static and dynamic loads on the first row of single layer

163
i Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer armour units Master thesis M.A. van de Koppel May 2012 Delft University of Technology Faculty of Civil Engineering & Geosciences Section Hydraulic Engineering Delta Marine Consultants Department Coastal Engineering

Upload: others

Post on 25-Oct-2021

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Static and dynamic loads on the first row of single layer

 

 

Static and dynamic loads on the first row 

of interlocking, single layer armour units  

 

 

 

 

  

 

 

Master thesis 

M.A. van de Koppel 

May 2012          

 

 

 

 

 

 

 

    

Delft University of Technology  

Faculty of Civil Engineering & Geosciences 

Section Hydraulic Engineering 

 

Delta Marine Consultants 

Department Coastal Engineering 

Page 2: Static and dynamic loads on the first row of single layer

 

 

 

 

 

Static and dynamic loads on the first row 

of interlocking, single layer, armour units  

Master thesis 

M.A. van de Koppel  

 

 

 

 

 

This research is performed for the partial fulfilment of requirements for the Master of Science degree 

at the University of Technology, Delft, The Netherlands 

 

 

Graduation Committee: 

 

Prof.dr.ir. W.S.J. Uijttewaal    Delft University of Technology 

Ir. J. van den Bos       Delft University of Technology 

Ir. H.J. Verhagen       Delft University of Technology  

Ir. M. Muilwijk         Delta Marine Consultants / BAM Infraconsult 

 

 

 

 

 

List of trademarks in this report: 

Delta Marine  Consultants  (DMC)  is  a  registered  trade  name  of  BAM  Infraconsult  bv,  The 

Netherlands 

Xbloc is a registered trademark of Delta Marine Consultants (DMC), The Netherlands 

Xbase is a registered trademark of Delta Marine Consultants (DMC), The Netherlands 

 

The  use  of  trademarks  in  any  publication  of  Delft  University  of  Technology  does  not  imply  any 

endorsement or disapproval of this product by the University. 

 Delft University of Technology  

Faculty of Civil Engineering & Geosciences 

Section Hydraulic Engineering 

 

Delta Marine Consultants 

Department Coastal Engineering 

Page 3: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

iii 

 

Preface  

This thesis contains the results of a study on the static and dynamic loads on the first (bottom) row of 

interlocking, single  layer armour units. This study was performed  in order to fulfil the requirements 

for the degree of Master of Science in Civil Engineering  at Delft University of Technology.  

 

This  research was  supervised and evaluated by a graduation committee consisting of  the  following 

persons:  Prof.  Dr.  Ir. W.S.J.  Uijttewaal,  Ir.  J.  van  den  Bos  Ir.  H.J.  Verhagen  of  Delft  University  of 

Technology and Ir. M. Muilwijk of Delta Marine Consultants / BAM Infraconsult. I would like to thank 

the members of this graduation committee for their very useful advice and their supervision on this 

research. 

 

During  this  research  physical  model  test  were  performed  in  the  wave  flume  of  Delta  Marine 

Consultants which is a trademark of BAM Infraconsult. I would like to thank Delta Marine Consultants 

for the support of my research and  I would  like to thank the personnel of Delta Marine Consultants 

for their advice and the good working environment they created.  

 

I would  like to thank Greta and  Joost  for their editorial contribution to this thesis. And  last but not 

least I thank my parents for their support throughout my study and also my girlfriend, Leonie, for her 

editorial contribution and her support. 

 

I wish the reader of this thesis as much pleasure and interest as I had conducting this research. 

 

 

Michael van de Koppel 

Gouda, May 2012 

Page 4: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

  

iv 

 

Abstract 

Interlocking, single layer concrete armour units are placed in a specific grid depending on the type of 

armour unit. Within this grid, armour units are placed  in horizontal rows. The number of horizontal 

rows of single  layer armour units on a breakwater  is  limited to 20. This  limit  is proposed  in order to 

prevent major settlements, which might affect the interlocking of the armour units. The limit on the 

number of  rows  is based on experience  from prototypes  and  is not  yet  confirmed  in  a  systematic 

study. Then number of rows also might have an effect on the load on the first (bottom) row of armour 

units, which affects the structural  integrity of the armour units. The  load on the first row of armour 

units  is however unknown. The  research presented  in  this  thesis  is a study on  the  load on  the  first 

(bottom) row of concrete armour units placed on a breakwater.  

 

The objective of  this  research was  to  study  the magnitude of  the occurring  load  and  the  relevant 

processes influencing this load. The total load on the first row of armour units can be decomposed in 

a number of loads from which the static and the dynamic load were further studied in this research. 

Based on literature two hypotheses were developed; one regarding the static load and one regarding 

the dynamic load.  

Experiments 

The  static  load  and  the  dynamic  load were  studied  in  separate  experiments.  The  static  load was 

studied  in an experiment  in which this static  load on the first row of (366 gram Xbloc) armour units 

was  continuously measured  as  function  of  the  number  of  rows  applied  on  the  slope  of  a model 

breakwater (up to 20 rows) with a slope of 37 degrees (3V:4H). This experiment, which was repeated 

15 times, resulted in a graph that displays the measured static load on the first row of armour units as 

function  of  the  number  of  rows  applied  on  the  slope  of  the model  breakwater.  A  second  static 

experiment was executed in order to study the individual force balance. The critical angle at which an 

armour  unit  is  just  stable was  determined.  From  this  data  the  individual  force  balance  could  be 

determined.  

 

The  dynamic  load was  studied  in  a  physical model  test  in  a wave  flume.  The  dynamic  load was 

measured  during  tests  with  regular  waves  of  20%  to  100%  of  the  maximum  wave  height 

corresponding  to  the  used  (62  gram  Xbloc)  armour  unit  and  a wave  period  corresponding  to  an 

Iribarren number of 3, 4 and 5 for all of the described wave heights. Several parameters were varied 

resulting  in a total of 10 tests, each with a unique combination of parameters which were repeated 

for at  least three times. The varied parameters are: the number of rows applied on the breakwater, 

the relative packing density (RPD) of the armour layer, the permeability of the core, the smoothness 

of the underlayer and the slope of the breakwater. These cases (different tests) were compared to a 

reference case. The reference case is a breakwater model with a slope of 3:4, a total of 20 rows with a 

RPD  of  100%  and  a  normal  permeable  core  and  a  normal  smoothness  of  the  underlayer.  The 

parameters were changed one at the time, relative to the reference case. 

Results and conclusions static load 

Based on  a  theoretical  analysis of  the  individual  force balance of  an  armour unit  a  linear  relation 

between the number of rows applied on a breakwater and the static load was expected. The results 

from  the  static experiment showed however a  relation between  the  static  load on  the  first  row of 

armour units and the number of applied rows which was not  linear but flattened with an  increasing 

number of rows and approached a constant static load of 1,1 times the unit weight per armour unit 

(see figure). 

 

Page 5: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

 Theoretical and measured static load on the first row of armour units  

The  static  load  on  the  first  row  of  armour  units  originates  from  the  along  slope,  individual  force 

balance  of  the  armour  units.  The  force  balance  of  a  single  unit  consist  of  the  along  slope weight 

component  of  the  unit  and  the  friction  of  the  unit  with  the  under  layer.  An  imbalance  of  this 

individual force balance results in a load on the lower positioned armour units. The transfer of these 

loads on  lower positioned armour units add up and result eventually  in the  load on the first row of 

armour  units.  The  relation  between  the  number  of  rows  and  the  static  load  approaches  and 

equilibrium, which can be explained by the difference between the individual force balances and thus 

the different transfer of forces to the under layer by the various armour units. 

 

From the study on the critical angle of the slope at which an armour unit is just stable it was learned 

that a certain number of armour units are positioned in a very stable position. These armour units are 

able  to  transfer  high  forces  to  the  under  layer  and  as  a  result,  transfer  less  force  to  the  lower 

positioned armour units. The  influence of  these units on  the static  load on  the  first  row of armour 

units  was modelled  in  a  one‐dimensional model  which  was  able  to  reproduce  the  shape  of  the 

measured static  load on the first row of armour units as function of the number of rows applied on 

the  slope of a breakwater. These  very  stable positioned armour units are  thus  responsible  for  the 

observed flattening of the relation between the static  load on the first row of armour units and the 

number of rows applied on the slope of a breakwater.  

 

The  influence of an external  load,  imposed on a certain row, on the static  load on the first row was 

studied  based  on  this model  and  the measured  static  load.  It  appeared  from  this  study  that  an 

external load imposed on a higher row had less influence on the static load on the first row of armour 

units. An external load imposed on row 10 or higher added less than 10% of this external load to the 

static load on the first row of armour units. From this analysis it was concluded that loads imposed on 

row 10 or higher do not have a significant influence on the load on the first row of armour units. 

Results and conclusions dynamic load 

The measurements of the dynamic load showed two clear phenomena.  The first phenomenon was a 

periodic  behaviour  of  the  dynamic  load with  a  certain  peak‐to‐peak  amplitude.  This  peak‐to‐peak 

amplitude was related to the downwash. The dynamic load appeared to be a harmonic load with the 

same period as  the waves  imposed on  the model. The dynamic  load was  the  result of  the  flow of 

water along the armour layer. The maximum dynamic load on the first row of armour units occurred 

simultaneous with the maximum downwash. The following relation between the downwash velocity 

and the peak‐to‐peak amplitude of the dynamic load was found: 2

peak to peak

,max

A  =a downwash

downwash

U

U

 

Based  on  a  theoretical  analysis  it  was  concluded  that  the  downwash  is  the  main  mechanism 

influencing the dynamic load on the first row of armour units. The influence of porous flow from the 

Page 6: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

core through the armour layer, which destabilises the armour units and might induce a higher load on 

the  first  row  of  armour  units  was  only  studied  in  a  theoretical  analysis.  The  influence  of  this 

mechanism was  found  to be  in  the order of 13%, much  smaller  than  the  remaining  load which  is 

induced by the downwash. 

 

The  following parameters were of  influence on  the peak‐to‐peak amplitude of  the  load on  the  first 

row of armour units; the permeability of the core, the smoothness of the under layer and the slope of 

the  breakwater  (a  flatter  slope  results  in  smaller  peak‐to‐peak  amplitudes).  The  number  of  rows 

applied on the breakwater had no (clear) influence on the load on the first row of armour units for the 

tested number of rows (15 to 25). Based on the static model  it was determined that external  loads 

imposed on row ten or higher have a limited influence on the load on the first row of armour units. 

The  dynamic  load  on  an  armour  unit  can  be  regarded  as  an  external  load  and,  based  on  this 

statement, it can be concluded that dynamic load imposed on row ten or higher have a limited effect 

on the load on the first row of armour units. The influence of the initial packing density on the peak‐

to‐peak amplitude of  load on the first row of armour units was found to be unclear for the packing 

density measured over the entire slope.  

 

The second observed phenomenon was the  increment of the wave averaged  load (equilibrium  load) 

on the first row of armour units during the test. During the tests the harmonic load oscillated around 

an equilibrium line which showed a positive trend. The measured load after testing was significantly 

higher  than  the measured  load at  the beginning of  the  tests. The  following  relationship was  found 

between the relative wave height and the increment of the load on the first row of armour units: 2

 =3,1 0,80equilibrium

g x max max

F H H

F N H H

 

This  trend was  independent of  the number of  rows and  the RPD, although  the RPD of  the  first  ten 

rows might have had some influence. The parameters which were found to have an influence on the 

peak‐to‐peak  amplitude  also  had  an  influence  on  the  increase  of  the  equilibrium  load.  A  smooth 

under layer and an impermeable core resulted in a larger increase of the equilibrium load during the 

tests compared to the reference case. Furthermore, a flatter slope also resulted in a larger increase of 

the equilibrium load compared to the reference case with a steeper slope. 

 

Furthermore, a relation between the armour unit stability (as described in the Van der Meer formula) 

and the increase of the equilibrium load was even more accurate compared to the relation between 

the wave height and the dynamic load. Based on this relation it can be concluded that the increase of 

the  equilibrium  load  is  related  to  the  (hydraulic)  armour  unit  stability  while  the  peak‐to‐peak 

amplitudes are related to the occurring flow. 

 

The total load on the first row of armour units is composed of the static load and the dynamic load: 

peak to peak( ) ( ,   ) A + =

2

static y equilibrium total

g x g x g x g x

F N F H No waves F

F N F N F N F N 

 

The objective of this research is to determine the governing loads on the first row of armour units and 

to establish a quantitative relation between the  influencing parameters and this  load. Based on this 

research, it was concluded that the static load combined with the increase of the equilibrium load are 

the governing  loads on the first row of armour units. The static  load  is a function of the number of 

rows and reaches a constant value around ten rows. The increase of the equilibrium load depends on 

the wave action (wave height) but did not show a dependency on the number of rows applied or the 

total packing density. The dynamic load oscillating around the equilibrium load with certain peak‐to‐

peak amplitude  is mainly the result of the downwash but  is as result of the much  larger  increase of 

the  equilibrium  load  during  the  wave  action,  of  minor  importance.

Page 7: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

vii 

 

Table of Contents 

 

Preface ..................................................................................................................................................... iii Abstract ................................................................................................................................................... iv Table of Contents ................................................................................................................................... vii List of Figures ......................................................................................................................................... viii List of Tables ............................................................................................................................................. x List of Symbols ......................................................................................................................................... xi 1  Introduction .................................................................................................................................... 1 

1.1  Objective ................................................................................................................................. 2 1.2  Layout of the report ................................................................................................................ 2 

2  Literature study ............................................................................................................................... 3 2.1  Static load ............................................................................................................................... 5 2.2  Dynamic load .......................................................................................................................... 7 

3  Hypothesis .................................................................................................................................... 19 3.1  Research approach ................................................................................................................ 20 

4  Experiments .................................................................................................................................. 21 4.1  Static experiment .................................................................................................................. 21 4.2  Hydraulic experiment ............................................................................................................ 23 

5  Results and analysis of static test ................................................................................................. 35 5.1  Model .................................................................................................................................... 37 5.2  Influence of an external load on an arbitrary row ................................................................ 43 

6  Results and analysis of hydraulic tests .......................................................................................... 44 6.1  Peak‐to‐peak amplitude of the load on the first row of armour units ................................. 44 6.2  Trend of the equilibrium load ............................................................................................... 57 

7  Discussion ..................................................................................................................................... 73 7.1  Static load on the first row of armour units .......................................................................... 73 7.2  Dynamic load on the first row of armour units ..................................................................... 76 7.3  The total load on the first row .............................................................................................. 81 

8  Conclusion and recommendations ............................................................................................... 83 8.1  Conclusion ............................................................................................................................. 83 8.2  Applicability and limitations of the study ............................................................................. 86 8.3  Recommendations ................................................................................................................ 87 

References .............................................................................................................................................. 88 Appendices ............................................................................................................................................. 90 

Page 8: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

viii 

 

List of Figures 

Figure 2‐1 Stress in an armour unit during a wave cycle [BURCHARTH, 1993] ............................................ 4 Figure 2‐2 Type of loads as function of the location relative to the still water level [BURCHARTH, 1993] . 4 Figure 2‐3 Force balance armour unit ...................................................................................................... 5 Figure 2‐4 Breaker types as a typed by the Iribarren number (ξ) BATTJES (1974) [SCHIERECK, 2004] .......... 8 Figure 2‐5 Notational permeability coefficients as defined by Van der Meer (1988) [U.S. ARMY CORPS OF 

ENGINEERS, 2002]........................................................................................................................................ 9 Figure 2‐6 Wave‐induced set‐up (from HOLTHUIJSEN (2007)) ................................................................... 10 Figure 2‐7 Definition of  run‐up  as  local maximum  in  elevation  (from U.S. ARMY CORPS OF  ENGINEERS, 

2002) ....................................................................................................................................................... 10 Figure 2‐8 Influence of permeability on the run‐up and internal water level (from Burcharth (1993) via 

U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002) ........................................................................................................ 11 Figure 2‐9 Visualised flow pattern of a breaking wave approaching the maximum level of run‐up (from 

TSAI, 1997) ............................................................................................................................................... 12 Figure 2‐10 Visualised flow pattern of a breaking wave approaching the maximum level of run‐down 

(from TSAI, 1997) ..................................................................................................................................... 12 Figure 2‐11 Visualised flow patter of a non‐breaking wave approaching the maximum level of run‐up 

(from TSAI, 1997) ..................................................................................................................................... 12 Figure 2‐12 Visualised  flow patter of a non‐breaking wave approaching  the maximum  level of  run‐

down (from TSAI, 1997) ........................................................................................................................... 12 Figure 2‐13 Record of wave run‐up, velocities of water flow at the toe and pressure at the toe for a 

breaking wave (from TSAI, 1997) ............................................................................................................. 13 Figure 2‐14 Flow pattern inside a breakwater (from Barends et. al. (1983) via ABBOTT AND PRICE (1994))

 ................................................................................................................................................................ 14 Figure 2‐15 Contribution of each term of the Forchheimer equation to the total gradient [VAN GENT, 

M.R.A. 1995] ........................................................................................................................................... 15 Figure 2‐16 Dynamic forces on an armour stone [HALD, 1998] .............................................................. 16 Figure 2‐17 Drag and inertia coefficients relative to the KC number TØRUM, 1994 [HALD, 1998] ........... 17 Figure 2‐18 Rise and subsidence of the phreatic level due to in and outflow of water ......................... 17 Figure 2‐19 Flow around a armour unit.................................................................................................. 18 Figure 4‐1 Conceptual design of static experiment ................................................................................ 21 Figure 4‐2 Sketch of the critical slope experiment ................................................................................. 23 Figure 4‐3 Side and frontal view of breakwater model with measuring frame ...................................... 24 Figure 4‐4 Cross section of along slope frame profile and U‐profile at location of one of the wheels .. 24 Figure 4‐5 Longitudinal view of the wave flume [VAN ZWICHT, 2009] ...................................................... 25 Figure 4‐6 Frontal and side view of a Xblox single layer armour unit .................................................... 27 Figure 4‐7 Cross‐section of the breakwater model with under structure .............................................. 29 Figure 4‐8 Sketch of cross‐section with 15, 20 and 25 rows .................................................................. 30 Figure 4‐9 Cross‐section of a breakwater with 20 rows for a slope of 2:3 and a slope of 3:4 (striped) . 30 Figure 4‐10 Positions of wave gauges .................................................................................................... 34 Figure 5‐1 Measurements of load on the first row during static tests ................................................... 35 Figure 5‐2 Measurements including curve fit ......................................................................................... 36 Figure 5‐3 Measurements of the static load including measurements of MUILWIJK (2011) (in gray) ..... 37 Figure 5‐4 Force balance armour unit .................................................................................................... 38 Figure 5‐5 Critical angle of Xbloc armour units on a rock under layer ................................................... 39 Figure 5‐6 Diagonal transfer of forces between armour units ............................................................... 40 Figure 5‐7 Vertical transfer of forces between armour units ................................................................. 40 Figure 5‐8 Static model based on measured values ............................................................................... 41 Figure 5‐9 Measured data and static model ........................................................................................... 42 

Page 9: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

Figure 6‐1 Measured load during a flume test ....................................................................................... 44 Figure 6‐2 Maximum run‐down, maximum water level at wave gauge, time; 1:31:42 ......................... 45 Figure 6‐3 Wave front passes upwards through still water level, time; 1:31:58 .................................... 45 Figure 6‐4 Maximum run‐down, maximum water level at wave gauge, time; 1:32:15 ......................... 45 Figure 6‐5 Wave front passes downwards through still water level, time; 1:32:35 ............................... 45 Figure 6‐6 Points of interest compared to the water level at the toe .................................................... 46 Figure 6‐7 Hydraulic test 3(3), subtest 0,6 Hmax 0,874 Hz ....................................................................... 46 Figure 6‐8 Boxplot wave height versus peak‐to‐peak amplitude of the load ......................................... 47 Figure 6‐9 Curve fit wave height versus peak‐to‐peak amplitude of the load ....................................... 48 Figure 6‐10 Theoretical run‐up versus the measured run‐up ................................................................ 51 Figure 6‐11 Curve fit measured run‐up versus peak‐to‐peak amplitude of the load ............................. 52 Figure 6‐12 Downwash velocity from energy conservation ................................................................... 53 Figure 6‐13 Movement of the wave front over the breakwater slope ................................................... 54 Figure 6‐14 Comparison downwash velocity formulae .......................................................................... 55 Figure 6‐15 Curve fit calculated downwash velocity versus peak‐to‐peak amplitude of the load ......... 56 Figure 6‐16 Measured load on the first row of armour units during a flume test ................................. 58 Figure 6‐17 Type 1 .................................................................................................................................. 59 Figure 6‐18 Boxplot of relative increase of the equilibrium load versus the wave height. .................... 63 Figure 6‐19 Equilibrium load versus the wave height ............................................................................ 64 Figure 6‐20 Curve fits equilibrium line versus wave height ................................................................... 65 Figure 6‐21 Equilibrium load on the first row of armour units relative to the armour unit stability ..... 66 Figure 6‐22 Packing density versus wave height .................................................................................... 68 Figure 6‐23 Boxplot of the development of the packing density versus the wave height ..................... 68 Figure 6‐24 Equilibrium load versus the packing density ....................................................................... 69 Figure 6‐25 Equilibrium load of the load on the first row versus the relative subsidence ..................... 70 Figure 6‐26 Peak‐to‐peak amplitude of the load on the first row versus the equilibrium load ............. 71 Figure 7‐1 Theoretical and measured static load on the first row of armour units ............................... 74 Figure 7‐2 Layout of flume test model ................................................................................................... 77 Figure 7‐3 Basic form of increase of the equilibrium load ..................................................................... 79  

Page 10: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

 

List of Tables 

Table 2‐1 Types and origins of loads on armour units [BURCHARTH, 1993] ................................................ 3 Table 2‐2 Run‐up parameters according to [VAN DER MEER AND STAM, 1992]........................................... 11 Table 4‐1 Length of armour layer and crest height ................................................................................ 28 Table 4‐2 Parameters varied in the test program .................................................................................. 32 Table 4‐3 Wave program regular waves ................................................................................................. 33 Table 5‐1 Analysis of the influence of an external load.......................................................................... 43 Table 5‐2 Analysis of the increase of the static load after the addition of an extra row ....................... 43 Table 6‐1 Curve fits of individual test, relation between wave height and amplitude .......................... 49 Table 6‐2 Run‐up parameters according to [VAN DER MEER AND STAM, 1992]........................................... 51 Table 6‐3 Curve fits of individual test, relation between run‐up and amplitude ................................... 53 Table 6‐4 Curve fits of individual test, relation between downwash velocity and amplitude ............... 56 Table 6‐5 Overview decrease of peak‐to‐peak amplitude during a subtest .......................................... 57 Table 6‐6 Types of trend curves ............................................................................................................. 59 Table 6‐7 Occurrence of trend curve types ............................................................................................ 60 Table 6‐8 Number of waves corresponding to the “half‐life” time ........................................................ 61 Table 6‐9 Averaged measured load on the first row of armour units after testing ............................... 62 Table 6‐10 Curve fits of individual test, relation between wave height and equilibrium load .............. 64 Table 6‐11 Curve fits of individual test, relation between armour unit stability and equilibrium load . 67 Table 6‐12 Curve fits of the peak‐to‐peak amplitude versus the wave height and the equilibrium load 

versus the wave height ........................................................................................................................... 71 Table 6‐13 Results of spectrum analysis wit WaveLab and calculation of expected equilibrium load .. 72 Table 6‐14 Measured increase of the equilibrium load ......................................................................... 72 

Page 11: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

xi 

 

List of Symbols 

 

a    1. Direction coefficient of the squared term of a curve fit      [‐] 

    2. Coefficient in the run‐up formula of VAN DER MEER AND STAM      [‐] 

    3. Dimensional porous friction coefficient          [s∙m‐1] 

ab    Wave amplitude at the bottom            [m]  

A    1. Surface perpendicular to the direction of the flow        [m3] 

    2. Coefficient in the run‐up formula of Battjes        [‐] 

Apeak‐to‐peak   Peak‐to‐peak amplitude on the first row          [F] 

b    1. Direction coefficient of the slope term of a curve fit      [‐] 

    2. Coefficient in the run‐up formula of VAN DER MEER AND STAM      [‐] 

3. Dimensional porous friction coefficient          [s∙m‐1] 

c    Coefficient in the run‐up formula of VAN DER MEER AND STAM      [‐] 

C    Coefficient in the run‐up formula of Battjes          [‐] 

Cf    Friction coefficient between the wall and the flow        [‐] 

CD    Drag coefficient                [‐] 

CI    Inertia coefficient               [‐] 

CL    Lift coefficient                [‐] 

d    1. Depth (distance between surface elevation and bottom)      [m] 

    2. Coefficient in the run‐up formula of VAN DER MEER AND STAM      [‐] 

dstone    Protuberant height of under layer stone          [m] 

dx    Horizontal centre to centre distance between armour units      [m] 

dy    Vertical (along slope) centre to centre distance between armour units    [m] 

D    Grain diameter                [m] 

Dparticle    Diameter of a stone particle            [m] 

Dn50    Median nominal diameter             [m] 

DXbloc    Unit height Xbloc               [m] 

E    Expected value                [‐] 

EJONSWAP    Variance density of the JONSWAP spectrum         [m2∙s] 

f    Coefficient of friction              [‐] 

f1(ξ)    Factor between average downwash velocity and peak downwash velocity  [‐] 

ffreq    Frequency                [s‐1] 

ffreq,peak    Peak frequency                [s‐1] 

FD    Drag force                [N] 

Fend    Load on the first row of armour units at the end of a (sub)test     [N] 

Fequilibrium   Dynamic component of the load on the first row of armour units    [N] 

Ff    Friction force between armour unit and under layer        [N] 

Fg    Weight of armour unit               [N] 

Fh    Along slope component of armour unit weight        [N] 

FI    Inertia force                [N] 

FL    Lift force                [N] 

Fn    Normal force armour unit              [N] 

Fr    Froude number                [‐] 

Fr(n)    Total resulting force of single armour unit along slope at row n    [N] 

Fres,unit    Resulting force of single armour unit along the slope based on the  

force balance of a single unit            [N] 

FS    Seepage force                [N] 

Fstatic    Static component of the load on the first row of armour units      [N] 

Fstart    Load on the first row of armour units at the start of a subtest      [N] 

Page 12: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

g    Gravitational acceleration              [m∙s2] 

H    Wave height                [m] 

H1/3     Mean of the highest one‐third of waves: Significant wave height  

Measured from a wave record            [m] 

Hmax    Maximum wave height (approximation: Hmax≈2Hs)        [m] 

Hs     Significant wave height              [m] 

imax    Pressure gradient at the bottom             [‐] 

I    ith element (of a dataset)              [‐] 

I     Hydraulic gradient              [‐] 

k    Wave number (2π/L)              [m−1] 

K    Permeability coefficient              [m∙s‐1]   

KD    Damage coefficient in the Hudson formula          [‐] 

KC    Keulegan Carpenter number            [‐] 

l    Characteristic length (model or prototype)          [m]  

L    Wave length                [m] 

Larmour layer  Along slope length of the armour layer          [m] 

Ldownwash    Downwash length (along slope length between Ru and Rd)      [m] 

Lseepage    Seepage length                [m] 

Lx    Distance between the centers of the armour unit’s at the far left and  

the far right of a row              [m] 

Ly    Distance between the centers of an armour unit on the first row     

And the centre of an armour unit on the highest row       [m] 

N    Number of waves               [‐] 

N1/2    Number of row at which the half of the eventual growth  

of the static load is reached            [‐] 

Nx    Number of units on a horizontal row          [‐] 

Ny    Number of horizontal rows            [‐] 

n    Porosity of the porous medium            [‐] 

n    exceedence percentage              [‐] 

P    Permeability in the Van der Meer formula          [‐] 

r    Residual                 [‐]  

R    Coefficient of determination            [‐] 

Rd    Run‐down                [m] 

Re    Reynolds number               [‐] 

RPD    Relative packing density              [‐] 

Ru    Run‐up level                [m] 

Rucore    Run‐up level at the core              [m] 

Ruhunt    Run‐up level calculated with the Hunt formula        [m] 

Run    Run‐up level only exceeded by n % of the waves        [m] 

Rumax    Maximum calculated level of run‐up          [m] 

s    Wave steepness                [‐] 

S    Damage level in the Van der Meer formula          [‐] 

t    Time                  [s] 

t1/2    Half‐life of trend growth curve            [s] 

T    Wave period                [s] 

Tm    Mean wave period              [s] 

U    Velocity                  [m∙s‐1] 

Ub    Velocity of the orbital motion at the edge of the boundary layer    [m∙s‐1] 

Uhunt    Downwash velocity calculated based on the Hunt formula      [m∙s‐1] 

Up    Porous flow velocity              [m∙s‐1] 

Udownwash,average  Average downwash velocity            [m∙s‐1] 

Udownwash,max  Maximum downwash velocity            [m∙s‐1] 

Page 13: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ xiii ‐ 

 

V    Volume                  [m3] 

Vi    Volume under the crest of the wave           [m3] 

Vinternal    Internal water volume (core)             [m3] 

VRu    Run‐up volume                [m3] 

VXbloc    Volume of a Xbloc armour unit            [m3] 

W85     Rock weight that is exceeded by 15% of the rocks in the under layer    [kg] 

W50     Rock weight that is exceeded by 50% of the rocks in the under layer    [kg] 

W15     Rock weight that is exceeded by 85% of the rocks in the under layer    [kg] 

WXbloc    Weight of a Xbloc armour unit            [kg] 

x    Value on the horizontal axis of a graph (used for curve fits)      [‐] 

X    Random dataset                [‐] 

y    Value on the vertical axis of a graph (used for curve fits)      [‐] 

 

α    Slope of breakwater              [°] 

αcrit    Critical slope angle of armour unit            [°] 

αf    Dimensionless permeability coefficient Forchheimer equation     [‐] 

α JONSWAP    Scaling parameter JONSWAP spectrum          [‐] 

β    Angle of incidence of waves with the breakwater        [‐] 

βf    Dimensionless friction coefficient Forchheimer equation      [‐] 

γ    Coefficient representing the effect of the added mass      [‐] 

γr    Rough slope reduction coefficient in run‐up formula of Battjes     [‐] 

γb    Berm reduction coefficient in run‐up formula of Battjes      [‐] 

γh    Wave distribution coefficient in run‐up formula of Battjes      [‐] 

γβ    Angle of incidence coefficient in run‐up formula of Battjes      [‐] 

γJONSWAP    Scaling parameter JONSWAP spectrum          [‐] 

∆    Relative density (ρs‐ ρw)/ ρw            [‐] 

ξ0    Iribarren number, surf similarity parameter (additive 0 is for deep water)  [‐] λ    Scale factor                [‐] 

ρs    Density of stone (or concrete in in the case of concrete armour units)    [kg∙m‐3] 

ρw    Density of water                [kg∙m‐3] 

σ    Standard deviation              [‐] 

σJONSWAP    Scaling parameter JONSWAP spectrum          [‐] 

τ    Mean life‐time of trend growth curve          [s] 

τw    Shear stress under a wave             [N∙m‐2] 

ω     Angular frequency of a wave (2π/T)           [rad∙s‐1] 

ν    Kinematic viscosity              [m2∙s‐1] 

 

Page 14: Static and dynamic loads on the first row of single layer
Page 15: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 1 ‐ 

 

1 Introduction 

Rubble  mound  breakwaters  are  used  in  many  places  around  the  world  were  activities  such  as 

navigation need protection from high waves. Rubble mound breakwaters can be armoured by rocks 

or  concrete armour units. The  state of art  regarding concrete armour units are  interlocking,  single 

layer, armour units. These armour units are placed on a granular core and under  layer(s) and cover 

the complete slope of the breakwater from the toe of the structure at the sea bottom to the crest of 

the breakwater. 

 

 Figure 1‐1 Placement of Xbloc single layer armour units (source xbloc.com) 

 

Interlocking,  single  layer  concrete armour units are placed  in a grid which depends on  the  type of 

armour unit. Within this grid, armour units are placed  in horizontal rows. The number of horizontal 

rows of single  layer armour units on a breakwater  is  limited to 20. This  limit  is proposed  in order to 

prevent major settlements, which might affect the interlocking of the armour units. The limit on the 

maximum number of rows  is based on experience  from prototypes and  is not yet confirmed  in any 

systematic study. Then number of rows also might have an effect on the  load on the  first  (bottom) 

row of armour units, which affects the structural  integrity of the armour units. The  load on the first 

row of armour units is however unknown. The research presented in this thesis is a study on the load 

on the first (bottom) row of concrete armour units placed on a breakwater.  

 

In  some  cases  the  combination  of  the  dimensions  of  the  armour  units  (determined  based  on  the 

occurring wave height) and the maximum number of rows  is not enough to cover the whole slope. 

This problem is usually solved by applying larger armour units in order to cover the whole slope. The 

relative  strength of  these  larger units  is  less  than  the  relative  strength of  the  smaller units. When 

applying  larger  units  the  strength  of  the  armour  units  could  be  normative  just  as  the  settlement 

criterion. 

 

In order to make a judgement about the strength of the first row of armour units the load on this row 

must be known. The load on the first row of interlocking, single layer armour units was studied in this 

study. The total load is composed of a static load of the above laying armour units and a dynamic load 

of  the waves which  is partially  transferred  to  the  lowest  row of armour units.  It  is unknown which 

processes are governing for the load on the lowest row of armour units as well as their quantitative 

contribution to the total load. 

Page 16: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Introduction 

 

‐ 2 ‐ 

 

1.1 Objective 

The objective of this study was to determine the governing loads on the lowest row of armour units 

and to qualify and quantify the relevant processes that induce this load. 

 

The loads were studied in physical model tests in order to extend the present knowledge. 

1.2 Layout of the report 

Chapter 2 gives an overview of  the  known  literature  introducing  the problem and giving a  further 

explanation of the relevant processes. A number of gaps in the existing literature were identified and 

those relevant for this research were analysed. Based on the  literature study, two hypotheses were 

formulated which are stated in chapter 3. 

 

These  hypotheses  were  tested  which  physical  model  tests  described  in  chapter  4.  This  chapter 

describes two experiments; one experiment for the study of the static  load and one experiment for 

the study of the dynamic  load. The results of these experiments and an analysis of these results are 

presented in chapter 5 and 0. The results and analyses of these results described in these chapters are 

discussed  in chapter 7. Based on  this discussion  these hypotheses were evaluated, conclusions are 

presented and recommendations for further research are made in chapter 8.  

Page 17: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 3 ‐ 

 

2 Literature study  

Research was performed on the structural integrity of (slender) concrete armour units. This research 

was triggered by the failure of the breakwater at the port of Sines (Portugal) in 1978 and other cases 

of breakage of slender concrete armour units in that period. The breakwater at the port of Sines was 

armoured  with  40  tons  Dolos  armour  units  [MAGOON,  et.al.  1994].  One  of  the most  well‐known 

research programs on the structural  integrity of concrete armour units  is the research by BURCHARTH 

(1993) which focused on the stresses in Dolos armour units. BURCHARTH (1993) divided the number of 

loads  in a number of  types  including a  type  for  the  static  loads and  the dynamic  loads  (table 2‐1). 

These two types of loads are the loads considered in this research. The research of BURCHARTH (1993) 

is further described  in the rest of this section. Paragraph 2.1 gives a further description of the static 

load and the parameters influencing this load and paragraph 2.2 describes the dynamic load and the 

processes and parameters influencing this load.  

 Table 2‐1 Types and origins of loads on armour units [BURCHARTH, 1993] 

Types of Loads  Origin of loads 

Static  Weight of units 

Prestressing  of  units  due  to  wedge  effect  and 

arching caused by movement under dynamic loads 

Dynamic  Pulsating: 

Gradually varying wave forces 

Earthquake 

Impact: 

Collision  between  units  when  rocking  or  rolling, 

collision with under layer or other structural parts 

Missiles of broken units 

Collision during handling, transport and placing 

High‐frequency wave slamming 

Abrasion  Impacts of sand, shingle etc. in suspension 

Thermal  Temperature  differences  during  the  hardening 

process after casting 

Freeze – thaw 

Chemical  Alkali‐silica and sulphate reactions, etc. 

