Vormgeving dwarsprofiel vanuit de functie waterkeren - Dimensionering

Bij de vormgeving en dimensionering van het dwarsprofiel van de kering vanuit de veiligheidsfunctie wordt in deze pagraaf een aantal stappen doorlopen (zie figuur 5.1.1):

(a1) starten met een grondconstructie;

(a2) het maken van een eerste globale schets van het dwarsprofiel: het schetsen van de contouren en de situering van het dwarsprofiel vanuit enkele startwaarden, rekening houdend met de eisen uit de andere functies;

(a3) de controle op faalmechanismen: kijken of wordt voldaan aan alle veiligheidsaspecten. In dit stadium dient hierbij ook, zij het globaal, de uitvoering te worden betrokken. Bijvoorbeeld de uitvoering kan toepassen van een cunet/grondverbetering noodzakelijk maken en dit kan weer gevolgen hebben voor bijvoorbeeld de stabiliteit on- der maatgevende omstandigheden.

(a4) de optimalisering van het dwarsprofiel: door het variëren van een aantal parameters komen tot een zo voordelig mogelijk profiel. Zo voordelig mogelijk zal hier vaak inhouden kosten-optimaal. Echter, met inachtname van alle (gewogen) milieu-effecten zal dit niet altijd het geval kunnen zijn.

De stappen (a2), (a3) en (a4) vormen een iteratief proces.

..................................................................................................................................................................................

(a1) Type dwarsprofiel: starten met een grondconstructie

Bij de keuze van het type dwarsprofiel kan worden gemanoeuvreerd tussen twee uitersten.

• Aan de ene kant staat het beproefde concept van een massief dijk- lichaam, opgebouwd uit zand, klei en steenachtige materialen.

• Aan de andere kant is een concept mogelijk, uitgaande van het toe- passen van bijzondere (‘uitgekiende’) constructies, zoals schermen in de dijk, kistdammen, damwanden en beweegbare keringen.

  Bij het maken van een keuze zijn de volgende overwegingen van belang:

• De extreme omstandigheden, die horen bij de huidige veiligheidsnorm, liggen (vooral aan zee) ver af van wat in de laatste (honderden) jaren op basis van de ervaring in de ontwerpen is verwerkt; hierdoor is het mogelijk, dat onbekende faalmechanismen in die situaties een rol gaan spelen of bekende faalmechanismen zich anders gaan ontwikkelen.

• Met betrekking tot de waterkerende functie wordt de betrouwbaar- heid van een dijk bepaald door de kwaliteit van achtereenvolgens het ontwerp, de uitvoering en het dagelijks beheer.

  De haalbare kwaliteit wordt in alle drie de fasen sterk bepaald door de complexiteit (het aandeel bijzondere elementen) van het dwarsprofiel. De toename van de complexiteit verhoogt de kans dat bepaalde fac- toren niet juist worden geëvalueerd, terwijl de weerstand tegen desin- tegratie (een soort restveiligheid voor als er toch iets mis gaat) af- neemt naarmate er verder van het grondprofiel wordt afgeweken.

• Zand, klei en steenachtige materialen zijn onvergankelijk. Het dijk- lichaam vormt één geheel met de ondergrond. Flauwe taluds geven een gunstige drukverdeling en stabiliteit en bovendien een optimale opvang van de golfenergie; toekomstige verhogingen en verzwaringen zijn meestal goed uitvoerbaar.

• Toepassen van bijzondere constructies intensiveren de inspanning van het dagelijkse beheer op het gebied van monitoring (voortdurende controle op functievervulling, speciaal bij verborgen elementen), onderhoud, vervanging en verbetering, en van eventuele bediening van afsluitmiddelen.

  Hoewel bij het afwijken van een ruim opgezet massief dijklichaam het aantal onzekerheden toeneemt, zal in het algemeen toch worden ge- streefd naar een geoptimaliseerd grondprofiel (uiteraard alleen met ge- bruikmaken van algemeen aanvaarde technische inzichten en modellen).

  ..................................................................................................................................................................................

