Bij het schematiseren van de ondergrond wordt de beschikbare informatie over de grondopbouw verwerkt tot een ondergrondmodel waarin het vóórkomen van verschillende grondlagen of afzettingen schematisch wordt weergegeven. Het gaat daarbij zowel om het dijklichaam zelf als de ondergrond, al dan niet natuurlijk, waarop deze rust. Van de verschillende grondlagen die zich van elkaar onderscheiden door specifieke eigenschappen, wordt het niveau aangegeven (meestal ten opzichte van NAP) waarop de grondlagen voorkomen. Wanneer alleen geologische afzettingen of formaties zijn weergegeven, is sprake van een geologisch model, zie ook Geologische beschrijving ondergrond. Wanneer onderscheid is gemaakt naar geotechnische kenmerken van de ondergrond kan worden gesproken van een geotechnisch ondergrondmodel. In onderstaand artikel wordt daar verder op ingegaan.

Inleiding

Het eerste uitgangspunt voor het ondergrondmodel is de globale Stochastische Ondergrondschematisatie (SOS). Deze is voor alle primaire waterkeringen in Nederland opgesteld. In een stochastische ondergrondschematisatie worden de verschillende mogelijkheden (scenario’s) beschreven voor de opbouw van de ondergrond die zich op een locatie kunnen voordoen. De ondergrondscenario’s in het SOS zijn opgesteld voor de natuurlijke ondergrond, uitgaande van een onbelaste situatie. Van belang is te bedenken dat de laagopbouw onder de dijk weliswaar hetzelfde verondersteld mag worden als in de omgeving, maar zal afwijken in laagdiktes en materiaaleigenschappen.

Op basis van de reeds beschikbare lokale informatie en/of gegevens uit aanvullend lokaal grondonderzoek worden deze generieke SOS-scenario’s verder gedetailleerd in diepteligging en uitgestrektheid van de lagen. Sommige scenario’s kunnen op basis van de lokale grondgegevens worden uitgesloten, andere kunnen worden verfijnd met sub-scenario’s. De werkwijze om het generieke SOS te verfijnen voor de lokale omstandigheden is uitgewerkt in de handleiding SOS.

Van de onderscheiden lagen dienen de laageigenschappen te worden vastgesteld. Het artikelen Bepalen van grondeigenschappen, gaat hier uitgebreid op in.

Globale werkwijze bij schematiseren

In deze paragraaf worden verschillende stappen beschreven die doorlopen worden om te komen tot schematiseringen van een of meer representatieve opbouw van de ondergrond van de dijk in een beschouwde dijkstrekking. Deze stappen zijn:

1. Karakterisering van de ondergrondopbouw in de omgeving van de dijk.
2. Geohydrologische karakterisering.
3. Geotechnische schematisering.
4. Keuze representatieve opbouw van de ondergrond.

De volgende sub-paragrafen beschrijven deze stappen.

Overigens is voor het opstellen van de globale stochastische ondergrond schematisatie (SOS) stap 1 en 2 al doorlopen. De toekenning van een bereik van geotechnische parameter-waarden aan de onderscheiden lagen, die in sommige gevallen ook onderdeel uitmaakt van SOS, is op een globaal niveau, feitelijk stap 3.

Karakterisering van de ondergrondopbouw in de omgeving van de dijk

Deze karakterisering dient om inzicht te krijgen in de voorkomens van grondlagen en (onder)grondopbouw-typen die relevant zijn voor de verschillende potentiële faal- of bezwijkmechanismen van de dijk. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de aanwezigheid van zandbanen, kleilenzen, grindbanken enz. Deze verschijnselen kunnen lokaal van aard zijn en zo beperkt van omvang dat ze bij ‘normaal’ grondonderzoek in de directe omgeving van de dijk (bijvoorbeeld sonderingen om de 100 meter) niet worden opgemerkt. Deze karakterisering verschaft handvatten om, ook wanneer dit niet uit het ‘normale’ grondonderzoek bij de dijk zelf blijkt, met de mogelijke aanwezigheid ervan toch rekening te houden bij de schematisering van de dijk en de directe ondergrond.

