Het gebruik van peilbuiswaarnemingen - Bijlage 2 p3

De bescherming van het Nederlandse laagland wordt gerealiseerd door een uitgebreid netwerk van dijken langs rivieren, kanalen en kusten.

Voor het keren van hoge waterstanden, die optreden als gevolg van regenwater- en smeltwaterafvoer over rivieren en als gevolg van stormvloed in kustgebieden, moeten de dijken en dammen verstevigd en op hoogte gehouden worden.

Voor het keren van met hoogwater samenhangende stroming door de ondergrond is de geologiscbe gelaagdheid, de doorlatendheid en het bergend vermogen bepalend. In Nederland wordt de geolo­gie gekenmerkt door een relatief ondoorlatende en samendruk­bare toplaag (Holoceen) en eronder een relatief doorlatend en onsamendrukbaar zandpakket (Pleistoceen): het Hollandse pro­fiel (zie figuur 2B.1). Soms zijn ook diepere watervoerende lagen van invloed op het stromingsbeeld.

Voor het beoordelen van de stabiliteit van de waterkering met betrekking tot onderstroming (diepe kwel) en de daarmee samen­hangende grondmechanische stabiliteit van dijkconstructies, is inzicht in de grondwaterstroming essentieel. Men pleegt dit inzicht te verkrijgen door het observeren van grondwaterdrukken tijdens hoogwater met behulp van stijghoogtemetingen in peilbuizen, daartoe geplaatst tot in het Pleistoceen (zandpak­ket). In de geohydrologische literatuur is veel over stijghoogtemetingen geschreven. Veel minder is bekend over de bijwerking van grondmechanische eigenschappen van grond, met name het Holoceen, op peilbuiswaarnemingen.

Deze bijwerking vloeit voort uit het deformatiegedrag van grond (volumeveranderingen) in samenhang met de door de grond­waterstroming teweeg gebrachte waterdrukveranderingen: het consolidatie-proces.

Vanwege dit proces dient een ander mechanisme te worden be­schouwd voor de interpretatie van peilbuiswaarnemingen dan louter de stromingsweerstand (wet van Darcy). Dit heeft gevol­gen voor de uit waarnemingen gekalibreerde geohydrologische parameterwaarden, met name voor de zogeheten lekfactor (Ba­rends e.a., 1987].

Het proces van voortplanting van waterspanningen onder een dijk naar het achterland vertoont gelijkenis met de versprei­ding van warmte. Er is sprake van bergingscapaciteit, die de respons dempt en vertraagt. In principe zijn er bij grondwa­terstroming drie typen berging te onderscheiden: freatische berging, consolidatie van klei en compactie van zand. In de huidige toepassing wordt soms alleen rekening gehouden met het laatste mechanisme. Dit is niet juist. Ieder van de genoemde mechanismen heeft een eigen tijdschaal en een eigen karakte­ristiek. Dit houdt in dat een specifiek mechanisme dominant is voor een specifieke variatie in de waterstand van de rivier. Hierbij speelt de geohydrologische samenhang een belangrijke rol. Bij fluctuaties die worden gekenmerkt door getijden, stormopzet en hoogwatergolf blijkt de consolidatie in de toplaag soms van overheersende invloed.

Als de dijk deels uit zand bestaat, is bovendien de freatische berging belangrijk. Met deze wetenschap is een hanteerbaar model opgesteld om peilbuiswaarnemingen op goede wijze te interpreteren. Het model is gebaseerd op de methode van de transiënte lekfactor, die is ontwikkeld door Barends [1982].

Peilbuiswaarnemingen geven stijghoogte fluctuaties weer in het zandpakket onder waterkerende constructies en zij vormen een belangrijke bron van informatie voor het verkrijgen van in­zicht in de grondwaterstroming in samenhang met veranderingen van de buitenwaterstand. De daarbij optredende waterspanningen zijn essentieel voor de berekening van de grondmechanische standzekerheid van de waterkering. In principe kan via extra­polatie van het verband tussen buitenwaterstand en gemeten stijghoogte in een peilbuis, gemeten bij normale omstandighe­den, de stijghoogte in het hele zandpakket worden vastgesteld onder maatgevende omstandigheden.

