Analyse metingen en berekeningsresultaten - Bijlage 1

b1.3 Analyse metingen en berekeningsresultaten

b1.3.1 Algemeen

Het verloop van de waterspanningen in de diepte blijkt afhankelijk te zijn van het materiaal waaruit het dijklichaam is opgebouwd (klei of zand, eventueel met klei-afdekking) en waaruit ondergrond is opgebouwd (zand of samendrukbare lagen klei en/of veen). Zo zijn de volgende gevallen te onderscheiden: Geval 1A: kleikern en samendrukbare ondergrond;

Geval 1B: kleikern en zand als ondergrond;

Geval 2A: zandkern (met al dan niet dichte afdekking) en samendrukbare ondergrond;

Geval 2B: zandkern (met al dan niet dichte afdekking) en zand als ondergrond.

Opgemerkt wordt dat, indien voor de gevallen 1A en 2A een tussenzandlaag in de ondergrond aanwezig is, deze veiligheidshalve als watervoerend pakket wordt beschouwd.

Voor de bovengenoemde gevallen kan de hoogte van het freatisch vlak afhankelijk worden gesteld van:

• de geometrie van de dijk (onder andere dijkbasisbreedte en eventueel kruinbreedte);

• polderpeilen en waterstanden welke in de normale situatie aanwezig zijn;

• het MHW;

• het al dan niet stationaire karakter van de grondwaterstroming;

• Stijghoogte in eerste watervoerend pakket

  de aanwezigheid van een al dan niet dichte afdekking op het buitentalud (klei of asfalt).

  De stijghoogte van het grondwater in het eerste watervoerend pakket kan afhankelijk worden gesteld van:

• het al dan niet optreden van de grenspotentiaal waarbij rekening dient te worden gehouden met de aanwezigheid van een sloot in de stabiliteitzone. Tevens dient rekening te worden gehouden met het waterspanningsverloop in de indringingslaag of grenslaag;

• Waterspanning in samendrukbare lagen

  b1.3.2 Schematisatie van het freatisch vlak en de stijghoogte

  b1.3.3 Freatisch vlak

  Geval 2A: Zandkern en samendrukbare ondergrond

  b1.3.4 Stijghoogte in het eerste watervoerend pakket

  de aanwezigheid van een ondoorlatend pakket buitendijks van voldoende dikte.

  Bij normale omstandigheden heerst er in samendrukbare of slecht doorlatende lagen in de ondergrond een bepaalde waterspanningsverdeling over de diepte. Als de stijghoogte in het eerste watervoerend pakket stijgt als gevolg van een stijgende buitenwaterstand, zal dit niet direct leiden tot een verhoging van de waterspanningen in de samendrukbare lagen, omdat deze tevens slecht doorlatend zijn. Het effect van de verhoging van de stijghoogte dringt slechts langzaam door in de samendrukbare lagen, met als gevolg dat alleen onderin de samendrukbare lagen de waterspanningen een verhoging te zien zullen geven als gevolg van de hogere stijghoogte.

  De hoogte onderin de samendrukbare lagen waarover de verhoging van de stijghoogte in het eerste watervoerend pakket merkbaar is wordt wel aangeduid met indringingslaag of grenslaag.

  Voor de genoemde vier gevallen wordt hierna de wijze beschreven waarop het freatisch vlak en de stijghoogte in het eerste watervoerend pakket kunnen worden bepaald.

  Het verloop van de waterspanning tussen het freatisch vlak en het eerste watervoerend pakket wordt lineair verondersteld. In het zand worden de waterspanningen hydrostatisch aangenomen.

  Geval 1A en 1B: Kleikern op samendrukbare of zandondergrond

  In figuur b1.1 is aangegeven hoe het freatisch vlak bij MHW kan worden bepaald.

  

  Figuur b1.1 Freatisch vlak voor de gevallen 1A en 1B

  De punten A, B, C en D en de lengte L worden als volgt bepaald:

  C = Hoogte van het freatisch vlak ter plaatse van de buitenteen van de dijk:

  • indien schaardijk dan punt C1op het buitentalud (gemiddelde buitenwaterstand);

  • indien voorland dan:

    . indien sloot dan punt C2 op het sloottalud (slootpeil / polderpeil);

    . indien geen sloot dan punt C3 ter plaatse van de buitenteen (overgang maaiveld- buitentalud).

    D = Hoogte van het freatisch vlak ter plaatse van de binnenteen van de dijk:

  • indien sloot dan punt D1 op het sloottalud (slootpeil / polderpeil);

  • indien geen sloot dan punt D2ter plaatse van de binnenteen (overgang maaiveld-buitentalud).

    L = Breedte van de dijkbasis:

  • Afhankelijk van de locaties van de punten C en D dient de lengte L1of L2te worden gehanteerd.

  De locatie punt B wordt bepaald door de horizontale indringingsdiepte I. Het belang van niet stationaire effecten kan worden bepaald met deze indringingsdiepte. De indringingsdiepte I kan worden bepaald aan de hand van de volgende formule:

  

  waarin:

  kz  = doorlatendheid materiaal in de dijk [m/s] H0 = waterdiepte t.o.v. slecht doorlatende lagen [m]

  t     = duur hoogwatergolf bij MHW [s]

  nz  = porositeit materiaal in de dijk [-]

  Een veilige aanname is om het intreepunt (buitendijkse zijde van l) aan te nemen op het buitentalud, halverwege het punt waar het toetspeil aansluit op het buitentalud en het punt waar het GHW aansluit op het buitentalud.

