Dit artikel geeft achtergronden bij een eerste schatting van de waterspanningen waarmee, onder bepaalde voorwaarden, kan worden gerekend bij de veiligheidsbeoordeling van het mechanisme afschuiven langs een glijvlak binnenwaarts bij belasting door een extreme buitenwaterstand. Deze schattingen zijn eventueel ook bruikbaar voor verkennende ontwerpberekeningen.

Inleiding

De eerste schatting van waterspanningen is alleen bedoeld voor een eerste globale beoordeling van het mechanisme afschuiven langs een glijvlak binnenwaarts tijdens een extreme buitenwaterstand. Uitgangspunt is een min of meer homogene opbouw van de dijk en de ondergrond en beperkte golfoverslagdebieten [De Visser, 2018]. Verder is geen rekening gehouden met bijkomende waterspanningen door gedeeltelijk geconsolideerde belastingen en ongedraineerde belastingen zoals verkeersbelastingen en kruip. In de paragraaf Beperkingen van de schematisering van dit artikel worden de belangrijkste uitzonderingsgevallen benoemd en toegelicht, waarvoor de basisgevallen van de eerste schatting van de waterspanningen mogelijk geen realistische schattingen geven.

De schattingen zijn bedoeld voor een eerste globale veiligheidsbeoordeling, waarbij de onzekerheid in de waterspanningen verondersteld wordt mede te worden gecompenseerd door in de overige modellen en parameters aangehouden veiligheidsmarges. Bij een nadere uitwerking van de veiligheidsbeoordeling worden normaliter deze marges kleiner. Derhalve wordt aanbevolen om voor een nauwkeuriger veiligheidsbeoordeling ook meer zekerheid te krijgen over de waterspanningen, zie het artikel Schematiseren waterspanningen.

Het verloop van de waterspanningen in de diepte is afhankelijk van het materiaal waaruit het dijklichaam is opgebouwd (klei of zand, eventueel met klei-afdekking) en waaruit de ondergrond is opgebouwd (zand of samendrukbare lagen klei en/of veen). Zo zijn globaal de volgende gevallen te onderscheiden:

Geval 1A: kleikern en samendrukbare ondergrond.

Geval 1B: kleikern en zand als ondergrond.

Geval 2A: zandkern (met al dan niet dichte afdekking) en samendrukbare ondergrond.

Geval 2B: zandkern (met al dan niet dichte afdekking) en zand als ondergrond.

Opgemerkt wordt dat, indien voor de gevallen 1A en 2A een tussenzandlaag in de ondergrond aanwezig is, deze veiligheidshalve als watervoerend pakket wordt beschouwd.

Voor de schematisering van de waterspanning voor de situaties waarbij er sprake is van een relatief ondoorlatende samendrukbare laag (geval 1A en 2A), zijn een drietal elementen relevant:

1. De ligging van het freatisch vlak.
2. De stijghoogte in het eerste watervoerend zandpakket.
3. De waterspanningen in de ondoorlatende deklaag.

Als er geen sprake is van een relatief ondoorlatende samendrukbare laag (geval 1B en 2B), is alleen het verloop van het freatisch vlak bepalend.

Ligging van het freatisch vlak

Voor de bovengenoemde gevallen zal de ligging van het freatisch vlak afhankelijk zijn van:

• De geometrie van de dijk (onder andere dijkbasisbreedte en eventueel kruinbreedte).
• Polderpeilen en waterstanden welke in de normale situatie aanwezig zijn.
• De buitenwaterstand.
• Het al dan niet stationaire karakter van de grondwaterstroming.
• De aanwezigheid van een al dan niet dichte afdekking op het buitentalud (klei of asfalt).

Het artikel Eerste schatting van het freatisch vlak beschrijft de eerste schatting van het freatisch vlak voor verschillende opbouw van dijk en ondergrond.

