Inleiding

Doel van stap 3 is het kwantitatief uitwerken van de beoogde waterspanningsschematisering voor de in stap 2 vastgestelde situaties. In onderstaande figuur zijn de te ondernemen activiteiten en keuzes in een stroomdiagram weergegeven. Dit stroomdiagram geeft de activiteiten weer die achtereenvolgens nodig zijn om tot een schematisering te komen. Bij elke activiteit moeten keuzes worden gemaakt voor bijvoorbeeld het type model, parameters, metingen, et cetera. Hieronder worden de substappen 3.1 t/m 3.5 nader toegelicht. Opgemerkt wordt dat binnen de overstromingskansbenadering per (faal)mechanisme moet worden toegewerkt naar een zo realistisch mogelijk bepaalde faalkans, zie het artikel Onzekerheid waterspanningsschematisering.

Deze tabel scrolt horizontaal

Stap 3.1 Modelkeuze

De informatie uit stap 1 en 2 (1= beschrijving bodemopbouw, grondwaterstroming en geometrie en 2= mechanismen en belastingcombinaties) bepaalt de keuze voor een model of een combinatie van modellen. Er zijn drie typen modellen, zie de tabel. Bij de keuze zal ook de beschikbare informatie een rol spelen.

Overwegingen bij de modelkeuze (zie ook Berekenen waterspanningen):

• Het tijdsafhankelijk verloop van de hydraulische / (geo)hydrologische randvoorwaarden bepaalt of een stationaire berekening voldoende is of dat een tijdsafhankelijke (of cyclische) berekening zinvol is.
• Afhankelijk van de geometrie, denk daarbij bijvoorbeeld aan het voorkomen van oude geulen onder de dijk (watervoerend pakket), rivierbochten of plaatselijk een hoog voorland, wordt gekozen voor een schematisering van de geometrie van dijk en ondergrond. Daarbij valt afhankelijk van de geometrie de keuze op:
  • Tweedimensionaal in een horizontaal vlak.
  • Tweedimensionaal in een verticaal vlak.
  • Driedimensionaal.
• In situaties waar waterspanningen van ondergeschikt belang zijn kan men wellicht zonder metingen schematiseren. In de andere gevallen zullen metingen noodzakelijk zijn.

Stap 3.2 Geohydrologische modellering

Basisopzet van het geohydrologisch model, of de combinatie van geohydrologische modellen.

• Uitgangspunt is de in stap 1 gemaakte systeembeschrijving betreffende beschrijving bodemopbouw, grondwaterstroming en geometrie. Deze dient nu kwantitatief te worden ingevoerd in de gekozen modellen. Dit betekent dat de vaak grillige en heterogene werkelijkheid op een realistische manier moet worden geschematiseerd. De detaillering is mede afhankelijk van de mogelijkheden van de gekozen modellen: sommige modellen vereisen een verregaande vereenvoudiging van de complexe werkelijkheid. Dan is inzicht en ervaring vereist voor een realistische schematisering.
• De grondopbouw en de grondeigenschappen dienen in voldoende detail bekend te zijn. Van belang zijn met name:
  • De aanwezigheid en dikte van de samendrukbare laag (klei, veen) binnen- en buitendijks.
  • De ligging en dikte van de watervoerende zandpakketten.
  • Het al dan niet aanwezig zijn van tussenzandlagen.
  • De doorlatendheden van het dijkmateriaal, de samendrukbare lagen en de zandpakketten.
  • De invloed van mogelijke sliblagen op het onderwater talud.
  • Het soortelijk gewicht van de binnendijkse deklaag (klei, veen).