Vanwege de tijdelijke duur van het hoogwater, het onderlopen van voorland gedurende hoogwater, of het optreden van een grenspotentiaal (potentiaal begrensd door gewicht van het bovenliggende grondlagenpakket), kan de werkelijke stijghoogte bij extreme omstandigheden in belangrijke mate afwijken van de geëxtrapoleerde waarde. In het vervolg wordt uiteengezet hoe hiermee rekening kan worden gehouden en welke hulpmiddelen hierbij beschikbaar zijn. Hierbij wordt onderscheid gemaakt in het benedenrivierengebied en het bovenrivierengebied. Tevens wordt ingegaan op bijzondere aspecten en effecten.

Peilbuiswaarnemingen in het benedenrivierengebied (getijde)

In de Leidraad Benedenrivieren is beschreven hoe peilbuisme­tingen kunnen worden geïnterpreteerd voor stationaire situa­ties en voor cyclische waterstandsfluctuaties (getijde-effec­ten, 13-uursmetingen). Hier volgt een korte samenvatting.

Voor de bepaling van de stationaire situatie (gemiddelde buitenwaterstand versus gemiddelde polderstand of gemiddelde potentiaal en buitenwaterstand over een periode die relatief lang is ten opzichte van de hydrodynamische periode van het Holoceen) kan gebruik gemaakt worden van de methode overeenkomstig de Leidraad Bovenrivieren. Metingen worden gewoonlijk uitgevoerd aan de hand van tenminste twee peilbuizen geplaatst in een raai loodrecht op de dijkas.

De karakteristieke parameter voor het Hollandse profiel (fi­guur 2B.1) is dan de zogeheten lekfactor λ, die wordt bepaald volgens:

De belasting, de buitenwaterstand, is een gegeven stijghoogte. De plaats, waar die in het watervoerend zandpakket moet worden aangenomen, hangt samen met de intreeweerstand (slibbodem in de rivier), die gewoonlijk niet bekend is. Door minimaal twee peilbuizen te gebruiken kan een fictief intreepunt worden vastgesteld, zoals in figuur 2B.2 is aangegeven.

De lekfactor λ hangt samen met de geohydrolo­gische materiaaleigenschappen. Voor het Hollandse profiel geldt:

waarin:
K = doorlatendheid van het Pleistoceen
D = dikte van het Pleistoceen
K' = doorlatendheid van het Holoceen
D' = dikte van het Holoceen

In principe kan λ ook worden bepaald uit boringen en laborato­riumproeven. Vanwege heterogeniteit, met name het Holoceen, is het bepalen van een gemiddelde (effectieve) doorlatendheid op basis van laboratoriumproeven niet altijd mogelijk. Met peil­buiswaarnemingen kan de lekfactor λ direct worden vastgesteld. Automatisch is daarin de heterogeniteit verdisconteerd.

De maatgevende situatie kan vervolgens worden vastgesteld door uitgaande van de ontwerphoogwaterstand H met de berekende λ-waarde de corresponderende stijghoogte te berekenen:

Φ(x) = H exp [-x/λ]

Waarbij x wordt gemeten vanaf het fictieve intreepunt. Vervol­gens kan worden nagegaan of er sprake is van een grenspotenti­aal in het achterland. Zo ja, dan kan hiermee rekening worden gehouden door gebruik te maken van een analytische methode (zie hoofdstuk 2.D) of van een numeriek grondwatermodel, waarvoor dan wel de specifieke geohydrologische materiaaleigenschappen nodig zijn. Die kunnen geijkt worden aan de hand van de peilbuismetingen.

Voor de bepaling van niet-stationaire situatie (getijde fluc­tuaties) bij getijde rivieren kan gebruik worden gemaakt van de methode van de zogeheten cyclische lekfactor λ_ω , welke is beschreven in de Leidraad Benedenrivierengebied.

De methode is gebaseerd op peilbuiswaarnemingen gedurende een etmaal plus een uur (13-uurs meting). Een voorbeeld van dergelijke metingen is gegeven in figuur 2B.3, waarin een peilbuis­meting is uitgezet tegen de getijde-variatie van de buitenwa­terstand. Hoe van deze meting zinvol gebruik kan worden ge­maakt, wordt vervolgens uiteengezet.

