Voruntersuchung zur Stabilität und hydraulischen Leistung von mit Sand und Zement gefüllten Wellenbrechern aus geotextilen Sandcontainern

Dec 23, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15244 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Wellenbrecher sind wichtige Bauwerke, die in Häfen und Hafenanlagen für Ruhe sorgen, wenn es an natürlichen Schutzmaßnahmen mangelt. Traditionell werden diese massiven Bauwerke aus tonnenschweren Natursteinen errichtet. Im gegenwärtigen Szenario ist die Gewinnung riesiger natürlicher Steine ​​schwierig und nicht umweltfreundlich. Geotextile Sandcontainer (GSCs) erweisen sich als geeignete Alternative für die Felspanzereinheiten von Wellenbrechern und verschiedene Literaturstellen belegen ihre Wirksamkeit. Die vorliegende Untersuchung zielt darauf ab, die Leistung von GSCs zu analysieren, wenn sie mit einer berechneten Menge Zement und Sand gefüllt sind. Die hydraulische Leistungs- und Stabilitätsanalyse von mit Zement und Sand gefüllten geotextilen Wellenbrechermodellen wird in einem monochromatischen Wellenkanal im Maßstab 1:30 durchgeführt. Wenn GSC-Wellenbrecher mit Sand und Zement gefüllt sind, wird im Vergleich zu nur mit Sand gefüllten Einheiten eine um bis zu 43 % erhöhte Stabilität mit einer erheblichen Verringerung des Wellenauflaufs, -ablaufs und der Wellenreflexion beobachtet. Daher können mit Zementsand gefüllte GSC-Einheiten als mögliche Alternative zu nur mit Sand gefüllten Einheiten vorgeschlagen werden, bei denen Vandalismus bekämpft werden muss.

Wellenbrecher sind im Allgemeinen so konstruiert, dass sie Wellenenergie ableiten und so eine ruhige Atmosphäre im Hafenbereich schaffen, sodass Fracht problemlos von einem im Hafen liegenden Schiff be- und entladen werden kann. Darüber hinaus ist ein ruhiges Hafengebiet für den reibungslosen Betrieb von Häfen und Häfen von Vorteil. Meereswellen verursachen während der Monsunzeit oft schwere Küstenerosion und können katastrophale Folgen für das Küstenökosystem, den Lebensunterhalt und die Gemeinden haben. Der globale Klimawandel und der damit verbundene Anstieg des Meeresspiegels können in den angrenzenden Küstengebieten zu schweren Wellenbewegungen, Überschwemmungen und Küstenüberschwemmungen führen1. Wiederkehrende Wirbelstürme und damit verbundene Sturmfluten geben in letzter Zeit Anlass zur Sorge2,3,4. Daher ist es unumgänglich, über Schutzstrukturen zu verfügen, die die negativen Auswirkungen schädlicher Wellen auf Küstengebiete verringern können.

Küstenschutzbauwerke können grundsätzlich hart oder weich sein. Sandumgehung, Dünenauffüllung, Vegetationsschutz, Strandsanierung usw. gelten als sanfte Lösungen5,6. Als harte Lösungen werden untergetauchte und aufgetauchte Wellenbrecher, Deiche, Deiche, Deckwerke und Stege usw. übernommen7,8. Im Laufe der Jahre waren Schutthaufen oder steingepanzerte Strukturen das am häufigsten eingesetzte Wellenbrechersystem9. Der besorgniserregende Anstieg der Kosten für Naturgestein, die verringerte Verfügbarkeit und das Verbot des Abbaus in vielen Staaten erfordern praktikable Alternativen zu Felsstrukturen10. Im Laufe der Jahre gab es enorme Innovationen bei künstlichen Panzerungseinheiten. Betonwürfel, Tetrapoden, Accropoden, Dolos, Core Loc usw. sind einige bemerkenswerte Panzereinheiten9,11,12,13,14,15. Die Forschung wurde auf die Gestaltung innovativer Wellenbrecherstrukturen ausgeweitet. Einige bemerkenswerte Beiträge in dieser Hinsicht umfassen halb- und viertelkreisförmige Wellenbrecher16,17, Plattenwellenbrecher18, Tandemwellenbrecher19, schwimmende Rohrwellenbrecher20,21, Pfahlwellenwellenbrecher22,23 usw. Daneben werden Geokunststoffe auch häufig für verschiedene Anwendungen im Küsteningenieurwesen eingesetzt. Geokunststoffe beziehen sich auf eine breite Palette natürlicher oder künstlicher Polymermaterialien, die für verschiedene Anwendungen im Tiefbau verwendet werden können24. Zu den Geokunststoffen gehören Geotextilien, Geomembranen, Geogitter usw. (verwendet im Tiefbau, einschließlich Straßenbau, Abfallentsorgung, Hangsicherung usw.), wobei Geotextilien häufig für Anwendungen im Küsteningenieurwesen eingesetzt werden25,26. Zu den küstentechnischen Anwendungen von Geotextilien gehören Deckwerke27, Böschungen28, Wellenbrecher29, Panzereinheiten von Wellenbrechern30,31 und andere Küstenschutzstrukturen8,12,32,33,34,35. Geosynthetische Sandbehälter (GSCs) bieten nachweislich verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Felskonstruktionen36. Es kann ein breites Spektrum an Panzerungseinheiten einheitlicher Größe liefern, was im Fall von Gesteinen sehr schwierig ist37,38. Bei großen Containern können die Kosten pro Volumeneinheit gesenkt werden, wodurch sich die Bauzeit erheblich verkürzt. Das Füllverhältnis beeinflusst Stabilität und Form durch Ineinandergreifen und Flexibilität. Im Vergleich zu herkömmlichen Strukturen kann es auch an steileren Hängen gestapelt werden. Ein weiteres attraktives Merkmal der Geotextilkonstruktionen ist die Möglichkeit, das Rohr oder die Behälter vor Ort mit lokal verfügbaren Materialien zu füllen, was den Bau kostengünstig und schnell macht39. Trotz der Tatsache, dass GSC-Einheiten eine visuelle Wirkung haben, machen die oben genannten Vorteile sandgefüllte Geotextileinheiten zu einer praktikablen Alternative zu den primären und sekundären Panzerungseinheiten eines herkömmlichen Wellenbrechers aus Schutthügeln. Es gab weniger Versuche, die Leistung von Geotextileinheiten in einer Wellenbrecherstruktur zu quantifizieren, was einen dazu motivierte, die vorliegende Studie fortzusetzen.

