An appropriate size of toe rock for vertical seawalls
Date
2016-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The design and construction of an appropriate vertical seawall/breakwater is an important part of an engineering project since the incident and reflective wave forces acting on the vertical seawall cause severe turbulence at the toe of the structure. The continuous wave action makes the toe of the structure vulnerable towards the erosion of the seabed material and scouring.
The determination of the size of the toe rock, needed for the toe of the rubble foundation, is under investigation in this study. The present empirical design formulas used to determine the adequate rock sizes are based on limited data in the relative foundation depth ranges of *0.35 ≤ d1/d ≤ 0.55+, where d represents the water depth and d1 the depth of the still water level above the foundation mound. In this thesis, the required information is provided regarding the response characteristics of the armour layer in transitional water depths.
A hypothesis is thus put forward that for a certain fixed relative foundation depth (d1/d) and wavelength (L), the significant wave height, Hs, will have an exponential relationship with the number of rocks displaced in the armour layer of the toe of the vertical structure. Apart from the wave height, the influence of the wave period is also expected to affect the overall stability of the armour layer. The wave overtopping for the specific cross-sections is expected to be well within the overtopping rules stated in the literature and the rate is anticipated to increase gradually with an increase in the wave height and wave period.
A series of physical model tests, conducted at the Council of Scientific and Industrial Research (CSIR) laboratory, was undertaken. It entailed setting up a two-dimensional model in a glass flume. By measuring the essential parameters, the hydraulic stability and response characteristics of the armour layer could be determined and analysed. The test results of the model confirmed the hypothesis stated. The evaluation of data proved that the results obtained by the author were an accurate representation of the response characteristics expected during the stability analysis.
With the credibility of the results verified, a design approach was implemented to determine a proposed formula for the relative foundation depth ranges outside of the previous data in the literature. The proposed formula proved to be an accurate representation of the minimum stability numbers needed for the determination of an appropriate size of toe rock for vertical seawalls. The overtopping rates measured during the physical model tests were lower than the predicted values proposed by the EurOtop (2007). The scattered comparison of the results highlights the fact that there are still a lot of uncertainties not accounted for in the EurOtop (2007) formula for the estimation of overtopping for vertical structures with a wave recurve wall.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ontwerp en konstruksie van 'n toepaslike vertikale seemuur is 'n belangrike deel van 'n ingenieursprojek, aangesien die inkomende en weerkaatste golfkragte wat op 'n vertikale seemuur inwerk, erge turbulensie op die toon van die struktuur veroorsaak. Die aanhoudende golfaksie maak die toon van die struktuur kwesbaar teenoor erosie van die seebodemmateriaal en uitskuring. Die bepaling van die grootte van die toonrots, wat nodig is vir die toon van die fondament, word in hierdie studie ondersoek. Die huidige empiriese ontwerpformules wat gebruik word om die voldoende klipgroottes te bepaal, is op grond van beperkte datareekse bepaal in die reeks van [0.35 ≤ d1/d ≤ 0.55+, waar d die waterdiepte aandui voor die struktuur en d1 die stil watervlakdiepte bo die kliplaag aandui . In hierdie tesis bied die skrywer die nodige inligting rakende die reaksie eienskappe van die kliplaag in oorgang water dieptes aan. ‘n Hipotese is dus na vore gebring dat vir 'n sekere vaste relatiewe fondasie diepte (d1 / d) en golflengte (L), die maatgewende golfhoogte, Hs, 'n eksponensiële verhouding met die aantal klippe sal hê wat verplaas uit die beskermde laag van die vertikale struktuur. Bo en behalwe die golfhoogte, is die invloed van die golftydperk ook in ag geneem en sal na verwagting ook die algehele stabiliteit van die beskermingslaag affekteer. Die verwagte oorspoel van elke toets behoort te voldoen aan al die oorspoelreëls wat in die literatuur bevestig is. Die oorstroming behoort ook na verwagting geleidelik te verhoog met 'n toename in die golfhoogte en golftydperk, vir elke toets afdeling. 