De methode en de toepassing ervan voor verschillende situaties is uitgewerkt (Barends e.a., 1988). Voor het Hollandse profiel geldt:

Door gebruik te maken van meerdere peilbuizen in een raai kan het fictieve intreepunt worden vastgesteld (zie figuur 2B.2): het intreepunt is nu echter afhankelijk van de frequentie ω (getijde). In figuur 2B.4 is aangegeven hoe het verband tussen twee peilbuismetingen er theoretisch uitziet. De stand en vorm van de theoretische ellips, die wordt verkregen door twee peilbuismetingen tegen elkaar uit te zetten, kunnen worden vastgelegd in de hoek θ en de ovaliteit m = B/A (zie figuur 2B.4).
Een tijdsafhankelijke relatie tussen de twee peilbuiswaarne­mingen kan worden weergegeven met de formule:

Hierin is exp[-x/λ_ω] de amplitude demping en ψ de faseverschui­ving. Er is een eenduidig verband tussen de ellips en de formule, namelijk:

Als de ellips erg smal is, geldt m << 1. In dat geval gaan bovenstaande relaties over in:

Aangezien tgθ gelijk is aan   komt deze formule overeen met de eerdere uitdrukkingen van λ_ω . Door gebruik te maken van de vorm en stand van de theoretische ellips, zijn betere schattingen voor λ_ω en ψ te geven. De werkelijke vorm wijkt meestal nogal af van een ellips (niet-lineaire effecten), zie figuur 2B.3. De afwijking is des te groter, naarmate het sig­naal minder overeenkomt met een sinusvorm.

Gebleken is dat er steeds verder van de rivier meer amplitude­demping en vertraging (faseverschuiving) optreedt. De amplitu­dedemping is bruikbaar, de faseverschuiving niet, omdat daarin meestal een voorijlingseffect zit. In figuur 2B.4 is tevens aangegeven, dat er door rekening te houden met de belastingduur in de extrapolatie uitgekiender kan worden ontworpen.

Soms is er sprake van luchtinsluitingen (vollopen van het voorland). Het effect ervan kan worden aangegeven. De ellips verschuift en de schuine stand wijzigt (meer amplitudedemping en afname van de absolute waarden van de stijghoogten in het achterland). De verschuiving hangt samen met de verhouding tussen de samendrukbaarheid van het water-luchtmengsel (nβ) en de samendrukbaarheid van de grond (α). De amplitudedemping hangt samen met de som van beide: nβ + α. Tegelijkertijd zal de faseverschuiving toenemen, hetgeen leidt tot een dikkere ellips.

Als een stormopzet of een hoogwatergolf een cyclisch gedrag vertoont, bijvoorbeeld een halve sinus, kan ook van de methode van de cyclische lekfactor gebruik worden gemaakt. Ook super­positie van verschillende cyclische componenten (ieder met een specifieke frequentie) is mogelijk, maar er dient dan een schaalregel in de tijd te worden toegepast. Die schaalregel is gebaseerd op het feit dat   dat een materiaalconstante is, onafhankelijk van de tijd (frequentie). De maatgevende situatie kan vervolgens worden vastgesteld door uitgaande van de ontwerpwaterstand en de duur ervan met de berekende λ_ω-waarde de corresponderende stijghoogte te berekenen.
Voor het Hollandse profiel geldt voor de absolute waarde bij een specifieke frequentie (de faseverschuiving is niet aange­geven):

Hierin is Φ (x,0) de gemiddelde (semi)stationaire potentiaal in de ontwerpsituatie (startwaarde) en H₀ de amplitude van de fluctuaties van de ontwerpbuitenwaterstand. De stationaire potentiaal kan met de eerder beschreven methode worden vastge­steld.

Door het seizoeneffect zal de gemiddelde stijghoogte in het watervoerend pakket 's winters hoger zijn dan in de zomer. Meestal zijn ook maatgevende hoogwaterstanden in de winter te verwachten. Dus peilsbuismetingen kunnen het best 's winters worden uitgevoerd (zie figuur 2B.5).