  Toepassen van bijzondere constructies wordt alleen dan overwogen indien er functies en waarden zijn die een dergelijke keuze rechtvaardi- gen. De gekapitaliseerde kosten van aanleg, onderhoud en verbetering nemen daarbij in het algemeen toe.

  Uit het voorgaande ontstaat de volgende lijst met aandachtspunten, die bij de afweging kan worden gebruikt:

  • Het ontwerp (met het oog op het totale beheer), dient zo te worden uitgevoerd, dat:

    • verhogingen en verzwaringen in de verre toekomst mogelijk blijven;

    • de kans op onbekende faalmechanismen zo klein mogelijk is;

    • bij nalaten van goed beheer de kering niet direct gaat desinte- greren;

    • bij het falen van de kering het aanslaan van opeenvolgende faalmechanismen zo langzaam mogelijk verloopt;

    • de functievervulling controleerbaar blijft (dit wordt moeilijker naarmate het dwarsprofiel complexer wordt en meer verborgen elementen bevat).

  • Worden bijzondere (‘uitgekiende’) constructies overwogen, dan vergt het volgende extra aandacht:

    • de wijze waarop in het ontwerp aan de faalmechanismen het hoofd wordt geboden;

    • de flexibiliteit van het ontwerp: dat is een maat voor het gemak waarmee de kering kan worden aangepast als normen, randvoor- waarden, kennis en/of maatschappelijke opvattingen (zich) wijzigen;

    • de moeilijkheidsgraad (ervaring) van/bij de uitvoering;

    • de omvang van de beheerorganisatie en -inspanningen (waaron- der het moeten opbouwen van ervaring), voor zowel het normale beheer als in extreme (crisis)situaties;de afhankelijkheid van der- den hierbij (zowel aannemers als vrijwilligers).

    • de betrouwbaarheid van de betrouwbaarheidsanalyse, gepaard aan de restveiligheid bij falen;

    • de bedrijfszekerheid van sluitingsoperaties;

    • de controleerbaarheid over grote lengte van een in werking gebrachte tijdelijke kering (ook met het oog op vandalisme);

    • de kosten van investering, onderhoud en toekomstige aanpas- sing/vervanging; hierbij ook de vraag beantwoorden in hoeverre de huidige keus een claim legt op toekomstige generaties (maat-

      ..................................................................................................................................................................................

      schappelijke duurzaamheid);

    • de technische duurzaamheid van de gebruikte materialen; in te- genstelling tot zand en klei (let wel op de structuurvorming bij klei) verouderen staal, kunststof en beton en geven daardoor pro- blemen, niet bij kleine eenvoudig te vervangen elementen, maar wel bij funderingen en verborgen constructies;

    • kiezen voor een constructie die niet in één keer volledig bezwijkt, maar waarschuwt als het moment van overbelasten nabij is;

    • goede beheerregisters aanleggen.

      (a2) Eerste globale schets van het dwarsprofiel.

      In deze stap worden met hulp van voornoemde overwegingen en aan- dachtspunten de eerste globale contouren van het dijklichaam geschetst. Hiervoor is een aantal vuistregels/aannamen gegeven, die puur als start- waarden moeten worden gezien.

      De eerste keuze is voor een grondconstructie. Via het schema in figuur

      5.1.1 is het echter mogelijk dat uiteindelijk gekozen wordt voor een profiel met bijzondere constructies.

      De ontwerp(reken)periode voor het grondprofiel is in het algemeen 50 jaar. Zeker bij het bepalen van de sterkte en de hoogte voor kostbare en moeilijk later aan te passen constructies wordt een langere reken- periode aanbevolen.

      Figuur 5.2.2 toont een dwarsprofiel van een dijk met de bijbehorende benamingen.

      Van belang bij het maken van de eerste (voorlopige) schets zijn:

• de kruinhoogte en -breedte;

• de taludhellingen, in relatie met globale gedachten over de wijze van bekleden;

• de situering van het dwarsprofiel;

• de plaats en de afmetingen van eventuele bermen en de ontsluiting.

