1
thema
Het sluitstuk van de Zuid-Willemsvaart: Sluis Empel
Sluis met enkele draaideuren 20
De omlegging van de Zuid-Willemsvaart bevat twee
Deze sluis wordt namelijk per sluishoofd voorzien van
nieuwe sluiscomplexen: Hintham en Empel. Van deze
een enkele draaideur en vormt het sluitstuk van het
twee sluizen is Sluis Empel het meest aansprekend.
nieuwe kanaal, de aansluiting op de Maas.
6 2 013
Sluis met enkele draaideuren
ir. Ramon de Groot, ir. Rogier Schippers Volker InfraDesign bv, WillemsUnie v.o.f.
1 Luchtfoto sluiscomplex Empel, 9 juli 2013 2 Impressie sluiscomplex Empel 3 Bovenaanzicht van de twee sluisdeurconcepten
Maas
aanvaarbeveiliging
spui/gemaal voorziening
sluiskolk
sluishoofd
brug Empelse dijk kanaal 2
Sluis Empel is op het moment van schrijven van dit artikel in uitvoering en zal geschikt worden voor het schutten van CEMT klasse-IV-schepen. De sluis heeft een effectieve kolkafmeting van 115,5 × 12,6 × 3,5 m. De kolk wordt aan beide zijden afgesloten met een sluishoofd, voorzien van een enkele draaideur. Deze deuren zijn 13 × 14 m2 groot, hebben een gewicht van circa 100 ton en zijn daarmee de grootste enkele draaideuren van Nederland. Ter bescherming van de deuren tegen een schip dat doorschiet, worden in de kolk twee aanvaarbeveiligingen geplaatst. Naast de sluis bevat het complex een spui-/gemaalvoorziening om het overtollig water van het kanaal op de Maas te lozen. Ook is er een hooggelegen brug die de verkeersverbinding over de Empelsedijk hersteld (fig. 2). De sluisdeuren scheiden het kanaal van de Maas. Het kanaalpeil wordt beheerst op NAP +2,0 m, terwijl de waterstand op de Maas kan variëren tussen NAP -0,9 m en NAP +7,8 m. Dit betekent dat Sluis Empel ‘dubbelkerend’ is, het water in de Maas kan hoger of lager zijn dan in het kanaal. De sluis moet dus vanaf twee richtingen water kunnen keren. Wanneer het water op de Maas lager staat dan het kanaalpeil, moeten
21 m
Ontwerp & werkvoorbereiding De discipline Werkvoorbereiding is zeer nauw betrokken bij het ontwikkelen van het Voorlopig Ontwerp (VO) en het Definitief Ontwerp (DO). In het VO zijn in samenwerking met Werkvoorbereiding de verschillende ontwerpafwegingen gemaakt. Daarnaast zijn in het DO door de disciplines Geotechniek en Werkvoorbereiding de werkzaamheden in en rondom de bouwputten en de sluiskolk afgestemd. De fasering is namelijk niet alleen van invloed op het ontwerp, maar ook op een voorspoedige uitvoering. De Werkvoorbereiding heeft de fasering aan het eind van het DO vastgelegd in een Plan van Aanpak. De resultaten van deze samenwerking zijn terug te zien bij de bouw: de complexe fasering wordt voortvarend uitgevoerd en de nauwe toleranties worden probleemloos gerealiseerd.
Onderdeel primaire waterkering In het Tracébesluit is vastgelegd dat het sluiscomplex moet zijn voorzien van een dubbele onafhankelijke waterkering tegen hoog water op de Maas. Deze dubbele kering
21 m
12,6 m
12,6 m sluis met enkele draaideur
sluis met dubbele puntdeuren
Sluis met enkele draaideuren
schepen van het kanaal naar beneden worden geschut (ca. 345 dagen per jaar). Als het water in het kanaal hoger staat dan de Maas, moeten deze schepen van het kanaal omhoog worden geschut (ca. 15 dagen per jaar). Hierbij is de eis gesteld dat de totale schuttijd, inclusief het openen en sluiten van de deuren en het nivelleren van het waterpeil, nooit meer dan 10 minuten in beslag mag nemen. Er wordt alleen geschut bij waterstanden op de Maas tussen NAP -0,5 m en NAP +4,4 m.
