Inleiding

Voor een betrouwbare schatting van de sterkte van een dijk en dus de overstromingskans van een bepaald dijktraject is het noodzakelijk de laagopbouw, samenstelling en eigenschappen van de grond in, onder en naast de dijk te kennen. Door middel van (aanvullend) grondonderzoek kan deze worden vastgesteld.

Bij de opzet van grondonderzoek moet rekening gehouden worden met de aard van de problematiek: mechanisme(n) die hiermee onderzocht moeten worden, de gewenste mate van detail van de uit te voeren veiligheidsanalyse en de reeds beschikbare kennis en informatie.

Bij opzetten van risicogestuurd grondonderzoek hanteren we de volgende denkvolgorde / vragen:

1. Mechanismen: welke zijn de relevante mechanismen waarvoor schematiseringen worden gevraagd?
2. Onzekerheden: welke onzekerheden en risico’s zijn op voorhand te voorzien (ongewenste gebeurtenissen, met inschatting kans en indicatie ernst/gevolg)?
3. Rekenmodellen: welke (reken)modellen zullen of kunnen worden gebruikt en welke (onder)grondkarakteristieken moeten daarvoor worden geschematiseerd?
4. Kwantiteit / onderzoeksdichtheid: wat is de (verwachte) variabiliteit op de probleemlocatie en welke hoeveelheid metingen hoort daarbij?
5. Kwaliteit: Hoe bouw je mogelijkheden in om de kans op fouten in de uitvoering van het grondonderzoek en/of de interpretatie daarvan te verkleinen (cross checks)?

Voor het beantwoorden van deze vragen is informatie nodig met betrekking tot de ondergrond. In de praktijk zal er altijd al enige informatie beschikbaar zijn. Met betrekking tot de veiligheidsanalyse van primaire waterkeringen is altijd bestaande informatie beschikbaar, de primaire keringen zijn immers al vaker beoordeeld.

In Gebruik van beschikbare informatie bij grondonderzoek wordt nader ingegaan op de verschillende bronnen van beschikbare informatie en hoe deze gebruikt kunnen worden bij het opstellen van het grondonderzoeksplan.

Onderstaand wordt aan de hand van de vijf vragen van risicogestuurd grondonderzoek ingegaan op de strategie voor grondonderzoek.

Mechanismen

Voor welke faalmechanismen moeten gegevens worden verzameld? Bij dijken worden de volgende faalmechanismen onderscheiden die aanleiding kunnen vormen tot grondonderzoek:

• Erosie buitentalud, kruin en/of binnentalud.
• Afschuiven langs een diep glijvlak (binnenwaarts of buitenwaarts).
• Afschuiven of afdrukken van de bekleding op het binnentalud en uitspoelen enAfschuiven of afdrukken van de afschuiven bekleding op het binnentalud (afschuiven langs een ondiep glijvlak) en uitspoelen van kernmateriaal.
• Piping (opbarsten, heave en terugschrijdende erosie).
• Stabiliteit van het voorland (afschuiving, golfafslag en zettingsvloeiingen).

Om de dijk met betrekking tot deze mechanismen te beoordelen is informatie nodig. Per mechanisme is in verschillende paragrafen aangegeven welke informatie (grond-, laboratoriumonderzoek of gebiedsdekkende informatie) benodigd is om een veiligheidsanalyse voor beoordeling of ontwerp uit te voeren.

Voor een beschrijving van de faalmechanismen zelf wordt verwezen naar de betreffende fenomenologische beschrijvingen.

Kennis van de mechanismen is van wezenlijk belang voor het bepalen van het benodigde grond- en/of laboratoriumonderzoek en de te verkrijgen geohydrologische gegevens. Bij het bepalen van de overstromingskans van de waterkeringen wordt opgemerkt dat de benodigde informatie sterk samenhangt met het detailniveau van de analyse (eenvoudig, gedetailleerd of op maat).

Erosie kruin en binnentalud (kruinhoogte)

Voor het mechanisme Erosie kruin en binnentalud is, naast de erosiebestendigheid van het maaiveld, de kruinhoogte een bepalende factor. Feitelijk moet worden beoordeeld of de kruinhoogte in de voorliggende zicht-periode niet zal zakken onder het niveau waarbij overslag tot ontoelaatbare erosie van kruin of binnentalud leidt. Hiervoor zijn gegevens benodigd met betrekking tot de actuele kruinhoogte en het tijdsverloop van zettingen van de dijk. Op het vaststellen van de erosiebestendigheid van het maaiveld wordt ingegaan in het artikel Erosiebestendigheid grasmat.