  (-) De aanleghoogte van de kruin

  De aanleghoogte van de kruin (zie figuur 5.2.1) wordt bepaald door de som van de hierna te noemen bijdragen (a) + (b) + (c) + (d) + (e) + (f):

  1. de waterstand met een overschrijdingskans overeenkomstig de wet- telijke norm: de maatgevende hoogwaterstand MHW xxxx, waarin xxxx staat voor het jaar van vaststelling;

     ..................................................................................................................................................................................

  2. de hoogwaterstijging (inclusief de NAP daling) over de planperiode;

  3. een toeslag voor bui-oscillaties, buistoten en seiches; (lokale) op- waaiing wordt alleen in rekening gebracht als deze niet reeds in de waterstandsstatistiek is verwerkt.

  4. de golfoverslaghoogte, die behoort bij een overslag van 1 l/m/s (als gekozen startwaarde uit de logaritmische reeks 0,1 -> 1 -> 10 l/m/s);

  5. de lokaal verwachte bodemdaling over de planperiode;

  6. de verwachte kruindaling door klink van het dijklichaam en zetting van de ondergrond over de planperiode, na de oplevering.

     

     Figuur 5.2.1 Bijdragen aanleghoogte kruin

     ..................................................................................................................................................................................

     De bijdrage (a) staat, evenals de bijdrage (b), voor het buitenwater in de nota Hydraulische randvoorwaarden voor primaire waterkeringen [13]. Voor binnenwater staat de aan te houden MHW in de legger en het beheersplan van de beheerder (zie hoofdstuk 2).

     De bijdragen (a), (b), (c) en (e) zijn niet beïnvloedbaar; het Basisrapport geeft in hoofdstuk B2 een beschrijving van de bijbehorende belastingen. Bijdrage (f) is wel beïnvloedbaar. Bijdrage (d) is mede afhankelijk van de helling en de vorm van het buitenbeloop, de vooroever en golfdempende maatregelen; de berekening vindt plaats bij een waterstand gelijk aan (a)

     + (b) + (c) en een bodemligging, die rekening houdt met veranderingen in de ligging van het voorland, met inbegrip van de bodemdaling gedurende de planperiode.

     Het Basisrapport geeft in hoofdstuk B3 meer informatie over hoe (a) tot en met (f) worden bepaald.

     (-) De kruinbreedte

     De kruinbreedte krijgt als praktische maat als eerste aanzet 2 m; een kruin van deze breedte is net berijdbaar en voldoende als de onder- houds-/inspectieweg op een binnenberm ligt. Een goede berijdbaarheid als onderhouds-/inspectieweg vraagt 3 à 4 m. Wegen voor openbaar verkeer vragen vanzelfsprekend meer ruimte.

     (-) De taluds

     Het buitentalud tussen kreukelberm en kruin krijgt een gemiddelde (tonrondte) helling van 1 : 5 aan zee of 1 : 4 langs de meren. Bij gebrek aan klei worden harde bekledingen toegepast. Bij het toepassen van een asfaltbetonbekleding verdient het in verband met het onderhoud aanbeveling niet steiler dan 1 : 5 te gaan. Wanneer wel goede klei voorhanden is, kunnen afhankelijk van de mate van golfaanval, talud- hellingen van 1 : 5 of flauwer worden aangehouden. Een helling oogt in het algemeen fraaier naarmate hij flauwer is. Het binnentalud krijgt een helling van 1 : 3.

     (-) De situering van het dwarsprofiel

     Bij dijkverbetering is keuze uit:

• een dijkverzwaring naar binnen;

• een dijkverzwaring naar buiten;

• een dijkverzwaring ter weerszijde en over de bestaande dijk;

  ..................................................................................................................................................................................

• een nieuw tracé binnen of buiten de bestaande dijk.

  Bij deze keuze worden de waterkeringstechnische uitgangspunten, de overige functies en de kosten samengebracht teneinde tot een maat- schappelijk aanvaardbare oplossing te komen.

