Hieronder worden de initiële mechanismen voor een grasbekleding op het buitentalud fenomenologisch beschreven. Afhankelijk van de hoogteligging van de bekleding ten opzichte van de waterstanden die tijdsafhankelijk kunnen optreden, krijgt de bekleding verschillende belastingen te verwerken. Op het buitentalud, even onder de waterlijn wordt de bekleding belast door golfklappen; op het buitentalud boven de waterlijn is er sprake van golfoploop die de bekleding belast.

Andere storm gerelateerd belastinggevallen die schade aan grasbekledingen kunnen opleveren, zijn (ook) gerelateerd aan een relatief hoge grondwaterstand. Bij een hoge grondwaterstand in de dijk in combinatie met golfterugtrekking kan de grasbekleding op het buitentalud, bestaande uit een graszode en een kleilaag, afschuiven.

Voor grasbekledingen op het buitentalud zijn er twee initiële mechanismen die in dit artikel worden beschreven:

• Erosie gras op buitentalud.
• Afschuiven gras op buitentalud.

Erosie gras op het buitentalud

Erosie van de grasbekleding op het buitentalud treedt op als gevolg van twee belastingtypes: de golfklap- en de golfoploop-belasting. Ook stroming langs de dijk kan tot enige erosie leiden, maar hieraan wordt in dit artikel geen aandacht besteed.

De grondlaag tot circa 20 cm onder maaiveld levert de belangrijkste sterkte tegen erosie. Deze laag bevat in elk geval de graszode, maar ook nog een stukje kleilaag onder de zode waar nog veel wortels in zitten en waar wortels nog een grote positieve bijdrage leveren aan de erosiebestendigheid van de grond. De kleilaag onder deze toplaag levert ook nog een bijdrage aan de erosie-sterkte van de bekleding, maar wordt voor het initieel mechanisme niet gerekend tot de grasbekleding.

De golfklapbelasting treedt op rond, maar vooral onder de waterlijn. Grofweg ligt de belasting in de zone tussen een kwart significante golfhoogte boven het waterpeil en een significante golfhoogte onder het waterpeil. Het zwaartepunt van de klappen ligt een halve significante golfhoogte onder het waterpeil.

Met het verloop van het waterpeil gedurende een hoogwatergolf of stormopzet varieert dus ook de plek waar de golfklappen optreden. Golfoploop treedt op in de zone boven het waterpeil, tot de hoogte die door de oplopende golftong wordt bereikt. Ook deze zone varieert dus met de waterstand en de golfcondities.

Erosie door golfklappen

Een golfklap door een brekende golf op het talud geeft een kortdurende lokale hoge waterdruk op het talud. Deze drukpuls dringt door in de zode en de onderliggende dijk en veroorzaakt hier drukgradiënten die de zode kunnen beschadigen en delen ervan verwijderen uit de grasbekleding. Tijdens het optreden van de piekdruk wordt de zode naar binnen, zijwaarts en naar buiten gedrukt, zie Figuur 1. Net na het wegvallen van de druk door de golfklap, kan er een situatie ontstaan waarbij in en onder de zode nog even een overdruk aanwezig is, waardoor een buitenwaarts gerichte drukgradiënt ontstaat die de zode naar buiten drukt. Bij grote golfklappen wordt grond plastisch en treden onomkeerbare vervormingen op. Dit alles gebeurt in heel korte tijd, in een fractie van de golfperiode.

Figuur 1 Schetsmatige weergave van een golfklap op het talud, de grondwaterstroming (dunne blauwe peilen) en grondverplaatsing (dikke bruine peilen) [Kruse, 2010].

Een dicht gewoven wortelnet van een graszode heeft een grote sterkte en veerkracht. Uit golfgootproeven en ervaringen tijdens hoogwater in het verleden is gebleken dat de dichtheid van het wortelnet een veel belangrijkere factor is in de erosiebestendigheid van de grasbekleding dan de erosiebestendigheid van de grond. Een gesloten zode met een gesloten wortelnet op een weinig erosiebestendige schrale grond zal een golfklapbelasting veel langer kunnen weerstaan dan een open zode met een minder dicht wortelnet in combinatie met een erosiebestendige grond. Een dicht wortelnet houdt de grond in de zode op een effectieve manier vast. Echter, onder herhaalde belastingen van golfklappen kan het wortelnet uiteindelijk toch scheuren en eroderen. Dit is een initieel mechanisme dat wordt onderscheiden als gevolg van erosie van de grasbekleding. Zowel de golfhoogte als de tijdsduur van de golfklapbelasting zijn hierbij van belang.