Stijghoogte in eerste watervoerend pakket

De stijghoogte van het grondwater in het eerste watervoerend pakket is afhankelijk van vele factoren, o.a.:

• Het al dan niet optreden van de grenspotentiaal waarbij rekening dient te worden gehouden met de aanwezigheid van een sloot in de stabiliteitzone.
• De aanwezigheid van een ondoorlatend pakket buitendijks, en de dikte daarvan.
• Het al dan niet stationaire karakter van de grondwaterstroming.

Kleine verschillen in deze factoren kunnen relatief grote gevolgen hebben. Om een voorzichtige inschatting te verkrijgen kan dit voor een aantal gevallen betekenen dat een schijnbaar extreem hoge freatische lijn en/of waterspanningen moet worden bepaald.

Een grove schatting voor de stijghoogte van het grondwater in het eerste watervoerend pakket wordt gegeven in het artikel Eerste schatting van de stijghoogte in het watervoerend pakket.

Waterspanning in de samendrukbare lagen

Het waterspanningsverloop in de kleikern en het samendrukbare pakket wordt lineair verlopend aangenomen tussen het freatisch vlak bij de extreme buitenwaterstand en de stijghoogte onder normale omstandigheden aan de bovenzijde van de indringingslaag (verondersteld wordt derhalve dat de stijghoogte in een ondoorlatend pakket onder de kruin van een dijk ter plaatse van de bovenzijde van de indringingslaag geen invloed ondergaat van een verandering van de stijghoogte in het daaronder gelegen watervoerend pakket). Het waterspanningsverloop in de indringingslaag zelf wordt vervolgens lineair verlopend verondersteld naar de stijghoogte bovenin het watervoerend pakket bij de extreme buitenwaterstand. In het zand worden de waterspanningen hydrostatisch aangenomen.

Bij normale omstandigheden heerst er in samendrukbare of slecht doorlatende lagen in de ondergrond een bepaalde waterspanningsverdeling over de diepte. Als de stijghoogte in het eerste watervoerend pakket stijgt als gevolg van een stijgende buitenwaterstand, zal dit niet direct leiden tot een verhoging van de waterspanningen in de samendrukbare lagen, omdat deze tevens slecht doorlatend zijn. Het effect van de verhoging van de stijghoogte dringt slechts langzaam door in de samendrukbare lagen, met als gevolg dat alleen onderin de samendrukbare lagen de waterspanningen een verhoging te zien zullen geven als gevolg van de hogere stijghoogte.

De hoogte onderin de samendrukbare lagen waarover de verhoging van de stijghoogte in het eerste watervoerend pakket merkbaar is, wordt aangeduid met indringingslaag of grenslaag, zie het artikel Indringingslaag.

Beperkingen van de schematisering

Ten gevolge een aantal aspecten kan de hoogte van het freatisch vlak en van het waterspanningsverloop in de aquifer en het samendrukbare lagenpakket aanzienlijk afwijken van de schematisering voor de standaardsituaties. Dit kan er toe leiden dat wat in de artikelen Eerste schatting van het freatisch vlak en Eerste schatting van de stijghoogte in het watervoerend pakket wordt gepresenteerd als realistische schematiseringen uiteindelijk toch niet voldoende veilig is. Onderstaand worden de belangrijkste beperkingen van de eerste schatting benoemd en toegelicht.

Afwijkende opbouw van dijk en / of ondergrond

De standaardsituaties die door de eerste schattingen worden beschreven veronderstellen een homogene opbouw van het dijklichaam en de ondergrond. Indien de dijk niet homogeen is opgebouwd en bijvoorbeeld niet volledig uit ondoorlatend materiaal bestaat, dan kan onder invloed van hevige neerslag of van overslag water binnendringen op plaatsen waar dat niet wordt verwacht. Water kan zich bijvoorbeeld ophopen in de zandige ondergrond onder een dijkweg of een vroegere dijkweg, of in een zand(ige) aanvulling van een kleidijk. Wanneer die zandige gedeelten van de dijk zijn afgedekt door een kleilaag, kan ten gevolge van verweking na een periode met hevige neerslag plotseling bezwijken optreden. In de praktijk heeft dit verschijnsel zich een aantal malen voorgedaan. Naarmate de opbouw van de dijk minder homogeen is, is bijgevolg meer oplettendheid geboden.

