Het betreft het afschuiven van het buitentalud van de dijk, zie Figuur 1. Dit mechanisme moet worden beschouwd bij het bepalen van de overstromings- dan wel faalkans van een waterkering. Dit artikel geeft de fenomenologische beschrijving van het mechanisme buitenwaarts afschuiven. Naast een afschuiving langs een diep glijvlak kan ook de bekleding van het buitentalud afschuiven.

Inleiding

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

Bij de beoordeling van de stabiliteit van dijken gaat in de regel de meeste aandacht uit naar het mechanisme afschuiven langs een glijvlak binnenwaarts. Maar onder specifieke omstandigheden kan ook een afschuiving optreden aan de rivier- of zeezijde van de dijk: het mechanisme afschuiven langs een glijvlak buitenwaarts, het onderwerp van dit artikel. Omdat dit mechanisme in het algemeen optreedt na een hoogwatersituatie of na hevige regenval die los staat van een hoogwatersituatie, is er bij buitenwaarts afschuiven geen sprake van kritische omstandigheden en is de waterkerende functie van de dijk niet direct in gevaar. Buitenwaarts afschuiven is een van de indirecte mechanismen.

Als in een glijvlakanalyse een cirkelvormig schuifvlak wordt verondersteld, dan draait het evenwicht om een aandrijvend moment en een tegenwerkend moment, zie Figuur 2. Het aandrijvend moment bij een buitenwaartse afschuiving bestaat uit het gewicht van het grondlichaam landwaarts van het middelpunt van de glijcirkel maal de horizontale afstand van het zwaartepunt tot het middelpunt. Het tegenwerkend moment bestaat uit het gewicht van het grondlichaam links van het middelpunt maal de bijbehorende arm en de schuifkrachten langs de glijcirkel maal de straal van de glijcirkel.

Als door het toenemen van de waterspanningen in de ondergrond, de capaciteit om schuifspanningen op te nemen kleiner wordt, kan het evenwicht verloren gaan. Hoge waterspanningen in de dijk en in het voorland kunnen ontstaan door een hoge buitenwaterstand, door hevige neerslag of door deformatie. Het evenwicht van een dijklichaam kan ook verloren gaan door toename van het aandrijvende moment, bijvoorbeeld door verkeer op de dijk en door een (snel) vallende buitenwaterstand. Door het snel vallen van de buitenwaterstand valt de waterdruk tegen het talud en op het voorland weg terwijl de waterspanningen in de slappe lagen zich niet zo snel kunnen aanpassen. Zie het artikel Freatisch vlak na snelle val buitenwaterstand: analytische oplossing. Lage effectieve spanningen, en dus een lage sterkte, zijn daarvan het gevolg.

Gedetailleerde beschrijving buitenwaarts afschuiven

Het mechanisme buitenwaarts afschuiven lijkt in veel opzichten op het mechanisme binnenwaarts afschuiven langs een diep glijvlak. De mechanismebeschrijving voor een buitenwaartse afschuiving komt dus sterk overeen met de beschrijving in het artikel over binnenwaarts afschuiven. Voor de beschrijving daarvan wordt verwezen naar het artikel Beschrijving afschuiven langs diep glijvlak binnenwaarts. Deze tekst gaat in op de specifieke verschijnselen bij buitenwaartse afschuiving.

