De grondwaterspanningen in en onder de dijk zijn van groot belang voor de sterkte van de grond en dus voor de faalkans van verschillende mechanismen. De grondwaterspanningen worden voor een belangrijk deel bepaald door de grondwaterstroming in en onder de waterkering. In dit artikel worden enkele belangrijke aspecten van de grondwaterstromingsberekening behandeld. De aanpak om te komen tot een schematisatie van de waterspanningen als randvoorwaarden voor verschillende mechanismen wordt behandeld in het artikel Schematiseren van de waterspanningen.

Inleiding

Dit artikel begint met een veel in Nederland voorkomende situatie: het zogenaamde Hollandprofiel en hoe in een dergelijke situatie de grondwaterstroming kan worden benaderd en gekarakteriseerd. Zo nodig moet daarbij rekening worden gehouden met opdrukken van de deklaag achter de dijk.

In veel gevallen zal een quasi-tweedimensionaal grondwaterstromingsmodel voldoende nauwkeurige resultaten voor de waterspanningen opleveren. Dit geldt in ieder geval voor de Grondwaterstroming in het Hollandprofiel in geval van een kleidijk. Bij een quasi-tweedimensionaal model wordt de grondwaterstroming in de zandlaag horizontaal verondersteld en in de deklaag verticaal. Het verwaarlozen van de verticale stromingscomponent in de watervoerende zandlaag, de horizontale stromingscomponent in de toplaag en de horizontale vervorming leidt alleen in bijzondere gevallen tot merkbare fouten [Barends, 1989]. De freatische berging, die alleen in doorlatende zanddijken van significante invloed is, vereist meestal een volledig tweedimensionale aanpak.

De verschillende rekenmodellen waarmee de respons van het grondwater op belastingen kunnen worden berekend worden beschreven in het artikel Berekenen waterspanningen.

Grondwaterstroming in het Hollandprofiel

In Nederland rust een dijk gewoonlijk op een semi-doorlatende toplaag (Holoceen) die een watervoerend en onsamendrukbaar zandpakket (Pleistoceen) afdekt. Het Holoceen en Pleistoceen vormen samen het Hollandprofiel (zie Figuur 1).

Vanwege de gebruikelijke eigenschappen in het Hollandprofiel kan de grondwaterstroming veelal globaal als volgt worden ingedeeld (zie figuur 2):

1. Een tweedimensionale langzame stroming in een verticaal vlak door het dijklichaam (klei en/of zand met afdekking).
2. Een langzame verticale ééndimensionale stroming (infiltratie buitendijks en kwel binnendijks) door de afdekkende lagen (Holoceen).
3. Een ééndimensionale horizontale stroming van grondwater in de zandondergrond (Pleistoceen).

Door het van nature vaak aanwezige verschil in stijghoogte in de onder het slappe-lagenpakket liggende zandlaag en polderpeil zal, voor de Nederlandse situatie het verloop van de waterspanning in het holoceen zelden hydrostatisch zijn (Hydrostatisch wil zeggen dat de stijghoogten van het grondwater op verschillende diepten gelijk zijn).

De belasting door een hoge buitenwaterstand veroorzaakt:

• Buitendijks: direct oplopen van de stijghoogte in de slappe lagen door drukvoortplanting.
• Buitendijks: direct oplopen van de stijghoogte in het watervoerend pakket als gevolg van de drukvoortplanting via de slappe lagen of via direct contact met het buitenwater.
• In het watervoerend pakket onder de dijk en het achterland: tamelijk snel oplopen van de stijghoogte door drukvoortplanting en stroming door de watervoerende laag.
• In de kering zelf en in de daaronder gelegen samendrukbare lagen: geleidelijk oplopen van de stijghoogte. Dit is het gevolg van de grondwaterstroming die de berging (freatisch en elastisch) vult, oftewel de freatische lijn en daarmee de waterspanningen laat stijgen).
• Buitendijks onderin de samendrukbare laag grenzend aan de watervoerende laag een trage aanpassing van de daar heersende stijghoogte naar de stijghoogte in de watervoerende laag: consolidatie door stroming vanuit de samendrukbare laag naar de watervoerende laag.
• Binnendijks onderin de samendrukbare laag grenzend aan de watervoerende laag een trage aanpassing van de daar heersende stijghoogte naar de stijghoogte in de watervoerende laag: zwel door stroming vanuit de watervoerende laag naar de samendrukbare laag.

Het gedeelte van de samendrukbare laag waarin de stijghoogte in meer of mindere mate door toe- of afstroming vanuit de watervoerende laag wordt aangepast, wordt de indringingslaag genoemd.

Bovenbelastingen (verkeersbelasting of dijkversterking) veroorzaken een toename van de grondspanningen in en onder de kering. In de slappe lagen leidt dat direct tot een even grote toename van de waterspanningen. De effectieve spanning verandert daardoor in het algemeen niet veel, tenzij kruip optreedt. Soms zijn ook diepere watervoerende lagen van invloed op het stromingsbeeld.

Freatische en elastische berging

In de dijk kan water worden opgeslagen boven de grondwaterspiegel, de zogenaamde freatische berging. De hoeveelheid water die kan worden opgeslagen is lineair afhankelijk van (de verandering van) het porievolume. De berging onder de grondwaterspiegel, de zogenaamde elastische berging, verandert als de grond deformeert. Als de grond wordt samengeperst neemt de berging af, we noemen dit proces consolidatie; als de grond uitzet onder invloed van een toename van de waterspanning, dan neemt de berging toe, we noemen dit zwel. In slappe grondlagen kan de elastische berging aanzienlijk zijn door zwel of consolidatie, in zandlagen is het effect van elastische waterberging veelal beperkt.

