Validatie cumulatieve overslagbelasting met uitgevoerde proeven - Bijlage

Bij het begin van de proeven met de golfoverslagsimulator in 2007 is er voor gekozen om eerst van een karakteristieke toetsconditie voor zee- en meerdijken uit te gaan, met een golfhoogte van 2 m. Ook bij de proeven in 2008 en 2009 is deze conditie aangehouden. Met deze proeven is de theorie van de vorige paragraaf lastig te valideren, omdat er maar één golfhoogte is onderzocht. In 2010 zijn bij de Vechtdijk echter proeven uitgevoerd met als randvoorwaarden golfhoogten van 1 m (rivierdijk); 2 m (zeedijk) en 3 m (extreme golfconditie op zee). Uit vergelijking van de resultaten kon de theorie van cumulatieve overbelastingen wel worden gefundeerd. Met name de kritische snelheid kon worden vastgesteld.

De Vechtdijk was een volledige zanddijk met daarop een 0,15 - 0,20 m laag doorworteld zand met gras. De normale grasbekleding met circa een 0,6 m dikke erosiebestendige onderlaag van klei ontbrak en deze dijk mag daarom als zeer zwak worden beschouwd ten opzichte van normale zee- en meerdijken (en mogelijk ook rivierdijken). Bij deze dijk was het dan ook zinvol om een golfconditie met 1 m golfhoogte te beproeven, omdat daarbij schade was te verwachten.

Bij de golfconditie van 2 m werd een proef uitgevoerd met een taludovergang en een proef met een grote boom op het binnentalud. Zowel de taludovergang als de bekleding rondom de boom bezweken eerder dan het grastalud. Bij deze proeven is het grastalud dan ook niet bezweken. Bij de proeven met 1 m en 3 m golfhoogte is het grastalud wel bezweken en kon de theorie van cumulatieve golfoverbelasting worden geanalyseerd. In beide proeven zaten er bovenaan het binnentalud veel mollengaten en hierdoor is mogelijk het talud eerder bezweken dan bij de proeven met een 2 m golfhoogte, waar dit minder het geval was.

De analyse van de proeven bracht ook aan het licht dat er meerdere definities van schade nodig zijn en dat de cumulatieve overbelasting vaak moet toenemen om de schade te laten toenemen. De eerste definitie is begin van schade . Dit is een klein gat in de zode, die nog niet door de toplaag heen gaat. Het is niet een erg betrouwbare definitie, want er hoeft maar één zwak plekje op het talud te zijn en begin van schade ontstaat al vrij vroeg. Een meer betrouwbare definitie is meerdere kale plekken . Eigenlijk is dit begin van schade, maar dan wel hier en daar op het talud en niet toevallig op de zwakste plek alleen. Als de toplaag bezwijkt dan houdt de onderlaag het ook vaak niet lang meer, omdat daar nauwelijks wortels in zitten en omdat kale klei een grote overbelasting niet lang aan kan. Bij de Vechtdijk was er alleen maar een toplaag, dus als deze was bezweken dan kwam direct het zand eronder vrij. Dit werd bezwijken talud genoemd. Bij de proeven met 2 m golfhoogte kon de sterkte van de grasbekleding niet worden vastgesteld, omdat de taludovergang, respectievelijk de toplaag rondom de boom (als gevolg van de aanwezigheid van de boom) op het binnentalud, eerder bezweken. Maar daardoor is er wel een cumulatieve belasting waarvoor geldt niet bezwijken van het talud .

Bij elke proef werd een golfoverslagdebiet opgelegd voor 6 uur. Daarna werd het overslagdebiet verhoogd voor opnieuw 6 uur. De gemiddeld overslagdebieten waren achtereenvolgens 0,1; 1; 10; 30 en 50 l/s per m. Het talud bij het rivierregime (1 m golfhoogte) bezweek na 2 uur bij 50 l/s per m. Bij het zeer zware zeeregime (golfhoogte 3 m) was dit al na 1 uur bij 30 l/s per m. Het zwaardere golfregime leidde dus eerder tot schade, wat ook de verwachting was.