Verder dient deze karakterisering om een beeld te krijgen van de geohydrologische systematiek in de ondergrond. Van belang hierbij is dat onderkend wordt welke factoren in de omgeving van de dijk invloed kunnen hebben op de voor de stabiliteit relevante waterspanningsopbouw in en om de dijk. Denk hierbij aan respons van grondwaterstanden en grondwaterspanningen op de buitenwaterstand en peilbeheer binnendijks, maar bijvoorbeeld ook aan zaken in de omgeving als zandwinning (binnendijks), grondwateronttrekking, afgravingen in het voorland, baggerwerkzaamheden in een rivier, enz.

Het resultaat van deze schematiseringstap is dat een (globaal) beeld wordt verkregen van de bodemopbouw in de omgeving van de dijk en geohydrologische systeemkenmerken. Precieze ligging, dikte en eigenschappen van grondlagen of grondpakketten zijn nog niet van belang, die komen in de volgende stappen aan de orde.

De informatie die hierbij gebruikt wordt is divers van aard. Als al grondonderzoek ter plaatse van de dijk beschikbaar is, is dat een aanvulling die detaillering toevoegt aan gebiedservaring of kennis van de geologie van het gebied.

Gegevensbestanden met boringen en/of sonderingen in de omgeving (BRO, voorheen DINO-database) zijn onmisbare informatiebronnen voor het globale beeld van de ondergrondopbouw. Gebiedservaring en/of kennis van de geologie van het gebied zijn ook richtinggevend bij het vaststellen van de mogelijke aanwezigheid van lokale verschijnselen of structuren in de ondergrond in de directe omgeving van de dijk, die van belang kunnen zijn. Hiermee kan dan bij het opzetten van het grondonderzoek rekening gehouden worden.

Mogelijk is de uitkomst niet een (min of meer) eenduidige karakterisering, maar zijn er door ontbrekende informatie meerdere (essentieel verschillende) mogelijkheden. Deze moeten meegenomen worden bij de verdere schematiseringstappen.

Geohydrologische karakterisering

Op basis van de geïdentificeerde geohydrologische systeemkenmerken in de vorige stap moet de geohydrologische schematisering verder worden uitgewerkt. Veelal gaat het om waterspanningen in zandlagen onder de dijk die bij de binnenteen voor opdrijven of opbarsten zouden kunnen zorgen. Maar ook om het verloop van waterspanningen (verticaal) over klei- en veenpakketten en/of stijghoogtes in het dijklichaam, voor zover die via grondwaterstroming door de ondergrond ontstaan.

De geohydrologische karakterisering is een schematisering van lagen die watervoerend zijn (zandlagen) en slecht doorlatende pakketten (klei en veenlagen). Van de watervoerende lagen moet aangegeven worden hoe deze beïnvloed worden door het buitenwater en hoe dit doorwerkt op het waterspanningsbeeld in de dijk en de omgeving. Daarbij moet uiteraard rekening worden gehouden met de 3D configuratie van de lagen. In de slecht doorlatende deklagen en scheidende lagen wordt in de regel geen horizontale grondwaterstroming verondersteld, wel verticale grondwaterstroming door potentiaalverschillen tussen watervoerende lagen boven en onder de slecht doorlatende scheidende laag of potentiaalverschillen tussen een watervoerende laag en het freatisch vlak. Doel van de geohydrologische schematisering is primair het in beeld brengen van de mogelijke invloed van (veranderingen van) open waterpeilen en grondwaterpeilen in de omgeving op de ontwikkeling van waterspanningen in en nabij de dijk. Op basis van de geohydrologische schematisering kunnen rekenmodellen voor grondwaterstroming worden gekozen om de waterspanningen in de extreme situaties te berekenen of aan de hand van metingen te schatten (bijvoorbeeld extrapolatie van een meting van de getijderespons).