Von Elias et al.30 durchgeführte physikalische Experimente untersuchen die Wirksamkeit sandverkapselter Geotextilbehälter als Panzerungseinheiten von Wellenbrecherstrukturen. Die Studie bestätigt den Nutzen geotextiler Sandcontainer (GSCs) bis zu einer Wellenhöhe von 3,96 m (Prototyp) beim Einsatz als Panzerungseinheiten von Wellenbrechern. Verschiedene Anordnungen, darunter Einzelschicht-, Doppelschicht- und Hangparallelanordnung, wurden untersucht, wobei die Doppelschichtanordnung eine bis zu 18 % höhere und die Hangparallelanordnung eine bis zu 11 % geringere Stabilität aufwies als die Einzelschichtanordnung. Wie in der Studie beschrieben, sind diese GSC-Einheiten anfällig für Schäden, die zufälliger, biologischer oder vandalistischer Natur sein können. Zu den zufälligen Schäden zählen ein direkter Aufprall oder ein Ankern von Booten auf das Bauwerk sowie Fischfang mit scharfen Werkzeugen, die die Geotextilien zerreißen, was zu Sandverlust führt40. Auch Treibholz und Eis verursachen gelegentliche Schäden29. Nagetiere und Ratten, die in der Nähe der Geotextilbehälter nisten und diese beschädigen, werden als biologische Schäden eingestuft41. Lebensmittelabfälle begünstigen die Ansiedlung von Ratten, was dazu führt, dass diese die Geotextilien zerreißen. Vandalismus oder vorsätzliche Zerstörung von GSC-Strukturen stellen ein großes Problem dar und bleiben ein Hauptnachteil. Es wird berichtet, dass freigelegte GSC-Strukturen die Neugier der Ureinwohner oder Touristen auf sich ziehen und sie schließlich mit scharfen Werkzeugen zerschneiden oder beschädigen. Vandalismus aufgrund von Messerschnitten führte zum Versagen von Kirra Groyne (Gold Coast, Australien), Submerged Reef in Kovalam, Kerala, St. Clair-Deckwerk (Dunedin, Neuseeland) usw.29,41. Sobald die Behälter zerschnitten sind, tritt der Sand aufgrund des Wellenangriffs aus, was zu einer völligen Entleerung und einem Ausfall führt. Als mögliche Lösung für dieses Problem untersucht die vorliegende Studie die Machbarkeit einer Mörtelmischung beim Füllen der GSCs von Wellenbrechern. Wenn die GSC-Einheiten mit Mörtel gefüllt werden, härten die Einheiten aus und bilden eine starre Struktur. Dies reduziert das Vandalismusrisiko, da die innere verfestigte Einheit auch bei Beschädigung der äußeren Geotextilabdeckung intakt bleibt.

GSC-Strukturen werden häufig mit Sand gefüllt. Zum Befüllen der Behälter werden trockener Sand, Sandschlamm (in der Regel 70 % Wasser, 30 % Sand) und sogar Baggergut verwendet42. Der zum Befüllen der Behälter verwendete Zement-Sand-Mörtel ist nicht sehr neu. Silvester43 führte Experimente durch, bei denen die Geotextilbehälter (wurstförmig) mit Zement und Sand gefüllt wurden. Die Zement-Sand-Mischung liegt in Form einer Aufschlämmung mit einem Setzmaß von 100 % vor, die eine leichte Bewegung in allen Teilen des Behälters ermöglicht. Wenn diese Behälter ausgehärtet sind, sollten sie die Festigkeit von Kalkstein besitzen. Laut Silvester können die Kosten für mit Mörtel gefüllte Würste im Vergleich zu Kalksteinkonstruktionen nur 12 % betragen. Rajagopal et al.44 beschreiben Schutzstrukturen mit Geokunststoffen am Pulickat-See, Tamil Nadu, Indien. Das vor Ort errichtete Wellenbrecherbauwerk wird mit einem Zement-Sand-Gemisch (10 % Zement) erprobt. Zementsandmischung wird in trockener Form in Behälter abgefüllt. Beim Eintauchen in Wasser erfolgt die Aushärtung innerhalb von 24 Stunden, auch im Meeresumfeld. Dies trägt dazu bei, die Sandwanderung innerhalb der Behälter zu reduzieren und dadurch die Leistung zu verbessern. Die Autoren weisen auf die Möglichkeit hin, das Strukturverhalten bei Variation des Zementanteils zu quantifizieren. Geo-Matratzen sind neuartige Strukturen, die mit Zement- und Sandschlamm gepumpt werden, um einen Matratzenbezug zu bilden45. Sie werden im Allgemeinen zur Hangsicherung und zum Flussschutz in Flussmündungsgebieten eingesetzt. Durch die Verwendung von Zement- und Sandmörtel als Füllmaterial verwandeln sich Geocontainer in eine harte Substanz. Selbst wenn die Stoffform abgebaut wird, bleibt der gehärtete Sand intakt43 und bildet „vandalismussicherere“ Einheiten. Alle oben genannten Faktoren veranlassten uns, die Eignung von mit Mörser gefüllten GSC-Einheiten als Panzerungseinheiten von Wellenbrechern zu untersuchen. Der vorliegende Aufsatz fasst die experimentellen Beobachtungen und Schlussfolgerungen sowie Versuche zusammen;

Analysieren Sie die hydraulische Leistung von Wellenbrechern, die mit zement- und sandgefüllten Geotextileinheiten gepanzert sind.

Analysieren Sie die Stabilität und Schäden von Wellenbrecherstrukturen, die mit zement- und sandgefüllten Geotextileinheiten gepanzert sind.

Vergleichen Sie die Leistung von zementgefüllten Panzerungseinheiten mit nur mit Sand gefüllten GSC-Wellenbrecherstrukturen.

Die physikalischen Modelluntersuchungen wurden im monochromatischen Wellenkanal am Department of Water Resources and Ocean Engineering, National Institute of Technology Karnataka (NITK), Surathkal, Indien, durchgeführt (Abb. 1). Aus den Erkenntnissen von Faraci46 lässt sich schließen, dass es keinen signifikanten Unterschied in den Ergebnissen der GSC-Strukturwellenreaktion mit monochromatischen und zufälligen Wellen gibt. Darüber hinaus können beim Experimentieren mit monochromatischen Wellen konservativere Stabilitätsergebnisse erzielt werden. Daher wurde beschlossen, mit monochromatischen Wellen fortzufahren (obwohl dies nicht die modernste Technologie ist, die heute verfügbar ist). Für diese Studie wird der verfügbare zweidimensionale Festbettwellenkanal mit einer Breite von 0,74 m, einer Tiefe von 1,1 m und einer Länge von 50 m einschließlich 25 m Glasscheiben für Fotografie und Betrachtung verwendet. Ein Ende des Gerinnes ist mit einem passiven Wellenabsorber ausgestattet und das andere Ende ist mit einem Wellengenerator mit Klappe am Boden ausgestattet, der Wellen erzeugen kann. Die Klappenbewegungen werden von einem 11 kW starken Induktionsmotor mit 1450 U/min gesteuert, um die Wellen zu erzeugen. Mit der vorhandenen Ausrüstung können in einer Wassertiefe von 0,50 m Wellen mit Periodendauern von 0,8 bis 4 s und Höhen von 0,02 bis 0,20 m erzeugt werden. Für die aktuelle Studie wird ein Modellmaßstab von 1:30 verwendet, um Froudes Similitude-Kriterien auf die Wellendaten der Küste von Mangaluru (Karnataka, Indien) zu beschränken.