Tijdens een hoogwatergolf zal de freatische lijn in de waterkering stijgen als gevolg van infiltratie via het buitentalud en infiltratie via de ondergrond vanuit aanwezige tussenzandlagen (of het pleistocene zandpakket). Een andere mogelijkheid is dat de freatische lijn stijgt door hevige neerslag. In de praktijk wordt aangenomen dat er geen relatie bestaat tussen het optreden van een hoogwatergolf en het optreden van extreme neerslag, het betreffen twee aparte belastinggevallen. Door toenemende waterspanningen zal de schuifsterkte van de ondergrond afnemen. Hierdoor neemt de stabiliteit van de dijk af. Meestal is de buitenwaartse stabiliteit tijdens een hoogwatergolf niet in direct gevaar; het hoge water tegen de buitenzijde van de dijk levert immers een tegenwerkend moment waardoor het evenwicht veelal bewaard blijft. De stabiliteit van het buitentalud komt pas in gevaar als er een zogenaamde 'snelle val' optreedt van de buitenwaterstand. Dit wil zeggen dat de buitenwaterstand dusdanig snel daalt dat de freatische lijn in de dijk niet voldoende tijd heeft om te volgen. De criteria voor ‘snelle val’ zijn locatie-afhankelijk (bovenrivieren, benedenrivieren, IJssel-Vecht delta) en zijn uitgewerkt in het Technisch Rapport Ontwerpbelastingen Rivierengebied. De schuifsterkte van de verzadigde ondergrond is relatief laag terwijl de stabiliserende werking van het hoge buitenwater verdwenen is. Ook draagt het relatief hoge gewicht van de verzadigde grond in het dijklichaam bij aan het aandrijvend moment. Het gevolg is dat het buitentalud kan afschuiven langs een gebogen of een recht glijvlak.

Een afschuiving van het buitentalud kan veel schade opleveren, maar is meestal niet direct gevaarlijk voor de waterkerende functie; het hoogwater is immers voorbij of niet aan de orde. Bijna altijd zal er enige tijd zijn om de schade te herstellen voordat zich een (nieuwe) hoogwatergolf zal voordoen [Druk op de dijken, 1995].

Een buitenwaartse afschuiving kenmerkt zich door het ontstaan van scheuren in het buitentalud, in de kruin of in het binnentalud van de dijk. Vervolgens zal het maaiveld aan de buitendijkse zijde van de scheur verzakken, waarna de eigenlijke afschuiving plaatsvindt.

Vervolgmechanismen na een eerste afschuiving

De locatie van het intredepunt van de glijcirkel is bepalend voor het verdere verloop van het faaltraject van de dijk. Bij een afschuiving met het intredepunt in de kruin of in het buitentalud van de dijk is een deel van het dijklichaam nog intact. Er treedt geen directe inundatie van het achterland op. Eventuele vervolgmechanismen die kunnen optreden zijn: erosie buitentalud en het optreden van vervolg afschuivingen. Na een buitenwaartse afschuiving is de beschermende taludbekleding beschadigd. Het water dat aan de buitenzijde tegen de dijk staat kan de kwetsbare, onbeschermde dijkkern aantasten. Vooral bij een zanddijk, waarvan de kern uit zand met weinig cohesie bestaat, kan erosie van het aangetaste dijkprofiel door golven relatief gemakkelijk plaatsvinden als de waterstand weer oploopt.

Na het optreden van de eerste buitenwaartse afschuiving ontstaat bij het intredepunt van de glijcirkel een steil talud dat voor de tweede keer kan afschuiven. De kans op het optreden van een tweede afschuiving is bij een buitenwaartse afschuiving kleiner dan bij de binnenwaartse afschuiving. Bij een binnenwaartse afschuiving ligt het deel van het dijkprofiel dat nog intact is aan de rivierzijde en is ten gevolge van het hoogwater voor een groot deel verzadigd. De schuifsterkte is dus laag en als gevolg hiervan is de kans op een tweede afschuiving hoog. Bij een buitenwaartse afschuiving ligt het aangetaste dijklichaam aan de landzijde en is meestal nog gedeeltelijk onverzadigd. De schuifsterkte is hoger en de kans op een tweede afschuiving kleiner.

Als het intredepunt in het binnentalud ligt, zie Figuur 4, dan zal bij een afschuiving de kruin van de dijk lager worden. De kans dat het intredepunt zich in het binnentalud bevindt, is echter zeer klein. De reden hiervoor is dat het tegenwerkende moment en de schuifspanningen langs het relatief lange glijvlak in verhouding groot zijn ten opzichte van het aandrijvende moment. Voordat zich een glijcirkel kan ontwikkelen met een intredepunt in het binnentalud heeft waarschijnlijk al een afschuiving plaatsgevonden met een intredepunt in de kruin of in het buitentalud van de dijk.