De benodigde mate van detail van de schematisering is afhankelijk van de rekenmodellen die men wil toepassen. Detailinformatie wordt ontleend aan:

• Boringen en sonderingen (voor het classificeren en schatten van de dikte van grondlagen).
• Eventueel waterspanning-responsmetingen in de zandlagen, om te verifiëren of en in welke mate deze communiceren met het oppervlaktewater.
• Soms waterspanningsmetingen in slecht doorlatende lagen.

Net als voor de globale karakterisering van de ondergrondopbouw geldt dat de geohydrologische karakterisering in de lengterichting van de dijk variabel kan zijn. Verder geldt ook dat de beschikbare informatie niet toereikend kan zijn om tot een eenduidig geohydrologische karakterisering te komen. Met additioneel grondonderzoek (bijvoorbeeld metingen van waterspanningen) kan dan geprobeerd worden wel een eenduidig(er) beeld te verkrijgen. Maar ook dan kunnen verschillende mogelijkheden overblijven. Die moeten worden meegenomen in het verdere schematiseringproces.

In het artikel Rekenprogramma’s grondwaterstroming is een overzicht van de rekenmodellen voor grondwaterstroming in dijken en ondergrond gegeven. In het artikel Eerste schatting van waterspanningen worden recepten voor eenvoudige schematisering, een eerste schatting van waterspanningen in en onder de dijk aangedragen.

Geotechnische schematisering

Op het schaalniveau van de dijk en de voor de stabiliteitsanalyses relevante directe ondergrond moeten de ruwe schematiseringen die uit stap 1) en 2) komen verder worden gedetailleerd en voorzien van relevante geotechnische parameterwaarden. Dit noemen we de geotechnische schematisering. Deze bestaat uit een min of meer driedimensionaal beeld van het verloop van grondlagen (in de diepte, in de richting loodrecht op de dijk en in de lengterichting ervan). Meer gedetailleerde informatie over ligging en dikte van de grondlagen is hierbij wel van belang, omdat de stabiliteitsanalyses daar gevoelig voor zijn. Verder moet aan de hand van de geohydrologische karakterisering een beeld worden afgeleid van de binnen die grondlagen heersende waterspanningen. Idealiter moet het op grond van deze schematisering mogelijk zijn op elke locatie in de lengterichting van de (beschouwde strekking van de) dijk een dwarsprofiel te genereren van dijk en ondergrond. Hierin zijn grondlagen en/of andere grondeenheden, en hierin optredende waterspanningen onder extreme condities vastgelegd.

Nadere detaillering van de opbouw van dijk en ondergrond en toekennen van geotechnische parameterwaarden aan de grondlagen in deze schematiseringstap moet op basis van grondonderzoek. Uitgangspunt hiervoor zijn boringen en sonderingen verdeeld over de lengterichting van de dijk. Aan de hand van de geïnterpreteerde boringen en sonderingen wordt een eerste beeld van de aanwezigheid van verschillende grondlagen en het verloop ervan in de lengterichting van de dijk geconstrueerd.

Van de in stap 1 geïdentificeerde in het gebied aanwezige geologische structuren van beperkte afmeting, zoals zandbanen of kleilenzen, moet worden nagegaan of deze ook in de gedetailleerder geotechnische schematisering direct bij de dijk een rol kunnen spelen. De mogelijkheid bestaat, bijvoorbeeld, dat zandbanen of kleilenzen in de ondergrond nabij de dijk aanwezig kunnen zijn, gezien het voorkomen in de omgeving, maar dat die niet aan het licht gekomen zijn bij het grondonderzoek.

In figuur 2 is, ter illustratie, de kans weergegeven dat bij sonderingen een in de ondergrond aanwezige lens met slap bodemmateriaal niet wordt opgemerkt, als functie van de afstand tussen de sondeerpunten in een raai in de lengterichting van de dijk. Hierbij is uitgegaan van een normaal verdeelde breedte van de lens, met een verwachtingswaarde van 75 meter en een standaardafwijking van 15 meter.