Corrosion of steel reinforcement 

 

The research of BURCHARTH (1993) focussed on the static, pulsating and impact loads. The static loads 

are loads which are present without the presence of wave action and are the result of the weight of 

the armour units and possible prestressing of armour units. The pulsating load is the load due to the 

gradually varying flow and earthquakes. Earthquakes were not further considered  in the research of 

BURCHARTH (1993). The impact loads are peak loads of a short duration and are the result of collisions 

between armour units (rocking) and  impact forces from waves (wave slamming). It was not possible 

to  directly  study  the breakage  of  armour units  due  to  various  loads  on  a  reduced  scale  since  the 

relative strength of a model unit  is much  too high compared  to  the strength of a  full‐scale armour 

unit. In the research of BURCHARTH (1993) the stresses in the armour units were measured and not the 

actual loads on the armour units which cause these stresses.  

Page 18: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Literature study 

 

‐ 4 ‐ 

 

The stress in an armour unit during a wave cycle is visualised in figure 2‐1: 

 Figure 2‐1 Stress in an armour unit during a wave cycle [BURCHARTH, 1993] 

 

BURCHARTH  (1993) analysed the stress  in armour units around the waterline  (in  the active zone) and 

concluded  that  beneath  the  still water  level  the  static  and  pulsating  stresses  are  dominant while 

above still water level the impact stresses have a significant influence (see figure 2‐2). 

 Figure 2‐2 Type of loads as function of the location relative to the still water level [BURCHARTH, 1993] 

 

Based on the research of BURCHARTH (1993) it was concluded that the static and pulsating load are of 

primary  importance for the  load on the first (bottom) row of armour units, since these  loads have a 

governing influence on armour units placed under the still water line. Furthermore, the impact forces 

due to wave slamming are directed inwards and were supposed to have less effect on the along slope 

load on the first row of armour units. The stress in the armour units was the primary interest in the 

research  of  BURCHARTH  (1993).  The  determination  of  stresses  in  armour  units  is  a  straightforward 

approach that resulted in directly usable results if one is interested in a certain type of armour unit.  

 

Observations regarding the relative influence of the various stresses are also valid for (bulky) armour 

units  of  another  type.  However,  the magnitude  of  the  stress  in  these  armour  units  is  different 

compared to the stress  in slender Dolos armour units.  In order to obtain results  independent of the 

type of armour unit a load based approach was followed in order to determine the (average) external 

load on the armour units. The actual stress  in the armour units  is outside the scope of this research 

and should be determined based on the armour unit characteristics in subsequent research.  

 

The  total  load  on  the  first  row  of  armour  units  is,  in  line with  the  research  of  BURCHARTH  (1993), 

decomposed in a static load and a dynamic load. The static load is described in paragraph 2.1 and the 

dynamic load is the subject of paragraph 2.2. 

Page 19: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 5 ‐ 

 

2.1 Static load 

The  static  load  is  defined  as  the  load  on  the  first  row  of  armour  units  resulting  from  the  higher 

positioned rows of armour units during conditions without waves. The static load on an armour unit is 

the result of the static  instability of higher positioned armour units. Each single armour unit has  its 

own static force balance. This is visualised in figure 5‐4. If the force balance of a single armour unit is 

not in balance by itself, a residual force on the lower placed armour units compensates this imbalance 

(Frn). 

 Figure 2‐3 Force balance armour unit 

 

The individual force balance is the balance between the gravitational force (Fg), the normal force (Fn) 

and the friction force (Ff) on an armour unit. The weight vector is the main loading vector influencing 

the static balance of a single armour unit. This vector has a vertical direction and is determined by the 

weight of the armour unit (W) and the gravitational acceleration (g) which results in the gravitational 

force  (Fg).  The  gravitational  force  (Fg)  of  an  armour  unit  can  be  decomposed  in  an  along  slope 

component (Fh) and a component perpendicular to the slope (Fn) which called the normal force. The 

size of these components in relation to each other is determined by the angle of the slope on which 

the armour unit is placed on:  

sin( )

cos( )

h g

n g

F F

F F

  (2.1) 

 

The force balance in along slope direction is of main interest for this research since the forces in along 

slope  direction  contribute  to  the  resulting  static  load  on  the  first  row  of  armour  units.  The  force 

balance in along slope direction consists of the weight vector parallel to the slope (Fh) and the friction 

between  the armour unit and  the under  layer  (Ff). This  friction  force  is determined by  the normal 

force between the armour unit and the under  layer (the weight vector component perpendicular to 

the slope (Fn)) multiplied by a friction coefficient: 

 

cos( )f n gF f F f F   (2.2) 

Page 20: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Literature study 

 

‐ 6 ‐ 

 

The  along  slope  force balance  for  an  individual  armour unit  is  a balance between  the  along  slope 

weight component (Fh) and the friction force between the under  layer and the armour unit (Ff). The 

armour unit is in static balance when the friction force is equal to the gravitational force component 

parallel to the slope: 

sin( ) cos( )h n

g g

F F

F f F

  (2.3) 

 

Residual forces between the armour units occur when the along slope forces are not in balance. The 

total force balance of an armour unit is now influenced by external forces (a residual force on the unit 

from (a) higher positioned unit(s) and a residual force of the considered unit on (a) lower positioned 

unit(s)). This results  in an extended along slope force balance which  is a balance between the along 

slope weight component (Fh), a possible residual load of the above positioned armour unit (Fr(n+1)), the 

friction  force between  the under  layer and  the armour unit  (Ff) and  the residual  force of  the  lower 

positioned armour unit (Fr(n)): 

( 1) ( )

( 1) ( )sin( ) cos( )

h r n f r n

g r n g r n

F F F F

F F f F F

  (2.4) 

 

Based on this force balance it was concluded that if the single units are in balance by themselves, the 

residual forces between the armour units will be zero and the static load on the first row of armour 

units will also be zero. If the armour units are not in balance, this will result in residual forces between 

the armour units and eventually in a static load on the first row of armour units. The friction between 

the armour units is a function of the characteristics of the material of the armour units and the under 

layer.  If  the  friction coefficient  is  the  same  for all armour units  then  the  slope  is  the only variable 

parameter. The residual force between the armour units can then be determined based on the slope 

at which the armour unit are positioned. A positive residual force between the armour units leads to a 

linear increasing load on the first row of armour units as function of the number of rows applied on 

the slope of the breakwater. 

 

MUILWIJK (2011) did experiments regarding the static load on the first row of armour units. From this 

research followed that a number of armour units are not stable by itself on breakwater with a slope of 

3:4 which resulted in a residual force between the armour units. Furthermore, MUILWIJK (2011) found 

that the number of rows which has an influence on the load on the lowest row of armour units is not 

the same as the total number of rows. MUILWIJK (2011) also investigated the influence of the packing 

density on the static load and found that an increase of the packing density results in an increase of 

the static load on the first row of armour units.  

Page 21: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 7 ‐ 

 

2.2 Dynamic load 

The dynamic  load  is defined as the  load on the bottom row of armour units during conditions with 

wave attack minus the static  load. The dynamic  loads as defined by BURCHARTH (1993) consist of a 

pulsating load and an impact load. The pulsating load consists of flow induced forces and forces due 

to  earthquakes.  The  latter  are  not  further  considered  in  this  research.  The  impact  forces  are 

composed of collision forces between armour units (due to rocking) and wave slamming. 

 

These  loads vary during the wave cycle of a wave attacking a breakwater. The cycle of a wave on a 

breakwater can be decomposed into the following phases: 

Incoming wave  

In the first phase the crest of the wave is travelling from the toe of the structure to the wave breaking 

zone (active zone). The wave height and length are transformed on the slope of the breakwater. The 

armour units are loaded by the orbital velocities in this phase (pulsating load). 

Breaking and run‐up 

The second phase is during the breaking and run‐up of the wave. This phase is reached when the ratio 

between wave height and water depth of a wave travelling upslope on a breakwater approaches the 

breaking  limit.  During  the  breaking  process  energy  is  converted  into  turbulent motions  and  the 

remaining energy is converted to potential energy which can be seen as run‐up of the wave on (and 

in) the slope. In this phase armour units are loaded by impact loads and pulsating loads which occur 

mostly in the active (breaking) zone. 

Reflecting wave (reflection and run‐down) 

When  the highest  run‐up  is  reached  the elevated water  level  starts  to descend  rapidly  inducing  a 

downwash  of water  along  and  in  the  slope  and  outflow  of water  from  the  under  layer  and  core 

through the armour layer, which results in the reflection of the wave. 

 

The wave‐induced water motions on and in a breakwater are described in separate sections beginning 

with  the  transformation  of waves  on  the  foreshore  and  the  slope  of  a  breakwater,  followed  by 

processes  as  wave  breaking  and  run‐up  and  completed  by  the  reflection  of  waves  from  the 

breakwater. 

2.2.1 Dynamic processes 

2.2.1.1 Incoming wave 

Waves propagating on a slope are  transformed both  in shape and direction. The direction of wave 

propagation is influenced by refraction and diffraction. The transformation of the shape of the wave 

(height,  length)  is caused by shoaling, dissipation, additional growth due  to  the wind, wave‐current 

interactions and wave‐wave interactions [U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002]. 

 

The bottom velocities under an  incoming wave are mainly parallel  to  the  slope. Directly under  the 

crest the velocities at the bottom are in the direction of wave propagation and reverse 180 degrees at 

the passage of the trough. The velocities are driven by a pressure gradient at the bottom [SCHIERECK, 

2004]: 

2cosh( )max

k Hi

k d

  (2.5) 

In which k  is the wave number and H the wave height. The velocities at the bottom  impose a shear 

stress on the slope which causes a load on the armour units. 

Page 22: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Literature study 

 

‐ 8 ‐ 

 

This shear stress can be related to the velocities by the following expression: 

21  with :U   and:  sin

2 sinhb

w w f b b b b

aC U a U U t

k d

  (2.6) 

In which τw  is the shear stress under a wave, ρw  is the density of water, cf  is the  friction coefficient 

between the wall (or armour layer surface) and the flow, Ub is the velocity of the orbital motion at the 

edge of  the boundary  layer, ω  is  the angular  frequency of  the wave, ab  the wave amplitude at  the 

bottom, k the wave number and d the water depth. The shear stress  in the expression  is related to 

the orbital motion at the edge of the boundary layer (ub). The shear of the water mass with the slope 

dissipates energy in the form of friction. 

2.2.1.2 Breaking wave and run‐up along the slope 

As waves  propagate  further  along  the  slope,  the wave  height  increases  until  the waves  become 

unstable. A waves becomes unstable because  the wave  is either  too  steep or  the water depth  too 

small. As result of this instability the wave breaks. The limit of the non‐breaking wave is described by 

Miche (1944) from [SCHIERECK, 2004]: 

20,142 tanhbH L d

L

  (2.7) 

 

The  breaking  process  is  characterised  by  the  dimensionless  Iribarren  number  or  surf  similarity 

parameter Battjes (1974) from [SCHIERECK, 2004] : 

In which α is the slope of the breakwater and L is the wave length with the additive 0 which indicates 

deep water. The Iribarren number is the ratio between the wave steepness and the steepness of the 

slope  (of  the  breakwater).  The  Iribarren  number  can  be  used  to  characterize  the  type  of  wave 

breaking. The possible breaking types are visualised  in figure 2‐4. The  Iribarren numbers  lower than 

2,5 to 3 indicate a collapsing type of wave breaking while higher Iribarren numbers indicate a surging 

type of wave breaking. A surging wave surges up and down the slope while less energy is dissipated 

compared to the collapsing breaker types. Due to the steep slopes at which interlocking armour units 

are applied the most observed breaker type during this research was the surging breaker type.  

 Figure 2‐4 Breaker types as a typed by the Iribarren number (ξ) BATTJES (1974) [SCHIERECK, 2004] 

 

The stability of  the armour units  in breaking waves  is described by  the  (rewritten) Hudson  formula 

[SCHIERECK, 2004]: 

0

tan

/H L

  (2.8) 

Page 23: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 9 ‐ 

 

In this formula; Hs is the significant wave height, ∆ the relative density of the concrete ((ρs‐ ρw)/ ρw), D 

the diameter of the considered grain particle (or unit height of the armour unit) and KD the damage 

coefficient  for  the  Hudson  formula.  The  damage  coefficient  KD  contains  the  degree  of  allowable 

damage  at  which  the  breakwater  is  considered  as  failed.  The  Hudson  formula  has  a  number  of 

limitations  regarding  the  parameters which  are  not  directly  taken  into  account  such  as  the wave 

period,  the permeability of  the breakwater  and  the number of waves. The Van der Meer  formula 

[SCHIERECK, 2004] does incorporate these parameters: 

50 0,2

0,18 0.5

50 0,2

0,13

           (plunging breakers,  )

6,2

(surging breakers,  )

1,0 cot

sn transition

sn transition

P

HD

SP

N

HD

SP

N

  (2.10) 

In which P  is  the permeability parameter according  to Van der Meer which  should be determined 

based on figure 2‐5. S is the damage level as defined by Van der Meer which roughly varies between 1 

and 10 and N the number of waves for which the stability of the structure  is considered. In practice 

equilibrium is reached for 6500 waves.  

 Figure 2‐5 Notational permeability coefficients as defined by Van der Meer (1988) [U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS, 

2002] 

 

The difference between  surging breaker  types  and non‐surging breaker  types  (collapsing, plunging 

and spilling breaker types) is mentioned earlier and this separation is also found in the Van der Meer 

formula  which  gives  two  expressions:  one  for  surging  and  one  for  plunging  breaker  types.  The 

applicability of the two expressions  is determined by the  Iribarren number related to the transition 

Iribarren number: 

1

0,31 0,56,2 tan Ptransition P

  (2.11) 

For  Iribarren numbers smaller than the transition  Iribarren number the first expression for plunging 

breakers should be used, while for Iribarren numbers larger than the transition Iribarren number the 

second expression for surging breakers should be used. 

 

The transformation of the wave height and the breaking process affects the transport of momentum 

of  the  waves  [HOLTHUIJSEN,  2007].  This  horizontal  variation  in  the  transport  of  wave‐induced 

momentum (radiation stress) causes a change in the opposing force on the water mass. This radiation 

stress gradient  is balanced by a gradient  in the hydrostatic pressure. The gradient  in the hydrostatic 

pressure  corresponds  to  a  tilted  (mean) water  surface which  causes  a  higher water  level  at  the 

3

50

cotsD

n

HK

D

  (2.9) 

Page 24: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Literature study 

 

‐ 10 ‐ 

 

breakwater. This increase of water level due to wave breaking on a slope is usually referred to as set‐

up in literature.  

 Figure 2‐6 Wave‐induced set‐up (from HOLTHUIJSEN (2007)) 

   

The run‐up is the maximum surface elevation above the still‐water level. It is composed of the wave 

induced set‐up as described above and the time varying variation around this time averaged set‐up. 

The variations of this set‐up create an oscillating water level around the time averaged (mean) set‐up 

which  is called swash. The  level of  the  (mean) wave  induced set‐up and  the maximum  level of  the 

swash is referred to as run‐up. 

 Figure 2‐7 Definition of run‐up as local maximum in elevation (from U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002) 

 

There are several formulae available for the determination of maximum run‐up (Ru). Run‐up formulae 

for impermeable slopes are generally based on the formula suggested by Hunt (1959) [HUGHES, 2004]: 

2

tan2,3

Ru

H H

T

 

(2.12) 

The Hunt  formula  has  a  coefficient  of  2,3 which  is  a  dimensional  coefficient  in  ft‐1/2∙s‐1.  The Hunt 

formula  can  be  formulated  in  a  dimensionless  expression  when  rewritten  using  the  deep‐water 

Iribarren number: 

01,0Ru

H   (2.13) 

 

The Hunt formula was modified by Battjes in 1974 in order to derive the (n) percentage run‐up level 

[U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002]; 

nr b h

s

RuA C

H   (2.14) 

In  which  Run  is  the  run‐up  level  only  exceeded  by  n  %  of  the  waves,  A  and  C  are  coefficients 

dependent on ξ and n. The reduction factors; γr, γb, γh and γβ are applied  in order to correct for the 

influence of the surface roughness (γr), the influence of a berm (γb), the influence of wave conditions 

Page 25: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 11 ‐ 

 

of which the wave height distribution deviates from the Rayleigh distribution (γh) and the influence of 

the angle of incidence β of the waves (γβ). 

 

Now‐a‐days run‐up formulae are of this form.  In this research rubble mount breakwaters armoured 

with  concrete  single  layer  armour units were used.  These have  a  rough  surface  and  are  relatively 

permeable.  Xbloc  armour  units were  used  for  the model  tests  performed  in  this  research.  Delta 

Marine Consultants, the patent holder of Xbloc, recommends the run‐up formula of VAN DER MEER AND 

STAM (1992) for the calculation of run‐up on a breakwater armoured with Xbloc armour units. The run‐

up formula of VAN DER MEER AND STAM (1992) is given in the following expression: 

     for  1,5

     for  1,5

n

cn

Rua

HsRu

bHs

  (2.15) 

The relative run‐up of structures with a permeable core (P=0,4)  is  limited to a maximum value [VAN 

DER MEER AND STAM, 1992]: 

nRud

H   (2.16) 

The, b, c and d parameters are presented in table 6‐2: 

 Table 2‐2 Run‐up parameters according to [VAN DER MEER AND STAM, 1992] 

Run‐up level n(%)  a  b  c  d 

0,1  1,12  1,34  0,55  2,58 

1  1,01  1,24  0,48  2,15 

2  0,96  1,17  0,46  1,97 

5  0,86  1,05  0,44  1,68 

10  0,77  0,94  0,42  1,45 

Significant  0,72  0,88  0,41  1,35 

Mean  0,47  0,6  0,34  0,82 

 

The run‐up on breakwaters with a permeable core is smaller compared to the run‐up on breakwaters 

with an  impermeable core. A permeable  slope will absorb part of  the wave action by an  inflow of 

water.  This  causes  a  rise  of  the  internal water  level  (phreatic  line).  The  inflow  of water  into  the 

structure reduces the flow velocities along the slope and reduces the run‐up on the slope. A structure 

with a higher permeability has more inflow of water, a higher internal set‐up and a lower level of run‐

up on the slope. The inflow of water and the internal set‐up are illustrated in figure 2‐8. 

 

  Figure 2‐8  Influence of permeability on  the  run‐up and  internal water  level  (from Burcharth  (1993) via  [U.S. 

ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002]) 

Page 26: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Literature study 

 

‐ 12 ‐ 

 

 

2.2.1.3 Reflecting wave: downwash along the slope 

When a wave has reached its highest level of elevation on the slope of a breakwater the flow reverses 

and  the  elevated water mass  flows  down  along  the  slope  till  the  elevation  level  of  the  trough  is 

reached. This downward directed flow on the slope of a breakwater is called downwash. The reversal 

of the flow creates a reflection of the wave by the structure. 

 

The downwash of the water mass along a breakwater slope depends on the highest  level of surface 

elevation: the  level of run‐up. Depending on the wave characteristics of the  incoming wave and the 

characteristics  of  the  breakwater,  this  downwash  can  induce  a  flow  extending  to  the  toe  of  the 

breakwater  [TSAI,  1997].  The  breaker  type  is  influencing  the  character  of  the  downwash  flow.  A 

breaking  wave  is more  likely  to  induce  a  downwash  that  extends  to  the  toe  of  the  breakwater 

compared with a  non‐breaking wave. Whether the downwash reaches the toe or not also depends on 

the water level above the toe. 

 

Figure 2‐9 Visualised flow pattern of a breaking wave 

approaching the maximum level of run‐up (from TSAI, 

1997) 

Figure  2‐10  Visualised  flow  pattern  of  a  breaking 

wave  approaching  the maximum  level  of  run‐down 

(from TSAI, 1997) 

 

Figure 2‐9 and figure 2‐10 show the flow patterns of a breaking wave on a breakwater slope near the 

moment of maximum  run‐up and  the moment of maximum  run‐down.  It can be observed  that  the 

flow at the toe, and all positions at a higher level along the slope, is influenced by the downwash.  

 

Figure 2‐11 Visualised  flow patter of a non‐breaking 

wave  approaching  the  maximum  level  of  run‐up 

(from TSAI, 1997) 

Figure 2‐12 Visualised  flow patter of a non‐breaking 

wave  approaching  the maximum  level  of  run‐down 

(from TSAI, 1997) 

 

Page 27: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 13 ‐ 

 

Figure 2‐11 and figure 2‐12 show the flow patterns of a breaking wave on a breakwater slope near the 

moment of maximum run‐up and the moment of maximum run‐down of a non‐breaking wave. The 

flow characteristic of  this wave may be similar  to  the water particle motions of a periodic standing 

wave due to the interaction of the incoming wave and the reflected wave. Besides, it can be seen that 

the flow caused by the downwash does not reach the toe and that the direction of the flow is more 

perpendicular to the slope, directed upwards during run‐down and downwards during run‐up. 

 

The above observations can be  related  to  the magnitude of  the wave period. A wave with a  larger 

wave period is more likely to extend the influence of the downwash along the whole slope up to the 

toe of the slope while a wave with a smaller period is influencing a smaller part of the slope. 

 

In  the  same experiment executed by TSAI  (1997)  the  run‐up, velocity and pressure at  the  toe were 

measured in a continuous record (figure 2‐13).  

 Figure 2‐13 Record of wave run‐up, velocities of water flow and pressure at the toe for a breaking wave (from 

TSAI, 1997) 

 

From figure 2‐13 it can be observed that the record of the flow velocity and pressure at the toe has 

the  same  periodicity  as  the measured  surface  elevation. However,  the  periodic  curve  of  the  flow 

velocity at the toe and the pressure at the toe is shifted with respect to the surface elevation curve. 

The maximum velocity at the toe roughly occurs at the maximum gradient of the surface elevation.  

 

Flow inside a breakwater 

 

During  the  period  of  downwash,  the  water  level  on  the  slope  of  the  breakwater  decreases  and 

becomes  lower  than  the water  level  inside  the breakwater. This creates a hydraulic gradient which 

induces an outflow of water from the core, through the armour layer.  

 

The surface along the slope through which the inflow takes place is larger than the surface along the 

slope through which the outflow takes place. Furthermore, the average path of inflow is shorter than 

the  path  of  outflow.  The  combination  of  these  two  processes  is  that more water  flows  into  the 

structure than flows out of the structure during a wave cycle. As a consequence of this imbalance, the 

average water  level  inside  the breakwater  (phreatic  line)  is elevated above  the average  still water 

level on the outside of the breakwater (the side of the breakwater loaded by waves) [ABBOTT AND PRICE, 

1994]. 

 

Page 28: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Literature study 

 

‐ 14 ‐ 

 

The gradients of the phreatic line give rise to flows inside the breakwater (see figure 2‐14). 

 Figure 2‐14 Flow pattern inside a breakwater (from Barends et. al. (1983) via ABBOTT AND PRICE (1994)) 

 

Porous  flow  in a granular medium can be described by various equations. The  simplest and oldest 

equation  for  stationary  flow  in  through porous media  is  the  law of Darcy  (1856)  [VERRUIT  AND VAN 

BAARS, 2005]: 

pU K I   (2.17) 

This formula can be rewritten as: 

p

p

UI a U

K   (2.18) 

The  law of Darcy gives a relation between  the hydraulic gradient  (I),  the permeability coefficient of 

the soil (K) and the filter velocity (Up) (which is depth‐averaged is this form of the Darcy law). The law 

of Darcy is valid for laminar flow without convective inertia forces. The law of Darcy was extended by 

Forchheimer in 1901 with a quadratic (turbulence) term [VAN GENT, 1995]: 

p p pI a U b U U   (2.19) 

The permeability coefficient  in the Forchheimer equation  is represented by a, which  is equal to K‐1. 

Van Gent (1995) gives the following expression for a, original derived by Kozeny (1927): 

23 2

1f

na

n g D

  (2.20) 

In this expression ν is the kinematic viscosity, D is the grain diameter, n is the porosity of the porous 

medium and αf is a dimensionless coefficient to be determined empirically. Van Gent (1995) gives the 

following expression for (b) original derived by Ergun (1952): 

3

1 1f

nb

n g D

  (2.21) 

In this expression βf  is a dimensionless coefficient which has to be determined empirically. The first 

term  of  the  Forchheimer  equation  represents  the  laminar  contribution,  while  the  second  term 

represents  the  contribution  of  turbulence.  The  Forchheimer  equation  is  used  for  turbulent  flow 

through a porous medium and for flow in transition between laminar and turbulent flow [BURCHARTH 

AND ANDERSEN, 1995].  

Page 29: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 15 ‐ 

 

In order to use the Forchheimer equation for un‐stationary flow Kochina (1952) added an extra time 

dependent term to the original equation [VAN GENT, 1995]: 

p

p p p

UI a U b U U c

t

  (2.22) 

In this expression c  is a dimensionless coefficient which  includes the effect of the added mass. Van 

Gent (1991) gives the following expression for c [VAN GENT, 1995]: 

11

1 A

nc nc

n g n g

  (2.23) 

This expression contains the parameter γ which is a dimensionless coefficient representing the effect 

of the added mass. Van Gent (1995) executed an experiment in order to investigate the contributions 

of the different terms. These measurements were performed in an oscillating wave tunnel [VAN GENT, 

1995]. The results of these experiments are presented in figure 2‐15. 

 Figure 2‐15 Contribution of each  term of  the  Forchheimer equation  to  the  total gradient  [VAN GENT, M.R.A. 

1995] 

 

Based on this figure it can be concluded that the contribution of the b‐term is the most important and 

that the contribution of the c‐term is only of significant importance at the zero crossing of the signal 

(reversion of the flow).  

 

The basic equation  for  flow  inside a breakwater  is  the Forchheimer equation. Various methods are 

developed  that  determine  the  flow  inside  a  breakwater  and  the motion  of water  outside  of  the 

breakwater  in  relation  to  each  other.  Two methods  are mentioned;  the  volume  exchange model 

which couples  the outside motion of water  to  the  internal motion of water by  the conservation of 

(water) volume and the exchange of water volume through the surface of the breakwater  [JUMELET, 

2010]  and  the  ComFLOW model which  is  a Volume‐of‐Fluid model  that  solves  the  incompressible 

Navier‐Stokes equations [WENNEKER, 2010]. 

Page 30: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Literature study 

 

‐ 16 ‐ 

 

2.2.2 Dynamic load on a single armour unit 

A single armour unit is loaded by both static loads and dynamic wave induced (hydraulic) loads. The 

hydraulic force balance consists of a number of terms. The forces acting on a single armour unit (in 

this case an armour stone) are schematised in figure 2‐16: 

 

 Figure 2‐16 Dynamic forces on an armour stone [HALD, 1998] 

 

Various forces are displayed in figure 2‐16. They are the result of the flow around the armour unit and 

the gravitational force. Since the flow around an armour unit positioned on a breakwater slope is not 

stationary, the size and direction of these forces vary in time. The left side of the figure schematises 

the  situation  during  downwash  of  water  along  the  breakwater  slope.  Since  in  this  situation  the 

dynamic  forces act  in  the  same direction as  the along  slope  static  load on  the  first  row of armour 

units, this situation is of primary interest.  

 

The figure depicts a number of forces being: 

The gravitational force (Fg); 

The lift force (FL); 

The drag force (FD); 

The inertia force (FI); 

The seepage force (FS); 

 

The  lift, drag and  inertia  forces are all a  function of  the downwash velocity  (Vdownwash)  (V,  in  figure 

2‐16). These  forces can be described with  the classical, simplified Morrison equations  [HALD, 1998]. 

The simplified (the drag related term without the inertia related term) Morrison equations are given 

since BURCHARTH (1993) established that the drag term dominates the inertia term. 

D D w downwash downwash

L L w downwash downwash

downwashI M w

F C A v v

F C A v v

dvF C V

dt

 (2.24) 

In these equations ρw is the density of water, A is the surface of the considered body perpendicular to 

the flow, Vdownwash is the downwash velocity, V the volume of the stone and CD, CL, CI, are coefficients 

depending on the shape of the armour unit, the Reynolds number (Re) and the Keulegan‐Carpenter 

number  (KC).  The  Keulegan  Carpenter  number  represents  the  ratio  between  the  influence  of 

turbulence and inertia and reads:  

V TKC

n D

  (2.25) 

in which V is a characteristic velocity, T is the wave period, n is the porosity and D is the particle size. 

 

Page 31: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 17 ‐ 

 

The Morrison  equations  are  derived  for  a  body  in  undisturbed  flow.  In  this  case  the  armour  unit 

(body)  is  sheltered by other units which disturb  the  flow. Despite  this deviation  from  the original 

circumstances, the Morrison equations are widely used. Research was performed in order to establish 

the drag, lift and inertia coefficients for stones. Figure 2‐17 gives the results of the research of TØRUM, 

1994 who related the coefficients to the KC number. 

 Figure 2‐17 Drag and inertia coefficients relative to the KC number TØRUM, 1994 [HALD, 1998] 

 

The seepage velocity  is the velocity of the flow from the core of the breakwater through the under 

layer and  through  the armour  layer. This  seepage  flow  imposes a  force on an armour unit  (during 

outflow)  in the upward direction, perpendicular to the slope and  in downward direction, parallel to 

the slope. The seepage  flow  is the result of the porous  flow  in the core of the breakwater which  is 

caused by of the internal water gradient. 

 Figure 2‐18 Rise and lowering of the phreatic level due to in and outflow of water 

 

In figure 2‐18 the phreatic level of the water in the core of a breakwater is sketched. The water flows 

into  the  core of  the breakwater during  the period of uprush of water  till  the maximum  run‐up  is 

reached. When the maximum run‐up is reached the internal phreatic level is also at its maximum and 

the  inflow  of water  reverses  resulting  in  an  outflow  of water.  The  driving mechanism  behind  the 

outflow of water is thus the hydraulic gradient of the elevated phreatic level.  

 

As stated before, the hydraulic gradient can be described with the Forchheimer equation: 

f p p pI a v b v v   (2.26) 

The porous flow at every point  in the core of the breakwater can be calculated based on the water 

level  inside the core and the Forchheimer equation [MANSARD AND FUNKE, 1980]. The seepage flow at 

the  interface  between  the  under  layer  and  the  armour  layer  is  of  primary  interest  since  at  this 

interface the actual loads on the armour units occur. 

 

Page 32: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Literature study 

 

‐ 18 ‐ 

 

In figure 2‐19 a schematisation of all relevant occurring flows is given: 

 Figure 2‐19 Flow around a armour unit 

 

In order to determine the force on an armour unit in downward, along slope direction, the downwash 

velocity and the seepage velocity should be determined. The drag and inertia force of the armour unit 

can be calculated based on the Morrison equations, the calculated downwash velocity and the along 

slope component of the force resulting from the seepage flow.  

 

The force imposed on the armour unit in upward direction, perpendicular to the slope is composed of 

two components. One component  is a  lift component which can be determined with  the Morrison 

equation with as input the downrush velocity. The second component is the force resulting from the 

seepage flow in perpendicular direction to the slope which can be determined with the Forchheimer 

equation.  

 

These two components result in the total force in upward direction, perpendicular to the slope. This 

total  force  reduces  the normal  force what  results  in  a  reduced  friction  force. The  reduced  friction 

force may increase the load on the lower laying armour units. 

 

Page 33: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 19 ‐ 

 

3 Hypothesis 

Based on  the  literature  study  in  the previous  chapter,  it was  concluded  that  the  load on  the  first 

(bottom) row of armour units  is composed of various  loads, being the static  load, the dynamic  load, 

the abrasion  load,  the  thermal  load and  the chemical  load.  In  this  research  the static  load and  the 

dynamic load were further investigated. The influence of earthquakes, arching and wedge effects and 

rocking were  left outside the scope of  this research. Based on  the division between static  load and 

dynamic load in literature, two hypotheses were tested in this research; one regarding the static load 

and one regarding the dynamic load.  

 

Based on  the extended along  slope  force balance  (equation 2.4)  it was  reasoned  that  if  the  single 

armour units are not  in balance by themselves they  impose a residual  load on the  lower positioned 

armour units. The residual force on this lower positioned armour unit can be transferred to the under 

layer by this unit or can be transferred further along the slope to lower positioned armour units. This 

creates an armour  layer of armour units each with  its own  force balance and with  residual  forces 

between them. From the top row downward to the first row the residual forces add up and impose a 

load on the first row of armour units.  

 

If all  individual  force balances would be  identical  to each other  than all  residual  forces originating 

from  the  individual  force  balances would  have  the  same magnitude.  The  positive  residual  forces 

between the armour units lead to a linear increasing load on the first row of armour units as function 

of the number of rows applied on the slope of the breakwater. However, experiments performed by 

MUILWIJK (2011) shows that the relative increase of the static load with the number of rows, decreases 

with the number of rows applied on a breakwater. These statements are summarised in the following 

hypothesis for the static load: 

 

The static load on the first row of armour units is the result of the individual residual forces (resulting 

force from individual force balance) per armour unit which add up to a total resulting force on the first 

row of armour units. The increasing rate of the static load, decreases with the number of rows applied 

on the breakwater slope which is caused by a number of armour units which can bear (a part of) the 

residual forces of armour units placed on higher rows. 

 

The governing dynamic (hydraulic) load is the dynamic load in downward, along slope direction with 

the largest magnitude. The dynamic load during the time period of the incoming and breaking wave is 

mainly directed  in upward along slope direction or  in a direction perpendicular to the slope. During 

the  time  period  of  the  reflecting  wave  a  downwash  of  water  flows  in  downward,  along  slope 

direction,  in  the  same  direction  of  the  considered  static  load  on  the  first  row  of  armour  units. 

Furthermore, an outflow of water from the core destabilises the armour units beneath the water line. 

It was assumed that this situation  is governing  for the (maximum) dynamic  load on the  first row of 

armour units, which results in the following hypothesis regarding the dynamic load: 

 

The combination of downwash on and through the armour  layer, and the outflow of water from the 

inside of  the breakwater  through  the armour  layer,  is determining  for  the maximum  loading of  the 

first row of armour units. The transfer of the dynamic forces imposed on an individual unit correlates 

to the transfer of residual forces as described in the static load hypothesis. 

 

Page 34: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Hypothesis 

 

‐ 20 ‐ 

 

3.1 Research approach 

In order to study the load on the first row of armour units and to test the hypotheses, the load on the 

first  row of  armour units had  to be determined.  This  load was  examined by physical model  tests. 

Physical model test are still widely used within the field of coastal engineering and are still the basis of 

many  research  programs.  The  static  load  and  the  dynamic  load  were  measured  in  different 

experiments.  

 

The static load experiments performed in this research were of the same nature as the experiments 

executed by MUILWIJK (2011). However in this research a different size of model unit was used and the 

number of tests was increased in order to improve the general validity of the conclusion drawn from 

the experiments of MUILWIJK (2011) and the experiments performed in this research. 

 

The dynamic  load was examined with a physical model  in a wave flume. The hypothesis described a 

significant  influence  of  the  downwash  velocity  on  the  dynamic  load.  Various  parameters  which 

influence  the  downwash  velocity  were  varied  and  studied  in  this  experiment.  Furthermore  the 

influence of the seepage flow was studied in this experiment. 

Page 35: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 21 ‐ 

 

4 Experiments 

The  load on the first row of armour units was  investigated with an experiment with only static  load 

and with an experiment with dynamic loads. The static experiment is described in paragraph 4.1 and 

the hydraulic experiment is described in paragraph 4.2. 

4.1 Static experiment 

A static experiment was developed and executed  in order to determine the  load on the first row of 

armour units in static conditions (without the influence of waves). The experiment was designed for 

dry conditions thus also the influence of buoyancy of the armour units was outside the scope of this 

experiment. The load on the first rows of armour units was investigated based on the number of rows 

applied on the slope of a breakwater. 

 

The  concept of  this  experiment was  to measure  the  load on  the  first  row of  armour units with  a 

movable beam which was connected to force gauges which measures the load imposed on this beam. 

This concept is sketched in figure 4‐1. 

