Waterspanningen - Stabiliteit van de waterkering

Bij de stabiliteitsberekeningen spelen de Jiggi ng van de freatische lijn en de water­ spanningen in dijk en ondergrond een belangrijke rol.

In dit hoofdstu k zal onderscheid worden gemaakt tussen:

1. het waterspanningsbeeld dat ontstaat bij het optreden van de maatgevende hoog­ waterstanden;

2. waterspan ningen die ontstaan ten gevolge van extreme neerslag;

3. waterspan ningen die ontstaan door ophogingswerkzaamheden in de uitvoeringsfase.

1. 1. 1. Waterspanningen ten gevolge van de rivie,waterstand

         In deel 1, par. 3.5 worden aanbevelingen gedaan voor de uitgangspunt n van grond­ waterstromingsberekeningen.

         73

         In hoofdstu k 10 van dee! 1 wordt gesteld dat voor het grondwaterstromingsbeeld in principe onderscheid kan worden gemaakt tussen stationaire en niet-stationai re grond­ waterstroming. Gezien de lange duur van de maatgevende rivierwaterstand, in verhou­ ding althans tot de consolidatieperiode van de afdekkende lagen op de watervoerende zandlaag, is daar veel aandacht geschonken aan de stationaire grondwaterst roming. De stationaire aanpak van dee! 1 zou ook in het benedenrivierengebied ku nnen worden gevolgd, ware het niet dat deze benadering, omdat ze de bovengrens van de waterspan­ ningen bepaalt, een overgedimensioneerd ontwerp tot gevolg kan hebben.

         Gezien het regime van de rivier in het benedenrivierengebied, met zijn veelal dikkere afdekkende pakketten met een lange hyd rodynamische periode, is het gewenst hier rekening te houden met het niet-stationai re karakter van de grondwaterstroming. Daarom is voor de dijken in het onderhavige gebied de bepaling van de waterspan­ ningen verfijnd, tenei nde het ontwerp te ku nnen optimaliseren.

         Verder wordt een uitbreiding gegeven van de methode van het berekenen van poten­ tialen in het watervoerende zandpakket op basis van peil buiswaarnemingen.

         1. H e t w a t e r v oe r e n d p a k k e t

            Al vorens in te gaan op de te volgen methodiek voor het bepalen van het potentiaal­ beeld, moeten twee opmerkingen worden gemaakt.

            Ten eerste: in princi pe komen in het benedenrivierengebied zowel schaardijken voor, als dijken met een meer of minder breed voorland. Het is zinvol dit onderscheid te maken, omdat een relatief ondoorlatende laag aan de rivierzijde van de dijk een gun­ stige, verlagende invloed heeft op het potentiaal beeld onder en achter de dijk.

            Ook bij een schaardijk is het mogelijk dat een aanzienlijke intreeweerstand aanwezig is vanwege een sl iblaag op en in de rivierbodem. In het algemeen wordt met dit gunstige effect geen rekening gehouden. Een sl iblaag op de rivierbodem mag overigens alleen maar in rekening worden gebracht als deze door onderzoek kan worden aangetoond (dit kan door middel van peilbuismetingen) en tevens kan worden aangenomen dat deze laag ook bij het ontwerppeil aanwezig en bestendig is.

            Bij een dijk met voorland is, behalve het al dan niet aanwezig zijn van zo'n sl iblaag, ook de hoedanigheid van het voorland zelf van belang. In het algemeen zal een voorland een waterremmende werking hebben; men moet echter bedacht zijn op plaatselijke verstoringen i n de vorm van diepe gaten, sloten en dergelijke.

            Als het voorland zo laag ligt dat het af en toe wordt overstroomd, kan door middel van peilbuiswaarnemingen een indru k worden verkregen van de mate waarin het voorland als dicht kan worden beschouwd. Maar als het voorland heel hoog l igt kan slechts visueel en op basis van een heel intensief grondonderzoek een indru k van de afdek­ kende laag worden verkregen. De afwezigheid van discontinu'iteiten valt dan echter moeilijk te bewijzen.

            Ten tweede: het verloop van de buitenwaterstand, in tijd en hoogte, kan worden bepaald op basis van de gegevens uit par. 5.2.1. Dit uitgangspunt geldt voor de situatie na voltooide dijkverbeteri ng. Voor de bouwfase mag met een lager ontwerppeil worden

            74

            gerekend. Voorlopig wordt hiervoor het pei l aangehouden dat 0,5 m lager is dan de laagste krui nhoogte i n de dijkri ng aan het begin van de versterkingsronde, rekening houdend met het bij die waterstand op de rivier optredend verhang.

            De geologische opbouw in het benedenrivierengebied kan i n het algemeen worden geschematiseerd zoals te zien is in figuu r 7.3. We onderscheiden daar achtereen­ volgens:

            1. De watervoerende zandlaag (aqu ifer). De stroming is hier hoofdzakelijk horizontaal. Het skelet ka n i n het algemeen als onsamend rukbaar worden beschou wd; de ber­ gingscoefficient is dan nul. Het pakket heeft een horizontale doorlatend heid k en een di kte D.