Schematische Darstellung des GSC-Wellenbrechermodells im Wave Mechanics Laboratory, NITK26.

Die einfallenden und reflektierten Wellenhöhen werden mit drei kapazitiven Wellensonden am Meer mit einer Genauigkeit von 0,001 m gemessen. Wellensonden, eine Verstärkungseinheit und ein Computerdatenerfassungssystem bilden die gesamte Instrumentierungsanlage. Mit den Wellensonden wird der Kapazitätsunterschied zwischen Wasser und Kupferleiter gemessen. Der Laborwellenrekorder wandelt diesen digitalen Spannungseingang in Wellenhöhe und -periode um. Die Genauigkeit des Messsystems wird auf etwa 3 % geschätzt. Der Wellenauf- und -abschwung wird durch manuelle Beobachtung mit kalibrierten Streifendiagrammen aufgezeichnet, die auf die Glasscheiben geklebt sind.

Der Wellenbrecher besteht aus einem Kern aus M-Sand und Schichten aus GSC-Einheiten, die mit Zement und Sand gefüllt sind. Der Kern soll beim Prototyp aus Steinbruch bestehen. Der Kern wird anhand der Froud-Kriterien skaliert und die Einstufung erfolgt gemäß den vorherigen Studien47, die im selben Labor für Wellenmechanik durchgeführt wurden. Die Kernsortierung führte aufgrund des gewählten Maßstabs zu feinen Partikeln und war somit im Modellmaßstab undurchlässig. Der aufwändige strukturelle Entwurf des GSC-Wellenbrechers wird in Elias et al.30 diskutiert und geht über den Rahmen des vorliegenden Artikels hinaus. Die Skalierung von Geotextilien ist aufgrund der Schwierigkeit, 30-mal dünnere Stoffe herzustellen, nahezu unerreichbar. Einzelheiten zu den Eigenschaften und maßgeblichen Parametern des Wellenbrechermodells finden Sie in den Tabellen 1, 2 und 3. Als Voruntersuchung wird das entstandene, nicht überlaufende Wellenbrechermodell mit einer einzelnen Schicht aus mit Zement und Sand gefüllten Geotextilpanzerungseinheiten getestet (siehe Abb . 2). Wie aus der Arbeit von Rajagopal et al.44 hervorgeht, wird der den GSCs zuzusetzende Zementanteil auf 15 bis 20 % des GSC-Gewichts geschätzt. Die Größe, das Volumen, die Form, die Anordnung usw. der einzelnen GSC-Einheiten werden auf der Grundlage der umfangreichen Experimente von Elias et al.26,30 ausgewählt. Gleichung (1) wird für die Volumenberechnung eines vollständig aufgeblasenen rechteckigen Beutels mit der Länge a und der Breite b verwendet, der sich nicht dehnen oder scheren kann48

Abmessungen und Platzierungsmodi GSC-Einheiten, die in den Modellstudien30 verwendet wurden.

Die Studie untersuchte vier Sandsäcke, nämlich Beutel 1, Beutel 2, Beutel 3 und Beutel 4, die sich in Größe und Sandfüllprozentsatz unterschieden. Beutel 3 mit einer Länge von 0,16 m und einer Breite von 0,08 m erwies sich hinsichtlich der hydraulischen Leistung und Stabilität als die leistungsstärkste Panzerungseinheit; Daher beschränkt sich die vorliegende Untersuchung auf Experimente mit Sack 3, der im Prototyp fast 13,5 Tonnen wiegen würde. Der Bau kann mit ähnlichen Methoden herkömmlicher Schutthügelwellenbrecher erfolgen. Die Platzierung von GSC-Einheiten kann mithilfe von Lastkähnen mit geteiltem Boden, GPS-Positionierung usw. erfolgen. Aufgrund von Maßstabseffekten ist der Widerstand der Taschen im Feld größer als der, der im Modell auftritt. Nach dem Füllen mit der berechneten Menge Zement und Sand in trockener Form werden die Einheiten vernäht. Anschließend werden die Einheiten bis zu 24 Stunden lang ausgehärtet. Gehärtete Einheiten sind über dem Wellenbrecherkern so angeordnet, dass ihre längeren Abmessungen parallel zum Wellenangriff verlaufen (basierend auf den Erkenntnissen von Shirlal und Mallidi49). Nachdem das Modell vollständig aufgebaut ist, wird Wasser in den Wellenkanal bis zur gewünschten Tiefe gepumpt.

Das konstruierte Modell wird einem ausgewählten Wellenklima ausgesetzt, um die hydraulische Leistung des GSC-Wellenbrechers zu bewerten, einschließlich Wellenauflauf, -ablauf und -reflexion. Das Bauwerk wird zunächst kleineren Wellen von 0,06 m ausgesetzt, die in Abständen von 0,02 m für eine festgelegte Wellenperiode schrittweise auf bis zu 0,16 m gesteigert werden. Von der Struktur reflektierte Wellen können den Wellengenerator erreichen und so die gewünschten Wellenbedingungen verändern. Um solche Probleme zu vermeiden, wird der Wellenangriff auf einen Ausbruch von nicht mehr als acht Wellen beschränkt, wobei der Generator abschaltet und kurze Pausen zwischen den einzelnen Testfällen ermöglicht, um die Wellenenergie zu dämpfen und eine ruhige Wasseroberfläche zu erzeugen. Darüber hinaus werden Wellenabsorber am Strand- und Generatorende bereitgestellt, basierend auf den Erkenntnissen verschiedener Literatur50,51,52. Wellenreaktionen wie Hochlauf, Niedergang und Reflexion werden für jede Bedingung (für eine feste Wellenhöhe und Periode für eine Wassertiefe) berechnet, indem drei Sätze von Wellenzügen mit jeweils acht Wellen gesendet werden. Isaacson53 schlug einen Drei-Sonden-Ansatz zur Berechnung des Reflexionskoeffizienten Kr vor. Drei Wellensonden werden seewärts des Wellenbrechermodells im Abstand von L und L/3 platziert. Kr wird anhand der an den Sonden erhaltenen Wellenamplituden berechnet. Wellenamplituden von drei Sonden werden für eine beabsichtigte Wellenhöhe beobachtet und die Periode wird den von Isaacson vorgeschlagenen Formulierungen zugeführt. Der Reflexionskoeffizient ändert sich im Laufe der Zeit aufgrund der Welle-Welle-Wechselwirkung und einer möglichen Verformung des Wellenbrechers. Da es sich um einen abgeleiteten Parameter handelt, kann der mit der angegebenen Methode berechnete Reflexionskoeffizient einen Fehler von bis zu 20 % aufweisen. Zur Aufzeichnung der Vor- und Nachlaufwerte dienen die auf den Glasscheiben der Gerinne aufgeklebten Streifendiagramme. Anlauf und Ablauf sind die maximalen vertikalen Grenzen des Wellenauf- und -abstiegs an der Struktur, gemessen in Bezug auf den Stillwasserstand. Da ein Burst von lediglich 8 Wellen verwendet wird und keine hochentwickelten Instrumente zur Aufzeichnung dieser Größen erforderlich sind, müssen die erhaltenen Wellenauf- und -ablaufwerte nicht genau sein. Abbildung 1 zeigt den Versuchsaufbau, während Abbildung 3 die Entwurfsparameter des Wellenbrechermodells zeigt.

