Memorandum Spreidinggedrag van Nieuw Waterweg … spreidinggedrag van nww... · Memorandum...

Memorandum

Spreidinggedrag van Nieuw Waterweg-baggerspecie op

stortlocatie Noordzee.

auteur:ir. Walther G.M van Kesteren

reviewers:ir. Johan G.S. PennekampDr. Gert Greeuw

Projectnummer: 122064027 juli 2015

© Deltares, 2015

Verspreidingsgedrag van NWW-baggerpecie op stortlocatie Noordzee 1220640 27 juli 2015

Memorandum

Deltares 2


Memorandum

Deltares 3

Achtergrond1

Havenbedrijf Rotterdam (HbR) is gestart met een project voor het verdiepen van de NieuweWaterweg waarvan tevens de Botlekhaven en de 2e Petroleumhaven deel uit maken. Bij hetverdiepen van de Nieuwe Waterweg zal circa 5,5 miljoen m3 baggerspecie vrijkomen. Dezespecie bestaat overwegend uit onvervuild zand, klei en slib, waardoor verspreiden op deNoordzee tot de mogelijkheden behoort. Het baggerwerkzaamheden zullen zeer waarschijnlijkworden uitgevoerd met behulp van sleephopperzuigers.

Het verspreiden van baggerspecie uit de bestaande waterbodem op de Noordzee is volgens hetBesluit Bodemkwaliteit toegestaan wanneer de chemische kwaliteitsklasse dit toelaat, maardaarbij geldt ook dat de verspreiding ‘nuttig’ en ‘functioneel’ moet zijn. Het verspreiden vanbaggerspecie in oppervlaktewater is bedoeld om baggerspecie die op ongewenste plaatsen isgesedimenteerd elders weer terug te brengen in het watersysteem. De sedimentbalans wordt zohersteld.Volgens het bevoegd gezag mogen klei-waterbodems, in tegenstelling tot het verspreiden vanzand en ‘slib’, vanuit fysiek oogpunt niet worden verspreid. Alleen wanneer het materiaalonderwater uiteenvalt en met de dynamiek van het Noordzeesysteem zich op een natuurlijkewijze zal gaan verplaatsen is het toegestaan om baggerspecie te verspreiden.Het gaat er dus om dat vastgesteld wordt (en daarbij tevens een maatstaf wordt aangegeven) inhoeverre waterbodemmateriaal na het baggeren nog steeds “klontert” en “brokkelt”. Dit is dan detegenhanger van het “uiteenvallen” bij het verspreiden van het waterbodemmateriaal.

Kortom: Bij het storten op zee bestaat er dus vanuit het bevoegd gezag een milieu-restrictie dater geen ophoping van gebaggerd materiaal op de stortlocatie mag plaatsvinden, met anderwoorden het gebaggerde materiaal moet op natuurlijke wijze voldoende verspreiden.

Tauw is, binnen een groter ontwerpopdracht, gevraagd HbR te adviseren over de te verwachtenverspreiding van de baggerspecie.

Tauw heeft Deltares opdracht gegeven hen hierin bij te staan.

Probleemstelling2

Het onderhavige onderzoek en de advisering is erop gericht om op grond van in-situgeotechnische informatie van een beperkt monster (300 – 500 ml) van waterbodem aannemelijkte maken welke waterbodem in het verdiepingsbaggerplan aanleiding zou kunnen geven totophoping op de Noorzeestortlocatie en welke niet.

Of te wel: hoe verandert een waterbodemsoort van constitutie wanneer het al debaggerprocesfasen van een sleephopperzuiger tot op het storten op zee heeft ondergaan.

Hierbij kan het sleephopperzuigerproces slechts in globale termen worden voorgesteld.


Memorandum

Deltares 4

Doelstelling3

De doelstelling is het aannemelijk maken van wat de te verwachten constitutie van baggerspeciebij storten op de Noordzee zijn ten aanzien van al dan niet aanleiding geven tot ophoping.Dit op grond van in-situ grondgegevens verkregen uit enkelvoudige monsters van 300 – 500 ml.

