Waterstandsverloop - Hydraulische randvoorwaarden

WATERSTANDSVERLOOP

Waterstandsverloop t.a.v. erosie van de onderlagen

Waterstandsverloop t.a.v. erosie van de onderlagen Nadat er initiele schade is ontstaan aan een steenzetting, wordt de reststerkte aan­ gesproken. Het gaat er daarbij om hoe lang (tijdsduur) de toplaag, de kleilaag en vervolgens de dijkkern nog weerstand kunnen bieden aan de golfbelasting. De erosie­ snelheid van verschillende componenten in de dijk, zoals de toplaag en de kleilaag, zijn in het verleden gekwantificeerd op basis van modelonderzoek, zie hoofdstuk 6. Daarbij is de relatie gelegd tussen de eigenschappen van de toplaag + granulaire laag en van de kleilaag, en de erosiesnelheid, maar bij een vaste waterstand voor de gehele belastingduur.

Het probleem doet zich nu voor dat de bekleding op een bepaald niveau op de dijk slechts gedurende een beperkte tijd zwaar wordt aangevallen door de golven, omdat het stormverloop en eventueel het getij ervoor zorgt dat de belastingzone over de dijkbekleding loopt en steeds weer een ander deel zwaar belast. Het maatgevende waterstandsverloop voor de toetsing verschilt per watersysteem en is onderdeel van de aangeleverde hydraulische randvoorwaarden; de achtergronden daarvan worden niet in dit Technisch Rapport behandeld. Uitgaand van het aangeleverde waterstandsverloop moet voor de toetsing op erosie van de onderlagen de belastingduur voor elk relevant punt op het talud worden berekend. De rekenmethode daarvoor wordt behandeld in bijlage A.1.8 van Toetsing; deze paragraaf bevat de achtergronden daarvan.

Figuur 2.3 Belastingzone voor erosie van de onderlagen

Bij het onderzoek naar de reststerkte van de toplaag is vastgesteld dat de maximale erosiesnelheid optreedt op een niveau van ongeveer 0,4Hsξ0 P onder de stilwaterlijn (SWL). Het is verder uit de proefresultaten gebleken dat de erosiesnelheid exponentieel afneemt naarmate men verder van dit maximum afkomt. Bij loodrechte golfaanval is de erosiesnelheid al ongeveer gehalveerd ten opzichte van het maximum als men de erosie bekijkt op een niveau van 0,1Hsξ0P onder SWL of 0,7Hsξ0P onder SWL. Deze invloed van de waterstand t.o.v. het beschouwde punt waar men de erosiesnelheid zou willen weten, is vereenvoudigd door te stellen dat de maximale erosiesnelheid aanwezig is in de zone tussen 0,1HsξP onder SWL en 0,7Hsξ0P onder SWL (de belastingzone, zie figuur 2.3), en dat de erosiesnelheid daarbuiten nul is. Hiermee is een strook gedefinieerd t.o.v. de stilwaterlijn waar een erosiesnelheid te verwachten is die volgt uit de formules.

Voor scheef invallende golven ( β> 20°) treedt de maximale erosiesnelheid ook ongeveer 0,4Hsξ0P onder de stilwaterlijn (SWL) op, maar is de belastingzone smaller. In dat geval ligt de belastingzone tussen 0,3Hsξ0P onder SWL en 0,5Hsξ0P onder SWL.

In de toetsingspraktijk wordt het probleem vanaf de andere kant benaderd: men heeft een niveau op de dijk gekozen waar men de reststerkte zou willen kwantificeren en vergelijken met de belastingduur. Voor de toetsing is het dus nodig om te bepalen hoe lang de schuivende belastingstrook op het betreffende niveau ligt; dit is de belastingduur die in de toetsing wordt gebruikt. Vanzelfsprekend is de totale stormduur daarvoor een bovengrens.

Waterstandsverloop t.a.v. statische overdruk

Gedurende een storm of hoogwaterperiode varieert de waterstand. Hierdoor kan de golfbelasting dan ook steeds op een ander gedeelte van het talud aangrijpen, zie 2.5.1. In deze paragraaf gaat het echter niet over de golfbelasting, met golfperiodes van enkele seconden, maar over de relatief langzame fluctuatie van de stilwaterstand, waarbij in de orde van grootte van uren kan worden gedacht. Tussenvormen hiervan kunnen vrij snelle waterstandsdalingen in kanalen (scheepvaartbelasting) of seiches in havenbekkens zijn.

