Het freatisch vlak is de vrije grondwaterspiegel, zijnde de (hypothetische) positie waar de waterdruk gelijk is aan de atmosferische druk. De freatische lijn is de weergave van het freatisch vlak in een specifieke (dwars)doorsnede, ook wel aangeduid als grondwaterstand.

Met betrekking tot het freatische vlak zijn er twee fenomenen die apart de aandacht verdienen:

• De capillaire zone.
• Opbolling van het freatisch vlak door infiltratie.

Bepaling freatisch vlak

Het algemene principe voor het bepalen van een freatisch vlak onder extreme belasting, is dat eerst het niveau van de dagelijkse gemiddelde grondwaterstand wordt bepaald. Superpositie van de invloed van de belasting bovenop dat niveau levert het niveau van het freatisch vlak onder extreme omstandigheden. Die extreme omstandigheden kunnen bijvoorbeeld een extreem hoge buitenwaterstand zijn, maar ook golfoverslag of (extreme) neerslag, dan wel combinaties van deze belastingen.

Het kan voorkomen dat een relatief kleine verhoging van de buitenwaterstand geen significante invloed heeft op het niveau van het freatisch vlak voor zover van belang voor binnenwaartse afschuiving, zie Figuur 1. Het tegenovergestelde is echter ook mogelijk.

Het niveau van de initiële (stationaire) grondwaterstand kan het beste worden bepaald op basis van waterspanningsmetingen onder gemiddelde omstandigheden. Wanneer deze (nog) niet beschikbaar zijn, kan voor de veiligheidsbeoordeling gegeven een extreme buitenwaterstand een veelal wat conservatieve schatting worden gemaakt van het niveau van het freatisch vlak zoals beschreven in Eerste schatting van het freatisch vlak.

Levert deze conservatieve schatting een te lage stabiliteitsfactor of te hoge faalkans op, dan is een optimalisatie mogelijk door waterspanningsmetingen uit te voeren en/of een grondwaterstromingsberekening. Voor dat laatste kan een eenvoudige analytische formule ook toereikend zijn [Dupuit, 1863], [Hooghoudt, 1940].

Figuur 2 van het artikel Eerste schatting van het freatisch vlak toont hoe het niet-stationaire karakter van het hoogwater op de ligging van het freatisch vlak in rekening gebracht kan worden. De tijdsduur van het hoogwater volgt uit een waterstandsverlooplijn. In de Waternet Creator kan de ligging van het freatisch vlak worden aangepast door de horizontale indringlengte te berekenen volgens het artikel Eerste schatting van het freatisch vlak.

Freatisch vlak in relatief ondoorlatend dijklichaam

Het is gebruikelijk de freatische lijn in een relatief ondoorlatend dijklichaam (opgebouwd uit bijvoorbeeld klei) te baseren op metingen. Hierbij wordt zoveel mogelijk rekening gehouden met de belastingen die de dijk onder extreem hoog water condities zal ondergaan. Deze metingen zal praktisch gezien vrijwel nooit onder extreem hoogwateromstandigheden plaatsvinden. Berekeningen leveren in het algemeen geen betrouwbare hoogte van de freatische lijn in de kruin van een ondoorlatend dijklichaam op. De voornaamste oorzaak daarvan is dat scheurvorming en verzadigingsgraad in de kleibekleding vaak een grote rol spelen. De grootte van de doorlatendheid van de bekleding is daarmee een onzekere factor en bovendien niet op elk moment gelijk.

In het algemeen zal de hoogte van de freatische lijn in de dijk niet hoger zijn dan de extreme buitenwaterstand, al kunnen, theoretisch gezien, neerslag, overslag en doorgaande vervormingen tot hogere waterspanningen en een hogere freatische lijn leiden. De meeste dijken zijn niet homogeen opgebouwd en bestaan niet volledig uit ondoorlatend materiaal, zodat onder invloed van hevige neerslag of door overslag er op onverwachte plaatsen water kan binnendringen. Water kan zich dan ophopen in bijvoorbeeld de zandige ondergrond onder een (voormalige) dijkweg, of in een zandige aanvulling van een kleidijk. Wanneer die zandige gedeelten van de dijk zijn afgedekt door een kleilaag, kan, ten gevolge van verweking na een periode met hevige neerslag, plotseling bezwijken optreden. In de praktijk heeft dit verschijnsel zich een aantal malen voorgedaan. Wanneer de opbouw van de dijk minder homogeen is, is er meer onzekerheid over de schematisering en een grotere kans dat een schematisering minder veilig is dan in het geval van een homogene dijk.

