Waterspanningen zijn van belang voor verschillende mechanismen. Dit artikel behandelt de stappen om te komen tot een efficiënte berekening van de waterspanningen voor verschillende situaties. Het artikel Grondwaterstroming algemeen gaat in op een veel in Nederland voorkomende situatie: het zogenaamde Hollandprofiel en hoe in een dergelijke situatie de grondwaterstroming te benaderen en karakteriseren. Het artikel Onzekerheid waterspanningsschematisering gaat nader in op de problematiek hoe te komen tot een schematisering die rekening houdt met het vereiste veiligheidsniveau.

Inleiding

Dit artikel behandelt de stapsgewijze methodiek om te komen tot een schematisering van de waterspanningen, zie onderstaande figuur. Elke stap heeft een herkenbare doelstelling en het resultaat dient als uitgangspunt voor de volgende stap. De doelstelling per stap is:

Stap 1: Inzicht krijgen in de werking van het geohydrologisch systeem ter plaatse en op grotere afstand van de dijk.

Stap 2: Inzicht krijgen in de voor de beoordeling van de dijk meest belangrijke situaties, gebaseerd op de invloed van externe belastingen op waterspanningen, alsmede de effecten van waterspanningen in de verschillende mechanismen.

Stap 3: Het kwantitatief uitwerken van schematiseringen van de waterspanningen in de dijk, voor de in stap 2 kritische belastingsituaties.

Bij het schematiseren van waterspanningen in de ondergrond en de dijk is informatie nodig over de geometrie van de dijk, de bodemopbouw, de hydraulische randvoorwaarden en over fenomenen die invloed hebben op waterspanningen. Tevens is het van belang na te gaan of de effecten van niet-stationaire stroming een zodanige invloed hebben op de waterspanningen dat hier rekening mee moet worden gehouden bij de schematisering.

In de laatste stap wordt een schematisering gemaakt en worden de waterspanningen bepaald en geverifieerd. De verificatie kijkt terug naar de voorgaande stappen waarbij onder andere aandacht wordt besteed aan het nagaan van verborgen veiligheden in de schematisering (marges), controles (bewezen sterkte) en het al dan niet meenemen van bijzondere aspecten (intreeweerstand, instationariteit, et cetera).

Onderstaande tabel geeft een overzicht van het belang van verschillende aspecten voor een aantal onderscheiden standaard waterkeringen. Deze tabel geeft aan welke informatie relevant is voor een specifieke situatie.

Toelichting bij de tabel:

De onderbouwing waarom bepaalde aspecten belangrijk, van beperkt belang of niet relevant zijn, is weergegeven in de onder deze tabel weergegeven artikelen.

• Benedenrivierdijk: Dominant mechanisme: het mechanisme afschuiven langs een glijvlak binnenwaarts onder opdrijfcondities.
  • Aanpak: semi-stationaire berekeningen, metingen noodzakelijk.
• Meerdijk: Dominant mechanisme: opbarsten bekleding /uitspoelen of afdrukken bekleding.
  • Aanpak: (semi-)stationaire berekeningen, metingen nuttig.

• Bovenrivierdijk: Dominant mechanisme: piping na opbarsten.
  • Aanpak: (semi-)stationaire berekeningen, metingen nuttig.

De volgende artikelen gaan in op de drie onderscheiden stappen:

Stap 1: Beschrijving bodemopbouw, grondwaterstroming en geometrie.

Stap 2: Mechanismen en belastingcombinaties.

Stap 3: Modelkeuze, schematisering en verificatie.

Enkele ervaringen met schematiseren waterspanningen

Overschatten van kansen:

Uit ervaring blijkt dat de invloed van (de onzekerheden in) waterspanningen op de uitkomsten van stabiliteitsberekeningen significant groot is. Dat geldt vooral wanneer de totaalspanning (grondspanning) klein is. Een relatief kleine toename van de waterspanning leidt dan tot een relatief grote afname van de korrelspanning. Niet zelden, bijvoorbeeld in situaties met een bovenlaag van veen of sterk veenhoudende klei, bereikt de berekende korrelspanning de waarde nul.

De onzekerheden in de waterspanningen kunnen aanzienlijk zijn. De parameters voor een grondwaterstromingsberekening zijn vaak maar bij benadering te bepalen. Bij doorlatendheden denkt men eerder aan onzekerheden van orde van grootte een factor 5 dan aan een percentage. Monsteronderzoek is vaak maar beperkt bruikbaar omdat doorgaans de lokale doorlatendheid van een enkele laag niet representatief is voor de regio of voor de doorlatendheid van een stelsel van lagen.

Bij in situ onderzoek kunnen wel de eigenschappen van een lagenpakket worden vastgesteld maar daarbij is differentiatie naar de eigenschappen van de verschillende lagen die het gedrag bepalen maar in beperkte mate mogelijk. Voorts is de wijze waarop ten behoeve van een analytische beschouwing het lagenstelsel wordt geschematiseerd ook altijd maar een benadering. Over consolidatie en kruip en de grootte van de waterspanningen die daarbij ontstaan is nog veel onzeker.

Kortom, het aangeven van een kans van optreden en het bepalen van karakteristieke parameters voor de bepaling van niet gemeten waterspanningen in de praktijk is vaak een stap te ver. Met name, wanneer op basis van geschatte grondgewichten en geschatte waterspanningen ergens in een grondlaag een korrelspanning van bij benadering nul of zelfs kleiner dan nul wordt berekend, is er alle reden de uitgangspunten met betrekking tot de waterspanningen nog eens kritisch te bekijken of nadere metingen te doen.

Het komt ook voor dat op basis van proevenverzamelingen van sterkte-eigenschappen met een karakteristieke waarde nul voor de schuifspanning bij lage normaalspanning gerekend moet worden, bijvoorbeeld in een situatie waarin er relatief weinig proefgegevens bij lage spanningen beschikbaar zijn. In dergelijke situaties is het vrijwel onmogelijk om evenwicht te bereiken (schuifspanning Mohr-Coulomb nul). Het uitvoeren van waterspanningsmetingen kan de onzekerheid in die situaties aanmerkelijk verkleinen..

Onderschatten van kansen:

Het onderschatten van kansen is uiteraard veel gevaarlijker. Vandaar het grote belang van historische kennis van een dijk, visuele verkenning en ervaringen ter plaatse.

In het recente verleden is een aantal malen gebleken dat zich in heterogeniteiten in de opbouw van een dijk, zoals bijvoorbeeld een zandbed onder een nog in de dijk aanwezige oude klinkerweg, water kon verzamelen dat na een periode met veel regenval tot falen van de dijk leidde (ervaringen in Gelderland, Noord- en Zuid Holland). Min of meer vergelijkbare ervaringen zijn opgedaan met zandige versterkingen aan de binnenzijde van oude, lekkende kleidijken welke aan de binnenzijde met ondoorlatende klei werden afgedicht. In deze situaties trad na hevige regenval met een verhoogde buitenwaterstand zo ernstige deformatie van het dijklichaam op dat een calamiteit maar net kon worden afgewend.