Erosiebestendigheid - Eigenschappen van klei

Erosiebestendigheid.

Ten aanzien van erosie van klei in dijken dienen verschillende erosiemechanismen onderscheiden te worden. Enkele voorbeelden zijn het dispergeren van fijne deeltjes in water, het meevoeren van deeltjes onder invloed van waterstroming en de krachten door brekende golven. De werking van deze mechanismen hangt af van de belasting en van de structuur in de klei.

Fijne deeltjes in klei kunnen onder bepaalde omstandigheden zonder enige stroming in water worden opgenomen. De klei lost als het ware op (dispergeert), doordat de deeltjes en de opgeloste stoffen zoveel water aantrekken dat de onderlinge samenhang verloren gaat. Deze vorm van erosie werkt bij de meeste klei in Nederland slechts zeer langzaam, maar kan belangrijk zijn bij wisselende zoet-zout omstandigheden. Op langere termijn kan mede door dit mechanisme ook in erosiebestendige klei zodanige ontgronding onder harde bekleding ontstaan dat de functie daarvan wordt aangetast (bijvoorbeeld van invloed bij geulvorming onder steenzetting).

Door stroming van water langs grond kunnen individuele gronddeeltjes of kleine aggregaten uit de grond worden losgewerkt, hetgeen als een min of meer regelmatige slijtage van het oppervlak wordt waargenomen. Dit mechanisme leidt, zoals bekend, bij stroming langs zand snel tot grote schade. Ook bij zandige klei leidt dit mechanisme tot snelle aantasting. Met een laboratoriumerosietoestel is erosie van verschillende soorten grond vergeleken die nauwelijks doorworteld zijn. Het bleek dat grond met meer dan 40 % zand. zeer snel erodeert bij relatief geringe stroomsnelheden. Ook grond met een plasticiteitsindex lager dan 18 % erodeert sterk. Een dergelijke plasticiteitsindex is een aanwijzing voor een laag gehalte aan fijne deeltjes.

Bij de vette kleisoorten, met een vloeigrens hoger dan 45 %, leidt erosie door langsstromend water niet tot sterke slijtage. Water kan gedurende tenminste enige uren met een snelheid van 8 m/s langs een dergelijke klei stromen, zonder een grotere slijtage te veroorzaken dan 1 tot 3 mm. Dit geldt als de grond goed verdicht is of lang in de onverzadigde zone is geweest. Slechts enkele kleisoorten met een vloeigrens hoger dan 45 % vertoonden bij een onderzoek een sterke erosie, maar deze hadden allen een relatief lage vloeigrens ten opzichte van de uitrolgrens. Ook is geconstateerd dat bij een aantal monsters met een relatief gering zandgehalte, maar wel met een vloeigrens lager dan 45%, een relatief sterke erosie optrad. De bevindingen met het laboratoriumerosietoestel zijn in overeenstemming met resultaten van grootschalige proeven en met veldwaarnemingen van erosieschade. Ook komen de bevindingen overeen met hetgeen in grootschalige proeven in 1992 is geconstateerd over erosie van klei met een hoge vloeigrens [51].

Indien grond een sterk ontwikkelde fijne bodemstructuur heeft, kan ook bij vette klei sterke erosie optreden door het verdwijnen van kleinere aggregaten, net als bij erosie van zand. In tegenstelling tot zandkorrels kunnen kleine aggregaatjes echter door wortels zeer hecht aan elkaar verankerd worden (figuur 2.3), waardoor de graszode toch relatief erosiebestendig is.

Indien grond een sterk ontwikkelde fijne bodemstructuur heeft, kan ook bij vette klei sterke erosie optreden door het verdwijnen van kleinere aggregaten, net als bij erosie van zand. In tegenstelling tot zandkorrels kunnen kleine aggregaatjes echter door wortels zeer hecht aan elkaar verankerd worden (figuur 2.3), waardoor de graszode toch relatief erosiebe­stendig is.

