Bij primaire waterkeringen is soms sprake van een groot overslagdebiet. Dit artikel beschrijft een praktische methode om het effect van golfoverslag op het freatisch vlak te bepalen. Deze wijze van schematiseren is bruikbaar voor zowel het mechanisme afschuiven binnenwaarts als voor  afschuiven van de grasbekleding van het binnentalud bij overslag.

Inleiding

Dit artikel beschrijft hoeveel de waterspanningen ter plaatse van het binnentalud en de kruin kunnen toenemen gegeven een golfoverslagdebiet en de hierbij horende golfcondities. Hoe de hydraulische belastingen te bepalen, bij welke kans van voorkomen, en welke partiële veiligheidsfactoren verder moeten worden gebruikt in de stabiliteitsberekening voor het scenario met overslag, maakt geen onderdeel uit van dit artikel.

Dit artikel gaat in op het effect van golfoverslag op het freatische vlak in de dijk. Ook kan een stijging van de freatische lijn optreden als gevolg van indringing van water door het buitentalud, zowel onder de stilwaterlijn als daarboven in de golfoploopzone, en als gevolg van indringing van water door de ondergrond. Deze effecten moeten bij elkaar worden opgeteld om te komen tot een correcte schematisering van de freatische lijn, zie ook het artikel Ligging freatisch vlak in de dijk.

Voor het ontwerp van dijken met golfoverslag is een nieuwe beoordelingsmethode opgezet: KPR factsheet ‘werkwijze macrostabiliteit i.c.m. golfoverslag’ [KPR 2018]. Voor de schematisering van de waterspanningen bij een significant golfoverslagdebiet wordt hierbij vooralsnog uitgegaan van een volledig verzadigde dijk, ofwel een freatisch vlak op het maaiveld van de dijk, waar beargumenteerd van mag worden afgeweken. Aan dit laatste, het beargumenteerd afwijken van een volledig verzadigde dijk, wordt in dit artikel aandacht besteed.

Beargumenteerd afwijken van een volledig verzadigde dijk bij golfoverslag kan op grond van verschillende informatiebronnen:

1. Een vereenvoudigde rekenmethode, zoals dit artikel beschrijft.
2. Tijdsafhankelijke grondwaterstromingsberekeningen met lokaal ingewonnen parameters.
3. Grote schaal infiltratieproeven.

De vereenvoudigde rekenmethode (1.) geeft vaak een optimalisatie ten opzichte van de aanname dat de dijk volledig verzadigd is, maar deze methode is nog altijd aan de conservatieve kant. Overigens is ondanks de sterke vereenvoudiging toch nog een redelijke inspanning nodig om deze veilige schatting van de toename van de waterspanningen te berekenen.

Bij de tijdsafhankelijke grondwaterstromingsberekeningen met lokaal ingewonnen parameters (2.) kan rekening worden gehouden met een aantal algemene zaken of juist bijzondere omstandigheden die bij de vereenvoudigde rekenmethode buiten beschouwing blijven. Ten denken valt aan het effect van een drainage in de zanddijk, een ondoorlatende weg op de kruin, de invloed van verschillen in infiltratiecapaciteit per laag, een oude dijkkern van klei, het effect dat infiltrerende water niet instantaan aan het freatische water wordt toegevoegd bij een zanddijk oftewel dat gedurende het infiltreren er grondwater kan afstromen vanuit het dijklichaam polderwaarts.

In de volgende paragrafen wordt de vereenvoudigde rekenmethode (1.) beschreven.

De vereenvoudigde rekenmethode is gebaseerd op kennis ontwikkeld in het kader van het WBI2017, zoals onder andere is opgenomen in [RWS 2012] en [RWS 2016a].

Infiltratietijd bij golfoverslag

De hoeveelheid water die als gevolg van golfoverslag infiltreert in de dijk is onder andere afhankelijk van de tijd dat er een wateraanbod op de kruin en het talud aanwezig is: de zogenaamde infiltratietijd.

Golfoverslag vindt plaats als onder extreme omstandigheden de waterstand hoog is en de hoogste golven de kruin van de dijk bereiken en over de kruin naar het binnentalud lopen. In het algemeen infiltreert slechts een (klein) deel van het water, de rest stroomt af richting de polder.

