Bepalen vakgrenzen

De beheerder die een veiligheidsanalyse wil uitvoeren voor een bepaalde dijkstrekking, deelt deze strekking op in min of meer homogene dijkvakken. Bij de keuze van de vaklengte en -grenzen moet rekening worden gehouden met het lengte-effect, maar ook de hoeveelheid beschikbare data en spreiding in de data. Het is mogelijk om van grof naar fijn te werken en dijkvakken in een latere fase op te knippen. Als bij een grove onderverdeling blijkt dat niet wordt voldaan aan de veiligheidsnorm, kunnen de dijkvakken in een latere fase (iteratie) worden opgeknipt. Daarmee kan dan een nauwkeuriger beeld van de veiligheid worden verkregen.

Voorafgaande aan het bepalen van de vakgrenzen zijn de Externe geometrie en de ondergrond in kaart gebracht, daarna en op basis daarvan wordt de vakindeling opgesteld. Overwegingen voor die onderverdeling zijn met name fysieke omgevingsfactoren. Ook historische vakgrenzen kunnen een overweging zijn. Vakgrenzen worden gelegd:

• Waar de waterkering van type verandert. Types waterkering zijn dijk, dam, duin of kunstwerk. Ook de overgang naar hoge gronden is logischerwijze een vakgrens.
• Bij duidelijke verschillen in hydraulische belasting. Dit kan het geval zijn bij een rivier met een sterk verhang zoals op de Maas in Limburg of de bovenloop van de IJssel. Maar denk ook aan polderpeilen.
• Bij duidelijke veranderingen in externe geometrie.
• Bij duidelijke veranderingen in ondergrond (SOS-segment) en/of sterkte-eigenschappen.
• Bij een overgang van het ene normtraject naar een ander normtraject als voor beide normtrajecten een andere norm geldt.
• Beheergrenzen. Daar waar de waterkering verandert van beheerder kan om praktische redenen een knip worden gelegd.

De keus voor de dijkvakindeling moet zodanig zijn dat één situatie kenmerkend is voor dat gehele dijkvak. Het dijkvak wordt ‘homogeen’ verondersteld. Voor verschillende mechanismen zijn andere kenmerken van toepassing en kunnen dus verschillende dijkvakindelingen gewenst zijn. Voor het analyseren van afschuivingen zijn immers andere aspecten kenmerkend dan voor – bijvoorbeeld – een harde bekleding.

Homogeniteit betekent dat de belasting, de geometrie, de grondopbouw, et cetera min of meer gelijk zijn over de strekking. Fysieke aspecten die een rol spelen bij de keuze van vakgrenzen zijn:

• Duidelijke wijzigingen in de externe geometrie:
  • Dijkhoogte.
  • Dijkbreedte.
  • Afmetingen berm.
  • Steilheid taluds, ook onder water.
  • Maaiveldhoogte.
  • Aanwezigheid sloten/watergangen.
  • Hoogte voorland (voor afschuiving voorland).
  • Lengte van het voorland (voor afschuiving voorland).
  • Diepte geul (voor afschuiving voorland).
  • Aanwezigheid van bestorting op het onderwatertalud (voor afschuiving voorland).
  • Morfologische ontwikkelingen van de vooroever: ontwikkeling geulgeometrie in de tijd (voor afschuiving voorland).
• Duidelijke wijzigingen in de grondopbouw, bijvoorbeeld bij:
  • Een segmentgrens in de globale stochastische ondergrondschematisatie (SOS).
• en bij beschikbaar lokaal grondonderzoek:
  • (Grote) veranderingen in dikte aanwezige klei- en veenlagen.
  • Aanwezigheid van geulafzettingen of tussenzandlagen.

• Aanwezigheid voorland (in verband met ontwikkeling van de stijghoogte in het dijklichaam bij hoog buitenwater).
• Opbouw van het dijklichaam, met onderscheid tussen oude en recentere delen van het dijklichaam of onderscheid tussen kleidijk en aanvulling in zand.
• Aanwezigheid van bijzondere constructies (drainage, damwanden, diepwanden et cetera).

