Publicatie Cement 2018-1: Bouw sluishoofden naast bestaand kanaal
Het is een gecompliceerde operatie: het verlengen, verbreden en renoveren van een sluis zonder het scheepvaartverkeer te hinderen. Dat is dan ook de grote uitdaging bij de bouw van de nieuwe Södertäljesluis in het gelijknamige kanaal nabij Stockholm in Zweden. De bouw van twee bouwputten naast de bestaande sluis biedt uitkomst. Hierin worden de nieuwe sluishoofden gebouwd en getest voordat ze in hun totaliteit naar hun definitieve plaats worden ingevaren.
De huidige sluis in het Södertäljekanaal is gebouwd in 1819 en ligt tussen het Mälarenmeer en de Baltische Zee. Deze sluis, die in 1924 al werd gerenoveerd, heeft een sluiskolk van 135 m lang en 20 m breed en is de grootste van Scandinavië. Om het groeiende maritieme verkeer aan te kunnen, is de bouw van een nieuwe sluis toch onvermijdelijk. De hoeveelheid scheepvaart is in de loop der jaren exponentieel toegenomen, evenals de formaten van de zeeschepen. Met een nieuwe sluis krijgen zeeschepen van 165 m bij 23 m toegang tot havens die verder landinwaarts liggen. De vernieuwing van de sluis is onderdeel van het grootschalige Mälarenproject.
Het project bestaat uit de verlenging en verbreding van de sluis en de bouw van twee nieuwe sluishoofden en sluisdeuren plus een nieuwe basculebrug (fig.1). Het ontwerp en de engineering van het project wordt, met uitzondering van de basculebrug, uitgevoerd door S3P, een samenwerkingsverband tussen de Nederlandse ingenieursbureaus MH Poly Consultants & Engineers B.V. en Iv-Infra.
In het referentieontwerp van de opdrachtgevers is in de eerste instantie uitgegaan van de bouw van de sluishoofden op de definitieve locatie van de landhoofden. Een geprefabriceerde drempel zou tussen deze landhoofden worden gehesen. Deze oplossing bleek na studie te risicovol, onder meer door de levensduur, uitvoerbaarheid en benodigde stremming. Een andere oplossing moest worden gevonden.
De bouwput bestaat uit gestempelde combiwanden uit damwanden, deels versterkt met HE-profielen. De bodem van de bouwput is gerealiseerd met een onderwaterbetonvloer die met trekankers is vastgezet.
Door deze oplossing kan het kanaal tijdens de werkzaamheden beschikbaar blijven voor de scheepvaart, terwijl de sluishoofden in de droge bouwkuipen worden gebouwd. Hier worden ook de deuren in de sluishoofden geïnstalleerd en kunnen er mock-up-tests met het aandrijvingssysteem worden gedaan. Ook de afdichtingen worden uitvoerig getest.
Wanneer het sluishoofd in positie is gebracht, wordt deze in de hoeken tijdelijk opgehangen aan een speciale ophangconstructie. Tussen de onderzijde van het sluishoofd en de bodem zit nog een holle ruimte; deze ruimte wordt gedurende de tijdelijke oplegging van het sluishoofd met beton of grout opgevuld. De invaaroperatie, inclusief nauwkeurig positioneren en aanbrengen van de vulling, moet per sluishoofd binnen één week zijn voltooid. Langer mag de sluis niet buiten dienst zijn.
In het uiteindelijke ontwerp hebben de sluishoofden een relatief dunne sluisvloer van 1 m dik, met aan de voor- en achterzijde een zwaargewapende koker van 4 m hoog (fig. 3.). Deze combinatie leidt tot een stijve constructie, met een minimale vervorming tot in de uiterste hoeken van de constructie. Om de sluisdeuren nauwkeurig aan te laten sluiten op de betonconstructie zullen alle aansluitingen in een separate stort worden aangebracht. Hierdoor kan aan de strenge geometrische toleranties worden voldaan. Dit gebeurt pas nadat de constructieve elementen gereed zijn.
