Waterspanningsopbouw als gevolg van golfoverslag - Modellen

Bij een langdurige golfoverslagdebiet groter dan 0,1 l/s per m, kan worden verondersteld dat de dijk volledig wordt verzadigd. Indien het talud stabiel is bij volledige verzadiging, dan hoeft er verder geen aandacht te worden besteed aan de waterspanningsopbouw als gevolg van infiltratie. Als dit niet het geval is, dan kan via onderstaande methode worden gekeken of, en hoeveel, de waterspanning minder is dan in het geval van volledige verzadiging.

De potentiële waterspanningsopbouw in en onder de bekledingslaag is afhankelijk van het type dijk (kleikern of zandkern met bekledingslaag), de infiltratiecapaciteit van de bekleding en van de tijd dat er een waterlaagje op het talud aanwezig is. Ook neerslag en de indringing van een hoge buitenwaterstand kan, indien deze tot onder het binnentalud reikt, zorgen voor extra waterspanningen die een bedreiging vormen voor de stabiliteit van de bekleding. Hoe de waterspanningsopbouw als gevolg van neerslag en een hoge buitenwaterstand kunnen

worden berekend staat in het Technisch Rapport Waterspanningen bij Dijken en dienen te worden opgeteld bij de waterspanningsopbouw als gevolg van golfoverslag.

De potentiële waterspanningsopbouw als gevolg van golfoverslag kan als volgt worden bepaald:

1. Bepaling infiltratietijd gedurende een storm.

2. Bepaling van de infiltratiecapaciteit van de bekleding en het infiltratievolume.

3. Bepaling van de potentiële drukopbouw.

   De potentiële waterspanningsopbouw moet worden gebruikt bij de beoordeling van de stabiliteit van de bekleding.

   Stap 1 – bepaling infiltratietijd

   De infiltratietijd is de tijd dat het talud nat is en er infiltratie optreedt. Uit golfoverslagproeven op verschillende Nederlandse dijken blijkt dat elk overslagvolume het talud tot circa 30 s kan voorzien van een waterlaagje (zie paragraaf 4.2.6).

   Voor de bepaling van de infiltratietijd zijn het waterstandsverloop en het verloop van golfkarakteristieken met de tijd van belang. Tevens moet gebruik worden gemaakt van de formules in hoofdstuk 4 voor de berekening van het gemiddelde overslagdebiet.

   

   Figuur 6.5 Voorbeeld schematisatie waterstandverloop voor de bepaling van de infiltratietijd

   Vanaf het moment dat de waterstand in combinatie met het golfregime hoger wordt dan de waterstand die hoort bij een gemiddeld overslagdebiet van 0,1 l/s per m, moet rekening worden gehouden met infiltratie door golfoverslag. Onder deze waarde van 0,1 l/s per m kan infiltratie door golfoverslag worden verwaarloosd.

   Het eenvoudigst is om uit te gaan van constante golfkarakteristieken gedurende de tijd dat een overslagdebiet groter dan 0,1 l/s per m optreedt. In het voorbeeld van Figuur 6.5 betekent dit dat er wordt uitgegaan van een gemiddeld overslagdebiet van 5 l/s per m

   gedurende t1+t2+t3. Optimalisatie is mogelijk door de tijdsperiode op te knippen, bijvoorbeeld in een tijd waarbinnen het overslagdebiet 1 l/s per m is (t1+t2 gedeeltelijk +t3) en een tijd waarbinnen deze 5 l/s per m is (t2 gedeeltelijk). Ook de golfhoogte en periode kunnen scherper worden bepaald, bijvoorbeeld door de waterdieptebeperking van de golfhoogte mee te nemen.

   Voor de combinatie(s) van waterstand en bijhorende golfkarakteristieken kan uit de grafieken in Figuur 6.6 worden afgelezen hoeveel procent van de tijd het talud nat is.

   

   Figuur 6.6 Grafieken voor de bepaling van de infiltratietijd (% van stormduur) afhankelijk van de significante golfhoogte Hs (m) voor een gemiddelde overslagdebiet (0,1-1-2-5 en 10 l/s per m)

   Vermenigvuldiging van dit percentage met t1+t2+t3, of de deeltijden indien deze is opgeknipt, wordt de infiltratietijd verkregen. De grafieken zijn gemaakt voor gemiddelde overslagdebieten van 0,1 tot en met 10 l/s per m. Tussen deze waarden kan worden geïnterpoleerd. De grafieken zijn gebaseerd op berekeningen volgens het Technisch Rapport Golfoploop en Overslag [6], voor een glad buitentalud 1:4 en een golfsteilheid van 0,05 (-) gebaseerd op de diepwater golflengte en de piekperiode. Het rekenen met andere buitentaluds en golfsteilheden, binnen de grenzen van wat normaal voorkomt langs de Nederlandse dijken, levert slechts geringe wijzigingen op. Daarom kan de grafiek algemeen worden gebruikt. Alleen in extreme situaties kan worden gekeken of het zinvol is om hiervan af te wijken.

