Process-based modelling of waves interacting with porous bonded revetments and their sand foundation

Alcérreca Huerta, Juan Carlos

Um dem möglichen Anstieg der Sturmhäufigkeit und dem steigenden klimabedingten Meeresspiegel bei der zunehmenden Nutzung des Küstenraumes zukünftig gewachsen zu sein, werden neue Küstenschutzsysteme benötigt. Die hochporösen polyurethangebundenen (PBA) Deckwerke sind ein Beispiel für solche neuen Alternativen für den Küsten- und Uferschutz, die bereits in Europa und anderen Ländern Verwendung finden. Erwähnenswerte Vorteile von PBA-Deckwerken gegenüber herkömmlichen undurchlässigen Deckwerken bestehen in der Reduzierung der Wellenreflexion, des Wellenauf- und -ablaufs sowie der welleninduzierten Druckbelastung. Dennoch besteht noch kein ausreichendes Verständnis der ablaufenden hydrogeotechnischen Prozesse beim Wellenangriff auf PBA-Deckwerke und deren Unterbau, um eine sichere Bemessung gewährleisten zu können. Vor diesem Hintergrund besteht das Hauptziel dieser Arbeit in der Modellierung dieser hydrogeotechnischen Prozesse durch ein neu zu entwickelnden CFD-CSD-System, das mit den Daten aus den großmaßstäblichen Modellversuchen mit einem PBA-Deckwerk im Großen Wellenkanal (GWK) des Forschungszentrums Küste (FZK) in Hannover (Oumeraci et al. (2010)), validiert wird. Zu diesem Zweck wurde zunächst eine umfassende Wissenstandsanalyse durchgeführt. Als zweiter Schritt erfolgte die Implementierung der „VARANS-VOF“ basierten Gleichungen in das CFD-Modell und der schwachen Kopplung mit dem CSD-Modell. Der dritte Schritt umfasste die Kalibrierung und Validierung des CFD-CSD-Modellsystems unter Verwendung der großmaßstäblichen Versuche im GWK und kleinmaßstäblicher Versuche, die am Leichtweiß-Institut für Wasserbau (LWI) (Liebisch & Oumeraci (2014)) durchgeführt wurden. Eine Analyse wurde der hydrogeotechnischen Prozesse basierend auf den Ergebnissen der Parameterstudie durchgeführt. Hierbei konnten neue Bemessungsformeln für die hydrodynamischen Prozesse auf und vor dem PBA-Deckwerke sowie für die welleninduzierten Drücke auf und unter dem Deckwerk, einschließlich der Porenwasserdrücke im Sandkern, entwickelt werden. Weiterhin wird eine systematische Methode für die Stabilitätsanalyse des Sandkerns unterhalb von PBA-Deckwerken vorgeschlagen, um der welleninduzierten Bodenverflüssigung vorzubeugen. Insgesamt konnten mit den Ergebnissen und Methoden dieser Arbeit die in den vorigen Studien aufgetretenen Einschränkungen überwunden, so dass substanziell verbesserte und neue wissenschaftlich-technische Grundlage für die Praxis und weitere Forschung erarbeitet wurden.

New coastal protection systems against erosion are required to cope with the possible increasing storminess and sea level rise induced by climate change and the increased use of coastal zones. Highly porous Polyurethane Bonded Aggregates (PBA) revetments are an example of ecologically friendly alternatives for the protection of the shoreline and embankments which have been implemented in Europe and further countries. Advantages of PBA-revetments over common impermeable revetments are: reduction of wave reflection, wave run-up/run-down and wave-induced pressures. However, for a safe design, the hydro-geotechnical processes in the interaction of waves with such PBA-revetments and their foundation are still not sufficiently understood. The main objective of this PhD study is therefore to enhance the knowledge of these hydro-geotechnical processes through the use of a new CFD-CSD model system validated with data from unique, large-scale model tests with PBA-revetments conducted in the Large Wave Flume (GWK) at the Coastal Research Centre (FZK) in Hanover, Germany (Oumeraci et al. (2010)). For this purpose, a comprehensive analysis of current knowledge is firstly presented. Secondly, the implementation of the "Volume-Averaged RANS-VOF" governing equations in the CFD model and its weakly coupling with the CSD model are performed to describe the interaction of the waves with PBA-revetments and their foundation. Thirdly, the calibration and validation of the CFD-CSD model system "wavePoreGeoFoam" are carried out by using the large-scale tests in GWK and small-scale tests performed at Leichtweiß-Institute für Wasserbau (LWI) (Liebisch & Oumeraci (2014)). The analysis of the hydro-geotechnical processes is conducted based on the results of the parameter study using the validated CFD-CSD model. Based on these results, new prediction formulae were developed for the hydrodynamic processes on and in front of PBA-revetments as well as for the wave-induced pressures on and beneath the revetment, including the development of pore pressure in the sand core. Also, the development of a systematic methodology for the stability analysis of the soil beneath PBA-revetments against wave-induced soil liquefaction risk is proposed. Overall, the results of this study, enabled the limitations identified in previous studies (e.g., Oumeraci et al. (2010) and Foyer (2013)) to be overcome, thus providing a substantially improved basis for both engineering practice and further research.

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Alcérreca Huerta, Juan Carlos: Process-based modelling of waves interacting with porous bonded revetments and their sand foundation. 2014.

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