Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire de constructions hydrauliques LCH)

Efficiency of Brushwood fences in shore protection against wind-wave induced erosion

Sayah, Selim ; Schleiss, Anton (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3424.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    Shore protection in confined water bodies is of major importance in Switzerland where many lakes suffer severe shore erosion. It occurs mainly in shallow zones due to several reasons such as: the fluctuations of the water level , the wind-wave impact during major wind events, and the increasing effect of incident waves due to solid reenforcement by non-adapted protection measures. In order mitigate this increased erosion and enhance the shore stability by sustainable coastal structures, pioneer and soft measures have been built during the past decades. Although such solutions proved their efficiency, they raised a new challenge for engineers: how to build soft and porous media that take into consideration the hydraulic and hydrodynamic conditions of the project site, and enhance its efficiency in sand trapping and shoreline accretion. By means of experimental and numerical modelling, the performance of a typical soft measure, called brushwood fence, was investigated in hydrodynamic conditions similar to those found in reality. A downscaled model of 1 : 10 was built on a fixed bed, and then tested in a wave tank of 10 m length and 6 m width under incoming perpendicular and regular waves. The response of the structure regarding the transmission coefficient has been analyzed for five dimensionless variables: 1) the relative freeboard of the structure Rc/Hi, 2) its relative height h/Hi, 3) the relative wave number kd, 4) the wave steepness Hi /gT2, and 5) the porosity of the structure p. The analysis of their effect on the performance of the protection structure allowed the establishment of an empirical relationship for the transmission coefficient. It takes into account the geometrical characteristics of the structure as well as the local hydrodynamic conditions. The response of the structure has to be treated separately in relation to its immersion condition. When the structure is submerged, every dimensionless variable has a differentiated effect on the transmission coefficient in comparison to the condition when the structure is emerging. The relative freeboard, wave steepness and the porosity are the three key variables in the response of the structure regarding wave damping. The efficiency of detached brushwood fences built on a movable bed was tested under the action of waves with fixed characteristics. The bed material was made of a granular, fine sand with a diameter d50 = 0.18 mm. The evolution of the shoreline and the transmission coefficient of the structure were determined using a first series of tests. It was demonstrated that time has negative impact on wave damping, at least during the period where the bed in the vicinity of the structure evolves to its equilibrium state. A second series of tests established the effect of the distance S of the detached structure (length B) from the shoreline on its evolution and on the deposited and eroded sand volumes at the leeside of the structure. It was proven that the wave motion through the porous media hinders the formation of significant salients and prevents the formation of tombolos when the structure was very close to the shoreline. Thus, for high ratio B/S = 1.48 no tombolo was formed in line with non porous breakwaters. The deposited and eroded volumes were also evaluated in a third series of tests with the presence of a single gap in the brushwood fences. The effect of the width of the gap on these volumes was analyzed. The results proved that the main deposition area is located between the gap and the shoreline where sediments are transported by the diffracted waves at the edges of the brushwood fences. The highest deposition rate at this location corresponds to the ratio B/S = 0.25. Using the solver of the elliptic mild slope equation developed under Mike 21, the wave field in an enclosed area surrounded by a porous structure was numerically investigated. The calibration of some major variables in the numerical model such as wave breaking and bottom friction parameters, based on the experimental results, proved the adequacy of the selected numerical scheme. The effect of a single and double gap in a linear infinite porous media was afterwards evaluated and diffraction diagrams were built for the enclosed wave field. A rule was proposed to use a relative gap width G/Wmax less then 0.12. The wave field for two gaps is different and significantly influenced by the spacing between the gaps. For low spacing values (Es/G = 2), waves in the middle of the protected area are high along the structure and very low close to the shore. For high spacing values (Es/G = 5), the wave field is also significantly deformed. However, values of Es/G comprised between 3 and 4 seem to be most appropriate since the corresponding wave field is less deformed. The two gaps configuration does not significantly increase the residual total energy behind the structure. It is relatively constant with spacing variations between two gaps and increased slowly with the increase of a single gap width. The experimental observations and the numerical results were successfully applied in Mörigen bordering Lake Biel. The wave fields were calculated numerically behind a series of segmented brushwood fences. Several wind-wave regimes and varying water levels were analyzed to optimize the performance of the porous protection structures.