De volgende situaties worden onderscheiden:

• Beoordelen van het ontwerp van een dijk of dijkversterking. Ook wanneer bij een dijkversterking geen dijkverhoging nodig is, is het mogelijk dat zettingen ter plaatse van de kruin zullen optreden, bijvoorbeeld door meezakken van de kruin bij aanleg van een binnenberm.
  • Hoogtemetingen: Bij het ontwerp zal altijd uitgegaan worden van een min of meer recente kruinhoogtemeting. Dit met behulp van lokale metingen (waterpassingen om de circa 25 m) of een gebiedsdekkende meting. Overigens is deze informatie alleen van belang voor het ontwerp- en bouwproces. Voor de veiligheidsbeoordeling is de (geplande) aanleghoogte na de bouwfase bepalend.
  • Zettingen: ten behoeve van het opstellen van het ontwerp moeten de te verwachten eindzetting op verschillende plaatsen in het dwarsprofiel worden geschat. Voor verschillende ontwerpstadia verschilt de informatiebehoefte, hier wordt nader op ingegaan onder de kop Rekenmodellen. Voor het opstellen van het definitieve ontwerp is het volgende grondonderzoek noodzakelijk (aantallen komen aan de orde onder de kop Kwantiteit):
    • Sonderingen ter plaatse van kruin en ter plaatse van voorziene belastingverhoging, om inzicht te krijgen in de ligging en dikte van samendrukbare grondlagen.
    • Boringen, locaties afgestemd op sondeeronderzoek. Boorlocaties worden zodanig gekozen dat, verspreid over het onderzoeksgebied, de verschillende samendrukbare lagen bemonsterd kunnen worden. Dit, om een representatief beeld van de samendrukbaarheid van de ondergrond te krijgen.
    • Laboratoriumonderzoek, voor het meten van samendrukkingsparameters van de afzonderlijke grondlagen.
• Veiligheidsbeoordeling van een dijk waar recent ophogingen hebben plaatsgevonden:
  • Hoogtemetingen: Lengteprofiel van kruinhoogten uit recente lokale of gebiedsdekkende meting.
  • Zettingen: minimaal de uitgangspunten die bij het ontwerp zijn gebruikt (samendrukkingsparameters, tijd-zettingsgrafieken en eventueel zakbaakgegevens). Op basis hiervan kan een prognose van de te verwachten zettingen voor de komende 5 jaar worden gemaakt. Vooral verwachte zettingsverschillen moeten goed in beeld worden gebracht.
• Veiligheidsbeoordeling van een dijk waar al langere tijd geen belastingverhoging heeft plaatsgevonden:
  • Hoogtemetingen: Lengteprofiel van kruinhoogten uit recente lokale of gebiedsdekkende meting.
  • Zettingen: Door kruinhoogtemetingen van verschillende jaren met elkaar te vergelijken, kan een beeld worden verkregen van de toename in de tijd van zettingen en autonome bodemdaling. Hiermee kunnen, mits de omstandigheden gelijk blijven (geen grote polderpeilverlagingen etc.), door extrapolatie de te verwachten kruindaling in de voorliggende zichtperiode worden geschat. Zowel ingemeten profielen als gebiedsdekkende informatie lenen zich voor een dergelijke analyse. Opgemerkt wordt dat strekkingen waar zich relatief grote verticale deformaties voordoen, nader bekeken moeten worden.