Freatisch vlak in doorlatend dijklichaam

Om water te kunnen keren moet een doorlatend dijklichaam (zand) worden voorzien van een ondoorlatende laag. Om de stijghoogte in het dijklichaam zo laag mogelijk te houden, is een afdichtende laag op het buitentalud het meest effectief. Er worden twee situaties onderscheiden: een doorlatende dijk op een ondoorlatende ondergrond en een doorlatende dijk op een doorlatende ondergrond. Dit laatste type dijk vindt men meer langs de kust en in het bovenrivierengebied.

In geval van een ondoorlatende ondergrond wordt aangenomen dat de weerstand tegen grondwaterstroming door de ondoorlatende kleilaag op het buitentalud van de dijk veel groter is dan de weerstand van het dijklichaam zelf. De freatische lijn vertoont dan een sprong over de kleilaag op het buitentalud. In geval van een doorlatende ondergrond wordt aangenomen dat het freatisch vlak geen sprong vertoont over het buitentalud.

In beide gevallen wordt rekening gehouden met een zekere uittreeweerstand en een bijbehorende sprong in de freatische lijn ter plaatse van het uittreepunt. Ook bij een doorlatende dijk kunnen zich omstandigheden voordoen als gevolg waarvan de freatische lijn plaatselijk hoger komt te liggen.

Wanneer de dijk niet homogeen doorlatend is, zal ook het verloop van de freatische lijn niet hydrostatisch zijn. Ondoorlatende lagen leiden tot steilere gedeelten van de freatische lijn, terwijl de freatische lijn elders dan vlakker zal gaan lopen. Plaatselijk worden de waterspanningen dan hoger, maar elders minder hoog. Verder is de drainage van de binnenteen in doorlatende dijken altijd een kwetsbaar punt: een drainageconstructie kan verstopt raken. Inspectie naar het functioneren van de drainage is derhalve van belang, en onderhoud is geboden als de drainage niet goed functioneert.

De capillaire zone

Het stroombeeld in de dijk wordt aan de bovenzijde in feite niet echt begrensd door de freatische lijn. Zoals eerder aangegeven is de freatische lijn in wezen de hypothetische positie waar de waterdruk gelijk is aan de atmosferische druk. Boven die lijn is, afhankelijk van de grondsoort, een zekere zone aanwezig waarin zich door capillaire opstijging ook grondwater bevindt: de capillaire zone. Daar stroomt het water ook, maar verticaal. De grond direct boven de freatisch lijn is in het algemeen volledig met water verzadigd, terwijl verder naar boven de verzadigingsgraad afneemt. Een duidelijke begrenzing van de volledig verzadigde zone boven de freatisch lijn is niet aan te wijzen. In de praktijk legt men deze grens wel bij een verzadigingsgraad van 75%. De capillaire opstijging is afhankelijk van de grondsoort en bedraagt gemiddeld:

• In grof zand: ca. 0,02-0,05 m.
• In matig fijn tot matig grof zand: ca. 0,12-0,35 m.
• In silt: ca. 0,70-1,50 m.
• In klei: ca. 2-4 m of meer.

Er is in de capillaire zone een bijzonder mechanisch effect op de korrelspanning. Door de negatieve waterspanningen, dat wil zeggen een onderdruk ten opzichte van de atmosferische druk, nemen de korrelspanningen in de capillaire zone toe (Figuur 2). Dit aspect kan een belangrijke rol spelen bij de draagkracht van de grond, met name ten aanzien van de stabiliteit van taluds en de begaanbaarheid van binnendijkse bermen en de kruin van de dijk.

Vergroting van de schuifweerstand van de grond is te bewerkstelligen door de freatische lijn in de dijk middels een drainageconstructie laag te houden. Hierdoor stijgt de korrelspanning in de grond, mits de doorlatendheid van de grond dit toelaat.