6 2 013
3
21
thema
4 Bovenaanzicht Sluiscomplex waarin de eerste en tweede primaire waterkering zijn aangegeven 5 Bovenaanzicht sluishoofd, met in te storten voorzieningen tekening: 4 en 6: Jansen Venneboer
6 Sluishoofd met aan te storten aanslag en halsbeugel, 18 juli 2013
Enkele draaideuren De keuze voor enkele draaideuren is een direct gevolg van de eis dat Sluis Empel ‘dubbelkerend’ moet zijn. Per sluishoofd is dan slechts één deur met grendel nodig. De WillemsUnie heeft het concept van enkele draaideuren in de tenderfase bedacht als alternatief voor het toepassen van een dubbele set puntdeuren per sluishoofd (fig. 3). Het contract bood de mogelijkheid de uiteindelijke beslissing over de aanbesteding heen te tillen (methode inschrijven met onzekerheden). Hierdoor is de beslissing om daadwerkelijk enkele draaideuren te gebruiken, in samenwerking met Rijkswaterstaat en het Waterschap Aa en Maas, genomen in de VO-fase. Het toepassen van enkele draaideuren is een goedkoper alternatief dan de dubbele set puntdeuren, zonder dat er wordt getornd aan de betrouwbaarheid, beschikbaarheid en veiligheid van de sluis. De twee grootste voordelen van enkele draaideuren zijn, dat er inclusief reservedeuren slechts drie grote in plaats van tien kleine deuren nodig zijn en dat de bouwkuip en het betonwerk van de sluishoofden kleiner kan zijn (12,6 m in plaats van 21 m). Dit formaat enkele draaideur bevindt zicht wel op de grens van wat zowel logistiek als technisch mogelijk is.
1e primaire kering 2e primaire kering
4
beschermt onder andere ’s-Hertogenbosch en Rosmalen tegen overstromingen (fig. 4). De eerste primaire waterkering bestaat uit nieuwe dijklichamen, lokaal voorzien van damwandplanken, die de bestaande Empelsedijk verbinden met het noordelijk sluishoofd. Indien de noordelijke deur faalt ten tijde van hoogwater op de Maas, treedt de tweede primaire waterkering in werking. Deze tweede primaire waterkering wordt gevormd door binnendijks gelegen dijklichamen en het zuidelijke sluishoofd. Bescherming tegen overstroming van het sluiscomplex is van groot belang in zowel de gebruiksfase als de realisatiefase. Daarom zijn het ontwerp en de bouwfasering opgesteld in nauw overleg met Waterschap Aa en Maas. Met behulp van een risicodossier zijn diverse faalmechanismen per fase uitvoerig onderzocht en zijn maatregelen getroffen om de risico’s op verantwoorde wijze te beheersen.
De draaias van beide enkele draaideuren ligt aan de oostzijde (fig. 5). Op dit punt wordt de deur aan de onderkant vastgehouden door de taats en aan de bovenzijde door de halsbeugel. Als de deur dicht is, rust hij tegen de aanslag (foto 6). Dit is een stalen profiel dat zowel in de drempel als in de wanden is aange-
6
5
halsbeugel oost wand
west wand
halsbeugel
verticale aanslag
horizontale aanslag (drempel)
grendel
taats cilinder
22
6 2 013
Sluis met enkele draaideuren
7 3D-weergave enkele draaideur 8 Doorsnede van het sluishoofd bij de deurnis 9 Bovenaanzicht wrijving noordelijk sluishoofd met de grond
belast. Hierdoor komt het sluishoofd als het ware op poten te staan, waardoor er geen wrijving kan ontstaan aan de onderzijde. Bovendien kunnen de palen geen horizontale belasting opnemen. Gevolg is dat alleen belasting kan worden opgenomen in het verticale vlak tussen het sluishoofd en de grond. Om deze reden is de vloer van het sluishoofd met deuvels verbonden aan de definitieve damwanden (fig. 8). De damwanden worden op deze manier gemobiliseerd om de schuifkracht op de grond af te dragen. De bouwkuipwanden worden namelijk niet getrokken, maar in de definitieve constructie opgenomen.