 Figure 4‐1 Conceptual design of static experiment 

 

The movable beam was made  as  a  T‐shaped  retaining  structure which was  able  to move  in  along 

slope direction due  to  the wheels which under  the beam. The beam was  supported  in along  slope 

direction by suspension cables connected to two force gauges (one on each side of the slope). These 

force  gauges were  of  the  type MG‐200W,  had  a  range  of  0‐1000 N  and  a  resolution  of  1 N.  This 

construction enabled the measurement of forces imposed on the beam in along slope direction.  

 

Forces were imposed on this beam by the armour units which were placed directly against this beam 

(and were also supported by the under layer). The first row of armour units placed on the beam was 

placed  with  a  regular  orientation  (the  reader  is  referred  to  appendix  A  for  photographs  of  this 

placement). The  load  imposed by  this  first  row on  the beam was  read  from  the  force  gauges  and 

noted after the complete placement of the first row. Subsequently, a second row was placed on the 

slope and the total force imposed by the two installed rows on the beam in along slope direction was 

measured and noted. This routine was repeated until a total of 20 rows were placed on the slope. 

 

In  this way  the  load  on  the  beam  as  function  of  the  number  of  rows  applied  on  the  slope was 

measured. The objective of this research was to measure the load on the first rows of armour units.  

 

However, in this experiment instead of the load on the first row of armour units, the load imposed by 

the  first  row  of  armour  units  on  a movable  beam was measured.  In  this  experiment  the beam  is 

Page 36: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Experiments 

 

‐ 22 ‐ 

 

“replacing”  the  first  row of  armour units. The  load  imposed by  the  first  row of  armour units  is  in 

reality thus the load imposed by the first row of armour units above the lowest row of armour units 

(row 0) on this lowest row of armour units. In practice, this lowest row can consist of an actual row of 

armour units (Xbloc) or a special armour unit designed for the placement on the lowest row. (Xbase).  

 

The model armour units used in this experiment were Xbloc single layer armour units (see figure 4‐6) 

with a weight of 366 gram and a unit height of 7,9 cm. The armour units were placed in a staggered 

grid corresponding to a packing density of 1,20 / DXbloc2 (the reader is referred to paragraph 4.2.2.3 for 

more information about the packing density). This packing density resulted in a horizontal centre‐to‐

centre distance between  the  armour units of 10,43  cm  (1,32  times  the unit height)  and  a  vertical 

centre‐to‐centre distance between the armour units of 4,98 cm (0,63 times the unit height). Twenty 

armour units were placed on a horizontal  row which gave a  total  row width of nineteen  times  the 

centre‐to‐centre distance between the armour units plus one time the unit height of an armour unit 

(205,9 cm). The test slope used for this experiment was wider than this row width. The excess width 

was filled up. The along slope length of the armour layer with 20 rows was calculated in the same way 

what resulted in an along slope length of 102,5 cm. 

 

The  armour  units were  placed  on  an  under  layer which was  placed  on  a wooden  slope  of  36,87 

degrees (3:4). The under layer was made of stones with a standard grading which had a W50 of 36,6 

gram (the requirements for under layers are described in paragraph 4.2.2.4). The reader is referred to 

appendix A for the weight distribution of the stones used for this under layer. 

 

A  total of 15  tests were done with a  varying  relative packing density. The  relative packing density 

(RPD) is defined as the requested packing density divided by the applied packing density: 

1 1 =

x y x y

x y

N N d dRPD

L L

  (4.1) 

In which Nx  is the number of armour units  in a horizontal row, Ny  is the number of horizontal rows 

applied on  the slope, dx  is  the horizontal centre‐to‐centre distance between armour units, dy  is  the 

along  slope  centre‐to‐centre  distance  between  armour  units,  Lx  is  the  actual measured  distance 

between the centre of the armour unit at the far  left side of a horizontal row and the centre of the 

armour unit at the far right side of the same horizontal row and , Ly is the actual measured along slope 

distance between the centre of the armour unit at the lowest row and the centre of the armour unit 

at highest row. 

 

An armour  layer placed accordingly  the previous described centre‐to‐centre distances has a RPD of 

100%. The RPD was varied in this research in order to investigate the influence of the packing density 

on the static load. Five tests were done with a RPD lower than 98%, five tests were done with a RPD 

of 98% to 102% and five tests were done with a RPD higher than 102%. 

4.1.1 Critical angle 

In addition to the described static experiment, a second static experiment was designed  in order to 

investigate the  individual  force balance of an armour unit. The  force balance of the  individual units 

was  researched  in  order  to  determine  the  friction  between  an  armour  unit  and  the  under  layer. 

Knowledge about the friction between an armour unit and the under layer was necessary in order to 

determine the theoretical load in the first row of armour units. This theoretical load was compared to 

measured load in the previous described experiment. 

 

The friction between an armour unit and the under layer was studied by determining the critical angle 

of an armour unit on a slope of under  layer material. The critical angle  is  the angle of  the slope at 

Page 37: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 23 ‐ 

 

which an armour unit is just stable. The friction between the armour unit and the under layer is equal 

to the along slope component of the gravitational force of an armour unit in this case. The along slope 

component of the gravitational  force of an armour unit  is a  function of the slope and can be easily 

calculated.  If  the  critical  angle  and  the weight of  an  armour unit  are  known  then  it  is possible  to 

calculate the friction between the armour unit and the slope. 

 

The critical angel was investigated by placing the armour units on a slope of under layer material that 

could be tilted so that the angle of the slope increases: 

 Figure 4‐2 Sketch of the critical slope experiment 

 

The  slope was gradually  increased until  the armour units  started  to move. The angle at which  the 

armour units started to move was noted as the critical angle. 

 

This test was done with Xbloc armour units with a weight of 119 gram and a unit height of 5,4 cm. The 

stones  used  in  the  applied  under  layer had  a W50  of  11,9  gram  (the  reader  is  referred  paragraph 

4.2.2.4  for  more  information  about  the  selection  of  material  for  an  under  layer).  The  test  was 

executed 200 times so a dataset of 200 data points was collected. 

4.2 Hydraulic experiment 

A hydraulic experiment was designed and executed  in order  to determine  the dynamic  (hydraulic) 

load on the  first row of armour units caused by the wave action on the slope of a breakwater. The 

static experiment which determined  the static  load on  the  first  row of armour units consisted of a 

movable beam which  supported  the armour  layer. This beam was  supported by  suspension  cables 

which were connected to  two  force gauges which measured  the  load  imposed on  the beam by  the 

armour layer. This concept was also used for the hydraulic experiments.  

 

The  armour  units  used  in  the  hydraulic  experiment  were  also  supported  by  a  movable  beam 

connected to a force sensor. Instead of using suspension cables for the support of the movable beam, 

a stiff frame was used for the connection between the movable beam and the force sensor. This was 

done because the dynamic  loading of the breakwater  induced rapid changes of the tensile forces  in 

the connection between the movable beam and the  force sensor. Therefore, a stiff connection was 

chosen to enable the direct transfer of changes in tensile forces to the force sensor. 

Page 38: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Experiments 

 

‐ 24 ‐ 

 

   

 Figure 4‐3 Side and frontal view of breakwater model with measuring frame 

 

The frame placed on the breakwater is visualised in figure 4‐3. The left part of figure 4‐3 displays the 

frontal view of the frame on the breakwater with some armour units placed on it and the right part of 

figure 4‐3 displays  a  side  view of  the  frame placed on  the breakwater.  The  frame  transferred  the 

forces imposed on the lowest horizontal beam of the frame to the force sensor which was placed on a 

horizontal  beam.  This  horizontal  beam  was  placed  on  top  of  the  flume.  The  frame  consisted  of 

aluminium  L‐profiles.  Because  the  tension  forces  occurring  in  the  profiles  in  along  slope  direction 

were limited, the dimensions of the profile could be rather small. The profiles in along slope direction 

had a width of 2 cm. 

 

The frame was able to move freely in along slope direction since any obstruction would influence the 

outcome of the measurements. In order to achieve a free moving frame in along slope direction the 

frame was fitted with wheels (at both sides two wheels, both at the top of the model breakwater and 

at the toe of the prototype breakwater). The wheels moved  in a U‐profile which was positioned on 

the under layer and directly against the glass (side) of the wave flume (figure 4‐4). The width of the u‐

profile was 20 mm, the height was 15 mm and the thickness of the walls and base was 2 mm. The 

wheels which fit in the U‐profile had a width of 14 mm, a diameter of 14 mm and a total height of 17 

mm. Two types of profiles were used for the frame. The profile in along slope direction was a L‐profile 

with a height and a width of 20 mm. The horizontal profiles were also L‐profiles but had a height of 

10mm and a width of 20 mm (figure 4‐4). 

 Figure 4‐4 Cross section of along slope frame profile and U‐profile at location of one of the wheels 

 

In the described hydraulic experiment, the load imposed by the first row of armour units on the frame 

was measured instead of the load on the first row of armour units. Statements made about the load 

on the first row of armour units refer to this measured load which is in reality the load on the armour 

Page 39: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 25 ‐ 

 

units (Xbase or a row of Xbloc armour units depending on the actual design) which  is “replaced” by 

the  frame. When  statements  are made  referring  to  the  load  on  the  first  row  of  armour  units  as 

function of  loads developed  in  the  first  five  rows,  then  the  load between  these  five  rows and  the 

frame or the (not applied in the hydraulic tests) row of Xbases is meant. 

4.2.1 Wave Flume 

The hydraulic  tests were executed  in  the wave  flume of Delta Marine Consultants  in Utrecht, The 

Netherlands. This flume has a length of 25 m, a width of 0,6 m and a height of 1,05 m. The maximum 

water  level  is 0,7 m and  the maximum wave height  that can be generated  is 0,3 m. The waves are 

generated with  a  piston wave  generator  (of  Edinburgh  Designs) which  can  generate  regular  and 

irregular waves. The reflected waves are compensated by the wave generator. 

 Figure 4‐5 Longitudinal view of the wave flume [VAN ZWICHT, 2009] 

4.2.2 Breakwater Model 

4.2.2.1 Scaling laws 

The  scaling  of  a  prototype  breakwater with  related wave  conditions  to  a model  breakwater with 

related wave conditions should be done in such a way that the characteristics of the prototype agree 

with the characteristics of the model. If the scaling of the prototype to the model is incorrect then the 

results obtained from the physical model test become inaccurate and therefore unreliable. The scale 

(λ) is determined based on geometric, dynamic and kinematic similarity [FROSTICK et.al., 2011].  

Geometric similarity  is obtained as all corresponding  linear dimensions between the model and the 

prototype are scaled according to the same scale factor (λL): 

mL

p

l

l   (4.2) 

Kinematic  similarity  is  obtained  when  all  time‐depended  processes  in  the model  have  the  same 

constant relation to the time‐depended processes in the prototype. Kinematic similarity thus means a 

similarity of motion (of the fluid particles): 

mt

p

t

t   (4.3) 

Dynamic similarity  is obtained  if there  is a similarity between the occurring forces  in the model and 

the occurring forces  in the prototype. The scale factor between all vectorial forces of the prototype 

and the model should be equal: 

mF

p

F

F   (4.4) 

These conditions can be fulfilled with the similitude of the Froude or Reynolds number in combination 

with geometric similarity [HUGHES, 1993]. 

 

Page 40: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Experiments 

 

‐ 26 ‐ 

 

The Froude number is defined as the ratio of a characteristic velocity to a gravitational wave velocity. 

The Froude number of the model should be the same as the Froude number of the prototype:  

p m

U U

g l g l

  (4.5) 

The Reynolds number is defined as the ratio of inertial forces to viscous forces. The Reynolds number 

of the model should be the same as the Reynolds number of the of the prototype:  

/ /w wp m

U l U l

  (4.6) 

This  condition  is  impossible  to  fulfill  for models  at  a  reduced  scale  [HUGHES,  1993]. HUGHES  (1993) 

states that the flow conditions throughout the primary armour layer must remain turbulent. The best 

approach to prevent the viscous forces to become too large relative to the inertial forces is to use a 

model scale as large as possible. 

 

The physical model tests were executed with short waves which are dominated by gravitational forces 

(relative  to  the viscosity). Therefore Froude  scaling  (which corresponds  to  linear geometric  scaling) 

was used which means  that  the viscosity, elasticity and  surface  tension  forces  could not be  scaled 

correctly  causing  scale  effects. According  to HOLTHUIJSEN  (2007)  surface  tension  affects waves with 

wave  periods  shorter  than  0,25  seconds.  These waves were  not  applied  in  this  research  and  the 

influence of surface tension was therefore not further considered.  

 

As  stated before,  the viscous forces could not be  scaled correctly when using  the Froude criterion. However, as long as the flow velocities stay high enough to keep the flow in the primary armour layer 

turbulent the Reynolds criterion is reasonably satisfied. The flow velocities in both layers are relatively 

high  due  to  the  high  permeability  of  the  primary  and  secondary  armour  layer  which  results  in 

relatively high Reynolds numbers.  In most  cases  laminar  flow  is not a problem  in  the primary and 

secondary armour layer [VAN ZWICHT, 2009]. There is however a possibility of non‐turbulent flow in the 

core.  In order  to minimise  the scaling effect of viscous  forces a minimum Reynolds number  for  the 

flow  in  the core  is  specified. The  flow  in  the  core of  the model  is  turbulent  for Reynolds numbers 

higher than 1∙102 [HUGHES, 1993]. 

4.2.2.2 Foreshore 

Normally a foreshore  is applied  in order to simulate the bathymetry  in front of the prototype to be 

modelled. The model used in this research was not related to an actual prototype and was aimed to 

be a model of a “general  rubble mound breakwater” although such a breakwater does not exist  in 

reality. In this research a flat foreshore was used which means that the waves generated by the wave 

generator were not  transformed by  this  foreshore.  The  generated waves were  comparable  to  the 

waves near the structure. However  in practice the waves are transformed by the foreshore and the 

results and expressions found in this research should be related to the waves near the structure. 

4.2.2.3 Armour units 

The physical model was armoured with Xbloc single layer armour units. Various sizes of Xbloc model 

units were available which ranges from an unit height of 2,9 cm to 7,8 cm. The width of the flume was 

reduced by the frame leaving a width of 55 cm for a row of armour units. The armour units should be 

placed at a horizontal centre‐to‐centre distance  (dx) of 1,32  times  the unit height  (DXbloc)  from each 

other [TEN OEVER, 2011]. The width of the armour  layer can be determined based on the number of 

armour units at a horizontal row and the size of these units. The width of the armour layer should be 

Page 41: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 27 ‐ 

 

smaller than 55 cm. The application of a larger unit reduces the number of units at a horizontal row. 

In this research Xbloc model units with a unit height of 4,3 cm and a weight  of 61,7 gram were used 

what corresponds  to a  total number of  ten armour units at a horizontal  row. The  thickness of  the 

armour layer is 0,97 times the unit height of the armour unit for Xbloc armour units. The unit height 

of 43 mm resulted in an armour layer thickness of 42 mm. 

 

 Figure 4‐6 Frontal and side view of a Xbloc single layer armour unit 

 

Xbloc armour units are placed  in a staggered grid with packing density (number of armour units per 

m2) of 1,20 / DXbloc2. This packing density was converted into centre‐to‐centre distances (dx and dy) for 

the armour units on the grid. A packing density of 1.20 / DXbloc2 corresponds to a horizontal centre‐to‐

centre distance of 1,32 times DXbloc and a horizontal centre‐to‐centre distance of 0,63 DXbloc [TEN OEVER, 

2011]. 

 

An armour unit height of 4,3 cm and a total number of 10 units at a horizontal row corresponds to a 

horizontal centre‐to‐centre distance of 1,30 times DXbloc and an along slope centre‐to‐centre distance 

of 0,64 times DXbloc which is within margins. 

 

The  significant wave  height  corresponding  to  the  determined model  armour  unit was  determined 

with the following formula [DELTA MARINE CONSULTANTS, 2011]: 

3              with  32,77

sxbloc Xbloc xbloc

HV D V

  (4.7) 

The applied armour units had a density of 2279 kg m‐3 and the water in the wave flume has a density 

of 1000 kg m‐3. This results in a corresponding significant wave height of 11 cm. 

4.2.2.4 Under layer 

As under  layer Delta Marine Consultants  recommends  the use of standard gradings as  listed  in  the 

Xbloc design table (appendix B) and specified  in the Rock Manual, CIRIA C683 (2007). As alternative 

non‐standard grading’s can be used if they fulfill the following requirements [TEN OEVER, 2011]:  

15 

Xboc 50 Xbloc

85 

1W   W

15

1 1W W W

11 9

1W u    W

7

Xbloc

Xbloc

  (4.8) 

Page 42: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Experiments 

 

‐ 28 ‐ 

 

In which WXbloc is the weight of the Xbloc, W85 is the rock weight that is exceeded by 15% of the rocks 

in the under layer, W50 is the rock weight that is exceeded by 50% of the rocks in the under layer and 

W15 is the rock weight that is exceeded by 85% of the rocks in the under layer. 

 

Normally, a model is scaled according to the model scale and the prototype parameters. In this case 

there was no real prototype and therefore no strict model scale. The model was linked to a fictional 

prototype  in order  to determine  the prototype under  layer dimensions and scale  them back  to  the 

model scale. As prototype armour unit a armour unit with a unit height of 1,96 m was chosen which 

sets the model scale to 45,75. Xbloc armour units with a unit height of 1,96 m are placed on an under 

layer with a standard grading of 300  to 1000 kg  (Xbloc design  table, appendix B). This grading was 

constructed on scale with a mixture of sieve gradings. The standard grading of 300 to 1000 kg on a 

scale of 45,75 was made with a mixture of 45 % of the sieve grading 11,2 to 16 mm and 55% of the 

sieve grading of 16 to 22,4 mm. One  is referred to appendix B  for more  information of the applied 

grading relative to the standard grading. The Dn50 of the stones used for the under layer was 13,3 mm. 

The minimum thickness of the under  layer was calculated from the thickness described  in the Xbloc 

design table (1,2 m), (appendix B) and the scale factor of 45,75. This gave a under layer thickness of 

28,5 mm. 

4.2.2.5 Slope 

The  conventional  slope  for Xbloc armour units  is a  slope of 3:4  (36,9 degrees). This  slope was  the 

standard slope in this research. In order to investigate the effect of the slope steepness a flatter slope 

of 2V:3H (33,7 degrees) was tested as well. 

4.2.2.6 Crest height and width 

One of the objectives of the physical model research was to investigate the effect of a varying number 

of rows. Three different numbers of rows were incorporated in the test program; 15, 20 and 25 rows. 

The numbers of rows correspond to a length of the armour layer and crest height. The length of the 

armour layer was calculated with the following expression: 

armourlayer xbloc y yL D N d   (4.9) 

The length of the armour layer and the crest height corresponding to the number of rows applied on 

the slope can be found in the following table: 

 Table 4‐1 Length of armour layer and crest height 

Number of rows (ny)  Larmour layer   Crest height (slope 3:4)  Crest height (slope 2:3) 

15  42,8 cm  29,9 cm  27,9 cm 

20  56,6 cm  38,1 cm  35,6 cm 

25  70,3  46,4 cm  43,4 cm 

 

 The minimum crest width is 2,28 times Dxbloc which was 98 mm with the chosen model units. 

4.2.2.7 Water level 

The water level was chosen in such a way that the overtopping during the tests was limited. The run‐

up was calculated with the run‐up formula of VAN DER MEER AND STAM (1992), for every combination of 

the  number  of  rows, wave  height  and  period  included  in  the wave  program  (described  later).  It 

appeared that with a water level of 12 cm above the bottom level of the toe overtopping only occurs 

for tests with wave heights of 0,6 Hmax and higher. 

 

Page 43: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 29 ‐ 

 

The largest wave height of the wave program (paragraph 4.2.3.1) is the maximum wave height which 

is about equal to two times the significant wave height [HOLTHUIJSEN, 2007]. A significant wave height 

of 11 cm thus gives a maximum wave height of 22 cm. Depth induced wave breaking occurs for waves 

with wave heights which are higher than 0,88 times the local water depth according to the criterion of 

Miche (equation 2.7) [SCHIERECK, 2001]. This means that for wave heights of 22 cm a minimum water 

depth of 25 cm is needed.  

 

In order to maintain the water level of 12 cm from the bottom of the toe and to have enough water 

depth  in  front  of  the  breakwater  for  the  highest  waves  a  compromise  was  found  in  raising  the 

breakwater with an extended structure underneath the actual breakwater. The slope of the designed 

breakwater was extended until a vertical height of 43 cm was added to the breakwater. The surface of 

the structure underneath the Xbloc armoured model breakwater was protected with gabions:  

 

 Figure 4‐7 Cross‐section of the breakwater model with under structure 

 

The under structure could had two possible effects on the  load of the armour units. The first effect 

could be that the absence of a toe structure and a seafloor at the lowest row of armour units had as 

consequence  that  the  downwash  flow was  not  hampered  by  a  toe  structure  or  the  seabed.  The 

downwash flow would normally be bend in “seaward” direction while in this design the flow was able 

to remain parallel to the slope what might induce higher load on the armour units. The second effect 

could  be  that  the  outflow  of  water  from  the  core  occurs  at  a  larger  surface,  resulting  in  lower 

velocities (but the same total volume of outflow). This effect may lower the load on the armour units. 

The first effect imposed a possible higher load on the armour units and thus a higher load on the first 

row  of  armour  units. Measurements  influenced  by  this  effect were  thus  conservative.  The  lower 

outflow velocities results  in a  lower  load on the armour units which  is unintended. An  impermeable 

layer at the horizontal level of the lowest row of armour layer was applied in order to compensate for 

this effect and  to obtain conservative results. The effect of  this  layer was  investigated by removing 

this layer and comparing the results to the results of a test without this impermeable layer. 

4.2.2.8 Cross‐section 

Based on information of the armour layer, under layer, slope, number of rows and crest height it was 

possible  to  determine  the  dimensions  of  the  breakwater  and  design  the  cross‐section  of  the 

breakwater.  In  this  research  the number of  rows was varied and a breakwater with 15, 20 and 25 

rows and a  slope of 3:4, was designed. Furthermore,  the  slope was varied  so a  fourth design of a 

breakwater with 20 rows and a slope of 2:3 was designed. 

 

Page 44: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Experiments 

 

‐ 30 ‐ 

 

The basic  idea  regarding  the breakwaters with a 3:4 slope was  to design a 3:4 breakwater with 25 

rows and  corresponding  crest height. The width of  the  crest was  for  this breakwater equal  to  the 

minimum value of a crest with Xbloc armour units (2,28 times Dxbloc). Based on this initial design the 

breakwaters with 20 and 15 rows were designed by removing the top of the breakwater design with 

25 rows. 

 Figure 4‐8 Sketch of cross‐section with 15, 20 and 25 rows 

 

Since  the  lower part of  the breakwater  remained  the  same,  the width of  the breakwater at water 

level also remained the same and the crest width increased for breakwaters with 15 and 20 rows. For 

a more detailed design the reader is referred to appendix B. 

 

The breakwater with a 2:3 slope was a modified version of the breakwater with a slope of 3:4 and 20 

rows.  This design was made by  adjusting only  the  seaward  slope of  the breakwater.  The  seaward 

slope was rotated from a slope of 3:4 to a slope of 2:3 at the point where the water level intersects 

with the centre of the armour layer. In this way the number of submerged armour units in a situation 

without waves is the same for a breakwater with a slope of 3:4 and a breakwater with a slope of 2:3. 

 Figure 4‐9 Cross‐section of a breakwater with 20 rows for a slope of 2:3 and a slope of 3:4 (striped) 

 

Page 45: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 31 ‐ 

 

4.2.2.9 Core 

A  geometrical  scaled  core may  induce problems with  the  similarity of  the  flow  in  the  core of  the 

breakwater. A geometrical scaled core leads to small diameters of the material used in the core and 

this could  lead to a too  low permeability of the core and a resulting flow which  is not similar to the 

flow  in  the  core of  the prototype. BURCHARTH,  et.al  (1999) developed  an  empirical  formula  for  the 

wave  induced pressure gradient  in  the core which,  in combination with  the Forchheimer equation, 

can be used to estimate the pore velocities in the core. These velocities can be used to determine the 

characteristic Froude number of the prototype. This Froude number should be the same in the model. 

Based  on  the method  proposed  by  BURCHARTH,  et.al  (1999),  it  is  possible  to  determine  the  core 

diameters of the model  in such a way that the characteristic pore velocity corresponding to Froude 

number of the model equals the characteristic pore velocity corresponding to Froude number of the 

prototype. For further reading the reader is referred to [BURCHARTH, et.al, 1999]. 

 

The Dn50 of the material used in the core of the prototype breakwater was determined by applying the 

filter  rules  of  Terzaghi  for  the  interface  between  the  core  and  the  under  layer.  Following  this 

approach  a  Dn50  of  41  cm  was  determined  for  the  material  used  in  the  core  of  the  prototype 

breakwater. Based on the method described by BURCHARTH, et.al (1999) a characteristic pore velocity 

for the prototype of 0,2374 m∙s‐1 was found which corresponds to a characteristic pore velocity of the 

model obtained from Froude scaling of 0,03517 m∙s‐1. A Dn50 of 0,90 cm of the material used  in the 

core was determined corresponding to a characteristic pore velocity of 0,03518 m∙s‐1. This  is well  in 

line with the requested characteristic pore velocity obtained from Froude scaling. 

 

As input parameters for the Forchheimer equation (equation 2.19) an αf of zero was used and a βf of 

3,6 was used. The porosity of both the prototype as the model were assumed to be 0,4. 

 

As stated before,  laminar  flow should not occur  in  the core. The Reynolds number  in  the core was 

calculated  and  has  a  value  of  8,22∙103.  The  calculated  Reynolds  number  is  above  the  requested 

minimal Reynolds number of 1∙102 [HUGHES, 1993]. 

 

Based on the determined Dn50 of the required material used as core, a standard grading was selected 

which  fulfils  this  condition.  The  standard  grading  of  60  –  300  kg  fulfils  this  condition  (scaled  to 

prototype scale based on the just determined Dn50 for the core material). This grading was constructed 

with a mixture of 20 % of the fraction of 5,6 to 8 mm, 40 % of the fraction of 8 to 11,2 mm and 40 % 

of the fraction of 11,2 to 6 mm. The reader is referred to appendix B for the graph of the applied and 

required grading 

 

4.2.3 Test program 

In the previous paragraphs some statements were made about the parameters which were varied in 

the test program. First of all the number of rows applied on the breakwater was varied during the test 

program. By varying the number of rows  influence on the dynamic  load on the  first row of armour 

units  could be  investigated. A higher number of  rows means  that  the waves  imposed  forces on  a 

larger number of  rows  (and  thus armour units). The expectation was  that  the measured  load  for a 

larger number of rows would be higher. Tests were executed with 15, 20 and 25 rows. 

 

The  second  parameter  that was  varied  in  the  test  program was  the  packing  density.  The  packing 

density  influences  the  flow  through  the  armour  layer  (a  higher  packing  density  reduces  the 

permeability of the armour  layer) and thus  influences the  load on the armour units. A high packing 

density was expected to have a decreasing effect on the flow velocities resulting  in a  lower  load on 

Page 46: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Experiments 

 

‐ 32 ‐ 

 

the first row of armour units. Relative packing densities of 97%, 100% and 104% were tested  in this 

research (the reader is referred to paragraph 4.1 for the definition of the relative packing density). 

 

The third parameter that was varied was the permeability of the core. The permeability of the core 

influences the run‐up on the slope and the volume of water that flows into and out of the core during 

a wave cycle. A breakwater with a normal permeable core was compared with a breakwater with an 

impermeable core. In this way the influence of the outflow from the core through the armour layer on 

the stability of the armour units and thus on the  load on the first row, was studied. The same wave 

height will induce higher levels of run‐up at a breakwater with an impermeable core which will result 

in higher downwash velocities.  In order to study the effect of the outflow from the core, tests with 

the same downwash velocities had to be compared. Furthermore, the test with an impermeable core 

might give some  insight  into the  load on the first row of armour units for tests with the same wave 

heights. 

 

The  fourth  parameter  that  was  varied  was  the  smoothness  of  the  under  layer.  A  smooth 

(impermeable)  under  layer was  expected  to  transfer more  load  to  the  first  row  of  armour  units 

compared  to  the  test with an  impermeable core but with a normal under  layer. This  test was also 

used  to measure  the  static  load on  the  first  row with armour units placed on a breakwater with a 

smooth underlayer. 

 

The  last  parameter  that was  varied was  the  slope  of  the  breakwater.  The  conventional  slope  for 

breakwaters with Xbloc armour units  is 3:4.  In  this program also a  flatter  slope of 2:3 was  tested. 

Interlocking armour units are less stable on a flatter slope so the expectation was that the relatively 

instable armour units transfer more load to the first row of armour units. 

 

In order  to  limit  the number of  experiments  a base  case was defined; being  a breakwater with  a 

permeable core, a slope of 3:4, 20  rows, a normal under  layer and a packing density of 100%. The 

permeability of the core, the number of rows, the slope, the smoothness of the under layer and the 

packing density were only varied in reference to this basis case. This means that not every parameter 

was tested against every other parameter, thereby reducing the number of tests. 

 Table 4‐2 Parameters varied in the test program 

Parameter  Variation 

Number of Rows  15 / 20 /25 rows 

Packing density  97%, 100% and 104% 

Core  Permeable / impermeable core 

Under layer  Normal / Smooth and impermeable 

Slope  3:4 and 2:3 

 

Each  test  was  executed  at  least  three  times.  For  the  full  test  program  and  photographs  of  the 

constructed breakwater the reader is referred to appendix B.  

4.2.3.1 Wave program 

The main part of  the hydraulic  tests was done with  regular waves.  This was done because  in  this 

research  the main objective was  to  investigate  the effect of  the  relevant processes which could be 

better  identified with  regular waves. Regular waves  in a wave  flume are  reflected by  the  structure 

what may result  in a standing wave pattern. The wave  lengths were determined  in such a way that 

standing patterns did occur.  

Page 47: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 33 ‐ 

 

Five wave heights were  tested  and  each of  these wave heights was  combined with  three periods 

which correspond to a Iribarren number of 3, 4 and 5:  

Table 4‐3 Wave program regular waves 

H = 0,2 Hmax    H = 0,4 Hmax    H = 0,6 Hmax  H = 0,8 Hmax  H = 1,0 Hmax 

H (cm)  4,4     H (cm)  8,8     H (cm)  13,2   H (cm)  17,6   H (cm)  22  

                         

T(s)  0,67    T(s)  0,94    T(s)  1,14  T(s)  1,33  T(s)  1,46 

ffreq (Hz)  1,50    ffreq (Hz)  1,06    ffreq (Hz)  0,874  ffreq (Hz)  0,749  ffreq (Hz)  0,687 

L (m)  0,70    L (m)  1,38    L (m)  2,03  L (m)  2,75  L (m)  3,25 

S (‐)  0,06    S (‐)  0,06    S (‐)  0,06  S (‐)  0,06  S (‐)  0,07 

ξ (‐)  2,98    ξ (‐)  2,97    ξ (‐)  2,94  ξ (‐)  2,96  ξ (‐)  2,88 

                         

T(s)  0,94    T(s)  1,33    T(s)  1,60  T(s)  2,00  T(s)  2,29 

ffreq (Hz)  1,06    ffreq (Hz)  0,75    ffreq (Hz)  0,624  ffreq (Hz)  0,500  ffreq (Hz)  0,437 

L (m)  1,38    L (m)  2,75    L (m)  3,90  L (m)  5,87  L (m)  7,41 

S (‐)  0,03    S (‐)  0,03    S (‐)  0,03  S (‐)  0,03  S (‐)  0,03 

ξ (‐)  4,21    ξ (‐)  4,19    ξ (‐)  4,08  ξ (‐)  4,33  ξ (‐)  4,35 

                         

T(s)  1,14    T(s)  1,78    T(s)  2,00  T(s)  2,67  T(s)  2,67 

ffreq (Hz)  0,87    ffreq (Hz)  0,56    ffreq (Hz)  0,500  ffreq (Hz)  0,375  ffreq (Hz)  0,375 

L (m)  2,03    L (m)  4,74    L (m)  5,87  L (m)  9,57  L (m)  9,57 

S (‐)  0,02    S (‐)  0,02    S (‐)  0,02  S (‐)  0,02  S (‐)  0,02 

ξ (‐)  5,10    ξ (‐)  5,51    ξ (‐)  5,00  ξ (‐)  5,53  ξ (‐)  4,95 

 

The wave program was executed for every test beginning at the upper left side of the table (0,2 Hmax, 

with a frequency of 1,50 Hz) and ending at the lower right side of the table (1,0 Hmax, 0,375 Hz). 

 

The base  test was  also  executed with  a wave program of  irregular waves.  Irregular waves  can be 

characterised by a wave spectrum. The irregular waves in this research were generated according to a 

JONSWAP spectrum: 

42/1

2

5

442 52

f ffreq freq freqpeak

freqpeak

f

fe

JONSWAP freq JONSWAP freq JONSWAPE f g f e

 (4.10) 

With EJONSWAP is the variance density, ffreq the frequency , ffreq,peak the peak frequency (0,687 Hz) which 

was obtained from the peak period corresponding to the significant wave height and a breaker type 

of 4, g is the gravitational acceleration, αJONSWAP is a scaling parameter which is based on the Person‐

Moskowitz spectrum and is 0,0081 in the applied spectrum, γJONSWAP a scaling parameter which is 3,3 

in  the standard  JONSWAP spectrum and σJONSWAP which  is also a scaling parameter which  is  for  the 

standard JONSWAP spectrum 0,07 if ffreq ≤ ffreq,peak and 0,09 for ffreq > ffreq,peak. 

 

For further reading about the JONSWAP spectrum the reader is referred to [HOLTHUIJSEN, 2007]. 

 

The significant wave heights were obtained  from  the applied spectra and were equal  to  the design 

wave height corresponding  to  the applied armour units  (Hs=11 cm). A  total number of 2000 waves 

were  imposed  on  the  structure  during  the  tests with  irregular waves  corresponding with  a  storm 

duration of 5,5 hours. 

 

Page 48: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Experiments 

 

‐ 34 ‐ 

 

4.2.4 Measurements 

The main objective of the hydraulic tests was the measurement of the load on the first row of armour 

units. This  load was measured by  connecting  the  frame which  supports  the  lowest  row of armour 

units to a LSH load cell with a capacity of 0 to 100 kg and a combined error of  0,035 % of the rated 

output. The reader is referred to appendix B for more information about the load cell.  

 

The load cell was connected to an amplifier which provided a current to the load cell and fed a signal 

to the computer which was read using the program DASYLab 11.0 [DASYLAB, 2009]. This program was 

used  to  filter  the  noise  from  the  signal  by  filtering  the  frequencies.  Initially,  all  frequencies were 

measured but, after filtering, the number of measured frequencies was reduced so that only the wave 

induced  effects  were  measured.  The  measured  signal  was  converted  from  voltage  to  force  by 

multiplying the signal with a factor 4,94 which was determined by calibration using known weights. 

 

The waves were measured by wave gauges at three places in the flume. A group of four wave gauges 

was placed at a distance of 5,35 m  from  the wave generator side of  the wave  flume. The distance 

between the wave gauges was respectively 0,3 m, 0,4 m and 0,2 m. A second group of wave gauges 

was placed closer to the structure at a distance of 15,6 m from the wave generator and 5,5 m from 

the structure (for the wave gauge closest to the structure 

 

 Figure 4‐10 Positions of wave gauges 

 

The signal of the described wave gauges was not directly linked (in time) to the measured data of the 

load cell. The signal of the described wave gauges was used in order to evaluate the wave heights and 

periods after the completion of a test. The signal of an eighth wave gauge was directly coupled to the 

measurements  made  with  de  load  cell.  This  wave  gauge  was  placed  at  the  toe  of  the  model 

breakwater.  The  signal of  this wave  gauge was not used  to  evaluate  the wave height but only  to 

evaluate the wave cycle in relation to the measured load on the first row of armour units. 

 

The run‐up and run‐down along the slope was visually read (and noted) from a ruler positioned on the 

glass of the wave flume at the interface of the armour layer and the under layer. 

