Prediction Formulae for Processes on and in Porous Bonded Revetments - An Experimental and Numerical Study -

Foyer, Gisa

Klimaveränderungen innerhalb des letzten Jahrhunderts führten und führen zu einem steigenden Meeresspiegel. Dies hat direkte Konsequenzen für Küstenschutzbauwerke weltweit und auch in Deutschland. Anpassungen der bestehenden Deichbauwerke an die neuen Bedingungen sind daher unumgänglich, aber die meisten Verfahren führen zu zusätzlichen Problemen. Die zwei Standardverfahren und ihre Nachteile sind: (i) Aufbringen eines dichten Deckwerks zur äußeren Stärkung des Deiches führt zur großflächigen Versiegelung der Oberfläche und (ii) Erhöhung des Deiches geht einher mit einem großen Platzbedarf und einem dementsprechend großen Eingriff in die Umwelt. Ein alternatives Verfahren zum Schutz von Ufereinfassungen und Deichen gegen Seegang ist die Verwendung von porösen, gebundenen Deckwerken. Diese Konstruktion vereint die Vorteile der geschlossenen Deckwerke (gute Stabilität) mit denen der geschütteten Deckwerke (hohe Durchlässigkeit und Dissipation der Energie). Außerdem ermöglicht die hohe Porosität eine zügige Wiederansiedlung der marinen Flora und Fauna. Ungeachtet dieser Vorteile sind die Prozesse in der Interaktion zwischen Seegang, durchlässigen Deckwerken und ihrer Gründung bisher kaum erforscht, was eine Anwendung dieser neuartigen Deckwerke erschwert. Die vorliegende Dissertationsschrift soll daher einen genaueren Einblick in die Prozesse dieser Interaktion geben. Zur Identifikation aller involvierten Prozesse und etwaiger Wissenslücken in der Forschung wurde zunächst eine systematische Literaturanalyse durchgeführt. Weiterhin wurden im Vorfeld gewonnene, experimentelle Daten aus dem großen Wellenkanal (GWK) in Hannover aus großmaßstäblichen Versuchen detailliert untersucht, um Prozesse eingehend zu beschreiben und so die zusätzlichen numerischen Simulationen zu planen. Diese numerischen Simulationen mit dem CFD-Modell COBRAS-UC (VARANS – Volume averaged Reynolds averaged Navier-Stokes) dienten zur Erweiterung der Versuchsbedingungen aus den GWKVersuchen, um weitere Deckwerksneigungen und Wellenbedingungen abzudecken. Basierend auf der erweiterten Datenbasis konnten Berechnungsformeln für die einzelnen hydrodynamischen Prozesse entwickelt werden. Bei den Untersuchungen konnten mehrere allgemeine und spezifische Besonderheiten der porösen, gebundenen Deckwerke auf die Prozesse festgestellt werden. Zunächst ist die Bedeutung des Brandungsstaus in früheren Untersuchungen häufig unterschätzt worden. Dieser Parameter ist meist nur für Strände und Bauwerke mit sehr flachen Neigungen untersucht worden, aber auch für die eher steilen Deckwerke, die hier untersucht worden sind, ist ein immenser Einfluss, insbesondere auf den Wellenauflauf und -ablauf, nachgewiesen worden. Weiterhin konnte der Einfluss des Deckwerks und seiner Schichtdicke auf die Wellenreflexion und den Wellenauflauf und –ablauf sowie die zugehörigen Geschwindigkeiten beschrieben werden. Der Einfluss des Brandungsstaus ist auch im Sandfundament nachweisbar, wobei insbesondere die Lage des maximalen internen Brandungsstaus in der Nähe des Deckwerkes auffällig war.

Climate changes within the last century caused and are still causing rising sea water levels. This has imminent consequences for the coastal protection systems worldwide and also in Germany. Adaptations of the dike structures to the new situation are needed, but the standard methods often entail environmental problems. The two mostly used methods and their drawbacks are: (i) closed revetments to enforce the dike structure which leads to sealing of the soil and (ii) heightening of dikes which has a high space requirement and, therefore, a high impact on the environment. An improved approach for the protection of embankments and dikes against sea waves is the use of porous and bonded revetments. This type of structure combines the advantages of bonded revetments (high stability) and of rubble layers (high permeability). Especially the high porosity allows for a quick resettlement of marine flora and fauna. Despite their relevance, highly porous revetments are poorly understood in terms of the processes associated with the interaction of waves, structure and foundation, thus hindering a wider application of this type of structure. The present thesis should, therefore, give a more detailed overview of the effects of a porous, bonded revetment on said processes. A systematic analysis of the literature was performed to identify all processes involved in the interaction as well as possible knowledge gaps in former research studies. Furthermore, the data from large-scale tests which were performed prior to the dissertation in the Large Wave Flume (GWK) in Hannover were analysed further to describe the processes precisely and to carefully plan the additional numerical simulations. The numerical simulations with the CFDmodel COBRAS-UC (VARANS – Volume averaged Reynolds averaged Navier-Stokes) were used to extend the range of the tested conditions of the GWK-tests including different slope steepnesses and wave conditions. Based on the extended data set, prediction formulae for the hydrodynamic processes were developed. The analyses showed several general and specific findings for the porous, bonded revetments. First of all, the importance of the wave set-up on the structure is often underestimated. This parameter is mostly considered for beaches and structures with flatter slopes. But for steeper structures like the porous bonded revetment considered in this study, a distinct effect of the wave set-up especially on the wave run-up and run-down was also determined. Furthermore, the effect of the porous bonded revetment and its thickness on the hydrodynamic processes such as wave reflection, wave run-up/run-down and the corresponding velocities is described. Moreover, the effect of the wave set-up is present in the sand foundation, where especially the location of the maximum set-up in the sand is noteworthy.

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Foyer, Gisa: Prediction Formulae for Processes on and in Porous Bonded Revetments - An Experimental and Numerical Study -. 2013.

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