  

  De terreinstrook, waarop de dijk met de onderkant, de zool, rust heet de zate of het staal. Het talud aan de zijde waar de hoogste waterstanden voorkomen, is het buitentalud of het buitenbeloop. De onderrand daarvan heet, behalve voet ook teen of buitenteen. Bestaat het buitenbeloop uit twee, door een ongeveer horizontaal liggend gedeelte ge- scheiden taluds, dan heet het bovengedeelte het bovenbeloop, het onderste gedeelte het benedenbeloop, het horizontale gedeelte, afhankelijk van het gebruiksdoel en hoogtelig- ging, de hoge buitenberm, onderhoudsberm, hoogwaterberm, stormvloedberm of platte berm. Het hoogste, ongeveer horizontaal gelegen deel van de dijk is de kruin. Het talud aan de land- of polderzijde is het binnentalud of binnenbeloop, eveneens in veel gevallen onderverdeeld in een bovenbeloop en een benedenbeloop, gescheiden door een hoge binnenberm (onderhouds/ontsluitingsberm). De onderrand is de hiel, maar wordt ook aangeduid als binnenteen en als voet. De terreinstrook langs de hiel is de lage binnen- berm. Is die aan de landzijde begrensd door een sloot, dan heet die de bermsloot of bin- nenbermsloot; bij grote afmetingen wordt de naam dijkvaart of riet gebruikt. Als de ter- reinstrook langs de buitenteen door een, ongeveer evenwijdig aan de dijk lopende af- scheiding (sloot, afrastering, ...) wordt begrensd, dan heet die strook buitenberm. Ligt de teen beneden hoogwater en ligt daar een met steen bestorte berm, dan noemt men die laagwaterberm, lage buitenberm of plasberm (in Zeeland kreukelberm). Ligt aan de zeezij- de van de dijk terrein boven water, dan is dat het voorland of vooroever (in Zeeland he- ten die buitendijkse gronden schorren of gorzen, in het noorden van ons land kwelders). Het gedeelte van het terrein nabij de buitenteen en beneden laagwater gelegen is het on- derwaterbeloop.

  Figuur 5.2.2 Benamingen dijkprofielen

  ..................................................................................................................................................................................

  (-) Keuze stormvloedberm

  Bij de meeste dijken is met het oog op reductie van de golfoverslag op niveau (a) + (b) + (c) + (e) + (f, alleen het deel tot de bermhoogte) een berm aangebracht. De breedte is ongeveer 4*Hsmet een minimum van 5 m. De berm loopt onder 1 : 20 af naar buiten. Bij de afweging voor het wel of niet toepassen van een stormvloedberm is het volgende van belang:

• Bij een talud flauwer dan 1 : 5 is het effect van zo’n berm gering.

• Bij het ontwerpen van de bekleding moet rekening worden gehou- den met geconcentreerde golfaanval op de knikpunten, en het feit dat deze knikpunten vaak zwakke plekken in de bekleding zijn.

• Een toekomstige verandering van de bijdragen (a), (b) en/of (c) kan een ingrijpende aanpassing (verhogen berm) van het buitentalud nodig maken.

  (-) Plasberm

  Aan de buitenzijde wordt even boven laagwater (bij meerdijken op het niveau van het laagste meerpeil) bij een laag voorland zonodig een plas- of kreukelberm gelegd, als overgang tussen de bestorting op een kraagstuk via een teenschot of damwand naar een steenbekleding. Bij

  een hogere beëindiging van de steenbestorting is deze berm niet nodig.

  (-) Ontsluiting

  Hoewel de hoogte en de breedte van de binnenberm uiteindelijk mini- maal moet voldoen aan stabiliteitseisen van het gehele dijklichaam wordt in het schetsontwerp een binnenberm aangelegd met een aanbe- volen hoogte van GHW + 1 m en met daarop een onderhouds- en in- spectieweg met een minimale breedte van 3 m. Deze weg kan tevens dienen als vluchtweg of als aanvoerroute voor herstel na doorbraak. Ook aan de buitenzijde moet de dijk in langsrichting voor autoverkeer toegankelijk zijn ten behoeve van inspectie en onderhoud. Een dergelij- ke voorziening kan veelal in de harde bekleding worden meegenomen, maar bij zeer brede taluds is in relatie tot het bij onderhoud in te zetten materieel meer nodig.

  Figuur 5.2.3 toont voorbeelden van een nieuwe dijk met een grondpro- fiel.

  

  

  

  ..................................................................................................................................................................................