 

The  settlement  of  the  top  row  of  armour  units  was  measured  by  hand.  The  settlements  were 

measured after three subtests with the same wave height were executed. The measured settlements 

were a total value for all tests with the same wave height. The subsidence of the armour units was 

measured relative to a rod which was placed at a fixed location which corresponds to a RPD of 100%. 

 

Finally, all subtests were filmed by two cameras which were positioned at the side of the breakwater 

and at the top of the flume. Photographs were taken before and after each subtest from the same top 

position which gives a view of the armour layer perpendicular to the surface of the armour layer. The 

reader  is referred to appendix B  for photographs of the video cameras and photo camera positions 

and other photographs of the hydraulic model.  

 

Page 49: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 35 ‐ 

 

5 Results and analysis of static test 

In the previous chapter two experiments are described. One experiment was designed and executed 

in order  to  study  the  static  load on  the  first  row of  armour units  and one  experiment which was 

designed and executed  in order  to study  the dynamic  load on  the  first row of armour units.  In  this 

chapter the results of the experiment concerning the static load and the analysis of these results are 

presented. 

 

The experiment was done by measuring the load on the first row of armour units in a physical model. 

This is described in the previous chapter. Furthermore, measurements of the individual critical angle 

of a Xbloc armour unit (the angle at which an armour unit is still just stable) on a slope of under layer 

material were executed in order to study the force balance of a single armour unit. 

 

The measurements of the critical angles are used for a model which can simulate the behaviour of the 

rows of armour units and was made to interpret the measured load on the first row. 

 

Figure 5‐1 visualises  the  results of  the measurements of  the  static  load on  the  first  row of armour 

units  as  a  function  of  the  number  of  rows  applied  on  the  slope.  The  load  is  presented  in  a 

dimensionless form, by dividing it by the gravitational force of a single armour unit multiplied by the 

number  of  units  in  a  row.  In  this way  the  average  load  on  a  single  armour  unit  at  the  first  row 

expressed in the number of armour unit weights is obtained. 

 Figure 5‐1 Measurements of load on the first row during static tests 

 

The legend at the right of the figure displays the relative packing density (RPD) at the end of the static 

test. The  tests  are  grouped  in  three  groups;  a  group with  a  low packing density  (lower  than 99%, 

marked green in the figure), a group with a normal packing density (between  99% and 101%, marked 

orange  in the figure) and a group with a high packing density (higher than 101%, marked red  in the 

figure). It can be observed that in general (on average) a higher packing density is related to a higher 

static load on the first row of armour units. 

 

The load on the first row of armour units increases linear with the number of rows for about the first 

five  rows.  For  slopes with more  than  five  rows  the  increasing  rate of  the  load on  the  first  row of 

armour units  (Fstatic) decreases and approaches a constant value,  in  the order of 1,1  times  the unit 

Page 50: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 36 ‐ 

 

weight of an armour unit per unit. There is however some spread in the results. A breakwater with 20 

rows  imposes on average a static  load of 1,1 times the unit weight on the first row of armour units 

while the measurements varies between plus 18% and minus 30% of the average load on the first row 

of armour units. 

 

The standard deviation  (σ) can be calculated as well as the variation  from the dataset of measured 

values with the following formula [DEKKING et al., 2005]:       

2 2( ) [ ] ( [ ])Var X E X E X   (5.1) 

With this expression a standard deviation of 0,16 was found. Based on this standard deviation and the 

schematisation of the measured end values, it can be stated that there is a probability of 95,6% that 

an  random  test would have an end value of  the  static  load between 0,78 and 1,42  times  the unit 

weight of an armour unit per unit. 

 

 Figure 5‐2 Measurements including curve fit 

 

The static measurements can be represented by a curve fit which shows the earlier mentioned shape 

of the relation between the number of rows and the measured load on the first row. The requested 

relation  should  approach  a  constant  value  over  time  and  should  have  an  initial  steep  slope what 

decreases  and  approaches  a  constant  value  over  time.  This  relation  was  found  in  the  following 

expression for exponential decreasing growth: 

1/2

ln(2)

( )

yN

N

static y end end startF N F F F e

 (5.2) 

This relation describes the load on the first row as a function of the number of rows on a breakwater 

slope. The first row corresponds to  startF which  is 0,38 times the unit weight per unit. There  is some 

scatter of  startF since this value is very dependent on the placement of the first row. A photograph of 

the placement of this first row can be found  in appendix A and this placement  is comparable to the 

placement in practice.  

 

The load on the first row increases with the total number of rows placed on the breakwater (Ny). At 

row N1/2 (which is 4,2) the half of the eventual constant value (Feind) (which is 1,11) is reached and this 

Page 51: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 37 ‐ 

 

parameter is used in the expression as the “half‐life value”. These values are applied which gives the 

following expression: 

4,62 4,62( )

1,12 0.76 1,12 0.76y yN N

static y

g x

F Ne e

F N

  (5.3) 

Similar tests were executed by MUILWIJK (2011) who used Xbloc model units with a unit height of 18,2 

cm  and  a  unit weight  of  4,8  kg. MUILWIJK  (2011)  executed  three  tests with  a  low  relative  packing 

density of about 95% and two tests with a high RPD of more than 100%. The results of MUILWIJK (2011) 

are added to the measurements made in this research and visualised in Figure 5‐3. 

 Figure 5‐3 Measurements of the static load including measurements of MUILWIJK (2011) (in grey) 

 

The results of MUILWIJK (2011) are similar to the results obtained in this study. The results of MUILWIJK 

(2011) are curves with the same form and to a lesser extent the same values of the load on the first 

row as function of the number of rows applied on the slope. The influence of the RPD as described by 

MUILWIJK (2011) was also found in this research. However, the influence of the relative packing density 

is more prominent in the research done by MUILWIJK (2011). 

 

The  initial  static  load on  the  first  row was also measured during  the hydraulic  tests. The  results of 

these measurements are given in appendix C. These measurements of the static load on the first row 

are in line with the above presented results.  

5.1 Model 

A simple one‐dimensional model was developed in order to gain insight in the transfer of load to the 

under layer and the transfer of forces between the armour units. This eventually leads to the load on 

the first row of armour units. The basis of this model is the individual force balance of an armour unit 

and the interaction between the other armour units and the under layer.  

Page 52: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 38 ‐ 

 

The individual force balance is visualised in figure 5‐4: 

 Figure 5‐4 Force balance armour unit 

 

The unit weight  (Fg) of an armour unit can be decomposed  in an along slope component (Fh) and a 

component perpendicular on the slope (Fn): 

sin( )

cos( )

h g

n g

F F

F F

  (5.4) 

The weight component perpendicular on the slope equals the normal force and is of importance for 

the friction between the under layer and the armour unit: 

cos( )f n gF f F f F   (5.5) 

The  load on the  first row of armour units  is a  load  in the along slope direction. Therefore, only the 

force  balance  in  along  slope  direction  is  investigated.  The  along  slope  force  balance  is  a  balance 

between  the  along  slope weight  component  (Fh),  a possible  residual  load of  the  above positioned 

armour  unit  (Fr(n+1)),  the  friction  force  between  the  under  layer  and  the  armour  unit  (Ff)  and  the 

residual force of the lower positioned armour unit (Fr(n)) (see figure 5‐4). In formula: 

( 1) ( )

( 1) ( )sin( ) cos( )

h r n n r n

g r n g r n

F F F F

F F f F F

  (5.6) 

In this balance the interaction between the under layer and the armour units is simply schematised as 

friction. This friction is a factor times the normal force (friction coefficient (f) times the normal force 

(Fn)).  The  friction  coefficient  depends  on  the material  used  for  the  under  layer  (rock,  gravel)  and 

armour units (concrete) and is the same for all units of a single breakwater. The friction coefficient is 

investigated  by  determining  the  slope  angle  at  which  an  armour  unit  starts  to  move.  This  is 

investigated by placing  Xbloc model units on  a  tillable  rock  slope  and  then  gradually  increase  the 

angle of the slope. At a certain (critical) angle the armour unit will start moving since the forces are 

out of balance.  

Page 53: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 39 ‐ 

 

Prior to this point the armour unit  is  just stable and  it  is possible to calculate the friction coefficient 

from the force balance: 

cos( ) sin( )

sin( )

cos( )

f h

g crit g crit

crit

crit

F F

f F F

f

 (5.7) 

The reader is referred to the previous chapter for further reading about this experiment set up. The 

angles at which a armour unit starts to move are visualised by the histogram in figure 5‐5: 

 

 Figure 5‐5 Critical angle of Xbloc armour units on a rock under layer 

 

This diagram shows that there is not one single critical angle at which all armour units starts to move. 

Some armour units start to move at fairly low angles while other units remain stable for angles of 50 

degrees  and  more.  The  majority  of  the  units  start  rolling  down  (instead  of  sliding  down)  the 

breakwater slope when  they start to move. This  indicates  that the  interaction between  the armour 

unit and  the under  layer  is more  complicated  than only  friction between  the armour unit and  the 

under layer. The surface of the under layer is not flat and also the armour units have protuberances 

(legs). It is therefore possible that an armour unit “hooks” with a leg behind one of the protuberances 

of the under layer. Armour units positioned in this way start to move at very large angles and since a 

force between the armour unit and the under layer can be transferred by pressure instead of friction, 

are able to transfer very high forces to the under layer.  

 

Although  sliding  of  the  armour  units  is  not  the  governing  failing mechanism,  the  above  proposed 

approach based on friction coefficients was used as basis for a model describing the static  load as a 

function of the number of rows. This schematisation was made since there  is no test data available 

making a distinction between failure by rolling or sliding. Furthermore, the calculation of the friction 

coefficient  is  just an  intermediate step  in order to arrive at the  individual balance or  imbalance of a 

armour unit. The individual balance of a single armour unit reads; 

,res unit h fF F F   (5.8) 

Fres,unit is the resulting force of a single armour unit without the influence of lower positioned of higher 

positioned armour units. Due to the variable friction coefficients, calculated from the measurements 

of the critical angles, Fres,unit can be either negative or positive. A positive resulting force means that 

the armour unit will impose a load on the lower laying armour units, a negative resulting force means 

that the armour unit is able to bear (part of) a possible resulting force of the above positioned armour 

Page 54: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 40 ‐ 

 

units. Since  tension between  the armour units  is not possible  this resulting bearing capacity  is only 

capitalised when  the above positioned armour unit has a positive  resulting  force  (is out of balance 

due to its own force balance or due to the residual forces of the armour units positioned above this 

unit). 

 

The above described mechanisms were modelled in a simple one dimensional (line) model. In reality a 

breakwater  is covered with armour units placed on a certain grid  (a staggered grid  in case of Xbloc 

armour units).  

 Figure 5‐6 Diagonal transfer of forces between armour units 

 

A  single  (Xbloc)  armour  unit  has  direct  contact with  two  lower  positioned  units  and  two  higher 

positioned armour units. Forces (pressure) occur between the armour unit of consideration and the 

surrounding  four units. The distribution of  the  imbalance of a single unit between  the  lower  laying 

armour units  is unknown. This distribution should be studied  in order  to study  the exact  load on a 

single armour unit on the first row since this distribution could have a significant effect on the load of 

a particular single armour unit at the first row. This research is however focused on the row‐averaged 

load on a single unit at the first row. For a row‐averaged load on a single unit on the first row it is not 

important how the residual force of an armour unit  is distributed over the two under  laying armour 

units.  It  is  therefore possible  to model  the  transfer of  loads between units of a certain  row  to  the 

units on the lower laying row along straight vertical lines. 

 Figure 5‐7 Vertical transfer of forces between armour units 

 

The distribution of  forces between the  individual armour units  is the basis of the presented model. 

The measured  critical angles were  converted  into a  residual  force of a  single armour unit  (Fres,unit). 

There was no single critical angle measured but a number of critical angles so the transformation of 

Page 55: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 41 ‐ 

 

the critical angles in residual forces again gives a dataset of residual forces and not one single residual 

force for each armour unit. This dataset was used as actual input for the static model. For each row a 

single value was randomly draw from the residual force dataset. The residual force of the highest row 

was then evaluated. On this row there was no residual force of higher positioned armour units so the 

individual residual force (Fres,unit) equals the total residual force of this row (Fr(n)). If the total residual 

force ended up negative then the residual force was round of to zero since it is not possible to have 

tension  forces between armour units. The second highest row of armour units has as  input  its own 

individual residual force (Fres,unit) which  is randomly drawn from the  individual residual force dataset 

and the total residual force of the highest row (in previous calculation Fr(n) but in this calculation Fr(n+1) 

since a lower row is considered). Those two add up to the total residual force which was round of to 

zero when negative. The round of residual force of this row is the input for the third highest row and 

so on. In formula: 

( ) , ( 1)

( ) ( )if  0 then  0

r n res unit r n

r n r n

F F F

F F

  (5.9) 

The reader is referred to appendix E for further reading and the applied MATLAB code.  

 

If  this model  is executed with as  input  the  individual  residual  forces calculated  from  the measured 

critical angles displayed in figure 5‐5 the following curve for the static load on the first row as function 

of the number of rows on the slope results from this model: 

 

 Figure 5‐8 Static model based on measured values 

 

As stated before the individual residual force was calculated from the measured critical angles of the 

model armour units.  In appendix E  the start of  rolling  is analysed. Rolling of an armour unit occurs 

when the working line of the gravity force creates a momentum around the point of rotation and this 

rotation  is  in “seaward” direction. This occurs for angles  larger than 45 degrees.  In the schematised 

situation the rolling of an armour unit over a perturbation of the under layer was analysed. From the 

calculation  following on  this schematisation  it can be derived  that  the angle at which armour units 

supported by a perturbation of  the armour  layer  start  to  roll  is about 49 degrees. The units which 

were still stable at 49 degrees or higher are armour units which are supported by a large perturbation 

of the under layer. It is not possible to derive the individual residual force from the measured critical 

Page 56: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 42 ‐ 

 

angles of these units since this critical angle only represents an  imbalance  in momentum and not  in 

along slope forces. The perturbation can transfer much higher forces to the under layer than what is 

possible with only the transfer of forces by friction. 

 

The approach of the calculation of the individual residual force based on friction is abandoned for the 

armour  units which were  still  stable  at  angles  higher  than  49  degrees.  These  armour  units were 

modelled as armour units with a very high bearing capacity for residual forces (relative to the other 

residual forces). This results  in the following curve for the static  load on the first row as function of 

the number of rows on the slope: 

 Figure 5‐9 Measured data and static model 

 

It  can be observed  that  the  correspondence of  the  static model with  the measured  values  is  very 

good, and well enough to represent the measured values with this curve. The basis of the model is the 

distribution  of  the  individual  residual  forces  and  the  bearing  capacity  of  the  units  supported  by 

perturbations of the under layer which appeared to be responsible for decreasing growth of the load 

on the first row with an  increasing number of rows and the approach of a constant value at a  large 

number of rows (about ten rows or higher). 

 

The shape of the curve obtained from the static model  is well  in  line with the measurements of the 

static  load.  However,  the  absolute  values  obtained  from  the  static  model  are  lower  than  the 

measured values. The outcomes of the static model are multiplied with a factor 6,1 in order to obtain 

the curve displayed in figure 5‐9. The lower results of the static model are probably the result of the 

measurement of the individual residual load. The individual residual loads were measured with units 

which  were  not  surrounded  by  other  units.  From  this  situation  an  individual  residual  force  was 

obtained and in the model this residual force was first transferred to the under layer and the surplus 

was transferred to the lower positioned units. This approach gives priority to the transfer of force to 

the under  layer. The armour units are placed on  top of each other and will  transfer a  large part of 

their along slope gravitational force to the under laying armour unit whether the theoretical friction 

capacity is reached or not. The residual load is then a result of the support of the armour unit by the 

under laying armour units and the under layer. Detailed research has to be performed on the support 

of the under layer versus the support of the under laying armour units in order to achieve a complete 

force balance and thereby a correct model. The packing density may be used as a starting point of this 

research since the packing density can be linked to the relative contact of an armour unit between the 

under layer and the surrounding armour units. 

Page 57: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 43 ‐ 

 

   

5.2  Influence of an external load on an arbitrary row  

The developed static model describes the transfer of forces via lower positioned armour units to the 

first row of armour units. In the above described static model these forces are the individual residual 

force of the armour units. With this model it is also possible to impose an external load on a certain 

row by adding this force to the individual residual force of the armour units on this row. By imposing a 

load on an arbitrary  row of a breakwater  it  is possible  to calculate  the  transfer of  this  load  to  the 

lower  laying rows and  the under  layer. Part of  the original  imposed    load  is  thus transferred  to  the 

under layer by the under lying rows and just a part of the original imposed load on a certain row will 

eventually  reach  the  first  row  of  armour  units.  An  analysis  was  done  on  the  percentage  of  the 

imposed load which adds to the load on the first row of armour units as function of the row on which 

the load is imposed. Table 5‐1 gives the results of this analysis. A load on, for instance, row 5 ads only 

29% of this load to the original load on the first row of armour units. 

 Table 5‐1 Analysis of the influence of an external load 

Input at row   1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 

Output at first row  0,76%  0,58%  0,47%  0,36%  0,29%  0,22%  0,20%  0,15%  0,12%  0,11%                      

Input at row   11  12  13  14  15  16  17  18  19  20 

Output at first row  0,10%  0,08%  0,05%  0,04%  0,04%  0,04%  0,03%  0,02%  0,02%  0,01% 

 

This conclusion can be verified by observing  the  results given  in  table 5‐2  that gives  the measured 

load on the first row as function of the number of rows in a modified way. In this table the increase of 

the load on the first row between the addition of the last row and the addition of the second last row 

relative to the  load  imposed on the first row by a single row of armour units  is given.  In this way a 

similar  table as  table 5‐1 was obtained whereby  in  this case  the along slope  load of  the  top  row  is 

treated  as  an  external  load. Based on  table  5‐2  it  can  also be  concluded  that  the  influence of  an 

external load decreases with the number at which this load is imposed. 

 Table 5‐2 Analysis of the increase of the static load after the addition of an extra row 

Number of applied rows  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 

Output at first row  100%  48%  29%  22%  24%  14%  12%  14%  7%  5%                      

Number of applied rows  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20 

Output at first row  7%  9%  2%  3%  3%  5%  2%  2%  1%  3% 

 

Page 58: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of hydraulic tests 

 

‐ 44 ‐ 

 

6 Results and analysis of hydraulic tests 

The results of the dynamic test program described  in chapter 4 and an analysis on these results are 

given  in  this  chapter. The most  important measurements obtained  from  this  test program are  the 

measurements of the  load on the first row of armour units. A dataset of  load measurements during 

one of the tests is visualised in figure 6‐1. For all other tests the reader is referred to appendix D 

 

Figure 6‐1 Measured load during a flume test 

 

This plot visualises two major phenomena during this (and all other) test: 

1. the  load  imposed  on  the measurement  frame  shows  a  periodic  behaviour with  a  certain 

peak‐to‐peak amplitude. 

2. this periodic load has no constant equilibrium line (wave‐averaged dynamic load) but instead 

this  “equilibrium”  line  shows  a positive  trend during  a  subtest until  a new  equilibrium  is 

reached at the end of a subtest. 

Both phenomena are described  in  this chapter. Paragraph 6.1  focuses on  the measurements of  the 

peak‐to‐peak amplitude of the  load on the first row of armour units while paragraph 6.2 focuses on 

the trend of the equilibrium line of the load on the first row of armour units. The equilibrium line of 

the load on the first row of armour units is called “equilibrium load” in this thesis. 

6.1 Peak‐to‐peak amplitude of the load on the first row of armour 

units 

The analysis of the periodic behaviour of the  load on the first row of armour units was focussed on 

the shape of the periodic behaviour and on the magnitude of this behaviour.  In paragraph 6.1.1 an 

analysis  of  the  shape  of  the  periodic  behaviour  of  the  load  on  the  first  row  and  the  correlation 

between the measured  load and the measured water  level at the toe  is presented. Paragraph 6.1.2 

gives  the  results  of  an  analysis  of  the  correlation  between  the  magnitude  of  the  peak‐to‐peak 

amplitude of the load on the first row of armour units and various test parameters. In paragraph 6.1.3 

a short analysis of some special cases of decreasing peak‐to‐peak amplitudes during the subtests  is 

presented. 

Page 59: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 45 ‐ 

 

6.1.1 Shape and period of incoming waves 

The  shape  and wave  period  of  the  incoming waves  and  peak‐to‐peak  amplitude  of  the  load was 

studied by analysing  the videos of  two  tests. These videos were analysed  frame by  frame and  the 

analysis of these videos was linked to the measured data of the water level at the toe  and peak‐to‐

peak amplitude of the load. This analysis was performed in order to determine during which phase of 

the wave  (uprush,  downwash)  the  load  on  the  first  row  of  armour  units  is  at  its maximum.  The 

occurring processes  during  this maximum  are  of  significant  importance  for  the  dynamic  load.  The 

analysis of the wave cycle leads to the period of time during which the relevant processes occur. 

 

Several points of interest like the moment of maximum run‐up, maximum run‐down, maximum water 

level at the toe and minimum water level at the toe can be determined with an accuracy of 2 ms by 

analysing the videos of a subtest. The videos of the tests have a constant frame rate of 28 frames per 

second,  from which  it  is possible  to calculate  the exact time  in milliseconds since each  frame has a 

“duration” of 2 ms. Part of the video analysis is displayed in this paragraph. The reader is referred to 

appendix F for further reading. 

    

Figure  6‐2  Maximum  run‐down,  maximum  water 

level at wave gauge, time; 1:31:42 

Figure  6‐3 Wave  front  passes  upwards  through  still 

water level, time; 1:31:58 

Figure  6‐4  Maximum  run‐down,  maximum  water 

level at wave gauge, time; 1:32:15 

Figure 6‐5 Wave front passes downwards through still 

water level, time; 1:32:35 

 

Figure  6‐2  to  figure  6‐5  are  screenshots  of  the  video made  of  the  hydraulic  test  of  the  model 

breakwater with 20 rows during the subtest with a wave height of 0,6 Hmax and a wave period of 0,874 

Hz. During this test the moment of maximum run‐down equals the moment of maximum water level 

at the toe and the moment of maximum run‐up equals the moment of minimal water level at the toe. 

This behaviour is however not general occurring and depends on the test characteristics (slope, wave 

height, wave  length). The time differences between the points of  interest  like maximum run‐up and 

maximum run‐down were analysed. The results are visualised in figure 6‐6: 

Page 60: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 46 ‐ 

 

 Figure 6‐6 Points of interest compared to the water level at the toe 

 

In figure 6‐6 the points of  interest are  linked to the movement of the water  level at the toe.  In this 

particular case the maximum run‐up occurs at the same time as the minimum water level at the toe 

and  the maximum  run‐down occurs at  the  same  time as  the maximum water  level at  the  toe. The 

time  difference  between maximum  run‐up  and maximum  run‐down  is  equal  to  50%  of  the wave 

period (T). As stated before the maximum run‐up and the minimum water  level are only coupled  in 

this test and deviations of this coupling were observed in other tests (appendix F). The time difference 

relative  to  the wave period between  the passing of  the wave  front  through  the  still water  level  in 

upward direction, the maximum level of run‐up, the passing of the wave front through the still water 

level in downward direction and the maximum level of run‐down is however independent on the test 

characteristics and has a time difference of about 25% of the wave period  in between the points of 

interest. The time between the maximum run‐up and maximum run‐down is about 50% of the wave 

period. The results of this video analysis can be coupled to the measured data which is visualised in  

figure 6‐7. 

 

Figure 6‐7 Hydraulic test 3(3), subtest 0,6 Hmax 0,874 Hz 

 

 

Page 61: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 47 ‐ 

 

figure 6‐7 Figure 6‐7 the measured  load data  is displayed as well as the data from the wave gauge. 

The points of maximum run‐up and maximum run‐down are marked on the plot of the wave gauge 

data. The vertical striped lines have an intersection with the measured load curve at the points in time 

of maximal run‐up or run‐down. Between these vertical lines the flow at the slope is either in upward 

motion (uprush) or in downward motion (downwash). From  

figure 6‐7 and the analysed subtest described in appendix F it can be observed that the positive peaks 

of the peak‐to‐peak amplitude of the  load on the first row occur during the downwash. Since these 

maxima occur during the downwash further analysis was performed on the peak‐to‐peak amplitude 

related to characteristics of this downwash (run‐up, run‐down and occurring velocities). 

   

6.1.2 Magnitude of peak‐to‐peak amplitude of the load on the first row 

The peak‐to‐peak amplitudes were collected by plotting the original test data and were manually read 

from  the  created  graph.  The  amplitudes were  collected  in  a  dataset  (appendix D) which  contains 

various other parameters like the wave height per test, the measured run‐up, relative packing density 

et cetera. From  this dataset various plots can be made. A study on  relations between  the peak‐to‐

peak amplitude and the wave height, run‐up and calculated velocity on the slope is presented in this 

paragraph. 

 

6.1.2.1 Relation between peak‐to‐peak amplitude and wave height 

First of all  the  relation between  the wave height and  the peak‐to‐peak amplitude was studied. The 

peak‐to peak amplitude (relative to the weight of the used model units) was plotted against the wave 

height  (relative  to  the,  with  the  model  unit  corresponding,  maximum  wave  height  (Hmax≈2∙Hs) 

[HOLTHUIJSEN, 2007]) which  is  visualised  in  the boxplot of  figure 6‐7. Based on  this  figure  it  can be 

observed  that  the  spread of  the peak‐to‐peak  amplitudes  at  a  specific wave height  increases with 

increasing wave height.  

 Figure 6‐8 Boxplot wave height versus peak‐to‐peak amplitude of the load 

 

In  figure 6‐9  the wave height  is again plotted against  the peak‐to‐peak amplitude but  in  this  figure 

two  curve  fits  are  added which  are  determined with  a  least‐square method which  is  available  as 

standard Matlab routine [MATLAB, 2009]. The first curve fit is a fit for all tests (ignoring the different 

test characteristics of the tests). This second curve fit is a fit of the tests with a varying initial packing 

Page 62: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 48 ‐ 

 

density and varying number of rows but only of tests with the same slope (3:4) and permeability of 

the  core  (“full”  permeability).  This  distinction  was  made  since  variations  of  the  slope  and 

(im)permeability  of  the  core  were  found  to  have  a  significant  influence  on  the  peak‐to‐peak 

amplitude (see table 6‐1). The second curve fit represents the relation between the wave height and 

the peak‐to‐peak amplitude for the basis case. 

 Figure 6‐9 Curve fit wave height versus peak‐to‐peak amplitude of the load    

The equation of the curve fit of all tests is 

2

peak to peakA  =0,27 0,020max max

H H

H H

2  with a norm 

of residuals of 2,6774 (which is a measure for the accuracy of the curve fit according the least square 

method, a lower norm of residuals corresponds to a more accurate fit). The norm of residuals is the 

squared root of the sum of all squared deviations (residuals) between the curve fit and the points in 

the dataset [BETZLER, 2003] : 

2

1

i

Norm of residuals

f x

n

ii

i i

r

r y

  (6.1) 

The norm of residuals is used as measure in order to compare the different curve fits to each other. If 

the curve fit (f(xi)) at point xi is equal to the measured value (yi) the residual will be zero. If this holds 

for all data points then the norm of residuals will approaches zero and a perfect data fit is achieved. If 

the curve fit is a better fit on the presented data the norm of residuals will thus be closer to zero. The 

R‐squared value is also often used as measure of the goodness of a curve fit. The norm of residuals is 

related to the R‐squared value: 

22

1

2

1(Norm of residuals)

Total variation1

( )n

ii

n

iiR

r

y y

  (6.2) 

The curve  fit of  the data  from of all  tests except  the  tests with an  impermeable core and a  flatter 

slope equals 

2

peak to peakA  =0,33 0,052max max

H H

H H

 and has a norm of residuals of 2,4834.  In 

practice only the last equation can be used in order to calculate the peak‐to‐peak amplitude based on 

Page 63: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 49 ‐ 

 

the known wave height since this equation is based on a general applied breakwater design with an 

permeable core and the often applied slope of 3:4. The first equation contains data from all tests and 

only confirms the shape of the second equation. The second equation should thus be used for future 

calculations (for breakwaters with a slope of 3:4 and a permeable core). 

 

Beside these curve fits a curve fit was made for every test series. The curve fits for the individual tests 

has the following equation but with varying coefficients: 

These fits are presented by their coefficients corresponding to equation 6.3 in  

table 6‐1.  

Table 6‐1 Curve fits of individual test, relation between wave height and amplitude 

Test series  Coefficient a  Coefficient b  Norm of residuals 

Hydraulic test 1 (15 rows)  +0,23  ‐0,04  0,245 

Hydraulic test 1_2 (15 rows)  +0,26  ‐0,04  0,162 

Hydraulic test 2 (20 rows, RPD =1)  +0,25  +0,01  0,428 

Hydraulic test 3 (20 rows RPD =1.04)  +0,20  ‐0,03  0,286 

Hydraulic test 4 (20 rows RPD =0.97)  +0,63  ‐0,04  0,953 

Hydraulic test 6 (20 rows, continuous)  +0,49  ‐0,05  1,049 

Hydraulic test 7 (impermeable core)  +0,11  +0,02  0,166 

Hydraulic test 8 (impermeable core,  

smooth under layer) 

+0,06  +0,03  0,219 

Hydraulic test 9 (25 rows)  +0,07  +0,01  0,131 

Hydraulic test 10 (slope 2:3)  +0,21  +0,03  0,613 

 

Based on  figure 6‐9 and  table 6‐1,it was  concluded  that  there  is a quadratic  relation between  the 

wave height and the peak‐to‐peak amplitude of the  load on the first row. The a‐coefficient  is about 

one order larger than the b‐coefficient what gives support to the significance of the quadratic term.  

It can be observed that a large number of the b‐coefficients have a negative value. No negative peak‐

to‐peak amplitudes were measured (and simply do not exist) and the negative b‐coefficients are only 

the result of the least‐square curve fit and have no physical meaning. Although the form of the peak‐

to‐peak amplitude equation is clear, the influence of the different parameters is less clear.  

 

The a‐coefficient is a good measure for the steepness of the curve since the quadratic term is found 

to be the predominant term in equation 6.3. A higher a‐coefficient means a steeper curve and higher 

amplitudes at the same wave height compared to curves with a lower a‐coefficient.  

 

The a‐coefficients of the tests were compared to each other.  It was found that the a‐coefficients of 

the tests with 15 rows, 20 rows with an initial RPD of 100% and 104% and the test with a slope of 2:3, 

are comparable to each other. The a‐coefficients of the tests with 20 rows, and an initial RPD of 97% 

and the test with 20 rows but with a continuous execution, are higher and the a‐coefficients of the 

tests with a (smooth) impermeable core and the a‐coefficients of the test with 25 rows are lower.  

 

Based on the limited difference between the a‐coefficients of the tests with a normal initial RPD and 

the  test with a high  initial RPD,  it was expected  that  there would be a  limited difference between 

those test and the test with a low initial RPD. This was however not observed here. The a‐coefficient 

of the tests with a high initial RPD is about 20% lower than the a‐coefficient of the test with a normal 

initial RPD while the a‐coefficient of the test with a  low  initial RPD  is about 250% higher than the a‐

coefficient of the test with a normal RPD.  

 

2

peak to peakA  = max max

H Ha b

H H  (6.3) 

Page 64: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 50 ‐ 

 

A  limited difference was also expected between the a‐coefficients of the test with 20 rows and the 

test with 20  rows and a  continuous execution,  since  these  tests have  the  same  layout  (number of 

rows,  packing  density).  The  only  difference  between  those  two  tests  is  the  way  the  tests  were 

executed. The test with 20 rows is executed subtest by subtest with some time between the subtests 

in order to make pictures. The test with 20 rows and a continuous execution is executed directly after 

each other without much time in between. The difference between the a‐coefficients of both tests is 

however considerable with the test with 20 rows and a continuous execution having an a‐coefficient 

which  is  200%  larger  than  the  a‐coefficient  of  the  test  with  20  rows.  The  spread  between  the 

measured data points of the test with 20 rows and a continuous execution  is however much  larger 

than the spread of the data points of the test with 20 rows. The results of the test with 20 rows are 

therefore considered to be more reliable. 

 

The a‐coefficients of the tests with a (smooth) impermeable core and the test with 25 rows are lower 

than the a‐coefficients of the tests with 15 rows, 20 rows with a RPD of 100 and 104% and the test 

with a slope of 2:3. A deviation of the a‐coefficients of the curve fits of the test with an impermeable 

core and the test with an impermeable core and a smooth under layer was expected since both tests 

have an  impermeable core. The permeability of  the core has, as stated before, an  influence on the 

absorption of wave energy by the breakwater. A breakwater with an impermeable core absorbs less 

wave  energy which  leads  to  the  expectation  that  a more  impermeable  core would  lead  to higher 

peak‐to‐peak amplitudes of the load on the first row. The opposite was however observed. 

 

The third test that has a lower a‐coefficient is the test with 25 rows. Since the test with 15 rows and 

the test with 20 rows have a similar a‐coefficient, a similar a‐coefficient for the test with 25 rows was 

expected on beforehand. The a‐coefficient of  the  test with 25  rows  is however only 27% of  the a‐

coefficient of the test with 20 rows. 

6.1.2.2 Relation between peak‐to‐peak amplitude and measured run‐up 

During  the  tests  the  run‐up was measured by  reading  the  run‐up  level  from a  tape measure which 

was positioned parallel  to  the slope at  the  interface between  the armour  layer and  the water. The 

run‐up incorporates the effect of the wave height and wave period (by the breaker parameter) and is 

also  influenced  by  the  layout  of  the  breakwater  (slope,  roughness  of  the  armour  layer  and 

permeability of the breakwater). The run‐up represents the potential energy just before the run‐down 

and  the  flow of water  from  the  core  through  the  armour  layer.  The  run‐up  is  a parameter which 

characterises the driving force of those two phenomena and  is a possible good parameter to relate 

the peak‐to‐peak amplitudes too. 

 

The measured  run‐up  is plotted against  the  theoretical  run‐up calculated according  the  formula of 

VAN  DER MEER  AND  STAM  (1992)  in  order  to  verify whether  this measurements  are  in  line with  the 

theoretical run‐up.  

Page 65: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 51 ‐ 

 

This plot is presented in figure 6‐10. 

 Figure 6‐10 Theoretical run‐up versus the measured run‐up  

 

Figure  6‐10  shows  a  reasonable  correlation  between  the  measured  run‐up  and  the  calculated 

theoretical  run‐up.  The  run‐up  formula  of VAN  DER MEER  AND  STAM  (1992)  is  given  in  the  following 

expression: 

     for  1,5

     for  1,5

n

cn

Rua

Hs

Rub

Hs

  (6.4) 

All test can be characterised by a surf similarity parameter (ξ) larger than 1,5 so for the experiments 

done  in this research the second expression  is valid. Since the tested structure  is a structure with a 

permeable core  (P=0,4)  the  relative  run‐up  is  limited  to a maximum value  [VAN DER MEER AND STAM, 

1992]: 

nRud

H   (6.5) 

The a, b, c and d parameters are presented in table 6‐2: 

 Table 6‐2 Run‐up parameters according to [VAN DER MEER AND STAM, 1992] 

Run‐up level n(%)  a  b  c  d 

0,1  1,12  1,34  0,55  2,58 

1  1,01  1,24  0,48  2,15 

2  0,96  1,17  0,46  1,97 

5  0,86  1,05  0,44  1,68 

10  0,77  0,94  0,42  1,45 

Significant  0,72  0,88  0,41  1,35 

Mean  0,47  0,6  0,34  0,82 

 

Figure  6‐10  shows,  besides  the measured  data,  two  curves  for  d=2,58  and  d=2,15. Most  of  the 

measured run‐up levels are lower than the theoretical run‐up levels calculated with a d‐value of 2,58 

since a d‐value of 2,15 corresponds to a more average run‐up level. 

