waterdichte schermen - Constructieve ontwerp-aspecten

1. 1. 1. Waterdichte schermen

Bij de aanleg ofverbetering van rivierdijken kunnen ingrijpende veranderingen in de bestaande landschappelijke situatie in een beperkt aantal gevallen voorkomen worden door toepassing van waterdichte schermen in de grond.

Het bedoelde effect van waterdichte schermen is:

• een gehele of gedeeltelijke onderbreking van een kwelstroom, ter voorkoming van onderloopsheid of wateroverlast;

• een verlaging van de waterspanningen in de grond, ten behoeve van de stabiliteit.

12.1.9.1 Toepassingsgebied

Nuttig effect van waterdichte schermen is vooral te verwachten bij toepassing in relatief goed doorlatende, watervoerende zandlagen.

Gelet op de opbouw van dijk en ondergrond kunnen de volgende gevallen worden onderscheiden:

1. Dijklichaam met goed doorlatende grondlagen

   In veel oude dijkprofielen is een zekere gelaagdheid aanwezig, als gevolg van vroege­ re verhogingen. Hierin kunnen relatief goed doorlatende lagen voorkomen, als ge­ volg van bijvoorbeeld oude wegverhardingen van grind ofpuin met zand. Een derge­ lijke constructie is geen bezwaar zolang het water door een goede kleibekleding op het buitentalud belemmerd wordt de dijk in te treden. Is deze beklcding niet aan­ wezig of onvoldoende dicht, dan kan de waterspanning in de dijk snel oplopen; dat kan gevaar voor uitspoeling en stabiliteitsverlies van het binnentalud opleveren. Als het aanbrengen van een goede kleibekleding op het buitentalud op grote bezwaren

   166

   stuit, kan men overwegen om in de dijk een verticaal, waterdicht scherm aan te brengen, zoveel mogelijk aan de waterkerende zijde ervan.

2. Watervoerende zandondergrond van grote dikte, onder een deklaag

   Het meest voorkomende geologische profiel tangs de rivieren is in figuur 12.3 aange­ geven. De watervoerende zandlaag, vaak tientallen meters dik, staat in contact met de rivier. Binnendijks kunnen hoge waterspanningen onder de kleilaag voorkomen. Ook kan er gevaar zijn voor zandmeevoerende wellen.

   L

   figuur 12.3

   Om een waterdicht scherm in een dergelijke situatie effectiefte laten zijn, zou het nagenoeg de gehele zandlaag moeten afsnijden van de rivier. Dat blijkt uit figuur

   --r--

   12.4 en figuur 12.5.

   1.0 ---....

   n f'...... r---_ L 0 = 2,p

   0

   0,8

   0,7

   0,6

   0.5

   .4 I

   --........_

   !'-.. LID

   '

   Lil :0,5

   1

   I\

   I\

   ,\

   \

   ' [\

   I a d

   r--

   1

   a I

   0 ---j

   I

   I

   f :,3 i

   Q/Oo I

   0.2

   0,1·

   0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

   d!D-

   figuur 12.4 figuur 12.5

   167

   Hoewel technisch een dergelijke constructie wel te maken is, zal dit qua problemen tijdens de uitvoering, door de brede werkstrook en de inzet van zwaar materieel, vaak niet aantrekkelijk zijn.

3. Zandtussenlaag in de ondergrond

Langs de rivieren komen situaties voor met watervoerende zandtussenlagen in het afdekkende, slecht doorlatende pakket. Verbetering van de stabiliteit van de dijk kan dan worden verkregen door het afsluiten van de ingesloten zandlaag.

Samenvattend kan gesteld worden, dat het toepassen van verticale waterdichte con­ structies normaliter alleen voor de situaties a en c in aanmerking kan komen.

Het gevolg van afsluiting van een watervoerende laag onder de dijk kan zijn, dat de waterhuishouding van het gebied, ook bij normale rivierafvoeren, ingrijpend verstoord wordt. Gebieden met een specifiek eigen karakter - verkregen door snelle en grote fluc­ tuaties van de grondwaterstand - kunnen ingrijpende veranderingen ondergaan, met onherstelbare gevolgen voor het milieu.

