Dit artikel beschrijft het faalproces door overslag en/of overloop verder in detail, zie ook artikel Beschrijving faalproces overslag en/of overloop. Vertrekpunt hierbij is dat het kunstwerk, nadat het zijn primaire functie heeft vervuld (het laten passeren van water, voertuigen, mensen et cetera van de waterkering) deels of geheel gesloten is. Er is dus een bepaalde kerende hoogte aanwezig (dit hoeft niet de maximaal beschikbare waterkerende hoogte van het kunstwerk te zijn).

In de lopende tekst komen nummers tussen haakjes voor die verwijzen naar Figuur 1 (overgenomen uit bovengenoemd artikel).

Initiërende gebeurtenis

Het faalproces start met een toename van de hydraulische belasting op het kunstwerk. De belasting op het kunstwerk wordt gevormd door een combinatie van waterstand en golfhoogte. Bij toenemende waterstand en/of toenemende golfhoogte gaat er in eerste instantie door golfoverslag steeds meer water over de keermiddelen en waterkerende constructiedelen van het gesloten kunstwerk. Zolang de buitenwaterstand lager is dan de kerende hoogte van het kunstwerk is sprake van een overslagsituatie. Dat wordt anders als de waterstand verder stijgt en hoger wordt dan de kerende hoogte van het kunstwerk. Er is dan sprake van overloop, waarbij de belasting bestaat uit een overstortende straal in combinatie met overslaande golven over de keermiddelen en waterkerende constructiedelen van het gesloten kunstwerk. De combinatie van waterstand en golven enerzijds en de kerende hoogte en breedte van de waterkerende constructiedelen anderzijds bepalen de hoeveelheid water die tijdens een hoogwatergebeurtenis over het kunstwerk naar binnen komt. De belastingduur speelt hierbij uiteraard ook een rol.

Vervolggebeurtenissen en falen van het kunstwerk

Falen van het kunstwerk (optreden van overstromingsgevolgen) treedt alleen op wanneer het kombergend vermogen niet meer toereikend is en er substantiële schade optreedt en/of er dodelijke slachtoffers vallen. Dit kan gebeuren bij een standzeker kunstwerk of nadat het kunstwerk is bezweken en een bres in de waterkering is ontstaan. Zoals in Figuur 1 is te zien, kan het kunstwerk bezwijken nadat de keermiddelen zijn bezweken of nadat de bodembescherming is bezweken.

(1) Overschrijden komberging bij standzeker kunstwerk

Het overschrijden van het kombergend vermogen bestaat uit het instromen van dusdanig veel water in het achterliggende watersysteem of gebied dat sprake is van overstromingsgevolgen (substantiële schade en/of slachtoffers) in dat achterliggende gebied. Voor kunstwerken die geen onderdeel zijn van een voorliggende kering^[1] zijn in de basis drie verschillende situaties te onderscheiden:

1. Achter het kunstwerk is een watersysteem aanwezig dat wordt omringd door zachte kades (grondlichamen). Als de kades bezwijken of overlopen door de toegenomen waterstand in het watersysteem, kan (een deel van) het watersysteem leeglopen in het achterliggende gebied.
2. Achter het kunstwerk is een watersysteem aanwezig dat wordt omringd door kades die praktisch niet kunnen doorbreken, bijvoorbeeld doordat sprake is van harde kades bij een haven of doordat de watergangen beneden het maaiveld gelegen zijn. In deze situatie kan dusdanig veel water over de randen van het watersysteem het achterliggende gebied in lopen dat sprake is van een overstroming.
3. Achter het kunstwerk is geen watersysteem aanwezig, er vindt direct inundatie van het achterliggende gebied plaats. Dit komt bij coupures veel voor.

Als sprake is van kleine watersystemen met ‘zachte’ kades hoeft falen van de kades niet direct te leiden tot overstromingsgevolgen doordat het volume dat dan het achterliggende gebied instroomt klein is. In deze situatie kan falen van de ‘zachte’ kade wel andere faalprocessen initiëren. Dit komt doordat ná falen van de kades de binnenwaterstand zover daalt dat het verval over het kunstwerk sterk toeneemt. Hierbij kunnen vervolggebeurtenissen worden onderscheiden die kunnen leiden tot bezwijken van het kunstwerk:

1. Door de afgenomen waterdiepte kan de stroomsnelheid ter plaatse van de bodembescherming achter het kunstwerk zodanig toenemen dat een faalproces met betrekking tot erosie bodembescherming in gang wordt gezet. Dit geldt voor zowel een gesloten kunstwerk als een kunstwerk dat onterecht open staat.
2. Bij een gesloten kunstwerk kan het toegenomen verval over het kunstwerk leiden tot bezwijken van waterkerende constructie-onderdelen of het instabiel worden van het kunstwerk.

(2) Overschrijden komberging na bezwijken kunstwerk door falen bodembescherming

Bij toenemende overslag-/overloopdebieten neemt de stroomsnelheid boven de bodembescherming toe. Dit leidt tot falen van de bodembescherming als de kritieke stroomsnelheid van de bodembescherming wordt overschreden. In de praktijk is dit veelal het begin van een geleidelijk erosieproces, waarbij bij toenemende stroomsnelheid steeds grotere schade aan de bodembescherming ontstaat en uiteindelijk de ondergrond onder de bodembescherming bloot komt te liggen.