Als de kruin van de dijk lager wordt en het aangetaste dijkprofiel lager is dan de eventueel weer opkomende buitenwaterstand zal overloop plaatsvinden. Vervolgens kan door erosie als gevolg van het stromende water het gat in de dijk groter worden (bresgroei) en inundatie van het achterland plaatsvinden.

Is de hoogte van het aangetaste dijkprofiel voldoende om de buitenwaterstand te keren dan zal er geen inundatie optreden van het achterland. Wel kan het aangetaste dijkprofiel door erosie van kruin en buitentalud verder worden aangetast.

Overzicht van het faaltraject buitenwaarts afschuiven

De fenomenologische beschrijving van het mechanisme buitenwaarts afschuiven, dat uiteindelijk kan leiden tot een overstroming, is in Figuur 5 schematisch weergegeven. Het inleidend mechanisme voor de afschuiving kan zijn een verhoogd freatisch vlak door neerslag of na een snelle val van de buitenwaterstand. Omdat deze triggers niet positief gecorreleerd zijn aan het optreden van een hoge waterstand is hier sprake van een indirect mechanisme dat niet onmiddellijk tot falen van de waterkering leidt.

De volgende fasen in het faaltraject van een dijk geïnitieerd door buitenwaarts afschuiven kunnen worden onderscheiden:

• Verhogen waterspanningen. De waterspanningen in de dijk kunnen tijdens een hoogwatergolf stijgen door infiltratie via het buitentalud en infiltratie vanuit zandlagen in de ondergrond (incl. pleistocene pakket). Een andere mogelijkheid is dat de waterspanningen stijgen door hevige neerslag.
• Verlaging van de buitenwaterstand. Bij een snelle daling van de buitenwaterstand na een hoogwatergolf zal de freatische lijn niet direct kunnen volgen. De waterspanningen blijven in eerste instantie hoog, met lage schuifsterktes als gevolg.
• Ontstaan van een scheur: In de kruin, het binnentalud of het buitentalud van de dijk ontstaat een scheur. Deze scheur geeft het intredepunt van een afschuiving aan die ontstaat als gevolg van de verlaagde schuifsterkte en het verdwijnen van de stabiliserende werking van de hoge buitenwaterstand.
• Verzakken van het maaiveld aan de buitendijkse zijde van de scheur. Dit proces verloopt in eerste instantie langzaam.
• Afschuiving van het buitentalud. Een gedeelte van het grondmassief schuift af. De eigenlijke afschuiving vindt plaats.
• Eventuele vervolgmechanismen (erosie buitentalud, tweede afschuiving). Als de waterkering niet direct faalt door de afschuiving, kunnen vervolgmechanismen optreden waardoor het dijklichaam alsnog faalt.
• Kruinverlaging tot de buitenwaterstand. Als de kruin ten gevolge van vervolgmechanismen is verlaagd tot het niveau van de buitenwaterstand, start de bresgroeifase.

De factoren die van belang zijn bij het optreden en de snelheid van een afschuiving van het buitentalud komen grotendeels overeen met de factoren die zijn genoemd bij het optreden van een afschuiving van het binnentalud. De belangrijkste factoren zijn de dijkgeometrie, de waterspanningen en de opbouw van de ondergrond.

Het mechanisme afschuiven langs een glijvlak buitenwaarts is tevens afhankelijk van de aanwezigheid van voorland. Een voorland levert namelijk een extra tegenwerkend moment bij een eventueel evenwichtsverlies.

Een ontwerpmaatregel om buitenwaarts afschuiven te voorkomen is het toepassen van een buitendijkse berm. In het geval van een schaardijk zal het niet meevallen om zo'n buitendijkse berm aan te brengen.