Darstellung des konstruierten GSC-Wellenbrechermodells26.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Wellenbrechern aus Schutthügeln erfolgt die Stabilitäts- und Schadensklassifizierung von GSC-Wellenbrechern auf einzigartige Weise, wie von Dassanayake und Oumeraci54 vorgeschlagen. Die Wellenbrecherstruktur wird Wellen der gewünschten Höhe und Periode ausgesetzt und die Wellen-Struktur-Wechselwirkung wird analysiert. Die Verschiebung/Bewegung und Ablösung von Panzereinheiten wird untersucht und aufgezeichnet und dann in die Schadenskategorien DC0 bis DC4 eingeteilt, wie in Tabelle 4 dargestellt. Panzereinheiten können gemäß den in Tabelle 4 angegebenen Kriterien stabil, verschoben oder abgelöst sein. Verschiebung und Ablösung von Einzelne Einheiten werden durch manuelle Untersuchung quantifiziert. Die aktuelle Struktur ist bis zu 3000 Wellen ausgesetzt, um Schadensniveaus zu definieren, die mit 6–11 Stunden tatsächlicher Sturmdauer vergleichbar sind55. Angenommen, die GSC-Einheiten weisen während der gesamten Sturmdauer einen „stabilen“ Zustand (gemäß Tabelle 4) auf; Die Konfiguration wird für die jeweilige Wellenhöhe und -periode als DC0 („Kein Schaden“) klassifiziert. Beim Experimentieren werden die Wellenhöhe und -periode erhöht und die Struktur in verschiedene Schadensgrade eingeteilt. Bevor zum nächsten Fall übergegangen wird, wird die beschädigte Struktur neu organisiert. Das Wasser wird aus dem Gerinne abgelassen und der Kern wird für Tests mit einer neuen Konfiguration von GSC-Einheiten wieder zusammengebaut, sobald die Konfiguration für alle Testwellenbedingungen untersucht wurde. Bei Mörsereinheiten verursachen Wellen beim Schaukeln der Einheiten pulsierende und aufprallende Kräfte, was zu Ermüdung führt. Wenn die Anzahl der Wellenbelastungszyklen zunimmt, kommt es zur Bildung und Ausbreitung von Rissen, die zum Bruch von Einheiten führen. Die Begrenzung des Wellenangriffs auf einen Ausbruch von 8 Wellen trägt dazu bei, den Effekt des zyklischen Ladens zu reduzieren, sodass fortschreitende Wellen nicht zu einer Ermüdung der GSC-Einheiten führen, wenn die Wellenreaktionen aufgezeichnet werden.

Da die tatsächlichen Feldbedingungen in Gerinneexperimenten nicht konsistent reproduziert werden können, erfordert die Modellierung einer Küstenstruktur einige Vereinfachungen oder Annahmen. Daher liegen den aktuellen Untersuchungen folgende Annahmen zugrunde.

Der Meeresboden ist fest und horizontal, daher wird das Experiment nicht durch Sedimentbewegungen beeinflusst.

Zehenrillen, die durch das Auswaschen von Sedimenten entstehen, werden nicht berücksichtigt.

Die Skalierung von Geotextilien und Sand wird nicht versucht und ihr Einfluss auf die Strukturleistung wird nicht berücksichtigt.

Der Dichteunterschied zwischen Meerwasser und Süßwasser (im Wellenkanal verwendet) wird nicht berücksichtigt.

In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse von Untersuchungen an mit Mörtel gefüllten geotextilen Wellenbrechern detailliert beschrieben. Aus den vorherigen Experimenten geht hervor, dass Bag 3 das Modell mit der besten Leistung ist26,30. Dieses leistungsstärkste Modell von Bag 3 wird dann mit Mörtel gefüllt, um seine Wirksamkeit bei der Verwendung als Panzerungseinheiten der Wellenbrecherstruktur zu analysieren. In diesem Zusammenhang werden folgende Konfigurationen im Wellenkanal getestet;

Beutel 3 gefüllt mit 15 % Zement, einlagig gestapelt.

Beutel 3 gefüllt mit 20 % Zement, einlagig gestapelt.

Beutel 3 gefüllt mit 20 % Zement, doppelt gestapelt.

Die Wellenauflaufhöhe wird aufgezeichnet, um die relative Auflaufhöhe (Ru/H0) zu berechnen, was für das Verständnis des Überlaufens und der Übertragung von Wasser über den Wellenkamm der Struktur hilfreich ist. Der relative Anlauf aller getesteten Wellenbrecherkonfigurationen ist in Abb. 4 dargestellt. Dies zeigt, dass Wellenbrecher aus einlagigem Beutel 3 mit 15 % Zement den maximalen relativen Anlauf aufwiesen, wobei die doppellagige, mit 20 % Zement gefüllte Konfiguration am geringsten war. Wellenbrecher mit einer einschichtigen, mit 15 % Zement gefüllten Konfiguration zeigten einen um maximal 15,9 bzw. 33,33 % höheren relativen Anstieg im Vergleich zu Wellenbrechern mit einer einzelnen Schicht aus 20 % bzw. einer doppelten Schicht aus 20 % Zementsäcken.

Relativer Hochlauf aller getesteten Konfigurationen.

Der relative Anlauf im Vergleich zum Wellenhöhen-zu-Tiefen-Verhältnis (H0/d) aller getesteten Wellenbrecherkonfigurationen ist in Abb. 5 dargestellt. Dies zeigt, dass einlagige Wellenbrecher mit 15 % zementgefüllten Panzerungseinheiten den maximalen relativen Anlauf aufwiesen, bei doppellagigen Wellenbrechern 20 % Konfiguration ist die geringste. Dieses Diagramm ist hilfreich bei der Analyse der Wirksamkeit verschiedener Platzierungsmodi.

Relativer Anlauf vs. Wellenhöhe-zu-Tiefen-Verhältnis (H0/d) aller getesteten Konfigurationen.