Anders dan gebruikelijk in Zweden worden de gebogen delen geprefabriceerd. Bijvoorbeeld de neus van de gekromde drempel waarop de sluisdeur aansluit. Om de stroming die de sluiskolk ingaat goed over het gehele doorstroomprofiel te verdelen, is ervoor gekozen de achterzijde van de drempel een kwart ellipsvorm te geven. Hierdoor blijft het water langer aan het beton ‘plakken’ en schiet het niet direct omhoog, wat voor een rustiger stroombeeld zorgt. Het constructieve deel van de drempel wordt wel volledig in de betonconstructie opgenomen (fig. 4).
Segmentdeuren zijn net als sectordeuren cirkelvormig, maar draaien om een horizontale as. Om de sluis te openen, draaien de deuren naar beneden weg (fig. 6). Het voordeel van deze deuren is dat de krachten als gevolg van de hydrostatische druk, als normaalkracht worden overgebracht en dicht bij de hoofdas blijven. De deuren van dit systeem hebben ook als voordeel dat ze tweezijdig kunnen keren en met stroming kunnen worden afgesloten. De deuren kunnen voor inspectie of onderhoud omhoog boven waterniveau.
De segmentdeuren worden gebruikt voor het nivelleren van de waterstand in de sluiskolk, door middel van een nivelleeropening in de deur. Hiermee ontstaat tijdens het openingsproces een opening waardoor water kan stromen. Bij een hoek van 5 graden wordt de sluisdeur tijdelijk stil gehouden, zodat het water in de schutkolk even hoog kan stijgen als het water aan de andere kant van de sluisdeur.
Het gedrag van de stroming van het water dat hierbij ontstaat, is onderzocht met een Computational Fluid Dynamics-studie (CFD). In deze studie wordt gekeken of de inkomende stroming op deze manier zo optimaal mogelijk kan worden verdeeld over het gehele doorstroomprofiel en niet te veel naar de oppervlakte wordt geleid. Dit is ondervangen door de vorm van de drempel aan te passen.
Aan de achterkant van de staalplaat van de deuren bevinden zich twee drijfkamers. Deze zorgen ervoor dat de sluisdeur de neiging heeft automatisch te sluiten. De drijfkamers hebben mede tot doel de permanente belasting te reduceren. Vanwege veiligheidsredenen wordt de deur vastgezet wanneer hij open of dicht is.
Elke sluisdeur wordt aangedreven door een hydraulische cilinder op de hoofdas. De uitkragende as wordt op zijn plaats gehouden door een primaire lager direct naast de dwarsarmen en een secundaire lager in het machinegebouw. De hydraulische cilinder en beide lagers zijn op een zogenoemde skid geïntegreerd dat op een betonconstructie is verankerd. Deze skid kan in een later stadium worden aangepast, zodat eventuele zettingen of tijdsafhankelijke vervormingen niet tot onnodig hoge spanningen, wrijving of slijtage in de primaire lagers zal leiden.
Het raakvlak tussen de afdichtingen aan de zijkant van de sluisdeur en de tegenoverliggende oppervlakten in het sluishoofd is cirkelvormig, net zoals de sluisdeuren zelf. Het middelpunt van dit raakvlak ligt iets lager dan het middelpunt van de sluisdeur zelf. Hierdoor bewegen de afsluitingen van de sluisdeur, bij het openen ervan, van het sluishoofd af. Er ontstaat zo minder wrijving en slijtage aan de afsluitingen.
Om te voorkomen dat schepen de dwarsarmen beschadigen, is een modulaire fenderconstructie van bijna 2m breed aangebracht op het sluishoofd en tussen de dwarsarmen en het kanaal.
De deuren van de oude sluishoofden worden, na het in gebruik nemen van de nieuwe, verwijderd. De bestaande sluishoofden worden echter niet volledig weggehaald, aangezien het verlengde deel van de kade op het oude sluishoofd komt te liggen. Aan de westzijde worden de kamer van de oude sluisdeur dichtgezet met damwanden en de overgebleven ruimte opgevuld. Aan de oostzijde van de sluis wordt het landhoofd van het sluishoofd verankerd in de grond, waarna het overtollige beton wordt weggehaald tot aan de gewenste breedte. De ruimte die hiertussen is ontstaan, wordt afgesloten met een nieuwe damwand.
