Invloeden van bomen - Bomen op waterkeringen

Voor de mogelijke invloeden van bomen op de veiligheid van een waterkering is het noodzakelijk om na de biologische aspecten van bomen zelf, op de aanwezigheid ervan in een dijklichaam in te gaan. De volgende aspecten zijn hierbij aan te geven:

• belasting;
• ontgronding;
• grondgedrag;
• waterspanningsverloop;
• erosie.

Op elk van deze aspecten zal apart worden ingegaan.

Belasting

Door de aanwezigheid van bomen kunnen er extra belastingen op een dijklichaam optreden [11], [12], [14] en [15] (zie figuur 21). Van deze belastingen is weinig bekend en dijklichamen zijn meestal niet op deze belastingen ontworpen of gecontro­leerd. De volgende belastingen zijn aan te geven:

- extra belasting door eigen gewicht van de bomen;
- extra windbelasting (dynamisch zowel als statisch).

Het eigen gewicht van bomen is af te schatten met behulp van diameter, hoogte en soortelijk gewicht. Uit trekproeven zijn waarden af te leiden (bij eiken) van 50 kN wat redelijk over­eenkomt met geschatte waarden.

Gezien het feit dat het gewicht buiten het verhogen van de belasting ook een gunstig (zij het beperkt) effect op de korrelspanning heeft, is het te overwegen om het eigen gewicht niet in rekening te brengen.

Ten gevolge van wind ondervindt de boom een bepaalde stuwdruk. Deze stuwdruk wordt als volgt berekend:

met:

p = stuwdruk (kN/m² )

ρ = dichtheid van lucht (= 1,22 kg/m³ bij 20 °C en 1013 mbar)

C_d = luchtweerstandscoëfficiënt (-)

V_c = windsnelheid (m/sec).

Deze stuwdruk vermenigvuldigd met het door de wind belaste oppervlak van de boom geeft de windbelasting.

Voor de windsnelheid zijn verschillende waarden mogelijk. Er is een traject aan te geven van 32 m/s (windkracht 9, gemiddelde snelheid tussen 21 en 27 m/s) tot 44 m/s (windkracht 12). Voor bomen in een opstand wordt als gemiddelde kritieke snelheid wel 22 ± 4 m/sec aangehouden.

De C_d-waarde is afhankelijk van de soort boom en kan sterk verschillen maar zal in het algemeen tussen 0,1 en 0,5 liggen.

Voor een zware tot zeer zware storm is het realistisch aan te nemen dat de kans op een dergelijke storm in de orde van enkele tienden per jaar ligt. Na 1910 zijn er gemiddeld 3 à 5 zware stormen per 10 jaar opgetreden. Globale berekeningen voor de bepaling van de faalkans van een boom hebben geresul­teerd in faalkansen van 2.10^-3/jaar. Bij het voorkomen van honderden bomen zal bij een zware tot zeer zware storm de kans op windworp in de orde grootte van 0,05/jaar 1iggen. Dit is een pessimistische schatting en bij een goed beheer zal de kans op windworp kleiner zijn.

De wind zal gunstig en ongunstig kunnen werken. Hierbij speelt de kracht op de kroon een rol en de plaats waar de boom zich op de waterkering bevindt. De windbelasting kan in stabili­teitsberekeningen worden geschematiseerd als een aandrijvend moment (ongedraineerd). Indien bijvoorbeeld wordt uitgegaan van een gemiddelde afstand van de as van het mogelijke glij­vlak van 10 m, een gemiddeld oppervlak van 10 m² per m' dijk en een stuwdruk van 1 kN/m² kan voor de invloed van de windbe­lasting op de macrostabiliteit een extra aandrijvend moment in rekening worden gebracht van 100 kNm/m'' (zie ook hoofdstuk 7). Op de invloed van wind als dynamsiche belasting wordt niet nader ingegaan. Hierover is weinig bekend. Mogelijk kan dit echter wel effecten in de ondergrond tot gevolg hebben zoals bijvoorbeeld verweking.