Speciaal van belang is de situatie dat de waterstand in een beperkte tijdsduur tot een maximum stijgt en daarna in een periode van een aantal uren aanzienlijk daalt. In deze paragraaf wordt aandacht besteed aan de vraag wanneer dit ten aanzien van

de grondmechanische stabiliteit of de stabiliteit van gepenetreerde of dichtgeslibde bekledingen een probleem is. Daarbij wordt niet specifiek op de rekenregels ingegaan (want dat gebeurt in de paragrafen 4.2 en 8.4).

waterstandsverloop voor de verschillende watersystemen

In dit hoofdstuk wordt vooral gesproken over waterstandsvariatie die primair door het getij en stormopzet wordt aangedreven. Dit is de maatgevende situatie langs de kust. Ook op de meren is een verloop van de waterstand aanwezig dat voor een belangrijk deel bepaald kan worden door stormopzet met een beperkte tijdsduur. In deze beide gevallen is er sprake van een waterstand die in een beperkte tijdsduur tot een maximum stijgt en daarna in een periode van een aantal uren aanzienlijk daalt.

Voor het rivierengebied gelden andere verlopen van de maatgevende waterstand. In het bovenrivierengebied wordt het waterstandsverloop bepaald door de maatgevende rivierafvoer. Snelle schommelingen van de waterstand zijn hier niet aan de orde. In het benedenrivierengebied is sprake van een combinatie van rivierafvoer, getij en stormopzet, dus daar spelen snelle schommelingen wel een rol. In vergelijking met de kust zijn deze schommelingen minder groot en minder snel.

Voor het verloop van de waterstand tijdens maatgevende omstandigheden kan voor de toetsing verwezen worden naar het Voorschrift Toetsen op Veiligheid [lit.45]. Bij ontwerp is dit een wat complexer vraagstuk, omdat in het waterstandsverloop rekening gehouden moet worden met een langere planperiode. Dat kan inhouden dat zeespiegelrijzing en/of hogere rivierafvoeren en/of zwaardere stormen in het waterstandsverloop moeten worden verdisconteerd. In het algemeen zullen bij ontwerp afspraken moeten worden gemaakt met het bevoegd gezag over de wijze waarop dit moet worden gedaan.

statische waterdrukken in de granulaire laag

Van belang voor het ontstaan van opwaarts gerichte waterdrukken op de toplaag is de ligging van de freatische lijn in de granulaire laag. Bij een open steenzetting met relatief grote doorlatendheden wordt de ligging van de freatische lijn geheel bepaald door de ligging van de buitenwaterstand. In geval van kleinere doorlatendheden, bijvoorbeeld doordat de toplaag is gepenetreerd, en mogelijk ook als de granulaire laag en de toplaag zijn dichtgeslibd, kan de situatie zich voordoen dat de freatische lijn enige tijd nodig heeft om zich aan te passen aan een verandering in de buitenwaterstand. Er ontstaan dan drukverschillen over de toplaag, zie figuur 2.4.

Figuur 2.4 Het ontstaan van opwaartse drukverschillen onder de

bekleding

Dit verschijnsel is bij stormmetingen en getijmetingen geconstateerd bij gepenetreerde en bij dichtgeslibde steenzettingen [lit.15], zie 3.7.2. De gedachte achter getijmetingen is dat de meting vervolgens kan worden nagerekend om de eigenschappen, met name de doorlatendheden van toplaag en granulaire laag, te bepalen. Met die doorlatendheden kan vervolgens een berekening worden gemaakt voor de maatgevende omstandigheden om na te gaan wat onder die omstandigheden de maximale opwaartse druk zou kunnen worden. In theorie kan die opwaartse druk gemakkelijk oplopen tot waarden die groter zijn dan het gewicht van de toplaag, en zou de toplaag dus kunnen afschuiven of opgedrukt worden.