Op taluds met een graslandvegetatie blijkt dan ook weinig erosie op te treden als gevolg van stroming van water. Water dat over een dergelijk talud stroomt, veroorzaakt zelfs op relatief zandige klei vrijwel geen erosie. Hierbij dient er wel sprake te zijn van een gesloten zode. Er moet echter worden opgemerkt dat op grastaluds soms toch significante schade aan de grasmat ontstaat. Deze schade is meestal, naar het zich laat aanzien, ontstaan in de zone waar golven breken en daar waar andere krachten werkzaam zijn dan die van over het talud stromend water (bijvoorbeeld als gevolg van drijfhout). Proeven op een grasmat met zeer zandige grond wijzen er echter op dat schade door golven niet of zeer traag in een gesloten grasmat ontstaat wanneer deze golven lager zijn dan 0.2 tot 0.3 m (Hs).

Een belangrijk erosiemechanisme bij golfaanval wordt gevormd door de optredende krachten als gevolg van brekende golven [27]. Voor klei met een bodemstructuur is het losslaan en verdwijnen van grondaggregaten een belangrijke vorm van erosie bij golfaanval. De brokken kunnen door verschillende mechanismen worden losgewoeld. Deze mechanismen hangen samen met de respectievelijke drukopbouw in het talud als gevolg van de golfwerking, de krachten op het talud door brekende golven en de daarop volgende waterbeweging over het talud [32]. Bij de in 1992 uitgevoerde grootschalige proeven op klei met bodemstructuur bleek deze wijze van erosie reeds bij golven van 1 m (Hs) de belangrijkste oorzaak van schade te zijn, in overigens erosiebestendige klei [51, 52]. De uitkomsten van benaderende berekeningen wijzen er echter op dat deze vorm van erosie bij golven lager dan 0.5 m waarschijnlijk nauwelijks meer optreedt [32].

Door de wisselwerking van de verschillende betrokken erosieprocessen ontwikkelt schade zich steeds sneller. Er kunnen in betrekkelijk korte tijd gaten van meer dan 0.8 m diepte ontstaan in klei zonder graszode met een bodemstructuur. Figuur 3.1 geeft een voorbeeld van de schade die in korte tijd in de Deltagoot ontstond bij in 1992 uitgevoerde proeven op klei zonder een graszode.

Er zijn in 1992 tevens grootschalige proeven uitgevoerd met golven van 1.5 m (Hs) op klei met een graszode en een taludhelling van I:4 [52, 38]. Deze proeven geven de beschermende werking van een goede graszode goed aan. Er ontstond pas grote schade aan de klei met een bodemstructuur nadat de graszode op de klei zeer sterk was aangetast. In de bedoelde proef kon de zode pas na meer dan 16 uur golfbelasting als plaatselijk bezweken worden aangemerkt. Ook de overslag van meer dan 5 ltr/m.s, die bij de proeven werd gegenereerd, veroorzaakte geen waarneembare aantasting van het binnentalud.

In het algemeen kan gesteld worden dat hoge golven in korte tijd grote schade kunnen aanrichten in de zone boven gemiddeld hoogwater in klei zonder graszode of harde bekleding. Lage golven kunnen slechts schade veroorzaken in weinig erosiebestendige klei als die niet voldoende beschermd is door bekleding. Opgemerkt kan worden dat overstromend water, zoals bij overslag van een dijk, slechts schade zal veroorzaken op klei die weinig erosiebestendig is en die geen voldoende gesloten bedekking heeft. Klei uit de onverzadigde zone heeft bij belasting in laboratoriumproeven een veel hogere erosiebestendigheid betoond dan er bij belasting door overslag optreedt.

Figuur 3.7: Schade door erosie van brokken uit een kleilaag met bodemstructuur die onder gezette steen was gevormd. De klei is in de vorm van brokken geërodeerd uit het gat dat 0,4 m. diep is. Enkele brokken hebben roesthuidjes (bruin).