Het toepassen van de bovenstaande grenzen kan leiden tot langere of kortere dijkvakken.

Algemene regels voor een praktisch bruikbare lengte van een dijkvak zijn niet te geven, omdat het sterk afhangt van de lokale situatie. Daarnaast is ook ‘homogeen’ binnen een dijkvak een relatief begrip. Al zijn de geometrie van de dijk en de opbouw van de ondergrond behoorlijk uniform, dan toch kunnen relatief beperkte verschillen in de waterstand bij de norm, de kruinhoogte, de taludhelling, de bermbreedte en de hoogte van het achterland of een combinatie hiervan wel relevante verschillen in de stabiliteitsfactor of faalkans opleveren.

Daarom kan een dijkvak in Riskeer meerdere dwarsprofielen bevatten, die een voor een doorgerekend kunnen worden. Op basis van die berekeningsresultaten kan dan voor dat dijkvak het representatieve dwarsprofiel worden gekozen.

Processtappen vakindeling

Onderstaand schema geeft de (voor alle mechanismen generieke) processtappen om te komen tot een vakindeling. Startpunt (stap 1) zijn de segmenten en scenario’s uit de globale stochastische ondergrondschematisatie (SOS). Op basis van lokaal grondonderzoek en/of lokale informatie over grondeigenschappen (bijvoorbeeld laboratoriumproeven) kan het aantal segmenten en scenario’s worden aangepast (stappen 2 en 3). Op basis van “overige informatie” wordt uiteindelijk tot een (dijk)vakindeling gekomen (stap 4).

Eigenschappen van de grondopbouw die relevant zijn voor afschuiven van het dijklichaam en afschuiving voorland zijn de positie en dikte van de bodemlagen, en stabiliteitsgerelateerde eigenschappen als volumiek gewicht, hoek van inwendige wrijving, grensspanning, sterktetoename-exponent en normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkte ratio. Deze stappen worden nader beschreven in de SOS-handleiding [Hijma, 2015].

Invloed van gekozen vaklengte op faalkanseisen

De vaklengte staat volledig los van de te stellen faalkanseisen [Tigchelaar, 2017]. Immers: De faalkanseis voor een beoordelingsspoor is op trajectniveau alleen afhankelijk van de norm en de faalkansbegroting. De vaklengte is hierop niet van invloed. In de semi-probabilistische analyse staan de faalkanseisen op doorsnedeniveau eveneens los van de gekozen vaklengtes. Dit komt doordat de factoren a en b vast gekozen zijn. Een vak bestaat uit een groot aantal doorsneden; in een homogeen vak hoeft maar 1 doorsnede te worden beoordeeld om te weten te komen of alle (gelijkvormige) doorsneden voldoen. Dit wordt onderstaand nader toegelicht voor de semi-probabilistische en probabilistische benadering.

Probabilistische benadering

In een probabilistische benadering is alleen de faalkanseis op trajectniveau relevant. Deze wordt bepaald door de norm en het percentage faalkansruimte dat in de faalkansbegroting voor het betreffende mechanisme wordt gehanteerd. De vaklengte is hierop niet van invloed.

Semi-probabilistische benadering

Bij het afleiden van de faalkanseis op doorsnedeniveau (ten behoeve van semi-probabilistische analyses voor beoordeling of ontwerp) zijn keuzes gemaakt voor het deel van het traject dat gevoelig is voor het mechanisme afschuiven (1/30=3,3%) en de verwachte lengte van afschuivingen (50 m). Deze keuzes zijn reeds gemaakt in de oude leidraden (o.a. bij het bepalen van de schadefactor).  Voor de faalkanseis op doorsnedeniveau maakt de gekozen vaklengte niet uit. Feitelijk moet iedere willekeurige doorsnede in het dijktraject aan deze eis voldoen. Is dit het geval, dan voldoet het dijktraject zeker aan de eis.

De vaklengte is wel van belang voor:

1. De bepaling van de betrouwbaarheid van een doorsnede (semi-probabilistisch of probabilistisch).
2. Het combineren van de faalkansen van vakken tot de faalkans van een traject (probabilistisch).

