In de Technische Leidraden wordt ingegaan op de waterspanningen ten gevolge van grondwaterstroming, aangebrachte belasting (ophogingen) en consolidatie. Belastingen door sneeuw en ijs worden niet beschouwd, omdat deze voor Nederland vandaag de dag niet maatgevend zijn.

De waterspanningen worden zelf ook weer opgevat als belasting, omdat zij als belastingrandvoorwaarde relevant zijn voor stabiliteitsberekeningen.

Omdat de modellering van de waterspanning vaak afhankelijk is van een faalmechanisme dat wordt beschouwd, wordt ook ingegaan op de relatie tussen waterspanningen en diverse faalmechanismen. Er wordt met name aandacht besteed aan de modellering van waterspanningen in relatie tot:

• Afschuiven langs een diep glijvlak.

• Afschuiven langs een ondiep glijvlak en/of uitspoelen.

• Piping.

• Zettingsvloeiing.

Het fenomeen Opdrukken achterland (relevant voor macrostabiliteit) kent twee verschijningsvormen, te weten opdrijven en opbarsten en zijn in deze opsomming niet als faalmechanisme opgenomen. Het zijn echter wel een belangrijke mechanismen die onder invloed van de waterspanningen op kunnen treden. Maar zij worden binnen de Technische Leidraden als (inleidend) onderdeel van de faalmechanismen macrostabiliteit en piping behandeld.

De behandeling van waterspanningen in de Technische Leidraden beperkt zich vooralsnog tot waterkerende grondconstructies. Waterspanningen bij kunstwerken of andere constructies worden (nog) niet behandeld. Evenmin worden behandeld de waterspanningen bij harde taludbekledingen en de toplaagstabiliteit van waterkerende grondconstructies. Kwelschermen worden wel genoemd, maar de berekening van waterspanningen rond kwelschermen wordt niet in detail behandeld.

Voor het merendeel van de in de praktijk voorkomende situaties geven de Technische Leidraden handvatten voor een veilige schematisering van de waterspanningen. Voor de resterende situaties wordt aanbevolen gespecialiseerde hulp in te roepen. De Technische Leidraden zijn niet noodzakelijkerwijs uitputtend in de beschrijving van mogelijke schematiseringen en modellen. Er zijn in principe meer mogelijkheden, die naar verwachting alleen in uitzonderlijke gevallen te prevaleren zijn.

Voor diverse aspecten met betrekking tot waterspanningen bestaan op dit moment nog geen afdoende oplossingen, of ontbreekt voldoende kennis om tot een eenduidige oplossing te komen (witte vlekken). Rekenmodellen zijn vaak wel beschikbaar maar parameters zijn vaak erg onzeker of nauwelijks/niet te bepalen. Zaken die in specifieke gevallen tot grote onzekerheden kunnen leiden zijn:

• De bepaling van de freatische lijn, specifiek voor kleidijken dan wel dijken met een inhomogene doorlatendheid.
• De invloed van infiltratie bij golfoverslag. Zie ook Invloed van golfoverslag op het freatisch vlak.
• De invloed van (extreme) neerslag. Zie ook Invloed van neerslag op het freatisch vlak.
• De wijze van schematiseren die aansluit bij de overstromingskansbenadering: voldoende veilig, maar ook weer niet te veilig.

De Technische Leidraden beogen een bundeling te geven van de bestaande kennis en praktijk, deze is echter voor wat betreft waterspanningen vaak nog gebaseerd op een “veilige schematisatie” die hoort bij de overbelastingsbenadering.

Relatie waterspanningen en geotechnische faalmechanismen

In onderstaande tabel is weergegeven welke elementen van de waterkering en de ondergrond direct samenhangen met de verschillende faalmechanismen. Als aanvulling op de tabel is in de tabel aangegeven op welke elementen van de waterkering de waterspanningen (indirect) invloed kunnen hebben en op faalmechanismen dit dan weer invloed heeft. Indien bijvoorbeeld wijzigingen optreden in het voorland zal dit een effect hebben op de waterspanningen achter de dijk en daarmee op de binnenwaartse stabiliteit van de dijk. Waterspanningen spelen een dominante rol in onder andere de macrostabiliteit van het binnentalud. Bij de veiligheidsbeoordeling van dijken is het daarom van groot belang dat rekening wordt gehouden met het effect van waterspanningen op de verschillende faalmechanismen.

Voor een betrouwbare schematisering van de waterspanningen is het van belang een goed beeld te krijgen van de opbouw van de ondergrond. Waterspanningen vormen een belangrijk aspect van het interne evenwicht van de ondergrond en het is dus van belang inzicht te verkrijgen in grondwaterstroming en consolidatie.