De afmetingen van zo’n lens zijn in elk geval relevant voor de taludstabiliteit van een dijk. We zien in deze figuur dat bij een zeer gebruikelijke sondeerafstand van 100 meter zo’n lens, indien aanwezig, met een kans van 10% door deze sonderingen niet wordt opgemerkt. De figuur is ontleend aan het tijdschriftartikel Optimalisatie Grondonderzoek vraagt heldere Kansenanalyse.

Dit kan betekenen dat wanneer op grond van de gebiedskarakterisering in stap 1 is vastgesteld dat lenzen van deze afmetingen kunnen voorkomen, er bij de geotechnische schematisering rekening mee gehouden moet worden dat die mogelijk ook onder of vlakbij de dijk aanwezig kunnen zijn, ondanks dat de sonderingen dit niet aangeven. In principe geldt dit ook voor andere geologische structuren van beperkte afmeting en de ligging in horizontale richting van begrenzingen van lagen. De kans daarop is afhankelijk van de dichtheid van voorkomen van die structuren in het gebied en is niet altijd even gemakkelijk te schatten.

Het is dus meestal het geval dat de beschikbare informatie niet leidt tot één eenduidige geotechnische schematisering, maar tot meerdere mogelijke schematiseringen.

Keuze representatieve opbouw van de ondergrond

Aan de hand van de geotechnische schematisering(en) moeten keuzes gemaakt worden voor de opbouw van de ondergrond die representatief is voor het ontwerpen van een dijk(versterking) of het beoordelen van de veiligheid van een bestaande dijk. Zoals gezegd kunnen de opbouw van de dijk en de ondergrond, maar ook waterspanningen in de dijk en de ondergrond variëren in de lengterichting van de dijk. Bovendien zijn er onzekerheden in de opbouw van de ondergrond, die in de analyse meegenomen dienen te worden.

Een arbeidsintensieve maar wel doeltreffende aanpak is om de dijkstrekking in secties te verdelen, waarvoor op basis van de hierboven beschreven schematiseringen een dwarsprofiel van de dijk, de ondergrondopbouw en de hierin heersende water(over)spanningen, behorende bij de extreme hydraulisch belastingen, te bepalen. Met informatie over de grondeigenschappen binnen de onderscheiden grondlagen kunnen dan voor elk van de secties een of meer stabiliteitsanalyses worden uitgevoerd. Representatief voor het op te stellen (dijkversterking)ontwerp, of voor een veiligheidsbeoordeling, is de opbouw van de ondergrond met de kleinste stabiliteitsfactor.

Deze aanpak vergt in beginsel stabiliteitsberekeningen voor alle in de lengterichting van de dijk onderscheiden ‘typische’ opbouwen van de ondergrond. Doorgaans zal het voor een ervaren ontwerper mogelijk zijn een (groot) deel van de opbouwen van de ondergrond al bij voorbaat op basis van kwalitatieve beoordeling als niet dominant te kwalificeren. Een algemeen recept hiervoor is echter niet te geven. Het systematisch zoeken, door alle secties ‘door te rekenen’ leidt in ieder geval tot een bruikbaar resultaat.

In de praktijk zal het keuzeproces een mengvorm zijn van kwalitatieve beoordeling en systematisch zoeken.

Benodigde informatie bij het schematiseren; grondonderzoek

Voor het opstellen van schematiseringen is informatie nodig. Hierbij kan onderscheid gemaakt worden tussen:

1. Een eerste opzet van de schematisering(en).
2. Het verfijnen van de schematisering(en).

Bij een eerste opzet zal doorgaans gebruik gemaakt worden van al beschikbare informatie, aangevuld met ‘standaard grondonderzoek’ (Strategie opzet grondonderzoek). Bij Nederlandse dijken is er vrijwel nooit sprake van een volledige afwezigheid van informatie over de opbouw van de dijk en de ondergrond. De omstandigheid dat alle informatie ‘van scratch’ af ingewonnen moet worden met alleen technieken voor grondverkenning zal zich dus niet gauw voordoen. Informatie op basis waarvan inzicht kan worden verkregen over de opbouw van het dijklichaam en de ondergrond in de omgeving van de dijk (en de variatie ervan in de lengterichting) kan ontleend worden aan:

• Archiefinformatie, zoals oude bestekken voor de bouw en latere verhogingen of versterking. Doorgaans zal die slechts beschikbaar zijn voor ingrepen die betrekkelijk recent (tot, pakweg, 50 à 70 jaar geleden) zijn uitgevoerd. Informatie over ingrepen van vóór die tijd is vaak niet aanwezig of kan, zo er al gedocumenteerd is, verloren zijn gegaan of ontoegankelijk geworden.
• Beheersinformatie over onderhoudsingrepen en geobserveerd gedrag bij hoge waterstanden in het recente verleden (decennia), en informatie over zettinggedrag.
• Gedocumenteerde informatie over grondonderzoeken (boringen en/of sonderingen, eventueel geo-elektrisch onderzoek en metingen van respons van waterspanningen) die in het verleden zijn uitgevoerd t.b.v. dijkversterking of -beoordeling. Bij een eerste opzet kunnen ook grondonderzoeken in de omgeving van de dijk als informatiebron dienen.
• Voor wat betreft de opbouw van de ondergrond: basisinformatie uit geologische / geohydrologische databases (SOS, BRO, DINO, grondwaterkaarten) in combinatie met interpretatie van deze informatie door een geoloog met gebiedskennis.
• Doorgaans ook: grondonderzoek volgens een ‘standaardopzet’ (Basisopzet van grondonderzoek).

Voor alle bronnen geldt dat ze in beginsel fragmentarische informatie leveren. Dit is kenmerkend voor grondmechanisch onderzoek. De verschillende informatiebestanddelen zijn als puzzelstukjes die door combineren gezamenlijk bijdragen tot het ontstaan van een totaalbeeld.

Wanneer een eerste opzet van de schematisering of mogelijke schematiseringen verkregen is, kan, door hier kritisch naar te kijken worden geïnventariseerd of, en zo ja, welke onzekerheden hierin nog een rol kunnen spelen. Voorbeelden zijn:

• Kan een grondlaag die (mogelijk) ongunstig is voor de stabiliteit van de dijk, bij het grondonderzoek over het hoofd zijn gezien?
• Kan een zandbaan die ogenschijnlijk achter de dijk ophoudt niet elders onder de dijk doorlopen en daardoor toch in verbinding staan met de rivier?
• Wat gebeurt er met de freatische lijn als de drainage in de binnenteen niet of onvoldoende werkt?
• Bij onder de dijk ‘uitwiggende’: grondlagen: tot hoever lopen ze door en wat is de invloed op de stabiliteit?

Die inventarisatie van onzekerheden levert de (bij voorkeur alle) mogelijk geachte, of niet uit te sluiten, afwijkingen van de eerste opzet van een schematisering op, die relevant zijn voor de controle op het beschouwde faalmechanisme.

Wanneer een mogelijke afwijking een groot nadelig effect kan hebben op de veiligheid tegen het beschouwde mechanisme en de kans er op relatief groot wordt geschat, dan kan worden besloten om deze onzekerheid door gericht nader grondonderzoek al op voorhand te elimineren of reduceren. De verwachting is dan immers dat de schematisering-analyse, die in Schematiseringsfactor voor afschuiven beschreven wordt, de noodzaak of wenselijkheid hiervan zal aantonen.

Het resultaat van de analyse is dat een verzameling verschillende (mogelijk geachte, van waarschijnlijk tot ‘niet uit te sluiten’) schematiseringen wordt verkregen waarmee de schematiseringanalyse, zoals beschreven in het artikel Schematiseringsfactor voor afschuiven, verder wordt uitgevoerd.

In de artikelen Strategie opzet grondonderzoek en Basisopzet van grondonderzoek wordt nader ingegaan op de opzet van grondonderzoek in het algemeen.