De dijk - Constructieve ontwerp-aspecten

• 1. 1. 1. Verdedigingen op het buitentalud

  De toepassing van harde constructies als taludverdediging wordt bij rivierdijken be­ perkt tot die plaatsen waar een grasmat geen afdoende bescherming biedt.

  In het algemeen zijn dat plaatsen waar de stroomdraad van de rivier direct langs de dijk loopt, bijvoorbeeld bij schaardijken en profielvernauwingen van het winterbed, of daar waar door een ongunstige orientatie van de dijk en een grote strijklengte van de wind over uiterwaard of rivier aanzienlij ke golfaanval op kan treden, of aantasting door ijsgang of drijvend vuil.

  Met name voor het taludgedeelte juist rond het niveau van een zomerkade die v66r de dijk in de uiterwaard ligt, blijkt in de praktijk een taludverdediging nodig.

  Ook op plaatsen waar een grasmat niet goed tot ontwikkeling kan komen, zoals op steile taluds onder bruggen, dient een taludbescherming te worden aangebracht.

  Op dit moment is nog onvoldoende bekend over de erosiebestendigheid van een goede grasmat op klei in re latie tot de aanval door stroom en golven, om scherp aan te kunnen geven waar een taludverdediging we! of niet nodig is. Het verdient aanbeveling de plaatselijk opgedane ervaring zwaar te laten meewegen.

  Mede gelet op de kosten kan overwogen worden, alleen een bekleding aan te brengen onder een waterstandsniveau met een overschrijdingsfrequentie van 11100 per jaar. Boven dit niveau is de belastingduur meestal kort en de frequentie laag. Bovendien is dit gedeelte vanaf de kruin bereikbaar voor eventuele noodmaatregelen (par. 3.6.3).

  Met nadruk wordt er op gewezen dat bij het ontwerp voldoende aandacht moet worden besteed aan de overgangsconstructie van de harde bekleding naar de grasmat. Essen­ tieel voor alle harde bekledingen is een goede opsluiting, zowel aan de teen als aan de bovenzijde en ter weerszijden.

  Verscheidene materialen, zoals natuursteen, beton, bitumineuze mengsels en kunst­ stofweefsels worden in taludverdedigingen toegepast. Voor de specifieke materiaal­ eisen wordt verwezen naar normbladen en voorschriften.

  Voor het goed functioneren van de taludverdediging is het noodzakelijk dat de vervor­

  mingscapaciteit van de constructie zo groot is dat zakkingen door zetting en klink zon­ der schade gevolgd kunnen worden. Tevens moet de constructie, zowel in haar geheel

  158

  als in onderdelen, stabiel zijn bij de maatgevend gestelde omstandigheden (par. 11.6 en 11.7).

  In het volgende wordt nader ingegaan op verschillende soorten gesloten en open bekle­

  dingen. Voor asfalttoepassing en cementbetonnen bekledingen wordt ook verwezen naar de betreffende leidraden van de Technische Adviescommissie voor de Waterkerin­ gen (lit. 11 en 12).

  1. 1. 1. 1. Gesloten bekledingen

              Gesloten bekledingen zijn monoliet-constructies, die doorgaans in het werk gemaakt worden. Geschikte materialen hiervoor zijn bitumineuze mengsels en, in mindere ma­ te, beton.

              1. Bitumineuze gesloten bekledingen

                 Deze bestaan uit mengsels van bitumen en mioerale delen, die kunnen varieren van zogenaamde overvulde mengsels tot juist gevulde mengsels.

                 Bij overvulde mengsels domineren de mechanische eigenschappen van het bitu­ men. Dit geeft het mengsel een zeer plastisch gedrag. Overvulde mengsels zijn bij­ voorbeeld asfaltmastiek, gietasfalt en penetratiemengsels.

                 Bij juist gevulde mengsels worden de mechanische eigenschappen zowel door het bitumen als door het minerale korrelskelet bepaald. Voorbeelden vanjuist gevulde mengsels zijn asfaltbeton en steenasfalt.

