Granular filters for marine structures: Knowledge generation for filter stability analysis and design
Final Report Abstract
Die experimentellen Untersuchungen mit der Wechseldurchströmungsanlage konnten den Einfluss von schichtorthogonaler, oszillierender Durchströmung auf die Stabilität von eng- und weitgestuften Kornfiltern zeigen. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass die Anwendung geometrischer Filterkriterien aus dem Damm- und Deichbau auf oszillierende Strömungen zum Versagen des Filters führen können. Gleichzeitig konnten wichtige Grundlagen für dynamische Bemessungsansätze geschaffen werden, die eine deutlich wirtschaftlichere Filterbemessung bei relativ geringer hydraulischer Belastung ermöglichen. Die Laborexperimente wurden durch numerische Untersuchungen erweitert, sodass hydraulische Bemessungsansätze unter Berücksichtigung von Wellenparametern (Wellenhöhe, Wellenperiode) und der Wassertiefe hergeleitet werden konnten. Bemessungsbeispiele geben eine Perspektive für die Verwertung der erreichten Ergebnisse. Das validierte numerische Modell geotechFoam konnte anhand der Laborexperimente mit der Wechseldurchströmungsanlage validiert werden und somit für Parameterstudien angewendet werden. Hierdurch konnte der Einfluss (i) der Wellenparameter (Wellenhöhe, Wellenperiode sowie Wasserstand), (ii) der Phasenverschiebung des Wellendrucks, (iii) Durchlässigkeitsbeiwerten und Schichtdicken des Basis- und Filtermaterials auf den maßgebenden hydraulischen Gradienten systematisch untersucht werden. Das validierte numerische Modell steht damit auch für weitere geohydraulische Fragestellungen bereit. Eines der wichtigsten Ziele des Vorhabens war die Verbesserung des Prozessverständnisses sowie die Ermittlung der Grundlagen für die (hydraulische) Bemessung von Kornfiltern mariner Bauwerke. In diesem Zusammenhang konnte der Einfluss der Wellenparameter auf die hydraulische Einwirkung des Kornfilters, verschiedene Stabilitätszustände sowie das dynamische Verhalten des Kornfilters nach überschreiten des kritischen hydraulischen Gradienten gezeigt und diskutiert werden. Folgende wichtigste Erkenntnisse ergeben sich aus den hydraulischen Laborexperimenten und den numerischen Untersuchungen: (i) Entwicklung eines Ansatzes zur Beschreibung des maßgebenden hydraulischen Gradienten für Wellendrücke unter dem Einfluss der Wellenhöhe, Wellenperiode und des Wasserstands; (ii) Ermittlung der Widerstandskoeffizienten der Forchheimer-Gleichung als Beitrag für die numerische Modellierung von Porenwasserströmungen; (iii) Beschreibung und Bewertung der Modelleffekte in der Wechseldurchströmungsanlage als Grundlage für weitere Untersuchungen in vergleichbaren Versuchsanlagen; (iv) Herleitung von geometrischen und hydraulischen Kriterien zur Beschreibung der Filterstabilität unter Welleneinwirkung.
Publications
- (2014): “Numerical and Laboratory Experiments on Stability of Granular Filters in Marine Environment“. Proceedings of International Conference on Coastal Engineering No. 34, (ICCE 2014), Seoul, Korea, 14 p.
Schürenkamp, D.; Oumeraci, H.; Kayser, J.; Karl, F.
(See online at https://dx.doi.org/10.9753/icce.v34.structures.17) - (2016): “A Test Apparatus for Alternating Flow“. Geotechnical Engineering, Geotechnical Testing Journal
Kayser, J.; Karl, F.; Schürenkamp, D.; Schwab, N.; Oumeraci, H.
(See online at https://doi.org/10.1520/GTJ20150252) - (2016): “Stability of wide-graded granular filters under oscillatory flow“. Proceedings of International Conference on Scour and Erosion, ICSE-8, 12 - 15 September 2016, Oxford, UK, 10 p.
Schürenkamp, D.; Kayser, J.; Oumeraci, H.
- (2017): „Zur hydraulischen Bemessung von Kornfiltern maritimer Bauwerke bei oszillierender, orthogonaler Durchströmung“. Dissertation. Technische Universität Braunschweig, Braunschweig. Leichtweiß-Institut für Wasserbau
Schürenkamp, D.