Wat betreft de begaanbaarheid, bepaald door de korrelspanningen σ’ Korrelskeletspanning (ook wel effectieve spanning of korrelspanning) [kN/m²] direct onder het maaiveld, spreekt Figuur 3 voor zich. De grootste draagkracht van het maaiveld is aanwezig in het geval van capillaire opstijging.

Een belangrijk aspect dient hierbij in overweging te worden genomen. Als de capillaire zone groot is (met een hoge verzadigingsgraad) dan is er maar weinig infiltratiewater nodig om de freatische lijn te laten stijgen. Het sterkte effect door onderdrukken is dan snel weg. In zand is dit verschijnsel zelf te constateren op het strand, vlakbij de waterlijn. Net boven de waterlijn is het natte zand bijzonder stevig, net in het water slap.

Bij de beoordeling van de dijkstabiliteit wordt gewoonlijk het sterkte-effect als gevolg van onderdruk in de capillaire zone buiten beschouwing gelaten. Dit is een veilige aanpak. In zeer bijzondere gevallen, zoals bijvoorbeeld bij monumentale stadswallen waarvan het aanzicht niet mag worden aangetast, kan rekenen met capillaire waterspanningen tot winst bij het ontwerp leiden. Capillaire waterspanningen mogen echter alleen in rekening worden gebracht als er zekerheid bestaat dat deze spanningen onder hoogwateromstandigheden niet verdwijnen. Dit stelt bijzondere eisen aan de waterdichtheid van de bekledingslaag en aan het beheer daarvan. Het in rekening brengen van deze spanningen is uitermate specialistisch werk en valt buiten de reikwijdte van dit artikel.

Opbolling freatisch vlak door infiltratie

In Nederland treedt in bepaalde seizoenen gemiddeld meer neerslag dan verdamping op. De neerslag draagt voor een deel (ca. 20%) door infiltratie bij tot het grondwater. De grondwaterspiegel in de dijk stijgt en dit leidt tot zijdelingse afstroming naar de rand (sloten, dijktaluds). Daardoor ontstaat er een opgebold freatisch vlak. De hiermee samenhangende verhoging van de waterspanningen in de kern van de dijk heeft invloed op de mechanische stabiliteit van een dijk.

Veel dijken zijn in de loop van eeuwen ontstaan, en deze oudere dijken zijn steeds opgehoogd met verschillende materialen. Het verkeer erop zorgde voor compactie. Oude dijkkernen zijn derhalve relatief dicht en ondoorlatend. De opbolling van het freatisch vlak in deze dijken komt langzaam tot stand maar is ook hardnekkig. Het is niet ongebruikelijk dat in dijken een relatief (soms erg) hoge freatische lijn wordt gevonden. Bovendien is er in deze dijken veelal een relatief grote capillaire zone. Naarmate een dijk meer is verzadigd, is hij kwetsbaarder, zowel voor het mechanisme afschuiven langs een glijvlak als voor erosie.

Opgemerkt wordt dat in extreem droge periodes, waarbij (langdurig) gemiddeld meer verdamping optreedt dan neerslag, de opbolling aanzienlijk kan verminderen en zelfs negatief kan zijn. Aangezien dit in het algemeen een gunstig effect heeft op het mechanisme afschuiven langs een glijvlak wordt hier geen rekening mee gehouden.

Verder kan ook, afhankelijk van het toegestane overslagdebiet onder extreme omstandigheden, water via de kruin en het binnentalud infiltreren in de dijk en zorgen voor opbolling (stijging) van het freatische vlak in de dijk. Zie hiervoor ook het artikel Schematiseren van het freatisch vlak bij golfoverslag.