                 Bij rivierdijken zijn tot nu toe niet veel bitumineuze gesloten bekledingen toegepast,

                 zodat hiermee niet veel ervaring is opgedaan.

                 Voor de bescherming van taluds van rivierdijken wordt een minimum laagdikte van 0, 10 m aanbevolen voor die gedeelten waar wateroverdrukken geen grotere dikten noodzakelijk maken.

                 Bij steile taluds moeten gemakkelijk verdichtbare mengsels worden toegepast.

              2. Betonplaten

              Betonplaten zijn kort na 1945 veel toegepast om op beschadigde dijkvakken zo snel mogelijk met voorhanden materiaal het achterstallige onderhoud aan te pakken. Ze

              werden in het werk gestort, en zijn ongeveer 5 m lang. De aanlegkosten zijn hoog, maar de constructie blijkt duurzaam te zijn, mits goed aangelegd. Een nadeel van zulke platen is, dat ongelijke zakkingen van de ondergrond niet gevolgd kunnen war­ den. Dit kan aanleiding geven tot holtevorming onder de platen, mogelij k resulte­ rend in breuk.

              Orn deze reden lijkt een bekleding met betonplaten alleen toepasbaar op geconsoli­

              deerde en gezette dijklichamen, en zeker niet op vers opgeworpen dijken.

           2. Open bekledingen

  Open bekledingen kunnen bestaan uit gestorte ofgezette losse elementen, ofuit door­ latende monoliet-constructies. Gestorte bekledingen kunnen zakkingen goed volgen.

  159

  Bij gezette bekledingen daarentegen bestaat de mogelijkheid dat de bekleding grotere zakkingen slechts gedeeltelijk kan volgen, vanwege gewelfwerking tussen de losse ele­ menten; ongewenste holtevorming onder de bekleding is hiervan het gevolg.

  Voor bekledingen op rivierdij ken word en meestal elementen met een constructiehoog­ te van 0, 10 a 0,30 m toegepast. Om uitspoeling van gronddeeltjes tegen te gaan, word en

  de losse elementen meestal op een filterlaag aangebracht. Tegenwoordig wordt de fil­ terlaag ook wel geheel of gedeeltelijk vervangen door kunststofweefsels.

  Een aparte vorm van open bekleding is een waterdoorlatende bitumineuze monoliet­ constructie.

  Op een aantal bij rivierdij ken toepas bare open constructies wordt in het volgende nader ingegaan.

  1. Gezette bekledingen

     Voorbeelden van deze constructies zijn glooiingen van basaltzuilen, betonzuilen, rechthoekige betonblokken en klinkerkeien.

     De bekleding met basaltzuilen werd in het verleden veel toegepast, nu echter veel minder. De aanleg is namelij k erg arbeidsintensief en kostbaar. De constructie wordt vaak op een laag geklopt puin gezet, die het zetwerk vereenvoudigt en tevens als filterlaag dienst doet.

     Veel basalt uit bestaande glooiingen blijkt niet geschikt voor hergebruik, vanwege zonnebrand.

     Ter vervanging van basalt worden tegenwoordig steeds meer betonzuilen met de vorm en afmetingen van basaltzuilen toegepast. Door het fabriekmatige productie­ proces is de maatvoering van de zuilen goed beheersbaar. De ervaringen met beton­ zuilen zijn tot nu toe gunstig. Een betonzuilenglooiing wordt doorgaans op een grindbed gezet. Een laag geklopt puin is echter ook mogelijk.

     Evenals bij een glooiing van basaltzuilen is de aanleg van een betonzuilenglooiing tamelijk arbeidsintensief, en dus duur.

     Rechthoekige ofvierkante betonblokken vormen in theorie een open glooiing, van­ wege de naden tussen de blokken. In de praktijk blijkt echter dikwijls dat die dicht­ slibben. Om wateroverdrukken onder de stenen te beperken worden er we! stenen met drainagegaten of afgeschuinde hoeken toegepast. Wei dienen hierbij voorzie­ ningen aangebracht te worden om uitspoeling van grond te voorkomen.

     Ter beperking van golfoploop worden ook wel blokken met een golfremmend op­ pervlak gebruikt.