Na bezwijken van de bodembescherming kan transport van bodemmateriaal uit de ondergrond onder de bodembescherming plaatsvinden. Dit leidt tot ontgrondings­kuilen direct achter het kunstwerk. Deze ontgrondingskuilen worden groter en dieper naarmate de ondergrond langer belast wordt door de stroming als gevolg van het overslag-/overloopdebiet. Uiteindelijk kunnen deze ontgrondingskuilen dermate groot en diep worden dat dit leidt tot algehele instabiliteit en hiermee het bezwijken van (delen van) het kunstwerk.

Nadat de kritieke stroomsnelheid van de bodembescherming wordt overschreden moet er dus nog het nodige gebeuren voordat het kunstwerk als geheel bezwijkt en er een bres in de waterkering ontstaat:

• Doorgaand transport van elementen uit de toplaag en eventuele onderlagen van de bodembescherming en ontstaan van een gat in de bodembescherming.
• Optreden van erosie van de onbeschermde bodem als gevolg van de optredende stroomsnelheden. Dit proces leidt uiteindelijk tot het optreden van ontgrondingskuilen.
• Optreden van een afschuiving aan de rand van deze ontgrondingskuil, waarvan de inscharing het kunstwerk bereikt.
• Afmetingen (diepte, breedte) van de ontgrondingen ter plaatse van het kunstwerk worden dusdanig groot dat dit leidt tot instabiliteit (kantelen, verschuiven) van het kunstwerk. Dit kan optreden door het wegvallen van de passieve gronddruk aan de binnenzijde, maar ook het uitspoelen van gronddeeltjes onder de binnenzijde van het kunstwerk is mogelijk. Dit kan leiden tot een proces waarbij delen van het kunstwerk steeds verder vervormen dan wel verplaatsen. Ook kunnen ontgrondingskuilen leiden tot verminderde weerstand tegen piping van het kunstwerk.
• Het totale kunstwerk faalt als gevolg van kantelen en/of verschuiven van het geheel of het opeenvolgend bezwijken van onderdelen van de constructie. Afhankelijk van wat er bezwijkt, de gehele constructie dan wel een deel van de constructie, kan er een bres in de waterkering ontstaan en vervolgens bresgroei optreden. In dat geval wordt het gat in de waterkering groter en stijgt het instromende debiet. Het kombergend vermogen zal dan sneller niet toereikend zijn.

De mate waarin, en de snelheid waarmee bovenstaande processen na bezwijken van de bodembescherming optreden is afhankelijk van een groot aantal factoren. De belangrijkste zijn:

• Erosiebestendigheid van de bodem onder de bodembescherming. De vorming van een ontgrondingskuil gaat in zandige grond veel sneller dan in cohesieve grond (klei).
• Fundatie van het kunstwerk. Een kunstwerk dat op palen staat zal minder snel (deels) bezwijken dan een kunstwerk dat op staal gefundeerd is.
• Geometrie van het kunstwerk. Een kort kunstwerk (waarbij de lengte wordt gemeten loodrecht op de dijk) zal sneller kantelen of afschuiven dan een lang kunstwerk.

Het moge duidelijk zijn dat er na bezwijken van de bodembescherming nog een lange weg te gaan is voordat het kunstwerk is bezweken.

(3) Overschrijden komberging na bezwijken keermiddelen van het kunstwerk

Bij grote overslag- en/of overloopdebieten kunnen dynamische belastingen (zoals het trillen van de deuren door bijvoorbeeld insluiting van lucht onder de overstortende straal) optreden die kunnen leiden tot het bezwijken van het keermiddel. Overwogen is om dit als belastingsituatie te beschouwen bij falen waterkering door gebrek aan sterkte van het kunstwerk (faalmechanisme sterkte en stabiliteit puntconstructies). Omdat het echter direct samenhangt met het optreden van overslag en/of overloop is ervoor gekozen het binnen het faalmechanisme overslag en/of overloop te behandelen.

Over dit deelfaalmechanisme is zeer weinig bekend. Als eerste inschatting wordt in de praktijk vaak aangehouden dat de kering faalt als het overslag-/overloopdebiet groter wordt dan 1,0 m³/s/m. Voor de beeldvorming: in een overloopsituatie (dus zonder golven) hoort een dergelijk debiet bij een waterstand die circa 0,65 m hoger is dan de kerende hoogte van het sluitmiddel. In voorkomende gevallen kan falen optreden bij een hoger of lager debiet, maar dit vraagt nadere onderbouwing.

Bezwijken van het keermiddel door dynamische effecten als gevolg van overslag en/of overloop leidt tot een openstaand kunstwerk waarover instantaan een groot verval staat. Enerzijds kan de instroming die hier het gevolg van is al leiden tot overschrijden van het kombergend vermogen en hiermee tot overstromingsgevolgen. Dit proces is onder (1) besproken. Anderzijds kan het leiden tot bezwijken van de bodembescherming en na het optreden van vervolgprocessen zoals benoemd onder (2) tot het bezwijken van het kunstwerk als geheel en een bres in de waterkering.

^[1] Voor kunstwerken in een voorliggende kering ligt dit anders; hiervoor is binnen het programma Rijkskeringen van Rijkswaterstaat een werkwijze op maat ontwikkeld.