Ontwerp van maatregelen - Rekenvoorbeelden

Ontwerp van maatregelen

Nu uit de toetsing is gebleken dat de situatie niet voldoet, worden maatregelen ontworpen. De ontwerpuitgangspunten zijn hierbij:

• de maatgevende hoogwaterstand (MHW) = NAP + 14,6 m;
• een levensduur van 50 jaar.

Een eventuele verhoging van het MHW door de verwachte ontwikkeling van rivierafvoeren, rekenng houdend met rivierverruimingsmaatregelen, is al in de opgegeven waarde verwerkt.

De keuze tussen de mogelijke maatregelen zal in het algemeen op basis van een afweging plaatsvinden, waarbij de LNC waarden, kosten en beheer en onderhoud een rol kunnen spelen. In deze case staan de technische aspecten op de voorgrond en daarom wordt niet ingegaan op deze afweging.

Traditioneel wordt uitgegaan van de verlenging van de horizontale kwelweg middels een voorlandverbetering of een pipingberm. Gezien de grote berekende extra benodigde kwelweglengtes cq. pipingbermbreedtes stuiten de traditionele methodes hierbij op allerlei (ruimtelijke en praktische) bezwaren. Alternatieve methodes worden daarom in beschouwing genomen.

Pipingberm

De belangrijkste kenmerken van een pipingberm zijn de breedte en de hoogte.

De breedte is in principe gelijk aan het tekort aan kwelweglengte. Het uittreepunt wordt verlegd van de binnenteen tot binnendijks van de pipingberm. In de praktijk worden pipingbermbreedtes tot 30 m nog acceptabel geacht. Voor deze case worden dan ook alleen secties 3, 8 en 10 t/m 13 van het lengteprofiel voor een ontwerp van een pipingberm in beschouwing genomen. De waarden die zijn aangehouden voor het verval en de dikte van de binnendijkse kleilaag zijn hier mogelijk anders dan bij de binnenteen. Er zal op deze punten daarom een controle en zonodig aanpassing van de berekeningen moeten plaatsvinden.

De hoogte van de berm wordt zodanig berekend, dat geen opbarsten meer kan optreden ter plaatse van de berm. Deze berekening kent in principe de volgende stappen:

• berekening van de grenspotentiaal binnendijks van de pipingberm, bij de daar aanwezige kleilaagdikte;
• berekening van het potentiaalverloop tussen het intreepunt en het aangenomen uittreepunt;
• berekening van de vereiste bermhoogte, zodanig dat bij de optredende potentiaal geen opbarsten plaatsvindt, rekening houdend met een opbarstfactor van 1,2.

Deze berekeningen kunnen met de formules volgens de Leidraad voor het Ontwerpen van Rivierdijken, deel I [TAW, 1987] of met het computerprogramma WATEX worden gedaan. Het gewicht van de grond die gebruikt wordt in de pipingberm is een parameter die in de berekeningen een rol speelt. Bij de keuze van de grondsoort spelen een aantal overwegingen een rol. Vanwege de drainage van de dijk heeft zand de voorkeur, of in ieder geval een grondsoort die doorlatender is dan de grond in het dijklichaam. Daarnaast kan het toekomstige gebruik van het terrein een rol spelen. Bij gebruik als grasland zal in ieder geval een laag kleigrond als afdekking moeten worden toegepast. Voor deze case is uitgegaan van een gemiddeld soortelijk gewicht van 17,5 kN/m3 .

In Tabel 12.5 zijn de resultaten weergegeven. Hierbij is, voor deze case, aangenomen dat de maaiveldhoogte en dikte van de kleilaag binnendijks van de pipingberm gelijk zijn aan de waarden nabij de binnenteen.

Tabel 12.5 Afmetingen pipingberm

Bij de vormgeving van de pipingberm spelen nog de volgende overwegingen een rol:

• de taludhelling van het eind van de berm naar maaiveld kan gekozen worden afhankelijk van het toekomstige gebruik en onderhoud; -
• de bermhoogte en de bermbreedte zullen in de praktijk een gelijkmatig verloop krijgen, waarbij de berekende waarden als minimum gelden;
• het einde van de berm dient zodanig gekozen te worden dat ook kwelwegen die niet loodrecht op het dijktraject staan, kleiner worden dan de vereiste kwelweglengte;
• gezien de relatief dunne kleilaag kan diepwortelende beplanting, zoals bomen, of bebouwing niet worden toegestaan;
• afhankelijk van het toekomstig gebruik kan besloten worden een overhoogte aan te brengen; in het algemeen wordt geen of nauwelijks nevengebruik toegestaan op een pipingberm; indien het echter onvermijdelijk is, kan bijvoorbeeld 0,5 m extra grond worden aangebracht, om ruimte te creëren voor ploegen of voor de aanleg van tuinen.