     Een betonblokkenglooiing is duurzaam, maar tamelijk arbeidsintensief en kostbaar als hij met de hand gezet wordt. De blokken kunnen ook gemechaniseerd worden aangebracht; dit geeft een aanzienlijke besparing in tijd en geld.

     Een bekleding van klinkerkeien is in het verleden veel toegepast. Dikwijls werden hiervoor klinkers gebruikt die op grond van maatafwijkingen waren afgekeurd voor normale toepassing. De klinkers werden koud op de klei gestraat met ruime voegen,

     160

     en ingeveegd met teelaarde en graszaad. De sterkte wordt mede ontleend aan de wortels van het gras dat in de voegen groeit.

     Door een steeds betere procesbeheersing in de baksteenindustrie neemt het af­

     keuringspercentage voor klinkers af. Mede hierdoor vindt deze constructie niet veel toepassing meer.

     De laatste jaren is een taludverdediging van grasbetontegels in zwang geraakt, voor

     .situaties waar een grasmat te licht en een gezette of gestorte bekleding te zwaar wordt geacht. Oak warden zulke tegels we! gebruikt als overgangsconstructie van een harde bekleding naar een grasmat.

     Grasbetontegels hebben afmetingen van 0,40 x 0,40 m of0,40 x 0,60 m, met ronde

     of rechthoekige gaten en een geprofileerd oppervlak. De dikte varieert van 0;09 tot 0,15 m.

     In de met grand gevulde gaten en groeven groeit gras. Een pore us oppervlak van de

     tegel verdient de voorkeur, omdat graswortels zich daar beter op vasthechten. Grasbetontegels warden meestal direct op klei geplaatst. Sams wordt onder de tegels een open kunststofweefsel aangebracht.

     Er is nag weinig ervaring met grasbetontegels, maar tot nu toe is die redelij k gunstig.

     Voldoende inzicht in het functioneren van de bekleding ontbreekt echter nag. Verwacht wordt dat grasbetontegels, ook als het gras uit de gaten mocht zijn ge­ spoeld, in staat·zijn om doorgaande erosie van de onderliggende kleigrond te voor­ komen. Filterdoek onder tegels kan in dit verband oak gunstig werken.

  2. Gestorte bekledingen

     Gestorte bekledingen moeten zo zijn opgebouwd dat er:

     • geen stenen warden weggevoerd door stroming en golven,

     • geen materiaal uit de ondergrond wordt uitgespoeld.

       De stenen in de bovenlaag dienen voldoende zwaar te zijn (par. 11.7). Afhankelijk van de san:ienstelling van de toplaag en de ondergrond warden 1 a 2 tus­

       senlagen gebruikt.

       Bestortingsmateriaal wordt in drie sorteringen onderscheiden:

     • fijn bestortingsmateriaal met een diameter van 0,06 a 0,25 m,

     • lichte stortsteen met een stukgewicht van 10 a 80 kg,

     • zware stortsteen met een stukgewicht van 80 a 200 kg.

  Door de bovenste laag stortsteen min of meer te zetten, kan men een vergroting van de steenstabiliteit verkrijgen. Wei wordt de totale constructie hierdoor bij een lokale beschadiging meer kwetsbaar. Als een laag stortsteen onvoldoende stabiliteit bezit, kan daar ook verbetering in warden gebracht door een patroonpenetratie met een overvuld bitumineus mengsel (par. 12.1.6.1). Men moet echter voorkomen dater een gesloten bekleding ontstaat.

  161

  Uitspoeling van deeltjes uit de ondergrond kan worden voorkomen door toepassing van een filterconstructie (par.12.1.7).

  1. Kunststofweefsels met ballast

     Tegenwoordig worden ook kunststofweefsels als taludbescherming toegepast, met als ballast een losse bestorting of op het doek bevestigde betonblokjes of grind­ worsten.

     In feite zijn dit gestorte of gezette steenbekledingen waarbij de onderste filterlaag vervangen is door een filterweefsel.