Page 66: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 52 ‐ 

 

 

Figure  6‐11  shows  a  plot  of  the  peak‐to‐peak  amplitude  of  the  load  on  the  first  row  against  the 

measured  run‐up.  The  measured  run‐up  is  presented  in  a  dimensionless  form  by  dividing  the 

measured run‐up by the theoretical maximum run‐up. This theoretical maximum run‐up is calculated 

with the run‐up expression of VAN DER MEER, J.W. AND STAM. C.J.M. (1992) WIth a conservative d‐value 

of 2,58 and the maximum occurring wave height (Hmax). 

 

 Figure 6‐11 Curve fit measured run‐up versus peak‐to‐peak amplitude of the load 

 

A clear difference can be observed between the curve fits of figure 6‐11 and of figure 6‐9. Both the 

curve fit for all test as the curve fit for of all tests except the tests with an  impermeable core and a 

flatter slope show a  linear behaviour. This  is caused by the group of data points of the test with 25 

rows which have high levels run‐up but very low corresponding peak‐to‐peak amplitudes (relative to 

the  expected  amplitude).  The  equation  of  the  curve  fit  of  all  tests  is 2

peak to peakA  =0,04 0,20max max

Ru Ru

Ru Ru

2 with a norm of residuals of 2,495. The curve fit of the 

data  from  of  all  tests  except  the  tests  with  an  impermeable  core  and  a  flatter  slope  equals 2

peak to peakA  =0,11 0,19max max

Ru Ru

Ru Ru

 and has a norm of  residuals of 2.2405.  If  the data of 

the  test with  25  rows would  be  neglected  then  the  curve  fit  for  all  test would  have  a  quadratic 

character like the curve fits of the peak‐to‐peak amplitude as function of the wave height. 

 

Although  the  shape of  the  curve  fits  is not  an  improvement of  the  curve  fits of  the peak‐to‐peak 

amplitude as function of the wave height, there is an improvement regarding to the norm of residuals 

which  is  lower for both the curve fits. The curve fits of all  individual tests are given by the following 

equation but have varying coefficients: 

2

peak to peakA  =max max

Ru Rua b

Ru Ru

  (6.6) 

Page 67: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 53 ‐ 

 

These fits are presented by their coefficients corresponding to equation 6.6 in table 6‐1. Test 6 is not 

included in this table since the run‐up was not measured during test 6.  

Table 6‐3 Curve fits of individual test, relation between run‐up and amplitude 

Test series  Coefficient a  Coefficient b  Norm of residuals 

Hydraulic test 1 (15 rows)  +0,78  ‐0,18  0,194 

Hydraulic test 1_2 (15 rows)  +0,65  ‐0,13  0,193 

Hydraulic test 2 (20 rows, RPD =1)  +0,23  ‐0,07  0,435 

Hydraulic test 3 (20 rows RPD =1.04)  +0,40  ‐0,05  0,265 

Hydraulic test 4 (20 rows RPD =0.97)  +0,66  ‐0,12  1,071 

Hydraulic test 7 (impermeable core)  +0,07  +0,07  0,182 

Hydraulic test 8 (impermeable core,  

smooth under layer) 

+0,02  +0,08  0,254 

Hydraulic test 9 (25 rows)  +0,05  +0,04  0,131 

Hydraulic test 10 (slope 2:3)  ‐0,07  +0,30  0,644 

 

It can be observed that a large number of the b‐coefficients have a negative value. No negative peak‐

to‐peak amplitudes were measured (and simply do not exist) and the negative b‐coefficients are only 

the result of the least‐square curve fit and have no physical meaning. The curve fit of test 10 deviates 

from the other curve fits by the linear character of this curve fit. It can be observed in the table that 

the norm of residuals of this curve fit is relatively high which indicate a poor fit. The linear character 

of the curve fits is therefore not further investigated since it is the result of an irregular dataset. 

6.1.2.3 Relation between peak‐to‐peak amplitude and downwash velocity 

One of the hypotheses of this research is that the downwash is responsible for a significant part of the 

governing  load  on  the  first  row  of  armour  units.  Therefore,  the  relation  between  the  downwash 

velocity  and  the  peak‐to‐peak  amplitude was  analysed.  The  downwash  velocity was  however  not 

measured so the downwash velocity was calculated from the other, known parameters.  

 

In general, there are two types of expressions for the downwash velocities. The first, and widely used 

expression, is based on the energy conservation principle. A single water particle at the top of a wave 

just before breaking  (figure 6‐12)  is considered. The vertical distance between  this particle and  the 

still water level is approximately equal to the eventual run‐up (Ru). Following an energy conservation 

approach for the free fall of this particle till the still water level (approximating the vertical distance to 

be equal to the run‐up) leads to the well‐known expression for free falling objects: 

2U g Ru   (6.7) 

 Figure 6‐12 Downwash velocity from energy conservation 

 

The second approach is based on the actual movement of the wave front. The wave front moves with 

a periodic movement on the slope of a breakwater (figure 6‐13). As stated in the literature study and 

confirmed in paragraph 6.1.1, the period of time between maximum run‐up and maximum run‐down 

is about 50 % of the wave period (T). During this time the wave front travels the along slope distance 

between the maximum run‐ level and the maximum run‐down level (equation (6.8)). 

Page 68: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 54 ‐ 

 

; avarage

1/2

downwash

Ru RdU

T

  (6.8) 

 Figure 6‐13 Movement of the wave front over the breakwater slope 

 

This  approach was  followed  in  ABBOTT  AND  PRICE  (1994) what  gives  an  expression  for  the  average 

downwash velocity based on the Hunt formula: 

1

122

/ sin( ) 2 1

/2 cos( )hunt

hunt

RuU g H

T

  (6.9) 

Furthermore, ABBOTT AND PRICE (1994) stated that the maximum velocity is a factor times the average 

downwash velocity: 

;1

;

( )downwash max

downwash hunt

Uf

U   (6.10) 

Research was performed on  the  size of 1( )f by  Führböter  and Witte  (1989)  and Battjes  and Roos 

(1975)  [ABBOTT AND PRICE, 1994]. This  research was however performed  for moderate slopes,  flatter 

than 1:3 which  is much  flatter  than  the used breakwater slope  in the model  tests.  Investigations  in 

this research were therefore based on the average downwash velocity: 

L

0,5 sin( ) 0,5downwash

downwash

Ru RdU

T T

  (6.11) 

 

Page 69: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 55 ‐ 

 

Both formulae are visualised in figure 6‐14: 

 

 Figure 6‐14 Comparison downwash velocity formulae 

 

Figure 6‐14 shows that both downwash formulae give results in the same order and can therefore in 

principle (at least for the analysis of the data of this model tests) each be used for the calculation of 

the  downwash  velocity.  The  equation  6.11  is  however much more  related  to  the occurring water 

motion at the breakwater slope. This expression incorporates the run‐up which is related to the wave 

height and breakwater parameters such as the slope, roughness of the armour layer and permeability 

of  the  breakwater  as  described  earlier.  Furthermore,  the  wave  period  is  clearly  involved  in  this 

expression. For  these reasons equation 6.11 was used  in this research to determine  the downwash 

velocities. 

 

The measured peak‐to‐peak amplitudes were plotted against the downwash velocity calculated with 

equation 6.11 (with as input the measured run‐up and run‐down) divided by the maximum downwash 

velocity.  This  maximum  downwash  velocity  was  calculated  with  equation  6.11.  The  maximum 

downwash  length  was  determined  by  calculating  the  maximum  run‐up  corresponding  to  the 

maximum wave height with the run‐up expression (equation 6.4) of paragraph 6.1.2.2 (with a d‐value 

of 2,58) and adding the maximum run‐down to this (which is assumed to be half of the calculated run‐

up). The used wave period was the wave period corresponding to the maximum wave steepness of a 

wave with the maximum wave height. In this way a Udownwash,max of 0,98 m/s was obtained. 

 

Page 70: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 56 ‐ 

 

The plot is presented in figure 6‐15: 

 

 Figure 6‐15 Curve fit calculated downwash velocity versus peak‐to‐peak amplitude of the load 

 

For  this  plot  two  curves  were  fitted  as  well.  The  equation  of  the  curve  fit  of  all  tests  is 2

peak to peak

,max ,max

A  =0,31 0,053downwash downwash

downwash downwash

U U

U U

2 with a norm of  residuals of 2,360.   The 

curve fit of the data from of all tests except the tests with an  impermeable core and a flatter slope 

equals 2

peak to peak

,max ,max

A  =0,48 0,020downwash downwash

downwash downwash

U U

U U

  and  has  a  norm  of  residuals  of  2,136. 

These curve fits are even more accurate than the curve fits of last paragraph and represent the best 

correlation between the measured peak‐to‐peak amplitude of the  load on the first row and another 

single parameter found in this research. 

 

Based on  the presented  relation between  the downwash  velocity  and  the peak‐to‐peak  amplitude 

and the relation between the run‐up and the wave parameters it is possible to calculate the peak‐to‐

peak amplitude from the wave parameters. 

 

Table 6‐4 gives  the  coefficient of  the curve  fits of  the  individual  test corresponding  to  the general 

curve fit: 

2

peak to peak

,max ,max

A  = downwash downwash

downwash downwash

U Ua b

U U

  (6.12) 

 Table 6‐4 Curve fits of individual test, relation between downwash velocity and amplitude 

Test series  Coefficient a  Coefficient b  Norm of residuals 

Hydraulic test 1 (15 rows)  +0,19  +0,08  0,417 

Hydraulic test 1_2 (15 rows)  +0,36  ‐0,02  0,309 

Page 71: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 57 ‐ 

 

Hydraulic test 2 (20 rows, RPD =1)  +1,05  ‐0,60  0,987 

Hydraulic test 3 (20 rows RPD =1.04)  +0,34  +0,01  0,340 

Hydraulic test 4 (20 rows RPD =0.97)  +0,80  ‐0,24  0,957 

Hydraulic test 7 (impermeable core)  +0,04  +0,10  0,275 

Hydraulic test 8 (impermeable core,  

smooth under layer) 

+0,06  +0,06  0,254 

Hydraulic test 9 (25 rows)  +0,14  +0,02  0,287 

Hydraulic test 10 (slope 2:3)  +0,35  +0,01  0,511 

 

It can be observed that a number of the b‐coefficients have a negative value. No negative peak‐to‐

peak amplitudes were measured (and simply do not exist) and the negative b‐coefficients are only the 

result of the  least‐square curve fit and have no physical meaning. The positive b‐coefficients are an 

order smaller than the a‐coefficients and can therefore be neglected except for test 7 and 8.  

6.1.3 Decrease of peak‐to‐peak amplitude during test 

The  majority  of  tests  (92%)  have  a  constant  peak‐to‐peak  amplitude  during  the  whole  subtest. 

However, for a few subtest the peak‐to‐peak amplitude decreases during the subtest. In table 6‐5 an 

overview  is given of the whole test program. The empty fields  indicate that no decrease of peak‐to‐

peak amplitude was observed during the test while the none‐empty fields indicate that a decrease of 

the  peak‐to‐peak  amplitude  was  observed.  The  numbers  in  the  table  represent  the  number  of 

subtests during which a decrease of amplitude was observed and the total number of subtest of this 

wave height and period within the total test. For instance 3:4 on the row of test 2, column 0,6 Hmax, 

0,87 Hz means that during 3 of the 4 subtests with the wave parameters of this columns belonging to 

test 2, a decrease of the peak‐to‐peak amplitude was observed. 

 

 Table 6‐5 Overview decrease of peak‐to‐peak amplitude during a subtest 

Wave 

parameters 

Wave height 

0,2 Hmax 

Period [Hz] 

1,5 1,1  0,87  

Wave height 

0,4 Hmax 

Period [Hz] 

1,1  0,75  0,56  

Wave height 

0,6 Hmax 

Period [Hz] 

0,87  0,62  0,50  

Wave height 

0,8 Hmax 

Period [Hz] 

0,75  0,50  0,38  

Wave height 

1,2 Hmax 

Period [Hz] 

0,69  0,44  0,38  

Number  of 

test 

1                               

1_2              1:3                 

2              3:4  1:4    2:4  3:4    2:4     

3                    1:4           

4        1:4      4:4  1:4    3:4  1:4  2:4  1:4     

6        1:3        1:3               

7        3:3      1:3                 

8              1:3      1:3           

9                1:4    2:4  2:4    2:4     

10        1:3      1:3  1:3    1:3           

Total:        6      11  5    10  6    5     

 

From the table it can be observed that most cases with decreasing peak‐to‐peak amplitude during the 

test occur during a subtest with a  larger wave height that the previous subtest. Furthermore,  it was 

observed from the photographs before and after the subtest that the most subsidence of the armour 

units occurred during  the same  test whereby a decrease of  the amplitude was observed. Based on 

these  observations  it  can  be  concluded  that  a  decrease  of  the  amplitude  during  a  subtest  occurs 

during  subtests with  a  just  increased wave height  and a  relatively  large  subsidence of  the armour 

units. 

6.2 Trend of the equilibrium load 

In the beginning of this chapter was stated that the periodic behaviour of the measured load is not a 

periodic  movement  around  a  constant  equilibrium  line  but  a  periodic  movement  around  an 

Page 72: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 58 ‐ 

 

“equilibrium”  line  (equilibrium  load)  which  shows  a  trend.  This  trend  is  further  analysed  in  this 

paragraph. 

 

Various trends of the equilibrium  load were observed  in the plots of the measured  load on the first 

row during the subtests (figure 6‐16). The subtests displayed in figure 6‐16 show a positive trend (in 

general). A test consists of 15 subtests whereof five times three subtests with the same wave height 

(see  table 4‐3Table 4‐3 Wave program  regular waves). The  first  three subsequent subtests had  the 

same wave height after which  the wave height was  increased and  the  following  three  subsequent 

subtests were executed with this increased wave height. The plot of figure 6‐1 shows that the first of 

these  three subsequent subtests with  the same wave height has  the most positive  trend what  is  in 

line with the other test results which can be found in appendix D. 

 Figure 6‐16 Measured load on the first row of armour units during a flume test 

6.2.1 Shape of the trend of the equilibrium load 

 

In figure 6‐16 a typical form of the positive trend was observed. The positive trend of the equilibrium 

load is initially steep and follows a curve of decreasing slope. After a certain period of time the slope 

of this curve decreases to zero and a maximum for this subtest is reached.  

Page 73: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 59 ‐ 

 

 Figure 6‐17 Type 1 

 

The plot of  figure 6‐17 gives an  illustration of  this  curve, obtained  from a  random other  test. This 

curve, named “type 1”, was observed in a large number of other tests. This curve type was however 

not  the  only  observed  trend  curve  type.  Flat  trend  curves  and  other  forms  of  curves  can  also  be 

observed in figure 6‐16. By analysing all test data an inventory of all occurring trend curve types was 

made. The occurring trend curve types were schematised and collected in table 6‐6. In appendix F an 

example is given for each mentioned type of trend curve. 

 Table 6‐6 Types of trend curves 

 A1  A2  A3  A4 

  

B5  B6 

 

B7 

 

B8 

 C9    D10 

 

 

A  total of  ten different  trend curve  types are  identified. These curve  types can be grouped  in  four 

groups; A, B, C and D.  

 

Group  A  contains  type  1  to  type  4, which  have  similar  curve  characteristics  comparable with  the 

previous description of  type 1. The difference between  type 1  to  type 4  lies  in  the  first part of  the 

Page 74: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 60 ‐ 

 

curve. Type 1  is the simplest curve type and shows a positive trend right from the beginning of the 

test. Type 2 to type 4 shows this positive trend too, but this positive trend starts after a certain time 

from the beginning of the subtest. Type 2 shows an oscillating measurement of the equilibrium load 

before the definitive trend; type 3 shows a negative dip before the positive trend and the definitive 

positive  trend  curve  of  type  4  starts  after  a  positive  bulge  and  a  negative  dip.  The  curves  of  the 

equilibrium load of types 1 to 4 all approach a constant value which is named Fend. The curves start at 

Fstart and follow a curve of exponential decreasing growth which approaches Fend: 

1/2( )         with:  =ln(2)

startt t

equilibrium end end start

tF t F F F e

  (6.13) 

The form of the curve described with this equation depends on the “mean lifetime” (τ) which depends 

on  the  “half‐life”  t1/2.  This  “half‐life”  represents  the  point  in  time when  the  half  of  the  eventual 

growth is reached.   

 

Group B consists of four curve types which are characterised as a “flat” type of curve. The subtests 

characterised as type 5 are flat and have an end value which  is similar to the start value of the test 

without clear minima or maxima during the subtest. The subtests characterised as type 6, type7 and 

type 8 also have an end value that is comparable to the start value but these types do have (various) 

maxima or minima during the subtest.  

 

Group C resembles the curve types which characterise subtests with a lower end value compared to 

the  start value of  the  subtest. This group contains  just one  type,  type 9 being equal  to  type 1 but 

vertically mirrored. The equilibrium load of the type 9 tests can also be approached by equation 6.13 

for the equilibrium load of type 1. 

 

Group D,  resembles a collection of  curves which  characterise  subtests with a positive  trend of  the 

equilibrium load. These subtests can however not be characterised by the same curve as the types in 

group A since these subtest do not show an exponential decreasing growth of the equilibrium  load. 

The only type in this group represent subtests with a linear increase of the equilibrium load during the 

subtest.  

 

All subtests were studies and  for every subtest a characterising type was established. Based on the 

analysis of  the occurrence of  the  trend  curve  types  a pattern,  it was observed between  the wave 

height and the occurring trend type. The number of times that a certain trend type occurs is displayed 

in table 6‐7 and visualised in figure F17 to figure F21 of appendix F. 

 Table 6‐7 Occurrence of trend curve types 

Group  Type  No of occurrence 

A  (exponential decreasing 

growth) 

1  223 

262 2  15 

3  16 

4  8 

B (flat) 

5  99 

139 6  23 

7  7 

8  10 

C (mirrored exponential decreasing growth)  

9  33  33 

D (linear growth) 

10  33  33 

 

Page 75: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 61 ‐ 

 

This table shows that type 1 (exponential decreasing growth)  is the most frequently occurring wave 

type followed by type 5 (flat). From the figures in appendix F it can be observed that the subtests with 

the lowest wave height (H=0,2 Hmax) are dominated by the curve types of group B while the subtests 

with  a  higher wave  height  are mostly  characterised  by  curve  types  of  group  A.  If  the  difference 

between  first parts of  the  curve  types  is not  taken  into account,  then  for 56% of  the  subtests  the 

trend of the equilibrium  load can be characterised by a trend curve with an exponential decreasing 

growth and even 63% if also negative growth is defined as growth. The majority of the other subtests 

(30%) was characterised as “flat”. 

 

The  flat  test  can  be  characterised  by  a  simple  relation  since  the  equilibrium  load was  given  by  a 

constant  number.  The majority  of  the  subtests  during which  a  trend  of  the  equilibrium  load was 

observed  (90%)  can  be  described  by  the  earlier mentioned  equation  for  exponential  decreasing 

growth: 

1/2( )         with:  =ln(2)

startt t

equilibrium end end start

tF t F F F e

  (6.14) 

For each  subtest  the  trend of  the equilibrium  load was approached by a plot of  this equation. An 

example of a  subtest  to which a plot of  the above equation was added  is given  in  figure 6‐1. The 

parameters of this curve fit were determined by hand and are displayed in appendix D. The “half‐life” 

value of each test was used to determine the number of waves corresponding to the “half‐life” time. 

The number of waves corresponding to the “half‐life” time is given in table 6‐8 

 Table 6‐8 Number of waves corresponding to the “half‐life” time 

Group  Type Average al 

tests [‐] 0,2 Hmax [‐]  0,4 Hmax [‐]  0,6 Hmax [‐]  0,8 Hmax [‐]  1,0 Hmax [‐] 

A  (exponential 

decreasing growth) 

1  15.2  33  20  31  4  19  10  8  9  11  15  19  7  17  12  8 

2  9.9                  25  13      12  9  6 

3  12.8  33      8  8  4  13  13  14  17  15  4  12     

4  12.5    14          3      9  10    24  15   

C (mirrored exponential decreasing growth) 

9  9.1  16    10  6  6      1  4  14  11    10    7 

Average [‐]:  14.0  27  17  21  6  11  7  8  8  13  14  14  5  15  12  7 

 

The  point  in  time  (or  corresponding  number  of waves)  at which  a  certain  percentage  (n)  of  the 

eventual growth of the equilibrium load can be determined from the “half‐life” time by the following 

expression:  

1/2

ln(0,5)

ln( )nt t

n   (6.15) 

By determining the point in time at which on average a certain percentage of the eventual increase is 

realised  it  is  also  possible  to  determine  the  corresponding  number  of  waves  which  on  average 

correspond to this growth. On average the half of the eventual growth was realised after 14 waves. 

With  the given  relationship  it  is possible  to determine  the average number of waves between  the 

start of the subtest and the point in time at which 90% of the eventual growth is reached, which was 

92 waves. 

6.2.2 Magnitude of the increase or decrease of the equilibrium load 

An increase or decrease of the equilibrium load is defined as the difference between the load on the 

first row of armour units measured before the beginning of a subtest and the load on the first row of 

armour units measured after  the execution of  this subtest.  In most cases  (63%)  the  load measured 

after a  subtest was higher  than at  the beginning of  the  subtest.  In other cases  the measured  load 

Page 76: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 62 ‐ 

 

before and after the subtest was comparable (30%) and even  in a few cases  lower (7%) than at the 

beginning of the subtest. At the end of the test all measured loads were increased significantly.  

 

In this paragraph the results of an analysis on the increase of the equilibrium line of the load on the 

first  row of armour units  (equilibrium  load)  in  relation  to  the end measurements of  the  load after 

testing  with  each  other  are  presented.  Furthermore,  the  results  of  an  analysis  on  the  relation 

between the equilibrium load and the wave height, packing density and amplitude of the load on the 

first row is presented.  

6.2.2.1 End measurements of the load on the first row after testing 

The average measured  load on the first row of armour units (excluding the  initial static  load) at the 

end of the test is given in table 6‐9. 

 Table 6‐9 Averaged measured load on the first row of armour units after testing 

Tests  Load on first row after 

test [N] 

Load on first row after 

test [F/Funit] 

Initial (static) load 

[F/Funit]  

Hydraulic test 1 “15 rows”  12,8  2,12  1,30 

Hydraulic test 2 “20 rows”  15,7  2,60  1,00 

Hydraulic test 3 “high packing density”  9,27  1,53  1,15 

Hydraulic test 4 “low packing density”  12,6  2,08  0,85 

Hydraulic test 6 “20 rows”  15,5  2,56  1,22 (dry) 

Hydraulic test 7 “impermeable core”  47,9  7,92  1,38 

Hydraulic  test  8  “flat,  impermeable 

under layer” 

37,8  6,25  1,65 

Hydraulic test 9 “25 rows”  14,0  2,31  1,09 

Hydraulic test 10 “flatter slope”  23,3  3,85  0.92 

 

The  end  values  of  the  load measurements were  compared  to  each  other  in  order  to  determine 

possible influences of the varied test parameters. 

 

The test with 15 rows, the test with 20 rows, the test with 20 rows but with a continuous execution 

and the test with 25 rows were compared to each other (which were tests with a varying number of 

rows  but which  had  the  rest  of  the  test  parameters  in  common).  It was  not  possible  to  derive  a 

relation between the number of rows and the measured end values of these tests. The end values of 

the test with 20 rows and the test with 20 rows but with a continuous execution were comparable 

which was  in  line with  the expectations, because  the only difference between  those  tests was  the 

method of execution. The end value of the test with 15 rows was 18%  lower. Based on this value  it 

was expected that the end value of the test with 25 rows would be higher than the end values of the 

test with 20 rows and the test with 20 rows but with a continuous execution. The end value of the 

test with 25 rows was however lower than the end value of the test with 20 rows and the test with 20 

rows  but with  a  continuous  execution.  This  observation  is  comparable  to  the  observations made 

about these tests regarding the measured amplitude of the load on the first row. 

 

The tests with varying packing density showed no clear relationship between the end value and the 

varying packing density. The test with the highest packing density had the lowest end value, the test 

with a normal packing density had the highest end value and the test with the lowest packing density 

had an end value which lies in between the two other end values. 

 

The  test with an  impermeable core and  the  test with  impermeable core and a smooth under  layer 

resulted however in a much higher measured end values compared to the test with a permeable core. 

This is in line with the amplitude analysis which also showed a deviation in amplitude for these tests. 

The  impermeable core  reflected more of  the wave energy,  thereby  increasing  the  instability of  the 

armour units which translates into higher loads of armour units on each other. The end value of the 

Page 77: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 63 ‐ 

 

test with an  impermeable core and a smooth under  layer was  lower than the end value of the test 

with an impermeable core. 

 

The end value of the test with a flatter 2:3 slope appeared to be higher than the test with the same 

amount of rows (20 rows) and a 3:4 slope. 

6.2.2.2 Relation between the equilibrium load and the wave height 

Besides  the end values, which are  the end results of  the various  tests also  the development of  the 

increase of the equilibrium load till this end value was studied. All subtests with the same wave height 

were binned. The total increase or decrease of the equilibrium loads during the three binned subtests 

with the same wave height, relative to the end value are plotted in a boxplot in figure 6‐18 

 Figure 6‐18 Boxplot of the relative increase of the equilibrium load versus the wave height. 

 

From this figure it can be read that the average equilibrium load did not increase or decrease during 

test with a wave height of 0,2 Hmax. For wave heights higher than 0,2 Hmax the equilibrium load starts 

(on average) to increase to 10% of the end value during the subtests with a wave height of 0,4 Hmax, 

30% of the end value during the subtests with a wave height of 0,6 Hmax, 65% of the end value during 

the subtests with a wave height of 0,8 Hmax and of course 100% during the subtests with a wave height 

of 1,0 Hmax. 

 

There  is no  linear  relationship between  the  increase  equilibrium  load of  the wave height  and  the 

measured  load on  the  first  row of  armour units. An  increase of  the wave height  created  a higher 

increase than was expected based on a linear relationship. The relation between the wave height and 

the relative equilibrium load seems to be of a quadratic. 

 

In  order  to  determine  a  relationship  between  the wave  height  imposed  on  the  structure  and  the 

equilibrium  load,  the  equilibrium  load was directly plotted  against  the wave height  in  figure 6‐19, 

without balancing the equilibrium  load against the measured end value as was done  in  figure 6‐18. 

Page 78: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 64 ‐ 

 

This  approach was  followed because  the  end  value was not  known on beforehand  and  a  relation 

based on this end value would be of limited applicability.  

 Figure 6‐19 Equilibrium load versus the wave height 

 

Figure 6‐19  contains  the data of all  tests but not  the data of  the  tests with an  impermeable  core, 

because the much steeper relation between the wave height and equilibrium load of the test with an 

impermeable core and the test with an  impermeable core and a smooth under  layer would disturb 

the  picture  and  curve  fit.  Of  course  the  test  with  an  impermeable  core  and  the  test  with  an 

impermeable core and a smooth under layer are also relevant and a plot including the data of these 

tests can be found in appendix F. Furthermore, the equations of the curve fits are given in table 6‐10. 

However,  since  the  considered  cases  in  the  test with  an  impermeable  core  and  the  test with  an 

impermeable  core  and  a  smooth  under  layer  are  rather  uncommon  the  data  is  not  used  for  the 

general curve fit. The curve fit of all tests, but without the tests with an impermeable core, is: 2

 =3,1 0,80equilibrium

g x max max

F H H

F N H H

  (6.16) 

This expression has  a norm of  residuals with  the measured dataset of 6,086. Table 6‐10 gives  the 

coefficients of the individual curve fits which are of the form: 

 Table 6‐10 Curve fits of individual test, relation between wave height and equilibrium load 

Test series  Coefficient a  Coefficient b  Norm of residuals 

Hydraulic test 1 (15 rows)  +3,0  ‐1,1  1,337 

Hydraulic test 2 (20 rows, RPD =1)  +3,0  ‐0,43  2,400 

Hydraulic test 3 (20 rows RPD =1.04)  +2,5  ‐1,2  1,308 

Hydraulic test 4 (20 rows RPD =0.97)  +2,3  ‐0,30  0.954 

Hydraulic test 6 (20 rows, continuous)  +2,3  ‐0,08  1.848 

Hydraulic test 7 (impermeable core)  +13  ‐0,74  2,358 

Hydraulic test 8 (impermeable core,  

smooth under layer) 

+0,12  +6,1  2,570 

Hydraulic test 9 (25 rows)  +3,8  ‐1,57  1,498 

Hydraulic test 10 (slope 2:3)  +4,6  ‐0,74  1,334 

 

2

peak to peakA  = max max

H Ha b

H H  (6.17) 

Page 79: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 65 ‐ 

 

In these curve fits the negative b‐coefficients does have a meaning. A decrease of the equilibrium load 

was measured  for  a  number  of  tests which  results  in  the  negative  b‐coefficients.  It  can  also  be 

observed that the a‐coefficients are larger than the b‐coefficients confirming the quadratic character 

of the relation. The curve fit of test 8 seems to be a deviation from the other curve fits. However, in 

figure  2‐1  can  be  observed  that  the  difference  between  the  curve  fits  of  test  7  and  test  8  is 

considerable but that both curve fits are in the same range.  

 

Notable is the similarity of the equations of these curve fits compared to the curve fits which describe 

the relation between the peak‐to‐peak amplitude and the wave height.  In subparagraph 6.2.2.5 the 

relation between the amplitudes and the increase of the equilibrium load was further analysed. 

 

Based on these curve fits it is also possible to analyse the effects of the varying test parameters. This 

was however more difficult compared to the similar analysis of paragraph 6.1.2.1 because in this case 

the b‐coefficients cannot be disregarded since they have a significant  influence on the shape of the 

curve  fit. As a consequence  it  is not possible to simply compare a‐coefficients with each other. The 

curve fits were therefore plotted in a new graph: 

 Figure 6‐20 Curve fits equilibrium line versus wave height 

 

Based on this graph,  it was found that the curve fits of the test with 15 rows, 20 rows and a RDP of 

100%, 20 rows and a RPD of 97%, 20 rows and a continuous execution and the test with 25 rows were 

reasonable  comparable  to  each  other.  Test  3  (high  in  initial  packing  density)  appeared  to  have  a 

flatter curve fit which means that the expected increase of the load on the first row is lower. The test 

with the flat slope (test 10) corresponded to the curve fit with a steeper curve. 

 

Page 80: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 66 ‐ 

 

6.2.2.3 Relation between the equilibrium load and the armour stability 

It is clear that there is a relation between the wave height imposed on the structure en the increase 

of the equilibrium load. The curve fits presented in figure 6‐20 for the test with an impermeable core 

and for the test with a smooth under layer and an impermeable core deviated from the main group of 

curve fits. In order to incorporate the effect of the permeability of the core, the slope of the armour 

unit and the breaker parameter (which contains the wave period) the increase of the equilibrium load 

in relation to the stability of the armour unit was studied. A slightly rewritten version of the original 

Van  der Meer  formula  is  used  as  expression  for  the  armour  unit  stability  VAN  DER  MEER  (1988) 

[SCHIERECK, 2001]: 

50 0,2

0,18 0.5

50 0,2

0,13

           (plunging breakers, 

6,2

(surging breakers,  )

1,0 cot

sn transition

sn transition

P

HD

SP

N

HD

SP

N

 

(6.18) 

In the case of the model breakwater the following values for the following parameters were used:  

permeability (P) = 0.4 (0.01 for the impermeable core); 

damage level (S) = 2 (only minor damage); 

number of waves (N) = 7500 (corresponds to the equilibrium damage level); 

The equilibrium load was plotted as function of the stability parameter given in expression 6.15 what 

gives the following figure: 

 

 Figure 6‐21 Equilibrium load on the first row of armour units relative to the armour unit stability 

 

Page 81: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 67 ‐ 

 

The figure shows a reasonable relation between the stability of an armour unit (calculated based on 

the Van der Meer formula) and the equilibrium line. A curve fit is added to the plot for all tests except 

the tests with an impermeable core, as was done in figure 6‐19: 

2

50 50 =96,2 8,58equilibrium

n n

g x

FD D

F N

  (6.19) 

This curve fit has a norm of residuals of 5,72 which  is slightly better than the curve fit based on the 

relation  between  the  equilibrium  load  and  the  wave  height.  The  results  of  the  test  with  an 

impermeable  core  are  much  more  in  line  with  the  other  results  because  the  impermeability  is 

included in the armour unit stability. Table 6‐11 gives the coefficients of the curve fits of the individual 

test corresponding to the general curve fit: 

2

50 50 =equilibrium

n n

g x

Fa D b D

F N

  (6.20) 

 

 Table 6‐11 Curve fits of individual test, relation between armour unit stability and equilibrium load 

Test series  Coefficient a  Coefficient b  Norm of residuals 

Hydraulic test 1 (15 rows)  +75,8  ‐5,8  1,368 

Hydraulic test 2 (20 rows, RPD =1)  +78,2  ‐2,9  2,404 

Hydraulic test 3 (20 rows RPD =1.04)  +62,4  ‐5,5  0,962 

Hydraulic test 4 (20 rows RPD =0.97)  +61,6  ‐2,1  0,995 

Hydraulic test 6 (20 rows, continuous)  +61,2  ‐0,5  1,843 

Hydraulic test 7 (impermeable core)  +72,0  ‐0,1  2,549 

Hydraulic test 8 (impermeable core,  

smooth under layer) 

+4,0  +14,6  2,449 

Hydraulic test 9 (25 rows)  +95,1  ‐8,3  1,625 

Hydraulic test 10 (slope 2:3)  +120  ‐4,9  1,387 

 

In these curve fits the negative b‐coefficients does have a meaning. A decrease of the equilibrium load 

was measured  for  a  number  of  tests which  results  in  the  negative  b‐coefficients.  It  can  also  be 

observed  that  the  a‐coefficients  are much  larger  than  the  b‐coefficients  confirming  the  quadratic 

character of the relation.  

6.2.2.4 Influence of packing density 

A significant subsidence of the armour units was observed during the hydraulic tests. This subsidence 

was measured through the subsidence of the top row of armour units although this was initially not 

part of  the  test program. The measured subsidence was  transformed  in an  increase of  the packing 

density since the packing density  is a parameter which was already part of  the  test program and  is 

independent of breakwater dimensions, as  the  length of the slope and the size of  the armour unit. 

Since  the  subsidence  varied with  the wave  height,  also  the  packing  density  varied with  the wave 

height. The packing density is plotted against the wave height in figure 6‐22.   

 

Page 82: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 68 ‐ 

 

 Figure 6‐22 Packing density versus wave height 

 

The  subsidence  increased  with  an  increasing  wave  height.  The  curves  did  not  show  a  gradual 

subsidence with an  increasing wave height but  instead a moderate  increase at wave heights smaller 

than 80% of the maximum wave height followed by a severe increase of the subsidence for the higher 

wave heights. This can also be observed in the boxplot of figure 6‐23. A curve fit on the data of figure 

6‐22 has the following expression:  2

=0,035 1,0max

HRPD

H

  (6.21) 

 

 Figure 6‐23 Boxplot of the development of the packing density versus the wave height 

Page 83: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 69 ‐ 

 

 

This  boxplot  shows  the  initial  gradual  increase  of  the  packing  density  followed  by  a more  severe 

increase.  The  increase  of  the  load  on  the  first  row  of  armour  units  has  to  be  the  result  of wave 

induced modifications of the breakwater. Since the packing density  is the only measured parameter 

which can give an  indication of possible modification of the armour  layer the relation between this 

wave‐induced modification of  the  armour  layer  (subsidence of  the  rows of  armour units)  and  the 

increase of the load on the first row of armour units was studied. 

 

The equilibrium load of the load on the first row of armour units versus the packing density is plotted 

in figure 6‐24. 

 Figure 6‐24 Equilibrium load versus the packing density 

 

The plotted curves in figure 6‐24 show a very chaotic pattern. The curves are initially very steep and 

flatten toward the top of the curve. This could be expected from figure 6‐22 which shows a dominant 

increase of  the packing density at  the high wave heights while  from  figure 6‐18  it can be observed 

that the increase of the equilibrium load relative to the wave height is much steeper. 