De grondopbouw wordt bepaald op basis van geotechnisch onderzoek. De doorlatendheden volgen uit laboratoriumonderzoek. Vanwege inhomogeniteiten zullen dergelijke bepalingen echter zelden nauwkeurig zijn. Aanvullende informatie uit literatuurgegevens, ervaringsgegevens betreffende de dijk en/of visuele verkenning zijn daarom in ieder geval ook nodig. De beste bepaling van de doorlatendheid van de zandlagen wordt middels grootschalige veldproeven (langdurige waterspanningsmetingen en/of pompproeven) verkregen. De doorlatendheid of hydraulische weerstand van de samendrukbare lagen is veel moeilijker te bepalen. In eerste instantie kan worden volstaan met schattingen, waarbij voor het voorland vaak een karakteristiek schatting, een relatief lage weerstand (hogere doorlatendheid) in rekening wordt gebracht en voor het achterland het omgekeerde. Specifiek bij dunne kleilagen moet daarbij rekening worden gehouden met mogelijke gestructureerdheid van de klei ten gevolge van (biologische) bodemontwikkeling (in het algemeen de bovenste 1 a 2 meter [Senhorst, 2018]), waardoor de weerstand afneemt.

Belastingen (buiten- en binnendijks). Als buitendijkse belasting wordt de buitenwaterstand opgegeven, met een hydrostatisch drukverloop, zoals deze op het watervoerend pakket werkt. De afstand vanaf de dijk waarop deze belasting wordt opgegeven is het intreepunt. Zeker in het geval van voorland is het intreepunt fysiek niet gemakkelijk aan te duiden. Dan wordt de afstand bepaald op basis van onderzoek naar de aanwezige toplaag in het voorland. Als alternatief kan indirect met behulp van metingen aan de stijghoogte de intreelengte worden bepaald.

Voor de binnendijkse belasting kan opbarsten/opdrijven een rol spelen. Opbarsten /opdrijven begrenst de waterspanningen in het watervoerende pakket (zie het artikel Berekenen van de grenspotentiaal). Zowel analytische- als numerieke rekenmodellen houden meestal geen rekening met deze interne grensconditie. De gelimiteerde waterspanning vormt dan een extra randvoorwaarde in het watervoerend pakket.

De afstand achter de dijk waar in het watervoerende pakket weer het polderpeil aanwezig is, is afhankelijk van de toevoer van water door het watervoerend pakket (vooral horizontale stroming) en de uitstroom van water door de kleilaag (vooral verticale stroming). Indien op een gegeven punt de kleilaag ontbreekt, zal daar het polderpeil aanwezig zijn. Als de kleilaag niet ontbreekt, zal het polderpeil op geruime afstand gelijk zijn aan de stijghoogte in het watervoerende pakket. Als dit punt te dicht bij de dijk gekozen wordt, leidt dit tot een onderschatting van de waterspanning. De schematisering is dan niet meer veilig. Indien opbarsten zeker optreedt, is de locatie van deze randvoorwaarde minder van belang. De grenswaterspanning in de opdrijfzone volstaat dan.

Bij toepassing van meerdere modellen: de ‘rekenvolgorde’ en de interacties. Gewoonlijk levert het model voor het watervoerend pakket de randvoorwaarde voor het model voor het bepalen van de ontwikkeling van waterspanningen in de samendrukbare pakketten. Controleer achteraf of tijdsafhankelijke interactie tussen beide pakketten kan worden verwaarloosd.

Overzicht relevante (en niet uit te sluiten) ‘afwijkingen’ in het ondergrondmodel en in het systeemgedrag. Er moet bijvoorbeeld rekening worden gehouden met mogelijk sterk veranderende omstandigheden die optreden indien het voorland onderstroomt of met te verwachten ingrijpende veranderingen in het geohydrologisch systeem. Zie ook Valkuilen bij interpreteren van waterspanningsmetingen.

Opzet meetprogramma t.b.v. verificatie afwijkingen en vaststellen geohydrologische parameters. Zie bijvoorbeeld [Rozing, 2012]. Het artikel Instrumenten om het verloop van waterspanningen te meten gaat in op eventueel te gebruiken meet instrumenten.

Stap 3.3 Parameterkeuze

Mede afhankelijk van voorgaande keuzes moet besloten worden of de gekozen schematisering gekalibreerd dient te worden op actuele metingen (al dan niet tijdsafhankelijk), of dat wordt uitgegaan van een conservatieve inschatting op basis van globale (geo)hydrologische gegevens.

Vervolgens zullen de nog ontbrekende (geohydrologische) parameters (doorlatendheid, berging e.d.) moeten worden toegekend.