     In de praktijk is gebleken dat steen met een stukgewicht van 10 a 80 kg direct op de

     mat kan worden aangebracht. Bij zwaardere steen is een tussenlaag noodzakelijk om beschadiging van het weefsel te voorkomen. Belangrijk is dat het weefsel gelijkmatig op de ondergrond gedrukt moet worden, om beweging van gronddeeltjes te voor­ komen.

     In Nederland worden hoofdzakelijk polypropyleen weefsels toegepast, die in 3 groe­

     pen te onderscheiden zijn.

     Lichte weefsels (0,120 a 0,150 kg/m2) worden toegepast op het bovenwatergedeelte

     van een taludverdediging. Ze zijn niet bestand tegen grote belastingen. Om bescha­ diging te voorkomen wordt wel een rietmat op het weefsel aangebracht.

     Middelzware weefsels (0,300 a 0,400 kg/m2) worden toegepast op die plaatsen waar­

     bij kans op beschadiging aanwezig is, bijvoorbeeld door zettingen.

     Zware weefsels (0,500 a 0,750 kg/m2) worden toegepast voor het onderwatergedeelte

     van een taludverdediging.

     Bij kunststofweefsels met vaste ballast in de vorm van betonblokjes vraagt de be­ vestiging van deze blokjes aan het doek de nodige aandacht. Ervaringen met op het doek gelijmde blokken, dus zonder pen, kram of beugel, zijn niet erg gunstig. Belangrijk is dat deze constructies op een vlakke ondergrond gelegd wordt. De over­ gangen tussen de matten vereisen extra aandacht.

     Een voordeel van kunststofweefsels met vaste ballast is dat ze op steile taluds kun­ nen worden toegepast.

  2. Bitumineuze open constructies

  Dit zijn monoliet-constructies, die in het werk gemaakt worden. Het aan te brengen materiaal bestaat uit een mineraal korrelskelet met slechts een beperkte hoeveel­ heid bitumen; het is dus een ondervuld mengsel. Voorbeelden van zo'n constructie zijn open steenasfalt en zandasfalt.

  Open steenasfalt bestaat uit gebroken kalksteen of grind, ornhuld door een dik mastiekhuidje.

  Op deze manier ontstaat een zeer doorlatend mengsel, dat toch flexibel en duurzaam is vanwege de relatief dikke coating rond de steendelen.

  Bij rivierdij ken is nog weinig ervaring met open steenasfalt. Als proef is bet onder andere toegepast in een kribvak van de IJssel.

  Zandasfalt is een schraal mengsel van zand en bitumen, met slechts een geringe 162

  samenhang tussen de zandkorrels. Het wordt na het aanbrengen niet machinaal ver­ dicht. Op taluds kan zandasfalt nog verwerkt worden bij een helling van ongeveer 1:3.

  Zandasfalt wordt wel toegepast als filterconstructie. Door de geringe samenhang is

  zandasfalt niet goed bestand tegen golf- en stroomaanval. Daarom wordt er dikwijls een beschermende toplaag van open steenasfalt op aangebracht. Ook met een door het zandasfalt heen groeiende grasmat blijkt zandasfalt redelijk erosiebestendig. Ervaringen met zandasfalt in de hier beschreven toepassingen zijn tot nu toe gunstig.

  1. 1. 1. Drainages enfilterconstructies

           Deze constructies worden bij waterkeringen toegepast om:

• hinder of gevaar door hoge grondwaterstanden en kwelwater te voorkomen,

• een beheerste uitstroming van kwelwater te bewerkstelligen, zonder uitspoeling van gronddeeltj es.

Gedacht kan hierbij worden aan drainages rondom bebouwing en onder wegen op een binnendijkse berm of op het maaiveld, en aan filterconstructies in taluds bij uittre­ dend water, en onder open bekledingen.