 

It is however hard to deduce a reliable relationship between the equilibrium load of the load on the 

first row and the packing density. In figure 6‐24 three curve fits are added. The green  line  is a fit on 

the test data of tests with a  low  initial packing density, the blue  line  is a fit on the test data of tests 

with an initial packing density of about 100% and the cyan coloured line is a fit on the test data of the 

tests with a high initial packing density. The green line of the tests with an initial low packing density 

shows that during these tests the packing density remained reasonably constant till an increase of the 

equilibrium load of about one unit weight. During the further increase of the equilibrium load a strong 

increase of  the packing density was observed. This “bend”  in  the curve  fit was also  found  in  some 

cases of the test with a normal  initial packing density of about 100%. The bend  in this curve fit was 

however situated at higher values of the equilibrium load which means that the initial packing density 

remained the same until higher wave heights and thus increase of the equilibrium load was reached. 

The curve fit of the test with a high initial packing density showed a more unclear picture. In general 

there was not a clear bend which could be identified.  

Page 84: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 70 ‐ 

 

 

Based on figure 6‐24, it was not possible to deduce an equation which incorporated the effect of the 

initial packing density on the development of the packing density during the hydraulic tests and the 

value of the equilibrium load of the load on the first row.  

 

A theoretical relation between the equilibrium load and the packing density can however be obtained 

if a combination is made of equation 6.21, which gives a relation between the packing density and the 

wave height, and equation 6.16, which gives a relation between the wave height and the equilibrium 

load of the load on the first row. These equations were combined resulting in the following equation: 2

1 1 =3,1 0,8

0,035 0,035

equilibrium

unit

F RPD RPD

F

  (6.22) 

A plot of the relative subsidence (relative to the end value of the subsidence) versus the equilibrium 

load gives a far smoother picture: 

 

 Figure 6‐25 Equilibrium load of the load on the first row versus the relative subsidence 

 

Based on this figure, it can be concluded that there is a correlation between the (relative) subsidence 

and the increase of the equilibrium load. Since this plot was based on the relative subsidence it was 

not possible to  incorporate the effect of this correlation  in a predicting equation for the equilibrium 

load on the first row of armour units. 

6.2.2.5 Relation between the equilibrium load and the peak‐to‐peak amplitude 

In this section an analysis on the relation between the equilibrium load and the amplitude of the load 

on the first row is presented. Since both the peak‐to‐peak amplitude and the equilibrium load can be 

related  to  the  wave  height,  it  was  also  possible  to  relate  the  peak‐to‐peak  amplitude  to  the 

equilibrium load. If a relation whereby the equilibrium load increases after an increase of the peak‐to‐

peak amplitude would exist then it can be concluded that a higher peak‐to‐peak amplitude triggered 

the increase of the equilibrium load.  

 

Page 85: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 71 ‐ 

 

A comparison was made between the curve fits of the peak‐to‐peak amplitude in relation to the wave 

height and the relation between the equilibrium load and the wave height. The coefficients of the two 

groups of curve fits are given in table 6‐12:  

Table 6‐12 Curve  fits of the peak‐to‐peak amplitude versus the wave height and the equilibrium  load versus 

the wave height 

Test  Curve fit amplitude   Curve fit equilibrium load 

Hydraulic test 1 (15 rows)  a: 0,23 b: ‐0,037  a: 3,0 b: ‐1,1 

Hydraulic test 2 (20 rows, RPD =1)  a: 0,25 b: 0,014  a: 3,0 b: ‐0,43 

Hydraulic test 3 (20 rows  RPD =1,04)  a: 0,20 b: ‐0,033  a: 2,5 b: ‐1,2  

Hydraulic test 4 (20 rows RPD =0,97)  a: 0,63 b: ‐0,036  a: 2,3 b: ‐0,30 

Hydraulic test 6 (20 rows)  a: 0,49 b: ‐0,053  a: 2,29 b: ‐0,076 

Hydraulic test 7 (impermeable core)  a: 0,11 b: 0,023  a: 12,7 b: ‐0,74 

Hydraulic test 8 (impermeable core, smooth under layer)  a: 0,061 b: 0,031  a: 0,12 b: 6,1  

Hydraulic test 9 (25 rows)  a: 0,065 b: 0,012  a: 3,8 b: ‐1,57 

Hydraulic test 10 (slope 2:3)  a: 0,21 b: 0,032  a; 4,6 b: ‐0,74 

 

In both  groups of  curve  fits was observed  that  a number of  curve  fits were  similar  to  each other 

(which are marked orange  in the table), a number of curve fits was observed which  lies underneath 

the “average” group  (marked green) and a number of curve  fits was observed which  lies above the 

“average”  group  (marked  red).  For  a  good  relation  between  the  peak‐to‐peak  amplitude  and  the 

increase of the equilibrium  load the curve  fit of a subtest should be  in the same colour‐group. This 

was however not observed. 

 

This  observation  can  also  be  made  based  on  the  plot  of  figure  6‐26.  No  relation  between  the 

amplitude of and the equilibrium load could be derived from this plot. 

 Figure 6‐26 Peak‐to‐peak amplitude of the load on the first row versus the equilibrium load  

 

Page 86: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Results and analysis of static tests 

 

‐ 72 ‐ 

 

6.2.3 Trend of the equilibrium load during test with irregular waves 

A total of three tests were executed with  irregular waves. The spectra of these tests were analysed 

and based on  the expression  for  the  trend of  the equilibrium  load as  function of  the wave height 

(expression 6.16) and the number of waves, a calculation of the end value of the equilibrium load was 

made. This calculation can be found  in appendix F. The results of this calculation are summarised  in 

table 6‐13: 

 Table 6‐13 Results of spectrum analysis wit WaveLab and calculation of expected equilibrium load 

Hydraulic test 5(1)  Hydraulic test 5(2)  Hydraulic test 5(3) 

Hs (measured)  11,2  11,17  11,14  [cm] 

Hmax (measured)  20,22  20,19  20  [cm] 

Hmax ( based on Xbloc)  21,28  21,28  21,28  [cm] 

Number of waves  2790  2819  2709  [‐] 

Exceedence probability of 92 waves (90 %  of end value) 

3,30%  3,26%  3,40%  [‐] 

Corresponding (H/Hs)2     

(Wavelab) 1,66  1,655  1,635  [‐] 

H(prob:90 waves)  14,43  14,37  14,24  [cm] 

Increase of Fequilibrium  0,79  0,79  0,77  [F/(Fg∙Nx)] 

Increase of Fequilibrium  4,81  4,76  4,65  N 

 

The theoretical expected increase of the equilibrium load with the applied spectrum was about 0,8 of 

the weight  of  an  armour  unit.  This  result was  compared  to  the  actual measured  increase  of  the 

equilibrium during  these  tests. The measured  increase of  the equilibrium  load during  the  test with 

irregular waves is given in table 6‐14.  

 Table 6‐14 Measured increase of the equilibrium load 

Hydraulic test 5(1)  Hydraulic test 5(2)  Hydraulic test 5(3) 

Measured increased of Fequilibrium  0,88  0,80  0,74  [F/(Fg∙Nx)] 

Measured increase of Fequilibrium  5,3  4,85  4,48  N 

 

Based  on  the  comparison  of  the measured  increase  of  the  equilibrium  load with  the  theoretical 

expected  increase of the equilibrium  load,  it could be concluded that the resemblance between the 

measured and calculated increase of the equilibrium load is reasonable. However, in this analysis the 

wave  record  of  the  entire  test was  used  as  input  for  the  calculation while  in  figure  D‐5  can  be 

observed that the most of the eventual increase of the equilibrium load was reached after 1000 s (850 

waves). The calculation was also made with  this reduced number of waves. This calculation gives a 

lower expected  increase of the equilibrium  load of 0,44 times the unit weight while at this point  in 

time the measured equilibrium load is 0,73 times the unit weight. 

Page 87: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 73 ‐ 

 

7 Discussion 

The load on the first row of armour units was decomposed in a static load and in a dynamic load. Both 

types of  loads were studied  in experiments and the results of these experiments were subsequently 

given  and  analysed  in  chapter  5  (static  load)  and  chapter  6  (dynamic  load).  These  analyses  are 

discussed in this chapter. Paragraph 7.1 discusses the static load, paragraph 7.2 discusses the dynamic 

load and the combined, total load is discussed in paragraph 7.3.  

7.1 Static load on the first row of armour units 

The along slope force balance of an armour unit on the slope of a breakwater was analysed and this 

resulted in the following equations: 

sin( )

cos( )

sin( ) cos( ) 0

h g

n g

g g

F F

F F

F f F

  (7.1) 

This balance  consists of  an  along  slope  component of  the weight of  the  armour unit  (Fg)  and  the 

counteracting friction force which  is a function of the weight component perpendicular to the slope 

and the friction coefficient. The friction coefficient between a Xbloc armour unit and the rock under 

layer depends on  the materials used  (concrete and  rock) and  the size of  the  rocks. Various  friction 

parameters for concrete on rock or gravel were found in literature like f = 0,6 [D’ANGREMOND AND VAN 

ROODE,  2001]  and  f  =  0,564  ‐  0,679  (from  STÜCKRATH  (1996)  which  was  obtained  from  Coastal 

Engineering Manual table VI‐5‐62 [U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002]). If a friction coefficient of 0,6 

and the common breakwater slope  for Xbloc armour units of 36,87 degrees  (3V:4H)  is applied then 

the following along slope force balance is obtained, which results in a positive residual force : 

 

 

sin( ) cos( )

sin(36,87) 0,6 cos(36,87) 0,12

res

g

res

g

Ff

F

F

F

  (7.2) 

Based on  this  simple calculation, a  linear  relation between  the number of  rows and  the  increasing 

load on a  single armour unit at  the  first  (bottom)  row of armour units was expected with a  linear 

increase  of  0,12*Fg  per  row.  The  theoretical  load  on  a  single  armour  unit  at  the  first  row  of  a 

breakwater with 20 rows in total is thus 2,4 times the weight of this armour unit.  

 

In practice, this theory was found to be  incomplete. A physical model test was executed  in order to 

obtain the average load on a single unit at the first row of armour units as function of the number of 

rows applied on the slope of the breakwater. The results of these tests are visualised in figure 5‐1 and 

are schematised in figure 7‐1. This figure also shows the relation between the theoretical load and the 

measured load. 

Page 88: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Discussion 

 

‐ 74 ‐ 

 

 Figure 7‐1 Theoretical and measured static load on the first row of armour units 

 

This visualisation shows that for the first number of rows (about five rows) the measurements are in 

line with the theoretical determined relation between the number of rows and the  load on the first 

row (the slope of 0,12 was found for the static load between row 1 and row 5). For a higher number 

of rows applied on the breakwater slope (Ny), the load on the first row approaches a constant value in 

the order of 1,1 times the weight of an armour unit per unit (with a standard deviation of 0,16). The 

measurements can be described by the following expression: 

4,62

( )1,12 0.76

yN

static y

g x

F Ne

F N

  (7.3) 

The maximum  number  of  rows  applied  in  the  tests  executed  in  this  research  is  20. Based  on  the 

theoretical approach, it was expected that the measured load on a single armour unit at the first row 

of armour units would be in the order of 2,4 times the weight of this armour unit. The measured load 

was however only 1,1  times  the weight of  an  armour unit. The measured  start  value  (along  slope 

static  load of a single row)  is 0,38 times the unit weight. This start value depends on the position of 

the armour units on the first row relative to the under layer and the toe. The armour units on the first 

row were placed according to the valid standard. 

 

The deviation of  the  results  from  the  theoretical  load on  the  first  row  indicate  that  the  transfer of 

forces between the armour units and the under  layer does not solely occur by friction as this would 

lead to much higher loads then measured.  

 

An experiment was performed in order to investigate the critical angle at which an armour unit starts 

to  move.  This  experiment  was  executed  in  order  to  derive  the  friction  coefficient.  From  this 

experiment we collected a dataset of critical angles  that was  transformed  into a dataset of  friction 

coefficients. Based on equation 7.1,  it was expected  that  the angle at which an armour unit  is  just 

stable  is about 31 degrees. The measured critical angles are however much higher with an average 

critical angle of 38 degrees. This also  indicates that armour units are still stable when the maximum 

friction capacity is reached. Furthermore, it was observed that a significant number of units started to 

roll down the slope when they got out of balance. These observations  lead to the conclusion that a 

second phenomenon is influencing the stability of a single armour unit on a breakwater slope.  

 

Considering the contact between the armour units and the under  layer  it can be observed that the 

under layer is not smooth but contains irregularities and perturbing stones. The armour units, which 

are  not  smooth  either  but  consist  of  pointy  legs  and  (less  pointy)  noses,  can  be  placed  in  these 

irregularities or against a perturbing stone.  In  this way a direct point of contact  is created  through 

which large forces can be transferred from the armour unit to the under layer by means of pressure. 

The critical slope experiment demonstrated a very high critical angle of more than 49 degrees for a 

number of units. These units are stable due to  friction but, since  friction alone cannot explain such 

Page 89: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 75 ‐ 

 

high  critical  angles,  it  was  concluded  that  it  also  due  to  the  contact  of  the  armour  units  with 

perturbing stones and other irregularities. These very stable armour units can transfer large forces to 

the under layer. 

 

During the hydraulic test program three tests were executed on a smooth wooden under  layer. The 

friction coefficient between wood and concrete is similar to the friction coefficient used for concrete 

on rock. The measured static load just after the construction of the model was therefore expected to 

follow the theoretical linear relationship of the number of loads and the static load. This means that 

the measured static  load on a smooth under  layer should be much higher than the measured static 

load for the tests with concrete armour units on a “rock” under layer. This is indeed the case with an 

average static load on the first row of 1,65 times the weight of an armour unit per unit (appendix E). 

These results support the statement that the friction is not the only mechanism influencing the static 

load, but that the smoothness of the under layer also has an effect on the static load. 

 

A model was constructed  in order to  investigate whether these very stable armour units, which are 

able to cope with high forces, are responsible for the levelling of the relation between the number of 

rows and the load on the first row of armour units. Our model included the behaviour of the armour 

units as described before (it used the dataset of the critical angles as an  input and models the units 

with a critical angle of more  than 49 as very  stable armour units with a very high capacity  for  the 

transfer of forces to the under layer, see paragraph 5.1 ). This model is able to produce the shape of 

the  relationship  between  the  load  on  the  first  row  and  the  number  of  rows  applied  on  the 

breakwater. And this is very well in line with the found relationship. It can thus be concluded that the 

varying stability of  the armour units and  the presence of very stable armour units  in particular are 

responsible  for  the  levelling  of  the  relationship  of  the  static  load  and  the  number  of  rows  and 

eventually for the constant end value for a higher number of rows.  

 

The outcome values of  the model  initially were very  low and were calibrated with a multiplication 

factor of 6,1. The measured critical values apparently resulted in friction force capacities which are [?] 

not fully utilized in practice. In practice, armour units are positioned against lower positioned armour 

units and will  impose a  load on these units whether the friction capacity  is used or not. The armour 

units  in  this  study were modelled with  a preference  for  friction  and only  the  resulting  force  after 

subtraction of  the  full  friction  capacity was  imposed on  the  lower positioned  armour units  in  this 

model. This preference for  friction  instead of a more equal distribution of  force between the  lower 

positioned armour units and the under layer is the most plausible cause of the lower outcomes of the 

model  (without  the multiplication  factor).  The  actual  values  of  the  static  load  have  however  no 

influence on the shape of the relation between the number of rows and the static  load on the first 

row. This relationship still holds and the model can thus perfectly be used for the explanation of the 

effect of the presence of very stable armour unit in an armour layer on the static load on the first row 

of armour units. 

 

The results found in the static tests show high dispersion. The static load has a standard deviation of 

0,16 [units[. The spread in the results of the static load can be explained by the stochastic character of 

the transfer of loads to the under laying armour units or to the under layer. Based on the model it can 

be determined  that  for an  infinite number of columns  the  spread of  the average  static  load on an 

armour unit will reduce to zero. However, since the number of units in a horizontal row used in this 

research was limited to 20, dispersion of the measured static load was found. 

 

With the static load model the influence of an external load on a certain row was studied. From this 

study it appeared that the influence of a certain external load on the load on the first row decreases 

as the row number at which the external load is imposed increases. External loads which are imposed 

on row 10 or higher add  less  than 10% of this external  load  to the  load on the  first row of armour 

Page 90: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Discussion 

 

‐ 76 ‐ 

 

units. This  implicates that only  loads  imposed on row one to ten have a significant  influence on the 

load on the first row. 

 

The presented relationship of the static load on the first row and the number of rows applied on the 

breakwater gives an average load on an armour unit at the first row. In order to derive the stresses in 

this armour unit, which are required for a structural integrity calculation, the load on a single armour 

unit should be determined. This can be done by measuring individual loads or via an extension of the 

model  to  a  two  dimensional model which models  the  transfer  of  force  of  one  unit  to  two  lower 

positioned armour units and, in this way, through the entire armour layer and eventually to the first 

row of armour units. 

7.2 Dynamic load on the first row of armour units 

The dynamic load was examined with a physical model in a wave flume. The results of this experiment 

show two major phenomena: 

the  measured  dynamic  load  shows  a  periodic  behaviour  with  a  certain  peak‐to‐peak 

amplitude; 

the wave‐averaged dynamic load (the equilibrium load) is not constant but increases during 

the sub tests until an equilibrium in reached at the end of a subtest; 

The  first phenomenon  is discussed  in paragraph 7.2.1 and  the  second phenomenon  is discussed  in 

paragraph 7.2.2. 

7.2.1 Amplitude of the load on the first row of armour units 

The correlation between the motion of water on the breakwater slope and the load on the first row of 

armour  units was  studied  in  chapter  0.  From  this  analysis,  described  in  paragraph  6.1,  it  can  be 

concluded that the motion of water on the breakwater slope has a direct relation with the peak‐to‐

peak amplitude of  the  load on  the  first  row of armour units. The measured  load  shows a periodic 

behaviour with the same period as the incoming waves and positive maxima during the downwash of 

water over and  through  the armour  layer. The  relation between  the measured amplitudes and  the 

wave height, run‐up and downwash velocity was studied and the relation between the peak‐to‐peak 

amplitude and the downwash velocity was found to be the most accurate. This relation is of the form: 2

peak to peak

,max ,max

A  =a downwash downwash

downwash downwash

U Ub

U U

  (7.4) 

The values of coefficients in this expression for a breakwater with a permeable core and a slope of 3:4 

are  0,48  for  the  a‐coefficient  and  ‐0,02  for  the  b‐coefficient.  Since  b  is much  smaller  than  a,  the 

expression can be reduced to: 2

peak to peak

,max

A  =a downwash

downwash

U

U

  (7.5) 

This  is a pure quadratic  relation between  the downwash  velocity and  the  load on  the  first  row of 

armour units. This relation is in line with the Morrison equation which states that the force imposed 

by the flow on a body (only taking into account the drag and thus disregarding the inertia force) is: 

1

2w dF C A U U   (7.6) 

According to the Morrison equation the force imposed by the flow has a quadratic relation with the 

flow velocity which is in line with the presented expression for the peak‐to‐peak amplitude of the load 

on the first row of armour units ( peak to peakA ). This relation between the downwash velocity and the 

peak‐to‐peak amplitude was expected based on the know literature and was found in this research. 

 

Page 91: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 77 ‐ 

 

A  considerable  spread was  found  in  the  results  of  the  dynamic  tests.  Regarding  the  peak‐to‐peak 

amplitude it can be stated that the dynamic load can be treated as an external load on each armour 

unit. The transfer of dynamic forces through the armour layer is therefore comparable to the transfer 

of  static  forces  through  the  armour  layer.  In  the  previous  paragraph  it  was  concluded  that  the 

stochastic character of the distribution of forces between the lower positioned armour units and the 

under  layer  is  influencing the (spread of the) static  load. An external  load  is  influenced by the same 

mechanism. The transfer of dynamic  load, imposed on armour units, through the armour  layer onto 

the  first  row of armour units  is  thus also a  stochastic process which  leading  to a dispersion of  the 

found results. A second origin of the spread of the results is the influence of the measurement frame. 

An analysis of the  influence of the frame on the results was presented  in appendix D. Based on this 

analysis it can be concluded that the spread related to the influence of the frame might be up to 20% 

of the measured peak‐to‐peak amplitude. 

 

The  relation  between  the  downwash  velocity  and  the  peak‐to‐peak  amplitude  is  clear  but  the 

influence of the breakwater layout (number of rows, packing density et cetera) is however less clear.  

Two tests with a total number of 15 rows (Ny) were executed. The difference between those tests was 

that during  the  first  tests with 15  rows a horizontal  impermeable  layer at  toe  level was applied  in 

order to prevent the internal flow of water from the actual breakwater model to the lower part of the 

construction which was not protected by armour units and was only constructed  in order  to make 

higher wave heights possible (figure 7‐2), while this was not the case during the second test with 15 

rows. 

Gabio

ns

 Figure 7‐2 Layout of flume test model 

 

This  difference  in  layout  was  not  observed  in  the measurements  of  the  two  tests  so  there  was 

concluded that the eventual flow between the base of the with armour units protected structure and 

the  rest  of  the  structure  has  no  influence  on  the  peak‐to‐peak  amplitude.  From  this  it was  also 

concluded that the subsoil  is of no  influence on the peak‐to‐peak amplitude of the  load on the first 

row of armour units. 

Page 92: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Discussion 

 

‐ 78 ‐ 

 

7.2.1.1 Influence of varied parameters 

Several parameters were varied in the hydraulic experiment. The varied parameters were:  

The initial relative packing density (RPD); 

The number of rows (Ny); 

The permeability of the core; 

The smoothness of the under layer (in combination with an impermeable core); 

The slope of the breakwater; 

 

Looking at  the variations made  in  the  initial RPD  the outcomes were not evident. The  results show 

that a higher RPD of 104%  leads  to  relative  small deviation  (‐20%) of  the peak‐to‐peak amplitudes 

measured during the tests with a RPD of 100%. The measurements of the peak‐to‐peak amplitude of 

the tests with a low RPD of 97% show however a much higher peak‐to‐peak amplitude (+250%). The 

comparison  of  these  tests  did  not  provide  a  relationship  between  the  RPD  and  the  peak‐to‐peak 

amplitude.  It  could  be  possible  that  there  is  a  very  curved  relation  between  the  peak‐to‐peak 

amplitude and the relative packing density. This is however not in line with the relation between the 

downwash velocity and the peak‐to‐peak amplitude that only explains an influence of the RPD by the 

hydraulic drag of the armour layer. It is therefore, based on this research, not possible to make a clear 

statement about  the  influence of  the  initial RPD on  the peak‐to‐peak amplitude of  the  load on  the 

first row of armour units. 

 

Also the variation of the number of rows has no clear, direct influence on the peak‐to‐peak amplitude 

of the load on the first row. The results of tests with 15 rows and 20 rows are very well comparable. 

The peak‐to‐peak amplitude measured during the test with 25 rows  is however much  lower. During 

this test only the highest waves were able to reach the highest rows which may cause this deviation. 

This means that during the subtest with lower wave heights the highest rows where just dead weight. 

This may have dampened the peak‐to‐peak amplitude of the load on the first row.  

 

Two tests were executed with an impermeable core and one of these tests also had a smooth under 

layer. It was expected that the permeability of the core would reflect more of the wave energy with as 

a  result  a  higher  downwash  velocity  along  the  slope  and  thus  a  higher  load  on  the  first  row. 

Furthermore, a smooth under  layer was supposed to decrease the contact between the under  layer 

and the armour units, creating a higher (static) instability of the armour units and thus resulting in a 

larger peak‐to‐peak  amplitude.  This was not directly observed  from  the  analysis of paragraph 6.1. 

However, when looking at the analysis of the dataset of the load on the first row in combination with 

the videos a very strong increase of the “equilibrium” line was observed (compared to the test with a 

normal permeable core) followed by the (in the amplitude dataset included) small amplitude. At the 

beginning of these tests the armour layer settled very fast (within a few waves) which was the result 

of  the  impermeable  core. During  this  quick  settlement  a  solid  new  equilibrium was  reached  that 

apparently does not facilitate the transfer of loads through the armour layer until the lowest row of 

armour units. This  is  in agreement with the observation described  in paragraph 6.1.3 that describes 

the decrease of the amplitude during a number of tests with a strong increase of the equilibrium load. 

These extreme settlements made it impossible to measure the peak‐to‐peak amplitude correctly and 

it is therefore recommended to investigate the influence of the core permeability with a test program 

including less permeable cores and not complete impermeable cores. 

 

The last variation of the layout that was tested was the variation of the slope. All tests except the last 

test were  performed  on  a  breakwater with  a  slope  of  3:4  (36,9  degrees) while  the  last  test was 

performed on a breakwater with a slope of 2:3 (33,7 degrees). A flatter slope leads to less interlocking 

and a higher static stability of the armour units and theoretically to a better support of the armour 

Page 93: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 79 ‐ 

 

units by  the under  layer. This should  lead  to more  transfer of  forces  to  the under  layer and  thus a 

lower  load  on  the  first  row  of  armour  units.  The  observed  difference  between  the  peak‐to‐peak 

amplitude on the first row of the test with a slope of 36,9 degrees and the tests with a slope of 33,7 

degrees is small (‐16%) but confirms this theory.  

 

At last a theoretical approximation of the dynamic (peak‐to‐peak amplitude) load is made in appendix 

F. This calculation shows that the influence of the flow from the breakwater core through the armour 

layer has a  limited  influence on the eventual dynamic  load  in the order of 13% of the total dynamic 

load on the  first row of armour units. Furthermore, this calculation shows that the  load per row of 

armour units is only a number of times smaller than the total measured dynamic load. It can thus be 

concluded that only a limited amount of rows transfer their dynamic load to the first row of armour 

units. 

7.2.2 Trend of the equilibrium load on the first row of armour units 

The previous paragraph discussed the peak‐to‐peak amplitude of the load on the first row of armour 

units around an equilibrium line. However, this equilibrium line (equilibrium load) appeared to be not 

constant  and  increased  during most  of  the  subtests  (in  63%  of  the  cases).  This means  that  the 

measured  value  before  the  beginning  of  the  subtest  is  lower  than  the measured  value  after  the 

completion of the test.  In most of the remaining cases (30%) there was no trend of the equilibrium 

line observed. 

 

The increase of the equilibrium load has in most cases the same basic shape which is called “Type 1”: 

 Figure 7‐3 Basic shape of increase of the equilibrium load 

 

Typical for this type is the decreasing growth which approaches a constant end value. The fact that a 

constant end value is approached is a general feature which holds for most tests (of course not for the 

“flat” tests where nothing happened with the equilibrium load at all). From this observation it can be 

concluded that there is a maximum end value of the load on the first row of armour units depending 

on the wave related input (wave height, period). The shape of this basic shape can be described with 

the  following  equation which  contains  the  begin  value,  end  value  and  the  “half‐life”  time  of  the 

examined subtest: 

1/2( )         with:  =ln(2)

startt t

equilibrium end end start

tF t F F F e

  (7.7) 

An  analysis  of  the  “half‐life”  times  of  the  subtest  showed  that  on  average  90%  of  the  eventual 

increase  is reached after 92 waves. Based on the observation that a maximum end value  is reached 

during  a  subtest,  it  can  be  concluded  that  due  to  the wave  action  on  the  breakwater  slope,  the 

breakwater is transformed, with as a result that a new configuration was reached corresponding to a 

new equilibrium load on the first row of armour units. 

 

The  equilibrium  load  increases  with  a  quadratic  relation  with  the  wave  height.  This  relation  is 

comparable to the relation between the peak‐to‐peak amplitude and the wave height. During waves 

of 0,2 Hmax there is no significant increase of the equilibrium load. The increase of the equilibrium load 

Page 94: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Discussion 

 

‐ 80 ‐ 

 

begins at a wave height of about 0,4 Hmax and this growth increases with the wave height. This can be 

described by the following relation between the wave height and the equilibrium load of the load on 

the first row: 2

 =3,1 0,80equilibrium

g x max max

F H H

F N H H

  (7.8) 

 

There is a relation between the hydraulic stability of an armour unit and the equilibrium load on the 

first  row of armour units. This was  investigated by  comparing  the armour unit  stability,  calculated 

with the Van der Meer formula, to the measured increase of the equilibrium load which appeared to 

be related  to each other. The Van der Meer  formula  includes  the permeability of  the core and  this 

thus  resulted  in a  relation  that  includes  the  results of  the  test with an  impermeable core. A higher 

level of instability of the armour units leads to a higher load on the first row of armour units. 

7.2.2.1  Influence of varied parameters 

Several parameters were varied in the hydraulic experiment. The varied parameters were:  

The initial relative packing density (RPD); 

The number of rows (Ny); 

The permeability of the core; 

The smoothness of the under layer (in combination with an impermeable core); 

The slope of the breakwater; 

 

The end values, measured at the end of the test, were compared with each other. Regarding the end 

values, it can be observed that a large number of tests have a similar end value of 1,5 to 2,6 times the 

initial static load on the first row. Three tests were higher than this range of end values. The test with 

a flatter slope has on average an end value of 3,85 and the tests with a (smooth) impermeable under 

layer have end values in the range of 6 to 8 times the initial static load on the first row.   

 

Based on these outcomes, it was concluded that there is no significant influence of the initial packing 

density or the number of rows. There is a significant influence of the slope of the breakwater: a flatter 

slope  gives higher  end  values,  and  the permeability of  the  core:  a more  impermeable  slope  gives 

higher  end  values.  The  significant  influence  of  the  permeability  of  the  core  is  in  line  with  the 

expectations  since  an  impermeable  core  reflects  the  waves  which  lead  to  higher  (hydraulic) 

instabilities of the armour units.  

 

The test with the smooth, impermeable under layer leads to even more instability of the armour units 

and  therefore  even  higher  equilibrium  loads  were  expected  for  this  test.  The  equilibrium  load 

measured during  this  test appeared  to be  lower  than  the equilibrium  load of  the  test with only an 

impermeable  core.  A  possible  reason  for  this  deviation may  be  that  during  the  test with  only  an 

impermeable core (with a plastic sheet between the core and the under layer) the under layer itself 

was instable. This was concluded from the observation that during the test the under layer settled as 

well as  the armour units. The higher end values of  the  test with a  flatter slope are  in  line with  the 

increase instability of the armour units (less interlocking due to a flatter slope) 

 

Equation 7.8  in  combination with equation 7.7 which gives  the equilibrium  load dependent of  the 

elapsed time (number of waves) should make it possible to make a first estimation of the load on the 

first row of armour units based on a known wave climate. A calculation was made on order to make 

an estimation of the increase of the equilibrium load during a test with irregular waves, based on this 

method. The determined theoretical  increase of the equilibrium  load showed some resemblance to 

the  measured  equilibrium  load.  A  calculation  based  on  the  full  wave  record  showed  good 

Page 95: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 81 ‐ 

 

correspondence  with  the measured  final  equilibrium  load.  However,  calculations  of  intermediate 

equilibrium  loads based on the first half of the wave record showed a significant deviation from the 

measured corresponding equilibrium load. 

 

Finally  the relation between  the development of RPD and  the development of  the equilibrium  load 

was determined. No  significant  relation between  the development of  the RPD and  the equilibrium 

load was found. However, there was found that the packing density  increased with  increasing wave 

height and therefore with an increasing equilibrium load.  

7.3 The total load on the first row 

The total load on the first row of armour units is composed of the static load and the dynamic load. In 

order to calculate the total load on the first row of armour units the dynamic load has to be added to 

the static load: 

peak to peak( ) ( ,   ) A + =

2

static y equilibrium total

g x g x g x g x

F N F H No waves F

F N F N F N F N  (7.9) 

The static load was measured in various tests and these measured static loads are in agreement with 

each other. The equilibrium  load was measured during hydraulic  tests with wave‐induces dynamic 

loads. These measurements show a correlation with the wave height (or downwash velocity for the 

peak‐to‐peak amplitudes) but less correlation with the variation of parameters such as the number of 

rows applied on the slope (Ny) and the initial relative packing density. 

 

The  analysis of  the  static  tests  showed  that  an external  load  imposed on  row  ten or higher has  a 

limited influence on the eventual static load on the first row of armour units. The influence of row ten 

or higher on the initial static load is very limited, furthermore, the dynamic loading of armour units at 

row ten or higher can be treated as an external load on this row which thus has a limited influence on 

the measured load on the first row. Therefore, it makes sense that the influence of Ny on the peak‐to‐

peak amplitude an the equilibrium load, for a larger number of rows then ten, is limited. 

 

This reasoning can be extended in order to explain the varying measurements of the equilibrium load 

and peak‐to‐peak amplitude related to the RPD. If only the first ten rows have a significant influence 

on the measured  load on the first row of armour units then only the RPD of the first ten rows  is of 

importance for this load on the first row of armour units. In the executed test program slopes with 15 

to 25  rows were  tested and  the RPD’s were measured  for  the entire slope. Only  the  first  ten  rows 

seem to be of importance so only the RPD of the first ten rows had an  influence on the  load on the 

first row. The RPD of the first ten rows should be in line with the RPD of the entire slope but this is not 

necessarily the case and since the RPD of the first ten rows was not measured this cannot be studied. 

It is therefore still possible that the RPD (of the first ten rows) has an influence on the load on the first 

row of armour units.   

 

The static model demonstrated that the presence of very stable armour units (regarding to forces in 

downward, along slope direction) is responsible for the stabilisation of the static load for breakwaters 

with ten rows or more. These very stable units are randomly distributed over the entire armour layer. 

It was observed  that  for hydraulic  tests with a  significant  increase  the armour units  tend  to move 

(settle) downwards along  the slope. When  the very stable units  (regarding  to  the downward, along 

slope  force  but  not  necessarily  regarding  to  the  hydraulic  stability)  start  to  move,  they  will  be 

repositioned. The repositioned unit can end up  in a comparable, very stable position but since only 

the minority of  the armour units  is positioned  in  this position,  it  is  likely  to end up  in a  less stable 

position.  The wave‐induced movement  of  armour  units  (which  can  be moderate  and  is  only  in  a 

minority  of  the  cases  rocking)  will  thus  on  average  induce  a  slight motion  of  the  armour  units 

Page 96: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Discussion 

 

‐ 82 ‐ 

 

(settlement) which  decreases  on  average  the  number  of  very  stable  armour  units  en  thus  leads 

positive to a trend of the equilibrium load.  

 

On average, the number of very stable armour units decreases, which leads to a positive trend of the 

equilibrium load but this does not exclude the possibility of an increase of the number of very stable 

armour units due to wave‐induce loading of the breakwater. On average, the majority of armour units 

is  not  a  very  stable  positioned  armour  unit  so  the  wave‐induced  loading  of  the  breakwater  will 

eventually result in a decrease of the number of very stable armour units and therefore in a positive 

trend of the equilibrium load. However, during time limited tests it may be possible that the majority 

of the mobilised armour units end up in a more stable position than at the beginning of the test. This 

leads  to  a  (temporary)  decrease  of  the  equilibrium  load.  This  effect was  observed  in  the  form  of 

negative dips before the eventual increase of the equilibrium load during tests characterised as type 

A2 to A4, B‐6 to B8 and C9. This mechanism is a stochastic process which influences the equilibrium 

load. The  spread of  the equilibrium  loads  found  in  the  results of  the hydraulic experiments can be 

explained by this mechanism. 

Page 97: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 83 ‐ 

 

8 Conclusion and recommendations 

In  this  chapter  the  hypotheses  stated  in  chapter  3  are  evaluated  and  some  extra  conclusions  are 

drawn  in addition  to  the statements made  in  last chapter. Also some  recommendations  for  further 

research are given. 

8.1 Conclusion 

The total load was decomposed in a static load and a dynamic load. A hypothesis was developed for 

each of these loads and both loads were studied in two different experiments. 

8.1.1 Static load 

 

The static load was studied in an experiment which resulted in a graph of the average static load on 

an armour unit at the first row as a function of the number of rows applied on the breakwater. The 

static  load  increases  linear with the number of rows applied on the breakwater for 1 to 5 rows. The 

static  load starts approaching a constant value for breakwaters with 6 to 10 rows. A constant static 

load is reached for breakwaters with 10 or more rows. This is visualised in figure 7‐1. 