• Indien er geen kalibratie mogelijk is met waterspanningsmetingen moeten de parameters gebaseerd worden op realistische inschattingen. In feite wordt geen informatie toegevoegd, en moet worden uitgegaan van de in stap 3.1 opgestelde basisopzet. Afhankelijk van het beoogde gebruik van het model (bijvoorbeeld extrapolatie naar hoog water, t.b.v. semi-probabilistische aanpak met karakteristieke waarden of probabilistische aanpak met stochasten (verwachtingswaarden met spreiding), dienen keuzes te worden gemaakt hoe de onzekerheden (nu of in de toekomst) in de geologische schematisering worden verwerkt.
• Met metingen van de stijghoogte is kalibratie van de modellen mogelijk. De aanwezigheid van de binnen- en buitendijkse kleilagen en de weerstand ervan (alsmede de elastische berging (consolidatie) voor een instationaire analyse) kunnen door middel van deze metingen worden vastgesteld. Hetzelfde geld voor de doorlatendheid van het watervoerende pakket. Daarnaast kan op basis van metingen soms de opbarstpotentiaal worden bepaald. Metingen kunnen ook eventuele driedimensionale effecten in beeld brengen, bijvoorbeeld bij sterk wisselende kleilaagdikte in de lengterichting van de dijk. Meetresultaten kunnen veronderstelde afwijkingen bevestigen dan wel uitsluiten.

Stap 3.4 Extrapolatie naar belastingcombinatie(s)

Bij de extrapolatie van de situatie tijdens de meting naar een mogelijk extreme (ontwerp)belastingsituatie moet rekening worden gehouden met:

• Een ander systeemgedrag bij extreme waterstanden, bijvoorbeeld een ander grondwaterstromingspatroon bij geopende stuw op de rivier, opbarsten/opdrijven van de deklaag achter de dijk, het overstromen van zomerkaden of het overstromen van hoog gelegen voorland. Hierdoor kunnen aspecten die niet relevant zijn in de kalibratie wellicht toch belangrijk zijn in extreme omstandigheden. Bijvoorbeeld de aanwezigheid van geulen in het voorland. De artikelen Valkuilen bij interpreteren van waterspanningsmetingen en Voorbeeld van valkuilen bij interpreteren van waterspanningsmetingen gaan hier wat dieper op in.
• Verandering van het systeem tijdens de zichtperiode (beoordeling) of planperiode (ontwerp). Enkele voorbeelden hiervan zijn het al dan niet kunnen garanderen van een afdekkende laag (sliblaag) op de rivierbodem of op het voorland, toekomstige wijzingen van slootpeilen, autonome bodemdaling, het aanbrengen, verwijderen of functioneren van afsluitende elementen zoals damwanden en schermen.

In beginsel levert een (al dan niet op basis van waterspanningsmetingen gekalibreerde) modellering schattingen op van waterspanningen. Daarbij is er altijd sprake van een zekere mate van onzekerheid. Dit betekent dat de adviseur expliciet moet ingaan op de wijze waarop hij met onzekerheid is omgegaan: door het verwaarlozen van een deklaag op het voorland, of het kiezen van een conservatieve parameterset, het niet meenemen van instationaire effecten, et cetera. In bijzondere gevallen kan een gevoeligheidsanalyse zinvolle informatie opleveren.

Checklist ter voorkoming van fouten (niet limitatief)

Ter voorkoming van fouten in de basisopzet:

• Nalopen systeemgedrag op mogelijke ‘knikken’ door peilbeheer buiten- en binnendijks (stuw).
• Idem door geometrie (overstromen zomerkade, etc.).
• Terugkoppeling metingen naar uitgangspunten voor de basisopzet.
• Et cetera.

Ter opsporing van mogelijke fouten in de metingen:

• Onafhankelijke bevestiging meetresultaten (nulpuntscorrectie waterspanningsmeters, etc.).
• Controleer de geohydrologische en geologische gegevens met bestaande dynamische databestanden (zoals DINO: Data en Informatie van de Nederlandse Ondergrond). N.B. oud kaartmateriaal dient met de nodige voorzichtigheid te worden gebruikt, omdat in de veel gebruikte Grondwaterkaarten van Nederland fouten zijn geconstateerd;
• Et cetera.