    Résumé
    La protection des rives lacustres contre l'érosion représente une problématique de grande importance pour la majorité des lacs suisses. Cette érosion accrue se manifeste particulièrement dans les zones peu profondes. Elle est souvent due à plusieurs facteurs en interaction, comme la fluctuation du plan d'eau, l'impact des vagues générées par les vents extrêmes ou les constructions inadaptées aux rives des lacs. Ces dernières souvent trop rigides, amplifient de ce fait l'impact des vagues incidentes et réfléchies. Pour lutter contre cette érosion et augmenter la stabilité des rives en utilisant des structures côtières plus appropriées et durables, des mesures douces et poreuses sont proposées et construites pendant les trois dernières décennies. Bien qu'elles aient prouvé leur efficacité, elles soulèvent une nouvelle question pour les ingénieurs : comment construire efficacement de telles structures en se basant sur une approche scientifique qui considère les conditions limnimétriques et hydrodynamiques du site? Sur la base d'une approche expérimentale et numérique, la performance d'une mesure typique, appelée barrage à claire-voie, est étudiée dans des conditions semblables à la réalité. Un modèle réduit (échelle 1 : 10) est construit sur un lit fixe, et testé dans un bassin à houle d'une longueur de 10 m et d'une largeur de 6 m, soumis à des vagues incidentes perpendiculaires et régulières. La réponse du barrage à claire-voie est mesurée par son coefficient de transmission. Les variables de cette étude sont la porosité et la hauteur de la structure ainsi que la profondeur d'eau et la période de vague incidente. L'analyse de plusieurs variables adimensionnelles a permis l'établissement d'une relation empirique pour le calcul du coefficient de transmission. Elle considère les caractéristiques géométriques de la structure ainsi que les conditions hydrodynamiques locales. L'effet du barrage à claire-voie construit sur un lit mobile est également examiné. Ce dernier est constitué d'un sable fin granulaire de diamètre d50 = 0.18 mm. L'évolution de la ligne de rive et du coefficient de transmission de la structure est déterminée sur la base d'une première série d'essais. Une seconde série d'essais a permis d'établir, d'une part, l'effet de la distance de la structure sur l'évolution de la ligne de rive et, d'une autre part, les volumes de sable déposés et érodés dans la partie protégée par la structure. Ces volumes sont également évalués pendant une troisième série d'essais avec la présence d'une simple ouverture dans les barrages à claire-voie. L'effet de la largeur de l'ouverture sur ces volumes est examiné de même. Avec le logiciel Mike 21 (solveur elliptic mild slope equation), le champ de vague dans une zone limitée par la structure poreuse est étudié numériquement. Basé sur les résultats expérimentaux, le calibrage des principales variables du modèle numérique tels que les paramètres liés aux déferlements des vagues et à la rugosité du fond, a prouvé la pertinence du choix du modèle numérique. L'effet de l'ouverture (simple ou double) dans des structures poreuses infinies et linéaires est évalué, permettant ainsi l'établissement des diagrammes de diffraction. Les effets de la période de vague et la perte de leur énergie incidente due à la présence des ouvertures sont également évalués. Des recommandations liées à la construction sont élaborées et concernent la largeur d'une simple ouverture et l'espacement entre deux ouvertures consécutives. Finalement, la modélisation numérique a donné l'approche adéquate pour le traitement de cas similaires. Les observations expérimentales et les résultats numériques sont employés dans une dernière étape pour calculer numériquement le champ de vague derrière les barrages à claire-voie à Mörigen dans le lac de Bienne. Cette étude de cas, basée sur des mesures in situ de vents et de vagues, a démontré l'importance de l'utilisation de la modélisation numérique pour des cas réels où plusieurs régimes de vagues de vent ainsi qu'un niveau d'eau variable pourraient modifier de manière importante l'efficacité des structures de protection.
