Het betreft het afschuiven in binnenwaartse richting van de dijk, zie Figuur 1. Dit mechanisme moet worden beschouwd bij het bepalen van de overstromings- dan wel faalkans van een waterkering. In dit artikel wordt een fenomenologische beschrijving gegeven van het mechanisme.

Inleiding

Voor de definitie van het mechanisme afschuiven langs diep glijvlak wordt verwezen naar Globale beschrijving van afschuiven langs diep glijvlak.

In dit artikel wordt ingegaan op het verlies van evenwicht van een binnentalud als gevolg van de (extreme) buitenwaterstand. Deze situatie kan leiden tot een bres in de dijk en is zodoende een gevaar voor de achterliggende polder. Bij het ontwerp van een dijk verdienen ook andere voor de stabiliteit relevante situaties aandacht. Te denken valt aan de situatie tijdens de aanleg van de dijk(verzwaring), maar ook aan de invloed van extreme regenval of juist extreme droogte.

Bij extreme droogte van het achterland kan de weerstand die het achterland kan leveren, worden gereduceerd. Het lijkt overigens uitgesloten dat deze belastingsituatie zal optreden in combinatie met een extreem hoogwater. Extreme droogte is vooral relevant voor veenkades. Deze kunnen uitdrogen en worden dan lichter, waardoor de stabiliteit vermindert. Primaire waterkeringen die zijn opgebouwd uit veen zijn zeer zeldzaam. In het achterland bij dijken kan veen wel aan het maaiveld voorkomen en dan gevoelig zijn voor droogte. In deze laatste situatie zal de invloed van droogte op de stabiliteit minder groot zijn dan bij een veenkade die grotendeels uit veen bestaat.

Extreme regenval leidt over het algemeen tot een hogere freatische lijn in de dijk en als die zware neerslag wordt gevolgd door hoogwater kan dat een kritische situatie zijn.

In dit artikel wordt ingegaan op het verloop van het proces, stapsgewijs bij toenemende belasting en afnemende sterkte vanuit een dagelijkse situatie naar een extreme situatie en hoe dit visueel waarneembaar is.

Initiatie

Bij het mechanisme afschuiven langs een glijvlak is niet zozeer sprake van een toename van de belasting door hoogwater, maar vooral van een afname van de mobiliseerbare schuifsterkte van de grond door hoogwater. Het hoogwater veroorzaakt een toename van grondwaterspanningen en daarmee een afname van de effectieve spanningen. Het gewicht van het dijklichaam op de ondergrond (het aandrijvend moment) is de feitelijke belasting bij het mechanisme afschuiven langs een glijvlak. De grootte van deze belasting verandert nauwelijks door hoogwater. Een beperkte toename van het gewicht van het dijklichaam kan optreden doordat een deel van het dijklichaam dat eerder onverzadigd was, verzadigd raakt tijdens de periode van hoogwater.

Het freatisch vlak in de dijk en de stijghoogte in de ondergrond kunnen tijdens hoogwater stijgen als gevolg van eventuele infiltratie via het buitentalud, kruin en binnentalud van de dijk, zie artikel Infiltratie naar het freatisch vlak. En door toestroming via de ondergrond vanuit een aanwezige watervoerende tussenzandlaag of een dieper gelegen watervoerend zandpakket. Deze processen zorgen voor het verhogen van de waterspanningen in de dijk en de ondergrond. Deze verhoging van het freatisch vlak, de stijghoogte en de waterspanningen veroorzaken een afname van de mobiliseerbare schuifsterkte van de grond in en onder de dijk.

Bij een stijging van de buitenwaterstand zullen het freatisch vlak en de stijghoogte in de zandlagen volgen. Hoe snel het freatisch vlak en de stijghoogte zich aanpassen aan de verhoogde buitenwaterstand, hangt af van het materiaal van het dijklichaam (in zand is er snellere aanpassing dan in klei) en van het materiaal en de dikte van het slappe lagen pakket tussen het dijklichaam en de zandlaag. Daarnaast heeft de aanwezigheid van voorland, de afstand van de dijk tot aan het buitenwater, eventueel recent baggeren in de rivier of graven in de uiterwaard, een effect op het freatisch vlak en de stijghoogte in de zandlagen.