Wellenbrecher, die mit zu 15 % mit Zement gefüllten Säcken gepanzert waren, neigten dazu, nach innen zu brechen. Diese gebrochenen Beutel neigen dazu, sich in der Strukturneigung neu auszurichten, was zum Verschluss bestimmter Porenräume führt. Dadurch verringerte sich die Wellendissipation, was zu einem erhöhten Hochlauf führte. Wenn die Säcke mit 20 % Zement gefüllt waren, wirkten sie wie feste Einheiten und erzeugten mehr Porenräume. Diese massiven Einheiten boten keinen Spielraum für Nachjustierungen, so dass die Porenräume nicht beeinträchtigt wurden. Dies förderte eine erhöhte Wellendissipation am Strukturhang, was zu einem geringeren Hochlauf führte. Darüber hinaus nahm die Porosität der Struktur zu, wenn eine zusätzliche Schicht angebracht wurde, was zu einer weiteren Wellendissipation am Strukturhang führte. Dies führte zu geringeren Hochlaufgeschwindigkeiten der Doppelschichtanordnung.

Der Wellenverlauf ist hilfreich, um das Verhalten von Wasser zu verstehen, das sich von der Strukturoberfläche zurückzieht. Der relative Abbau aller getesteten Konfigurationen ist in Abb. 6 dargestellt. Dies zeigt, dass einschichtige Wellenbrecher, die mit 15 % Zement bewehrt waren, den höchsten relativen Abbau aufwiesen, wobei die doppelschichtige Wellenbrecherstruktur aus zu 20 % mit Zement gefüllten Einheiten am geringsten war. Beutel 3, eine einlagige Konfiguration mit 15 % Zementfüllung, stellte einen um 5 bzw. 31,25 % höheren relativen Abbau im Vergleich zu einlagigen 20 % (Zementfüllung) bzw. zweilagigen 20 % (Zementfüllung) Anordnungen dar. Der relative Abfluss im Vergleich zum Wellenhöhen-zu-Tiefen-Verhältnis (H0/d) aller getesteten Konfigurationen ist in Abb. 7 dargestellt. Dies zeigt, dass Wellenbrecher, die mit einer einschichtigen Zementfüllung von 15 % gepanzert waren, den maximalen relativen Abfluss aufwiesen, mit einer Doppelschicht von 20 Der Prozentsatz der mit Zement gefüllten Konfiguration ist am geringsten. Dieses Diagramm ist hilfreich bei der Analyse der Wirksamkeit verschiedener Platzierungsmodi.

Relative Übersicht aller getesteten Konfigurationen.

Relativer Rundown im Vergleich zum Verhältnis von Wellenhöhe zu Tiefe (H0/d).

Die Platzierung einzelner Schichten weist nahezu ein ähnliches Ablaufverhalten auf, mit einer Abweichung von maximal 5 %. Wenn die Panzerungseinheiten in Doppelschichten angeordnet sind, trug eine erhöhte Porosität zur Wellenableitung bei, was zur Folge hatte, dass der Wellenabfluss bei Doppelschichtstrukturen abnahm.

In diesem Abschnitt wird die Analyse der Wellenreflexion vom Wellenbrecher vorgestellt. Die Drei-Sonden-Methode von Isaacson53 wird zur Schätzung des Reflexionskoeffizienten Kr übernommen. Die Variation von Kr mit dem Wellensteilheitsparameter für alle Testfälle ist in Abb. 8 dargestellt. Es ist offensichtlich, dass alle Testfälle im Vergleich zu herkömmlichen Wellenbrechern niedrigere Kr-Werte aufwiesen, wie bei Zanuttigh und van der Meer14. Die Wellenbrecherstruktur mit einschichtiger Konfiguration und 20 % Zementfüllung zeigte die maximale Reflexion, bis zu 76 % höher als bei anderen Modellen. Die angepassten Kurven weisen einen schlechten Korrelationskoeffizienten auf, der nur bis zu 19 % beträgt. Verringerte Kr-Werte sind eine Folge der erhöhten Porosität und der daraus resultierenden Zunahme der Wellendissipation am Strukturhang.

Berechnete Kr-Werte für alle getesteten Fälle.

Es ist zu beachten, dass bei der Befüllung der Geotextilbehälter mit Mörtel durch die entstehende Wellenbrecherstruktur mehr Porenräume entstehen als bei Behältern mit reinem Sand (Abb. 9). Durch den Zementierungsprozess wurde die interne Sandverdrängung bei Welleneinwirkung gestoppt. Darüber hinaus sind die harten Einheiten tendenziell vergleichsweise stabil als ihre rein sandigen Gegenstücke. In den meisten Fällen wurde ein Herausziehen als Hauptversagensart beobachtet. Der Prozess des Herausziehens aus Containern erfolgt aufgrund eines Wellenangriffs auf Panzereinheiten. Laut Recio56 ist die Schnittstellenreibung der Hauptfaktor für den Auszug von GSC-Einheiten. Die Reibungseigenschaften des Materials und der Kontaktfläche zwischen zwei Behältern steuern die Grenzflächenreibung. Bei mit Zement gefüllten Säcken werden die Säcke nach der Erstarrung voluminös und verringern die Kontaktfläche zwischen zwei Behältern. Dadurch verringert sich die Reibung an der Grenzfläche, was zu einem erhöhten Herausziehen der GSC-Panzerungseinheiten führt.

Das Bild zeigt einen Sandbehälter, der mit 15 % Zement gefüllt und in einer einzigen Schicht angeordnet ist. Beachten Sie die Sperrigkeit der Einheiten, die zu einer höheren Porosität beiträgt.

Wie von Dassanayake und Oumeraci54 sowie Elias et al.30 berichtet, können Incipient-Motion-Kurven (DC1-Kurven) als geeignetes Instrument zur Abgrenzung der Stabilität eines bestimmten Falles dienen. Der Cw-Wert wird für jeden beginnenden Bewegungspunkt berechnet, Gl. (2) und sein Durchschnittswert wird in (3) zum Zeichnen der Stabilitätskurven verwendet.

wobei Ns die Stabilitätszahl und ξ0 der Oberflächenähnlichkeitsparameter ist und durch (4) und (5) dargestellt wird. Hs ist die einfallende signifikante Wellenhöhe, ρw und ρGSC entsprechen der Dichte von Meerwasser und GSC. D ist die Dicke der Panzerungsschicht, gegeben durch l.sinα, wobei l die Länge der GSC-Panzerungseinheiten ist, α der Neigungswinkel der geosynthetischen Struktur ist, L0 die Tiefwasserwellenlänge ist, gleich gT2/2π, wobei T die Welle ist Zeitraum.

