Dit artikel geeft voor een aantal opbouwen van de dijk en ondergrond een eerste schatting voor de ligging van het freatisch vlak in het dijklichaam. Deze schatting kan worden gebruikt voor verkennende berekeningen, wanneer er nog geen metingen beschikbaar zijn.

Het artikel Freatisch vlak en capillaire zone behandelt wat het freatisch vlak is, het artikel Ligging freatisch vlak behandelt op welke manieren dat kan worden bepaald.

Inleiding

Uitgangspunt voor het schematiseren van een freatisch vlak is het niveau van de dagelijkse gemiddelde grondwaterstand. Bovenop het dagelijkse gemiddelde niveau van de grondwaterstand wordt de invloed van de belasting gesuperponeerd.

De in dit artikel gepresenteerde eerste schattingen van het freatisch vlak gaan daaraan voorbij. De schattingen beschrijven de freatische lijn waarbij de belasting bestaat uit een extreem hoge buitenwaterstand. De schattingen geven een hoge freatische lijn, hetgeen conservatief is als voor het dijksmateriaal wordt uitgegaan van ongedraineerd of gedraineerd materiaalgedrag.

Een eerste schatting is alleen bedoeld voor een eerste globale beoordeling van de het mechanisme afschuiven van het binnentalud tijdens extreem hoog water. In Eerste schatting van waterspanningen wordt ingegaan op de mogelijkheden en beperkingen van de in dit artikel gepresenteerde schattingen van het freatisch vlak.

De hieronder gegeven schematisering van het freatisch vlak beperkt zich tot vier standaard dijktypen. Voor het geval deze eenvoudige schematiseringen niet voldoen (bijvoorbeeld als een oude kleidijk is verzwaard door deze aan te vullen met een nieuwe bredere zanddijk) is een geavanceerder aanpak nodig, zie daarvoor de afweging van modellen in het artikel Schematiseren van de waterspanningen. De eerste schatting van het freatisch vlak voorziet wel in een schematisering als er een drainage-constructie ligt in de binnenteen van een dijk met een zandkern.

Eerste schatting van het freatisch vlak

Geval 1A Kleikern op ondoorlatende ondergrond of 1B Kleikern op zandondergrond

In figuur 1 is aangegeven hoe het freatisch vlak bij extreem hoog water kan worden bepaald.

De punten A, B, C en D en de lengte L Lengte [m] worden als volgt bepaald:

A Hoogte van het freatisch vlak onder de binnenkruinlijn gebaseerd op een inschatting van het hoogste niveau van de freatische lijn onder dagelijkse omstandigheden. Deze hoogte volgt uit de voorwaarden gegeven in figuur 1 of is te bepalen volgens het artikel: Rekenregel voor bepalen van de hoogte freatisch vlak in kleidijk.

C Hoogte van het freatisch vlak nabij de buitenteen van de dijk:

• indien schaardijk dan punt C₁ op het buitentalud (gemiddelde buitenwaterstand);
• indien voorland dan:
  • indien sloot, dan punt C₂ op het sloottalud (slootpeil / polderpeil);
  • indien geen sloot dan punt C₃ ter plaatse van de buitenteen (overgang maaiveld-buitentalud).

D Hoogte van het freatisch vlak ter plaatse van de binnenteen van de dijk:

• indien sloot, dan punt D₁ op het sloottalud (slootpeil / polderpeil);
• indien geen sloot, dan punt D₂ ter plaatse van de binnenteen (overgang maaiveld-buitentalud). Hierbij wordt opgemerkt dat punt D₂ hoger op het binnentalud komt te liggen indien onder dagelijkse gemiddelde omstandigheden uittredend water of natte plekken op het talud worden geconstateerd.

L Breedte van de dijkbasis:

• De horizontale afstand tussen de punten C en D.

De horizontale positie van punt B volgt uit de horizontale indringlengte I Horizontale indringlengte [m]. De indringlengte is een maat voor de afstand waarbinnen de verhoging van de buitenwaterstand leidt tot een significant effect op het freatisch niveau, binnen een tijdinterval t Tijd [s], hier de duur van een hoogwaterperiode. Bij een korte hoogwaterperiode is het effect van de verhoging van waterstand nog niet doorgedrongen tot aan het binnentalud, terwijl de waterstand al weer afneemt.

Let op, dit begrip niet verwarren met de indringing ten gevolge van een afwijkende stijghoogte in het diepe zand (zie artikel Indringingslaag). De waarde van de horizontale indringingslengte is afhankelijk van de belastingduur. De indringlengte verrekent dus de niet stationaire effecten. De volgende formule beschrijft de horizontale indringlengte I Horizontale indringlengte [m] [m]:

Waarin:

I Horizontale indringlengte [m]

k_d Doorlatendheid materiaal in de dijk [m/s].

H₀ Waterdiepte buitendijks t.o.v. bovenzijde van de slecht doorlatende lagen [m].

t Duur hoogwatergolf [s].

n_d Porositeit materiaal in de dijk [-].