Mechanisme afschuiven  (binnenwaarts of buitenwaarts)

Voor de analyse van het mechanisme afschuiven (zowel beoordeling als ontwerp) zijn de volgende gegevens nodig:

• Geometrie: een landmeetkundige meting of het genereren van dwarsprofielen op basis gebiedsdekkende hoogte-informatie. Op basis van een analyse van variaties in profieltypen (met/ zonder berm) en variaties binnen typen (taludhelling, bermhoogte, hoogte voor- en/of achterland) wordt een indeling in dijkvakken gemaakt, waarbij per vak een representatief profiel wordt geselecteerd.
• Laagopbouw van de ondergrond en het dijklichaam: een sondeeronderzoek, ter plaatse van kruin, binnen- en buitenteen en voor- en achterland, eventueel te combineren met al beschikbaar grondonderzoek. In Gebruik van beschikbare informatie bij grondonderzoek wordt nader ingegaan op het gebruik hiervan.
• Op basis van de indeling in laagopbouw wordt een geotechnische vakindeling gemaakt. Deze moet op dusdanige wijze met de geometrische vakindeling gecombineerd worden, dat geen niet-reële combinaties gevormd worden en dat evenmin wel reële combinaties verloren gaan.
• Geotechnische eigenschappen grondlagen: booronderzoek, voor het verzamelen van (on)geroerde grondmonsters. Op basis van het sondeeronderzoek (of bestaande informatie) worden de te bemonsteren grondlagen aangegeven. Hierbij dient tevens gelet te worden op de locatie in het dwarsprofiel in relatie tot de meest waarschijnlijke locatie van de kritische glijcirkel.
• Model: voor het uitvoeren van glijvlakberekeningen zijn benodigd: volumiek gewicht en sterkteparameters, zie het artikel Keuze gedraineerd of ongedraineerd grondgedrag. Indien een ander model wordt toegepast, hangt de keuze van het uit te voeren laboratoriumonderzoek af van de modelvereisten.
• Belasting: de ligging van de freatische lijn en waterspanningsverloop in de ondergrond kunnen op basis van de samenstelling van dijk en ondergrond conservatief worden ingeschat. Voornamelijk wanneer dit leidt tot afkeuren van het profiel bij het uitvoeren van een veiligheidsbeoordeling, wordt aanbevolen tijdreeksen van het werkelijk verloop te verzamelen. Indien geen gegevens beschikbaar zijn met betrekking tot gemeten waterstanden, dienen peilbuizen of –filters geïnstalleerd te worden om de betreffende gegevens te verzamelen.

De sterkte-eigenschappen en de waterspanningen in en onder grondconstructies bepalen de weerstand tegen afschuiven. Hieronder wordt per mechanisme kort beschreven welke typen gegevens nodig zijn.

Afschuiven of afdrukken van de bekleding op het binnentalud (afschuiven langs een ondiep glijvlak) en uitspoelen van kernmateriaal

Het afschuiven van ondiepe glijvlakken betreft de stabiliteit van grondlagen met een kleine dikte aan het oppervlak van het binnentalud. Deze lagen (meestal de bekleding) kan afschuiven of worden afgedrukt. Ook kan er kernmateriaal uitspoelen door scheuren in de bekleding, of doordat er geen bekleding aanwezig is.

Het betreft verschillende mechanismen waarvan de modellering deels vergelijkbaar is. De voor de modellering benodigde gegevens zijn voor beide faalmechanismen gelijk, namelijk:

• Geometrie: zie het mechanisme afschuiven langs een glijvlak. Overigens wordt opgemerkt dat kruinhoogte een rol speelt bij stabiliteit bij overslag, indien de huidige kruinhoogte groter is dan het 0,1 l/m/s overslagdebietcriterium, kan dit mechanisme buiten beschouwing blijven (zie Erosie kruin en binnentalud).
• Samenstelling dijkkern en deklaag, inclusief laagdikte: het uitvoeren van handboringen (loodrecht op het talud) en het uitvoeren van laboratoriumonderzoek indien de kern uit zand bestaat (bepaling van zand- en lutumgehalte en eventueel zoutgehalte). Bij een dijk met een kleikern kan afdrukken van de bekleding of uitspoelen geen probleem opleveren. Met betrekking tot het toepassen van de rekenregels dienen echter bovendien de geotechnische eigenschappen van de grondlagen bekend te zijn.
• Geotechnische eigenschappen: de benodigde gegevens betreffen veldvochtig en verzadigd volumiek gewicht en sterkte-eigenschappen (φ' Hoek van inwendige wrijving [°] en c' Effectieve cohesie [kN/m²]). De volumieke gewichten kunnen bepaald worden door het steken van kleine monsterbussen (Kopecky ringen), welke in het laboratorium beproefd moeten worden. Voor de sterkte-eigenschappen is het steken van (Ackermann) bussen noodzakelijk. Hiertoe worden mechanische boringen geadviseerd. Het is wenselijk dit onderzoek te combineren met de bepaling van de sterkte-eigenschappen van dijk en ondergrond ten behoeve van het mechanisme afschuiven.