Anfängliche Bewegungskurven werden für Beutel 3 erhalten, der mit 15 % Zement gefüllt und in einer einzigen Schicht angeordnet ist, wie in Abb. 10 dargestellt. Experimente werden bei drei verschiedenen relativen Wassertiefen durchgeführt: 0,007 < d/gT2 < 0,018 (0,35 m), 0,008 < d/gT2 < 0,020 (0,40 m) und 0,009 < d/gT2 < 0,023 (0,45 m). Wie aus der Grafik hervorgeht, war die Stabilität bei der niedrigsten Wassertiefe (0,35 m) um 25 bis 29 % höher als bei 0,40 bzw. 0,45 m Wassertiefe. Eine höhere Wellenaktivität, Wellenenergie bei zunehmender Wassertiefe kann hierfür ein möglicher Grund sein. Darüber hinaus ist der Wellenauf- und -abfluss in größeren Wassertiefen höher, was zu einer erhöhten Instabilität führt.

Anlaufkurven für Beutel 3, gefüllt mit 15 % Zement, angeordnet zu einer einzigen Schicht.

Anfängliche Bewegungskurven werden für Beutel 3 erhalten, der mit 20 % Zement gefüllt ist und in Abb. 11 in einer einzigen Schicht angeordnet ist. Experimente werden bei drei verschiedenen relativen Wassertiefen durchgeführt: 0,007 < d/gT2 < 0,018 (0,35 m), 0,008 < d/ gT2 < 0,020 (0,40 m) und 0,009 < d/gT2 < 0,023 (0,45 m). Wie aus der Grafik hervorgeht, war die Stabilität bei der niedrigsten Wassertiefe (0,35 m) um 2,4 bis 3,5 % höher als bei 0,40 bzw. 0,45 m Wassertiefe. Der Wellenauflauf war bei 0,35 m Wassertiefe geringer, daher sind die Verformungen beim Auflauf vergleichsweise geringer.

Anlaufkurven für Beutel 3, gefüllt mit 20 % Zement, angeordnet zu einer einzigen Schicht.

Es wurde jedoch festgestellt, dass die Stabilitätsabweichung vergleichsweise geringer ist als bei einem mit 15 % Zement gefüllten Fall. Als der Zementanteil in den Säcken von 15 auf 20 % stieg, stieg die Stabilität der Struktur zudem auf maximal 43,3 %. Die Anfangsbewegungskurven, die für Beutel 3 erhalten wurden, der mit 20 % Zement gefüllt und in Doppelschichten angeordnet war, sind in Abb. 12 dargestellt. Experimente wurden bei drei verschiedenen relativen Wassertiefen durchgeführt: 0,007 < d/gT2 < 0,018 (0,35 m), 0,008 < d/ gT2 < 0,020 (0,40 m) und 0,009 < d/gT2 < 0,023 (0,45 m). Wie aus der Grafik hervorgeht, war die Stabilität bei der niedrigsten Wassertiefe (0,35 m) um 4,5 bis 8,1 % höher als bei 0,40 bzw. 0,45 m Wassertiefe. Möglicherweise liegt eine höhere Wellenaktivität und Wellenenergie in größeren Tiefen vor. Darüber hinaus zeigt sich bei einer Erhöhung der Schichtzahl von eins auf zwei ein erheblicher Stabilitätsverlust von bis zu 23,6 %. Die Hauptgründe für diese Beobachtungen werden in den folgenden Abschnitten erörtert.

Anlaufkurven für Beutel 3, gefüllt mit 20 % Zement, doppelte Schicht.

Was die hydraulische Leistung und Stabilität betrifft, zeigt sich, dass Wellenbrecherstrukturen mit GSC-Panzerungseinheiten, die mit 20 % Zement gefüllt sind, eine bessere Leistung erbringen als solche, die mit 15 % Zement gefüllt sind. Daher werden in der vorliegenden Studie keine Untersuchungen zu Strukturen mit zweischichtigen GSC-Einheiten durchgeführt, die mit 15 % Zement gefüllt sind.

In diesem Abschnitt wurde der Einfluss der Anzahl der Schichten und des Zementanteils getestet. Stabilitätskurven aller experimentellen Konfigurationen werden für eine relative Wassertiefe von 0,007 < d/gT2 < 0,018 (0,35 m tatsächliche Wassertiefe im Gerinne) in Abb. 13 analysiert. 20 % mit Zement gefüllte Säcke, die in einer einzigen Schicht angeordnet waren, zeigten eine erhöhte Stabilität, 13,63 und 17,18 % höher als Konfigurationen mit 15 % Zement-Einzelschicht bzw. 20 % Zement-Doppelschicht.

Stabilitätskurven aller experimentellen Konfigurationen für eine relative Wassertiefe 0,007 < d/gT2 < 0,018 (0,35 m tatsächliche Wassertiefe im Gerinne).

Stabilitätskurven aller experimentellen Konfigurationen werden für eine relative Wassertiefe von 0,008 < d/gT2 < 0,020 (0,40 m tatsächliche Wassertiefe im Gerinne) in Abb. 14 analysiert. 20 % mit Zement gefüllte Säcke, die in einer einzigen Schicht angeordnet waren, zeigten die höchste Stabilität, 39,6 und 19,6 % höher als Konfigurationen mit 15 % Zement-Einzelschicht bzw. 20 % Zement-Doppelschicht. Stabilitätskurven aller experimentellen Konfigurationen werden für eine relative Wassertiefe von 0,009 < d/gT2 < 0,023 (0,45 m tatsächliche Wassertiefe im Gerinne) in Abb. 15 analysiert. 20 % mit Zement gefüllte Säcke, die in einer einzigen Schicht angeordnet waren, zeigten die höchste Stabilität. 43,3 bzw. 22,9 % höher als Konfigurationen mit 15 % Zement-Einzelschicht bzw. 20 % Zement-Doppelschicht.

Stabilitätskurven aller experimentellen Konfigurationen für eine relative Wassertiefe von 0,008 < d/gT2 < 0,020 (0,40 m tatsächliche Wassertiefe im Gerinne).

Stabilitätskurven aller experimentellen Konfigurationen für eine relative Wassertiefe 0,009 < d/gT2 < 0,023 (0,45 m tatsächliche Wassertiefe im Gerinne).

Aus der obigen Analyse geht hervor, dass bei einer Erhöhung des Zementgehalts von 15 auf 20 % die Stabilität erheblich zunimmt, nämlich von 13,6 auf 43,3 %. Die Sandsackstruktur mit 20 % Zementanteil zeigte eine höhere Festigkeit. Die Festigkeit des Beutels nahm aufgrund eines erhöhten Zementanteils zu. Dies könnte der Grund sein, da es einer höheren Wellenaktivität standhalten könnte. Allerdings neigte das gehärtete Material in bestimmten mit 15 % Zement gefüllten Beuteln dazu, innerhalb des Behälters zu brechen, wodurch es bei höherer Wellenaktivität anfällig für Ablösungen wurde.