Aandachtspunten

Hoogte freatisch vlak in de dijk

Boven het freatisch vlak onder extreme omstandigheden wordt aangenomen dat het ondoorlatende dijksmateriaal zich gedraineerd gedraagt (sterkte). Op dit moment is nog onduidelijk hoe het ondoorlatende dijksmateriaal zich gedraagt onder het freatisch vlak onder extreme omstandigheden maar boven het freatisch vlak onder dagelijkse omstandigheden (gedraineerd of ongedraineerd). Een hoog freatisch vlak onder extreme omstandigheden is conservatief bij de aanname van gedraineerd materiaalgedrag voor het dijksmateriaal. Een laag freatisch vlak kan conservatief zijn bij de aanname van ongedraineerd materiaalgedrag voor het dijksmateriaal in de hierboven beschreven zone tussen beide freatische vlakken. Dit komt doordat de ongedraineerde schuifsterkte in dijksmateriaal veelal hoger is dan de gedraineerde schuifsterkte. Gezien deze kennisleemte wordt geadviseerd gevoeligheidsberekeningen uit te voeren en zo nodig uit te gaan van een conservatief scenario.

Tijdsafhankelijkheid

Het is essentieel om in situaties met kortdurende belastingen rekening te houden met de belastingduur bij het bepalen van de waterspanningen. Dit geldt tevens voor de buitenwaartse stabiliteit, waar mogelijk na een relatief lange periode van hoogwater de situatie met een snelle val van de waterstand vaak kritisch zal zijn.

In de huidige adviespraktijk wordt de ligging van het freatisch vlak bij extreme buitenwaterstanden vaak verkregen uit extrapolatie van metingen van het waterspanningsverloop. Dat verloop vertoont schommelingen ten gevolge van het getij of van het passeren van een hoogwatergolf.

De waterspanningsopbouw onder gemiddelde omstandigheden verloopt niet-lineair met de diepte. Dit is het gevolg van:

• Vertraging in de aanpassing van de waterdruk in de dijkkern op veranderende randvoorwaarden.
• Elastische berging tijdens infiltratie (met name luchtinsluiting en verzadigingsgraad).

Door het tijdsafhankelijke gedrag van de waterspanningsverdeling zal een extrapolatie van de meetgegevens onder gemiddelde omstandigheden hoogstwaarschijnlijk leiden tot fouten in de voorspelde waterspanningen tijdens extreme buitenwaterstanden. In de kleiige gedeelten in de kruin zal de waterspanning over het algemeen worden overschat, met als gevolg een te lage, conservatieve schatting van het mechanisme afschuiven langs een glijvlak binnenwaarts.

Overschatten is echter niet altijd het geval. Uit waterspanningensmetingen in een kleidijk tussen Lexmond en Vianen is gebleken dat tijdens kortdurend hoog water de freatische lijn, anders dan verwacht, toch opliep. Verklaringen hiervoor zijn scheurvorming in de deklaag, een hoge lokale verzadigingsgraad en inhomogeniteiten in het dijklichaam.

Door de relatieve korte duur van hoog water bij zeedijken, kan de overschatting van waterspanningen (en daarmee onderschatting van de sterkte) daarom groter zijn dan in geval van langdurige infiltratie, zoals in geval van hoogwater voor rivierdijken. Betere kennis van het (on-)verzadigde materiaalgedrag (doorlatendheid en vochtgehalte als functie van de druk) van dijkmateriaal is nodig om een uitspraak te kunnen doen of er ook een toename in de sterkte van rivierdijken mogelijk is.

Infiltratie

De infiltratiecapaciteit is afhankelijk van de doorlatendheid van de deklaag en het al dan niet aanwezig zijn van de zandige lagen in het talud. Een meting met vochtgehaltemeters kan een beter inzicht geven in het vol- en leeglopen van zandige gedeelten. In ondoorlatende zones is niet de infiltratiecapaciteit, maar een relatief hoge verzadigingsgraad de oorzaak van freatische veranderingen bij geringe infiltratie.

De belangrijkste onderwerpen voor vervolgonderzoek voor ‘Infiltratie in het buitentalud’ zijn:

• Het bepalen van het onverzadigde materiaalgedrag (doorlatendheid en verzadigingsgraad als functie van de druk) van de toplaag, het zandcunet en het gebied net daaronder. Metingen zowel in-situ als op laboratoriumschaal zijn zinvol.
• De bepaling van het drukhoogteverloop onder gemiddelde omstandigheden, met name de invloed van het tijdsafhankelijk verloop van de neerslag en verdamping op het drukverloop in de dijk.
• De bepaling van freatisch gedrag in (oude) kleidijken.