Na het ontstaan van een gat in de graszode wordt de dijk aangesproken op erosie-sterkte, een vervolgmechanisme dat wordt onderscheiden als gevolg van erosie van de grasbekleding. De losse klei vlak onder de zode zal snel eroderen. Het gaat om de laag van maaiveld tot circa 0,3 m diepte die bestaat uit een relatief losse stapeling van aggregaten, waar het wortelnet van de graszode afwezig is, of in elk geval niet meer zo effectief is als in de bovenste circa 0,2 m. De direct naast het gat gelegen zode wordt ondermijnd, doordat de losse grond van onder de zode kan wegspoelen. De randen van het ontstane gat in de zode kunnen ook aanleiding zijn voor een concentratie van de belasting. Bij verder gaande erosie van de klei onder de graszode ontstaat een flauw talud (terras) net onder de waterlijn en een steile wand bij de insteek van de erosiekuil, zie Figuur 2. Naar dit proces van erosie van de onderlagen, is veel onderzoek gedaan, mede door middel van grote golfgootproeven en veldproeven met simulatoren. In klei gaat dit proces uiteraard veel langzamer dan in zand.  Voor klei wordt wel onderscheid gemaakt tussen de laag tot 0,5 m onder het taludoppervlak en klei die dieper zit. Als er zand aanwezig is, dan ligt het voor de hand om de erosie-sterkte te verwaarlozen, tenzij de hoeveelheid zand ten opzichte van de belastingen en belastingduur dusdanig is dat het dijklichaam als duin zou kunnen opereren.

Figuur 2 Schetsmatige weergave faaltraject veroorzaakt door erosie grasbekleding door golfklappen.

Als erosie leidt tot een resterend dijkprofiel dat lager is dan de waterstand, dan overstroomt het achterland en faalt de dijk. Verlaging van het profiel beneden de waterstand kan optreden als gevolg van doorgaande erosie. Het is echter ook mogelijk dat gedurende het erosieproces, wanneer nog maar een deel van het dijklichaam is aangetast door erosie, er een ander vervolgmechanisme optreedt. Door het steeds smaller wordende profiel kan het binnentalud van de dijk eerder instabiel worden door toename van de waterspanningen in de dijk (afschuiven) of door overslaande golven (stabiliteit bekleding bij golfoverslag).

Erosie door golfoploop

De belasting die erosie van de grasbekleding kan veroorzaken bestaat in de oploopzone uit stroming door golfoploop en golfneerloop. De voor golfklappen karakteristieke waterdruk-puls blijft bij golfoploop achterwege.

Een dijk met grasbekleding op het buitentalud die wordt blootgesteld aan golven zal meestal als eerste falen in de golfklapzone, want de golfklapbelasting is veelal maatgevend boven de golfoploopbelasting. In veel gevallen zal in de zone in het dijkprofiel waar zware golfklappen worden verwacht een harde bekleding liggen en zal alleen het bovenste deel van het talud zijn bekleed met gras. Er zijn veel gevallen waarbij het gras boven de harde bekleding alleen door golfoploop en neerloop wordt belast. Opgemerkt wordt dat in dergelijke gevallen altijd sprake is van een overgang van een harde bekleding naar een grasbekleding. Deze overgang is een zwakke plek, omdat de sterkte van het gras hier lager en de belasting juist hoger is. Dit komt door de ruwheidsverschillen en/of hoogteverschillen tussen beide overgangen.

De stroming van de oplopende en neergaande golftong is turbulent, waardoor de graszode wordt onderworpen aan een snel wisselende waterdruk. De drukwisselingen planten zich gedempt en vertraagd door in de zode en de hieronder liggende grondlagen. Hierdoor en door de ruimtelijke variabiliteit van de wisselende druk over het talud, wordt de zode blootgesteld aan binnen- en buitenwaarts gerichte drukgradiënten. De drukgradiënten met een buitenwaartse richtingscomponent kunnen op den duur stukken zode uit de grasbekleding trekken. De grootte van de belasting is afhankelijk van de laagdikte en snelheid van de golftong en van de turbulentie-intensiteit. Deze parameters zijn weer afhankelijk van de golfhoogte en van de hoogteligging van de te beoordelen graszode ten opzichte van de stilwaterlijn. Ook de stormduur, of eigenlijk de tijd dat een te beoordelen grasbekleding zich in de golfoploopzone bevindt, is van belang.