Aan de hand van een 22-tal, in-situ genomen, waterbodemmonsters, die door Tauw zijnuitgekozen en aan Deltares zijn aangeleverd, wordt nagegaan of mag worden aangenomen ofdie baggerspecie bij het storten op de Noordzee voldoende geroerd en verdund zal zijn door hetbaggerproces (mengselvorming sleepkop, leidingtransport en baggerpomppassage) zodat hetgemakkelijk verspreidt; of dat de vorming van kleiballen kan worden verwacht die op destortlocatie kunnen samenklonteren.

Naast deze waterbodemanalyse van Deltares levert Tauw van een 19-tal corresponderendewaterbodemmonsters de Atterbergse grenzen en het natuurlijke watergehalte (as received).

Afwegingen4

Het zou voor de hand liggen om te stellen dat het hydraulisch ontgravingsproces en hetdesintegrerende geweld van de baggerpomp altijd leidt tot een water-grondmengsel dat op stortmakkelijk over de bodem uitspreidt.Het hydraulische baggerproces, waar het sleephopperzuigen deel van uitmaakt, bestaat echteral decennia lang niet meer uit het uitsluitend hydraulisch erosief ontgraven (dat wil zeggen: dooruitsluitend waterstroming losmaken van waterbodemmateriaal en daarmee een water-grond-mengsel maken). Het baggeren van waterbodems met enige consistentie is hierbij namelijk voorhuidige begrippen zeer oneconomisch. Het ontgravingsproces van sleephopperzuigers wordtdaarom inmiddels bijna altijd bijgestaan door hoge druk waterjets en tanden of beitelbladen.Deze hulpmiddelen leiden tot hogere producties (lagere specifieke energie) doordat groteremoten consistente waterbodem worden losgemaakt en mee opgezogen.Al snel na de introductie van deze hulpmiddelen bleek dat bij bepaalde grondsoorten degrondmoten in de zuigleiding, baggerpomp en persleiding zich weer samenklonterden tot somszeer grote klonten: het zogenaamde kleiballenfenomeen.Kleiballen verstoren de efficiëntie het baggerproces in ernstige mate, nog afgezien van het feitdat ze resulteren in een minder goed verspreidbaar stort.

Al in 1976 is door de toenmalige grote Nederlandse baggeraannemers en Rijkswaterstaat binnenhet baggertechnologisch basisonderzoek van de Combinatie Speurwerk Baggertechniek (CSB)vertrouwelijk onderzoek gestart om het kleiballenfenomeen op grond van in-situ grondgegevenste kunnen voorspellen. In de 14 jaar looptijd van dit onderzoeksinitiatief bleek hetkleiballenfenomeen een harde noot om te kraken. Belangrijke moeilijkheidsfactoren naast deinvloed van de grondsamenstelling zelf waren de grote variatiebandbreedte vanbaggerprocesparameters (leidingdiameters; leidinglengtes; zuig- en persdebieten;ontgravingshulpmiddelen; geometrie en schaal van de baggeren boosterpompen).


Memorandum

Deltares 5

In de afgelopen decennia is bij Deltares verder onderzoek gedaan naar het stromingsgedrag vangrond. Hieruit is veel kennis beschikbaar gekomen over de invloed van de grondsamenstellingop het uiteenvallen van grond onder hydrodynamisch schuifspanning (stress). Belangrijkebepalende parameters hierin zijn het zandgehalte (beter bekend SFR: Sand-to-Fines Ratio) ende gevoeligheid van de waterbodem (het pieksterkte – geroerde sterkte quotiënt).

Een sterkteanalyse van de te baggeren waterbodem is in onderstaande tabel weergegeven.

