Vloeistof–constructie-interactie bij onderwaterexplosies voor sloop van dwarsdammen: een casestudy van de fase III RCC-dwarsdam van de Drieklovendam

Een tijdelijke dam veilig laten ontploffen

Wanneer een enorm bouwwerk zoals de Drieklovendam in China aan de Yangtze-rivier wordt gebouwd, houden tijdelijke “hulp”dammen, cofferdams, het bouwterrein droog. Uiteindelijk moeten die cofferdams worden verwijderd, vaak met explosieven, zonder de hoofddam te beschadigen of de stroomopwekking te verstoren. Deze studie legt uit hoe ingenieurs geavanceerde computersimulaties gebruikten om precies te begrijpen hoe een massieve betonnen cofferdam onder water uiteenvalt en omvalt tijdens een explosie — en hoe het omringende water dat bewegingspatroon mede bepaalt.

Waarom water sloop zo ingewikkeld maakt

Rots en beton op het droge opblazen is al gecompliceerd. Onder water wordt het veel complexer. Water verandert het gedrag van explosies: het drukt op het explosief, draagt krachtige schokgolven en drijft hogedrukgassen in scheuren. Daardoor kan het breken van beton en het bewegen van gebroken blokken over de rivierbodem niet betrouwbaar worden voorspeld met regels voor landontploffingen. Toch komt onderwaterexplosie veel voor in havens, vaargeulen, waterkrachtprojecten en grote dokken, waar cofferdams vlakbij waardevolle constructies gesloopt moeten worden. Ingenieurs hebben betere methoden nodig om te voorspellen hoe fragmenten vliegen, schuiven en bezinken, zodat nabijgelegen dammen en energiecentrales veilig blijven.

Een reusachtige tijdelijke wand in diep water

Het onderwerp van dit onderzoek is de fase III roller-compacted concrete (RCC) cofferdam bij het Driekloveproject, een lange, zwaartekrachtwand die ongeveer 114 meter stroomopwaarts parallel aan de hoofddam loopt. In tegenstelling tot veel tijdelijke werken is deze cofferdam gebouwd met de toekomstige sloop in gedachten. Tijdens de bouw werden drie interne ladingkamers en speciale „breuk”gaten in de constructie meegegoten, zodat latere explosies het bovenste deel kunnen doorsnijden en gecontroleerd kunnen laten omvallen. De uitdaging was enorm: meer dan 180.000 kubieke meter beton moest worden verwijderd in één 480 meter lange sectie, bij watertypen tot ongeveer 40 meter diep — bijna het dubbele van eerdere cofferdam-ontploffingen wereldwijd — en dat alles binnen strikte veiligheidsmarges dicht bij de hoofddam en de krachtcentrale.

Elke brok en elke werveling simuleren

Om deze risicovolle operatie te bestuderen, bouwden de auteurs een gedetailleerd computermodel dat de cofferdam behandelt als duizenden individuele betonnen “deeltjes” die aan elkaar gebonden zijn, omgeven door water dat stroomt en er op duwt. Ze combineerden twee krachtige tools: één die de beweging van de vloeistof volgt (computational fluid dynamics) en een andere die de beweging en het breken van vele vaste delen volgt (discrete element modeling). Door deze codes te koppelen kon het team volgen hoe het door explosies aangedreven hogedrukwater eerst een inkeping in de wand snijdt, daarna hoe het bovenste deel scheurt, roteert, schuift en uiteindelijk op de rivierbodem valt, terwijl water opwelt, recirculeert en het puin afremt of van richting verandert.

Hoe de cofferdam uiteenvalt

De simulaties laten de sloop in drie hoofdfasen zien. Eerst snijden de getimede explosies in de interne kamers en breukgaten een diepe, schuine opening en verplaatsen het steunpunt van het bovenste deel. Onder zijn eigen gewicht en door het verschil in waterdruk binnen en buiten de cofferdam begint dit bovenste blok te roteren als een langzaam vallende deur. Ten tweede, terwijl het overhellend schuift, glijdt het blok langs de nieuw gevormde helling van het overgebleven beton, met water dat op zijn gevel drukt en eronder doorstroomt. Gebroken brokken die in de rivierbodem schuiven versnellen het omringende water en creëren tegenstromen die fragmenten bij de randen vertragen terwijl stukken in het midden sneller bewegen. Ten slotte verliest het bovenste deel het contact met de helling en valt vrij onder water naar de rivierbodem, waar wervels en draaikolken rond het bezinkende puin draaien. Het model toont ook hoe de resterende onderste cofferdam grofweg de geplande vorm en hoogte behoudt.

Het model aan de tand voelen

Computermodellen zijn alleen nuttig als ze met de werkelijkheid overeenkomen. Tijdens de daadwerkelijke explosie bij de Driekloven registreerden sensoren op de hoofddam trillingen toen de omgevallen cofferdam de rivierbodem raakte. Het eerste sterke impactsignaal verscheen ongeveer 16,1 seconden na de detonatie — dezelfde timing als voorspeld door de simulatie. Opmetingen van het onderwaterterrein lieten zien dat de gapende opening door de gesloopte cofferdam en de hoogte van het overgebleven deel nauw aansloten bij het ontwerp en de berekende resultaten. Deze overeenstemming geeft ingenieurs vertrouwen dat het gekoppelde model zowel het falen van het beton als de reactie van het water kan vastleggen.

Wat dit betekent voor toekomstige dammen

Voor niet-specialisten is de belangrijkste conclusie dat de studie een uiterst energierijke, moeilijk waarneembare onderwaterexplosie omzet in een voorspelbaar, gevisualiseerd proces. Door de cofferdam te behandelen als veel gebonden blokken en de rivier als een bewegende vloeistof, laten de onderzoekers zien hoe water niet alleen explosieve energie overbrengt maar ook het vallende puin opveert, van richting verandert en soms vertraagt. Hun aanpak kan ontwerpers helpen veiligere sloopstrategieën te plannen voor grote cofferdams en andere onderwaterconstructies, het risico voor hoofddammen, energiecentrales en werknemers verminderen en explosieven en locatiecondities beter benutten.

Bronvermelding: Wu, L., Liang, Z., Cai, Y. et al. Fluid–structure interaction in underwater blasting demolition of cofferdam structures: a case study of three gorges phase III RCC cofferdam. Sci Rep 16, 5175 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35562-x

Trefwoorden: onderwaterexplosieven, slopen van cofferdams, Drieklovendam, vloeistof-structuur-interactie, numerieke simulatie