            2. De afdek kende klei- en veenlagen (aquitard). De stroming is hier bij benadering verticaal. Als gevolg van het consolidatieproces dat zich in de aquitard instelt, bij het toenemen van de potentiaal in het zand, zal berging optreden in de slappe lagen. Het afdekkende pak ket wordt gekenmerkt door een consolidatiecoefficient c, een verticale doorlatend heid k' en een dikte d' , gemeten tussen het freatisch oppervlak en de onderkant van het pakket.

            3. Een afremmende klei- of sliblaag op het voorland of op de rivierbodem, tussen de rivier en het watervoerend pa kket. In deze laag treedt verticale stroming op. De laag heeft een dikte d en een verticale doorlatendheid k . In het geval van een afrem­ mende sliblaag met k 'en d' wordt de berging in deze laag verwaarloosd. In het geval van een breed voorland met een afdekkend pakket van geringe dikte kan dezelfde aanpak worden gevolgd. Bij toenemende dikte van het pakket echter gaat het consolidatieproces in deze laag eveneens een rol spelen. Dit betekent dat het potentiaalbeeld te laag wordt berekend, hetgeen een onveilige situatie oplevert. Ten gevolge van het consolidatieproces in deze Iaag is er namelijk een extra aanbod van water i n de richti ng van het watervoerend pakket boven de kwelstroom. Bij maat­ gevende omstandigheden moet met dit effect rekening worden gehouden.

            

            figuu r 7.3

            75

            De waterstand op de rivier tijdens ontwerpomstandigheden (hoofdstu k 5) kan samen­ gesteld worden gedacht uit een gemiddelde stand gedu rende de winterperiode, waarop een hoogwatergolf - de rivierafvoer - pl us een getij, al dan niet gepaard met stormvloed, zijn gesuperponeerd. De bepaling van de respons van de potentiaal op de rivierstand, gemiddeld over een lange periode, kan plaatsvinden op basis van een stationaire stro­ mingsberekening, dee! 1, appendix B. Aanbevolen wordt hiervoor de waterstand bij de gemiddelde winterafvoer en het gemiddeld getij in de stationai re berekeningen in te voeren (lit. 31).

            De bepal ing van de afwijki ng van de potentiaal in de zandlaag van de gemiddelde poten­ tiaal, en van de indringi ng van de waterspanningen in de afdekkende lagen als respons op de hoogwatergolf, een stormvloed of het getij, dient echter bij voorkeu r rekening te houden met de invloed van het niet-stationaire karakter van de grondwaterstrom ing. De geohydrologische berekeningen kunnen worden uitgevoerd met het geohydro­ logische model beschreven in bijlage 12. Dit model geldt voor een schematisering over­ eenkomstig figuu r 7.3. Wijkt de werkelijke situatie daar sterk van af, dan moeten de berekeni ngen worden uitgevoerd met behulp van een grondwatermodel, gebaseerd op de elementenmet hode [lit. 51].

            De schematisering van de geologische opbouw volgt uit het geotechnisch onderzoek (dee! 1, par. 3.4).

            De respons van de potentiaal op de rivierstand wordt bepaald door een groot aantal grondparameters (doorlatendheden en consolidatiecoefficienten), door geomet rische parameters (dikten) en door tijd en plaats. Al deze parameters zijn echter samen te brengen in zogenaamde lekfactoren. Men onderscheidt de lekfactoren A voor statio­ naire stroming en Aw voor aanhoudende cyclische belasting (zoals door getijdegolven). De theorie van de tijdsafhankelijke lekfactor Aw is te vinden in lit. 2 en l it. 4, en wordt bovendien uitvoerig weergegeven in het geohyd rologische model van bijlage 12.

            Men kan Aw bepalen op basis van het geotechnische profiel en een analyse van peil buis­ waarnemingen over een meetperiode van 13 uu r. Hoe een dergelijke meting moet worden uitgevoerd en geanalyseerd, is beschreven in bijlage 12. Bij deze methode behoeven de afzonderlijke grondparameters niet bekend te zijn.

            Daar het rekenen op basis van een niet-stationaire grondwaterstroming tot meer uit­ gekiende ontwerpen leidt, dienen bij de metingen van de waterspanningen hoge eisen te worden gesteld aan de betrouwbaarheid en de representativiteit ervan.

            Als bijzonder geval moet worden onderkend dat aan de landzijde van een waterkering de potentialen in het grensvlak tussen de watervoerende zandlaag en het afsluitende klei- en veenpakket zo groot kunnen worden, dat de opwaartse waterdru k gel ijk wordt aan de neerwaartse dru k, dat wil zeggen het gewicht van de grondlagen achter de dijk; men spreekt dan van opdrijven. De lengte loodrecht op de dijk waarover dit verschijnsel optreedt is uiteraard sterk afhankelijk van de duur van het hoge water.