aangrijpingspunt cilinder
halspen
In het sluishoofd van 12,6 m lang kan niet genoeg wrijving worden ontwikkeld om weerstand te bieden aan een hoog Maaspeil. Om toch voldoende wrijving te creëren, is ook in de kolk een owb-vloer aangebracht. Deze vloer is 1,2 m dik en bevindt zich onder de naastgelegen eerste 25 m van de kolk. Hierop kan het sluishoofd de overgebleven kracht afdragen. Deze owb-vloer draagt vervolgens zijn kracht af op de kolkwanden, zodat er voldoende wrijving ontstaat en het hori-
rinketschuiven
taatskom
14 850
2200
damwand
damwand
deuvels
deuvels
12 780
bracht. Door middel van een rubber op de deur wordt de waterdichtheid gegarandeerd. Aan de westzijde van het sluishoofd zorgt de grendel ervoor dat de deur dicht blijft, ook als het water in het kanaal hoger is dan het Maaspeil (negatief keren). De deur wordt open en dicht bewogen door middel van de cilinder die zich ook aan de oostzijde bevindt. Omdat de deur alleen open kan als het waterniveau aan beide kanten gelijk is, bevat de deur rinketschuiven (fig. 7). Door deze te openen, nivelleert het waterniveau in de kolk.
3400
2100 2000
7
onderwaterbeton
constructievloer GEWI 8
Sluishoofden De sluisdeuren dragen de waterdruk af naar de sluishoofden. Een van de belangrijkste onderdelen bij het ontwerp van een sluishoofd is het borgen van het horizontale evenwicht. Wanneer het maximale Maaspeil optreedt, moet het sluishoofd een druk van meer dan 16 MN kunnen weerstaan. Hiervoor wordt gebruikgemaakt van de wrijving tussen de grond en het sluishoofd. Aan de onderzijde van het sluishoofd kan geen wrijving worden ontleend, omdat de onderwaterbetonvloer (owb-vloer) van de bouwkuip op Gewi-palen (verticale trekelementen) is gefundeerd. In de bouwfase nemen deze ankerpalen trek op om de owb-vloer beneden te houden, maar tijdens de gebruiksfase van de sluis worden de Gewi-palen op druk
Sluis met enkele draaideuren
wrijving langs het sluishoofd
steenbestorting kolk ingegoten met colloïdaal beton
sluishoofd OWB in de kolk
wrijving lans de kolkwand
6 2 013
9
23
thema
10 Aanvaarbeveiliging Sluis Empel
tekening: tekening Janssen Venneboer
11 Doorsnede van de kolkwand
Aanvaarbeveiligingen
1300
deuvels damwand
6900
Het sluishoofd is een zeer robuuste betonnen constructie. De vloer is 2 m dik en de wanden zijn tussen de 2,2 en 4,2 m dik (fig. 8). Hierdoor ontstaat een zeer stijve U-bak. Er treedt een vervorming op, loodrecht op de sluisas, van maximaal +/- 20 mm in de gebruiksfase. Deze vervormingen ontstaan als gevolg van wisselende waterstanden en bovenbelasting. Tijdens de bouw vervormen beide wanden theoretisch nog 30 mm, bovenop de vervorming in de gebruiksfase. Daarnaast moet rekening worden gehouden met de bouwtoleranties van het beton (+/- 20 mm). De optelling van de vervormingen en de toleranties is te groot om de ‘In Te Storten Onderdelen’ (ITSO’s) voor de deur te plaatsen. Om de deur goed af te kunnen stellen, moeten deze namelijk met een tolerantie van +/- 2 mm worden ingestort. Om die reden worden de ITSO’s voor de sluisdeur als taats en aanslagen (foto 6), gespaard en pas aan het einde van de bouw ingestort. De halsbeugel wordt in de laatste stort (bovenste 3 m van de wand) meegenomen. Vervolgens worden de taats en de aanslag uitgelijnd op de ingemeten positie van de halsbeugel.
