Zur hydraulischen Bemessung von Kornfiltern maritimer Bauwerke bei schichtorthogonaler, oszillierender Durchströmung

Schürenkamp, David

Deckwerksaufbauten von Sohlsicherungen in Offshore-, Küsten- und Hafenbauwerken unterliegen der Einwirkung aus welleninduzierten Strömungen und wirken Erosionsprozessen entgegen. In diesem Zusammenhang werden Kornfilter, bestehend aus rundkörnigem oder gebrochenem Gesteinsmaterial, eingesetzt, um (i) Sohl- und Böschungssicherungen vor dem Ausspülen des Gründungsmaterials zu schützen, (ii) die effektiven Spannungen durch zusätzliche Auflast zu erhöhen und (iii) somit das Einsinken von Deckwerkselementen zu verhindern. Die hydraulische Stabilität von Kornfiltern ist abhängig von der hydraulischen Einwirkung aus welleninduzierten Strömungen sowie vom Widerstand des Filtermaterials gegenüber Erosionsprozessen. Es ist daher die Zielsetzung dieser Studie, die Grundlagen zur Interaktion zwischen geotechnischen und hydraulischen Prozessen für die hydraulische Bemessung von Kornfiltern mariner Bauwerke zu schaffen. Durch eine systematische Analyse des Wissensstands zur Stabilität von Kornfiltern unter welleninduzierten Strömungen wurden die maßgebenden Prozesse und die wichtigsten Wissenslücken identifiziert. Darauf aufbauend wird ein Versuchsaufbau in einer neuen Wechseldurchströmungsanlage entwickelt und optimiert, um systematische Laboruntersuchungen durchzuführen. Aufgrund der Analyse der experimentellen Daten wird die Stabilität von Kornfiltern in Abhängigkeit der maßgebenden hydraulischen Gradienten bei oszillierender und gleichgerichteter Strömung klassifiziert. Eines der wichtigsten Ergebnisse ist die deutlich geringere Stabilität von Kornfiltern unter oszillierender Strömung gegenüber gleichgerichteter Strömung. Weiterhin wird die Interaktion zwischen den Erosionsprozessen und dem hydraulischen Verhalten des Filteraufbaus als Grundlage für die dynamische Stabilität von Kornfiltern beschrieben. Darüber hinaus werden die Widerstandskoeffizienten der Forchheimer-Gleichung als Beitrag zur Modellierung der oszillierenden Strömung in Kornfiltern analysiert. Zur Erweiterung der Labordaten wird ein numerisches Modell optimiert, validiert und für eine systematische Parameterstudie zu hydraulischen Prozessen angewendet. Dabei wird die hydraulische Einwirkung in Abhängigkeit der Wellenbedingungen beschrieben, wodurch die hydraulische Filterbemessung mit dem maßgebenden und kritischen hydraulischen Gradienten ermöglicht wird. Zur Bemessung der erforderlichen geometrischen Filtereigenschaften werden Formeln unter Berücksichtigung der Wellenbedingungen entwickelt.

Bed protections for offshore, coastal and harbour structures are subject to the impact of wave-induced currents and are supposed to resist erosion processes. In this context, granular filters consisting of round or crushed rock materials are used to (i) preserve bed and bank protections against erosion of the seabed material, (ii) increase the effective stresses by additional load, and (iii) prevent sinking of cover layer elements into the seabed. The hydraulic stability of grain filters is dependent on the hydraulic load of wave-induced currents as well as the resistance of the filter material to erosion processes (e.g. contact erosion and internal erosion). The aim of this study is, therefore, the assessment of the interaction between geotechnical and hydraulic processes for the hydraulic design of granular filters in marine structures. The current scientific knowledge on the stability of granular filters under wave-induced currents is analysed, in order to identify the most relevant knowledge gaps. By analysing the laboratory data of the oscillatory flow facility, the critical hydraulic gradient under unidirectional and oscillatory flow is determined. One of the most important obtained results is the significantly lower resistance of grain filters under oscillating flow compared to unidirectional flow. Furthermore, the interaction between the erosion processes and the hydraulic behaviour of the filter setup is observed and established for the dynamic stability of grain filters. In addition, the further analysis of the laboratory experiments provides the resistance coefficient of the Forchheimer equation as an important contribution to the modelling of oscillating flows in wide-graded filter materials. A numerical model is optimised, validated and applied for the extension of the laboratory data. The numerical simulations are used for a systematic parameter study to investigate further effects on the hydraulic processes in the filter structure. The hydraulic effect can be described as a function of the wave conditions for the determination of the decisive hydraulic gradients at the layer boundary between the base and the filter material. The hydraulic design criteria for granular filters are based on the relevant hydraulic gradient and the critical gradient as a function of the filter properties. New design formulae are developed for the determination of the required geometric filter characteristics taking into account the wave conditions.

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Schürenkamp, David: Zur hydraulischen Bemessung von Kornfiltern maritimer Bauwerke bei schichtorthogonaler, oszillierender Durchströmung. 2017.

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