Daarnaast is de aanname van een lineair verloop van de waterspanningen niet altijd terecht. Bijvoorbeeld indien de ondergrond niet regelmatig is opgebouwd en de doorlatendheid van de lagen verschilt. Het zou niet altijd veilig zijn wanneer het verhang over de hoger gelegen lagen kleiner zou zijn dan dat over de dieper gelegen lagen, anders gezegd, indien de doorlatendheid van de hoogst gelegen lagen in het ondoorlatende pakket relatief groot zou zijn.

Deze lagen kunnen dan de neiging hebben de relatief hoge waterstand in het dijklichaam te volgen.

Omgekeerd is de schatting voor de indringlengte niet meer dan een op ervaring gebaseerde schatting. In het algemeen is gebleken dat de laagste gedeelten van een ondoorlatende deklaag erg ondoorlatend zijn. Er is evenwel nog veel onbekend over de dikte van deze laag en de factoren die de indringlengte bepalen.

Ongedraineerde belastingen

Belastingen op samendrukbare grond worden als ongedraineerd beschouwd kort nadat zij aangrijpen. De samendrukbaarheid van water is in het algemeen minder groot dan die van korrels, en bijgevolg leidt een belastingtoename in ondoorlatende pakketten grond tot een toename van de waterspanning. Voorbeelden van dergelijke belastingen zijn een verkeersbelasting en een belasting door een plotselinge waterstandsverhoging.

Kruip

Een dijk die maar net in evenwicht is, kan schuifvervorming ten gevolge van kruip ondergaan. Door een voortdurende verandering van het poriënvolume ten gevolge van plastisch vervormen, worden steeds opnieuw waterspanningen gegenereerd.

Gedeeltelijk geconsolideerde belastingen

Naast ongedraineerde belastingen zijn er bij ondoorlatende grond ook gedeeltelijk geconsolideerde belastingen, bijvoorbeeld in een situatie waarin de wateroverspanning als gevolg van een recente dijkverhoging nog niet volledig gedissipeerd is. Met een dergelijke gedeeltelijk geconsolideerde belasting wordt bij de beschouwing van het mechanisme afschuiven langs een glijvlak bij hoog buiten water gewoonlijk geen rekening gehouden, omdat alleen de eindsituatie wordt beoordeeld. Strikt genomen is de schematisering evenwel niet veilig. In een goed ontwerp wordt hier wel aandacht aan besteed.

Veel overslag

Bij primaire waterkeringen is soms sprake van een groot overslagdebiet. Overslag leidt via infiltratie tot een hogere ligging van de freatische lijn. Het artikel Invloed van golfoverslag op het freatisch vlak beschrijft een praktische methode om het effect van golfoverslag op het freatisch vlak te bepalen.

Invloed van objecten en constructies

Door de aanwezigheid van bijvoorbeeld lekkende waterleidingen in het dijklichaam kan het freatisch vlak aanzienlijk hoger komen te liggen. Ook constructies in de dijk kunnen de waterspanning in belangrijke mate beïnvloeden. Denk daarbij aan constructies als damwanden in het binnentalud. De constructie blokkeert de grondwaterstroming met als gevolg een hogere ligging van het freatisch vlak stroomopwaarts van de damwand in vergelijking met de situatie zonder constructie. Verder is een drainageconstructie altijd een kwetsbaar punt.

3D-effecten

Belangrijke uitzonderingen zijn ook de situaties waar 3D-effecten een rol spelen. Het gaat hierbij om afwijkende bodemopbouw (bijvoorbeeld aanwezigheid van geulen) of waterkerende kunstwerken en niet-waterkerende objecten (bijvoorbeeld de fundering van woningen). Zie ook onder het kopje Twee- of driedimensionale schematisatie in het artikel Introductie waterspanningen.