In principe kan dit narekenen en voorspellen met het model ZSteen worden uitgevoerd (zie 3.5.1), maar in de praktijk blijkt dat dit model vaak te beperkt is, omdat, bij deze lage doorlatendheden van toplaag en granulaire laag, de aanname dat de ondergrond ondoorlatend is ten opzichte van de granulaire laag niet meer geldt. Een tijdsafhankelijk grondwaterstromingsmodel als Seep/W is dan beter geschikt (zie 4.3.1).

In theorie kan dit gedrag analytisch worden voorspeld, zie [lit.15] en [lit.16]. In werkelijkheid blijkt de voorspellende waarde van deze theorie beperkt, maar een interessant begrip uit deze theorie is het begrip 'lektijd'. Net als bij het begrip 'leklengte' leidt een kleine waarde voor de lektijd tot kleine drukverschillen, en een grote waarde voor de lektijd tot grote drukverschillen, bij een wisselende stilwaterstand. Zo volgt uit de theorie dat de statische drukverschillen toenemen met:

• een toenemende leklengte (dus onder andere een afnemende toplaagdoorlatendheid);
• een toenemende porositeit van de granulaire laag (vanwege de grotere berging in de granulaire laag);
• een afnemende doorlatendheid van de granulaire laag;
• een flauwer talud;
• een groter hoogteverschil waarover de ondoorlatende bekleding aanwezig is;
• een minder doorlatende teenconstructie.

Zonder ingewikkelde formules kan de tendens al worden aangegeven. Grotere statische waterdrukken kunnen verwacht worden bij een weinig doorlatende toplaag en granulaire laag, een groot hoogteverschil waarover dit het geval is, en een weinig doorlatende teenconstructie.

statische waterdrukken onder de bekleding (grondmechanische stabiliteit)

In de dijk zelf kan onder bepaalde voorwaarden ook een hoge freatische grondwaterstand ontstaan, vergelijkbaar met een hoge freatische /ijn in de granulaire /aag uit de vorige paragraaf [lit.17]. Als de buitenwaterstand zakt, dan kan dit wellicht de grondmechanische stabiliteit van de steenbekleding (inclusief klei-onderlaag) nadelig be invloeden. Dit verschijnse/ is dus van belang voor het faalmechanisme afschuiving.

De opbouw van de dijk is hierbij essentieel. Om dit te verduidelijken zijn figuur 2.5 en figuur 2.6 opgenomen.

Figuur 2.5 Zanddijk

Figuur 2.6 Aangevulde kleidijk

Bij een zanddijk is aan de buitenzijde veelal een klei-afdekking aanwezig onder de · steenzetting. Boven de gemiddeld hoogwaterlijn kan deze kleilaag door uitdroging (scheurvorming) en bodemstructuurvorming redelijk waterdoorlatend zijn geworden. Er kan bij hoogwaterstanden dus water door de klei-onderlaag boven de hoogwaterlijn dringen, richting de kern van de dijk. Bij een dijk die uniform uit zand bestaat is dit naar verwachting geen probleem: dit water kan naar de polderzijde wegstromen, zodat een hoge freatische grondwaterstand niet voor de hand ligt.

Bij een aangevulde kleidijk is dit anders. De oude kleidijk verhindert afstroming naar de polderzijde. Tussen de oude kleidijk en de klei-onderlaag onder de steenzetting kan zich tijdens hoogwater een hoge grondwaterstand in het zand opbouwen. Omdat de klei­ onderlaag in de getijzone niet is uitgedroogd en daardoor ook weinig bodemstructuur zal vertonen is deze laag betrekkelijk waterondoorlatend. Als de hoge buitenwaterstand zakt, dan kan het water in de kern deze daling niet volgen. Er ontstaat onder de kleilaag een opwaartse drukopbouw die wellicht aanleiding kan zijn tot afschuiving van de klei­ onderlaag, inclusief de steenzetting die hierop ligt. Of dit daadwerkelijk tot problemen kan leiden zal nog nader onderzocht warden door combinatie van grondwaterstromings- en sterkteberekeningen. Dit vergt nog enige studie. lo kan bijvoorbeeld de weerstand tegen afschuiven van de teenconstructie hierbij een belangrijke rol spelen, maar dat is vooralsnog moeilijk in te schatten. In de huidige ontwerp- en toetsmethode warden voor deze situatie geen rekenregels gegeven, zie Ontwerp en Toetsing