 

The approach of a constant value of  the  relation between  the  static  load and  the number of  rows 

applied  on  the  breakwater  can  be  described  by  a  one‐dimensional model.  This model  is  able  to 

reproduce the shape of the found relation based on measured critical angles of the individual armour 

units  (the  slope  at which  an  armour unit  is  just  stable). These  critical  angles were  transformed  to 

friction force between the armour units and the underlayer that was used to determine the individual 

along slope  force balance of an armour unit. A number of armour units were  found to be stable at 

very high angles (larger than 49 degrees). These armour units are very stable on conventional slopes 

and are thus able to transfer relatively large forces to the under layer.  

 

The measured  values  could  not  exactly  be  reproduced  using  the model  (without  a multiplication 

factor).  This  is  due  to  the  unknown  distribution  of  force  between  the  under  layer  and  the  lower 

positioned armour units  (the distribution of  force  to  the under  layer by  friction  is  favoured  in  this 

model). However, since the shape of the reproduced relation is the same as the measured relation, it 

can be concluded that the varying stability of the armour units and in particular the presence of very 

stable armour units, are responsible for the approach of a constant static load for a breakwater slope 

on which more than 10 rows are applied. 

 

Based on the static model and the measurements was concluded that external loads on armour unit 

at row 10 or higher, have a limited influence on the load on the first row of armour units.  

 

The hypothesis regarding to the static load was: 

 

The static load on the first row of armour units is the result of the individual residual forces (resulting 

force from individual force balance) per armour unit which add up to a total resulting force on the first 

row of armour units. The increasing rate of the static load, decreases with the number of rows applied 

on the breakwater slope which is caused by a number of armour units which can bear (a part of) the 

residual forces of armour units placed on higher rows. 

 

Page 98: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Conclusion and recommendations 

 

‐ 84 ‐ 

 

This hypothesis  is  found  to be  true and covers a  large part of  the  results  regarding  the  static  load 

determined  in  this  research.  The  individual  residual  forces  are  of  significant  importance  to  the 

eventual load on the first row of armour units. The approach of a constant value of the static load for 

a  higher  number  of  rows was  found  in  this  research  (or  simply  said  the  levelling  of  the  relation 

between  the  static  force  and  the  number  of  applied  rows).  This  levelling  is  indeed  the  result  of 

armour units which can bear (a part of) the residual forces of armour units placed on higher rows. It 

was also found (based on the investigation made with the static model) that a number of very stable 

armour units are responsible for the complete  levelling of relation between the static force and the 

number of rows. 

 

8.1.2 Dynamic load 

The dynamic load was examined with a physical model in a wave flume. The results of this experiment 

show two major phenomena: 

the  measured  dynamic  load  shows  a  periodic  behaviour  with  a  certain  peak‐to‐peak 

amplitude; 

the wave‐averaged dynamic load (the equilibrium load) is not constant but increases during 

the sub tests until an equilibrium in reached at the end of a subtest; 

 

The peaks of the periodic behaviour of the dynamic load occur simultaneously with the downwash of 

water along the slope of the breakwater. Furthermore, a relation of the downwash velocity and the 

peak‐to‐peak amplitude of the dynamic load was found.  

 

The  measured  peak‐to‐peak  amplitudes  are  related  to  the  calculated  downwash  velocities.  The 

maximum force occurs at the point in time when the downwash velocity is maximal. The downwash is 

therefore marked as the major component that  influences the peak‐to‐peak  load on the first row of 

armour units. The importance of the outflow of water through the armour layer is, based on the test 

measurements, less clear. The peak‐to‐peak amplitudes during tests with an impermeable core where 

lower  than  test with a permeable core but  since  the equilibrium  load during  these  tests  increased 

significantly  (which  occurs  in  a  number  of  cases  parallel  to  the  decrease  of  the  peak‐to‐peak 

amplitude),  these measurements  are  less  reliable.  Furthermore,  no  influence  of  the  impermeable 

layer at toe level was found and the theoretical calculation of the dynamic load showed a contribution 

of  only  13%  to  the  total  dynamic  load which  supports  the  statement  that  the  outflow  of water 

through  the  armour  layer  is  of  less  importance  compared  to  the  dynamic  load  induced  by  the 

downwash. The periodic behaviour of  the dynamic  load  is  related  to  the hypothesis  regarding  the 

dynamic load: 

 

The combination of downwash on and through the armour  layer, and the outflow of water from the 

inside of  the breakwater  through  the armour  layer,  is determining  for  the maximum  loading of  the 

first row of armour units. The transfer of the dynamic forces imposed on an individual unit correlates 

to the transfer of residual forces as described in the static load hypothesis. 

 

This hypothesis relates to the measured peak‐to‐peak amplitudes and did not foresee a trend of the 

equilibrium load. The hypothesis covers therefore just a part of the studied phenomena. The dynamic 

load  is composed of an equilibrium  load which  is  the dynamic  load averaged over  the wave period 

and a harmonic peak‐to‐peak amplitude around this equilibrium  load. The hypothesis  is corect with 

respect  to  the  importance of  the downwash  for  the harmonic behaviour of  the dynamic  load. The 

influence of the flow from the core on the dynamic load is found to be limited based on a theoretical 

analyses but was not confirmed with experiments.  

 

Page 99: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 85 ‐ 

 

The following parameters are of influence on the peak‐to‐peak amplitude of the load on the first row 

of armour units; the permeability of the core, the smoothness of the under layer and the slope of the 

breakwater (a flatter slope results  in smaller peak‐to‐peak amplitudes). The number of rows applied 

on the breakwater has no (clear) influence on the load on the first row of armour units for the tested 

number of rows (15 to 25). Based on the static model it was determined that external loads imposed 

on row 10 or higher have a limited influence on the load on the first row of armour units. The dynamic 

load  on  an  armour  unit  can  be  seen  as  an  external  load  and  based  on  this  statement  it  can  be 

concluded that dynamic  load  imposed on row 10 or higher have a  limited effect on the  load on the 

first row of armour units.  For a smaller number of rows (10 or smaller) the dynamic load will be lower 

but this was not tested  in this study. The  influence of the  initial packing density on the  load on the 

first row of armour units was found to be unclear for the packing density measured over the entire 

slope. There may be parallels between  the packing density of  the  first  ten  rows and  the measured 

loads. For future research it is recommended to investigate the individual settling of armour units and 

to  investigate  the  relation  between  the  settling  of  all  individual  units  and  the  increase  of  the 

equilibrium load. 

 

Besides  the  peak‐to‐peak  amplitudes  which  were  foreseen  in  the  hypothesis,  a  trend  of  the 

equilibrium  load was observed which  is more  significant  than  these peak‐to‐peak  amplitudes. This 

trend  is  independent of the number of rows and the  initial RPD, although RPD of the first ten rows 

might have some  influence. The  total RPD  increased as  the equilibrium  load  increased but no clear 

relation was found between the increase of the RPD and the increase of the equilibrium load. 

 

The parameters which were found to have an influence on the peak‐to‐peak amplitude also have an 

influence on  the  increase of  the equilibrium  load. A  smooth under  layer and an  impermeable core 

resulted in a larger increase of the equilibrium load during the tests compared to the reference case 

with  20  rows  and  a  normal  under  layer  and  core.  Furthermore,  a  flatter  slope  also  resulted  in  a 

greater increment of the equilibrium load compared to the base case with a steeper slope. 

 

A relationship of the wave height and the equilibrium  load was found. This relation has a quadratic 

character and shows a much dispersion. Furthermore, a relationship of the armour unit stability (as 

described in the Van der Meer formula) and the increase of the equilibrium load was found which still 

shows  large dispersion, but  less  than  the  relationship of  the wave height and  the equilibrium  load. 

Based on this relation it can be concluded that the increment of the equilibrium load is related to the 

(hydraulic) armour unit stability while the peak‐to‐peak amplitudes are related to the occurring flow. 

   

The objective of this research was to determine the governing loads on the first row of armour units 

and to establish a quantitative relation between the influencing parameters and the load on the first 

row of armour units. Based on this research, it was concluded that the static load combined with the 

increase of the equilibrium  load are the governing  loads on the first row of armour units. The static 

load is a function of the number of rows and reaches a constant value around ten rows. The increase 

of the equilibrium load depends on the wave action (wave height) but did not show a dependency on 

the number of rows applied or the total  initial packing density. The dynamic  load oscillating around 

the equilibrium load with certain peak‐to‐peak amplitude is mainly the result of the downwash but is 

as  result  of  the much  larger  increase  of  the  equilibrium  load  during  the  wave  action,  of minor 

importance. 

 

Referring to the background of the problem and to the above described results, it was concluded that 

the number of rows applied on the breakwater (for 15 rows or more), has no significant influence on 

the average load on the first row of armour units. When considering the average load, it can thus be 

concluded that it is more favourable to apply an extra row then applying a larger armour unit in order 

to cover the whole slope.   

Page 100: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Conclusion and recommendations 

 

‐ 86 ‐ 

 

8.2 Applicability and limitations of the study 

This study investigated the load on the first row of armour units during static and dynamic conditions. 

Understanding was  gained  of  the  fundamental  processes which  influence  the  static  load  and  the 

dynamic  load  on  the  first  row  of  armour  units.  It  was  found  that  the  static  load  is  very  much 

dependent on the individual along slope force balance of the individual armour units. The variation of 

these force balances leads to the approach of a constant value of the static load when a large number 

of rows (more than 10) are applied on the slope of the breakwater. 

 

The dynamic  load appeared to be a periodic  load around a (wave‐averaged) equilibrium  load which 

shows a positive trend that approaches a constant value over time. The periodic behaviour is related 

to the downwash velocity and the positive trend of the equilibrium load is related to the armour unit 

stability, as defined in the Van der Meer formula, and can be related to the wave height. 

 

These  results  improve  the  knowledge  on  this  subject  and  give  insight  into  the  background  of  the 

observed phenomena. However, it is not possible to make design calculations based on the outcomes 

of this research. First of all, the average  load on an armour unit at the first row was studied  in this 

research and not the peak load on a single armour unit. In order to make a design calculation of the 

structural integrity of the armour units, the peak load on an armour unit should be known in order to 

derive  the occurring  stresses  in  the armour unit. An  important next  step  for  future  research  is  the 

determination of the peak  loads on, and peak stresses  in, the armour units of the first row. Several 

recommendations  regarding  the  study  of  the  force  distribution  between  the  under  layer  and  the 

lower  positioned  armour  units  and  possible measurement methods  of  the  peak  load  per  unit  are 

stated in the following paragraph. 

 

Secondly,  the  spread  observed  in  both  the  static  results  as  the  dynamic  results  is  substatial.  This 

spread  is  the  result of  the  stochastic  character of  the described processes.  In general, designs are 

based on a conservative estimation of the known forces. A design based on a conservative estimation 

of the static and the dynamic load would result in an uneconomic design and is therefore not advised. 

 

Finally, the results found in this research are obtained from test with regular waves while in practice 

irregular waves  are  imposed  on  breakwaters.  Some  agreement was  found between  the  results  of 

tests executed with irregular waves and the wave height‐dynamic load relations found in the results 

of  the  tests  executed  with  regular  waves.  However,  no  absolute  agreement  was  found  and  the 

number of tests executed with irregular waves was limited. For future research it is advised to study 

the  dynamic  load  during  test  executed  with  irregular  tests  while  simultaneously  expanding  the 

number of tests. 

 

The mentioned  first  and  last  points  of  consideration  already  impose many  challenges  for  future 

researchers.  These  subjects  should  be  studied  in  order  to  achieve  full  benefit  of  this  research. 

However, this research already clarifies a number of fundamental processes such as the cause of the 

constant value of the static load for more than 10 rows applied on the slope of a breakwater and the 

relation between the downwash and the periodic dynamic load. Based on this new gained knowledge, 

future research can be performed. 

 

Page 101: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 87 ‐ 

 

8.3 Recommendations 

A number of recommendations for further research can be made improving this research or for future 

research. n this research it was concluded that the influence of more than ten rows on the load of the 

first row is relatively low. Further hydraulic research could be done with only ten rows of amour units 

so the  influence of for  instance the relative packing density on the part of the breakwater were the 

influence actual occurs can be determined. The subsidence of every row (or even every single armour 

unit) should be measured and not only the subsidence of the top row since this may vary and may 

have an influence.  

 

In this research the water level was kept at a constant level and thus at the same distance from the 

toe. This distance might have an influence since the maximum velocities occur around the water line. 

A variation of the water level may thus have an influence on the measured load on the first row. It is 

recommended  to  investigate  the  influence of  the distance between  the  toe and  the water  level  in 

further research.  

 

In practice the waves imposed on a breakwater are irregular waves. A short analysis of the effect of 

irregular waves on the  load on the  first row of armour unit was performed  in this research but the 

results  of  this  analysis were  not  completely  clear  and more  tests with  irregular waves  should  be 

performed  in order  to obtain a more valuable analysis. The  irregular wave spectra  imposed on  the 

breakwater during  these  test had all  the same significant wave height and peak period.  In order  to 

study all possible  irregular waves much more  tests with  varying  significant wave heights and peak 

periods should be performed.  

 

A number of numerical models are available which model (a part of) the behaviour of a rubble mound 

breakwater.  For  further  understanding  of  the  subject  and  verification  of  the  obtained  results  a 

numerical model study is recommended. 

 

All these recommendations concern the  improvement of the present research. However  in order to 

have a value  for  the design process of a breakwater  it has  to be known whether armour units  fail 

because of the load on the armour units or not. 

 

The load on an armour unit should be translated into stresses which occur in this armour unit in order 

to determine whether a  load on an armour unit will  lead to problems. This can be done by applying 

the full  load on an unfavourable spot of the armour unit but more realistic  is an approach whereby 

the  contact  points  between  the  armour  units  are  identified  and  whereby  the  calculated  load  is 

imposed on these spots. 

 

The maximum load on a specific armour unit has to be known in order to determine the stress in this 

armour unit. In this research only an average load for the entire row was identified. The static load on 

a specific armour unit can be determined by an improved static model. In order to improve this model 

the model should be a two dimensional model which models the distribution of  forces between an 

armour  unit  and  the  two  under  laying  armour  units  and  the  under  layer.  The  distribution  of  the 

residual force of one unit to the two underlying units and the support of a single layer by underlying 

units  and  under  layer  (distribution  of  force  between  under  layer  and  underlying  units)  has  to  be 

known in order to model this correctly. 

 

The  (peak)  load  per  unit  should  also  be  determined  during  hydraulic  tests.  This  can  be  done  by 

measuring  the  load on a armour unit with one pressure sensor per armour unit. With  this method 

peak loads can be identified and with this method there is no influence of the measurement frame. 

Page 102: Static and dynamic loads on the first row of single layer

Static and dynamic loads on the first row of interlocking, single layer, armour units 

 

‐ 88 ‐ 

 

References 

ABBOTT,  M.B.  AND  PRICE,  W.A.  (1994)  Coastal,  Estuarial  and  Harbour  Engineers’  Reference  Book. 

Chapman & Hall, London, p. 349‐438 

 

BATTJES,  J.A.  (1974)  Computation  of  Set‐Up,  Long  shore  Currents,  Run‐Up  and Overtopping  due  to 

wind‐generated waves Dissertation, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands 

 

BETZLER, K. (2003) Fitting in Matlab. Short Lecture Notes, Universität Osnabrück, Osnabrück, Germany 

 

BURCHARTH, H.F. (1993) Structural Integrity and Hydraulic Stability of Dolos Armour layers. Series paper 

9 Hydraulics & Coastal Engineering Laboratory, Aalborg University, Aalborg, Denmark 

 

BURCHARTH, H.F. AND ANDERSEN, O.H. (1995) On the one‐dimensional steady and unsteady porous flow 

equations Journal of Coastal Engineering Vol. 24 p 233‐257  

BURHART, H.F.,  ZHOU,  L.  AND  TROCH,  P.  (1999)  Scaling  of  core material  in  rubble mound  breakwater 

model tests. Proceedings of COPEDEC V, Cape Town, South Africa 

 

CIRIA. CUR, CETMEF  (2007) The Rock Manual. The use of  rock  in hydraulic engineering  (2nd edition) 

C683, CIRIA, London, United Kingdom 

 

D’ANGREMOND, K.  AND VAN ROODE,  F.C.  (2001) Breakwaters  and  closure dams. Delft University  Press, 

Delft, The Netherlands 

 

DEKKING, F.M. AND KRAAIKAMP, C. AND LOPUHAÄ, H.P. AND MEESTER, L.E. (2005) A Modern  Introduction to 

Probability and Statics: understanding why and how. Springer‐Verslag,  London, United Kingdom, p. 

89‐99 

 

DELTA  MARINE  CONSULTANTS  (2011)  Guidelines  for  Xbloc  Concept  Designs.  Brochure  Delta  Marine 

consultants (available at xbloc.com), Gouda, The Netherlands 

 

FROSTICK, L.E. AND MCLELLAND, S.J. AND MERCER, T.G.  (EDS)  (2011) User Guide  to Physical Modelling and 

Experimentation: Experience of the HUDRALAB Network, CRC Press/Balkema, Leiden, The Netherlands  

 

HALD,  T.  (1998)  Wave  Induced  Loading  and  Stability  of  Rubble Mound  Breakwaters.  Dissertation, 

Hydraulics & Coastal Engineering Laboratory, Aalborg University, Aalborg, Denmark 

 

HOLTHUIJSEN,  L.H.  (2007)  Waves  in  Oceanic  and  Coastal  Waters.  Cambridge  University  Press, 

Cambridge, united Kingdom  

 

HUGHES,  S.A.  (1993)  Physical  Models  and  Laboratory  Techniques  in  Coastal  Engineering,  World 

Scientific Publishing, Singapore 

 

HUGHES,  S.A.  (1994)  Estimation  of  wave  run‐up  on  smooth,  impermeable  slopes  using  the  wave 

momentum flux parameter. Proceedings 24th ICCE, Kobe, Japan, p. 1085‐1104 

 

JUMELET, H. D. (2010). The influence of core permeability on armour layer stability. Msc. thesis, Delft 

University of Technology, Delft, The Netherlands 

 

Page 103: Static and dynamic loads on the first row of single layer

References 

 

‐ 89 ‐ 

 

MAGOON, O.T., WEGGEL,  J.R., BAIRD, W.F., EDGE, B.L., WHALIN, R.W., DAVIDSON, D.D., MANSARD, E.  (1994) 

Rehabilitation of the West Breakwater –Port of Sines, Portugal, proceedings 24th ICCE, Kobe, Japan, p. 

3608‐3613 

 

MANSARD, E.P.D. AND FUNKE, E.R.  (1980) The Measurement of  Incident and Reflected Spectra Using a 

Least Squares Method, proceedings 17th ICCE, Hamburg, Germany, p. 154‐172 

 

MATLAB version 7.9.3 (2009), computer software, The MathWorks Inc., Natick, Massachusetts, United 

States of America 

 

DASYLAB version 11.0 (2009), computer software, Measurement Computing, Norton, Massachusetts, 

United States of America 

 

MUILWIJK,  M.P.  (2011)  Xbloc  model  test  report:  forces  on  the  first  row,  Report  Delta  Marine 

consultants, Gouda, The Netherlands 

 

SCHIERECK, G.J. (2001) Introduction to Bed, Bank and shore protection. Delft University Press, Delft, The 

Netherlands 

 

TEN  OEVER,  E.  (2011)  Specifications  for  the  application  of  Xbloc.  Report  Delta Marine  consultants, 

Gouda, The Netherlands 

 

TSAI, C.P. (1997) Downrush flow from waves on sloping seawalls. Journal of Ocean Engineering Vol. 

25 p 295‐308  

U.S.  ARMY  CORPS  OF  ENGINEERS,  (2002)  Coastal  Engineering Manual.  U.S.  Army  corps  of  Engineers, 

Washington, D.C., United States of America, chapter 2‐3, chapter 6‐5, 

 

VAN DER MEER, J.W. AND STAM. C.J.M. (1992) Wave run‐up on smooth and rock slopes. ASCE, Journal of 

WPC and OE, Vol. 188, No5, New York, United States of America, pp.534‐550 

 

VAN  GENT,  M.R.A.  (1995) Wave  Interaction  with  Permeable  Coastal  Structures.  Dissertation,  Delft University of Technology, Delft, The Netherlands  

VAN  ZWICHT, B.N.M.  (2009) Manual hydraulic model  testing, Report No 968000 Xbloc, Delta Marine 

consultants, Gouda, The Netherlands 

 

VERRUIT, A. VAN BAARS, S. (2005) Grondmechanica. Delft University Press, Delft, The Netherlands 

 

WAVELAB  version  3.04  (2008),  computer  software,  Hydraulics  &  Coastal  Engineering  Laboratory, 

Aalborg University, Aalborg, Denmark 

 

WENNEKER, I., WELLENS, P. AND GERVELAS, R. (2010) Volume‐of‐Fluid model ComFLOW simulations of wave 

impacts on a dike, proceedings 32th ICCE, Shanghai, China, p. 1‐12 

Page 104: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 93 ‐ 

 

Appendices  

Table of contents  

A.  Design of static tests ..................................................................................................................... 94 A.1  Photographs of static test ..................................................................................................... 94 A.2  Model information ................................................................................................................ 95 A.3  Photographs of critical angles test ........................................................................................ 96 

B.  Design of hydraulic test ................................................................................................................ 97 B.1  Xbloc design table ................................................................................................................. 97 

B.1.1  Under layer ................................................................................................................... 98 B.1.2  Core .............................................................................................................................. 99 

B.2  Cross‐section ....................................................................................................................... 100 B.3  Photographs of Model ........................................................................................................ 101 B.4  Test program ....................................................................................................................... 108 B.5  Load cell .............................................................................................................................. 109 

C.  Results of static tests .................................................................................................................. 110 D.  Results of hydraulic tests ............................................................................................................ 112 

D.1.1  Wave analysis ............................................................................................................. 112 D.2  Measurements .................................................................................................................... 113 D.3  Influence of measurement frame ....................................................................................... 127 D.4  Influence of the water level variations during wave attack ................................................ 127 

E.  Analysis of static tests ................................................................................................................. 129 E.1  Critical angle regarding tot rolling....................................................................................... 129 E.2  Measurements of static load in test prior to hydraulic tests .............................................. 130 E.3  Static model ........................................................................................................................ 130 

F.  Analysis of hydraulic tests ........................................................................................................... 133 F.1  Wave analysis hydraulic test 3(3) hydraulic test 2(2) ......................................................... 133 F.2  Analysis on trend of the “equilibrium” line ......................................................................... 142 

F.2.1  Trend of the equilibrium load ......................................................................................... 145 F.2.2  Trend of the equilibrium load during tests with irregular waves ................................... 147 

F.3  Theoretical approximation of dynamic load ....................................................................... 149  

 

 

 

Page 105: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 94 ‐ 

 

A. Design of static tests 

This chapter gives further information on the design of the static tests. Paragraph A.1 gives a number 

of photographs of the static test, in paragraph A.2 the weight distribution of the under layer is given 

and paragraph A.3 gives a number of photographs of the critical slope test. 

A.1 Photographs of static test 

 Figure A‐1 Static test (the wooden beam can move along slope and the load imposed on this beam 

is measured with the load sensor which can be seen on the picture and a load sensor on the other 

side) 

 

 Figure A‐2 Frontal view of static test 

Page 106: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 95 ‐ 

 

 Figure A‐3 Wheel under movable beam 

 Figure A‐4 Placement of first row 

A.2 Model information 

One single stone fraction was used for the construction of the underlayer. Figure A‐1 gives the weight 

histogram of the under layer material which was composed by weighing a total of 50 stones by hand. 

 Figure A‐5 Weight histogram of under layer material  

Page 107: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 96 ‐ 

 

A.3 Photographs of critical angles test 

 Figure A‐6 Overview of critical slope tests 

 Figure A‐7 Rear view of critical slope test 

 Figure A‐8 Random placement by hand (leg down) 

Page 108: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 97 ‐ 

 

B. Design of hydraulic test 

This chapter gives further information on the design of the static tests. Paragraph B.1 gives the design 

table  for  Xbloc  single  layer  armour  units,  in  paragraph  B.1.1  and  paragraph  B.1.2  the  weight 

distribution  of  the  under  layer  and  the  core  is  given,  paragraph B.2  gives  a  drawing  of  the  cross‐

section  of  the  breakwater model,  paragraph  B.3  gives  a  number  of  photographs  of  the  hydraulic 

experiment, paragraph B.4 gives  the  test program and paragraph B.5 gives an  information sheet of 

the used load cell. 

B.1 Xbloc design table 

 Figure B‐1 Xbloc design table [DELTA MARINE CONSULTANTS, 2011] 

Page 109: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 98 ‐ 

 

 

B.1.1 Under layer 

The under layer and the core were composed according to the requirement as described in the main 

report. Figure B‐2 and Figure B‐3 displays the required grading of the under layer and the core and the 

applied under layer material and core material. 

 Figure B‐2 Grading applied and requested grading of under layer 

 

Used stone density: 2659 kg∙m‐3 

 available stone gradings [mm] 

available stone gradings [gramm] 

Corresponding prototype stone grading’s (scale 1: 45,75) 

sieve curve 60‐300kg (model scale)Cumulative / percentage of total 

2  4  mm  0.01  0.10  gramm  1.20 9.63 kg  0 %  0  % 

4  5.6  mm  0.10  0.28  gramm  9.63 26.41 kg  0 %  0  % 

5.6  8  mm  0.28  0.80  gramm  26.41 77.01 kg  0 %  0  % 

8  11.2  mm  0.80  2.21  gramm  77.01 211.31 kg  0 %  0  % 

11.2  16  mm  2.21  6.43  gramm  211.31 616.05 kg  45 %  45  % 

16  22.4  mm  6.43  17.65  gramm  616.05 1690.45 kg  100 %  55  % 

22.4  31.5  mm  17.65  49.09  gramm  1690.45 4700.98 kg  100 0 

31.5  >  mm  49.09  >  gramm  4700.98 >  kg  0 

Page 110: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 99 ‐ 

 

B.1.2 Core 

 Figure B‐3 Grading applied and requested grading of core 

 

Used stone density: 2659 kg∙m‐3 

 available stone gradings [mm] 

available stone gradings [gramm] 

Corresponding prototype stone grading’s (scale 1: 45,75) 

sieve curve 60‐300kg (model scale)Cumulative / percentage of total 

2  4  mm  0.01  0.10  gramm  1.20 9.63 kg  0 %  0  % 

4  5.6  mm  0.10  0.28  gramm  9.63 26.41 kg  0 %  0  % 

5.6  8  mm  0.28  0.80  gramm  26.41 77.01 kg  20 %  20  % 

8  11.2  mm  0.80  2.21  gramm  77.01 211.31 kg  60 %  40  % 

11.2  16  mm  2.21  6.43  gramm  211.31 616.05 kg  100 %  40  % 

16  22.4  mm  6.43  17.65  gramm  616.05 1690.45 kg  100 %  0  % 

22.4  31.5  mm  17.65  49.09  gramm  1690.45 4700.98 kg    

31.5  >  mm  49.09  >  gramm  4700.98 >  kg    

 

 

Page 111: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 100 ‐ 

 

B.2 Cross‐section 

 Figure B‐4 Cross‐section of breakwater with a slope of 3:4 and 15, 20 and 25 rows (units in mm) 

Page 112: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 101 ‐ 

 

B.3 Photographs of Model 

 Figure B‐5 Overview of model 

 

 Figure B‐6 Gabions (below water level minus 12 cm) 

 

Page 113: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 102 ‐ 

 

 Figure B‐7 Armour layer of Xbloc model units 

 

 Figure B‐8 Toe 

Page 114: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 103 ‐ 

 

 Figure B‐9 Measurement of Ly (the wooden rod is placed at the 100 % RPD position) 

 

 Figure B‐10 Load sensor 

Page 115: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 104 ‐ 

 

 Figure B‐11 Wave gauge (positioned at toe level) 

 Figure B‐12 Signal amplifiers (left wave gauge, right load sensor) and computer with measurement 

software DASYLAB (2008)  

Page 116: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 105 ‐ 

 

 Figure B‐13 Camera positions 

 Figure B‐14 Wave gauges near the wave paddle 

Page 117: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 106 ‐ 

 

 Figure B‐15 Wave gauges near the structure 

 Figure B‐16 Wave paddle 

Page 118: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 107 ‐ 

 

 Figure B‐17 Plastic sheet in order to make the core impermeable 

 Figure B‐18 Smooth, impermeable under layer (wood) 

 Figure B‐19 Placement of first row on the frame 

Page 119: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 108 ‐ 

 

 Figure B‐20 Gabion with Xbloc units (used in order to measure the influence of the frame) 

B.4 Test program 

Table B‐1 Hydraulic test program 

  

Page 120: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 109 ‐ 

 

B.5 Load cell 

 Figure B‐21 Detailed information of used load cell  

Page 121: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 110 ‐ 

 

C. Results of static tests 

The static load on the first row of armour units has been measured by force gauges and read manually 

after a complete  row was added  to  the breakwater  slope. The measurements were divided by  the 

weight of a single armour unit and the number of units at a row in order to determine the load on a 

single armour unit at the first row relative to its own weight (Table C‐1). The last column of this table 

gives  the  relative  packing  density which was  calculated  from  the measured  distance  between  the 

centre of the lowest row of armour units and the highest row of armour units (Ly)  

Table C‐1 Results of static test (the presented load is relative to the unit weight) 

 These measured static loads were plotted relative to the number of rows applied on the breakwaters 

slope which gives Figure C‐1: 

Page 122: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 111 ‐ 

 

 Figure C‐1 Results of static tests 

Page 123: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 112 ‐ 

 

D. Results of hydraulic tests 

D.1.1 Wave analysis 

The  incoming waves were measured with four wave gauges at the beginning of the wave flume and 

three  wave  gauges  near  the  structure  (see  figure  4‐10).  The  wave  data  of  the  regular  test  was 

analysed with the program WAVELAB (2008). This analysis gives the measured wave height and periods 

of the incoming waves. Since al test were executed with a wave series of regular waves with the same 

settings, only the results of the subtests of hydraulic test 2(3) (20 rows, RPD of 100%) are visualised in 

Table D‐1. 

 

Table D‐1 Results wave analysis regular waves 

  

Table D‐2 Requested wave height and period Test  Wave height (H)  Wave period (T) 

H = 0,2 Hmax T = 0,874 Hz  44 mm  1,14 s 

H = 0,2 Hmax T = 1,06 Hz  44 mm  0,94 s 

H = 0,2 Hmax T = 1,50 Hz  44 mm  0,67 s 

H = 0,4 Hmax T = 0,562 Hz  88 mm  1,78 s 

H = 0,4 Hmax T = 0,749 Hz  88 mm  1,34 s 

H = 0,4 Hmax T = 1,06 Hz  88 mm  0,94 s 

H = 0,6 Hmax T = 0,500 Hz  132 mm  2,00 s 

H = 0,6 Hmax T = 0,624 Hz  132 mm  1,60 s 

H = 0,6 Hmax T = 0,874Hz  132 mm  1,14 s 

H = 0,8 Hmax T = 0,375 Hz  176 mm  2,67 s 

H = 0,8 Hmax T = 0,500 Hz  176 mm  2,00 s 

H = 0,8 Hmax T = 0,749 Hz  176 mm  1,34 s 

H = 1,0 Hmax T = 0,375 Hz  220 mm  2,67 s 

H = 1,0 Hmax T = 0,437 Hz  220 mm  2,29 s 

H = 1,0 Hmax T = 0,687 Hz  220 mm  1,46 s 

 

The results of the measured wave height and period with the requested (set) wave height and period 

show a very good resemblance with the measured and requested wave period. The measured wave 

height deviates slightly from the requested wave height. This deviation is acceptable.  

 

Page 124: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 113 ‐ 

 

D.2 Measurements 

Besides the wave data also the  load on the  first row of armour units  (or  in this case the measuring 

frame) was measured with a  load  censor. This gave a measurement of  the  force measured by  this 

sensor over time. During the execution of the test program a constant increase of the measured load 

over  time was observed even when  the  load  senor was unloaded. This  trend was  identified at  the 

beginning  of  each  subtest  and  the measured  data was  corrected  for  this  trend.  For  each  of  the 

executed tests one plot of the measured  load on the first row relative to time  is visualised  in Figure 

D‐1 to Figure D‐11:  

 Figure D‐1 Measured load record of hydraulic test 1 

 

 Figure D‐2 Measured load record of hydraulic test 2 

Page 125: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 114 ‐ 

 

 

 Figure D‐3 Measured load record of hydraulic test 3 

 

 Figure D‐4 Measured load record of hydraulic test 4 

 

Page 126: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 115 ‐ 

 

 Figure D‐5 Measured load record of hydraulic test 5 

 

 Figure D‐6 Measured load record of hydraulic test 6 

Page 127: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 116 ‐ 

 

 Figure D‐7 Measured load record of hydraulic test 6_2 (directly after test 6 without rebuilding the 

slope) 

 Figure D‐8 Measured load record of hydraulic test 7 

Page 128: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 117 ‐ 

 

 Figure D‐9 Measured load record of hydraulic test 8 

 

 Figure D‐10 Measured load record of hydraulic test 9 

 

Page 129: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 118 ‐ 

 

   

 Figure D‐11 Measured load record of hydraulic test 10 

 

Page 130: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 119 ‐ 

 

In  order  to  compare  the  results  visualised  in  the  above  figures much  of  the  information which  is 

contained  in these graphs was obtained  from the corresponding dataset or manually read  from the 

graphs and noted in Table D‐3 to Table D‐17. The information obtained from the graphs includes: 

the peak‐to‐peak amplitude (of the load) at the beginning of the subtest (A0) 

the start time of the load measurements compared to the beginning of recording (tstart) 

the end time of the load measurements compared to the beginning of recording (tend) 

the measured force at the beginning of the subtest (F0) 

the measured force at the end of the subtest (Fend) 

the read “half‐life” time of the increase of the equilibrium load (thalf) 

the determined type of the occurring trend of the equilibrium load (type) 

the total increase of the equilibrium load during this subtest, read from the graphs (∆measured) 

the eventual peak‐to‐peak amplitude of the load (A∞) 

the time between the initial peak‐to‐peak amplitude and the eventual amplitude (◦T) 

the equilibrium load at the end of the subtest relative to the maximum measured equilibrium 

load (the equilibrium load after the last subtest) 

the  increase of the equilibrium  load during the subtest relative to the maximum measured 

equilibrium load (the equilibrium load after the last subtest) 

the total increase of the equilibrium load during this subtest, calculated with a MATLAB script 

(∆calculated) 

 

Table D‐3 Results of hydraulic tests: 0,2 Hmax 1,50 Hz 

  

 

 

Page 131: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 120 ‐ 

 

Table D‐4 Results of hydraulic tests: 0,2 Hmax 1,06 Hz 

  

Table D‐5 Results of hydraulic tests: 0,2 Hmax 0,874 Hz 

  

 

 

Page 132: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 121 ‐ 

 

Table D‐6 Results of hydraulic tests: 0,4 Hmax 1,06 Hz 

  

Table D‐7 Results of hydraulic tests: 0,4 Hmax 0,749 Hz 

  

 

 

Page 133: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 122 ‐ 

 

Table D‐8 Results of hydraulic tests: 0,4 Hmax 0,562 Hz 

  

Table D‐9 Results of hydraulic tests: 0,6 Hmax 0,874 Hz 

  

 

 

 

Page 134: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 123 ‐ 

 

Table D‐10 Results of hydraulic tests: 0,6 Hmax 0,624 Hz 

  

Table D‐11 Results of hydraulic tests: 0,6 Hmax 0500 Hz 

  

 

 

 

Page 135: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 124 ‐ 

 

Table D‐12 Results of hydraulic tests: 0,8 Hmax 0,749 Hz 

  

Table D‐13 Results of hydraulic tests: 0,8 Hmax 0,500 Hz 

  

 

 

 

 

 

Page 136: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 125 ‐ 

 

Table D‐14 Results of hydraulic tests: 0,8 Hmax 0,375 Hz 

  

Table D‐15 Results of hydraulic tests: 1,0 Hmax 0,687 Hz 

  

 

 

 

 

 

Page 137: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 126 ‐ 

 

Table D‐16 Results of hydraulic tests: 1,0 Hmax 0,437 Hz 

  

Table D‐17 Results of hydraulic tests: 1,0 Hmax 0,375 Hz 

 

Page 138: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 127 ‐ 

 

 

D.3 Influence of measurement frame 

In order  to measure  the  forces on the  first row of armour units a measurement  frame was built  to 

support  the  first  row of armour units. This measurement  frame was however also  loaded by wave 

action.  In order  to have an  indication of  the  influence of  the measurement  frame on  the eventual 

measured amplitudes, the load on the frame without armour units on top of the frame was measured 

during  a  full  test program.  In order  to  simulate  the  same  flow  conditions  as during normal  test  a 

gabion  filled with  Xbloc  armour  units was  placed  on  the  breakwater  slope.  This  gabion was  not 

supported by the measurement frame. The results of these measurements are given in Table D‐18: 

 

Table D‐18 Measured influence of the measurement frame Measured  peak‐to‐peak

 amplitude [N]  0.04  0.06  0.06  0.11  0.09  0.14  0.65  0.33  0.42  1.82  0.98  0.95  2.49  1.31  1.34 

Measured  Influence 

measurement frame [N]  0.00  0.03  0.05  0.08  0.08  0.04  0.14  0.13  0.11  0.38  0.26  0.24  0.85  0.53  0.48 

  

In this table it can be observed that the influence of the measurement frame is not unambiguous. The 

measured amplitude of  the  frame  is  relatively  large  for  the  lowest wave heights but  stabilises at a 

level of 20% of the total peak‐to‐peak amplitude.  It  is therefore not possible to simply subtract the 

influence of the measurement frame of the total peak‐to‐peak amplitude and therefor the influence 

of the measurement frame results in an uncertainty of about 20% of the peak‐to‐peak amplitude.  