Uit drukmetingen bij golfoploopproeven nabij Colijnsplaat in Zeeland blijkt dat vooral bij golfoploop de graszode wordt belast met een snel wisselende druk. De amplitude van de drukwisselingen bij de neerloop zijn aanzienlijk kleiner. Ook de frontsnelheid van de oplopende golftong is aanzienlijk hoger dan de stroomsnelheid van de golfneerloop. Hieruit is afgeleid dat het vooral de golfoploop is die zorgt voor erosie en in veel mindere mate de golfneerloop. Tevens is geconstateerd dat vanaf de stilwaterlijn de golftong met min of meer constante frontsnelheid het talud op loopt tot circa 75% van de uiteindelijk te bereiken oploophoogte. In de laatste 25% neemt de snelheid af tot stilstand, waarna de stroming langzaam weer versnelt in neerwaartse richting.

Net als bij erosie door golfklappen wordt de weerstand tegen erosie bij golfoploop hoofdzakelijk verzorgd door het wortelnet van de graszode. Hoe dichter dat wortelnet hoe beter de zode bestand is tegen erosie. De erosiebestendigheid van de grond is minder belangrijk. Voor het verkrijgen van een dicht gewoven wortelnet is een goed beheer noodzakelijk. Hierover is in de literatuur veel informatie te vinden, waarbij wordt opgemerkt dat het beheer moet zijn gericht op het verkrijgen van een dicht wortelnet.

Na het falen van de grasbekleding kan de erosie van de onderlagen en de dijkkern uiteindelijk leiden tot kruindaling en uiteindelijk tot falen van de dijk. Dit is de resterende sterkte van de dijk na falen van de grasbekleding. Dit proces verloopt vergelijkbaar met dat bij falen van de grasbekleding door golfklappen (zie eerder in dit artikel), met dien verstande dat falen hoger op het talud zal plaatsvinden, waar het profiel smaller is, maar waar de belasting kleiner is. Er is weinig bekend over de resterende sterkte na falen van de graszode in de golfoploopzone. Het kan zijn dat een schade die optreedt ter plaatse van de overgang tussen de harde bekleding en de grasbekleding, eerst de harde bekleding zal ondermijnen tot het waterniveau, waarna eenzelfde terrasvormige erosiekuil ontstaat als na falen van het gras door golfklappen, zie Figuur 3. Als dit niet gebeurt, dan is het onbekend hoe snel de erosie kan voortschrijden.

Figuur 3 Schetsmatige weergave faaltraject veroorzaakt door erosie van de grasbekleding door golfoploop.

Overzicht van het faaltraject erosie grasbekleding op het buitentalud

Een voorbeeld van een faalpad voor het falen van grasbekleding op het buitentalud als gevolg van golfklappen of golfoploop is weergegeven in Figuur 4. De linker tak in deze figuur heeft betrekking op een grasbekleding in de golfklapzone, de rechter tak betreft een grasbekleding in de golfoploopzone.

Figuur 4 Faalpad van dijk als gevolg van erosie van de grasbekleding op het buitentalud.

Afschuiven gras op het buitentalud

Inleiding en afbakening

Voor het mechanisme afschuiven wordt tot de grasbekleding gerekend het gras inclusief de kleilaag die op de ondergrond van zand ligt. Het mechanisme betreft stabiliteitsverlies van het geheel van graszode en kleilaag. De zandlaag zal in het algemeen de zandkern van een dijk zijn. Het is echter ook mogelijk dat sprake is van een plaatselijk aanwezige zandlaag of zandinsluiting onder de kleilaag (bijvoorbeeld een zogenaamde zandscheg). In geval de grasbekleding direct op een kleikern ligt, kan er geen afschuiving van de bekleding optreden.

De beschrijving van het mechanisme is deels ontleend aan een studie naar afschuiving bij steenzettingen [Klein Breteler, 2007]. Deze studie is uitgevoerd met een steenzetting op een kleilaag op zand, maar het resultaat is evengoed toepasbaar voor een graszode op een kleilaag.

