Experimental and Numerical Modelling of the Hydraulic Stability of Geotextile Sand Containers for Coastal Protection

Dassanayake Mudiyanselage, Darshana T. B. D.

Vielseitige und innovative Lösungen für die Bemessung effektiver Küstenschutzbauwerke sowie Verstärkung existierender, bedrohter Küstenbarrieren werden benötigt. Dies beinhaltet auch Dünenverstärkungen und Kolkschutzmaßnahmen. Sandcontainer aus Geotextilien (GSC) sind eine günstige, flexible und reversible Lösung, die schon mehr als 50 Jahre im marinen und wasserbaulichen Bereich Anwendung findet. Trotzdem befinden sich GSCs immer noch in der Entwicklung und es sind bisher keine Richtlinien zur Bemessung von GSC-Bauwerken auf Grundlage wissenschaftlicher Erkenntnisse vorhanden. Die vorliegende Arbeit ist fokussiert auf die Evaluierung der Einflüsse der wichtigsten Eigenschaften auf die hydraulische Stabilität von GSC-Bauwerken sowie der Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Vorhersage der hydraulischen Stabilität von Kronen-GSCs von Unterwasser- bzw. sehr niedrigen GSC- Bauwerken. Zunächst wurde der Wissensstand zu den betreffenden Eigenschaften von GSCs und ihrem Einfluss auf die Stabilität von GSC-Bauwerken und bestehende hydraulische Stabilitätsansätze kritisch bewertet. Anschließend wurden vier speziell entwickelte Experimente durchgeführt, welche Einblick in den Einfluss der oben genannten Eigenschaften auf GSC-Bauwerke gewährte und die Randbedingung für die numerische Modellierung der Stabilität festlegte. Unterschiedliche Arten von Experimenten wurden durchgeführt: zwei Laborexperimente (Fall- und Zugversuche), kleinmaßstäbliche Wellenkanalversuche (hydraulische Stabilität) und Versuche im Strömungskanal (Durchlässigkeit). Weiterhin wurden numerische Simulationen der GSC-Bauwerke mit Hilfe eines schwach gekoppelten RANS-VOF und FEM-DEM Modells durchgeführt. Zuletzt wurden die Ergebnisse der experimentellen und numerischen Untersuchungen zusammengeführt und neue Stabilitätskurven und einfache Berechnungsansätze für die hydraulische Stabilität von Kronen-GSCs entwickelt.

More versatile materials and innovative solutions are required for the design of new, cost effective shore protection structures as well as for the reinforcement of existing threatened coastal barriers, including dune reinforcement and scour protection. Geotextile Sand Containers (GSC) is a relatively low cost, soft and reversible solution for the above problem with a history of more than 50 years in hydraulic and marine applications. Nevertheless, GSC is still an emerging technology and no proper guidelines are available for the design of GSC-structures on a sound scientific base. This PhD study attempts to evaluate the effect of the most important engineering properties of GSCs on the hydraulic stability of GSC-structures and to develop new formulae for the hydraulic stability of crest GSCs of submerged/low-crested GSC-structures. First, the present knowledge related to the engineering properties of GSCs and their effects on the stability of GSC-structures and the existing hydraulic stability formulae for GSC-structures were critically reviewed. Second, four series of especially designed laboratory experiments, which allowed us to have an insight into the influence of the above mentioned properties on the stability of GSC-structures and also to obtain the required parameters for the numerical modelling of their stability were performed. Experimental investigations consisted of two types of laboratory experiments (drop tests and pullout tests), small scale wave flume tests (hydraulic stability tests) and hydraulic flume tests (permeability tests). Third, numerical modelling of GSC-structures was conducted using the weakly coupled RANS-VOF model and FEM-DEM models. Finally, combining both the experimental and numerical results, new stability curves and simple formulae were developed for the hydraulic stability of crest GSCs. This newly developed stability curves and stability formulae are expected to foster the applications of GSC structures for coastal protection.

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Dassanayake Mudiyanselage, Darshana T. B. D.: Experimental and Numerical Modelling of the Hydraulic Stability of Geotextile Sand Containers for Coastal Protection. 2013.

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