Bonded Porous Revetments - Effect of porosity on wave-induced loads and hydraulic performance - An Experimental Study -

Liebisch, Sven

Poröse Deckwerke aus gebrochenem Kies, der mittels Polyurethankleber oder anderen Bindemitteln verklebt wird, finden immer häufiger Anwendung im Küstenschutz, da sie einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Deckwerken haben. Der erhebliche Einfluss der Porosität auf die Wellenbelastung und die Reaktion des Deckwerks wurde bereits in Liebisch et al. (2012) veranschaulicht. Obwohl die Porosität eines Deckwerks im Laufe der Zeit durch z.B. das Einwachsen mariner Organismen erheblich reduziert werden kann, ist diese bisher nicht explizit und ausreichend in der derzeitigen Bemessungspraxis berücksichtigt. Daher besteht das Hauptziel dieser Arbeit darin, den Wissensstand bezüglich der Auswirkungen der Porosität auf die hydrodynamischen Prozesse auf und unterhalb offenporiger, gebundener Deckwerke bei unterschiedlichen Böschungsneigungen zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden umfangreiche kleinmaßstäbliche Modellversuche durchgeführt und die Prozesse bei Wechselwirkung von unregelmäßigem Seegang mit dem porösen Deckwerk und seinem Unterbau systematisch analysiert: (a) Prozesse vor und auf dem Deckwerk (Reflexion, Brandungsstau, Wellenauf- und -ablauf); (b) welleninduzierte Druckbelastung auf dem Deckwerk; (c) Prozesse unterhalb des Deckwerks einschließlich der Dämpfung der welleninduzierten Drücke durch das Deckwerk, des Porenwasserdruckabbaus im Sandkern, des internen, mittleren Wasserspiegels (IMWL) und der Stabilität des Sandkerns. Insgesamt haben die Ergebnisse zum ersten Mal die relative Bedeutung von Deckwerksporosität und -neigung gezeigt und zu einem verbesserten Verständnis ihres Einflusses auf alle vorher genannten Prozesse geführt. Im Einzelnen wurde erstmalig gezeigt, dass eine erhöhte Porosität zu einem größeren Einfluss der einlaufenden Wellenhöhe auf den Reflexionskoeffizienten führt. Mit ansteigender Wellenhöhe verhält sich das hochporöse Deckwerk zunehmend wie eine undurchlässige Struktur. Eine höhere Porosität führt außerdem zu reduzierten Wellenauf- und -ablaufhöhen, mit größerem Einfluss auf den Wellenauflauf. Die räumliche Verteilung des mittleren Wasserspiegels im Sand, die einen entscheidenden Einfluss auf die Bauwerksstabilität hat, wurde erstmalig systematisch für unregelmäßigen Seegang untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass der interne Brandungsstau nahe der Uferlinie bei flacherer Böschungsneigung (1:6) weniger von Auf- und Ablaufprozessen auf dem Deckwerk beeinflusst wird als bei steilerer Böschung (1:3).

Porous revetments made of crushed stones durably bonded by polyurethane or by any other type of binding material are increasingly used for coastal protection. Such revetments have several advantages as compared to conventional revetments. The crucial effect of the revetment porosity on the wave loading and the response of the structure has been illustrated by Liebisch et al. (2012). Though the revetment porosity may substantially be reduced over design life time (e.g. marine growth), the porosity is not yet explicitly and adequately considered in the current design practice. Therefore, the primary objective of this study is to improve the knowledge related to the effect of the porosity of a porous bonded revetment for different slope steepnesses on the hydrodynamic processes on and beneath the revetment. To achieve the objectives, extensive scale model tests have been conducted and a systematic analysis of the processes involved in the interaction of irregular waves and the porous revetment and its soil foundation is performed: (a) processes in front of and on the revetment (wave reflection, wave set-up and wave run-up/run-down); (b) wave-induced pressures on the revetment, (c) processes beneath the revetment such as the damping of wave-induced pressures in the revetment, the pore pressure in the sand core beneath the revetment, the internal mean water level and the stability of the sand core. Overall, the results have revealed for the first time the relative importance of the effect of the revetment porosity and slope steepness on all the processes involved in the interaction of irregular waves with a bonded porous revetment, thus providing an improved understanding of both effects. More specifically, it was shown for the first time that an increasing porosity leads to a larger effect of the incident wave height on the reflection coefficient. With increasing wave heights the highly porous revetment behaves increasingly like an impermeable revetment. A larger porosity also leads to lower values of both relative wave run-up and run-down with a more significant effect of the porosity on wave run-up. The spatial development of the internal mean water level in the sand core, which is decisive for the structure stability, was investigated systematically for irregular waves for the first time, showing that for the flatter slope 1:6 the internal wave set-up near the shoreline of the sand core is less affected by the swash processes than for the steeper slope 1:3.

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Liebisch, Sven: Bonded Porous Revetments - Effect of porosity on wave-induced loads and hydraulic performance - An Experimental Study -. 2015.

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