  Figuur 5.2.3 Voorbeelden van dijken met grondprofielen

  ..................................................................................................................................................................................

  (a3) Controle op faalmechanismen

  De hoogte van de dijk is primair bepalend voor de grootte van het water- bezwaar door overslag. De hoogte wordt gewaarborgd door de kwaliteit van de dijk. De kwaliteit wordt bepaald door de verhouding van de sterkte met de maatgevende belastingen. Onvoldoende sterkte kan leiden tot het optreden van de volgende faalmechanismen (zie ook figuur 5.2.4):

  

  Figuur 5.2.4 Faalmechanismen

  • Verticale en horizontale vervorming, en bodemdaling:

    • verticale vervormingen treden op als gevolg van zetting van de onder- grond en klink van het ophoogmateriaal;

    • horizontale vervormingen treden bij dikke en slappe klei- en veenpak- ketten op in, onder en naast de dijk, en kunnen leiden tot belasting van constructies in en nabij de waterkering zoals leidingen en funde- ringen van gebouwen;

    • bodemdaling treedt op bij wateronttrekking of winning van delfstof- fen.

  • Onvoldoende macrostabiliteit, inclusief horizontale afschuiving van het totale dijklichaam:

    macrostabiliteit is de stabiliteit tegen afschuiven van een grondlichaam of grote delen ervan langs rechte of gebogen glijvlakken.

  • Stabiliteitsverlies door erosie van het buitentalud.

  • Stabiliteitsverlies door erosie van het voorland.

  • Onvoldoende microstabiliteit: microstabiliteit betreft de stabiliteit van grondlagen van beperkte dikte aan het oppervlak van het binnentalud onder invloed van uitstromend grondwater. Micro-instabiliteit wordt

    ..................................................................................................................................................................................

    veroorzaakt door een hoge freatische lijn in de dijk.

  • Stabiliteit bij overslag: door overslag kan water het binnentalud infiltreren. Hierdoor raakt de bovenste laag van het binnentalud doorweekt en kan deze afschuiven.

  • Erosie kruin en binnentalud bij overslag: bij een hoog overslagdebiet kan er erosie van het binnentalud optreden door langs- of afstro- mend water. Infiltratie door overslag kan leiden tot afschuiven van het binnentalud.

  • Stabiliteitsverlies door zandmeevoerende wellen (piping): deze wel- len zijn te beschrijven als een geconcentreerde uitstroming van grondwater aan de binnenzijde bij hoge buitenwaterstanden, waarbij de snelheid van het opwellende water zo groot is dat er gronddeel- tjes worden meegevoerd en door terugschrijdende erosie in de grond stabiliteitsbedreigende holten en gangen ontstaan.

  • Stabiliteitsverlies door zettingsvloeiing op het voorland of door ver- weking van het dijklichaam: zettingsvloeiing is een mechanisme waarbij een met water verzadigde massa zand zeer grote verplaat- singen ondergaat (‘vloeit’) als gevolg van verweking. Verweking van zand met een losse pakking is het gevolg van een schuifspannings- toename waarbij door een herschikking van het korrelskelet (waar- door volumeverkleining) een zodanige verhoging van de water- en (lucht)spanning in de poriën ontstaat, dat de contactdruk tussen de korrels onderling belangrijk wordt verminderd en de zandmassa zich als een zware vloeistof gaat gedragen.

    Zettingsvloeiingsgevoelige lagen komen vooral voor langs de Ooster- en Westerschelde (zie figuur 5.2.5).

    

    Figuur 5.2.5 Verwekingsgevoelige trajecten in de Delta

    ..................................................................................................................................................................................

  • Stabiliteitsverlies van harde bekledingen, teenconstructies en bin- nendijkse oeverbescherming door golfkrachten, inwendige water- overdrukken e.d.

  • Aantasting van de dijkbekleding en de kruin door aanvaring, drij- vende voorwerpen en ijs.

    De methoden voor de controle op deze faalmechanismen in relatie met de dimensionering worden behandeld in het Basisrapport, de hoofd- stukken B5 en B6.

    (a4) Optimalisatie van het dwarsprofiel.