12.1.9.2 Systemen

Ten aanzien van de toepasbaarheid van waterdichte schermen spelen ook constructieve overwegingen een rol. Materiaalkeuze, uitvoeringsaspecten en het gedrag van het kwel­ scherm in relatie tot het dijkmateriaal en de ondergrond, zijn ook bepalend voor het goed functioneren.

De verschillende systemen voor het maken van kwelschermen zijn in drie groepen te verdelen:

• ingegraven constructies,

• verdringingsconstructies,

• ge·inj ecteerde constructies.

  1. lngegraven constructies

     Kenmert:end voor dergelijke constructies is, dat de uitgegraven grond vervangen wordt door een waterdicht of slecht doorlatend materiaal. Tijdens het ontgraven speelt dE' stabiliteit van de sleuf een belangrijke rol.

     De stabiliteit van een open sleufwordt bepaald door de taludhelling, de grondeigen­ schappen en de grondwaterstand. Bij het ontgraven van de sleuf zal vaak met een open bemaling kunnen worden volstaan. In bijzondere gevallen kan een spannings­ bemaling nodig zijn, om de stabiliteit van de sleufbodem en van de taluds te ver­ zekeren.

     Bij een grote ontgravingsdiepte is vanwege het ruimtebeslag een open sleufmet vrij­ staande taluds minder aantrekkelij k. In dat geval kan het ontgraven en aanvullen tus­ sen tij delij ke damwanden word en overwogen. De breedte van de sleuf wordt be-

     168

     paald door de afmetingen van de graafmachine, en door de benodigde ruimte om de sleuf goed te kunnen aanvullen en verdichten. Als de damwand de watervoerende laag geheel doorsnijdt, stelt het waterbezwaar meestal geen hoge eisen ten aanzien van bemaling.

     Een alternatiefvoor zo'n tijdelijke damwandcon tructie is het ontgraven van de sleuf met gebruikmaking van een steunvloeistof, de zogenaamde 'slurry trench'-methode. Hierbij wordt de sleufwand gesteund door de hydrostatische druk van de steunvloei­ stof, de dikspoeling. Daarbij is van belang, dat aan de wand een dunne ondoorlaten­ de filterkoek ontstaat, om een zo gering mogelijk vloeistofverlies te verzekeren. Het een en ander stelt speciale eisen aan de eigenschappen van de dikspoeling.

     De gewenste overdruk in de sleufkan worden bereikt door een bepaalde overhoogte van de steunvloeistoften opzichte van de grondwaterstand, eventueel tot boven het maaiveld, of door het verzwaren van de vloeistof. Dit laatste stelt hoge eisen aan de tixotropie van de vloeistof: ook in rust mogen de zware deeltjes niet uitzakken. Voor een goed scherm is het van belang, dat het afdichtingsmateriaal de horizontale gronddrukken in evenwicht houdt. Bij een normaal geconsolideerde ondergrond be­ tekent dit, dat de druk uh in de steunvloeistof groter moet zijn dan de actieve grond­ druk u 0 , en kleiner dan de neutrale gronddruk u n· Als de horizontale druk uh in het

     afdichtingsmateriaal kleiner is dan de actieve gronddruk ua kan het scherm uitge­

     knepen worden; als de horizontale druk van het afdichtingsmateriaal groter is dan de neutrale gronddruk un kan dit het uitzakken van het scherm tot gevolg hebben.

     Naast de horizontale druk, bepaald door de volumieke massa, speelt de consistentie van het afdichtingsmateriaal ook een rol. Een waterdicht scherm zal meestal reiken tot in een slecht doorlatend, samendrukbaar grondpakket. Om zakkingen te voorko­ men moet het gewicht van het kwelscherm gedragen kunnen worden door kleefin de doorsneden grondlagen. Dit is alleen mogelijk als het kwelscherm inwendige wrij­ ving bezit. Materialen die zich tijdelijk of op de lange duur als vloeistof gedragen, zoals bijvoorbeeld ter plaatse gestort beton en bitumineuze materialen, moeten op dit punt kritisch worden beoordeeld, wanneer men overweegt ze in een verticaal scherm toe te passen.

     Materialen met een zeer stijf gedrag, zoals beton, hebben het bezwaar dat vervor­ mingen van de grond in horizontale richting niet gevolgd kunnen worden. Dit kan leiden tot hoge spanningen in het materiaal, en eventueel tot breuk.