De eenvoudigste golfoverslagparameter is het gemiddelde golfoverslagdebiet, q_g Gemiddeld golfoverslagdebiet [m³/m/s] [l/s/m]. Dit is de hoeveelheid water (in liter) per strekkende meter breedte die gemiddeld per seconde over de kruin gaat. Het is een gemiddelde over een tijdsinterval van bijvoorbeeld een uur met constante hydraulische condities. In werkelijkheid zal het debiet over de kruin zeer sterk wisselend zijn, omdat de inkomende golven onregelmatig van grootte zijn. Het wisselende debiet is afhankelijk van het gemiddelde overslagdebiet en van de golfcondities, vooral de golfhoogte.

Infiltratie kan alleen optreden indien er aanbod van water, ofwel een waterlaagje, op het talud aanwezig is. Voor de hoeveelheid infiltratie maakt het overigens niet zo veel uit hoe dik het waterlaagje is, als er maar een waterlaagje is. Zoals in tabel 1 te zien is, zal bij een gelijk gemiddeld overslagdebiet het aantal overslagvolumes bij een hoge golfhoogte veel lager zijn dan bij een kleine golfhoogte. Indien de golfvolumes snel achter elkaar over de dijk komen, bij een lage golfhoogte, dan blijft er op het talud altijd een waterlaagje aanwezig. Als de tussentijd te groot wordt, bij hoge golven, dan valt het talud soms tijdelijk ‘droog’ en stopt de infiltratie tijdelijk. In bovenstaand voorbeeld zal bij eenzelfde overslagdebiet van 1 l/s/m de hoeveelheid infiltratie bij de kleine golfhoogte groter zijn dan bij de hoge golven, omdat er langer een waterlaagje op het talud aanwezig is.

Uit golfoverslagproeven [RWS 2012] is gebleken dat het grootste deel van een golfoverslagvolume binnen enkele seconden over het talud raast. Na het front van het volume, waarin de waterlaagdikte en de dieptegemiddelde stroomsnelheid maximaal zijn, volgt de staart. In de staart neemt de waterlaagdikte en de gemiddelde stroomsnelheid af. Binnen enkele seconden is de waterlaagdikte op het talud kleiner dan enkele centimeters en lijkt het volume helemaal voorbij te zijn. Uit waarnemingen bij meerdere overslagproeven is echter gebleken dat er na elk golfoverslagvolume, na het voorbij komen van het front, gemiddeld circa een halve minuut nog een dun waterlaagje op het talud aanwezig is (taluds 1:2,5 à 1:3). Deze tijd is slechts beperkt afhankelijk van de grootte van het overslagvolume. Het gaat hierbij om een waterlaagje dat van enkele centimeters dikte maar langzaam afneemt en dat zich tussen de bovengrondse plantdelen bevindt.

Aangenomen is dat als de tijd tussen opvolgende golfvolumes korter is dan 30 s, er constant wateraanbod is voor infiltratie, en als die tijd meer is dan 30 s, er na die 30 seconden geen wateraanbod meer is. In het laatste geval wordt de infiltratietijd dus korter dan de tijd dat er overslag optreedt. Deze aanname heeft geleid tot onderstaande grafiek waarmee het percentage van de tijd dat er daadwerkelijk een wateraanbod is, kan worden bepaald.

Als deze grafiek wordt toegepast op het eerder genoemde voorbeeld dan blijkt dat bij een overslagdebiet van 1 l/s/m bij een golfhoogte van 0,5 m het talud 90% van de tijd nat is en er dus bijna voortdurend infiltratie optreedt. Bij een golfhoogte van 3 m is dit slechts circa 10% van de tijd.