In het artikel Waterberging in grond, freatisch en elastisch wordt hier verder op ingegaan.

Stationaire stroming

Afhankelijk van het bergend vermogen, de doorlatendheid en de tijdsduur van de belasting is de grondwaterstroming overwegend stationair of niet-stationair. Hoe de consolidatietijd of hydrodynamische periode zich verhoudt ten opzichte van de duur van de belasting is bepalend.

Indien de belastingduur lang is (hoogwater ten gevolge van afvoergolf op rivier) in vergelijking met de hydrodynamische periode, kan de grondwaterstroming in het slappe lagen pakket (het Holoceen) als quasi-stationair beschouwd worden. De indringlengte is dan gelijk aan de totale deklaagdikte. Het verloop van de waterspanningen in de verschillende lagen van de deklaag is dan telkens lineair over de hoogte van de betreffende laag. Als de doorlatendheid van de deklaag niet varieert, is er een lineair verloop van de waterspanningen over de dikte van de deklaag.

Niet-Stationaire stroming

In het watervoerend zandpakket is de consolidatietijd maximaal een uur. In het slappe lagenpakket kan dit weken tot maanden zijn. Bij een hoogwaterbelastingduur tot enkele dagen kan derhalve in het slappe lagenpakket met niet-stationaire grondwaterstroming (consolidatie) rekening worden gehouden en in het watervoerend zandpakket met stationaire stroming.

Omdat beide lagen met elkaar communiceren, veroorzaakt de niet-stationaire stroming in de toplaag toch ook een tijdsafhankelijk gedrag van de stroming in het zandpakket. Stijghoogten gemeten in het zandpakket tijdens hoogwater vertonen derhalve een tijdsafhankelijk gedrag, dat niet wordt veroorzaakt door de berging in het zand, maar door de berging in de omliggende slappe lagen. In de geohydrologie wordt dit meestal niet onderkend. Men hanteert daar een stationaire stroming in de toplaag (de hydraulische weerstand) en schrijft het niet-stationaire gedrag toe aan berging in de watervoerende laag. Dit is fundamenteel onjuist [Bauduin, 1988]. Bij de toepassing van geohydrologische rekenmodellen wordt dus vaak geen rekening gehouden met de berging in de omringende slappe lagen. Maar hiermee dient terdege rekening te worden gehouden.

In benedenrivierdijken treedt vrijwel altijd niet-stationaire grondwaterstroming op. In bovenrivierdijken is dat minder het geval. (Boezemkaden keren in principe een nagenoeg stationaire waterstand.) Zee- en meerdijken vertonen afhankelijk van de samenstelling al dan niet tijdsafhankelijk gedrag.

Karakterisering waterspanningen in het Hollandprofiel

In de adviespraktijk worden de waterspanningen in rekenmodellen ter berekening van bijvoorbeeld het mechanisme afschuiven langs een glijvlak, vaak gekarakteriseerd door twee of drie piëzometrisch niveau lijnen, vaak verkort aangeduid als pn-lijnen (Engels: pl-lines). De stationaire grondwaterstroming in het Hollandprofiel wordt gekarakteriseerd met twee pn-lijnen: enerzijds de piëzometrisch niveau lijn voor het freatisch water in het dijklichaam en achterland, en anderzijds de piëzometrisch niveau lijn voor het eerste watervoerend pakket. Voor de niet-stationaire beschrijving van de waterspanningen komt daar nog een derde piëzometrisch niveau lijn bij die de stijghoogte aan de onderzijde van het samendrukbaar pakket juist boven de indringingslaag beschrijft.

Een aantal analytische oplossingen voor het bepalen van de stijghoogte in het watervoerend pakket voor zowel situaties met stationaire als met niet-stationaire stroming zijn gegeven in het hoofdstuk Analytische modellen voor grondwaterstroming in het artikel Berekenen waterspanningen.

Stroming over laagscheidingen

De stroming bij grondlagen van verschillende doorlatendheid wordt gekenmerkt door breking van de stroomlijnen. De breking hangt samen met het contrast in doorlatendheid. Hiermee kan worden verklaard dat in het algemeen kan worden uitgegaan van horizontale stroming in het watervoerende zandpakket en verticale stroming in het afdekkende pakket.

Als een afdekkend pakket bestaat uit grondlagen met verschillende doorlatendheden, dan zal bij een stationaire verticale stroming door dit pakket de waterspanning per laag lineair verlopen met de diepte. De verschillende doorlatendheden maken echter dat per laag de gradiënt telkens anders is. Dit betekent dat de waterspanning in een afdekkend pakket grondlagen met verschillende doorlatendheden niet lineair over de diepte verloopt.

Opdrukken en grenspotentiaal van het afsluitend pakket

Opdrukken is een vorm van hydraulische grondbreuk waarbij een cohesieve afdekkende laag wordt opgelicht ten gevolge van wateroverspanning in de onderliggende watervoerende laag. Opdrukken van de deklaag achter de waterkering treedt op bij het bereiken van de zogenaamde grenspotentiaal. In het artikel Berekenen van de grenspotentiaal wordt het begrip toegelicht en aangegeven hoe de grenspotentiaal kan worden berekend. Het artikel Rekenen aan afschuiven bij opdrukken achterland geeft de beschrijving van opdrijven en opbarsten.