Zand en Grind Klei en silt Sterkte [kPa]Erg los en zacht 0,1 – 1

Erg los 1 – 12,5Erg los Zacht 12,5 – 25

Los Stevig 25 - 50Verdicht Stijf 50 - 200

Sterk verdicht Hard > 200

Sterkte sediment voor zand en klei of slib

Hoewel de vloeigrens afhangt van de minerale opbouw en eigenschappen is alle baggerspecie inhet algemeen vloeibaar als de schuifsterkte bij het storten beneden de 2 kPa ligt. Echter in deonderhavige vraagstelling is de constitutie van de baggerspecie op stort niet a priori bekend.

Er is in de afgelopen decennia niettemin wel veel ervaring opgedaan in de invloed van eenalgemeen sleephopperzuigproces op de constitutie van waterbodemsoorten. Deze “expertjudgement” is vervat in verscheidene vuistregels. Geen van deze regels bevat elke bepalendeparameter, laat staan de exacte invloed van een operationeel baggerproces.

Een uit de openbare literatuur bekende vuistregel, die rechtvaardiging vindt in de kennis enkunde van nu, is dat in het algemeen mag worden aangenomen dat er tijdens het baggerprocesgeen kleiballen zullen ontstaan als de in-situ schuifsterkte kleiner is dan 20 kPa.Deze vuistregel laat echter de klei-mineralogische invloed, die er zeker is, en debaggertechniekinvloed buiten beschouwing (bron: o.a. S.E.M. de Bree “Kiezen en Delen” Land +Water 1974).

Op grond van de Atterbergse grenzen, waarin wel een afspiegeling van de kleimineralogieaanwezig is, maar weer niet de baggertechniekinvloed, wordt als vuistregel gevonden dat er inhet algemeen geen kleiballen zullen ontstaan als het natuurlijke watergehalte dichter bij devloeigrens (LL) ligt dan bij de uitrolgrens (PL).Of te wel:

Wnatuur – PL > LL – Wnatuur.

(bron: o.a. S.E.M. de Bree “Kiezen en Delen” Land + Water 1974).Het ligt gevoeglijk voor de hand om vast te stellen dat de regel sterker van kracht is naarmate hetnatuurlijk watergehalte dichter bij de vloeigrens ligt. De regel is per definitie juist als het natuurlijkwatergehalte de vloeigrens overschrijdt.


Memorandum

Deltares 6

Andere, in de operationele baggertechniek bekende, vuistregels om bij een algemeenhydraulisch zuigproces geen kleiballen te krijgen zijn:

· Het natuurlijke watergehalte moet boven de 35 % liggen;· De uitrolgrens (PL) moet boven de 25 % liggen en de vloeigrens (LL) moet boven 50 %

liggen;· Hoe zandrijker de grond hoe minder kans op kleiballen.

Op grond van bovenstaande algemene regels kan worden aangegeven welke in-situ-sterktes, in-situ watergehaltes en in-situ consistentie of combinaties daarvan gerede aanleiding geven voorkleiballen op de stortlocatie en daarmee met moeilijker verspreidbare stort.


Memorandum

Deltares 7

Resultaten van het geotechnisch sterkte onderzoek1

Aangeleverde monsters in potten van 300 tot 500 ml.

Van de 22 waterbodemmonsters, die zijn aangeleverd, zijn de volgende parameters bepaald:· De druksterkte:

De druksterkte is bepaald met handpenetrometer (Aikoh CPU gauge 1kg).Deze handpenetrometer bestaat uit een gekalibreerde, nauwkeurige krachtmeting op hetpenetreren van een indringlichaam als tip. Deze tip kan bestaan uit een conus, een wig,een contrawig of een rond vlak plaatje. Voor elk van de indringlichamen is een correlatienaar druksterktes beschikbaar.

De Aikoh CPU gauge.


Memorandum

Deltares 8

· Het netto vochtgehalte;Dit is volgens de standaardnormering gedaan door wegingen voor en na droging na 24uur bij 105 gr C.

· De Sand to Fines Ratio (SFR);De SFR is de verhouding tussen het gewicht aan korrels groter dan 63 mu en kleiner dan63 mu op grond van natzeven.Om een nauwkeurige bepaling te krijgen van de grote en kleine fracties is voor natzevengekozen om te voorkomen dat delen van de fijne fractie aan de grotere korrels blijvenplakken.