 

D.4 Influence of the water level variations during wave attack 

The  Influence of  the water  level  variations during wave  attack was  studied  in order  to determine 

whether part of  the measured amplitudes could be  related  to  the variation of  the buoyancy of  the 

armour units. 

 

The force balance of a single armour unit is: 

 

 

sin( ) cos( )

sin(36,87) 0,6 cos(36,87) 0,12

res

g

res

g

Ff

F

F

F

  (D.1) 

 

If an armour unit  is submerged the effective weight  is reduced (the submerged weight has to used). 

Furthermore the friction coefficient reduces since the friction between wet surfaces is less compared 

to the friction between dry surfaces. In Table D‐19 the both the wet and dry friction coefficients are 

given: 

 

Table D‐19 Friction coefficients concrete1 Materials  Friction coefficient  

Cement concrete on dry gravel  0,50 – 0,60 

Cement concrete on dry rock  0,60 – 0,70 

Cement concrete on wet rock  0,50 

The  submerged  weight  can  be  calculated  by  multiplying  the  weight  of  the  armour  unit  by  the 

following factor: 

                                                                 1 http://www.supercivilcd.com/FRICTION.htm 

Page 139: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 128 ‐ 

 

; g;buoyancy 10001 1 0,561

2279

g submerged g water unit

g g g concrete unit

F F F g Vol

F F F g Vol

  (D.2) 

 

This factor was applied on the weight of an armour unit and entered in equation (D.1) what gives the 

following force balance for a submerged armour unit: 

 

 

0,561 sin( ) 0,561 cos( )

0,561 sin(36,87) 0,5 0,561 cos(36,87) 0,112

res

g

res

g

Ff

F

F

F

  (D.3) 

The  difference  between  the  outcome  of  equation  D.3  and  the  outcome  of  equation  D.1  is  very 

dependent on the wet friction coefficient. Based on the spread of the friction coefficients presented 

in Table D‐19 and in earlier mentioned references (chapter 7) no reliable conclusions could be drawn 

from the calculated difference between the residual force of a dry unit compared to the residual force 

of a submerged unit. Possible influences of the water level variation (on the peak‐to‐peak amplitude) 

are therefore not further considered in this research.  

Page 140: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 129 ‐ 

 

E. Analysis of static tests 

E.1 Critical angle regarding tot rolling 

The  critical  angle  regarding  rolling  of  an  armour  unit  was  investigated  in  order  to  determine  a 

conservative angle at which movement by rolling will take place instead of sliding. 

 

Figure E‐1 Critical angle 

During the tests which were executed  in order to establish the critical angle of a Xbloc armour unit 

two types of  failure where observed. One type of  failure  is sliding of the armour unit which can be 

linked to the reached friction capacity between the armour unit and the under layer. The second type 

of  failure  is rolling of an armour unit which can be  linked  to a momentum  imbalance of an armour 

unit. The angle at which this occurs was further studied by a schematisation displayed in Figure E‐1. 

 

The initiation of rolling was schematised as rolling of an armour unit over a protuberant stone of the 

under  layer with a certain protuberant height  (dstone). The armour unit start rolling around point RC 

and therefore the moments around this point were evaluated. The armour unit will start rolling when 

the working line of the weight of an armour unit (Fg) is at the left side of point RC. Whether this occurs 

or not  is a  function of  the  slope of  the breakwater and  the protuberant height of  the under  layer 

stone and can be calculated with use of the line segments X1 and X2. When X1 is larger than X2, the 

armour unit will start rolling. 

 

With the help of some simple geometric relations the following relations for X1 and X2 were obtained: 

 

Page 141: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 130 ‐ 

 

21 cos(180 45 )

22 sin( )stone

DX

X H

  (E.1) 

 

The protuberant height of the under layer stone was however unknown. The Dn50 of the stones used 

for the under  layer  in this test was 13.3 mm which  is about one third of the unit height of the used 

armour unit. The protuberant height of the under layer stone is assumed to be 25% of the Dn50 which 

equals one twelfth of the unit height of the armour unit.  If one enters this value  in the above given 

equation on arrives at a critical angle regarding tot rolling of an armour unit of 49 degrees.  

E.2 Measurements of static load in test prior to hydraulic tests 

The  initial  static  load on  the  first  row was also measured during  the hydraulic  tests. The  results of 

these measurements are given in Table E‐1 

 

Table E‐1 Measurements of static load prior to hydraulic testing Test  Initial load "dry"  Initial load "wet"  Slope (∆F/∆W) 

RPD 100%  1,42 

RPD 100%  1,34 

RPD 100%  1,15 

RPD 103%  1,07 

RPD 103%  0,92 

RPD 97%  0,85 

RPD 97%  0,84 

RPD 100%  1,09  0,042 

RPD 100%  0,93 

RPD 100%  0,9 

RPD 100%  1,13 

RPD 100%  1,15  ∆ <0.05 

RPD 100%  1,28  ‐0.014 

RPD 100%  1,38 

RPD 100%  1,45  0.0562 

RPD 100%  1,22 

RPD 100% “Smooth UL”  1,865  ‐0.0088 

RPD 100% “Smooth UL”  2,01  ∆ <0.05 

RPD 100% “Smoot UL”  1,06  ∆ <0.05 

RPD 100% 25 rows  0,64 

RPD 100% 25 rows  0,86 

RPD 100% 25 rows  0,77 

RPD 100% 25 rows  0,99 

RPD 100% slope 2:3  1,06 

RPD 100% slope 2:3  0.66 

RPD 100% slope 2:3  0.77 

 

The measurments presented  in  this  table are  in  line with  the measurments made during  the  static 

test. This  table also  shows  the effect of a  smooth underlayer which gives much higher  static  loads 

then the other tests. 

E.3 Static model 

The  load  on  the  first  row  of  armour  units was  calculated  by  simple  one  dimensional model.  The 

working of  this model  is described  in  the main  report. The MATLAB  code of  this model  is given  in 

Table E‐2.  

Page 142: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 131 ‐ 

 

 

Table E‐2 MATLAB‐code static model 

function [A] = Staticmodel(vargin) 

% Read dataset residual forces (calcualted from critical angles, total number of items in the dataset = 

200) 

A= xlsread('ResidualForces','G7:G206');          

% Number of iterations 

n = 10000;                                       

% Draw random value from residual forces dataset 

X1 = A(ceil(length(A)*rand(1,n)));               

    ...     

    ... 

    ... 

X20 = A(ceil(length(A)*rand(1,n)))      

% Calculation of force transfer between rows for n times 

for i = 1: n 

% Calculation of force on the first row of a slope of 20 rows  

% Calculation of total residual force row 20                                   

Fres20 = X20(i);    

if Fres20<0; 

Fres20 = 0;     

End 

%Calculation of total residual force row 19 

Fres19 = X19(i)+Fres20;     

if Fres19<0; 

Fres19 = 0;     

end 

  ...     

  ... 

  ... 

Fres1 = X1(i)+Fres2; 

if Fres1<0; 

Fres1 = 0;     

end 

F20(i,:)=Fres1; 

% Calculation of force on the first row of a slope of 19 rows  

%Calculation of total residual force row 19 (which is now the highest row) 

Fres19 = X19(i);     

if Fres19<0; 

Fres19 = 0;     

end 

  ...     

  ... 

  ... 

Fres1 = X1(i)+Fres2; 

if Fres1<0; 

Fres1 = 0;     

end 

F19(i,:)=Fres1; 

% this is repeated for a slope of 18, 17, 16 etc rows   

    ...     

Page 143: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 132 ‐ 

 

    ... 

    ... 

%Calculation of total residual force row 1 (which is now the highest row) 

%Calculation of total residual force row 1 (which is now the highest row) 

Fres1 = X1(i); 

if Fres1<0; 

Fres1 = 0;     

end 

F1(i,:)=Fres1; 

end 

%Calculation of mean values per row 

F1=mean(F1; 

    ...     

    ... 

    ... 

F20=mean(F20); 

%Por results 

F=[F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20 ]; 

plot(F) 

 

 

 

 

Page 144: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 133 ‐ 

 

F. Analysis of hydraulic tests 

F.1 Wave analysis hydraulic test 3(3) hydraulic test 2(2) 

An analysis of the waves  imposed on the breakwater model  in relation to the measured  load during 

hydraulic test 3(3), subtest 0,6 Hmax 0,874 Hz was performed. The video of this test is analysed frame 

by frame for the time interval 1:28 to 1:33 [min:sec] and compared to the measured water level at the 

wave gauge and measured load on the first row.  

 

For  the  interval 1:28  to 1:33  the video  is analysed  frame by  frame  in order  to determine at which 

point in time the highest and lowest level of run‐up occurs and how these points corresponds in time 

to  the  total wave period  (T).  Furthermore  the points  in  time when  the wave  front passes  the  still 

water  level and  the points  in  time of a water  level minimum or maximum at  the wave gauge  (toe) 

were determined. Figure F‐1 shows the screenshots of the video with occurring points of interests. 

 

   1:28:16            1:28:32 

Wave gauge max, Run‐down max      Upwards through still water level 

   1:28:47            1:28:49   

Run‐up max          Wave gauge min  

   1:29:10            1:29:23 

Downwards through still water level    Wave gauge max 

Page 145: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 134 ‐ 

 

   1:29:25            1;29:43 

Run‐down max          Upwards through still water level 

 

   1:30:00            1:30:02 

Wave gauge min         Run‐up max 

   1:30:18            1:30:29 

Downwards through still water level    Wave gauge max 

   1:30:31            1:30:43 

Run‐down max          Upwards through still water level 

   1:31:08            1:31:13 

Wave gauge min         Run‐up max 

 

Page 146: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 135 ‐ 

 

   1:31:29            1:31:42 

Downwards through still water level    Run‐down max, Wave gauge max 

   1:31:58            1:32:15 

Upwards through still water level      Wave gauge min, Run‐up max 

 1:32:35 

Downwards through still water level  

Figure F‐1 Screenshots from side video (hydraulic test 3(3), subtest 0,6 Hmax 0,874 Hz) 

 

Page 147: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 136 ‐ 

 

The points of interest and times of occurring are collected in Table F‐1.  

 

Table F‐1 Point of interest  Time [m:s:ms]  Period based on 

time difference 

Time compared 

to t0 (1:28:16) 

Compared to 

average wave 

period  

Point at the wave 

period when pint of 

interest occurs 

Maximum  water 

level  at  wave 

gauge 

1:28:16, 1:29:23 

1:30:29, 1:31:42 

67ms,  66ms, 

73ms 

t0, t0+67ms 

t0+133ms, 

t0+206ms 

0,         0.98 

1,95    3,02 

0,99 

Maximum  level 

of run‐down 

1:28:16, 1:29:25 

1:30:31, 1:31:42 

69ms,  66ms, 

71ms 

t0, t0+69ms 

t0+135ms, 

t0+206ms 

0,         1,01 

1,98    3,02 

1,00 

Wavefront 

passing  through 

still  water  level 

(up) 

1:28:32, 1;29:43 

1:30:43, 1:31:58 

71ms,  60ms, 

75ms 

t0+16ms, t0+87ms 

t0+147ms, 

t0+222ms 

0,23    1.28 

2,16    3,26 

0,23 

Minimum  water 

level  at  wave 

gauge 

1:28:49, 1:30:00 

1:31:08, 1:32:15 

71ms,  68ms, 

67ms 

t0+33ms, 

t0+104ms 

t0+172ms, 

t0+239ms 

0,48    1,52 

2,52    3,5 

0,51 

Maximum  level 

of run‐up 

1:28:47, 1:30:02 

1:31:13, 1:32:15 

75ms, 71ms 

62ms 

t0+31ms, 

t0+106ms 

t0+177ms, 

t0+239ms 

0,45    1,55 

2,60    3,50 

0,54 

Wavefront 

passing  through 

still  water  level 

(down) 

1:29:10, 1:30:18 

1:31:29, 1:32:25 

68ms, 71ms, 

56ms 

t0+54ms, 

t0+122ms 

t0+193ms, 

t0+249ms 

0,79    1,79 

2,83    3,65 

0,77 

 

The average wave period was determined based on the time difference between subsequent points 

of  interests  (for instance  the  time between  subsiding maximum water  levels  at  the wave  gauge). 

Following  this  approach  an  average wave period of 68,2 milliseconds  (1,14  s) was obtained which 

correspond well to the wave period of the incoming wave of 0,874 Hz (1.44 s) ). By analysing the time 

difference between the points of interest and t0 (1:28:16) the average point in time when the points 

of interests occur relative to the wave period was determined (Figure F‐2). 

 

 Figure F‐2 Occurring of points of interest relative to the wave period (T) 

 

The occurrence of maximum  run‐up and  run‐down  is  visualised by a plot of  the measured data  in 

Figure F‐3. 

Page 148: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 137 ‐ 

 

 

Figure F‐3 Hydraulic test 3(3), subtest 0,6 Hmax 0,874 Hz 

 

Figure F‐3 shows that the positive peaks of the oscillating  load on the first row took place between 

the maximum run‐up of the wave on the slope and the maximum run‐down of the wave.  

 

The  described method  is  repeated  for  hydraulic  test  2(2),  subtest  0,6  Hmax  0,500  Hz  on  the  time 

interval  of  1:02  to  1:10 min:s  in  order  to  obtain  some  general  applicability  of  the  above made 

statements. The avarage period of the this test is 119,9 ms (2,0 s) which has a good correspondence 

with the wave period of of the incoming wave of 2,0 s. 

 

 

   1:02:21            1:02:52 

Run‐up max           Downwards through still water level 

   1:03:21            1:03:27   

Page 149: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 138 ‐ 

 

Wave gauge min         Run‐down max   

   1:03:56            1:04:36 

Upwards through still water level, Wave gauge max  Run‐up max 

   1:04:50            1:05:23   

Downwards through still water level    Wave gauge min 

   1:05:28            1:06:02   

Run‐down max          Upwards through still water  level, Wave gauge 

max 

   1:06:24            1:06:51   

Run‐up max          Downwards through still water level 

Page 150: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 139 ‐ 

 

   1:07:23            1:07:24 

Wave gauge min         Run‐down max   

   1:07:53            1:08:01   

Upwards through still water level      Wave gauge max 

   1:08:22            1:08:53   

Rup max          Downwards through still water level 

   1:09:20            1:09:27   

Wave gauge min         Run‐down max 

   1:09:54            1:09:58 

Page 151: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 140 ‐ 

 

Upwards through still water level       Wave gauge max 

Figure F‐4 Screenshots from side video (hydraulic test 2(2), subtest 0,6 Hmax 0,500 Hz) 

 

Table F‐2 Wave state  Time [m:s:ms]  Period  based 

on  time 

difference 

Time  compared  to 

t0 (1:28:16) 

 Time  compared  to 

average wave period  

Time  between  t0 and  wave  state  [in 

times per period] 

Maximum  water 

level  at  wave 

gauge 

1:03:56, 1:06:02 

1:08:01, 1:09:58 

127ms,  119ms, 

117ms 

t0, t0+127ms 

t0+246ms, t0+363ms 

0, 1.06 

2.05, 3,03 

1.04 

Maximum  level 

of run‐down 

1:03:27, 1:05:28 

1:07:24, 1:09:27 

121ms,  116ms, 

123ms 

t0‐29, t0+92ms 

t0+208ms, t0+331ms 

‐0.24, 0.77 

1.73, 2.76 

0.76 

Wavefront 

passing  through 

still  water  level 

(up) 

1:03:56 1:06:02, 

1:07:53 1:09:54 

126ms,  111ms,   

121ms,     

t0, t0+126ms 

t0+237ms, t0+358ms 

0, 1.05 

1.98, 2.98 

1.00 

Minimum  water 

level  at  wave 

gauge 

1:03:21, 1:05:23 

1:07:23, 1:09:20 

122ms,  120ms, 

117ms 

t0‐35ms, t0+87ms 

t0+207ms, t0+324ms 

‐0.29, 0.73 

1.73, 2.7 

0.72 

Maximum  level 

of run‐up 

1:02:21, 1:03:36 

1:06:24, 1:08:22 

135ms, 108ms 

118ms 

t0‐95ms, t0+40ms 

t0+148ms, t0+266ms 

‐0.79, 0.33 

1.23, 2.22 

0.25 

Wave  front 

passing  through 

still  water  level 

(down) 

1:02:52, 1:04:50 

1:06:51, 1:08:53 

118ms, 121ms, 

122ms 

t0‐64ms, t0+54ms 

t0+175ms, t0+297ms 

‐0.53, 0.45 

1.46, 2.48 

0.47 

 

 

 Figure F‐5 Occurring of points of interest relative to the wave period (T) 

 

Page 152: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 141 ‐ 

 

 

Figure F‐6 Hydraulic test 2(2), subtest 0,6 Hmax 0,500 Hz 

 

Table F‐2  in combination with Figure F‐5 and Figure F‐6 show that the time difference between the 

point in time with the highest run‐up and the point in time with the maximum run‐down is equal to 

the half of the wave period. This is the same as observed in the analysis of hydraulic test 3(3), subtest 

0,6 Hmax 0,874 Hz. The positive peaks of the oscillating load on the first row also take place between 

the maximum  run‐up of  the wave on  the  slope and  the maximum  run‐down of  the wave. A  slight 

phase shift was however observed. The occurrence of water  level peaks at  the wave gauge  (toe)  is 

however not comparable to the previous analysis and is dependent on the specific test characteristics.  

 

 

 

Page 153: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 142 ‐ 

 

F.2 Analysis on trend of the “equilibrium” line 

Various types of trend curves of the equilibrium  load were distinguished. The observed trend types 

are displayed in Table F‐3: 

 

Table F‐3 Types of trend curves 

 A1 

 A2 

 A3  A4 

  

B5  B6 

  

B7 

 

B8 

 C9 

 D10 

 

 

 

 

This table gives a schematic representation of the occurring trend of the equilibrium  load.  In Figure 

F‐7 to Figure 16 examples of the mentioned curve types are displayed:  

 

 Figure F‐7 Type 1         Figure F‐8 Type 2 

 

 Figure F‐9 Type 3         Figure F‐10 Type 4 

Page 154: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 143 ‐ 

 

 Figure F‐11 Type 5         Figure F‐12 Type 6 

 

 Figure F‐13 Type 7         Figure F‐14 type 8 

 

 Figure F‐15 type 9         Figure F‐16 Type 10 

 

The occurrence of the trend curve types during the different subtests was  investigated. No relation 

between the test parameters and the occurrence of a certain curve type was  found. A relation was 

however observed between the occurrence of trend curve type 1 and 5 and the wave height. This is 

visualised  in Figure F‐17 to Figure 21 which are plots of the occurrence of each wave type during a 

certain wave height: 

Page 155: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 144 ‐ 

 

 Figure F‐17 Occurrence of trend types H=0,2 Hmax 

 

Figure F‐18 Occurrence of trend types H=0,4 Hmax 

 

 Figure F‐19 Occurrence of trend types H=0,6 Hmax   

Page 156: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 145 ‐ 

 

 Figure F‐20 Occurrence of trend types H=0,8 Hmax 

 

 Figure F‐21 Occurrence of trend types H=1,0 Hmax 

 

It can be observed in these plots that the subtests with a wave height of 0,2 Hmax were mostly of type 

5 (flat). The subtests with a wave height of 0,4 Hmax could still be characterised as type 5 (flat) for a 

significant amount of trend curve types but also for large number as of trend curve types of type 1 (of 

exponential  decreasing  growth).  The  subtests with  a  higher wave  height  are  dominated  by  trend 

curve  types of  type 1. Recalling  the statement  that  the  increase of  the equilibrium  load  is  larger at 

higher wave heights  can be  imagined  that  the  flat  type of  curve  trends  (type 5) are  less dominant 

during tests with a higher wave height. 

 

F.2.1 Trend of the equilibrium load 

The analysis of  the relation between the equilibrium  load and  the wave height and packing density 

was done neglecting  test 7  (impermeable core) and 8  (smooth,  impermeable underlayer)  since  the 

data of these tests disturb the curve fit on the other data. During Test 7 and 8 a large increase of the 

equilibrium load took place due to the impermeability of the core. The plots including the data of test 

7 and 8 are displayed in Figure F‐22 to Figure F‐24 

Page 157: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 146 ‐ 

 

 

 Figure F‐22 Equilibrium load versus the wave height 

 

 

 

 Figure F‐23 All tests packing density versus wave height 

Page 158: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 147 ‐ 

 

 Figure F‐24 All tests equilibrium load versus the packing density 

 

F.2.2 Trend of the equilibrium load during tests with irregular waves  

A total of three tests were executed with  irregular waves. The spectra of these tests were analysed 

and based on the relation for the trend of the equilibrium  load relative to the wave height and the 

number of waves, a calculation of the estimated end value of the equilibrium load was made. 

 

The wave data was collected with wave gauges placed in the wave flume. This data was analysed with 

the program WAVELab (2008). With this program a reflection analysis was carried out which is based 

on a least square analysis whereby the incident and reflected spectra are resolved from the measured 

spectra in three separate points (three separate wave gauges) [MANSARD AND FUNKE, 1980]. The result 

of this analysis was the measured  incoming significant wave height, maximum wave height, number 

of waves and wave height distributions of the test with irregular waves. The wave height distributions 

of hydraulic test 5‐1 to hydraulic test 5‐3 are visualised in Figure F‐25  to Figure F‐27: 

 Figure F‐25 Wave height distribution Hydraulic test (5‐1) 

Page 159: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 148 ‐ 

 

 Figure F‐26 Wave height distribution Hydraulic test (5‐2) 

 

 Figure F‐27 Wave height distribution Hydraulic test (5‐3) 

 

The with WAVELab determined significant wave height, maximum wave height and total number of 

incoming waves are given in Table F‐4 

 

Table F‐4 Results wave analysis wave lab 

Hydraulic test 5(1)  Hydraulic test 5(2)  Hydraulic test 5(3) 

Hs (measured)  11.2  11.17  11.14  [cm] 

Hmax (measured)  20.22  20.19  20  [cm] 

Hmax ( based on Xbloc)  21.28  21.28  21.28  [cm] 

Nr of waves  2790  2819  2709  [‐] 

 

In paragraph 6.2.1 was derived that 90% of the final increase of the equilibrium load is reached after 

92 waves. The wave height which  is  reached  for  at  least 92  times during  the wave  test  is  thus of 

intrest  for  future calculations.  Instead of counting  the number of waves  this number of waves was 

converted  in  a  exceedence probability by  dividing  the  92 waves  by  the  total  number  of  incoming 

waves: 

 

Table F‐5 Exceedence probability corresponding with 92 waves 

Hydraulic test 5(1)  Hydraulic test 5(2)  Hydraulic test 5(3) 

Exceedence  probability  of  92 

waves (90 %  of end value) 3.30%  3.26%  3.40%  [‐] 

 

Page 160: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 149 ‐ 

 

These exceedence probabilities can be used to derive the corresponding wave height  in Figure F‐25  

to Figure F‐27: 

 

Table F‐6 

Hydraulic test 5(1)  Hydraulic test 5(2)  Hydraulic test 5(3) 

Corresponding (H/Hs)^2       1.66  1.655  1.635  [‐] 

H(prob:90 waves)  14.43  14.37  14.24  [cm] 

 

The  derived wave  heights  can  be  used  to  calculate  the  increase  of  the  equilibrium  load with  the 

equation derived in paragraph 6.2.2.2: 

2

 =3,1 0,80equilibrium

unit max max

F H H

F H H

  (F.1) 

Since  a  total  number  of  92  waves  corresponds  to  90%  of  the,  with  this  expression,  calculated 

equilibrium load the calculated value has to be multiplied by 0,9: 

 

Table F‐7 

Hydraulic test 5(1)  Hydraulic test 5(2)  Hydraulic test 5(3) 

Increase of Fequilibrium  0.79  0.79  0.77  [F/Fg] 

Increase of Fequilibrium  4.81  4.76  4.65  N 

 

The theoretical expected increase of the equilibrium load with the applied spectrum is thus about 0,8 

of the weight of an armour unit. 

 

F.3 Theoretical approximation of dynamic load 

In order to verify whether the measured dynamic  load was  in  line with the theory presented  in this 

report a straight forward approximation of the dynamic load based on certain measured parameters 

and the wave input parameters used  in the test program was made. This calculation of the dynamic 

load  and  comparison with  the measured  dynamic  load  only  refers  to  the measured  peak‐to‐peak 

amplitude and is independent of the measured increase of the dynamic load. 

 

As stated before the drag force and inertia force and lift force can be determined with the Morrison 

equation  with  as  input  the  downwash  velocity.  The  downwash  velocity  was  calculated  with  the 

following expression [ABBOTT AND PRICE, 1994]: 

; avarage0,5

downwash

Ru RdU

T

  (F.2) 

This expression uses the maximum level of run‐up and run‐down (measured along the slope) and the 

wave period. This equation gives the average downwash velocity which  is  lower than the maximum 

downwash velocity. The peak of the downwash velocity  is given by the  following expression BATTJES 

AND ROOS (1975) [ABBOTT AND PRICE, 1994]: 

; max

1

; avarage

downwash

downwash

Uf

U   (F.3) 

Some  research  have  been  done  in  order  to  determine  the  value  of  f1(ξ).  These  researches were 

executed on smooth slopes with a maximum slope of 1:3. The determined values  for  f1(ξ)  found by 

BATTJES  AND  ROOS  (1975)  are  therefore  only  useful  as  first  approximation.  The  values  for  f1(ξ)  of 

Page 161: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 150 ‐ 

 

Irribaren numbers of 3, 4 and 5 are prospectively 3,6, 2,7 and 2 BATTJES AND ROOS (1975) from [ABBOTT 

AND PRICE, 1994]. 

 

The  run‐up was determined with  the  run‐up expression of VAN DER MEER AND STAM  (1992)  (equation 

2.15). The run‐up were run‐down are however also measured during the execution of the hydraulic 

tests. In this approximation of the dynamic load these measured values are used. 

 

Based on the measurements of the run‐up and run‐down, the expression for the downwash velocity 

and  the Morrison  equation  it  is  possible  to  theoretically  approximate  the  forces  induced  by  the 

downwash  along  the  slope.  In  order  to  approximate  the  force  imposed  on  a  armour  unit  by  the 

seepage flow the seepage flow had to be determined. 

 

In order to do this  in a correct way the seepage flow should be calculated with the pressures  in the 

breakwater and the Forchheimer equation for all points along the interface of the under layer and the 

armour  layer  during  the  complete wave  period.  This  can  be  done with  a  program  like  ComFlow 

[WENNEKER, 2010]. However  in  this  first  approximation  a more  simple  approach was  followed. This 

approach is based on the Volume Exchange model described by JUMELET, 2010 and others. 

 

 Figure F‐28 Phreatic level in a breakwater 

 

In the Volume Exchange model the internal water volume is schematised as a triangular shape (which 

is in reality a more curved shape) which can be described by the following expression: 

2int

1 1

2ernal coreV n Ru

I

  (F.4) 

In this equation the run‐up at the core an own parameter (Rucore) since the run‐up at the core is not 

the same as the run‐up at the top of the armour layer. The outflow of water occurs during about half 

of  the wave period. The average  seepage velocity  can  thus be determined by dividing  the  internal 

water volume by the half of the wave period and the surface of the breakwater slope through which 

the seepage takes place.  

 

This  approach  was  for  this  first  approximation  even  further  schematised.  The  internal  volume  is 

sketched in Figure F‐28 and was calculated without determining the hydraulic gradient. The distance 

between point 2 and the intersection with the armour layer on a horizontal line was determined from 

visual observations of the videos made during the hydraulic test and is found to be smaller than two 

times  the wave height  (about 1,4  times  the wave height).  In order  to be  conservative  in  this  first 

approach  a  length  of  two  times  the  wave  height  was  used.  Furthermore  the  following  input 

parameters were used: 

 

Page 162: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 151 ‐ 

 

Table F‐8 Input parameters theoretical approximation dynamic load 

Drag coefficient  0.35  [‐] 

Lift coefficient  0.2  [‐] 

Inertia coefficient  0.2  [‐] 

ρw  1000  kg/m3 

Crossesction 

surface  0.001356  m2 

f1(ξ)  2  2.7 

Slope (α)  0.931596  rad 

Lseepage  2H  [m] 

porosity (n)  0.4  [‐] 

 

Table F‐9 gives a number of relevant test input parameters such as the wave height’s used in the test 

program  and  the  corresponding wave periods.  Furthermore  the measured  run‐up  and  along  slope 

distance between the maximum level of run up and the maximum level of run‐down is given: 

 

Table F‐9 Wave input parameters and measured run‐up and run‐down (averaged) 

H [m]  0.044  0.044 0.044  0.088  0.088 0.088 0.132 0.132  0.132 0.176  0.176  0.176  0.22  0.22  0.22 

T [s]  0.67  0.94  1.14  0.94  1.33  1.78  1.14  1.60  2.00  1.33  2.00  2.67  1.46  2.29  2.67 

Rumeasured 

[m]  0.061  0.065 0.067  0.112  0.149 0.167 0.196 0.256  0.285 0.293  0.360  0.383  0.379  0.398  0.412 

Rudmeasured 

[m]  0.077  0.094 0.103  0.159  0.234 0.294 0.288 0.404  0.453 0.439  0.585  0.549  0.554  0.716  0.583 

 

With  this  parameters  presented  in  Table  F‐8  and  the  earlier  stated  expression  for  the  downwash 

velocity and the Morrison equations it is possible to calculate the downwash velocity and the velocity 

induced forces on the armour unit: 

 

Table F‐10 Calculation of downwash and downwash induced forces on a armour unit 

Udownwash; avarage [m/s]  0.23  0.20  0.18  0.34  0.35  0.33  0.50  0.50  0.45  0.66  0.58  0.41  0.76  0.63  0.44 

Udownwash; peak [m/s]  0.46  0.54  0.65  0.68  0.94  1.19  1.01  1.36  1.63  1.32  1.58  1.48  1.52  1.69  1.57 

Fdrag [N]  0.22  0.26  0.31  0.32  0.45  0.56  0.48  0.65  0.77  0.62  0.75  0.70  0.72  0.80  0.75 

Flift [N]  0.13  0.15  0.18  0.18  0.26  0.32  0.27  0.37  0.44  0.36  0.43  0.40  0.41  0.46  0.43 

 

The above described approach was applied  in order  to determine  the  internal volume. This volume 

flows out of the breakwater during a half wave period through a surface which was approximated as 

the surface between the still water  level and the maximum  level of run‐down. The seepage velocity 

was determined by dividing the internal velocity by the time of outflow and the outflow surface. With 

this seepage velocity the force on the armour unit was determined. 

 

Table F‐11 Calculation of seepage flow and seepage induced forces on a armour unit 

Vinternal [M*M]  0.00  0.00  0.00  0.00  0.01  0.01  0.01  0.02  0.02  0.02  0.03  0.03  0.04  0.05  0.04 

Useepage;perpendiculair  0.13  0.09  0.07  0.18  0.13  0.10  0.22  0.16  0.13  0.25  0.17  0.13  0.29  0.19  0.16 

Useepage; along slope  0.17  0.12  0.10  0.24  0.17  0.13  0.30  0.21  0.17  0.34  0.23  0.17  0.39  0.25  0.21 

Fdrag, seepage [N]  0.08  0.06  0.05  0.11  0.08  0.06  0.14  0.10  0.08  0.16  0.11  0.08  0.19  0.12  0.10 

Fuplift, seepage [N]  0.06  0.04  0.04  0.09  0.06  0.05  0.11  0.08  0.06  0.12  0.08  0.06  0.14  0.09  0.08 

 

Page 163: Static and dynamic loads on the first row of single layer

‐ 152 ‐ 

 

The  determined  forces  are  forces  in  along  slope  direction  and  forces  in  upward  direction, 

perpendicular to the slope. These  last forces reduce the normal force between the armour unit and 

the  under  layer  and  leads  in  this way  to  a  higher  along  slope  force.  The  upward  directed  forces, 

perpendicular  to  the  slope  were  multiplied  with  the  friction  force  and  the  in  this  way  caused 

reduction of the friction force was added to the along slope dynamic force: 

 

Table F‐12 Total downwash induced dynamic force and total seepage induce dynamic force 

Fdue downwash  0.29  0.34  0.41  0.43  0.60  0.76  0.64  0.87  1.04  0.84  1.01  0.94  0.97  1.08  1.00 

Fdue. seepage  0.12  0.08  0.07  0.17  0.12  0.09  0.21  0.15  0.12  0.23  0.16  0.12  0.27  0.17  0.15 

 

The  total  dynamic  force  was  obtained  by  adding  the  seepage  induced  dynamic  force  tot  the 

downwash  induced dynamic  force.  In  the  second  row  the  total  force  relative  to  the unit weight  is 

given: 

 

Table F‐13 Total theoretical dynamic force 

Falong slope total  0.41  0.43  0.48  0.60  0.72  0.84  0.85  1.01  1.16  1.07  1.16  1.06  1.24  1.25  1.15 

Falong slope total /Fg  0.07  0.07  0.08  0.10  0.12  0.14  0.14  0.17  0.19  0.18  0.19  0.18  0.21  0.21  0.19 

 

In Table F‐14 an comparison between the measured peak‐to‐peak amplitude of the dynamic load and 

the theoretical derived is made. Add the first row the measured peak‐to‐peak amplitude is given and 

on  the  second  row  of  the  table  the  number  of  times  that  the measured  peak‐to‐peak  amplitude 

transcends  the  approximated  dynamic  load  is  given.  This  number  is  equal  to  the number  of  rows 

which apparently influence the dynamic load on the first row.  

 

Table F‐14 Comparison between measured peak‐to‐peak dynamic forces and calculated forces 

Measured amplitude  0.04  0.06  0.06  0.11  0.09  0.14  0.65  0.33  0.42  1.82  0.98  0.95  2.49  1.31  1.34

No of rows   1  1  1  1  1  1  5  2  2  10  5  5  12  6  7 

 

Based  on  these  results  it  can  be  concluded  that  the  seepage  flow  has  a minor  share  in  the  total 

dynamic  load on the first row of armour units. Furthermore  it can be concluded that since the total 

measured  load  on  the  first  row  of  armour  units  is  just  a  few  times  larger  than  the  dynamic  load 

imposed on the first row by a single armour unit, only a limited number of rows have a share in the 

total dynamic load on the first row of armour units.