De berekening van de tijd van wateraanbod op het talud gaat uit van de aanname dat een overslagvolume groter is dan de infiltratiecapaciteit van het talud (Infiltratiecapaciteit bij golfoverslag). Elk volume levert een infiltratietijd van 30 seconden (of minder als er binnen 30 s een nieuwe golf over de dijk slaat). Als het overslaande volume klein is en het talud lang en doorlatend, dan kan het voorkomen dat het overslagvolume de binnenteen niet bereikt, maar volledig infiltreert op het talud. In werkelijkheid is de infiltratietijd lokaal dan dus korter. De in dit artikel gepresenteerde methode houdt daar geen rekening mee. Deze verwaarlozing leidt tot een conservatief resultaat. Overigens wordt verwacht dat het effect van deze verwaarlozing relatief gering is. De infiltratiecapaciteit van het talud kan in sommige gevallen dezelfde orde van grootte hebben als het gemiddelde overslagdebiet, maar is vaak een orde minder dan wat instantaan over de dijk komt bij een overslaande golf.

Infiltratiecapaciteit bij golfoverslag

Gegeven dat er een wateraanbod op het talud aanwezig is, zal het water met een bepaald debiet in de dijk infiltreren, uitgaande van een doorlatende bekleding op kruin en binnentalud. Dit wordt de infiltratiecapaciteit genoemd. Deze is afhankelijk van de doorlatendheidseigenschappen van het dijksmateriaal en van de druk waarmee het water in het talud wordt geperst. Bij golfoverslag is de druk gering. De waterlaagdikte op het talud zal beperkt blijven tot hooguit enkele decimeters gedurende enkele seconden bij het passeren van grote overslagvolumes (hoog gemiddeld debiet en grote golven). Gedurende veel langere tijd zal de waterlaag slechts in de orde van enkele centimeters dik zijn. De infiltratiecapaciteit van groene dijken ligt onder deze omstandigheden tussen 1×10^-4 en 1×10^-5 m³/s/m² [TAW 1996]. De infiltratiecapaciteit is weinig afhankelijk van de kleikwaliteit of het zandgehalte in de klei, maar blijkt wel afhankelijk van de aanwezigheid van bodemstructuur.

Bij diverse golfoverslagproeven in Nederland is de infiltratiecapaciteit in het veld bepaald en gemiddeld was deze 2,5×10^-5 m³/s/m² voor 23 veld-infiltratieproeven (zie [RWS 2016a] over het uitvoeren van deze veldproeven). Als veilige schatting van de infiltratiecapaciteit kan 1×10^-4 m³/s/m² worden aangehouden. Indien die schatting niet tot een bevredigend antwoord leidt, dan kunnen veldproeven worden uitgevoerd [RWS 2016a].

Bij het ontwerp is het lastig om te dimensioneren op een bepaalde (lage) doorlatendheid van de kleilaag. De bereikte doorlatendheid is afhankelijk van diverse factoren. Aandachtspunten in het ontwerp en bij de uitvoering zijn:

• Dikte van de kleilaag. De doorlatendheid en de infiltratiecapaciteit zijn hoofdzakelijk afhankelijk van de bodemstructuur. Deze neemt af met de diepte onder het maaiveld en is het meest intensief in de bovenste ca. 0,6 m. Een kleilaag van 0,8 m is daardoor aanzienlijk minder doorlatend dan een kleilaag van 0,6 m dikte.
• Het vochtgehalte bij verwerking is belangrijk. De klei mag niet te nat en niet te droog zijn bij verwerking en verdichting. Een te droge klei laat zich niet goed verdichten en een te natte klei is moeilijk te verwerken en zal bovenmatig krimpen en scheuren na aanbrengen (zie bijvoorbeeld [TAW 1996] en recenter [Deltares 2010]).

Bij een goed verdichte kleilaag van 0,8 m kan voor het ontwerp worden uitgegaan van de gemiddelde infiltratiecapaciteit van 2,5×10^-5 m/s. Bij dunnere kleilagen of bij twijfels over de mogelijkheid tot verdichting kan worden uitgegaan van 1×10^-4 m/s als zeker conservatieve schatting. Dunnere kleilagen met een lagere infiltratie capaciteit zijn echter ook mogelijk. Een kant-en-klaar recept is helaas niet voorhanden.

Schematisering potentiële toename waterspanningen als gevolg van golfoverslag

Dit hoofdstuk beschrijft alleen een eenvoudige methode om de toename van de waterspanningen als gevolg van golfoverslag over de kruin en het binnentalud te bepalen. Het gaat hierbij om een toeslag op het freatisch vlak ter plaatse van de kruin, het binnentalud en eventueel de berm.