Ontgronding

Door driedimensionale effecten zal de invloed van een alleenstaande boom op de veiligheid tegen afschuiven in het algemeen niet zo groot zijn. Dit kan veranderen als het om een gehele groep bomen gaat (zie hoofdstuk 7). De grootte van de ontgronding zal afhankelijk zijn van de grootte van het wortelstelsel maar ook van de plaats waar de wortels zullen afscheuren. Wortelstelsels zullen over het algemeen niet ver onder de freatische lijn liggen. Bij de grootte van de ontgronding kan als bovengrens de grootte van het wortelstelsel worden aangehouden.

Grondgedrag

Afwijkend grondgedrag kan optreden door de aanwezigheid van wortels [10] en [11]. Door de aanwezigheid van wortelstelsels zal de grond enigszins gewapend zijn. Dit gedrag is te beschrijven door een verhoging van de cohesie van de grond toe te passen en de hoek van inwendige wrijving van de grond hetzelfde te laten. Deze verhoging is afhankelijk van de soort grond en de soort boom. De waarde van deze verhoging ligt tussen de 1,0 en 17,5 kN/m². De meest voorkomende waarden (onder andere op kleiige gronden) liggen op 3 a 5 kN/m². De cohesie van de grond met wortels is dus vaak hoger dan de grond zonder de wortels.

Bij een groter talud met meerdere bomen kan een effect ont­staan van verankeringen ter plekke van de wortelstelsels en tussen de verschillende wortelstelsels een boogwerking. Door de aanwezigheid van bomen kunnen de water- en korrelspan­ningen (zie paragraaf 4.2.4) veranderen. De grondwateronttrek­king door het wortelstelsel van de boom heeft een daling van de freatische lijn tot gevolg. Hierdoor zal de korrelspanning toenemen waardoor een verbetering van de grondeigenschappen optreedt. Dit gunstige effect zal bij kritieke situaties echter zeker niet altijd optreden.

Waterspanningsverloop

Van de beïnvloeding van de freatische lijn in een dijk is helaas weinig bekend [10], [11], [12], [13], [14] en [15]. Voorbeeld hierbij is de invloed van neerslag. De gevolgen van neerslag worden gekwantificeerd door een zeer globale schematische verhoging van de freatische lijn [3] en [4]. De veran­dering van de freatische lijn ten gevolge van de aanwezigheid van een boom kan optreden onder normale omstandigheden of bij extreme (maatgevende) omstandigheden.

Figuur 22.  Mogelijke freatische lijnen.

Onder normale omstandigheden kan de waterconsumptie van de boom een verlaging van de freatische lijn tot gevolg hebben. In figuur 22 wordt dit schematisch aangegeven.
Bij extreme omstandigheden wordt de freatische lijn beïnvloed door neerslag, overslag of een ander patroon van de grondwaterstroming. De aanwezigheid van de boom beïnvloedt de freatischelijn door een verandering van de doorlatendheid van de bovenlagen ten gevolge van grondscheuren, (dode) wortels, oppervlakteverstoring (geen grasdek) of lagere dichtheden. Door dit effect kan de freatische lijn bij extreme omstandigheden hoger dan normaal komen te liggen.
Als gunstig effect is te noemen dat bomen neerslag op kunnen nemen. Dit kan betekenen dat de verhoging van de freatische lijn door grote neerslag minder kan zijn.

Een aantal effecten is seizoensafhankelijk. De grondwateronttrekking in de herfst en winter is over het algemeen minimaal. Dit betekent dat in herfst en winter geen daling van de frea­tische lijn is te verwachten ten gevolge van de aanwezigheid van een boom. Ook is in deze periode geen extra opnamevermogen te verwachten.

Zoals reeds aangegeven is de modellering en kwantificering van deze aspecten ten behoeve van bijvoorbeeld stabiliteitsbereke­ningen een lastige zaak. Vooralsnog lijken grondwaterstro­mingsberekeningen en mogelijke (arbitraire) aanpassingen van de freatische lijn de aangewezen weg om deze effecten in modellen op te nemen. Voor maatgevende omstandigheden zal van de ongunstige situatie uitgegaan moeten worden dat de freati­sche lijn een extra verhoging ten gevolge van de aanwezigheid van bomen ondergaat. De verhoging van freatisch vlak geeft een verslechtering van de stabiliteit.