· De piekschuifsterkte en de geroerde schuifsterkte;Deze bepalingen zijn uitgevoerd met een Haake Mars 1 Rheometer met rotorbladen.Dit uiterst nauwkeurige en gevoelige instrument roteert een kruisblad in het monster meteen van nul oplopende rotatiesnelheid en registreert daarbij de ondervonden weerstand.Uit deze gegevens worden de schuifsterktes berekend en geplot. Deze grafieken latenvaak een waarde zien die eerst oploopt naar een piekwaarde en vervolgens weerterugloopt (de geroerde schuifsterkte).De verhouding pieksterkte / geroerde sterkte wordt de gevoeligheid genoemd.

De Haake Mars 1 Rheometer.


Memorandum

Deltares 9

* druksterkte middels handpenetrometer (Aikoh CPU gauge 1kg)** schuifsterktes middels Haake Mars 1 Rheometer met vanebladen.

Uit de meetwaarden blijkt dat de monsters een zeer diverse en brede grondkwaliteitvertegenwoordigen, variërend van slibachtig via zandige klei naar klei.

Discussie en conclusies:

· De natuurlijke (as received) watergehaltes zijn relatief hoog. Geen enkele geeftaanleiding om het oordeel vaste stevige klei te stellen. Voor allen geldt het criterium dathet vochtgehalte boven de 35 % ligt waarmee de waarschijnlijkheid op kleibalvorminggering is.

· De druksterktes geven een gelijk beeld als de schuifsterktewaarden.· De SFR ligt over de gehele linie laag. Er is sprake van zeer kleiige waterbodem. Het

criterium “Hoe zandrijker de grond hoe minder kans op kleiballen” geeft hierdoor geensoelaas en levert geen uitsluitsel over het al dan niet uit elkaar vallen van debaggerspecie

· Op grond van de gemeten schuifsterktes is van 8 monsters (in groen) met stelligezekerheid vast te stellen dat zij een uitvloeiend stort zullen opleveren. Met uitzonderingvan één waarde (in rood; monster nr. 18) is van alle andere eveneens redelijkaannemelijk dat zij geen kleiballen opleveren. Het monster met de rode waarde zit in eendiscutabele zone omdat het het criterium: schuifsterkte > 20 kPa overschrijdt.

Nummer Bijschrift Piek Geroerd

[ ml ] [ kPa ] [ % ] [ - ] [ kPa ] [ kPa ] [ - ]

1 600351 2 300 18,54 69,1 0,07 7,11 2,87 2,482 600302 1600-1650 300 14,09 63,7 0,04 8,06 3,45 2,333 600307 1600-1650 300 24,72 89,8 0,15 10,00 3,89 2,574 600308 16.0-16.5 300 37,42 63,9 0,10 10,29 3,51 2,935 600371 1 300 25,22 67,6 0,14 12,45 4,07 3,066 720103 2 500 16,37 234,9 0,06 10,86 4,81 2,267 732102 3 500 0,00 172,8 0,02 0,95 0,36 2,638 732106 2 500 0,00 52,6 0,04 0,09 0,04 2,519 732203 2 500 0,06 48,5 0,36 1,07 0,36 2,9510 732203 5 500 7,46 57,7 0,29 7,15 2,61 2,7411 732204 3 500 0,00 138,1 0,04 0,74 0,23 3,1712 732226 18.5-19.0 500 10,25 76,8 0,37 9,15 3,07 2,9913 732232 17.0-17.5 500 4,68 85,4 0,27 4,64 1,44 3,2214 732305 3 500 0,00 45,6 0,04 0,79 0,31 2,5715 732306 3 500 3,40 141,2 0,08 3,98 1,13 3,5316 732332 16.0-16.5 500 13,59 49,8 0,77 11,25 3,04 3,7017 738103 3 500 46,6 0,13 1,10 0,45 2,4618 740301 16.5-17.0 300 31,91 62,1 0,01 23,36 9,37 2,4919 740302 16.0-16.5 300 38,03 65,8 0,06 12,24 5,60 2,1920 740304 300 18,49 54,3 0,58 9,75 4,23 2,3021 740306 16.3-16.5 300 18,99 59,9 0,04 12,13 4,55 2,6722 740306 17.0-17.5 300 24,56 70,7 0,06 15,71 6,09 2,58

Gevoelig-heid

Schuifsterkte **Lab.No.