Door een verhoging van het freatisch vlak en de stijghoogte, en dus een verhoging van de waterspanningen, zullen tegelijkertijd de effectieve spanningen en de schuifsterkte in de dijk en de ondergrond afnemen. De mate waarin de schuifsterkte hierbij afneemt is ook afhankelijk van het grondgedrag. In slecht doorlatende grondlagen met ongedraineerd grondgedrag wordt de schuifsterkte minder beïnvloed door veranderingen van de effectieve spanning dan in goed doorlatende grondlagen met gedraineerd grondgedrag. De stabiliteit van het dijklichaam zal als gevolg van de afname van de schuifsterkte ook afnemen. In de ondergrond ontstaat een zone waar de schuifsterkte wordt overschreden (de zogenaamde plastische zone) waarover een moot grond kan vervormen en uiteindelijk afschuiven. Tevens kunnen de stijghoogten onder de deklaag zo hoog worden, dat een deel van het achterland wordt opgedrukt, zie Rekenen aan afschuiven bij opdrukken achterland.

Het freatisch vlak kan tevens verhoogd worden door neerslag. Overigens is de infiltratie via een grasbekleding door significante golfoverslag in het algemeen veel groter dan door extreme neerslag.

Scheurvorming

Wanneer de buitenwaterstand toeneemt waardoor de waterspanningen in de dijk en de ondergrond toenemen, kan de sterkte van de dijk ontoereikend zijn. De sterkte van de dijk wordt gevormd door de schuifsterkte die de grond in de dijk en in de ondergrond kan mobiliseren. Wanneer de schuifsterkte van de grond onvoldoende wordt, zal een instabiliteit optreden. Wanneer de mobiliseerbare schuifsterkte nog juist voldoende is om afschuiven te voorkomen, kunnen wel vervorming en scheurvorming optreden.

Een beginnende instabiliteit manifesteert zich met deformaties die pas prominent zichtbaar worden als er scheuren optreden in het buitentalud, de kruin of het binnentalud van de dijk. Deze scheuren geven het intredepunt van het zich ontwikkelende schuifvlak aan. Grote scheuren evenwijdig aan de kruin duiden op de ontwikkeling van een mogelijk afschuifvlak.

Overigens duiden niet alle scheuren op een beginnende afschuiving. Ook (extreme) droogte kan tot scheuren in kleilagen op de dijk leiden. Het gaat dan om kleine geïsoleerde scheuren die ontstaan door uitdrogen van de toplaag. Bij primaire waterkeringen, die nooit uit veen zijn opgebouwd, leiden deze scheuren niet tot een afschuiving. Voor veenkaden kan het echter wel een inleidend stadium naar falen zijn.

Het ontstaan van een scheur in de aanloop naar een afschuiving, hangt af van de materiaaleigenschappen van de toplaag. Aangenomen wordt dat in zandige gronden (bovenrivierengebied en kust) de vervormingen voordat een afschuiving optreedt gering zijn, zodat de scheurvorming in eerste instantie beperkt blijft. In kruipgevoelige gronden (benedenrivierengebied) kunnen zeer grote verplaatsingen plaatsvinden voordat een afschuiving optreedt. De scheurvorming is daar dus veel prominenter voordat de daadwerkelijke afschuiving optreedt. De tijd tussen het ontstaan van een scheur en de volledige afschuiving zal bij een zandige dijk waarschijnlijk korter zijn dan bij een kleiige dijk.

Scheuren ontstaan tijdens hoogwater op de rivieren regelmatig. (Gerepareerde) scheuren in het wegdek evenwijdig aan de kruin kunnen voorbeelden zijn van scheuren die niet tot een afschuiving hebben geleid. Dergelijke scheuren kunnen echter ook ontstaan door ongelijke zetting van de dijk. Ook tijdens de hoogwaters van 1980, 1993 en 1995 zijn verschillende scheuren in de kruin aangetroffen. Door het treffen van noodmaatregelen kon verder bezwijken en het falen van de dijk worden voorkomen. Dat een scheur niet altijd tot een afschuiving leidt, kan worden geconcludeerd uit het feit dat na de genoemde hoogwaters wel scheuren, maar nauwelijks afschuivingen zijn aangetroffen. Indien er geen noodmaatregelen genomen zouden zijn, hadden wellicht meer afschuivingen plaatsgevonden.