waaraan zich een staalkabel bevindt (fig. 10). De slagboom valt met een hamerkop in een stalen sponning, zodat de staalkabel vastzit. Een remcilinder zorgt ervoor dat een gelijkmatige spanning op de kabel staat als de slagboom naar beneden is. Op het moment dat de deur in het noordelijke sluishoofd opengaat, komt de slagboom van de zuidelijke aanvaarbeveiliging naar beneden en vice versa. Als een schip zou doorschieten, wordt de slagboom kapot gevaren en remt de staalkabel het
750
zontale evenwicht is gewaarborgd (fig. 9). Ten behoeve van het horizontale evenwicht van het zuidelijke sluishoofd is ook in de zuidelijke voorhaven een owb-vloer gestort.
betonschil
anker
Zoals eerder vermeld, worden in de sluiskolk twee aanvaarbeveiligingen geplaatst (fig. 2). Deze aanvaarbeveiliging moet ervoor zorgen, dat de deur niet kan worden aangevaren door een schip die doorschiet in de kolk. De aanvaarbeveiliging treedt in werking als het waterniveau van de Maas zich boven NAP +2,75 m bevindt. Op dat moment kan het water bij een kapotte deur over de kanaaldijken stromen. De aanvaarbeveiliging wordt uitgevoerd als een slagboom
500 11
oostzijde
slagboom
hamerstuk
remcilinder
westzijde
kolk
10
24
6 2 013
Sluis met enkele draaideuren
12 Uitvoering kolkwanden, 28 juni 2013
12
en trosbelastingen. Deze belastingen worden in het model over een wandhoogte van 2 m gespreid. De interactie met de grond en de schroefgroutankers is met veren gemodelleerd.
schip binnen 5,5 m af. Hierbij kan maximaal een energie van 2000 kNm worden opgenomen.
Kolk Efficiëntie
De kolkbodem bestaat voor het grootste deel uit een steenbestorting met open colloïdaal beton. De wanden bestaan uit een combinatie van staal (damwand) en (deels) gewapend beton (fig. 7). De stabiliteit wordt verzekerd met schroefgroutankers. De damwand is aan de binnenzijde voorzien van een 6,9 m hoge betonschil van 500 mm dik en deze reikt tot een 0,5 m onder de laagste waterstand in de kolk (fig. 11 en foto 12). Zowel de verticale als horizontale doorsnede van de samengestelde constructie is gemodelleerd. In de verticale doorsneden zijn externe en grondbelastingen in rekening gebracht met behulp van D-Sheet Piling (geotechnisch verenmodel). Op basis van de momenten en dwarskrachten die uit dit model volgen, zijn de verticale wapening en de schuifspanning tussen de damwand en de betonschil bepaald. Om deze schuifspanning op te nemen, worden deuvels op de damwand geschoten. Het moment en dus ook de schuifspanning zijn beide het grootst rondom het anker. Dit is meegenomen in de deuvelconfiguratie (fig. 11).
Bij het aanbrengen van de ruim 240 m kolkwand is efficiëntie van groot belang. Daarom is in het ontwerp al rekening gehouden met een aantal uitvoeringsaspecten: – Bij de plaatsingstolerantie van de damwand (+/- 90 mm) is met een betonschildikte van 410 mm gerekend, in plaats van met de theoretische dikte van 500 mm. – De haalkommen zijn in het beton verankerd en niet direct bevestigd aan de damwand. Hierdoor kunnen ze direct op de kist worden aangebracht en in één keer voor het achternet worden geplaatst. Dit leidt ook nog eens tot een mooie strakke uitstraling aan de voorkant van de betonschil (foto 12). – In de fasering is meegenomen dat de kolk tot een 0,5 m onder de onderkant van de betonschil wordt uitgegraven. Hierdoor kan tijdens de bouw van de betonschil vanaf het zand worden gewerkt. Nadat de wanden klaar zijn, wordt de sluis pas tot op de uiteindelijke diepte ontgraven. – Het beton in de kassen van de damwand is, op de kassen bij voegen na (om de circa 15 m), niet gewapend.
In de horizontale doorsnede is het beton gemodelleerd in een 1D-staafwerkmodel. Op deze doorsnede werken scheepsstoot-
Dit alles leidt tot een soepele uitvoering, vrijwel zonder afwijkingen. ☒
Sluis met enkele draaideuren
6 2 013
25