    Zusammenfassung
    Der Schutz von natürlichen Seeufern ist an den Schweizer Mittelandseen von grosser Bedeutung, weil grosse Abschnitte durch Erosionen infolge des Wellenschlages gefährdet sind. Neben Windwellen können auch Wasserspiegelschwankungen und Bootsverkehr Ufererosionen verursachen. Auch fest verbaute Uferabschnitte können Wellen ungünstig auf ungeschützte Bereiche ablenken und ufernahe Erosionen verursachen. Um diesen erhöhten Erosionen zu begegnen und die Uferstabilität durch nachhaltige Uferstrukturen zu stabilisieren, sind in den vergangenen Dekaden weiche Uferschutzmassnahmen entwickelt worden. Obwohl diese Massnahmen Ihre Effektivität in der Praxis gezeigt haben, sind sie auch Ausgangspunkt eines neuen Aufgabengebiets für den Ingenieur: Wie sind solche weichen Uferschutzmassnahmen auf wissenschaftlicher Grundlage unter Berücksichtigung der hydraulischen und hydrodynamischen Randbedingungen in der Natur auszubilden? Im physikalischen und numerischen Modell wurde die Wirksamkeit von Lahnungen als Beispiel einer typischen Uferschutzmassnahme für naturähnliche hydrodynamische Bedingungen untersucht. Dazu wurde die Wirksamkeit von Lahnungen zunächst in einem 6 m breiten und 10 m langen Wellenbecken im Masstab 1:10 bei fester Sohle für senkrecht anlaufende, regelmässige Wellen ermittelt. Eine Quantifizierung der Wirksamkeit erfolgte im wesentlichen durch den Transmissionskoeffizienten, welcher für verschiedene Porositäten und Lahnungshöhen bei verschiedenen Wassertiefen und sechs Hauptwellenperioden gemessen wurde. Die Analyse des Einflusses verschiedener dimensionsloser Variablen auf die Wirksamkeit der Uferschutzmassnahme erlaubte die Einführung einer empirischen Beziehung für den Transmissionskoeffizienten. Diese berücksichtigt sowohl die Geometrie der Schutzmassnahme als auch die zu erwartenden hydrodynamischen Bedingungen. Daneben wurde der Einfluss von vorgelagerten Lahnungen für Einzelwellen im Modell mit beweglicher Sohle untersucht. Das Sohlmaterial bestand aus feinstkörnigem Sand mit einem Durchmesser von d50 = 0.18 mm. In einer ersten Versuchsreihe wurde der Transmissionskoeffiziernt und die Entwicklung der Uferlinie gemessen. In einer zweiten Versuchsreihe wurde der Einfluss des Abstands der Lahnungen von der Uferlinie einerseits auf deren Entwicklung und andererseits auf die Erosions- bzw. Sedimentationsmenge bestimmt. Schliesslich wurde in einer dritten Versuchsreihe die Bedeutung von Einzelöffnungen im Lahnungsbauwerk auf die Sedimentation und Erosion untersucht. Um die Ergebnisse aus dem physikalischen Modell auf beliebige Situtationen in der Natur übertagen zu können, wurden numerische Simulationen durchgeführt. Zur numerischen Modellierung wurde ein unter MIKE 21 entwickelter Gleichungslöser für die "Elliptic Mild Slope"-Gleichung eingesetzt. Die Kalibrierung der wesentlichen Modellparameter, wie der Parameter des Wellenbrechens und der Bodenreibung, erwies die Anwendbarkeit des gewählten numerischen Lösungsverfahrens. Mit Hilfe des numerischen Modells wurde der Einfluss von Einzel- und Doppelöffnungen in geradlinigen porösen Bauwerken untersucht und die Ergebnisse in Diffraktionsdiagrammen für den wellenberuhigten Bereich zusammengefasst. Zudem wurden Bemessungsregeln hinsichtlich der Breite von Einzelöffnungen und hinsichtlich des Abstandes aufeinanderfolgender Öffnungen in den Lahnungen gegeben. Die Ergebnisse der physikalischen und numerischen Modellierung wurden abschliessend verwendet, um das Wellenfeld hinter einer Lahnung bei Möringen im Bieler See zu berechnen. Dieses auf in-situ Wind und Wellenmessungen basierende Anwendungsbeispiel zeigte die Bedeutung der numerischen Simulation in der Praxis, wo verschiedene Windregime und variierende Wasserstände die Wirksamkeit von Uferschutzmassnahmen signifikant beeinflussen.