            Bijlage 13 geeft een analytische oplossing voor het berekenen van de lengte waarover opdrijven kan plaatsvinden. Naar nu merieke berekeningen hebben aangetoond komt

            76

            deze oplossi ng echter tot een te grate opd rijflengte. Voor een eerste indru k evenwel is de analytische berekeni ng een bruikbare methode.

            In tijdsafuankelijke situaties kunnen de in bijlage 13 gegeven formules alleen voor het geval van een plotseling optredend hoogwater - een zogenaamde sprangbelasti ng - bij benadering warden toegepast (lit. 3).

         2. H e t s I a p p e-1a ge n p a k k e t

Voor de stabiliteit van een waterkeri ng zijn ook de waterspanningen in het afdekkende klei- en veenpakket van belang.

In het algemeen warden deze waterspanningen bepaald door de Jigging van de frea­ tische lijn en door de potentiaal in het onderl iggende zand. Het verloop is meestal niet hyd rastatisch, maar sluit aan bij de jaargemiddelde potentiaal in het zand. Variaties in de potentiaal in het zand leiden tot variaties in de waterspanningen aan de onderkant van de slappe lagen. Vanwege de dikte van het slappe-lagenpakket dat de water­ voerende zandlaag afdekt, is de grandwaterstraming bij vrij kort durende rivierbelas­ tingen tengevolge van hoogwatergolf en getij niet-stationair: de tijd die het stationaire regi me nodig zou hebben om zich in te stellen hangt af van de hydradynamische periode vari het afdek kend pakket, en is meestal veel grater dan de duur van de hoog­ waterstand ·onder maatgevende omstandigheden.

De hoogte aaraver de waterspanningsvariaties van betekenis zijn, heet de indringings­ lengte <> . Voor de stabiliteitsberekeningen mag men aannemen dat heLwaterspannings­ verloop over deze indringingslengte hneai r is. De graotte vari de indringingslerigte hangt af van de geohyd ralogische parameters en het verloop van .de waterstand (par. 5.2.1); ze kan warden bepaald met de formules gegeven in bijlage 12 en 13.

Ten behoeve van de berekening van de ind ri ngingslengte in het afdekkende klei- en veenpakket moet de consolidatiecoefficient van dit pakket warden vastgesteld door laboratoriumonderzoek. Omdat het indringen van de potentiaal betekent dat de effec­ tieve spanning afneemt, moet de consolidatiecoefficient warden bepaald op basis van de ontlastingstrap uit een samend ru kkingsproef.

Boven de indringingslengte blijven de waterspanningen in het semipermeabele pakket onder en achter de dijk bij een relatief kort durende hoogwaterstand gelijk; dit is een gevolg van de geringe doorlatend heid en samendrukbaarheid van de ondergrand. Er is echter nog een tweede effect: de hoge buitenwaterstand kan warden opgevat als een plotselinge belasting, er treden dan in het daarander gelegen massief wateraverspan­ ningen op, en als gevolg van de spanningsspreiding ook daarbuiten.

Om een inzicht te geven in de orde van graotte van deze wateraverspanningen werd deze situatie berekend met een eindige-elementenpragramma. Figuur 7.4 toont de

volgens deze benadering optredende wateraverspanningen op t = 0, en laat zien dat de overspanningen in een verticaal in de binnenteen liggen in de orde van 5 a 10% van de

stijging van de buitenwaterstand.

In principe zullen deze wateraverspanningen het evenwicht in negatieve zin bei nvloe­ den; daaram moeten zij mede in de berekeni ng warden betrakken.

77

figuur 7.4

1. 1. 1. Waterspanningen bij extreme neerslag

         Behalve de invloed van het ontwerppeil op de waterspanningen, dient ook de invloed van extreme neerslag in een evenwichtsbeschouwing te warden betrokken.

         Aanbevolen wordt, om op basis van langdu rige waterspanningsmetingen in de kruin en de teen van de dijk inzicht te krijgen in het effect van neerslag. Door extrapolatie van het verband tussen de hoeveelheid neerslag en de stijging der waterspanning ku nnen dan de effecten van extreme neerslag warden voorspeld.

         Globaal zullen de volgende effecten optreden:

         • de freatische lijn ter plaatse van de binnenkruinlijn en het binnentalud van de kleidijk stijgt met 0,5 a 1,0 m ten opzichte van de freatische lijn onder normale omstandig­

           heden;

         • het polderpeil stijgt tot aan de gemiddelde maaiveld hoogte ter plaatse van de laagste

           ·gedeelten van de polder. Hierbij wordt verondersteld dat tevens de bemaling van de polder uitvalt;

         • de invloed op de waterspanning van dieper gelegen lagen neemt af tot nul aan de onderkant van het slappe-lagenpakket.

         Er wordt bij de evenwichtsbeschouwing van uitgegaan dat het optreden van het ont­ werppeil en het tijdstip van de extreme neerslag niet samenvallen.

         Opgemerkt zij nog, dat het effect van extreme neerslag onderwerp vormt van nadere studie.