Afschuiving

Bij een daadwerkelijke afschuiving daalt het maaiveld van de dijk aan de landzijde van de scheur. Op een gegeven moment schuift de moot grond af totdat een nieuwe evenwichtssituatie is ontstaan. Het binnendijkse maaiveld kan hierbij omhoog worden gedrukt. Dit is echter niet noodzakelijk. De vervorming in de dijk (actieve zone van een schuifvlak) is vaak groter dan de vervorming binnendijks (passieve zone van het schuifvlak). Een afschuiving kan zich binnen enkele uren tot enkele dagen voltrekken. Daarbij gaat het afschuiven eerst een aantal uren snel en vervolgens steeds langzamer. In de praktijk komt het niet altijd zover. Zodra de eerste scheuren zich in de dijk hebben gemanifesteerd, worden vaak Noodmaatregelen ter voorkoming van geotechnische instabiliteit getroffen.

Na het optreden van een afschuiving wordt een nieuwe evenwichtssituatie bereikt. Aan de bovenzijde van het talud is de bekleding verdwenen en is het kernmateriaal zichtbaar. Dit staat in eerste instantie onder een bijna verticaal talud. Vervolgmechanismen kunnen verdere schade aan de dijk veroorzaken, zie Vervolgmechanismen na binnenwaarts afschuiven langs diep glijvlak. Voor de beschrijvingen van de vervolgmechanismen wordt vaak aangenomen dat de afschuivende grondmoot een evenwicht hervindt wanneer het aanvankelijke hoogteverschil tussen de kruinhoogte en het oorspronkelijk maaiveld is gehalveerd. In werkelijkheid schuift de moot grond minder ver af omdat er altijd een weerstandbiedende kracht in het schuifvlak overblijft. Bij opgetreden afschuivingen bleek de zakking van de bovenzijde van het talud meestal niet meer dan 1 à 2 m te bedragen.

Door het optreden van een afschuiving kan sprake zijn van het falen van de waterkerende functie van een dijk. Dit is het geval wanneer de omvang van de afschuiving zo groot is dat de kruin van de dijk over de volle breedte is gedaald of weggeschoven en water in het achterliggende gebied kan stromen (een voorbeeld hiervan is de kadeverschuiving bij Wilnis). In dat geval kan na de afschuiving de ontstane kruinverlaging of het gat in de dijk heel snel uitgroeien tot een bres. Vaak zal het optreden van een afschuiving geen verzakking van de volledige kruin tot gevolg hebben. Een deel van de breedte van de kruin blijft vaak intact. In dat geval is na een afschuiving nog geen sprake van het falen van de waterkerende functie van de dijk. In de praktijk blijkt dat afschuivingen veelal niet leiden tot het verzakken van de volledige breedte van de kruin van de dijk (o.a. afschuivingen bij Streefkerk en Bergambacht). Wanneer na een afschuiving een deel van de kruin van de dijk intact blijft, kan de waterkering alleen falen wanneer na de afschuiving vervolgmechanismen optreden.

Rekenkundig falen bij het mechanisme afschuiven langs een diep glijvlak wordt normaliter gekoppeld aan het verlies van evenwicht: de grootschalige afschuiving van het binnentalud van de dijk. De beoordeling betreft dan dus de kans van optreden van een binnenwaartse afschuiving van het dijktalud. Voor een scherpe beoordeling van de overstromingskans is een beschouwing van het faaltraject ná de eerste afschuiving vaak noodzakelijk, omdat een eerste afschuiving veelal niet direct tot falen van de waterkering leidt.