Piping

Onder bepaalde omstandigheden bestaat de mogelijkheid dat piping ontstaat. Om te bepalen of deze omstandigheden zich voordoen, dient de volgende informatie beschikbaar te zijn:

• Geometrie: evenals bij de overige mechanismen zijn gegevens met betrekking tot de geometrie benodigd. Meer specifiek betreffen de geometrische gegevens voor het beoordelen van de kans op piping de afstand tussen binnen- en buitenteen en gegevens met betrekking tot sloten (insteek, slootdiepte en –breedte) of overige waterpartijen en het hoogteverloop van voor- en achterland.
• Laagopbouw van dijk en ondergrond: om de dikte van eventuele deklagen in voor- en achterland te bepalen kan puntonderzoek (boringen en/of sonderingen) uitgevoerd worden. Indien grote variatie in deklaagdikte (en lokale afwezigheid hiervan) wordt aangetroffen, dient een voldoende dicht meetnet te worden aangelegd, om de onzekerheden in het al dan niet voorkomen van deze laag in voldoende mate te reduceren. Ook is het mogelijk hiervoor geofysische metingen uit te voeren. Deze technieken dienen echter altijd gecombineerd te worden met enkele puntmetingen (boringen of sonderingen). Eventueel uit te voeren boringen kunnen bovendien dienen voor het verzamelen van monsters voor het bepalen van grondeigenschappen van de lagen.
• Laageigenschappen: voor het uitvoeren van controle aan de hand van de rekenregels, zijn gegevens benodigd van deklaag en watervoerende zandlaag. Voor opbarstcontrole zijn het volumiek gewicht van de deklaag en geohydrologische parameters van deklaag en watervoerende zandlaag nodig. Voor de controle op voldoende kwelweglengte zijn gegevens
  over doorlatendheid en korrelgrootte nodig, zie artikel Schematiseren van de ondergrond  voor piping.
• De belasting bij controle op opbarsten wordt gevormd door de stijghoogte in het watervoerend zandpakket behorende bij een hoge buitenwaterstand. In principe betreft dit de waterstand bij norm (WBN), maar opdrijven/opbarsten kan vaak ook al ook bij lagere buitenwaterstanden optreden. Met behulp van geohydrologische rekenmodellen kan deze stijghoogte bepaald worden. Hierbij spelen onzekerheden een belangrijke rol, omdat parameters voor die rekenmodellen moeilijk zijn te schatten. Die onzekerheden kunnen verminderd worden door het afijken van deze parameters met behulp van waterspanningsmetingen.

Stabiliteit van het voorland

Bij grondconstructies, die met al dan niet een aanwezig voorland van beperkte breedte zijn gelegen langs een onderwatertalud, dient rekening te worden gehouden met het optreden van instabiliteit van dit onderwatertalud.

Bij instabiliteiten spelen zowel geotechnische aspecten (sterkte) als wel de hydraulisch en morfologische condities (belasting) een rol.

Naast de aanwezigheid van een kritieke vooroever, is de aanwezigheid van zettings-, vloeiings- of afschuivingsgevoelige grondlagen voorwaarde voor mogelijke instabiliteit van de vooroever. Veelal is dit op basis van (geologische) gebiedskennis al dan niet uit te sluiten.

De beoordeling op potentieel risico op instabiliteit door afschuiving of zettingsvloeiing geschiedt in eerste instantie op basis van de geometrie van de vooroever. De betreffende gegevens kunnen verkregen worden met behulp van echolodingen. In geval van migrerende getijdegeulen is het verstandig gegevens van meerdere jaren met elkaar te vergelijken om het eventuele minimaal aanwezige voorlandprofiel te selecteren.

Indien op basis van deze analyse het risico op zettingsvloeiing of afschuiven van het voorland niet kan worden uitgesloten, moeten aanvullende maatregelen worden getroffen om de stabiliteit van de grondconstructie te waarborgen.

Het uitvoeren van specialistisch onderzoek van de betreffende grondlagen behoort tot de mogelijkheden, maar wordt gezien het specialistische karakter van de modellering in dit kader niet nader uitgewerkt.