Een belangrijke toepassing van drainage is de verlaging van waterspanningen in dijk­ lichaam en ondergrond. Hiervan kan gebruik gemaakt worden als er bij het optredende waterspanningsbeeld geen voldoende stabiel dijkontwerp mogelijk is, en er ..oor verzwaring van het profiel ook geen mogelijkheden aanwezig zijn. De stabiliteit van de dijk, en dus ook de veiligheid, is dan uiteraard in sterke mate afhankelijk van het goed functioneren van de drainageconstructie. Ook op de lange termijn is een goede werking van de drainage daarom noodzakelijk. Om dit te kunnen garanderen dienen aan drainageconstructies eisen te worden gesteld met betrekking tot stabiliteit en doorlatendheid. Daarnaast blijven echter ook controle en onderhoud van groot belang. Men moet niet al te gauw/overgaan tot het toepassen van drainageconstructies, niet alleen vanwege de vereiste zorg gedurende de hele levensduur, maar ook omdat de controle dikwijls moeilijk effectief is uit te voeren.

De staoiliteit ten aanzien van afschuiven en opdrijven moet verzekerd zijn, zowel voor de filterconstru tie als geheel als voor onderdelen ervan. Het verdient aanbeveling hier­ bij een ruime veiligheidsmarge te hanteren.

Uitspoeling van korrels uit het te draineren grondlichaam ofuit de drainageconstructie zelf mag niet plaatsvinden. Daartoe biedt een laagsgewij s opgebouwde filterconstructie met verschillende korrelgradaties een oplossing. De gradatie moet voldoen aan de eis dat korrels uit de ene laag niet door de porien tuss.en de korrels van de volgende laag heen kunnen worden uitgespoeld.

163

De doorlatendheid van de drainageconstructie moet uiteraard groter zijn dan de door­ latendheid van de te draineren grond. Dit geldt ook voor de verschillende lagen onder­ ling in een gegradeerd filter.

Deze eisen ten aanzien van stabiliteit en doorlatendheid zijn vastgelegd in zogenaamde filterregels.

Het meest bekend en meest toegepast is de empirische filterregel van Terzaghi:

4

Dis Dis

dg5 < <d;;

Hierin is:

D15: de korreldiameter van het grove materiaal, waarbij 15 gewichtsprocent van de deeltjes van het monster een kleinere diameter heeft.

d 15resp. d85 : de korreldiameter van het fijne materiaal waarbij 15 resp. 85 gewichts­ procent van de deeltjes van het monster een kleinere diameter heeft.

Tevens geldt bij de filterregel van Terzaghi, dat de zeefkrommen van het grovere en fijnere materiaal ongeveer parallel moeten verlopen.

Een drainageconstructie kan uit meer dan twee lagen iijn opgebouwd. Voor twee opeenvolgende lagen moet dan de filterregel gelden.

Voor de minimaal benodigde dikte van de verschillende lagen wordt aanbevolen een maat van 2 a 3 maal d85van de betreffende laag aan te houden. Wei dienen de laagdikten

in de praktijk bij de uitvoering goed realiseerbaar te zijn. Meer inforrnatie over granulai­ re filters is te vinden in lit. 26.

In het algemeen wordt voor drainageconstructies bij rivierdijken gebruik gemaakt van grof rivierzand, kif, grind en gebroken puin of steenslag.

Ter vervanging van een laag filterrnateriaal kan een filterdoek van kunststofweefsel worden toegepast. Dit doek is in diverse soorten, sterkten en zanddichtheden te verkrij­ gen.

Voor meer inforrnatie over kunststoffilters wordt verwezen naar bijvoorbeeld lit. 27 en

40.

Bij het ontwerp dient ook voldoende aandacht besteed te worden aan een goede afvoer van het water uit de drainageconstructie. Vaak zal dit langs of over het oppervlak van de drainageconstructie kunnen, bijvoorbeeld in een molgoot.

Een andere mogelijkheid is afvoer door drainagebuizen die in de filterconstructie zijn

aangebracht. Deze constructie blijkt echter kwetsbaar. Daarnaast is regelmatig onder­ houd in de vorrn van doorspoeling van het buizenstelsel nodig, om verstopping door aangroei en dichtslibbing te voorkomen.

De controle op de goede werking van een filterconstructie vraagt de nodige voorzienin­

gen en is dan vaak nog niet eenvoudig. In een aantal gevallen is een eenvoudige controle

164

mogelijk met behulp van peilbuizen in de dijk of de ondergrond. Afvoermeting van het kwelwater geeft een indicatie over de afvoercapaciteit van het filter.