Hoewel we spreken van ‘afschuiven’, zou stabiliteitsverlies een betere benaming zijn. De kleilaag kan als gevolg van een te groot drukverschil over de kleilaag opdrukken, afschuiven of een combinatie van beide mechanismen vertonen.

Dit mechanisme gaat niet om de gevolgen van golfklappen op de gras- en kleibekleding. Golfklappen zouden door een cyclische belasting van het onderliggende zand ook voor tijdelijke en gedeeltelijke verweking van het zand kunnen zorgen, waardoor de kleilaag plaatselijk de steun van het zand verliest en als gevolg daarvan vervormt. Aangenomen wordt dat dit effect voor gangbaar aanwezige kleilaagdiktes geen rol van betekenis speelt.

Ook plaatselijke vervormingen van de kleilaag zelf als gevolg van golfklappen maken geen onderdeel uit van het hier beschreven mechanisme.

Er is een gelijkenis van het mechanisme met het mechanisme afschuiven in buitenwaartse richting. De belasting bij de beoordeling van afschuiven in buitenwaartse richting bestaat uit een val van hoogwater, en het achterblijven van hoge waterspanningen in de dijk. Het effect van golven wordt bij het mechanisme afschuiven in buitenwaartse richting niet meegenomen. De karakteristieke tijd waarbinnen het mechanismen kan optreden is in de orde van een etmaal tot dagen, waarbij relatief diepe glijvlakken kunnen optreden. Bij het mechanisme afschuiven buitentalud is dit anders. De belastingsituatie is gekoppeld aan een hoogwatersituatie en niet aan een situatie met een lage buitenwaterstand na hoogwater met golven. Bij het mechanisme afschuiven buitentalud wordt alleen de stabiliteit van de kleibekleding beschouwd (relatief ondiepe glijvlakken). De belasting is afhankelijk van de mate van golfterugtrekking. De karakteristieke tijd is in de orde van seconden.

Afschuiven grasbekleding

Tijdens extreme omstandigheden, bij een hoge waterstand en hoge golven, kan een voor de stabiliteit van de bekleding op het buitentalud ongunstige situatie optreden. Als het freatisch vlak in het zand onder de klei hoog is, dan is ook de druk onder de kleilaag hoog. Echter op het moment van golfneerloop, vlak voordat een volgende golf op het talud klapt, is de druk op het talud juist laag. Hierdoor ontstaat over een deel van de kleilaag een ongunstig buitenwaarts gericht verval. Op het punt van maximale golfneerloop is het drukverschil over de kleilaag het grootst, zie Figuur 5. Hier zal de effectieve spanning op het grensvlak tussen de kleilaag en het zand het meest afnemen of zelfs helemaal verloren gaan, wat kan leiden tot stabiliteitsverlies van de kleilaag.

Figuur 5 Gemodelleerde weergave kritische situatie voor de stabiliteit van de kleibekleding bij golfneerloop.

Voor het optreden van een ongunstig verval over de kleilaag is het van belang dat in het zand onder de kleilaag een relatief hoog freatisch vlak aanwezig is, in elk geval hoger dan het punt van maximale golfneerloop. Dit is denkbaar als de bekleding, of in elk geval een deel van de bekleding, relatief doorlatend is en er tijdens een hoogwater makkelijk water in het zand dringt. Hierbij wordt opgemerkt dat ook in de golfoploopzone water in de dijk kan infiltreren, waardoor het freatisch vlak stijgt. Ook indien het onderliggende zandlichaam klein is, bijvoorbeeld in het geval van een zandscheg, dan zal het freatisch vlak hierin snel kunnen oplopen.

Een hoog freatisch vlak in de dijk kan ook optreden indien er onder dagelijkse omstandigheden onvoldoende drainage van de zandkern mogelijk is in combinatie met een langdurige regenperiode. Dit kan dan leiden tot stabiliteitsproblemen van de kleilaag en/of het uitspoelen van zand. Het zal echter alleen tot een veiligheidsprobleem kunnen leiden als dit gelijktijdig optreedt met een extreem hoogwater in combinatie met hoge golven.

Een tweede factor van belang voor een ongunstig verval is de golfneerloop. Bij grote golven is het verschil tussen de buitenwaterstand en het punt tot waar de golf zich terugtrekt het grootst. Hoe groter de golfhoogte hoe ongunstiger dit is.

