Gedetailleerde toetregels - Handreiking beoordeling Zettingsvloeiing

De gedetailleerde toets bestaat op zichzelf uit slechts één stap: de kans op een zettingsvloeiing die leidt tot schade aan de dijk wordt vergeleken met de toelaatbare faalkans. Om tot deze faalkans in de gedetailleerde toets te komen zijn in totaal 6 stappen (6a t/m 6f) nodig. Deze stappen worden in Figuur 6.1 schematisch weergegeven. In stappen 6a en 6b wordt de voor de gedetailleerde toets benodigde informatie beschreven.

Hoe tot de toelaatbare faalkans gekomen kan worden, wordt in paragraaf 6.4 beschreven.

Figuur 6.1 Stappen om te komen tot de kans op een zettingsvloeiing die leidt tot schade aan de dijk, ten behoeve van de gedetailleerde toets

Stap 6a: bepaal het representatieve dwarsprofiel en de ondergrondopbouw

In de voorgaande toetsstappen 2 (schadelijkheidscriterium), 4 (optredingscriterium) en 5 (aanwezigheidscriterium) is reeds gekeken naar respectievelijk de voorlandlengte, de onderwateroever geometrie en de aanwezigheid van verwekingsgevoelige lagen. In deze eerste stappen zijn al representatieve dwarsprofielen per dijkvak bepaald op basis van gelijke kenmerken van:

• De lengte van het voorland

• De gemiddelde geuldiepte

• De gemiddelde hellingsgradiënt van het (onderwater)talud

• De dikte en diepteligging van de verwekingsgevoelige lagen of laag.

De lengte van een dijktraject wordt gelijk genomen aan de lengte waarover bovengenoemde aspecten redelijk constant zijn.

Stap 6b: bepaal de gemiddelde relatieve dichtheden van de zandlagen in de ondergrond

Er bestaan verschillende manieren om de relatieve dichtheid van een zandlaag te bepalen. Enerzijds bestaat de mogelijkheid om de relatieve dichtheid in situ te meten door middel van elektrische dichtheidsmetingen en anderzijds door middel van correlaties met sondeerweerstanden. Er zijn verschillende correlaties om op basis van de conusweerstand de relatieve dichtheid te bepalen. De meest gebruikelijke zijn de correlaties van Schmertmann, Baldi en Villet&Mitchell, waarbij de correlatie van Schmertmann in de regel de hoogste, Baldi de gemiddelde en Villet&Mitchell de laagste relatieve dichtheden genereert.

In de gedetailleerde toetsing wordt geadviseerd de correlatie van Baldi te gebruiken tenzij aantoonbaar kan worden gemaakt dat een andere correlatie meer van toepassing is (bijvoorbeeld na validatie met in situ metingen). De correlatie van Baldi wordt gegeven in de volgende formule:

met:

R_e = (e_max – e)/ (e_max – e_min) = relatieve dichtheid, gebaseerd op poriegetal e (-)

q_c = gemiddelde conusweerstand per meter in de sondering (MPa)

σ_v’ = verticale korrelspanning (kPa).

Let wel, de bovengenoemde correlatie is geldig voor elektrische sonderingen, conform oude NEN standaard (of nieuwe EURO-code) met kwaliteitsklasse I of II, en niet voor mechanische sonderingen. Ten behoeve van de toetsing zijn in de regel sonderingen op de kruin en in het achterland voorhanden. Het verdient aanbeveling, zeker bij aanwezigheid van een voorland om extra sonderingen op het voorland uit te voeren.

Stap 6c: bepaal de kans op optreden van een zettingsvloeiing P(ZV)

Er kan beschikbare kennis van een zandwinning bestaan in de vorm van lokale ervaringsstatistiek. Daarnaast is er algemeen beschikbare kennis over het optreden van afschuivingen en zettingsvloeiingen. Deze betreft:

• ervaring opgedaan in Zeeland met oever-, dijk- en plaatvallen;
• de schadepraktijk zoals deze met zandwinningen is bepaald.

Van de Zeeuwse praktijk van ‘zettingsvloeiingen’ langs de vooroevers en langs de zandplaten is een overzicht gemaakt [Wilderom 1979]. Hierin zijn de resultaten van meer dan 1100 ‘zettingsvloeiingen’ en ‘afschuivingen’ verwerkt. Enkele ‘zettingsvloeiingen’ zijn zeer omvangrijk geweest, waarbij enkele miljoenen m3 zand zijn verplaatst. De resultaten zijn samengevat in [Silvis & de Groot 1995].

Deze ‘zettingsvloeiingen’ zijn oeverinscharingen waarvan de meeste waarschijnlijk voor een groot deel bestaan uit verwekingsvloeiingen, omdat ze vooral zijn opgetreden in gebieden met dikke lagen van losgepakt zand. Uit beschrijvingen kan men echter ook afleiden, dat een aantal van die vloeiingen plaatsvond in een tijdsbestek van vele uren of zelfs ruim een etmaal. Daaruit kan men wellicht concluderen, dat bresvloeiingen ook een belangrijke rol hebben gespeeld.

