Grondwaterstroming bij rivierdijken - Waterspanningen en styghoogten

• 1. 1. Er zit nog een ander aspect aan de capillaire opstijging. Door de negatieve waterspan­ ningen, dat wil zeggen een onderdruk ten opzichte van de atmosferische druk, nemen de korrelspanningen in de capillaire zone toe (figuur 10.2). Dit aspect kan een belangrij­ ke ral spelen bij de draagkracht van de grand, met name ten aanzien van de stabiliteit van taluds en de begaanbaarheid van binnendijkse bermen en de kruin van de dijk. Een aanzienlijke vergroting van de schuifureerstand van de grand is te bewerkstelligen door de freatische lijn in de dijk middels een drainageconstructie Jaag te houden, met als gevolg een capillaire korrelspanningsverhoging in de grand.

        Wat betreft de begaanbaarheid, bepaald door de korrelspanningen a' direct onder het maaiveld, spreekt figuur 10.3 voor zich. De graotste draagkracht van het maaiveld is aanwezig in het geval van capillaire opstijging.

        

        figuur I0.3

     2. Stroming bij /aagscheidingen

De straming bij grandlagen van verschillende doorlatendheid wordt gekenmerkt door breking van de straomlijnen. De relatie tussen de invalshoek a2en de brekingshoek a 1wordt gegeven door:

(figuur 10.4)

Voor de graotte van de filtersnelheden geldt:

Afhankelijk van de doorlatendheidsverhouding treedt er bij een laagscheiding dus een abrupte wijziging op in de straomrichting.

Als voorbeeld nemen we een kleilaag - laag 1- op een zandlaag - laag 2 - met een door-

105

figuur 10.4

latendheidsverhouding k2/k 1= 104 ; bij een vrijwel verticaal gerichte stroming door de kleilaag - bijvoorbeeld a 1=1° volgt dan een vrijwel horizontale stroming in de zand­ laag: a2= 89° 40'.

1. 1. 1. Stationaire stroming bij isotrope en anisotrope doorlatendheid

         Men spreekt van isotrope doorlatendheid als de doorlatendheid van de grond onafhan­ kelijk is van de richting. Stationaire stroming bij een isotrope doorlatendheid wordt in algemene zin beschreven door de vergelijking van Laplace:

         (par. 10.2.1)

         Deze vergelijking beschrijft bij twee-dimensionale stroming een potentiaalstroming met de eigenschap dat stroomlijnen en equipotentiaallijnen elkaar loodrecht snijden. Het stelsel van stroom- en potentiaallijnen vormt een net van elementaire vierkanten. Van deze eigenschap kan met vrucht gebruik worden gemaakt bij het globaal schetsen van een stroombeeld (par. 10.2.5).

         Door laagsgewijze afzettingen, stuwwallen en structuurvorming zullen er dikwijls ver­ schillen in doorlatendheid van de grond zijn, afhankelijk van de richting. Er is dan sprake van anisotropie. Bij anisotrope doorlatendheid met doorlatendheden kx, k,. en kz in x-, y- en z-richting wordt de stroming beschreven door:

         ( par. 10.2.1)

         Na een geometrische transformatie van de situatie in (x, y, z) volgens:

         

         is het duidelijk dat de nieuwe situatie in (x, y, z) beschreven wordt door de vergelij­ king van Laplace.

         In de (x, y, Z)-situatie staan de stroomlijnen en potentiaallijnen loodrecht op elkaar. Transformatie naar de oorspronkelijke situatie leidt er toe, dat stroomlijnen en poten­

         tiaallijnen elkaar in het algemeen niet meer loodrecht snijden. Het stroombeeld wordt vertrokken, waarbij de elementaire vierkanten overgaan in elementaire parallellogram­ men. Ter illustratie wordt dit toegelicht in figuur 10.5, waar de transformatie is uitge­

         voerd met:

         

      2. Hydraulische grondbreuk en grenspotentiaal

Hydraulische grondbreuk treedt op als de waterdruk in de bodem gelijk wordt aan het gewicht van het bovenliggende grondpakket.

Dit kan een inleiding zijn tot het ontstaan van zandmeevoerende wellen, waarover el­ ders meer (par. 11.5).

Hydraulische grondbreuk zal bij rivierdijken onder ontwerpomstandigheden - maar ook bij lagere watersianden - op veel plaatsen voor kunnen komen.

Het belang van hydraulische grondbreuk voor grondwaterstromingsmodellen ligt hier­ in, dat de waterdruk, vanwege het noodzakelijke verticale evenwicht, nergens groter kan worden dan het gewicht van de bovenliggende grond.

Dit verschij nsel betekent dus een extra raridvoorwaarde, en dient daarom voor een goe­

de weergave van een stromingsbeeld in principe in alle modellen te worden meegeno­ men. Met name voor de stijghoogten in een watervoerend zandpakket onder een afslui­ tende kleilaag binnendijks kan dit een aanzienlijke reductie van de (berekende) stijghoogte betekenen, en dus ook van de waterspanning onder de dijk.

In dergelijke gevallen wordt we! gesproken van het optreden van een grenspotentiaal

tpgrens - de term 'grensstijghoogte' is eigenlijkjuister. Aangenomen moet worden dat de doorlatendheid van de kleilaag zich in zo'n geval door. expansie en scheurvorming

107

zo aanpast, dat door een toegenomen kwel de waterdruk onder de kleilaag in ieder geval niet hoger wordt dan het gerniddelde gewicht van de laag.