Ter voorkoming van interpretatiefouten:

• Herkennen door grondspanning geïnduceerde waterspanningen (bij afwijkingen in waterspanningen moet de adviseur zich afvragen wat de oorzaak hiervan is (bijvoorbeeld grondwaterstroming of consolidatie door dijkversterking).
• Gedurende lange tijd na een neerslagperiode kan door infiltratie van water uit plassen (ontstaan door o.a. vee en landbouwverkeer op onverharde wegen) een hogere waterspanning en een hogere (schijn-) grondwaterstand in dijken aanwezig zijn.
• Raadpleeg bij onzekerheid een ervaren specialist.
• Et cetera.

Stap 3.5 Vaststellen waterspanningen en controle

In deze stap moet de adviseur aan kunnen geven:

• In welke keuzes enige ‘veiligheid / conservatisme’ is aangebracht, en hoe dit zich verhoudt tot de belangrijkste onzekerheden. Zie ook het artikel Onzekerheid waterspanningsschematisering.
• In welke mate de schematisering onderbouwd / geverifieerd is met metingen.
• Onder welke voorwaarden de schematisering als realistisch kan worden gebruikt. Bijvoorbeeld welk uitgangspunt is gehanteerd voor rivier en voorland, en hoe belangrijk is dat dan.

Bovenstaande vragen kunnen uitsluitend worden beantwoord, indien het gehele traject van vaststellen ondergrondmodel tot en met berekenen van de geotechnische stabiliteit wordt beschouwd.

Indien uit deze laatste stap blijkt dat aanvullende metingen nodig zijn, wordt de informatie aangevuld en moeten alle stappen opnieuw doorlopen worden (in het ernstigste geval vanaf stap 1, maar waarschijnlijk vanaf stap 3.2).

Bij de schematisering van de waterspanningen kan het relevant zijn om verschillende scenario’s te beschouwen c.q. gevoeligheidsanalyses uit te voeren. Duidelijk is dat verschillende scenario’s voor de ondergrond leiden tot verschillende schematiseringen van de waterspanningen. Er kunnen echter ook nog andere scenario’s relevant zijn (niet uitputtend):

• Een scenario behelst één opbouw van de ondergrond die in het hele dwarsprofiel verondersteld wordt aanwezig te zijn. De opbouw van de ondergrond kan echter onder de dijk of buitendijks anders zijn dan binnendijks. Als er sprake is van een scenario met een slecht doorlatende deklaag binnendijks, kan het onzeker zijn of deze deklaag ook in het voorland aanwezig is. Dit heeft betekenis voor de leklengte in het voorland en daarmee voor het niveau van de stijghoogte in de watervoerende zandlaag binnendijks. Dit leidt tot sub-scenario’s met en zonder deklaag in het voorland of eventueel een sub-scenario met een verminderde weerstand van het voorland.
• Ook de onzekerheid over de opbouw van het dijklichaam kan consequenties hebben voor de schematisering van de waterspanningen. Uit de legger, het beheerregister of een bestek van een dijkversterking kan blijken dat er een drainage in de binnenteen van de waterkering aanwezig is. Dit heeft consequenties voor de hoogte van het freatisch vlak. Als er twijfel is over de werking van de drainage, leidt dat tot twee subscenario’s: ‘drainage werkt’ en ‘drainage werkt niet’.
• Er kan onzekerheid zijn over de aanwezigheid van een oude kleidijk binnen een later aangelegde zanddijk. Deze onzekerheid heeft invloed op de keuzes bij de schematisering van het freatisch vlak. Ook hiervoor kunnen sub-scenario’s worden gedefinieerd.
• Er kan onzekerheid zijn over de diepte van een cunet onder een dijk en of er contact is tussen het cunet en een watervoerende zandlaag. Dit heeft ook consequenties voor de schematisering van de waterspanningen.
• Als niet al bij voorbaat rekening is gehouden met het oplopen van het polderpeil tot het maaiveldniveau door de kwel tijdens hoog buitenwater, dan kan ook hiervoor een sub-scenario met een kans van voorkomen worden opgesteld.