Het model dat in Delft uit baksteen is opgetrokken heeft een schaal van 1:40, maar is toch 60 bij 20 meter groot. Met twee ruime voorhavens, een sluiskolk en daarin een uit hout nagebouwd zeeschip. “Voor een project van deze omvang een buitengewoon belangrijke test, want je wilt precies de werking van het nivelleersysteem vaststellen en de effecten van de menging en uitwisseling van zoet en zout water”, vertelt Wim Kortlever, die het project namens Rijkswaterstaat leidt. “Een test met een schaalmodel is de ultieme onderbouwing voor belangrijke beslissingen over het technische ontwerp.”

De Nieuwe Zeesluis die de negentig jaar oude Noordersluis gaat vervangen, heeft een lengte van 545 meter, een nuttige lengte van 500 meter voor schepen en een kolkbreedte van 70 meter. De kolkbodem ligt op NAP –17,75 meter. Het ontwerpschip voor de beoordeling van het nivelleersysteem is een grote bulkcarrier met een lengte van 330 meter en een breedte van 52 meter. De maximale diepgang in de sluiskolk is wegens kanaalbeperkingen ‘slechts’ 13,75 meter in zout water. Maar dat maakt de vraag niet minder relevant welke nivelleertijden mogelijk zijn. Idealiter wordt in de sluis het hoogteverschil tussen zee en kanaal zo snel mogelijk vereffend, maar daarbij moeten de krachten op de schepen wel binnen de gestelde limieten blijven. Belangrijke randvoorwaarde is het dichtheidsverschil tussen het zoute water in de Buitenhaven en het zoete (brakke) water in het Noordzeekanaal. “Door een zoute stroom boven de bodem en een zoete stroom boven in de waterkolom krijg je interne golven. Dat kan leiden tot grote krachten op schepen die in de kolk zijn afgemeerd”, zegt Kortlever.

Twee ontwerpen

Deltares testte in het schaalmodel van de sluis twee ontwerpen voor het nivelleersysteem: één met openingen in de sluisdeuren en één met omloopriolen in de sluishoofden. De modelleurs bouwden die twee nivelleringsmethoden exact na in het schaalmodel.

Tijdens de modelproeven werden ongeveer tweehonderd meetsignalen verzameld, onder meer van waterstanden, waterdichtheden en krachtenwerking tijdens de waterbeweging in de sluiskolk. De waterhellingen geven een beeld van de krachten op het schip als gevolg van het nivelleren. De krachten die op het schip werken als gevolg van de werking van zoet en zout water zijn te bepalen aan de hand van de gemeten dichtheidsverticalen.

Verder analyseerden de onderzoekers de langs- en dwarskrachten en het giermoment op het schip. Belangrijk, want als de krachten op een afgemeerd schip in de kolk te hoog oplopen, kunnen trossen breken en de bewegingen van het schip te groot worden. De uitkomsten van het schaalmodelonderzoek worden gebruikt voor valideren van numerieke modellen, maar leidden ook tot aanpassing van de eisen in het dbfm-contract.

Uit het schaalmodelonderzoek bleek dat de dichtheidskrachten in IJmuiden aanzienlijk kunnen zijn, zowel tijdens het nivelleren als tijdens de kolkuitwisseling. Voordat de sluis werd aanbesteed, zijn daarom de contracteisen ten aanzien van de hefsnelheden van de nivelleerschuiven verlaagd.

Uit de proeven bleek dat bij nivelleren met riolen de demping van translatiegolven sterker is. Kortlever: “In principe zijn beide methoden geschikt, maar riolen zijn gunstiger. De nivelleertijden kunnen daarbij minder lang zijn.”

Consortium OpenIJ (BAM/VolkerWessels/DIF) begint voorjaar 2016 met de uitvoering, de sluis moet eind 2019 klaar zijn. Dat belooft een uitdaging te worden, want het bestaande sluizencomplex en de wegverbinding eroverheen moeten in gebruik blijven.

Het project heeft voor het consortium een waarde van circa 500 miljoen euro. De kosten van het modelonderzoek waren circa 1,5 miljoen euro. Is dat niet duur, je hebt toch ook numerieke modellen? Kortlever: “Ja, maar we kunnen numeriek nog niet alle fysische processen beschrijven die zich voordoen bij vullen van een sluis met een schip erin. Nu hebben we alles perfect in beeld.”