Interpretatie van peilbuiswaarnemingen bij het onderstromen van hoog voorland

Bij het onderlopen van voorland tijdens hoogwater is de situatie wezenlijk anders dan tijdens normale omstandigheden, wanneer de rivier in het zomerbed blijft.

In figuur 1 is een geschematiseerde situatie gegeven van een dijk met hoog voorland die ook wel wordt aangeduid als model 3E, zie ook het artikel Analytische modellen voor de interpretatie van peilbuiswaarnemingen.

Bij de metingen moet rekening worden gehouden met het onderlopen van het voorland tijdens hoogwater. Niettemin is een peilbuismeting tijdens normale omstandigheden te gebruiken voor ontwerpomstandigheden met ondergelopen voorland, door gebruik te maken van de methode van cyclische of transiënte lekfactor.

De te analyseren situatie bestaat uit 3 secties:

• Rivierbed (met sliblaag) met lekfactor λ''' Lekfactor van het rivierbed [m].
• Voorland (met deklaag) met lekfactor λ'' Lekfactor van het voorland van de dijk [m].
• Achterland (met deklaag) met lekfactor λ' Lekfactor van het achterland van de dijk [m].

Voor dit drie-sectie systeem bestaat een analytische oplossing. Maar de uitdrukkingen zijn gecompliceerd en niet geschikt voor een handmatige evaluatie. Evaluatie met reken-intensievere numerieke modellen is uiteraard ook mogelijk. Dit artikel gaat echter uit van de analytische aanpak waarin de lekfactoren de cruciale parameters zijn.

Een vereenvoudigde aanpak is in sommige situaties mogelijk met behulp van cyclische lekfactoren, daarbij gebruikmakend van de in het artikel Tijdsafhankelijke lekfactor voor niet-stationaire stroming gepresenteerde formules. Het systeem wordt daarbij opgedeeld in twee subsystemen:

• Rivierbed en eventueel voorland van de zomerkade, met lekfactor λ'''_ω Cyclische lekfactor van het rivierbed [m].
• Voorland van de winterdijk en achterland, met lekfactor λ''_ω Cyclische lekfactor van het voorland van de dijk [m].

In het voorland en achterland zijn in totaal 4 peilbuizen geplaatst, zoals in de figuur 1 is aangegeven.

Peilbuizen A en B worden gebruikt om voor wisselingen in het zomerbed (droog voorland) de weerstand van rivierbodem en voorland vast te stellen. Deze evaluatie levert λ'''_ω Cyclische lekfactor van het rivierbed [m] en λ''_ω Cyclische lekfactor van het voorland van de dijk [m].

Hierbij wordt verondersteld dat het achterland identieke eigenschappen bezit als het voorland tussen zomer- en winterdijk. Als het voorland een lengte van betekenis heeft, dan is deze aanname gerechtvaardigd. Als criterium kan worden gesteld dat het achterland nauwelijks invloed heeft, als geldt dat de lengte van het voorland L Lengte [m]₁ groter is dan de gevonden cyclische lekfactor:

L Lengte [m]₁ > λ''_ω Cyclische lekfactor van het voorland van de dijk [m]

Waarin:

L₁ Lengte voorland, tussen zomer- en winterdijk [m].

λ''_ω Cyclische lekfactor voor het voorland [m].

Vervolgens worden resultaten van peilbuis C en D benut om λ'_ω Cyclische lekfactor van het achterland van de dijk [m] te bepalen. De gevonden waarden λ''_ω Cyclische lekfactor van het voorland van de dijk [m] en λ'_ω Cyclische lekfactor van het achterland van de dijk [m] zijn nu te gebruiken voor de analyse van de situatie bij extreem hoogwater. Vanwege het onder water komen van de droge deklaag in het voorland wordt een extra weerstand (luchtinsluitingen) gemobiliseerd. In de hier gesuggereerde aanpak is die niet meegenomen.

Een complicatie vormt het feit dat het consolidatiegedrag in het gebied tussen zomer- en winterdijk bij extreem hoogwater wordt bepaald door samendrukking terwijl dat gebied, zolang de rivier in zijn zomerbed blijft, fungeert als achterland waar er sprake is van zwel. Compressie en zwel hebben te maken met respectievelijk belasten en ontlasten. De consolidatiecoëfficiënt van samendrukbare grond bij belasten is significant groter dan bij ontlasten. Derhalve is de λ''_ω Cyclische lekfactor van het voorland van de dijk [m] voor extreem hoogwater een andere dan bij de zomerpeilfluctuaties, omdat de consolidatiecoëfficiënt c_vConsolidatiecoëfficiënt [m²/s] voorkomt onder een 4e machtswortel:

Echter de consolidatiecoëfficiënt wijkt bij herbelasten weinig af van de waarde bij ontlasten. Bovendien zal het meestal zo zijn, dat de belasting boven de historisch extreme waarde gering is. Daarnaast wordt het feitelijk verschil in λ''_ω Cyclische lekfactor van het voorland van de dijk [m] gereduceerd door de 4e machtswortel. Een orde van grootte van het effect van belasten boven de historisch extreme waarde zal daarom gering zijn.

In de literatuur [Bauduin, 1988] is een specifieke situatie uitgewerkt aan de hand van peilbuismetingen (zie figuur 2) voor een dijk met voorland. Uit de metingen is te zien dat er sprake is van significante demping, maar – vreemd genoeg – nauwelijks van vertraging (door volstromen van voorland vindt er een negatieve voorijling plaats. Voor een toelichting op de begrippen voor- en naijlen zie [de Lange, 1986]). Het resultaat van de analyse in deze case/studie is een voorlandlekfactor van 90 m en een achterlandlekfactor van 300 m. Met deze informatie kan vervolgens een willekeurige (extreem) hoogwatersituatie worden geanalyseerd.