Grondwaterstroming en de samenhang met grondspanningen

In de grond is er altijd evenwicht tussen het grondskelet van korrels en het grondwater. Dit evenwicht wordt uitgedrukt in spanningen. Zo zijn de aanwezige waterspanning u en korrelskeletspanning σ’ (effectieve spanning of korrelspanning) tezamen in balans met de spanningen die ontstaan door eigen gewicht en belasting σ (de grondspanning of totaalspanning), in formule: σ= σ’ Korrelskeletspanning (ook wel effectieve spanning of korrelspanning) [kN/m²] + u Waterspanning [kN/m²] (de wet van Terzaghi). Dit evenwicht verandert in principe niet als het grondwater stroomt. Bij stroming van grondwater zijn de waterspanningen anders dan bij stilstaand grondwater. Als de stroming instationair is (d.w.z. veranderend in de tijd) zijn ook de waterspanningen instationair (of niet-stationair). Bij gelijkblijvend grondgewicht en belasting moet de korrelspanning dan de veranderende waterspanning compenseren.

Als korrelspanningen veranderen, verandert het effectieve krachtenspel in de grond, dat de sterkte en de vervorming bepaalt. Een dijk staat immers dankzij de schuifweerstand van grond, want water kan geen schuif weerstaan.

Waterspanningen bepalen direct (het vormt ook een belasting die tegen de dijk staat) en indirect (via intern spanningsevenwicht) de standzekerheid van een dijk en vormen de oorzaak van geleidelijke vervormingen (zwel / consolidatie in slecht doorlatende grond) of snelle vervormingen (zettingsvloeiing bij grondstructuurwijziging). De grondwaterstroming zelf is verantwoordelijk voor kwel en erosie.

De referentie waterspanningsverdeling

De waterspanningen ten gevolge van een belasting moeten worden opgeteld bij de referentie, de 'nul-waarde'. In het algemeen kan hiervoor worden uitgegaan van de situatie bij de gemiddelde waterstand buitendijks, het polderpeil binnendijks en een gemiddelde neerslag. De twee niveaus zijn ongelijk en induceren een grondwaterstroming met eigen waterspanningsverdeling. Dit is feitelijk de referentie voor de additionele effecten van een belasting: een (extreme) neerslag, een (extreem) hoogwater, een verkeersbelasting of een verhoging van het eigengewicht in geval van een dijkversterking.

De referentie is niet volledig stationair, maar fluctueert met de seizoenen: ’s zomers lager dan ’s winters. Het is gebruikelijk om seizoensgemiddelden te hanteren, zoals weergegeven op grondwaterkaarten (isohypsenkaarten).

Aangezien het hier regionale gemiddelden betreft, kan de lokale situatie onvoldoende nauwkeurig zijn weergegeven voor het beoogde doel; voorzichtigheid is geboden. Dit is de reden dat dan ook in het algemeen metingen specifiek voor dijken worden uitgevoerd. Voor het interpreteren van veldmetingen (stijghoogten) wordt erop gewezen dat deze altijd alle effecten bevatten, te weten: seizoenvariaties en kortdurende effecten. Het vaststellen van de 'nul-waarde' is derhalve soms lastig.

De 'nul-waarde' kan significante invloed hebben op de evaluatie van de dijkstabiliteit.

Twee- of driedimensionale schematisatie

In normale gevallen zal een quasi-tweedimensionale aanpak van de grondwaterstroming bij waterkeringen voldoen gezien de langgerektheid en de symmetrie. Met de quasi-tweedimensionale aanpak wordt de grondwaterstroming in de zandlaag horizontaal verondersteld en in de toplaag verticaal. Zie de paragraaf Grondwaterstroming in het Hollandprofiel in het artikel Grondwaterstroming algemeen.

De freatische berging, die alleen in doorlatende zanddijken van significante invloed is, vereist meestal een tweedimensionale aanpak.

Voorbeelden van bijzondere situaties waarin een driedimensionale aanpak moet worden overwogen zijn:

• Stromingen in de omgeving van kunstwerken zoals sluizen en stuwen.
• Stromingen in de omgeving van een zandput.
• Stromingen in geval van een voorland en een relatief scherpe rivierbocht.
• Stromingen in geval van geulen in het voorland of zandbanen in de ondergrond.
• Stromingen in geval van bemalingen die de waterspanningen onder het dijklichaam beïnvloeden.

Voor voorbeelden van driedimensionale stroming zie [Barends, 1978; Van Esch, 2017].