Bij de stabiliteitsberekening (zie hoofdstuk 7) kan bijvoor­beeld worden uitgegaan van een overigens arbitraire verhoging van de freatische lijn onder de bomen op het binnentalud van + 0,5 m ten opzichte van de normale situatie bij maatgevend hoogwater. Deze schematische verhoging komt overeen met de verhoging die toegepast wordt als rekening gehouden wordt met hevige neerslag [3] en [4].

Bij bomen in voor- en achterland kunnen dunne afdekkende lagen van openingen worden voorzien door wortels. Bij de beoordeling op piping zal dan met een verkorte kwelweglengte rekening gehouden moeten worden.

Erosie bij bomen

De erosiegevoeligheid van waterkeringen ten gevolge van de aanwezigheid van bomen kan een aantal oorzaken hebben. Het is duidelijk dat hierin drie gevallen zijn te onderscheiden, namelijk een dode boom, een omgewaaide boom en een levende boom.

Voor een dode boom is het gevaar dat wortelresten gaan verrotten en gangen en gaten gaan vormen. Uit verschillende onder­zoeken zijn dergelijke gangenstelsels gevonden die meters diep kunnen gaan. Dit kan de veiligheid tegen piping en zandmee­voerende wellen verminderen. Hieruit lijkt de conclusie ge­rechtvaardigd dat dode bomen dan wel wortelresten die zich in een waterkering bevinden zo volledig mogelijk geruimd dienen te worden [16]. Gezien de mogelijke problemen dient dus een adequaat inspectiesysteem hiervoor nodig te zijn. Ook al omdat bij een langdurige periode zonder inspectie de wortelresten en stronken over het algemeen moeilijk te vinden zijn. Na stormen en dergelijke is extra inspectie te overwegen bij het opruimen van omgewaaide c.q. afgebroken bomen.

Bij ontworteling gaan hele nieuwe faalmechanismen een rol spelen. Het moge duidelijk zijn dat bij ontworteling van bomen in waterkeringen hier zo snel mogelijk de schade aan de water­kering hersteld dient te worden. Duidelijke risico's liggen in de combinatie van hoogwater en ontworteling. Bij ontworteling zal snel erosie op kunnen treden door het ontbreken van de bekleding. Alleen bij snel ingrijpen of een groter profiel van de waterkering dan strikt noodzakelijk lijkt een voldoende veiligheid gewaarborgd. Bij een dijk met een kleidekking en een zandkern is een wegvallen van die kleidekking ontoelaat­baar. Als erosie-effect zal rekening gehouden moeten worden met een voortgaande erosie na ontworteling. In het verleden uitgevoerde modelproeven hebben dit aangetoond [12]. Bij deze proeven was uitgegaan van een hellend en qua oppervlak glad talud, dat bekleed was met een kleiachtig materiaal (zandge­halte 33%). De stroomsnelheid varieerde en bedroeg maximaal 3.2 m/s. Na 2,5 uur was reeds een gat ontstaan van 1 m lengte, 0,5 m breedte en 0,4 m diepte. De erosie bij zand zal nog veel sneller verlopen. Bij erosie treden ook factoren op als gat­ruwheid en uitdroging van klei (door wateronttrekking van de boom). Dit alles betekent dat daadwerkelijke actie noodzake­lijk is bij een optreden van ontworteling en mogelijk hoogwa­ter.

Bij ontworteling van bomen in het voorland kan piping een grotere rol gaan spelen. Als de doorlatendheid van het voor­land groter wordt dan zal de respons van de waterspanning in het watervoerende zandpakket groter zijn. Ook ontgrondingen in het achterland en binnentalud kunnen een begin van welvorming (eventueel zandmeevoerend) zijn. Als rekenmethodiek zou hier­bij uitgegaan kunnen worden van een veranderde kwelweglengte.

Bij een levende boom is het erosieprobleem afhankelijk van onder andere het stromingsgedrag rond de boom, het materiaal als dekking rond de boom en de mate van grasontwikkeling. Op het buitentalud zal rond een boom een turbulente stroming optreden en het materiaal kan door uitdroging erosiegevoeliger zijn. Hierdoor zal extra erosie plaatsvinden. Zeker bij hoge stroomsnelheden is dit een onwenselijke situatie. Het wortel­stelsel zal echter ook zorg dragen voor een extra wapening van de grond en kluitvorming waardoor meer weerstand tegen erosie wordt verkregen.