Onzekerheden

Inschatting van onzekerheden over de aan de hand van de beschikbare informatie opgestelde schematiseringen van (onder)grondopbouw en waterspanningen is essentieel.

Er zijn twee opties voor het omgaan met schematiseringonzekerheden in een veiligheidsanalyse, namelijk:

• Verdisconteren van de onzekerheden via conservatieve uitgangspunten (conservatieve schematiseringen en/of een schematiseringfactor) voor de analyses. Dit is de aanpak die voorheen gebruikelijk was toen nog werd gewerkt met de overbelastingsbenadering. Dit leidt mogelijk tot ongewenste (dure) gevolgen voor het ontwerp, of tot een te hoge inschatting van de overstromingskans bij de beoordeling.
• Verdisconteren van de onzekerheden door te werken met scenario’s en de daarbij behorende kansen van voorkomen. Deze methodiek wordt nader toegelicht in de handleiding Overstromingskansanalyse Dijken/Dammen - deel 1 Geotechnische instabiliteit.

In het laatste geval leidt nader grondonderzoek tot het elimineren of reduceren van onzekerheden. De keuze voor het uitvoeren van nader grondonderzoek wordt doorgaans ingegeven door kostenoverwegingen (wat is de verwachte besparing versus de extra kosten) en de inschatting van de kans dat de besparingen waar gemaakt zullen worden door het nader grondonderzoek. In het artikel Basisopzet van grondonderzoek wordt nader ingegaan op deze problematiek.

Kwantiteit

Doorgaans is de opbouw van de dijk en ondergrond variabel. Liggingen en dikten van bodemlagen kunnen, afhankelijk van de ontstaansgeschiedenis, van plaats tot plaats sterk variëren. De benodigde dichtheid van grondonderzoek voor het betrouwbaar schematiseren van de ondergrond is, in algemene zin, groter naarmate deze ruimtelijke variabiliteit groter is. Bij het opzetten van grondonderzoek is daarom inzicht in de geologische/geomorfologische kenmerken van de onderzoekslocatie nodig. Daarbij wordt evenwicht gezocht tussen benodigde inspanning voor daadwerkelijk grondonderzoek, en op basis van dat inzicht geïdentificeerde overblijvende onzekerheden. Hierbij speelt uiteraard ook al beschikbare informatie, zoals eerder grondonderzoek ter plaatse of in de omgeving, of geobserveerd zettings- of vervormingsgedrag van een dijk een rol.

Vanzelfsprekend moet worden uitgegaan van fysisch mogelijke bezwijkvormen. De belangrijkste bezwijkvormen, stabiliteitsverlies van het buiten- en binnentalud en piping (ten gevolge van onderloopsheid), zijn georiënteerd in de richting loodrecht op de lengte-as van de dijk. Fysisch kan stabiliteitsverlies van een talud echter niet optreden in een geïsoleerde doorsnede of smalle schijf van de dijk. Er zal altijd sprake zijn van een zekere lengte. Dit houdt in dat een zeer lokale zwakke plek niet bepalend is voor de stabiliteit, wel echter de gemiddelde omstandigheden over een zeker traject in lengte- en dwarsrichting van de dijk. Over het algemeen blijkt zo'n traject tenminste enkele tientallen meters te zijn.

Bij terugschrijdende erosie is dit anders: het begin van dit proces wordt beheerst door zeer lokale omstandigheden. Ten gevolge van een plaatselijke perforatie of afwezigheid van de afdekkende kleilaag binnendijks kan de grondwaterstroming zich zozeer concentreren dat een zandmeevoerende wel ontstaat, die de dijk door een terugschrijdend erosieproces in een relatief smalle zone kan ondermijnen.

Het (aanvullend) grondonderzoek kan gericht zijn op het terugbrengen van een tweetal principieel verschillende onzekerheden:

1. Onzekerheden in de opbouw van de ondergrond. Doel is daarbij het vaststellen van trajecten die uit een oogpunt van stabiliteitsverlies een gelijke schematisering van grondlagen vertonen. Dit kan ook leiden tot het uitsluiten van een ongunstige grondopbouw die, gezien de geologie op het betreffende dijktraject zou kunnen voorkomen.
2. Onzekerheden in de eigenschappen van de grondlagen. Doel is het vaststellen van de eigenschappen van de verschillende grondlagen en de variaties daarvan ter plaatse van het te analyseren dijktraject.

