Aandachtspunten geohydrologische beschrijving - Grondmechanische en geohydrologische aspecten

Aandachtspunten geohydrologische beschrijving

De volgende aspecten van de grondwaterstroming verdienen de aandacht:

• Stationaire en niet-stationaire stroming;
• Freatische of elastische berging;
• Stroming in de verzadigde capillaire zone boven de freatische lijn;
• Stroming bij laagscheidingen;
• Door deformatie (belasting-)geïnduceerde waterspanningen (zie ook § 5.2 en § 5.3);
• Hydraulische grondbreuk en grenspotentiaal (zie ook § 5.6).

Op enkele van bovenstaande aspecten wordt nader ingegaan. Voor de overigen wordt verwezen naar (Ref.) Basisopzet Technisch Rapport Waterspanningen.

Stationaire/niet-stationaire stroming

Voor het grondwaterstromingsbeeld kan onderscheid worden gemaakt tussen stationaire en niet-stationaire grondwaterstroming. Indien de duur van de maatgevende hoogwaterstand lang is in verhouding tot de consolidatie- periode van de afdekkende lagen op de watervoerende zandlaag dient rekening te worden gehouden met stationaire grondwaterstroming en indien deze in verhouding kort is, kan met niet-stationaire grondwaterstroming rekening worden gehouden.

Als de randvoorwaarden (zeepeil, rivierpeil en polderpeil) niet-stationair zijn, is de grondwaterstroming in beginsel niet-stationair. Als de reactie van het grondwaterstromingssysteem echter zo is dat de waterspanningen zich praktisch direct aan een variatie in de randvoorwaarden aanpassen, noemt men de stroming wel quasi-stationair. In dat geval kan de stroming per tijdstip als stationair worden beschouwd .

Niet-stationaire stroming wordt gekenmerkt door vertraging en demping (voor- en naijlen) van het stromingsbeeld ten opzichte van de niet-stationaire randvoorwaarden. Dit wordt veroorzaakt door berging van water in de grond en consolidatie in het Holocene pakket; hierdoor wordt de amplitude van een zich voortplantende golf gedempt.

Freatische/Elastische berging

Er kan onderscheid worden gemaakt tussen freatische berging en elastische berging. Freatische berging treedt op als bij een stijgende, vrije grondwaterspiegel de holle ruimten in het korrelskelet van de grond met water gevuld raken. De kenmerkende parameter voor freatische berging is de porositeit van de grond. Daar echter nooit alle poriën geheel met water worden gevuld, gebruikt men in dit verband een zogenaamde effectieve porositeit.

Elastische berging doet zich voor wanneer de grondwaterspanning stijgt bij gelijkblijvende gronddruk. Hierdoor neemt de korrelspanning van de grond af, en het korrelskelet dat onder invloed van de korrelspanning was ingedrukt, zal dan bij benadering elastisch uitzetten. Daardoor ontstaat extra ruimte in de poriën, die door water kan worden gevuld. Door samendrukking van poriewater ten gevolge van de drukverhoging (wat in de praktijk vrijwel nihil is) kan bovendien nog water worden geborgen. In klei is vooral de elastische berging van belang. Bij dikke kleilagen kunnen daardoor bij het passeren van een hoogwatergolf aanzienlijk lagere waterspanningen ontstaan dan bij stationaire stroming.

Bij freatisch water in een zandpakket is de elastische berging te verwaarlozen ten opzichte van de freatische berging. Bij spanningswater in zand heeft de elastische berging een merkbaar, maar meestal gering effect ten aanzien van de demping en vertraging van een zich voortplantende drukgolf in het zandpakket.

Stroming in verzadigde capillaire zone

Het stromingsbeeld in grondconstructies wordt aan de bovenzijde niet be- grensd door de freatische lijn. Boven die lijn is, afhankelijk van de grond- soort, een zekere zone aanwezig waarin zich door capillaire opstijging ook grondwater bevindt.

De grond direct boven de freatische lijn is in het algemeen volledig met water verzadigd, terwijl verder naar boven de verzadigingsgraad afneemt. Alleen de fijne capillairen trekken daar nog water omhoog.

Een duidelijke begrenzing van de volledige verzadigde zone boven de freatische lijn is niet aan te wijzen. In de praktijk legt men deze grens wel bij een verzadigingsgraad Swvan ongeveer 75%.

De capillaire opstijging bedraagt in grof zand ongeveer 0,02-0,05 m, in matig fijn tot matig grof zand 0,12-0,35 m, in silt 0,70-1,50 m en in klei 2-4 m of meer.

Het grondwater in de verzadigde capillaire zone neemt op dezelfde wijze deel aan de grondwaterstroming als het water onder de freatische lijn. Bij kleidijken, waarin een grote capillaire opstijging mogelijk is, kan de stroming in het gehele dijkprofiel plaatsvinden.

Figuur 4.5.3 Capillaire zone

Het bovenstaande is een sterke schematisering van de werkelijkheid. In de onverzadigde zone boven de freatische lijn is het stromingsmodel gecompliceerd. Het voert te ver om hier op in te gaan (Ref. Basisopzet Technisch Rapport Waterspanningen).

Grenspotentiaal afsluitend pakket

Als bijzonder geval moet het opdrijven van het afsluitend pakket bij hoge buitenwaterstanden worden onderkend. Aan de landzijde van een water- kering worden de potentialen in het grensvlak tussen de watervoerende zandlaag en het afsluitende klei- en veenpakket zo groot, dat het afsluitend pakket opdrijft (zie figuur 4.5.4). De opwaartse waterdruk wordt dan gelijk aan de neerwaartse druk, dat wil zeggen het gewicht van de grondlagen binnenwaarts.

Figuur 4.5.4 Waterspanningsverloop in watervoerende laag bij opdrijven

Wanneer de mechanismen opdrijven en opbarsten worden beschouwd is het gebruikelijk om de belasting en de sterkte uit te drukken in een stijghoogte. De stijghoogte waarbij juist opdrijven optreedt heet de grenspotentiaal. In §5.6.3 wordt meer in detail ingegaan op de aspecten van opdrijven of opbarsten van een afdekkende laag.

Bij berm- en dijksloten spelen naast het laaggewicht ook andere effecten een rol (zoals boogwerking). Het feit, dat een sloot niet opbarst, kan juist ongunstige gevolgen hebben voor de stabiliteit, omdat de ‘ventielwerking’ van de sloot dan ontbreekt. Het is derhalve van belang, dat het laaggewicht t.p.v. de sloot voorzichtig (dus voor de stabiliteitsbeoordeling niet te laag) wordt ingeschat.

De lengte loodrecht op het grondlichaam waarover opdrijven optreedt is uiteraard sterk afhankelijk van de duur van het hoge water. Voor de analytische oplossing wordt verwezen naar (Ref.) Basisopzet Technisch Rapport Waterspanningen. Naar numerieke berekeningen hebben aangetoond komt deze oplossing echter tot een te grote opdrijflengte (50 à 100% te groot). Voor een eerste indruk evenwel is de analytische berekening een bruikbare methode.