Ad 1. De vaklengte moet niet kleiner zijn dan de afmetingen waarop het mechanismemodel is gebaseerd dat wordt gebruikt in een 2D-analyse. Voor het mechanisme afschuiven langs een diep glijvlak gaat het om een lengte van minimaal ongeveer 50 m. Als lokale zwaktes in grondonderzoek worden onderscheiden, die zich over kortere lengtes uitstrekken, is het de vraag of de gebruikelijke beoordelingsmodellen nog wel geschikt zijn. Als men echt heel lokaal wil modelleren, zal ook het sterktemodel daarop afgestemd moeten worden. In voorkomende gevallen zal dan een op de situatie toegespitst model nodig zijn.

Ad 2. In een volledig probabilistische benadering kunnen de ruimtelijke variaties en afhankelijkheden tussen dijkvakken worden gemodelleerd. Desondanks kan ook hier een invloed van kleine vakken van belang worden. De rekentechniek voor het combineren van de faalkansen op vakniveau kan minder nauwkeurig worden voor korte vaklengtes. Dit is afhankelijk van de manier waarop dit is geprogrammeerd in de software. In de werkwijze die in het project VNK2 is aangehouden (PC-Ring), zie [VNK2, 2011], is de correlaties tussen vakken berekend op basis van de restcorrelaties per stochastische variabele. Dit zijn de limietwaarden (ondergrenzen) van de functies waarmee de correlaties worden beschreven, de zogenaamde autocorrelatiefuncties.

Als vakken te kort zijn, dan kan het voorkomen dat de werkelijke correlatie tussen de vakken wezenlijk groter is dan de correlatie zoals die berekend wordt op basis van de restcorrelaties. In dat geval wordt de faalkans van het traject in de probabilistische berekening overschat. In het project Veiligheid Nederland in Kaart 2 is reeds een beoordeling van de faalkans gemaakt, waarbij een overstromingsrisico-benadering is aangehouden. In dat project zijn voor veel dijkringen in Nederland vaklengtes afgeleid waarbij rekening gehouden is met statistische homogeniteit, ruimtelijke variaties en correlaties.

Dit leidde tot vaklengtes voor het mechanisme afschuiven van (bij voorkeur) >300 m, waarbij gestreefd werd naar zo groot mogelijke dijkvakken.

Ondanks de bovenstaande rekentechnische kwestie kan het wel degelijk zinvol zijn bij een lokale zwakte een apart (relatief kort) vak te definiëren(bijvoorbeeld voor een aanwezige zandgeul met bekende lengte). Dit zorgt er dan voor dat de zwakke plek gekoppeld wordt aan de juiste lengte en niet onterecht wordt gedaan alsof sprake is van een relatief langgerekte zwakke plek. Dit weegt op tegen afwijkingen als gevolg van de grootte van (rest)correlaties.

Aandachtspunten

Wanneer de uitkomst van de veiligheidsbeoordeling daar aanleiding toe geeft, kan de indeling worden aangepast (iteratief proces). Bijvoorbeeld kan bij een verdere onderverdeling van het dijkvak voor één deel het representatieve profiel gunstiger uitvallen en de veiligheidsbeoordeling alsnog leiden tot goedkeuring van dat deel. De bepaling van de vakindeling en de schematisering per vak is dus een iteratief proces.

Het maximum voor de te kiezen vaklengte wordt bepaald door lengte van het normtraject.

Voorland

Voor het mechanisme afschuiving voorland zal de vakindeling in principe op zelfde gronden plaatsvinden als voor de overige mechanismen betreffende het mechanisme afschuiven.

Zolang afschuiving voorland onafhankelijk van de directe mechanismen wordt beoordeeld, hoeft daarbij geen rekening gehouden te worden met de vakindeling voor de directe mechanismen. Maar als verstoringsprofielen ten gevolge van een afschuiving van het voorland als geometrie-scenario’s bij de directe mechanismen worden beschouwd, dan is de vakindeling gericht op de afschuiving van het voorland mede afhankelijk van de vakindeling van de directe mechanismen.