Een verwekingsvloeiing in een losgepakte laag of een afschuiving in een lokaal door stroming uitgeschuurde laag kunnen als initiatie voor een terugschrijdend bresproces hebben geleid, dat eindigde in een grote oeverinscharing.

De gemiddelde kans kan men als volgt afleiden. Langs de Zeeuwse oevers hebben in 100 jaar circa 1000 grote zettingsvloeiingen plaatsgevonden. De lengte van de oevers met losgepakt zand in voldoende dikke lagen wordt geschat op 100 km. Zodoende ging het om 0,1 zettingsvloeiing per jaar per km oever met verwekingsgevoelig zand. Deze ervaring is opgedaan bij taluds waarvan de karakteristieken zijn weergegeven in Tabel 6.1 (uit [Silvis & de Groot 1995]).

Tabel 6.1 Geometrische karakteristieken van de dwarsprofielen langs Zeeuwse oevers waar grote zettingsvloeiingen zijn opgetreden

Deze statistiek is pas bruikbaar in andere situaties als de geometriewijziging die in Zeeland werd veroorzaakt door erosie en aanzanding, vertaald wordt naar de geometriewijziging die daar veroorzaakt wordt door erosie, aanzanding of anderszins. Stel dat de taludwijziging die in een dergelijke andere situatie optreedt 10 maal zo snel gaat als die welke langs een (onbeschermde) Zeeuwse oever optreedt als gevolg van erosie en/of aanzanding. Dan zou voor een gelijke taludhelling en taludhoogte volgen, dat de kansdichtheid van een zettingsvloeiing met losgepakt zand 1 per kilometer taludlengte per jaar bedraagt.

Het is verder van belang op te merken dat bij de Zeeuwse vooroevers veelal sprake is van relatief fijn zand (D50ligt tussen 150 en 250 _um). Een afwijkende zandgradatie geeft eveneens aanleiding tot nuancering van de statistiek.

Op basis van de gegevens werd in Zeeland de stelregel afgeleid, dat over een hoogte van 5 meter een taludhelling van 1:3 overschreden zou moeten worden wil een zettingsvloeiing op kunnen treden. Het is niet aan te raden die regel elders toe te passen. Immers bij grotere taludhoogten blijkt dat circa 15 % van de opgetreden vloeiingen bij taludhellingen flauwer dan 1:4 zijn geïnitieerd (Tabel 6.1).

In [CUR 2008] zijn de resultaten weergegeven van een inventarisatie van vele zandwinputten in Nederland. Daaruit volgt een andere ervaringsstatistiek. Die lijkt echter niet bruikbaar voor de toetsing van waterkeringen gezien de dominerende invloed van het baggerproces op die statistiek.

Op basis van aanvullende berekeningen met SLIQ2D blijkt dat de kans op een verwekingsvloeiing ongeveer met een factor 10 toeneemt als cot_aR met een factor 1,5 afneemt (taludhelling neemt bijvoorbeeld toe van 1:6 naar 1:4) of H_R met een factor 3 toeneemt (bijvoorbeeld van 10m naar 30m) of als R_e met 10% afneemt (bijvoorbeeld van R_e=0,40 naar R_e=0,30). Daaruit zou men kunnen afleiden dat de kansdichtheid de volgende is:

met:

H_R = (fictieve) rekenhoogte talud (m)

cot _αR = cotangens van de (fictieve) rekenhellingshoek (-)

R_e = laagste waarde van de relatieve dichtheid, gemiddeld over 3m hoogte tussen de maatgevende waterstand en 0,3 H_R onder de teen (-).

Voor de bepaling van de rekentaludhoogte en –helling wordt verwezen naar paragraaf 5.2.2. Indien de onderkant van de diepste verwekingsgevoelige laag zich boven de teen van de geul bevindt, kan de voor bepaling van H_R de onderkant van de diepste verwekingsgevoelige laag aangehouden worden. Conservatief kan voor de rekentaludhelling ook de gemiddelde geulhelling genomen worden.

Zowel de onzekerheid van de relatieve dichtheid, indien deze bepaald wordt volgens stap 6b, als de onzekerheid door variaties in de fictieve taludhoogte en de fictieve taludgradiënt binnen één dijktraject, kunnen worden opgevangen door toepassing van een modelfactor van 1,52.

De kans die met bovenstaande formule wordt berekend, is uitgedrukt in kans per kilometer per jaar. Om tot de representatieve kans per jaar te komen moet de berekende kans (naast de voorgestelde modelfactor) nog met de lengte van het dijktraject worden vermenigvuldigd. De lengte van het dijktraject wordt bepaald door overeenkomende geologische en geometrische karakteristieken. Aaneengesloten dijkstrekkingen met een even dik verwekingsgevoelig zandpakket, een even groot voorland en gelijk onderwatertalud moeten als één dijktraject worden genomen. Het opknippen van een dergelijk dijkvak met overeenkomende karakteristieken om zodoende de faalkans te verlagen is niet toegestaan.

De representatieve kans op het voorkomen van een zettingsvloeiing per dijktraject wordt hiermee:

met: