Toplaaginstabiliteit onder langsstroming (ZTS) - Toetsing

Bij een ‘twijfelachtig’ oordeel in de eenvoudige toetsing is een geavanceerde analyse nodig om tot een definitief oordeel voor de toetsing op langsstroming te komen.

Er kunnen drie methoden worden onderscheiden om tóch een uitspraak mogelijk te maken:

• Aanscherping van de standaardrekenregels aan de hand van de lokale omstandigheden;

• Toepassing van nauwkeuriger rekenmethodes;

• Beschouwing van bewezen sterkte;

• Reststerkte.

  In de praktijk bestaat de geavanceerde analyse vaak uit een combinatie van deze drie methoden en wordt uitgevoerd door specialisten. Voor elk van de methoden worden in de volgende subparagrafen aandachtspunten gegeven, met name gebaseerd op de praktijk bij Projectbureau Zeeweringen in Zeeland. In het algemeen geldt voor de geavanceerde analyse dat vooraf altijd een afweging moet worden gemaakt tussen de kosten van het onderzoek, de kans dat alsnog tot goedkeuren kan worden gekomen en de eventueel daaruit volgende besparing op de kosten van het verbeteringswerk.

  De ingevoerde rekenregels in STEENTOETS zijn zodanig opgesteld dat ze breed toepasbaar zijn. Het onderliggend modelonderzoek is uitgevoerd voor een groot aantal verschillende gevallen. Uit dit modelonderzoek zijn regels afgeleid die voor al deze gevallen veilig kunnen worden toegepast. De rekenregels bevatten daardoor conservatieve benaderingen voor bepaalde eigenschappen van de steenzetting. Als de lokale omstandigheden van een steenzetting bekend zijn, is het soms mogelijk om de achterliggende formules aan te scherpen waardoor minder conservatief kan worden gerekend. Het is ook mogelijk dat de constructieve parameters in de geavanceerde analyse kunnen worden aangescherpt, vooral als in eerdere stadia is gewerkt met standaardwaarden. Verder is lokaal onderzoek nodig als aangetoond moet worden dat inzanding/ inslibbing ook in maatgevende omstandigheden aanwezig blijft. Er is nog onderzoek nodig om hiervoor een methode te ontwikkelen. Behalve lokaal onderzoek is het ook mogelijk om de constructie na te bouwen in een grootschalige modelproef, bijvoorbeeld in de Deltagoot van Deltares.

  Belangrijke parameters in de nauwkeurige rekenmethodes zijn:

• de leklengte ;

90

• de invloedsfactoren ;

• de waterdoorlatendheid van de toplaag;

• de mate van klemming;

• het stijghoogteverschil over de toplaag.

De leklengte en de invloedsfactoren worden niet rechtstreeks ingevoerd door de ontwerper of toetser, maar worden door STEENTOETS berekend aan de hand van de ingevoerde waarden voor de golfparameters en constructieve eigenschappen als laagdikte, spleetbreedte tussen toplaagelementen en materiaaleigenschappen.

Bepaalde parameters kunnen echter (met enige moeite en onzekerheid) ook rechtstreeks worden gemeten, waardoor een deel van de conservatieve aannamen in de berekening niet meer nodig is. Dit geldt met name voor de waterdoorlatendheid van de toplaag in combinatie met de wrijving/klemming tussen de toplaagelementen.

De waterdoorlatendheid van de toplaag wordt door STEENTOETS bepaald aan de hand van met name de spleetbreedte tussen de toplaagelementen en de toplaagdikte. De werkelijk aanwezige waterdoorlatendheid kan bijvoorbeeld worden geschat door de zaksnelheid van het water in een op het talud geplaatste bak te meten. Het is daarbij van belang om een parallelle stroming te veroorzaken; dit kan worden bereikt door te werken met een binnenbak (waarin de meting plaatsvindt) en een buitenbak, waarin het water even snel moet zakken als in de binnenbak. Een voorbeeld van de opstelling staat in Figuur 7-1. Deze werkwijze is in de praktijk alleen bruikbaar als de toplaag relatief ondoorlatend is en als de granulaire laag juist wel een grote doorlatendheid heeft. De vastgestelde waarde kan niet rechtstreeks worden ingevuld in STEENTOETS, maar eventueel wel via een omweg. De geavanceerde analyse kan verder worden uitgevoerd met de achtergrondformules van STEENTOETS, of door de inzet van specialisten.

Figuur 7-1: Meting toplaagdoorlatendheid

De mate van klemming kan worden bepaald met behulp van trekproeven. Daarbij wordt één toplaagelement uit de bekleding getrokken met behulp van een speciaal ontwikkelde trekkar; hierbij wordt de kracht gemeten waarbij een verplaatsing van maximaal 25 mm loodrecht op het talud mag optreden. Per bekledingsvlak zijn meerdere proeven nodig omdat met statistische methoden de minimale klemming moet worden bepaald en bovendien omdat de resultaten sterk afhankelijk kunnen zijn van het niveau op het talud. Het benodigde aantal proeven is groter als de wrijving / klemming groter is. De opstelling is geschetst in Figuur 7-2. In het verleden werden de resultaten vergeleken met een landelijk gegevensbestand, maar die werkwijze wordt

niet meer gevolgd omdat een golfbelasting (belasting over meerdere toplaagelementen tegelijk) anders is dan de belasting bij een trekproef (belasting op één toplaagelement).

Figuur 7-2: Trekproef

Figuur 7-3: Getijmeting

Het stijghoogteverschil over de toplaag is in STEENTOETS het resultaat van berekeningen waarin bijna alle parameters worden betrokken (waaronder de waterdoorlatendheid van de toplaag, zie boven). Het werkelijke stijghoogteverschil kan in de praktijk vanzelfsprekend niet gemeten worden bij de maatgevende omstandigheden, maar wel bij omstandigheden die zich vaker voordoen. Met behulp van drukopnemers in de bekleding kan worden bepaald hoe de waterdruk binnen in de bekleding (onder de toplaag) varieert als functie van de waterbeweging op het talud. Door de meting na te rekenen kan een ‘best fit’ worden verkregen; deze geeft informatie over de doorlatendheden in het prototype. Deze informatie kan worden gebruikt om met behulp van geavanceerde rekenprogramma’s te extrapoleren tot aan de maatgevende omstandigheden. Er wordt onderscheid gemaakt tussen drie soorten

prototype-doorlatendheidsmetingen: getijmetingen, inpompproeven en stormmetingen. Voor het gebruik van de geavanceerde rekenprogramma’s dient contact opgenomen te worden met specialisten.

Getijmetingen kunnen in de eerste plaats zinnig zijn voor gepenetreerde steenzettingen, maar zijn ook wel uitgevoerd voor ingezande bekledingen. Bij deze proef wordt het laagfrequente drukverloop in de granulaire laag gemeten dat ontstaat door het stijgen en dalen van de waterspiegel gedurende één getij. Hiertoe worden in de granulaire laag op verschillende hoogtes waterspanningsmeters geplaatst en wordt bij de teen een drukopnemer geplaatst die de getijwaterstand registreert (zie

Figuur 7-3 en Figuur 7-4). Om de benodigde extrapolatie naar maatgevende omstandigheden zoveel mogelijk te beperken is het belangrijk om bij een zo hoog mogelijk getij te meten.

Op basis van de doorlatendheden van toplaag en filterlaag, die bepaald kunnen worden uit simulatie van de getijmeting met een niet-stationair grondwaterstromings- model, kan voor maatgevende omstandigheden worden berekend hoe groot naar verwachting de statische overdruk onder de bekleding kan worden. In theorie is deze waarde:

met:

�opw = maximaal opwaarts stijghoogteverschil over de toplaag [m]

c = coëfficiënt [-]

hboven = bovengrens van de bekleding [m+NAP]

honder = ondergrens van de bekleding [m+NAP]

Figuur 7-4: Opstelling getijmeting

Indien er verder niets bekend is wordt voor c de waarde 1 aangehouden. Dit betekent dat er over de volledige hoogte waarover de bekleding aanwezig is, een hydrostatische waterdruk wordt aangenomen. Uit de in de praktijk uitgevoerde getijmetingen volgt dat c meestal waarden tussen 0,3 en 0,8 heeft. In een enkel geval wordt zelfs vrijwel geen waterdruk gevonden, bijvoorbeeld als de ondergrond betrekkelijk doorlatend is, waardoor water dat via de toplaag in de granulaire laag komt makkelijk in de ondergrond draineert. Er kan dan geen hoge freatische lijn in de granulaire laag ontstaan.

Om statische wateroverdrukken te simuleren kan ook een infiltratiemeting worden uitgevoerd. Hierbij wordt doelbewust zoveel mogelijk water in de granulaire laag geïnfiltreerd zodat er wateroverdrukken onder de gepenetreerde toplaag ontstaan. Er worden als het ware ‘maatgevende’ omstandigheden gecreëerd, waarmee het gedrag van de constructie onder die omstandigheden wordt gemeten. In 2001 is bij Kruiningen voor het eerst zo’n proef uitgevoerd (zie Figuur 7-5). Dit is in 2002 op twee andere locaties herhaald.

Figuur 7-5: Infiltratiemeting in Kruiningen

Het principe van de infiltratieproef is eenvoudig. Aan de bovenzijde van de te beproeven gepenetreerde bekleding wordt een infiltratiesleuf van 50 meter lang gegraven. In de sleuf wordt water gepompt dat in de granulaire laag verdwijnt. Gedurende tenminste één getij wordt het gedrag van de bekleding gemonitord.

Figuur 7-6: Opstelling stormmeting

Bij een stormmeting wordt juist het hoogfrequente verloop (meetfrequentie 25 à 50 Hz) gemeten van golfdrukken op het talud en de reactie daarop van waterdrukken in de granulaire laag. Op het talud is een meetbalk met drukopnemers gemonteerd die op verschillende hoogtes de golfdrukken registreert (zie Figuur 7-6 en 7-7). In de granulaire laag zijn ook op verschillende hoogtes waterspanningsmeters aangebracht. Gedurende verschillende tijdstippen van een storm worden drukken en

waterspanningen simultaan gemeten, door de meting te simuleren met geavanceerde rekenprogramma’s.

Ook hier geldt dat de meting het liefst wordt uitgevoerd bij condities die zo dicht mogelijk bij de maatgevende omstandigheden liggen. Stormmetingen leveren een redelijk resultaat bij windkrachten vanaf minimaal 7 Bft, maar bij voorkeur tenminste 8 Bft. Vanwege de veiligheid bij uitvoering ligt de bovengrens op 9 à 10 Bft. Een voor de hand liggend nadeel van de stormmeting is dat deze maar één of enkele keren in een jaar uitgevoerd kan worden. Verder blijft de informatie grotendeels beperkt tot de getijzone plus iets daarboven, tenzij de storm toevallig ook een zeer hoge waterstand veroorzaakt.

Figuur 7-7: Voorbeeld van een stormmeting

Voor het uitvoeren van een geavanceerde analyse is in de eerste plaats soms mogelijk om rechtstreeks gebruik te maken van de resultaten van modelproeven die aan de basis staan van STEENTOETS. Vanzelfsprekend is dit alleen mogelijk voor steenzettingen waarvan sterkte en belasting voldoende overeenstemmen met sterkte en belasting in de modelproef.

Een andere mogelijkheden is het gebruikgemaken van specialistische rekenprogramma’s. Hiermee kan het verloop van de stijghoogte in de bekleding nauwkeurig worden gesimuleerd.

Ten derde is het mogelijk om de randvoorwaarden ter plaatse van de teen nauwkeuriger te berekenen met een specialistisch rekenprogramma als TRITON.

In sommige gevallen kan worden beredeneerd dat de maatgevende omstandigheden zich al hebben voorgedaan; als de bekleding in die omstandigheden geen schade heeft opgelopen kan alsnog een score ‘goed’ worden gegeven. Als kan worden aangetoond dat de opgetreden waterdruk in de bekleding gelijk is aan de waterdruk in maatgevende omstandigheden en de bekleding is niet beschadigd, dan heeft de bekleding haar sterkte bewezen. In de praktijk is het zeer moeilijk om voor een concreet bekledingsvak aan te tonen dat het veilig is op basis van bewezen sterkte: daarvoor moet worden aangetoond dat alle parameters op éénzelfde moment in het verleden dezelfde of een ongunstiger waarde hebben gehad dan de ontwerp- of toetswaarden.

De kans op succes is groter voor een andere vorm van bewezen sterkte: voor specifieke bekledingstypen die op een bepaalde locatie een zware, maar niet maatgevende belasting hebben ondergaan, is aangetoond dat ze een zekere sterkte kunnen leveren. Op basis daarvan kan worden aangetoond dat het betreffende bekledingstype toepasbaar is op een andere locatie met minder zware randvoorwaarden. Specifiek kan dit bijvoorbeeld gelden voor ingezande en ingeslibde basaltzuilen. Ook bij deze werkwijze moet worden aangetoond dat alle relevante parameters in het praktijkgeval niet gunstiger waren dat de rekenwaarden van het bekledingsvak dat wordt getoetst. Er is nader onderzoek nodig om hiervoor een methode te ontwikkelen.