   Stap 2 – Bepaling infiltratiecapaciteit en infiltratievolume

   De infiltratiecapaciteit is het volume water per seconde per vierkante meter dijkoppervlak dat kan infiltreren, gegeven de aanwezigheid van een waterlaagje op het oppervlak. De dikte van het waterlaagje heeft bij golfoverslag een zeer beperkte invloed op de infiltratiecapaciteit. Het infiltratievolume is het product van de infiltratietijd (stap 1) en de infiltratiecapaciteit.

   De infiltratiecapaciteit van klei met bodemstructuur ligt tussen 1x10-5 en 1x10-4 m3/s per m2, wat gelijk is aan 0,01 – 0,1 l/s per m2 dijkoppervlak. Deze waarden zijn in aanloop naar het Technisch Rapport Klei voor Dijken bepaald aan de hand van veldinfiltratieproeven op

   tientallen dijken in Nederland. In het kader van de golfoverslagproeven in de periode 2007- 2010 zijn op verschillende locaties en op verschillende manieren veldinfiltratieproeven uitgevoerd die het bereik van 1x10-5 en 1x10-4 m3/s per m2 bevestigen. Totaal werden 21 veldinfiltratieproeven uitgevoerd op vier dijken: één zanddijk, één kleidijk en twee zanddijken met een kleibekleding.

   Een infiltratiecapaciteit van 1x10-4 m3/s per m2 kan worden gebruikt als een conservatieve waarde bij het bepalen van de potentiële waterspanningsopbouw als gevolg van golfoverslag. Hiermee kan een eerste analyse worden uitgevoerd. Dijken waarbij de infiltratietijd kort is, kunnen mogelijk zonder verdere bepaling van de infiltratiecapaciteit worden beoordeeld.

   De schatting van de infiltratiecapaciteit kan worden aangescherpt door het uitvoeren van veldinfiltratieproeven. Met behulp van deze proeven is al snel een factor 2 te winnen, wat zich direct doorvertaalt naar een factor 2 (lager) in de potentiële drukopbouw. Het gemiddelde van de veldinfiltratieproeven uitgevoerd bij de golfoverslagproeven was bijvoorbeeld 2,4x10-5 m3/s per m2.

   Voor het uitvoeren van veldinfiltratieproeven bestaat geen norm. De proeven kunnen worden uitgevoerd door het in de bekleding drukken van een stalen buis en daarin een waterlaag van enkele decimeters te zetten die langzaam in de dijk infiltreert. De snelheid van de daling van de waterspiegel geeft direct de infiltratiecapaciteit. Aandachtspunten bij het uitvoeren van deze proeven zijn als volgt:

   De buis dient vertikaal in het talud te worden gedrukt. De diameter van de buis is minimaal 0,4 m.

   Een lasrandje aan de binnenzijde van de buis bij de steekmond zorgt voor het verminderen van de kleef langs de buisrand.

   Bij een zanddijk met een kleibekleding dient de buis tot op het zand te worden gedrukt.

   Bij een kleidijk dient de buis in de orde van 0,4 m of dieper te worden gedrukt.

   De proeven moeten tijdens een vochtige periode worden uitgevoerd, zodat de grond zacht is en de buis zonder al teveel geweld kan worden ingedrukt.

   Opgemerkt wordt dat standaard laboratoriumproeven (constant head en falling head proeven) op standaard grondmonsters met een diameter van ongeveer 6 cm volstrekt ongeschikt zijn gebleken voor het schatten van de bulk-doorlatendheid van klei met bodemstructuur. De in het laboratorium verkregen doorlatendheden waren telkens veel te laag, tot een orde 1000 keer lager dan op basis van veldinfiltratieproeven.

   Het infiltratievolume is gelijk aan de infiltratietijd (Stap 1) vermenigvuldigd met de infiltratiecapaciteit. Door het volume te delen door de porositeit n (-) van de grond (zie stap 3) wordt het volume grond verkregen dat als gevolg van infiltratie kan worden verzadigd.