Een veilige aanname is om het intreepunt (buitendijkse zijde van I Horizontale indringlengte [m]) aan te nemen op het buitentalud, halverwege het punt waar het extreem hoog water aansluit op het buitentalud en het niveau van het punt C.

Door de verhoging van de buitenwaterstand stijgt het freatisch vlak in de dijk. Dichtbij het buitentalud past het freatisch vlak zich snel aan als gevolg van een verhoging van de buitenwaterstand, nabij het binnentalud duurt dit veel langer. In de schematisatie, zie figuur 1, leidt de stijging van de freatische lijn tot een verschuiving van het punt B richting punt A.

Deze aanpak is slechts geldig als het dijklichaam zich op ondoorlatende grondlagen bevindt. Bij een dijk op doorlatende lagen stijgt het freatisch niveau nabij het binnentalud binnen een tijdsbestek dat een orde kleiner is dan bij ondoorlatende lagen.

Geval 2A: Zandkern en samendrukbare ondergrond

In figuur 3 is aangegeven hoe het freatisch vlak bij extreem hoog water kan worden bepaald.

Ter bepaling van de hoogte van het freatisch vlak wordt voor deze gevallen onderscheid gemaakt in een dijk met een gesloten of een open bekleding op het buitentalud. Een kleilaag met een dikte kleiner dan 1,5 m dient in dit geval vanwege natuurlijke structuurvorming als een open bekleding te worden beschouwd. Het freatisch vlak dient bij een doorlatende bekleding lineair verlopend van punt C₁ naar D₁ of D₂ te worden aangenomen.

De punten C, D en E worden als volgt bepaald:

C = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van het buitentalud van de dijk:

• Indien dichte bekleding op het buitentalud dan via C₁ op het buitentalud naar C₂ op de overgang tussen de dichte bekleding en de zandkern op 0,5*h Buitenwaterstand [m t.o.v. NAP] onder C₁ en vervolgens naar punt D. h Buitenwaterstand [m t.o.v. NAP] is de waterdiepte op het voorland.
• Indien open bekleding op buitentalud dan via punt C₁ op het buitentalud naar punt D.

D = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van het binnentalud van de dijk:

• Punt D₁ op het binnentalud op 0,25*h Buitenwaterstand [m t.o.v. NAP] boven het maaiveld. (Er wordt hierbij rekening gehouden met een zekere uittreeweerstand en een bijbehorende sprong in de freatisch lijn ter plaatse van het uittreepunt.)
• Indien een goed functionerende drainageconstructie aanwezig is, verloopt het freatisch vlak van punt C naar het midden van de drainage-constructie (punt D₂).

E = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van de binnenteen van de dijk:

• Indien sloot dan punt E₁ op het sloottalud (slootpeil / polderpeil).
• Indien geen sloot dan punt E₂ ter plaatse van de binnenteen (overgang maaiveld-buitentalud).

Geval 2B: Zandkern en zand als ondergrond

In figuur 4 is aangegeven hoe het freatisch vlak bij extreem hoog water kan worden bepaald.

Ter bepaling van de hoogte van het freatisch vlak wordt voor deze gevallen geen onderscheid gemaakt in een dijk met een open of een gesloten bekleding op het buitentalud. Het freatisch vlak dient lineair verlopend van punt C naar D te worden aangenomen.

De punten C, D en E worden als volgt bepaald:

C = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van het buitentalud van de dijk.

D = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van het binnentalud van de dijk:

• Punt D₁ op het binnentalud op 0,25*h Buitenwaterstand [m t.o.v. NAP] boven het maaiveld. (Er wordt hierbij rekening gehouden met een zekere uittreeweerstand en een bijbehorende sprong in de freatisch lijn ter plaatse van het uittreepunt.)
• Indien een goed functionerende drainageconstructie aanwezig is verloopt het freatisch vlak van punt C naar het midden van de drainageconstructie (punt D₂).

E = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van de binnenteen van de dijk:

• Indien sloot dan punt E₁ op het sloottalud (slootpeil / polderpeil).
• Indien geen sloot dan punt E₂ ter plaatse van de binnenteen (overgang maaiveld-buitentalud).

Waternet Creator

De in dit artikel beschreven eerste schatting van het freatisch vlak is voor een belangrijk deel geïmplementeerd in de software-routine Waternet Creator, al zijn er op sommige onderdelen verschillen. Zie voor alle details de documentatie van de betreffende software, bijvoorbeeld hoofdstuk 11 van de gebruikershandleiding van D-stability. De schematisering van het freatisch vlak met de Waternet Creator houdt, zoals hierboven is aangegeven, rekening met het dijktype (klei op klei, klei op zand, zand op klei of zand op zand, op te geven door de gebruiker). En wanneer een drainage aanwezig is, kan de ligging van het freatisch vlak hierop worden aangepast.

De Waternet Creator is beschikbaar binnen Riskeer.