Wenn bei Säcken mit 20 % Zementfüllung von einer Einzelschicht auf eine Doppelschicht umgestellt wird, ist ebenfalls eine Abnahme der Stabilität um 17,18 bis 22,9 % zu beobachten. Diese Beobachtung widersprach der allgemeinen Vorstellung, dass die Stabilität mit zunehmender Anzahl äußerer Panzerschichten zunimmt. Die verringerte Stabilität der Doppelschichtstruktur kann hauptsächlich auf die mangelnde Reibung der äußeren Panzerschicht zurückgeführt werden. Infolgedessen neigen Einheiten aus der äußeren Schicht dazu, sich bei geringeren Wellenhöhen abzulösen, wie in Abb. 16 dargestellt. Beutel mit zerbrochenen Einheiten im Inneren sahen beim Fotografieren praktisch gleich aus. Ein Fall einer Panzerungsverformung wurde hinzugefügt und in Abb. 16 dargestellt.

Bild zeigt abgelöste GSC-Einheiten von der äußeren Schicht des Wellenbrechermodells.

Abbildung 17 zeigt die vergleichende Analyse des Anlaufverhaltens von zementgefüllten GSC-Panzerungseinheiten mit anderen Basis-GSC-Panzerungskonfigurationen, wie in Elias et al.30 diskutiert. Die Anlaufkurven schwanken tendenziell auf einer Skala der relativen Anlaufgeschwindigkeit (Ru/H0) zwischen 0,5 und 2,7, wobei die doppelschichtige Konfiguration der Panzerung des Beutels 3 (20 % mit Zement gefüllt) die geringsten Anlaufgeschwindigkeiten aufweist und die parallel angeordnete Konfiguration die geringsten Anlaufgeschwindigkeiten aufweist höchste Anlaufraten. Von allen getesteten Konfigurationen sind die Hochlaufraten bei zementgefüllten Anordnungen am niedrigsten. Dies ist auf die erhöhte Wellendissipation entlang der Strukturneigung zurückzuführen, die aufgrund der höheren Strukturporosität zu geringeren Auflaufraten führt. Mit Zementsand gefüllte Strukturen weisen eine höhere Porosität auf, da es keinen Spielraum für Nachjustierungen gibt, damit die Poren abgedeckt werden können, wie im Fall von GSCs. Genauere Beobachtungen in Abb. 18 zeigen, dass der relative Wellenauflauf erheblich abnimmt, wenn die Anzahl der Schichten von eins auf zwei steigt. Die einschichtige Bag-3-Struktur mit einer allein mit Sand gefüllten Panzerung zeigte eine Reduzierung der Anlaufraten um 13,15 % bis 8 % im Vergleich zur doppelschichtigen Anordnung. In ähnlicher Weise ist bei der mit Zement und Sand gefüllten Doppelschichtkonfiguration von Beutel 3 eine Reduzierung der Anlaufgeschwindigkeiten um bis zu 31 % im Vergleich zu dem einschichtigen Gegenstück zu verzeichnen. Wenn die Schicht zunimmt, entstehen mehr Porenräume, was die Wellendissipation über die Struktur beschleunigt und so den Hochlauf verringert.

Vergleichende Analyse des Hochlaufverhaltens aller getesteten Konfigurationen.

Relativer Wellenauflauf für verschiedene Platzierungsarten von Bag 3.

Was die Platzierungsmethode anbelangt, so ist bei der hangparallelen Platzierung eine höhere Anlaufgeschwindigkeit zu beobachten. Die Hangparallelanordnung zeigte eine um bis zu 31,5 % bzw. 16,27 % erhöhte relative Steigung im Vergleich zu Doppel- und Einzelschichtstrukturen. Der Hauptgrund für diese Beobachtung ist der kontinuierliche Abdeckungsmechanismus bei geneigter paralleler Anordnung, der die Porosität der Struktur verringert. Dadurch erhöht sich der Anlauf und es wird mehr Wellenenergie reflektiert, da sie nicht in der Lage ist, Energie abzuleiten.

Was den Wellenabfluss betrifft, weisen die Hangparallellagen den Maximalwert auf, der bis zum 2,5-fachen der einfallenden Wellenhöhe reicht (siehe Abb. 19). Die geringsten Abtragungswerte weisen die Bauwerke bei einem Zementgehalt von 20 % auf (relative Abtragung im Bereich von 1,1 bis 1,5). Die Rundown-Werte aller anderen Modelle liegen zwischen diesen beiden Fällen. Der Hauptgrund für den hohen Abtrag ist die durchgehende, hangparallele Anordnung der Abdeckung, die die Porosität der Struktur verringert. Dadurch gleitet das Wasser und bleibt am Gefälle der Struktur, ohne absorbiert zu werden oder über die Poren abzuleiten. Außerdem ist mit zunehmender Größe der Panzereinheit eine Verringerung des Abtrags um 20 bis 30 % zu beobachten. Wie in den vorherigen Abschnitten erläutert, kann die zunehmende Porosität der Struktur mit zunehmender Größe der Panzerungseinheit der wesentliche Faktor für den verringerten Hochlauf sein.

Vergleichende Analyse des Abschaltverhaltens aller getesteten Konfigurationen.

Die Reflexionswerte erscheinen gestreut, wie in Abb. 20 dargestellt. Man kann beobachten, dass alle anderen getesteten Konfigurationen niedrigere Reflexionsraten aufweisen als der herkömmliche Wellenbrecher, mit Ausnahme der GSC-Einzelschichtkonfiguration. Es ist zu beachten, dass mit Mörtel gefüllte Konfigurationen geringere Reflexionsraten aufweisen, mit einem maximalen Reflexionskoeffizienten Kr von 0,2. Eine erhöhte Porosität könnte in diesem Fall der mögliche Grund für die Verringerung der Reflexion sein.

Reflexionskurven.

Stabilitätskurven für alle getesteten GSC-Wellenbrecherkonfigurationen helfen bei der Analyse der Wirksamkeit verschiedener Platzierungstechniken. In der vorliegenden Untersuchung wird die Struktur mit „Bag 3“-Panzerung in allen Arten von Anordnungen experimentiert, einschließlich Einzel- und Doppelschichten, geneigter paralleler Platzierung und Zement-Sand-Füllung. Daher wurden in Abb. 21 die Stabilitätskurven der Panzerung von Bag 3 mit allen getesteten Anordnungen für eine Wassertiefe von 0,45 m dargestellt. Die Tiefe von 0,45 m war die schädlichste Tiefe unter allen Experimentierfällen, daher wurden nur kritische Fälle von Stabilitätstests untersucht . Die einschichtige Konfiguration mit 20 % Zement weist die maximale Stabilität auf, wobei die Platzierung parallel zum Hang und die einschichtige Konfiguration (15 % Zement) am schwächsten sind.