Het ongunstige verval over een deel van de kleilaag kan leiden tot opdrukken van de kleilaag (Figuur 6), tot afschuiven van de kleilaag (Figuur 7) of tot een combinatie van beide mechanismen (Figuur 8). Welk van de mechanismen maatgevend is, hangt af van de specifieke situatie, zoals van de sterkte van de kleilaag, de dikte en het gewicht van de kleilaag, de drukverdeling over de kleilaag en de taludhelling.

Figuur 6 Opdrukken van de kleilaag als de druk onder de kleilaag plaatselijk hoger is dan de druk boven de kleilaag plus de gewichtscomponent van de kleilaag loodrecht op het talud.

Figuur 7 Afschuiven van de kleilaag. Hierbij hoeft geen opdrukken op te treden.

Figuur 8 Combinatie van opdrukken en afschuiven.

Voor het opdrukken van de kleilaag, zie Figuur 6, is het nodig dat de druk onder de kleilaag minimaal gelijk is aan gewichtscomponent van de kleilaag loodrecht op het talud plus de eventueel nog aanwezige waterdruk op het talud. In een grootschalige Deltagoot proef is waargenomen dat een 1,4 keer hogere druk niet heeft geleid tot falen door opdrukken [Bosters, 2008]. Dit kan mogelijk worden verklaard doordat het opdrukken slechts plaatselijk optreedt; de drukverdeling over de kleilaag boven en onder het punt van maximale golfterugtrekking is gunstiger. Daarbij heeft een kleilaag mogelijk enige sterkte tegen doorbuiging door enerzijds boogwerking in de klei en aanvullend hierop, specifiek voor grasbekledingen, een treksterkte bovenin de kleilaag door de wortels in de zode.

Bij het regelmatig onder golfwerking enigszins opdrukken van de kleilaag kan de ontstane holte tussen de kleilaag en de zandkern worden opgevuld door migratie van zand. Dit leidt tot onomkeerbare kleine vervormingen van de kleilaag. Dit hoeft niet tot het falen van de bekleding te leiden, tenzij de vervormingen zodanig worden dat de klei en de graszode breken. Dit zou een geleidelijk proces kunnen zijn, veroorzaakt door opeenvolgende grote golven die telkens voor een klein beetje extra deformatie zorgen.

Wordt de druk te hoog dan wordt verondersteld dat de kleilaag opbarst: de klei met de graszode breekt. Dit kan gepaard gaan met het plotseling uitspoelen van zand. Bovendien zal de erosiebestendigheid van de bekleding, graszode en klei, zijn aangetast. Golven zullen eerst de restanten van de kleilaag en vervolgens het onderliggende zand eroderen. Uiteindelijk kan dit leiden tot een zodanig erosie dat kruindaling, bresvorming en overstroming van het achterland optreedt.

Ook zonder opdrukken van de kleilaag kan de bekleding falen door afschuiven van een deel van de kleilaag, zie Figuur 7. Bij steile taludhellingen kan de schuifsterkte op het vlak tussen de kleilaag en de zandkern al grotendeels zijn gemobiliseerd, enkel door het gewicht van de kleilaag. Een ongunstige verandering van het verval over de kleilaag kan daarop leiden tot het afschuiven van de kleilaag. De kleilaag zal min of meer evenwijdig aan het talud afschuiven. Onderaan, waarschijnlijk nabij het laagste punt van de terugtrekkende golf, zal de grondmoot uitbreken. Bovenaan zal een scheur ontstaan. Na het gedeeltelijk afschuiven van de kleilaag is het proces tot aan overstromen van het achterland zoals hierboven bij opdrukken omschreven.

Een derde, gecombineerde, mogelijkheid van falen van de bekleding is het opdrukken en opbarsten van de kleilaag, aansluitend gevolgd door het afschuiven van de bovenliggende kleilaag, zie Figuur 8. Door het opbarsten verliest de bovenliggende grond zijn steun. Het opdrukken en opbarsten helpt als het ware het uitbreken van het stukje glijvlak onderaan de afschuivende kleilaag. Het vervolgproces tot aan eventueel overstromen van het achterland verloopt ook hier zoals boven beschreven.

Overzicht van het faaltraject erosie grasbekleding op het buitentalud

Het traject dat leidt tot falen van de dijk als gevolg van instabiliteit van de grasbekleding op het buitentalud als gevolg van golfaanval staat in Figuur 9.

Figuur 9 Gebeurtenissen leidend tot falen van de dijk door afschuiven van de bekleding op het buitentalud.