'n Reeks fisiese modeltoetse is by die Wetenskaplike Nywerheids - en Navorsingsraad (WNNR) se laboratorium onderneem om die hipotese van die skrywer te ondersoek. Dit behels die oprigting van 'n twee-dimensionele model in 'n glaskanaal. Die meting van die belangrikste veranderlikes het die skrywer die nodige inligting verskaf om die hidrouliese stabiliteit en reaksie-eienskappe van die beskermingslaag te kan bepaal. Die resultate van die modeltoetse het bevestig dat die hipotese wat gestel is, korrek is. Met die geloofwaardigheid van die resultate geverifieer, is 'n ontwerpbenadering geïmplementeer om 'n voorgestelde formule te bepaal vir die relatiewe fondamentdieptes buite die omvang van die vorige data. Die voorgestelde formule het na evaluering bewys dat dit ‘n akkurate voorspelling gee van die minimum stabiliteitsgetalle, wat benodig word vir die vasstelling van 'n toepaslike grootte van die rotstoon vir die vertikale seemure. Die oorslagtempo, gemeet tydens die fisiese model toetse, was laer as die voorspelde waardes van die EurOtop (2007) handleiding. Die oorslagresultate van die model en die verspreide resultate van EurOtop (2007) het bewys dat daar nog nie genoeg studies in die veld van vertikale seemure met ‘n terugkaatsmuur gedoen is nie.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ontwerp en konstruksie van 'n toepaslike vertikale seemuur is 'n belangrike deel van 'n ingenieursprojek, aangesien die inkomende en weerkaatste golfkragte wat op 'n vertikale seemuur inwerk, erge turbulensie op die toon van die struktuur veroorsaak. Die aanhoudende golfaksie maak die toon van die struktuur kwesbaar teenoor erosie van die seebodemmateriaal en uitskuring. Die bepaling van die grootte van die toonrots, wat nodig is vir die toon van die fondament, word in hierdie studie ondersoek. Die huidige empiriese ontwerpformules wat gebruik word om die voldoende klipgroottes te bepaal, is op grond van beperkte datareekse bepaal in die reeks van [0.35 ≤ d1/d ≤ 0.55+, waar d die waterdiepte aandui voor die struktuur en d1 die stil watervlakdiepte bo die kliplaag aandui . In hierdie tesis bied die skrywer die nodige inligting rakende die reaksie eienskappe van die kliplaag in oorgang water dieptes aan. ‘n Hipotese is dus na vore gebring dat vir 'n sekere vaste relatiewe fondasie diepte (d1 / d) en golflengte (L), die maatgewende golfhoogte, Hs, 'n eksponensiële verhouding met die aantal klippe sal hê wat verplaas uit die beskermde laag van die vertikale struktuur. Bo en behalwe die golfhoogte, is die invloed van die golftydperk ook in ag geneem en sal na verwagting ook die algehele stabiliteit van die beskermingslaag affekteer. Die verwagte oorspoel van elke toets behoort te voldoen aan al die oorspoelreëls wat in die literatuur bevestig is. Die oorstroming behoort ook na verwagting geleidelik te verhoog met 'n toename in die golfhoogte en golftydperk, vir elke toets afdeling. 'n Reeks fisiese modeltoetse is by die Wetenskaplike Nywerheids - en Navorsingsraad (WNNR) se laboratorium onderneem om die hipotese van die skrywer te ondersoek. Dit behels die oprigting van 'n twee-dimensionele model in 'n glaskanaal. Die meting van die belangrikste veranderlikes het die skrywer die nodige inligting verskaf om die hidrouliese stabiliteit en reaksie-eienskappe van die beskermingslaag te kan bepaal. Die resultate van die modeltoetse het bevestig dat die hipotese wat gestel is, korrek is. Met die geloofwaardigheid van die resultate geverifieer, is 'n ontwerpbenadering geïmplementeer om 'n voorgestelde formule te bepaal vir die relatiewe fondamentdieptes buite die omvang van die vorige data. Die voorgestelde formule het na evaluering bewys dat dit ‘n akkurate voorspelling gee van die minimum stabiliteitsgetalle, wat benodig word vir die vasstelling van 'n toepaslike grootte van die rotstoon vir die vertikale seemure. Die oorslagtempo, gemeet tydens die fisiese model toetse, was laer as die voorspelde waardes van die EurOtop (2007) handleiding. Die oorslagresultate van die model en die verspreide resultate van EurOtop (2007) het bewys dat daar nog nie genoeg studies in die veld van vertikale seemure met ‘n terugkaatsmuur gedoen is nie.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2016.
Keywords
Seawall, Hydraulic structures, Structural stability, UCTD, Breakwaters -- Design and construction