Voorlandverbetering

De belangrijkste kenmerken van de voorlandverbetering zijn de breedte en de waterdoorlatendheid. Indien de waterdoorlatendheid zodanig wordt gekozen dat de spreidingslengte gelijk is aan de breedte van het voorland, dan wordt de breedte van de voorlandverbetering gelijk aan het tekort aan kwelweglengte. Om dit te bereiken dient de spreidingslengte voldoende groot te zijn. Als wordt uitgegaan van een kleilaagdikte van 1 m, met een doorlatendheid van 0,05 m/dag, dan blijkt dat de spreidingslengte enkele decimeters korter is dan de breedte van de voorlandverbetering. De vereiste breedten komen daarmee overeen met de breedte voor de pipingberm. De voorlandverbetering dient aan te sluiten op de aanwezige kleilagen. Boven de kleilaag wordt nog een afdekkende laag klei met een dikte van 0,5 m aangebracht, om uitdroging en verstoring van de laag door wortels en erosie te voorkomen. In principe mogen geen bomen worden geplant ter plaatse van de voorlandverbetering.

Ontlastsloot en Kwelscherm

Tussen hmp 14 en hmp 15,5 is de aanleg van een voorlandverbetering of pipingberm niet mogelijk. Een ontlastsloot met filterconstructie of een verticaal kwelscherm behoren wel tot de mogelijkheden.

Het ontwerp van een ontlastsloot met filterconstructie is vrij eenvoudig. De sloot dient tot in de watervoerende zandlaag te steken en voorzien te worden van een adequate filterconstructie. Deze constructie kent enkele nadelen, met name het risico dat de filterconstructie tijdens een hoogwater niet naar behoren werkt, waardoor toch piping op kan treden. Daarnaast dient rekening gehouden te worden met een vrij aanzienlijk debiet in de sloot. Deze mogelijkheid wordt hier niet verder uitgewerkt.

Het ontwerp van het kwelscherm kan met de methode van Lane gebeuren (hoofdstuk 5, formule (5.7)). De gewogen creepcoëfficiënt is in dit geval gelijk aan 6. Voor de maatgevende doorsnede bij hmp 14 geldt verder: H = 4,9 m en Lh = 31 m. Hiermee wordt berekend dat dan Lv ≥ 19,1 m moet zijn.

Dit kwelscherm kan zowel binnen- als buitendijks worden geplaatst. Bij plaatsing buitendijks dient de kleilaag goed aan te sluiten aan het scherm. Bij plaatsing binnendijks dient rekening gehouden te worden met een verhoogde potentiaal onder de dijk. Mogelijk zal in dat geval een kleine binnenberm nodig zijn, om te voorkomen dat de onderkant van het binnentalud opbarst.

Indien het kwelscherm binnendijks wordt geplaatst, wordt een heave situatie gecreëerd. Dimensionering gebeurt dan met de heaveregels.

De beschikbare modellen voor de heaveregels, gaan uit van een vrije uitstroom in zand. In het hier beschouwde geval is echter nog een kleilaag aanwezig. In de schematisatie is de kleilaag vervangen door zand. Dit lijkt een veilige aanname, omdat op deze wijze de weerstand die de opwaartse grondwaterstroming ondervindt door het opbarstkanaal, buiten beschouwing wordt gelaten.

In het spreadsheet worden de volgende waarden ingevuld:

• L = 31 m; - laagdikte zand buitendijks 20 m;
• laagdikte zand binnendijks 22 m; -
• lengte kwelscherm binnendijks 2 m.

Bij deze waarden wordt een toelaatbaar verval van 5,22 m berekend. Dit is minder dan het aanwezige verval van 4,9 m.

Echter, in werkelijkheid is de kleilaag wel aanwezig, en heeft een dikte van circa 2 m. Indien hierin een kwelscherm wordt geplaatst met een lengte van 2 m, verandert er in feite niets aan de situatie. Geometrie en grondopbouw blijven dan pipinggevoelig, en volgens de beoordeling met de methode van Sellmeijer, wordt niet aan het pipingcriterium voldaan. De oplossing hiervoor is om de geometrie zodanig te veranderen, dat piping geen rol meer speelt. Dit kan worden bereikt door het kwelscherm door de kleilaag en in de zandlaag te plaatsen. Voor de lengte van het kwelscherm onder de kleilaag, kan een minimale maat worden genomen, van bijvoorbeeld 1 m. De totale lengte van het kwelscherm wordt daarmee dus 3 m. Ook voor deze situatie is het spreadsheet toegepast. Er wordt dan een toelaatbaar verval van 7,06 m berekend.

Bij het vaststellen van het begin- en eindpunt van het kwelscherm, dient een zodanige overlap met de pipingberm en/of voorland aangehouden te worden dat de voor alle mogelijke kwelwegen voldaan wordt aan de berekende eisen.

Mogelijke gebreken en schadebeelden

Ondanks de maatregelen die genomen worden, kunnen na de verbetering, tijdens een hoogwater, toch fenomenen optreden die lijken te wijzen op een pipingprobleem. In onderstaande Tabel 12.6 zijn de belangrijkste samengevat, inclusief mogelijke oorzaken.