De verhoging van het freatisch vlak als gevolg van golfoverslag kan als volgt worden bepaald:

1. Bepaal de infiltratietijd gedurende een storm.
2. Bepaal de infiltratiecapaciteit van de bekleding en het infiltratievolume.
3. Bepaal de toeslag op het freatisch vlak voor kleidijken of voor zanddijken (al dan niet met kleibekleding).

Stap 1 - Bepaling infiltratietijd

De infiltratietijd is de tijd dat op het talud een waterlaagje aanwezig is en er infiltratie optreedt. Voor de bepaling van de infiltratietijd zijn het waterstandsverloop en het verloop van golfkarakteristieken met de tijd van belang. Het verloop wordt opgeknipt in stukjes van 1 uur met een constante waterstand en golfcondities. Een voorbeeld wordt gegeven in figuur 2.

Met behulp van Riskeer en Hydra-NL, of de formules in [TAW 2002] wordt per discreet interval van 1 uur het gemiddelde overslagdebiet berekend. Vanaf het moment dat de waterstand in combinatie met golfcondities een overslagdebiet geeft dat hoger is dan 0,1 l/s per m, moet rekening worden gehouden met infiltratie door golfoverslag. Infiltratie bij golfoverslag geringer dan 0,1 l/s per m is verwaarloosbaar. Het voorbeeld in figuur 2 is uitgewerkt in tabel 2. In het voorbeeld komt het overslagdebiet niet boven 1 l/s/m.

In het voorbeeld is gedurende 5 uur het overslagdebiet groter dan 0,1 l/s/m. Het maximale overslagdebiet tijdens de piek van de storm is 0,8 l/s/m. Een conservatieve schatting van de tijd met een wateraanbod op het talud is 5 uur, echter met behulp van figuur 2 kan dit worden verfijnd. Voor het voorbeeld leidt dat tot tabel 3.

Hieruit volgt dat van de 5 uur met een overslagdebiet groter dan 0,1 l/s/m er slechts 0,65 uur infiltratie kan optreden.

Stap 2 – Bepaling infiltratiecapaciteit en infiltratievolume

De infiltratiecapaciteit van kleidijken en zanddijken met een kleibekleding ligt tussen 1×10^-4 en 1×10^-5 m/s (conservatieve schatting). Gemiddeld werd in het veld 2,5×10^-5 m/s gevonden (zie Infiltratiecapaciteit bij golfoverslag).

Het infiltratievolume is het watervolume dat door de dijk wordt opgenomen. Het volume wordt eenvoudig berekend door de infiltratietijd in stap 1 te vermenigvuldigen met de infiltratiecapaciteit van de dijkbekleding.

Voor het voorbeeld geldt:

• Bij aanname conservatieve schatting infiltratiecapaciteit: 0,65×3600×1×10^-4 = 0,234 m³/m² (234 l/m²)
• Bij gemiddelde infiltratiecapaciteit: 0,65×3600×2,5×1×10^-5 = 0,0585 m³/m² (58,5 l/m²)

Het verschil tussen de conservatieve aanname en het gemiddelde van de infiltratiecapaciteit is vrij groot. Het loont om de infiltratiecapaciteit in het veld te bepalen.

Stap 3 – Bepaling toename waterspanning

Er wordt onderscheid gemaakt tussen kleidijken en zanddijken met een kleibekleding.

Stap 3a - Kleidijk

De toename van de waterspanningen in een kleidijk door golfoverslag wordt grotendeels bepaald door de karakteristieke opbouw van een kleidijk, namelijk een vrij dichte kleikern en een veel poreuzere kleilaag vlak onder het maaiveld.