Voor de Vechtdijk werd vastgesteld dat een kritische snelheid van 4 m/s moest worden aangehouden om de resultaten van de verschillende golfregimes met elkaar vergelijkbaar te maken. Voor de Vechtdijk zijn globaal de volgende cumulatieve belastingen verantwoordelijk voor de volgende schadecriteria (uc = 4 m/s):

Begin van schade L(u2 – uc2) = 500 m2/s2

Meerdere kale plekken L(u2 – uc2) = 1000 m2/s2 Vroeg bezwijken door mollengaten L(u2 – uc2) = 3500 m2/s2 Niet bezwijken bij normaal talud L(u2 – uc2) < 6000 m2/s2

Omdat de volledig uit zand bestaande Vechtdijk met veel mollengangen waarschijnlijk tot een van de minst erosiebestendige dijken van Nederland behoort, maar wel onder de voorwaarde van een goede op het oog gesloten grasmat, is de kritische snelheid van 4 m/s als ondergrens genomen in Tabel 6.1. Bij de taludovergang ontstaat dan ondermijning bij L(u2 – uc2) = 1296 m2/s2, wat dicht in de buurt zit van het schadecriterium meerdere kale plekken . Die kale plekken hielden het echter langer vol dan de taludovergang, want deze bezweek bij L(u2 – uc2) = 5926 m2/s2. Dit is echter hoger dan de cumulatieve belasting bij bezwijken van het grastalud als er een concentratie aan mollen zit.

Bij de proef met de boom was er duidelijk een wortel geërodeerd bij L(u2 – uc2) = 997 m2/s2 en dit komt precies overeen met meerdere kale plekken op het talud. Zand werd zichtbaar bij L(u2 – uc2) = 2665 m2/s2 en als het gat rondom de boom niet met doek was afgedekt, dan was dit ook ongeveer de bezwijkbelasting. Deze komt dan goed overeen met de bezwijkbelasting voor de taluds met een geconcentreerde locatie met mollengaten.

Bij de Vechtdijk zijn op een aparte sectie van de dijk hydraulische metingen uitgevoerd, waarbij snelheden, laagdikten, overslagduren en luchtinsluitingen werden gemeten. Hierbij ging het dus niet om het gedrag van het talud, maar alleen om de metingen. Bij de hydraulische metingen is de simulatie van golfoverslag volkomen anders uitgevoerd dan bij de normale proeven. Bij de normale proeven is steeds gedurende zes uur een gemiddeld golfoverslagdebiet gesimuleerd door de daarbij behorende overslaande golfvolumes in willekeurige volgorde over het talud los te laten. Bij de hydraulische metingen is maar een relatief klein aantal overslaande golfvolumes los gelaten en dan ook nog steeds in toenemende grootte. In totaal zijn maar 40 overslaande golfvolumes losgelaten, oplopend van 200 l/s per m naar 5500 l/s per m.

Als het idee van cumulatieve overbelasting werkt, zou het ook bij deze serie van hydraulische metingen moeten werken. Voor en na de hydraulische metingen zijn foto's gemaakt. Na de hydraulische metingen waren over het talud meerdere (kleine) kale plekken te zien en was onderaan het talud een wat grotere plek ontstaan. De foto's passen het best bij het schadecriterium meerdere kale plekken op het talud .

De cumulatieve overbelasting bij de hydraulische metingen, met uc = 4 m/s, bedroeg 964 m2/s2. Dit is vrijwel dezelfde belasting die gevonden is voor meerdere kale plekken met L(u2 – uc2) = 1000 m2/s2. De schade bij deze erg korte meetsessie, met wel een aantal grote overslaande golfvolumes, kan dus goed worden vergeleken met de schade bij de andere

proeven, waar gedurende lange tijd een bepaald overslagdebiet is aangehouden. Daarmee is dit een eerste validatie van het concept van cumulatieve overbelasting.

Het traject van begin van schade naar bezwijken kan echter aanzienlijk verschillen. Bij de proeven op de Boonweg (2008) ontstond er tot een groot overslagdebiet van 75 l/s per m geen enkele schade aan het talud. Bij twee van de vier proeven ontstond bij dit overslagdebiet wel een eerste schade en deze leidde binnen korte tijd tot bezwijken van het talud. Begin van schade en bezwijken zaten hier heel dicht bij elkaar. Op de Afsluitdijk (2009) stroopte het gras gemakkelijk van het talud. Begin van schade werd hier dan ook bij een laag overslagdebiet al geconstateerd (soms al bij 10 l/s per m). Maar de resterende toplaag met wortels was zeer erosiebestendig en het talud kon gemakkelijk het overslagdebiet van 75 l/s per m aan en is niet bezweken.

Deze voorbeelden tonen aan dat begin van schade niet een geschikt criterium is voor ontwerp of toetsing. Veel meer moet worden gekeken naar wanneer de grasbekleding als geheel, inclusief de toplaag van de grasbekleding, bezwijkt. Een eerste analyse van alle uitgevoerde proeven met de theorie van cumulatieve overbelasting en vastgestelde kritische snelheid voor de Vechtdijk van 4 m/s, heeft een voorlopig totaalbeeld gegeven.

Globaal zouden we op basis van de analyse kunnen zeggen dat bezwijken van een talud optreedt bij een cumulatieve belasting van 3500 m2/s2. Dit is een enigszins conservatieve schatting. De volgende kritische snelheden gelden dan voor de onderzochte dijken (met tussen haakjes het kritische overslaande golfvolume):

Delfzijl: 6.3 m/s (2 m3/m) - aanname dat het talud meer dan 50 l/s per m kon hebben Boonweg: 6.3 m/s (2 m3/m)

St Philipsland: 5 m/s (1 m3/m)

Kattendijke: 6.3 m/s (2 m3/m) Afsluitdijk: > 6.3 m/s (> 2 m3/m) Vechtdijk: 4 m/s (0,5 m3/m)

In de periode dat deze handreiking werd geschreven zijn verdere proeven uitgevoerd in België (bij Tielrode, ten zuiden van Antwerpen, aan de Schelde) en ook op Tholen. In beide gevallen zijn daar dijksecties onderzocht die veel eerder bezweken dan bij de onderzoeken in al de jaren daarvoor, zoals boven omschreven. Zie ook de Bijlage B met foto's en overzichtstabel. In de onderzochte gevallen was sprake van een zeer slechte grasmat, zoals ruigtebegroeiing (België, geen enkel grasbeheer) of zeer intensief beweid grasland (erg kaal, veel mos) of maaibeheer dat resulteerde in veel open plekken zonder gras of wortels (Tholen). Eigenlijk was geen grasmat aanwezig die enige bescherming bood tegen erosie door overslaande golven. Bij aanvang van de proeven in België was snelle schade en bezwijken wel verwacht, mede omdat de ondergrond niet uit klei maar uit leemhoudend zand bestond. Samen met de ruigtebegroeiing was wel ingeschat dat dit geen sterke dijk zou zijn.

Bij Tholen was dit in eerste instantie niet ingeschat. Pas na afloop van de proeven en met het gereed komen van het grasonderzoek (uitsluitend slecht gras , zie ook de overzichtstabel in de Bijlage B) werd duidelijk dat deze grasmat nauwelijks enige bescherming bood tegen erosie door golfoverslag. Eerste schade ontstond vaak al bij 1 l/s per m overslag en bezwijken van het talud bij 5-30 l/s per m. De cumulatieve overbelasting is veel kleiner dan 3500 m2/s2, bij aanname van de laagst te hanteren kritische snelheid van 4 m/s (overzichtstabel Bijlage B).

De onderzoeken in België en Tholen zijn momenteel wel in een factual report beschreven, maar nog niet in detail geanalyseerd, zoals voor eerdere onderzoeken wel is gedaan. Het is wel duidelijk geworden dat de beoordeling van de grasbekleding essentieel is en dat er grote

verschillen zijn tussen de erosiebestendigheid van een goede grasbekleding en een slechte grasbekledingen. Een tussenvorm, zoals bijvoorbeeld aangehouden in [23] (‘matige graszode’) lijkt niet aan de orde. Een goede grasbekleding is een op het oog gesloten grasmat, zonder grote (0,15 m x 0,15 m) open plekken. Een slechte grasbekleding is een bekleding die hier niet aan voldoet. Een goede grasbekleding geeft een grote sterkte tegen golfoverslag, een slechte nauwelijks. Er is nog wel onderscheid in de sterkte van de grasbekleding als er een goede graszode aanwezig is, zie de verschillende kritische snelheden die bovenstaand zijn gevonden, maar deze hangt niet alleen af van de graszode zelf, maar ook van de ondergrond. Momenteel is nog niet direct te voorspellen wat de werkelijke kritische snelheid voor een bepaald talud zal zijn en hier is meer onderzoek voor nodig. Wat niet betekent dat de methode van cumulatieve overbelasting niet kan worden gebruikt, zie Paragraaf 6.2.6.

De recente proeven hebben aangetoond dat er grasbekledingen zijn waarbij de grasmat geen of nauwelijks sterkte geeft tegen erosie door golfoverslag. Dit betekent dat de methode van cumulatieve belasting hier ook niet moet worden toegepast, ook niet met een erg lage waarde voor de kritische snelheid. Bij dit soort grasbekledingen moet gesteld worden dat er niet of nauwelijks golfoverslag in maatgevende omstandigheden mag worden toegelaten. De toetsing is hier inmiddels ook op ingericht (zie paragraaf 7.5).

De overslagproeven met de golfoverslagsimulator in de jaren 2007-2011 hebben veel resultaat en inzicht opgeleverd omtrent sterkte van een op het oog gesloten grasbekleding op kruin en binnentalud van dijken bij golfoverslag. De snelheden in overslaande golven zijn belangrijk en deze kunnen bij gegeven golf- en overslagcondities worden berekend. De grote vraag bij het toepassen van de methode van cumulatieve golfoverbelasting is echter: wat is de kritische snelheid die voor de dijk moet worden aangehouden?

Ten eerste geldt dat deze kritische snelheid moet worden gebaseerd op de te verwachten sterkte van de toplaag, dus van de eerste 0,2 m bestaande uit de graszode en rest van de doorwortelde toplaag. Het gaat dus niet om begin van schade aan het grastalud en ook niet om schade op meerdere plekken op het talud, maar om bezwijken van de toplaag. Een toplaag blijkt erg erosiebestendig te kunnen zijn, zelfs als deze uit zand bestaat, wat zonder meer is aangetoond bij de proeven op de Vechtdijk. Het vaststellen of de toplaag gecementeerd is (zie paragraaf 3.3.1), zou daarbij een sterke aanwijzing kunnen geven. Ook de doorwortelde toplaag van de Afsluitdijk was veel erosiebestendiger dan aangenomen mocht worden op basis van de kleikwaliteit. Ook hier zou cementatie een rol gespeeld kunnen hebben. Bij de proeven in België en bij Poortvliet, Tholen, ontbrak een goede (op het oog gesloten) grasbekleding. Vroeg bezwijken was het gevolg.

Bijlage B geeft in de samenvattende tabel een overzicht van gras- en kleibeoordeling bij de verschillende uitgevoerde onderzoeken. De doorworteling en bedekking bij Delfzijl was volgens de vigerende leidraden slecht. Die bij de Boonweg goed. Bij Delfzijl was erosie- bestendige klei met een laag zandgehalte aanwezig, bij de Boonweg juist een erosiegevoelige klei met veel zand. Kattendijke kwam vrijwel met de Boonweg overeen, met iets minder zand in de klei. Geen van allen gaven schade. Het is niet voor de hand liggend wat de doorslag geeft.

Bij St Philipsland kwamen doorworteling en kleikwaliteit overeen met Kattendijke en vrijwel met de Boonweg. Alleen was de bedekking bij St Philipsland erg laag (het laagste van alle proeven tot en met 2010). Dit talud bezweek bij een cumulatieve belasting van 5400 m2/s2 als een overslaand kritische snelheid van 5 m/s wordt aangehouden. Wat betreft bezwijken was

St Philipsland, de Vechtdijk niet meegerekend, toen de zwakste dijk. De meest in het oog springende afwijkende eigenschap van het talud was de grasbedekking, waarmee de grasbedekking wel eens een rol zou kunnen hebben in het bepalen van een kritische snelheid.