Van de tot nu toe toegepaste drainageconstructies bestaat het grootste deel uit zoge­ naamde teen- oftaluddrainages. Drainagesystemen voor het verlagen van de grondwa­ terpotentiaal in het zandpakket onder de dijk zijn tot op heden maar zeer incidenteel toegepast. Men heeft er dus nog maar weinig ervaring mee. Het verdient aanbeveling om de nodige voorzichtigheid in acht te nemen bij het toepassen van zulke drainage­ systemen.

Ook moet erop gewezen worden dat het waterbezwaar door kwel bij drainage van de zandondergrond aanzienlijk toe kan nemen.

1. 1. 1. Damwanden, keermuren, kistdammen en dijkmuurtjes

         Als er te weinig ruimte is voor aanleg of verzwaring van een waterkerend grondlichaam, kan in bepaalde situaties gebruik worden gemaakt van een grondkerende constructie, zoals een damwand of keermuur, om het ruimtebeslag te beperken.

         Belangrijk is hierbij de plaats van de grondkerende constructie in de waterkering. Voor damwanden en keermuren aan de waterkerende zijde van de dijk geldt, dat de maatge­ vende ontwerpbelasting door grond- en waterdrukken optreedt bij lage buitenwater­ standen. :. ·

         Bij toepassing aan de binnenzijde doet de maatgevende belastingstoestand zich voor bij hoge buitenwaterstanden. Dan wordt de veiligheid van de waterkering als geheel in be­ langrijke mate bepaald door het al dan niet goed functioneren van de damwand ofkeer­ muur. Toepassing van deze constructies aan de waterkerende zijde van de dijk heeft dus de voorkeur.

         Bij het ontwerp en de berekening van uit damwand of keermuur en grondlichaam sa­ mengestelde waterkeringen moet voldoende aandacht besteed worden aan de onderlin­ ge stijfheidsverhoudingen. De gronddrukken op de constructie die in de berekening worden ingevoerd, moeten in overeenstemming zijn met de optredende vervormingen. Kennis van het spannings-vervormingsgedrag van grond is hierbij dus erg belangrijk. ·

         Kistdammen zijn grondlichamen tussen twee aan elkaar verankerde damwanden. Over het algemeen worden ze toegepast als tijdelijke, vervangende waterkering, zoals wan­ neer in een bestaande hoofdwaterkering een gemaal, sluis of duiker moet worden ge­ bouwd of gerenoveerd.

         De stabiliteit wordt in belangrijke mate bepaald door de interactie tussen damwand en

         grondlichaam. De berekening van kistdammen is gecompliceerd, en dient daarom door specialisten te worden uitgevoerd.

         Een aanzienlijke vergroting van de stabiliteit van een kistdam kan verkregen worden · door de waterspanningen in de kistdam bij hoge buitenwaterstanden laag te houden door een drainagesysteem.

         165

         Voor permanente oplossingen kunnen alleen kleine opkistingen worden toegestaan, uitsluitend ter realisering of vergroting van de waakhoogte van een waterkering.

         Dij kmuurtjes zij n in het verleden vooral op zeedijken toegepast, maar ook wel op rivier­ dijken.

         Als permanent kerend onderdeel op de kruin van de dijk zijn dijkmuurtjes ongeschikt, onder andere wegens hun kwetsbaarheid en het gevaar van onderloopsheid. Een dijk­ muurtje mag alleen worden toegepast om voldoende waakhoogte ten aanzien van golf­ oploop en -overslag te verkrijgen.

         Voor meer informatie over ontwerp, beheer en onderhoud en over de voor- en nadelen van damwanden, keermuren, kistdammen en dijkmuurtjes wordt verwezen naar de be­ treffende leidraad van de Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen (lit. 8). In bijzondere gevallen, zoals bij oude stadsmuren, kunnen geen algemene regels wor­ den gegeven; van geval tot geval zal moeten worden nagegaan Of en hoe op een verant­ woorde wijze de waterkerende functie kan worden gerealiseerd.