     Resume rend kunnen de eisen ten aanzien van het mechanisch gedrag van het afdich­ tingsmateriaal als volgt luiden:

• het moet zich gedragen als een grondmechanisch materiaal dat, in elk geval op den duur, schuifspanningen op kan nemen;

• het moet blijvend waterdicht zijn.

  169

  Het meest ideale materiaal voor een waterdicht scherm in waterkeringen is een aggregaat van korrels, waarbij de holie ruimten tussen de korrels zijn gevuld met een waterafsluitend materiaal.

  De laatste tijd wordt ook steeds meer kunststoffolie toegepast in tijdelijke construc­

  ties. De bijzondere eigenschappen van de kunststoffolies warden in deze leidraad niet nader beschouwd. Volstaan wordt met de opmerking dat de duurzaamheid, de lasbaarheid en het sterktegedrag de voornaamste punten van overweging moeten zijn. Het verwerken van een kunststoffolie op het talud van een gegraven open sleuf, of in een op te werpen grondlichaam is zeer goed mogelijk.

  Het aanbrengen van folie in een verticale sleuf is mogelij k geworden door gebruik­ making van diepdraineermachines. Met de zwaarste machines is een sleufdiepte van 5 m mogelijk. Bij een op deze wijze ontgraven sleufkunnen verzakkingen ontstaan die in de folie ongewenste spanningen kunnen veroorzaken. Dit kan we! enigszins word en opgevangen door de sleuf zo goed mogelij k aan te vullen. Maar gezien de be­ schikbare ruimte moet men hiervan niet te veel verwachten. Bovendien zijn er pro­ blemen mogelijk met betrekking tot de waterdichtheid aan de onderkant van het kwelscherm.

  1. Verdringingsconstructies

     Voor het afsluiten van een watervoerende laag kunnen ook methoden warden toege­ past waarbij het waterdichte element door heien of trillen in de grand wordt ge­ bracht. De meest gangbare constructie van dit type is de houten ofstalen damwand. Ondanks het feit dat stalen damwandplanken door middel van sloten aan elkaar war­ den gekoppeld, is de waterdichtheid van een dergelijke wand niet altijd goed te noe­ men. Bovendien kan vooral bij zwaar heiwerk een damplank we! eens uit het slot

     !open; dit heeft een zeer nadelige invloed op de waterdichtheid van de wand. De damwand kan vrij licht van constructie zijn. Voor permanente constructies wordt gewezen op de eisen ten aanzien van de duurzaamheid van de damwand, die de afmetingen van de wand mede bepalen.

     Daar een damwand een beperkte levensduur heeft, zal de dijkbeheerder er rekening mee moeten houden dat zo'n scherm na verloop van tijd vernieuwd moet warden. Damplanken van beton zijn voor waterdichte schermen ongeschikt, vanwege het ontbreken van een waterdichte koppeling tussen de planken.

  2. Ge injecteerde constructies

  Een vloeistof met als hoofdbestanddeel waterglas wordt, onder aangepaste druk, door middel van een injectielans in de watervoerende laag gebracht. De eigenschap­ pen van de vloeistof, zoals viscositeit en oppervlaktespanning, zijn zo gekozen dat het water uit de porien wordt verdreven. Na uitharding van de vloeistof ontstaat een waterdicht scherm. Terwille van de waterdichtheid moeten de ge injecteerde grond­ moten goed op elkaar aansluiten. Injecteren in rijen met een zekere mate van over­ lap is dan ook noodzakelijk.

  Het verschil met de voorgaande methode is, dat een klei-cement-suspensie niet in

  170

  staat is om het water uit de porien van de watervoerende laag te verdringen. Vandaar dat die suspensie in een kunstmatig gemaakte ruimte wordt geperst.

  De vorm en de afmetingen van het gereedschap bepalen het eindresultaat. Een van de methoden is die waarbij een stalen profielbalk in de grand wordt getrild. Terwijl hij er vervolgens weer wordt uitgetrokken, wordt de gevormde ruimte onder hoge druk gevuld met de klei-cement-suspensie. Men moet ernaar streven een zekere ma­ te van overlapping te bereiken; dat geeft een grotere zekerheid ten aanzien van de waterdichtheid van het scherm. De klei-cement-suspensie moet reageren als een grondmechanisch materiaal; hij mag niet te slap zijn en ook niet te bros.

  Dit laatste systeem is in wezen een combinatie van de methoden a en b.