Historie

Het faalmechanisme piping bij kunstwerken kent een lange historie. Door Bligh is in 1910 een aantal bezwijkgevallen van op staal gefundeerde gemetselde kleine stuwdammen op verschillende grondslag in India geïnventariseerd en geanalyseerd [Bligh, 1910]. Hieruit is een rekenregel afgeleid waarbij het toelaatbare verval over de constructie wordt berekend als product van de totale horizontale en verticale kwelweglengte (line of creep) onder de constructie en een factor die afhankelijk is van de grondslag. In de opvatting van Bligh worden horizontale en verticale stukken (verticale wanden van een constructie of verticale kwelwegen langs een scherm) even zwaar meegerekend bij de bepaling van de kwelweg.

Door Lane is die aanpak sterk bekritiseerd. Hij stelde dat de verticale delen van de ‘line of creep’ een grotere bijdrage aan de weerstand leveren dan de horizontale. In 1935 is door Lane een, eveneens empirische, rekenregel opgesteld, waarbij horizontale en verticale delen van de kwelweg op gewogen wijze in rekening worden gebracht [Lane, 1935]. Bij dijkversterkingen in Nederland was de regel van Bligh tot begin van de jaren negentig in gebruik voor situaties waarin uitsluitend een horizontale kwelweg aanwezig was. Hiermee werd dus impliciet de kritiek van Lane onderschreven. Bij kunstwerken werd uitgegaan van de rekenregel van Lane (voor onderloopsheid) of Bligh (achterloopsheid). Van beide rekenregels werd altijd aangenomen dat ze conservatief van aard zijn. Recent onderzoek heeft echter uitgewezen dat dit voor de regel van Bligh bij dijken in ieder geval niet het geval is.

Door Harza is in 1935 een criterium voor heave opgesteld in termen van de kritieke ‘flotation gradiënt’ [Harza, 1935]. In latere onderzoeken is voortgeborduurd op dit concept. In 1995 zijn, gebaseerd op het heave-criterium, met behulp van het zogenoemde Fragmentenmodel (zie artikel Rekenmodellen voor berekening optredend verhang) ontwerpregels afgeleid voor het dimensioneren van kwelschermen.

Vanaf de jaren vijftig zijn in Nederland, Duitsland en de Verenigde Staten verschillende onderzoeksprogramma’s van start gegaan met het doel het pipingproces beter te begrijpen en te modelleren. Met name in het Duitse onderzoek (vanaf de jaren zeventig) is door middel van modelproeven het proces van ontstaan en uitgroeien van erosiekanaaltjes in een zandlaag onder de ondoorlatende onderrand van een waterkering onderzocht. Het Nederlandse onderzoek resulteerde eind jaren tachtig van de vorige eeuw in de ontwikkeling van het wiskundige model van Sellmeijer [Sellmeijer, 1988], waarmee het erosieproces dat ten grondslag ligt aan piping fundamenteel wordt beschreven. In 1994 is het [Technisch rapport voor controle op het mechanisme piping bij rivierdijken, 1994] gepubliceerd, waarin ontwerpregels voor de ontwerp- en adviespraktijk zijn afgeleid gebaseerd op het model van Sellmeijer. De hierbij toegepaste veiligheidsfilosofie is gebaseerd op de overschrijdingskans van een bepaalde waterstand. Deze is dan vertaald naar sterktenormen. Dit was duidelijk anders dan het vooroorlogse onderzoek, waarin werd uitgegaan van afmetingen die zich in de praktijk hebben bewezen.

Zoals uit de titel 'Technisch rapport voor controle op het mechanisme piping bij rivierdijken' al blijkt, betreft het alleen ontwerpregels voor dijken. Voor kunstwerken is de [Leidraad voor ontwerp, beheer en onderhoud van constructies en vreemde objecten in, op en nabij waterkeringen, 1976] lange tijd vigerend. Hierin is voor onder- en achterloopsheid de formule van Lane opgenomen. In 1997 is de [Leidraad waterkerende kunstwerken en bijzondere constructies, 1997] uitgebracht als groene versie van de [Leidraad kunstwerken, 2003]. Opvallend is dat hierin voor onderloopsheid in eerste instantie wordt verwezen naar de formules van Bligh en Sellmeijer. Bij geconstateerde kwelwegtekorten worden damwandschermen vervolgens gedimensioneerd met de formules van heave en Lane. Deze werkwijze heeft de definitieve versie van de Leidraad kunstwerken 2003 niet gehaald. In de Leidraad kunstwerken 2003 wordt voor piping direct doorverwezen naar het [Technisch rapport zandmeevoerende wellen, 1999]. In het dit technisch rapport worden voor zowel dijken als kunstwerken de vigerende modellen van Bligh, Lane, Sellmeijer en heave voor de controle op piping gepresenteerd. Ook in de wettelijke toetsingen tot en met de derde toetsronde is in de toetsvoorschriften (onder andere het [Voorschrift toetsen op veiligheid primaire waterkeringen, 2007]) zoveel mogelijk aangesloten op de Leidraad kunstwerken 2003 en hiermee op het Technisch rapport zandmeevoerende wellen.