   Stap 3 – Bepaling potentiele drukopbouw

   De potentiële drukopbouw in een dijk als gevolg van infiltratie is, naast het infiltratievolume (Stap 2), afhankelijk van de dijkopbouw. Zo lang er een ongehinderde infiltratie in de dijk plaatsvindt, neemt de druk niet toe tot waarden die voor een normaal talud leiden tot instabiliteit. Pas als het infiltratiefront een minder doorlatende laag bereikt, of het freatische vlak in de dijk, dan kan de waterdruk oplopen, wat vervolgens kan leiden tot instabiliteit van de bekledingslaag.

   Voor de bepaling van de potentiële drukopbouw wordt daarom onderscheid gemaakt tussen:

   1. Dijken met een kleikern

   2. Dijken met een zandkern

In het geval van een kleidijk vormt de relatief ondoorlatende kern van de dijk een barrière. Een zanddijk of een zanddijk met een kleibekleding heeft geen barrière in de vorm van een minder doorlatende laag. De zandkern heeft namelijk een doorlatendheid die van gelijke orde is als de kleibekleding. In dit geval zal de druk pas oplopen als het infiltratiefront het freatisch vlak bereikt en deze doet stijgen.

Stap 3a - Kleidijk

Een ongunstige situatie voor de stabiliteit ontstaat wanneer de bekleding van een dijk volledig is verzadigd en een grondwaterstroming ontstaat parallel aan het taludoppervlak. De bijbehorende drukverdeling is het uitgangspunt bij het Edelman-Joustra stabiliteitcriterium.

Door de vorming van bodemstructuur in de jaren na aanleg van een kleidijk, zal de zone tussen het maaiveld en een diepte van circa 1,5 m onder het maaiveld een veel hogere doorlatendheid krijgen dan de kern van de dijk. De opbouw van de bodemstructuur is zodanig dat de doorlatendheid afneemt met toenemende diepte onder het maaiveld.

Het water dat vanaf het maaiveld relatief makkelijk infiltreert tussen de losse aggregaten zal met toenemende diepte meer weerstand ondervinden, omdat de aggregaten met de diepte groter worden en de stapeling van aggregaten dichter wordt. Onder een niveau van 0,8 à 1 m komen nog voornamelijk vertikale scheuren voor. De toenemende weerstand zorgt ervoor dat verdere infiltratie wordt bemoeilijkt en er ontstaat een grondwaterstroming in de richting parallel aan het talud.

De opbouw van de bodemstructuur is afhankelijk van een groot aantal factoren: samenstelling van het basismateriaal, (te hoog of te laag) vochtgehalte tijdens aanbrengen klei, vochthuishouding, neerslag en verdamping en de ontwikkeling van bodemleven (planten en dieren). Toch blijkt de opbouw van de bodemstructuur in heel veel gevallen ongeveer hetzelfde te zijn. Uitzonderingen worden gevormd door dijken waarbij de klei veel te nat is aangebracht, waarbij na aanleg grote scheuren ontstaan die later niet meer dicht gaan.

Indien het infiltratievolume volgend uit stap 2 meer is dan 125 l/m2, dan wordt aanbevolen om uit te gaan van volledige verzadiging en een stabiliteitcontrole met de formule van Edelman- Joustra (paragraaf 6.3.3) uit te voeren. Het volume van 125 l/m2 is een conservatieve, lage, schatting van het macroporiënvolume dat moet worden gevuld voordat een grondwaterstroming parallel aan het talud kan ontstaan, over de volle dikte van de laag met

bodemstructuur.

Stap 3b – Zandkern

Bij een zanddijk en een zanddijk met kleibekleding is geen barrière aanwezig die de vertikale infiltratie hindert. Het infiltrerende water bereikt door de kleibekleding en de zandkern het (initiële) freatisch vlak, dat als gevolg van het infiltrerende water zal stijgen.

De potentiële stijging van het freatisch vlak is gelijk aan het infiltratievolume, zie stap 2, gedeeld door de effectieve porositeit van het zand. Met de effectieve porositeit wordt bedoeld het poriënvolume dat nog dient te worden gevuld om te komen tot verzadiging van het zand. Zand boven het freatisch vlak is vaak al vochtig. Uit laboratoriumonderzoek is gebleken dat

een effectieve porositeit van ongeveer 0,3 (-) kan worden aangehouden, door de aanwezigheid van een watergehalte onder dagelijkse omstandigheden van circa 5-10% (-).

De op deze manier berekende stijging van het freatisch vlak moet worden opgeteld bij een eventueel berekende stijging als gevolg van de indringing van water als gevolg van een hoge buitenwaterstand door het buitentalud. Dit levert uiteindelijk het freatisch vlak in de zandkern die moet worden gebruikt voor de controle van de stabiliteit (Paragraaf 6.3.3).