Piping in getijdenafzettingen

Beschrijving van de fysica

Terugschrijdende erosie is mogelijk in een zandlaag mits bij het erosiefront de waterdrukgradiënten voldoende zijn voor transport van de zandkorrels. De stijghoogteverschillen over de dijk moeten daarvoor voldoende hoog zijn. Maar ook moeten de stijghoogte verschillen in de directe omgeving van het erosiekanaal voldoende groot zijn. Erosiekanalen groeien tegen de richting van de lokale waterdrukgradiënt in.

Kleistrookjes en -laagjes in getijdenafzettingen kunnen de groei van erosiekanalen van genoemde afmetingen hinderen. Daarbij kunnen de volgende effecten optreden:

1. De verticale en horizontale doorlatendheid van de afzettingen wordt door de kleistroken beperkt. Lagere doorlatendheden leiden tot een hoger kritiek verval.
2. De groei van erosiekanalen wordt door barrièrewerking van kleilaagjes gehinderd en kan worden voorkomen.
3. Mogelijk wordt de groei van erosiekanalen beïnvloed door de invloed van de kleilaagjes op de lokale waterdrukgradiënten.

In afzettingen, zoals die in Figuur 1B, is in de lengterichting van de kwelweg om de circa 0,1 à 0,4 m een kleistrook aanwezig. Deze kleistroken hinderen de vorming van een erosiekanaal. Het is daarom onwaarschijnlijk dat zich in zulke getijdenafzettingen een volledig erosiekanaal kan ontwikkelen.

Waarnemingen in het laboratorium

In getijdenafzettingen zijn meerdere kleilaagjes aanwezig. In het laboratorium is de invloed van kleilaagjes en obstakels getest. Daarbij is aangetoond dat een obstakel van geringe afmetingen de groei van erosiekanalen sterk hindert. Een obstakel, richeltje, onder de ondoorlatende bovenlaag met een dikte van 10 mm was in laboratoriumexperimenten voldoende om de groei van een erosiekanaal te verhinderen [SBW, 2008]. Met een kleilaagje van 0,125 m dik (en breed) ontstond er ook bij een verhang van bijna 1:1 in een laboratoriumopstelling geen doorgaand erosiekanaal. In eenzelfde laboratoriumopstelling zonder kleilaagje werd bij een verhang van minder dan 1:2 wel een erosiekanaal gevormd [SBW, 2007].

Waarnemingen in het veld

In het verleden zijn diverse dijkdoorbraken opgetreden. Daarvan kan een deel worden toegeschreven aan het faalmechanisme piping. De eerste signalen van het falen op het mechanisme piping betreft opbarsten, wellen en zandmeevoerende wellen.

Er zijn, voor zover is na te gaan, geen dijkdoorbraken door piping opgetreden in getijdenafzettingen. Dit geldt voor zowel Nederland als daar buiten. Wel is er een dijkdoorbraak opgetreden bij Strijenham (Tholen) in 1926. Deze dijk ligt in het getijdengebied. Het falen van deze dijk wordt toegeschreven aan het faalmechanisme piping. Maar algemeen wordt aangenomen dat het erosiekanaal zich ontwikkelde in een met zand opgevulde rivierbedding en niet in een getijdenafzetting.

In getijdengebieden zijn wel diverse wellen waargenomen. In een experiment in Noord-Holland zijn effecten van een voor piping bij een getijdenafzetting getest. Daarbij was sprake van significante polderpeilverlaging en van het doorgraven van een afsluitende laag in het boezemwater. Er zijn geen tekenen van welvorming waargenomen [Kwakman, et al., 2013].

Vorming van kleine wellen door zulke afzettingen is wel waargenomen bij graafwerkzaamheden. In Figuur 3 is een voorbeeld van een wel weergegeven in een getijdenafzetting. Dergelijke waarnemingen zijn ook gemeld op Tholen. Daar zijn wellen ontstaan bij graafwerkzaamheden die zijn uitgevoerd tot grote diepte (meer dan 3 meter beneden maaiveld). De waargenomen wellen tonen aan dat opbarsten kan optreden rondom getijdenafzettingen. Er zijn echter geen aanwijzingen dat terugschrijdende erosie optrad.

WTI-SOS-eenheden waarin het ontstaan van piping vermoedelijk sterk wordt gehinderd

WTI-SOS-eenheden zijn zo gedefinieerd dat het voorkomen van afzettingen met concentratie van kleilagen als in Figuur 1 vastgesteld worden. Dit kan ook bevestigd worden door middel van lokaal onderzoek, zoals met boringen en sonderingen. Er wordt aangenomen dat het erg onwaarschijnlijk is dat zich een doorgaand erosiekanaal met een lengte van meer dan enige tientallen meters kan vormen door de bovenkant van een pakket afzettingen met dergelijke concentraties aan kleilagen.

Onderstaande WTI-SOS-eenheden [Hijma en Lam, 2015] bevatten hoge concentraties aan kleilagen. In [Heerema en Förster, 2016] is gesteld dat het optreden van piping in deze eenheden dermate onwaarschijnlijk is dat daarom het risico op piping kan worden uitgesloten:

• Getijdenrestgeulopvulling, H_Mr_kz.
• Afzettingen van kleine getijdenplaat- en kweldergeulen, H_Mkw_z&k.
• Kleiige getijdenplaat- en kwelderafzettingen, H_Mp_k.
• Organisch materiaalrijke getijdenplaat- en kwelderafzettingen, H_Mp_ko.

Deze eenheden kunnen in een ondergrondschematisering als niet-watervoerende laag worden gemodelleerd. Wanneer de betreffende eenheid aan het oppervlak of direct onder klei en veenlagen ligt, maakt de laag deel uit van de deklaag.

In de overige WTI-SOS-eenheden die getijdenafzettingen beschrijven kan dus wel piping optreden:

• Matig fijn tot zeer grof getijdengeulzand, H_Mg_zm.
• Uiterst fijn tot matig fijn getijdengeulzand, H_Mg_zf.
• Uiterst fijn tot matig fijn getijdengeulzand met dunne klei- en silt laagjes, H_Mg_zk.
• Zandige getijdenplaatafzettingen, H_Mp_zf.
• Matig fijn tot zeer grof estuarien getijdengeulzand, H_Eg_zm.
• Uiterst fijn tot matig fijn estuarien getijdengeulzand, H_Eg_z&k.

Conclusies

Bovenstaande argumenten rechtvaardigen de aanname dat in bepaalde getijdenafzettingen het optreden van terugschrijdende erosie (conform het Sellmeijermodel) ten minste sterk wordt gehinderd als gevolg van in die afzettingen aanwezige kleilaagjes. De genoemde WTI-SOS-eenheden zijn genoemd waarvoor dat van toepassing is. Er is momenteel onvoldoende experimenteel onderzoek uitgevoerd en er zijn geen evidente terreinwaarnemingen waarmee uitgesloten kan worden dat falen door piping door de genoemde getijdenafzettingen zal optreden.

Een betere onderbouwing voor het al dan niet uitsluiten van zulk falen door middel van experimenteel en ander empirisch onderzoek wordt niet op korte termijn verwacht, maar op termijn wordt zulk onderzoek wel noodzakelijk geacht. Niettemin wordt voorshands de kans dat zulk falen kan optreden erg klein geacht op basis van wel beschikbare experimenten en terreinwaarnemingen (de hierboven genoemde proeven op kleine schaal, de waarneming bij de veldproef, de praktijkproef bij een boezemkade in Noord-Holland en het ontbreken van meldingen van verschijnselen die wijzen op piping in gebieden met zulke afzettingen).