Overzicht van het faaltraject binnenwaarts afschuiven langs diep glijvlak

In deze paragraaf wordt een schematisch overzicht gegeven van de opeenvolging van mechanismen die leiden tot daadwerkelijk falen geïnitieerd door het mechanisme afschuiven langs een glijvlak binnenwaarts. Daarbij wordt aangegeven tot op welke gebeurtenis of (deel) mechanisme in deze reeks van gebeurtenissen de gebruikelijke stabiliteitsbeoordeling is gebaseerd. Met andere woorden: wat is als rekenkundig falen gedefinieerd en welke vervolgprocessen kunnen leiden tot een doorbraak.

In Figuur 2 is falen als gevolg van het mechanisme binnenwaarts afschuiven langs diep glijvlak verder uitgewerkt.

De volgende fasen kunnen bij het faaltraject van een dijk worden onderscheiden, zie figuur 2:

• Verhoging grondwaterspanningen. De waterspanningen in de dijk stijgen door infiltratie via het buitentalud (door hoge buitenwaterstand, golfoploop en/of neerslag), door infiltratie via kruin of binnentalud (door golfoverslag en/of neerslag) en/of toestroming vanuit zandlagen in de ondergrond.
• Ontstaan van een scheur. Door de toegenomen waterspanningen in de ondergrond nemen de effectieve spanningen af. Scheuren geven het intredepunt aan van een schuifvlak waarlangs een grondmoot wil afschuiven.
• Toenemende verzakking. Aan de landzijde van de scheur verzakt de dijk steeds verder: de dijk is aan het afschuiven, tot er een nieuwe evenwichtssituatie wordt bereikt. Gebruikelijk is om dit mechanisme rekenkundig te beoordelen aan de hand van een evenwichtsbeschouwing. Een afschuiving kan tot direct falen van de waterkering leiden als de kruin afschuift tot onder het niveau van de buitenwaterstand. Maar meestal zullen vervolgmechanismen nodig zijn om na een afschuiving te komen tot falen van de waterkering.
• De dijk is afgeschoven. Een gedeelte van het grondmassief is verplaatst en weer tot stilstand gekomen.
• Eventueel vervolgmechanisme (erosie door overslag, uitspoelen of een tweede afschuiving). Als de waterkering niet direct faalt door de afschuiving kunnen vervolgmechanismen optreden waardoor het dijklichaam alsnog faalt. Hier zijn alleen de verschillende mechanismen opgesomd die zouden kunnen optreden. Het artikel Faalpaden-methodiek behandelt hoe te komen tot een faalkans bij achtereenvolgens optredende mechanismen.
• Kruinverlaging tot de buitenwaterstand. Als de kruin ten gevolge van vervolgmechanismen is verlaagd tot het niveau van de buitenwaterstand, start de bresgroeifase.

Het optreden en de snelheid van het bezwijken door afschuiven langs een diep glijvlak hangt van een aantal factoren af. De belangrijkste zijn de dijkgeometrie, de waterspanningen en de opbouw van de ondergrond.

Het verloop van de waterspanningen in een dijk wordt sterk bepaald door de wijze waarop de buitenwaterstand verloopt in de tijd en de duur van de hoogwatergolf. De tijdsduur dient vergeleken te worden met de reactietijd van het geohydrologische systeem waar de dijk onderdeel van uit maakt. De belangrijkste componenten van dit systeem zijn de intredeweerstanden ter plaatse van de rivierbodem, doorlatendheden van grondlagen die onder de dijk liggen, het (grond)waterpeil aan de binnenzijde, de stijghoogten in de diepe zandlagen en de materiaaleigenschappen van de dijk zelf [Van Esch, 1994]. Een recentere studie is uitgevoerd door de [Van Esch, 2017].

De dikte van het slappe lagen pakket is niet alleen van belang voor de waterspanningsopbouw in de dijk maar speelt ook een rol bij het eventueel opdrijven van het achterland. Daarnaast bepaalt de ondergrond mede de grootte van het afschuifvlak en het intredepunt van het schuifvlak.

Verder zijn natuurlijk de geometrie en dijkopbouw van belang. Bij een flauw binnentalud en/of een binnenberm wordt de kans op instabiliteit kleiner.