    Voor optimalisatie van het dwarsprofiel van een grondconstructie (zowel in de belastingen als in de sterkte) beschikt de ontwerper over de volgende variabelen:

• De golfoverslag (d).

  Reductie van de golfoverslag betekent een lagere kruinhoogte; dit is te bereiken door een flauwer buitentalud, een hoger voorland, een golfremmende constructie, een ruw buitenbeloop en/of een buiten- berm op de juiste hoogte. Figuur 5.2.6 geeft een voorbeeld van de invloed van de helling van het buitentalud en van de aanwezigheid van een buitenberm, die ligt op het niveau van ongeveer MHW.

  

  Figuur 5.2.6 Reductie kruinhoogte door flauwer buitentalud en buitenberm

• De dimensionering van kruin en binnentalud.

  Door het toelaten van meer golfoverslag kan de kruinhoogte lager

  ..................................................................................................................................................................................

  worden aangehouden. De sterkte van kruin en binnentalud moeten dan wel worden vergroot door middel van het toepassen van een flauwere taludhelling en/of een zwaardere bekleding van het talud. Ook moeten maatregelen worden getroffen voor waterafvoer aan de binnenzijde.

  De kruinbreedte is slechts tot op zekere hoogte in verband te bren- gen met het veiligheidsaspect. Dit verklaart wellicht waarom er re- gionaal, mede met het oog op overige functies en onderhoudsaspec- ten, een verschillende praktijk is gegroeid ten aanzien van de te kie- zen kruinbreedte.

• De keuze van de bekleding op het buitentalud, de kruin en het bin- nentalud (zie § 5.4).

  Aan de hand van architectonische en LNC-wensen (vorm, streekei- gen materiaal, kleur, ...) zullen nog nadere invullingen plaatsvinden.

• De keuze van de helling van het binnentalud, de hoogte en de breedte van de binnenberm.

  Met deze grootheden is onderling te variëren een en ander in sa- menhang van de variatie in de kruinhoogte.

  Voorbeeld: Een optimalisatie in de golfoploop/-overslag door een flauwer buitentalud geeft lagere kruinhoogte, geeft meer ruimtebe- slag maar de binnenberm hoeft minder breed te zijn en maakt een gedeelte van het extra ruimtebeslag weer goed, etc.

• De situering van het dwarsprofiel (plaats in dwarsrichting). Ook in deze stap kunnen plaatselijke aanpassingen in de situering een oplos- sing bieden.

• Het toepassen van een grondverbetering indien sprake is van een slappe ondergrond.

  Hiermee kan bijvoorbeeld de kruinhoogte bij aanleg (in verband met overhoogte) worden gereduceerd en/of de afmetingen van een bin- nenberm worden gereduceerd.

• Het toepassen van een grondverbetering voor of onder de dijk indien sprake is van een (te) doorlatende ondergrond.

  Hiermee kan bijvoorbeeld als piping aan de orde is binnendijks ruim- tebeslag worden beperkt.

• De plaats van de waterkering in dijklichaam en de drainage.

  Afhankelijk van diverse omstandigheden in de gegeven situatie en constructieve overwegingen zal eerst de keuze gemaakt moeten worden tussen:

  1. 1. een dijk met de (zout)waterkering aan de buitenzijde en in de zool gecombineerd met een drainage van lekwater naar de binnenzijde, en

        ..................................................................................................................................................................................

     2. een dijk met een open buitenteen en mogelijk ook de zool en een (zout)waterkering aan de binnenzijde van het dijklichaam. Aangezien er veelal geen risico is voor piping wordt normaliter langs de binnenberm een drainagesloot aangelegd, teneinde het dijklichaam in de dagelijkse omstandigheden droog te houden. Hiermee wordt bereikt, dat het dijklichaam zo droog mogelijk is op het moment dat een hoge waterstand gekeerd moet worden.

  Bij dijken langs het IJsselmeer is het drainagestelsel, naast een sloot, een harde randvoorwaarde voor een goed ontwerp.

  In het Basisrapport, hoofdstuk B4, is de optimalisatie verder uitgewerkt. Het op deze wijze gegenereerde dwarsprofiel voldoet nu qua hoogte, maar moet nog worden gecontroleerd op faalmechanismen.