Voor het onder 1. genoemde aspect komen onderzoeksmethoden in aanmerking waarmee op snelle wijze een betrouwbaar en zo mogelijk een continu beeld wordt verkregen van het verloop in ligging en dikte van de verschillende grondlagen onder en in de dijk. Een globaal beeld is in principe al bekend door de Stochastische Ondergrondschematisatie (SOS) eventueel aangevuld met lokale geologische en bodemkundige kaarten. Dit beeld kan mogelijk worden verbeterd door geo-fysisch onderzoek. Geschikte methoden zijn de zogenaamde geo-elektrische en elektro-magnetische verkenningen.

In het algemeen is het nodig om het beeld van de grondopbouw verkregen met geo-fysisch onderzoek aan te vullen met boringen en sonderingen. Zowel de boringen als de sonderingen geven een betrouwbaar beeld van de bodemopbouw ter plaatse: de ligging en de dikte van de verschillende grondlagen wordt vastgesteld, en er wordt een indruk verkregen van de kwaliteit van die lagen. Door de combinatie van geo-elektrisch onderzoek, sonderingen en boringen is het in het algemeen mogelijk kenmerkende trajecten van de dijk met een beperkte mate van onzekerheid vast te stellen.

Voor het onder 2. vermelde aspect moet de maaswijdte van het grondonderzoek in kenmerkende trajecten van de dijk zowel in langs- als in dwarsrichting worden verfijnd. Voor de analyse van de stabiliteit van een talud moet het grondonderzoek in eerste instantie gegevens opleveren over de schuifweerstandseigenschappen van de grond, en de spreiding ervan. Deze eigenschappen worden over het algemeen bepaald door middel van laboratoriumproeven op ongeroerde monsters uit de verschillende grondlagen, die bij boringen worden genomen. Een globale indicatie van de (variatie in de) schuif-weerstandseigenschappen wordt ook verkregen uit de resultaten van terreinproeven zoals sonderingen en vinproeven.

Bij de stabiliteitsanalyse spelen ook de waterspanningen in dijk en ondergrond een belangrijke rol. Naast geometrische en hydrologische randvoorwaarden dienen voor de bepaling daarvan de doorlatendheidscoëfficiënt en eventueel de consolidatiecoëfficiënt van de verschillende grondlagen bekend te zijn. Die kunnen worden bepaald uit laboratoriumproeven op ongeroerde monsters, of uit terreinonderzoek.

Kwaliteit

Kwaliteit heeft zowel betrekking op betrouwbaarheid van de grondonderzoekstechniek en het uitvoeren ervan, als op de interpretatie van het grondonderzoek, uiteindelijk uitmondend in gekozen schematiseringen en identificatie van (rest) onzekerheden.

In het artikel Gebruik van beschikbare informatie bij grondonderzoek wordt nader ingegaan op geschiktheid en betrouwbaarheid van grondonderzoekstechnieken. De interpretatie van grondonderzoek tot de uiteindelijke keuze van grondmechanische of geohydrologische schematiseringen omvat doorgaans verschillende stappen. Bijvoorbeeld, het onderscheiden van grondlagen in sondeergrafieken en classificeren van grondtypen (mede aan de hand van combinatie van sondeergrafieken en boringen) en het vervolgens combineren van deze informatie tot een ruimtelijk beeld van grondlagen. Dit is mensenwerk waarvoor vakmanschap nodig is. Een gebruikelijke vorm van kwaliteitsborging is daarbij het laten beoordelen van interpretaties door een collega. Daarnaast kan gezocht worden naar manieren om interpretaties van grondonderzoek te toetsen aan andersoortige waarnemingen: ‘cross-checks’.

Een voorbeeld van een cross-check is verificatie op basis van gedragswaarnemingen. Wanneer, bijvoorbeeld, uit waarnemingen blijkt dat de binnenteen van de dijk altijd nat is tijdens hoge waterstanden, terwijl dit volgens de geohydrologische modelberekeningen niet aannemelijk zou zijn, dan moet worden nagegaan waar deze discrepantie uit voortkomt. Het kan dan noodzakelijk zijn het model aan te passen (laagopbouw of geohydrologische laageigenschappen of beiden), al dan niet in combinatie met aanvullende metingen.