In 2012 is door het onderzoeksprogramma Sterkte en Belastingen Waterkeringen (SBW) het Onderzoeksrapport zandmeevoerende wellen gepubliceerd [Förster, et al., 2012]. In dit onderzoeksrapport wordt een verbeterde rekenregel voor het faalmechanisme piping gepresenteerd. Het rapport is in juni 2013 door het ministerie van Infrastructuur en Milieu beschikbaar gesteld aan alle waterkeringbeheerders, met als toevoeging dat in 2013 aanvullend een werkwijzer piping wordt opgesteld. Deze [Werkwijzer piping bij dijken, 2014] is in juni 2014 gepubliceerd. De werkwijzer heeft echter specifiek betrekking op piping bij dijken. Het Onderzoeksrapport zandmeevoerende wellen is breder opgezet en hoewel ook hier de nadruk ligt op de dijken wordt tevens aandacht besteed aan piping bij kunstwerken. Het Onderzoeksrapport zandmeevoerende wellen kan hiermee als vigerende kennisbasis beschouwd worden.

Tot het moment van ter beschikking stellen van Onderzoeksrapport zandmeevoerende wellen was het Technisch rapport zandmeevoerende wellen vigerend voor zowel dijken als kunstwerken. De belangrijkste verschillen tussen beide documenten zijn dat in het Onderzoeksrapport de rekenregel gebaseerd op het model van Sellmeijer is aangepast en dat het model van Bligh niet meer van toepassing is verklaard.

Een uitgebreidere beschrijving van de historie van het faalmechanisme piping is te vinden in hoofdstuk 3 van het Onderzoeksrapport zandmeevoerende wellen.

Veiligheidsfilosofie en beoordelingsmethodieken tot 2017

In de [Grondslagen voor waterkeren^[1]1998] is aangegeven dat vanaf 1998 ontwerp en beoordeling van waterkeringen op basis van de overbelastings­benadering plaatsvond, waarbij de waterkeringen ontworpen en getoetst werden bij een specifiek peil afhankelijk van de norm van de dijkring. Dit peil werd ook wel aangeduid met MHW (maatgevend hoogwater). Voor een verdere invulling van de eisen aan falen van kunstwerken werd in de Grondslagen voor waterkeren verwezen naar de Leidraad kunstwerken.

Leidraad kunstwerken 2003

De Leidraad kunstwerken kent drie hoofdfaalmechanismen die bij kunstwerken van toepassing zijn: overslag en/of overloop, betrouwbaarheid sluiting en sterkte en stabiliteit. Deze laatste werd opgedeeld in bezwijken constructie­onderdelen, instabiliteit constructie en grondlichaam en onder- en achterloopsheid.

In de Leidraad is voor toetsen en ontwerpen het falen van een kunstwerk opgedeeld in een spoor waterbezwaar – hierin worden de faalmechanismen overslag en/of overloop en betrouwbaarheid sluiting beschouwd – en een spoor constructief bezwijken (zie Figuur 1). Uitgangspunt is de overbelastingsbenadering, die wat betreft waterbezwaar primair eisen stelt aan de kans op overschrijding van een toelaatbaar instromend volume buitenwater via het gesloten of het geopende kunstwerk. Aanvullend hierop is een eis gesteld aan de kans op constructief falen, gegeven dat normomstandigheden^[2] niet worden overschreden. Bij deze laatste tak werd verondersteld dat dit altijd tot een onbeheersbare situatie met substantiële gevolgen leidt. Overschrijding van een toelaatbaar instromend volume geeft weliswaar aanleiding tot (grote) problemen, maar de situatie hoeft niet direct onbeheersbaar te zijn.

Voor het faalmechanisme piping werd aan de eisen voldaan wanneer de faalkans kleiner was dan 0,01 maal de getalswaarde van de wettelijke overschrijdingskans (de veiligheidsnorm) zoals destijds was vastgelegd in de Wet op de waterkering. Dit was een normfrequentie per dijkring.

VTV2006

In de wettelijke toetsingen tot en met de derde toetsronde is in de toets­voorschriften (onder andere [Voorschrift toetsen op veiligheid primaire waterkeringen, 2006]) zoveel mogelijk aangesloten op de Leidraad kunstwerken en hiermee op het Technisch rapport zandmeevoerende wellen. De toets volgt het algemene schema voor sterkte en stabiliteit en bestaat uit vier stappen:

1. Eenvoudige toets.
   In de eerste stap vindt een controle plaats aan de hand van eenvoudige criteria, die erop neerkomen dat een kunstwerk dat geheel is omsloten door een ondoorlatend pakket in principe niet getoetst hoeft te worden.
2. Gehanteerde ontwerpmethode.
   Als ontworpen is volgens Technisch rapport zandmeevoerende wellen of [Handreiking constructief ontwerpen, 1994] en de belasting is niet significant toegenomen dan voldoet het kunstwerk voor piping.
3. Gedetailleerde toetsing.
   In deze stap wordt een herberekening uitgevoerd conform Technisch rapport zandmeevoerende wellen.
4. Geavanceerde toetsing.
   Dit behelst met name gebruik van grondwaterstromingsmodellen om 3D-analyses uit te voeren of tijdsafhankelijk te rekenen, probabilistische piping- of heave analyses en toepassing van bewezen sterkte.

^[1] Inmiddels vervangen door de Grondslagen voor hoogwaterbescherming [Kok, et al., 2017].

^[2] Waterstand inclusief bijbehorend golfregime met een overschrijdingsfrequentie per jaar gelijk aan de normfrequentie per jaar van de dijkring waartoe het kunstwerk behoorde.

^[3] Merk op dat in het onderste blok in de rechtertak eigenlijk had moeten staan P{bezwijken EN h<MHW} < 0,01*norm.