Stabilitätskurven für Bag 3 mit allen getesteten Anordnungen.

Wie beobachtet, waren einschichtige Strukturen bis zu 22 % stabiler als doppelschichtige Strukturen, wenn GSC-Einheiten mit Zement gefüllt waren. Dies steht im Widerspruch zu der Tatsache, dass die Stabilität mit der Anzahl der Schichten zunimmt. Der mögliche Grund für diese Instabilität kann die fehlende Reibung zwischen den Schichten sein, da Geotextilien verwendet werden. Darüber hinaus bildeten diese GSC-Einheiten kissenförmige Feststoffe (anfällig für leichte Verschiebung) mit schlechter Verzahnung, wenn die Zement-Sand-Mischung in den Säcken erstarrte. Nur mit Sand gefüllte Einheiten (siehe Abschnitt „Stabilitäts- und Schadensanalyse“) zeigten im Vergleich zu mit Zement gefüllten Einheiten eine geringere Stabilität. Von allen getesteten Konfigurationen zeigte die parallele Hanganordnung aufgrund der geringeren Porosität und der erhöhten Auflauf- und Destabilisierungsaktivität am Strukturhang die geringste Stabilität.

Die Studie half bei der Analyse der Stabilität und hydraulischen Leistung von mit Mörtel gefüllten GSC-Wellenbrechern. Generell lässt sich sagen, dass GSC-Wellenbrecher eine bessere Leistung erbringen, wenn sie mit Zement- und Sandfüllungen ergänzt werden. Daher kann dies als vandalensichereres geotextiles Sandauffangsystem für den Feldeinsatz vorgeschlagen werden. Jeder Faktor, der sich auf die Stabilität und die hydraulische Leistung der Struktur auswirkt, wurde eingehend untersucht und daraus die folgenden abschließenden Bemerkungen abgeleitet.

Von allen getesteten Konfigurationen zeigten Wellenbrecher, die mit Beutel 3, gefüllt mit 15 % Zement, gepanzert waren, den maximalen Wellenauf- und -ablauf von bis zu 33 % bzw. 31 %.

Bei GSC-Einheiten mit 15 % Zement wird beobachtet, dass sie aufgrund ihres stärkeren Hochlauf- und Rücklaufverhaltens eine höhere Neigung zum Bruch innerhalb des Beutels haben, was zu einer Neuausrichtung und Schließung der Oberflächenporen führt.

Von allen getesteten Konfigurationen zeigten Wellenbrecherstrukturen mit einlagigen GSC-Einheiten, die mit 20 % Zement gefüllt waren, eine bis zu 76 % höhere Wellenreflexion, wobei alle getesteten Fälle eine geringere Reflexion aufwiesen als herkömmliche Wellenbrecher.

Bei einer Erhöhung des Zementanteils von 15 auf 20 % ergibt sich eine deutliche Stabilitätssteigerung von 13,6 auf 43,3 %.

Es wurde festgestellt, dass eine einschichtige Wellenbrecherstruktur mit GSC-Einheiten, die 20 % Zement enthalten, die maximale Stabilität aufweist, während Hangparallelanordnungen hinsichtlich der Stabilität am schwächsten sind.

Wenn Wellenbrecherstrukturen mit GSC-Einheiten, die 20 % Zement enthalten, von einer Einzelschicht auf Doppelschichten umgestellt werden, wird ebenfalls eine Abnahme der Stabilität um 17,18 bis 22,9 % beobachtet.

Wenn die Panzerungseinheiten von GSC-Wellenbrechern mit Mörtel gefüllt sind, wird im Vergleich zu nur mit Sand gefüllten GSC-Wellenbrechern eine um bis zu 43 % erhöhte Stabilität bei einer erheblichen Verringerung des Wellenauf- und -abflusses beobachtet. Daher können mit Zementsand gefüllte GSC-Einheiten als mögliche Alternative zu nur mit Sand gefüllten Einheiten vorgeschlagen werden, bei denen Vandalismus bekämpft werden muss. Darüber hinaus erhöhen sich die Haltbarkeit und Wellenbeständigkeit der Wellenbrecher, wenn Einheiten aus verfestigtem Sand verwendet werden. Die vorläufige Untersuchung zu Stabilitäts- und hydraulischen Leistungsnomogrammen kann als das wichtigste Forschungsergebnis angesehen werden, da sie Küsteningenieuren bei der Gestaltung und Planung von GSC-Wellenbrechern hilft. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass von den drei getesteten Konfigurationen zu 20 % mit Zement gefüllte Säcke, die in einer einzigen Schicht angeordnet waren, maximale Stabilität und minimalen Wellenauf- und -ablauf aufwiesen. Dies kann als das leistungsstärkste Modell angesehen werden, da die zu 15 % mit Zement gefüllte Einzelschichtstruktur und die zu 20 % mit Zement gefüllte Doppelschichtstruktur bestimmte Nachteile hatten. Wie erläutert, neigte eine mit 15 % Zement gefüllte einschichtige Struktur dazu, innerhalb des Beutels zu brechen, was zu einer Neuausrichtung der Poren und damit zu einem erhöhten Hoch- und Runterlauf führte. Ein erhöhter Hoch- und Rücklauf ist für die Feldpraxis nicht zu empfehlen, da dies zum Überlaufen und Übertragen der Wellen führen kann. Darüber hinaus lässt sich auch eine abnehmende Stabilität feststellen. Wenn Wellenbrecher mit doppelten Schichten mörtelgefüllter Einheiten ausgestattet sind, war ein günstiger Rückgang des Wellenauf- und -ablaufs bei gleichzeitiger Verringerung der Stabilität zu verzeichnen. Daher wird der Schluss gezogen, dass die Anordnung von verfestigten GSC-Einheiten in einer Doppelschicht für Feldanwendungen nicht empfohlen wird.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken dem Direktor des NITK, Surathkal, Mangaluru, Indien und dem Leiter der Abteilung für Wasserressourcen und Meerestechnik für die Möglichkeit, die vorliegende Forschung durchzuführen. Wir danken Khator Technical Textiles, Maharashtra, Indien, für die technische Unterstützung bei der kostenlosen Lieferung von Vlies-Geotextilien. Die Unterstützung von nichtlehrenden Mitarbeitern und Kollegen bei der Durchführung physikalischer Modellversuche wird in Dankbarkeit angenommen. Wir danken den Doktoranden Geetha und Gopichand herzlich für ihre Unterstützung.

National Institute of Technology Karnataka, Surathkal, Indien

Tom Elias und Kiran G. Shirlal

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A. Physikalische Experimente, Manuskripterstellung. B. Manuskriptkorrektur und -bewertung. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Tom Elias.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 06. Juni 2022

Angenommen: 01. September 2022

Veröffentlicht: 09. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19673-9

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