Monsteridentificatie Inhoudmonster-

pot

Druk-sterkte *

Vocht-gehalte

Sand toFinesRatio


Memorandum

Deltares 10

Monster-nummer

Uitrol-grens(wp)

Vloei-grens(wl)

Natuurlijkwater-gehalte

1 43,03 111,14 89,162 24,34 60,24 55,373 33,48 82,11 60,364 34,56 71,41 52,875 38,41 79,7 74,516 20,78 43,19 63,828 20,96 50,82 61,519 26,64 63,61 81,5810 25,57 62,12 52,8811 27,48 56,66 46,2212 31,77 53,06 53,1813 23,31 62,89 58,4814 41,67 123,28 122,9915 16,32 27,88 34,3916 23,31 62,89 58,4817 25,52 66,02 71,9118 54,5 108,28 71,7119 43,67 106,62 71,220 32,94 68,5 66,04

· Kleien kenmerken zich normaliter door een merkbaar verschil tussen de pieksterkte ende geroerde sterkte. Deze gevoeligheden in de registraties geven andermaal weer dat demonsters kleiig zijn.

Resultaten van de Atterbergse grenzen2

In het laboratorium van Wiertsma zijn in opdracht van Tauw van een set monsters uit hettoekomstige baggergebied de consistentiegrenzen (de vloeigrens en uitrolgrens) en natuurlijkwatergehalte bepaald.Een 19-tal van deze monsters corresponderen met de monsters uit het onderhavige Deltares-onderzoek.

Van de monsters met rangnummer 7, 21 en 22 ontbreken de corresponderende “Wiertsema”-bepalingen.

De waarden zijn weergegeven in de onderstaande tabel.


Memorandum

Deltares 11

In onderstaande figuur zijn met een staafdiagram voor de uitrolgrens (blauw), vloeigrens (rood)en natuurlijk watergehalte (groen) weergegeven.

Figuur 2 Consistentiegrenzen en natuurlijk, actueel watergehalte (N.B. monster 7 is er niet).

Uit het staafdiagram is op te maken dat vrijwel alle monsters voldoen aan het criterium dat hetnatuurlijke watergehalte dichter bij de vloeigrens ligt dan bij de uitrolgrens. Op grond van devuistregel zal er geen risico op kleibalvorming aanwezig zijn.

Slechts monster 18 is een uitbijter. Dit komt overeen met het resultaat uit de eerste analysewaarbij monster 18 eveneens een uitbijter is.

Overall conclusie3

Op grond van de beproevingsresultaten van de selectie van waterbodemmonsters van ditonderhavige onderzoek kan als aannemelijk worden gesteld dat kleibalvorming na eensleepzuigbaggerproces niet waarschijnlijk moet worden geacht.

Het zij hierbij opgemerkt dat de representativiteit van de selectie van waterbodemmonsters geenonderdeel uitmaakte van het onderhavige Deltaresonderzoek.

0

20

40

60

80

100

120

140

1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Wat

erge

halte

inpr

ocen

ten

Monsternummer

Consistentiegrenzen en actueel watergehalte eerste set NWW-monsters

Uitrol-grens (wp)Vloeigrens (wl)Natuurlijk watergehalte

Memorandum Spreidinggedrag van Nieuw Waterweg … spreidinggedrag van nww... · Memorandum...

Documents

Transcript of Memorandum Spreidinggedrag van Nieuw Waterweg … spreidinggedrag van nww... · Memorandum...