan varen En zet de zeeën naar mijn hand Onbedwingbaar is de woede En het vloeibare geweld Je zal vechten, je zal bloeden Watermens, mijn held
‘Watermensen’, 3J’s’