Door de vorming van bodemstructuur in de jaren, zal de grond vlak onder het maaiveld een veel hogere doorlatendheid krijgen dan de kern van de dijk. De opbouw van de bodemstructuur is zodanig dat de doorlatendheid afneemt met toenemende diepte onder het maaiveld. De opbouw van de bodemstructuur is afhankelijk van een groot aantal factoren: samenstelling van het basismateriaal, (te hoog of te laag) vochtgehalte tijdens aanbrengen klei, vochthuishouding, neerslag en verdamping en de ontwikkeling van bodemleven (planten en dieren). Toch blijkt de opbouw van de bodemstructuur in heel veel gevallen ongeveer hetzelfde te zijn. Uitzonderingen worden gevormd door dijken waarbij de klei veel te nat is aangebracht, waarbij na aanleg grote scheuren ontstaan die later niet meer dicht gaan. Een andere uitzondering vormen dijken waarbij gedurende de geschiedenis van de dijk is overlaagd met klei, maar waarbij eerder gevormde klei met bodemstructuur onvoldoende is verwijderd of verdicht. De kleilagen met een losse structuur kunnen dan nog in de dijk aanwezig zijn en zorgen voor een afwijkende opbouw van waterspanningen.

Het water dat vanaf het maaiveld relatief gemakkelijk infiltreert tussen de losse aggregaten zal met toenemende diepte meer weerstand ondervinden, omdat de aggregaten met de diepte groter worden en de stapeling van aggregaten dichter wordt. Onder een niveau van 0,8 à 1 m komen nog voornamelijk verticale scheuren voor. De toenemende weerstand zorgt ervoor dat verdere infiltratie wordt bemoeilijkt en er ontstaat een grondwaterstroming in de richting parallel aan het talud.

Voor de schematisering van de waterspanningen in een kleidijk als gevolg van golfoverslag kan worden uitgegaan van het volgende:

• Indien het infiltratievolume volgend uit stap 2 meer is dan 125 l/m², dan wordt aanbevolen om uit te gaan van volledige verzadiging van de klei met bodemstructuur; dus tot maximaal 1,5 m beneden maaiveld. Het volume van 125 l/m² is een conservatieve, lage, schatting van het macroporiënvolume dat moet worden gevuld voordat een grondwaterstroming parallel aan het talud kan ontstaan, over de volle dikte van de laag met bodemstructuur. Voor een glijvlakberekening wordt het freatisch vlak geschematiseerd op het maaiveld.
• Als het volume kleiner is dan 125 l/m² zal de laag gedeeltelijk onverzadigd blijven en kan de waterspanningstoename door golfoverslag worden genegeerd.

Stap 3b – Zandkern met kleibekleding

Bij een zanddijk met kleibekleding is geen barrière aanwezig die de verticale infiltratie hindert. Het infiltrerende water bereikt door de kleibekleding en de zandkern het freatisch vlak, dat als gevolg van het infiltrerende water zal stijgen.

De potentiële stijging van het freatisch vlak is gelijk aan het infiltratievolume, zie stap 2, gedeeld door de effectieve porositeit van het zand. Met de effectieve porositeit wordt bedoeld het poriënvolume dat nog dient te worden gevuld om te komen tot verzadiging van het zand. Zand boven het freatisch vlak is vaak al vochtig. Uit laboratoriumonderzoek is gebleken dat een effectieve porositeit van ongeveer 0,3 [-] kan worden aangehouden, door de aanwezigheid van een watergehalte onder dagelijkse omstandigheden van circa 5-10% [-].

Voor het voorbeeld zou dit betekenen een stijging van het freatisch vlak van: 0,234/0,3 = 0,78 m als wordt uitgegaan van een zeer doorlatende kleibekleding en 0,0585/0,3 = 0,2 m als wordt uitgegaan van een gemiddelde infiltratiecapaciteit. Voor een glijvlakberekening wordt het freatisch vlak geschematiseerd met een verhoging als gevolg van golfoverslag van 0,78 m of 0,2 m, afhankelijk van de te hanteren infiltratiecapaciteit, ten opzichte van het freatisch vlak wat hoort bij de infiltratie door hoog water via het buitentalud.

Conservatief hierin is dat het infiltrerende water instantaan aan het freatische water wordt toegevoegd, terwijl dit in werkelijkheid tijd kost. Ook wordt geen rekening gehouden met het tussentijds afstromen van infiltrerend water vanuit het dijklichaam polderwaarts. Met een niet stationaire grondwaterstromingsberekening kunnen deze twee effecten wel netjes worden meegenomen.