  L is de horizontale lengte tussen het intreepunt I op het buitentalud en het uittreepunt U op binnentalud (zie figuur b1.2).

  

  Figuur b1.2 Stijging van het freatisch vlak als gevolg een stijging van de buitenwaterstand

  Door de verhoging van de buitenwaterstand stijgt het freatisch vlak in de dijk. De tijd, die verstrijkt met het stijgen van het freatisch vlak is gekoppeld aan de afstand tussen de plaats P en het intreepunt I. Dichtbij het buitentalud stijgt het freatisch vlak snel met een verhoging van de buitenwaterstand, nabij het binnentalud duurt dit langer.

  De indringdiepte is een maat voor de afstand waarbinnen de verhoging van de buitenwaterstand effect heeft op het freatisch niveau, binnen een tijdinterval t, hier de duur van een hoogwaterperiode. Bij een korte hoogwaterperiode is het effect van de verhoging van waterstand nog niet doorgedrongen tot aan het binnentalud, terwijl de waterstand al weer afneemt. Anders geformuleerd: indien de indringdiepte l kleiner is dan L, dan zal het verhang nabij het binnentalud naar verhouding kleiner zijn.

  Deze aanpak is slechts geldig als het dijklichaam zich op ondoorlatende grondlagen bevindt. Bij een dijk op doorlatende lagen stijgt het freatisch niveau nabij het binnentalud binnen een tijdsbestek dat een orde kleiner is dan bij ondoorlatende lagen.

  Met behulp van niet-stationaire grondwaterstromingsberekeningen kan de locatie van het uittredepunt U op het binnentalud worden bepaald en daarmee de grootte van het maximale verhang. Deze berekening is complex en wordt daarom alleen als laatste redmiddel gebruikt.

  In figuur b1.3 is aangegeven hoe het freatisch vlak bij MHW kan worden bepaald.

  

  Figuur b1.3 Freatisch vlak voor gevallen 2A

  Ter bepaling van de hoogte van het freatisch vlak wordt voor deze gevallen onderscheid gemaakt in een dijk met een gesloten of een open bekleding op het buitentalud. Een kleilaag met een dikte kleiner dan 1,5 m dient in dit geval vanwege natuurlijke structuurvorming als een open bekleding te worden beschouwd. Het freatisch vlak dient bij een doorlatende bekleding lineair verlopend van punt C1 naar D1 of D2 te worden aangenomen.

  De punten C, D en E worden als volgt bepaald:

  C = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van het buitentalud van de dijk:

  • indien dichte bekleding op het buitentalud dan via C1op het buitentalud naar C2op de overgang tussen de dichte bekleding en de zandkern op 0,5*h onder C1 en vervolgens naar punt D;

  • indien open bekleding op buitentalud dan via punt C1op het buitentalud naar punt D.

    D = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van het binnentalud van de dijk:

  • punt D1 op het binnentalud op 0,25*h boven het maaiveld;

  • indien een goed functionerende drainageconstructie aanwezig is, verloopt het freatisch vlak van punt C naar het midden van de drainage-constructie (punt D2).

    E = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van de binnenteen van de dijk:

  • indien sloot dan punt E1 op het sloottalud (slootpeil / polderpeil);

  • Geval 2B: Zandkern en zand als ondergrond

    indien geen sloot dan punt E2ter plaatse van de binnenteen (overgang maaiveld-buitentalud).

    In figuur b1.4 is aangegeven hoe het freatisch vlak bij MHW kan worden bepaald.

    

    Figuur b1.4 Freatisch vlak voor geval 2B

    Ter bepaling van de hoogte van het freatisch vlak wordt voor deze gevallen geen onderscheid gemaakt in een dijk met een open of een gesloten bekleding op het buitentalud. Het freatisch vlak dient lineair verlopend van punt C naar D te worden aangenomen.

    De punten C, D en E worden als volgt bepaald:

    C = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van het buitentalud van de dijk

    . D = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van het binnentalud van de dijk:

  • punt D1 op het binnentalud op 0,25*h boven het maaiveld;

  • indien een goed functionerende drainageconstructie aanwezig is verloopt het freatisch vlak van punt C naar het midden van de drainageconstructie (punt D2).

    E = Hoogte freatisch vlak ter plaatse van de binnenteen van de dijk:

  • indien sloot dan punt E1 op het sloottalud (slootpeil / polderpeil);

  • indien geen sloot dan punt E2ter plaatse van de binnenteen (overgang maaiveld-buitentalud).

  Geval 1A en 2A: Klei- of zandkern op samendrukbare ondergrond

  De stijghoogte in het eerste watervoerend pakket bij MHW is afhankelijk van het al dan niet opdrijven van de samendrukbare laag:

• indien opdrijven niet aan de orde is verloopt de stijghoogte via de punten F, C1ter plaatse van de binnenteen, D1, E1 en G1 (zie figuur b1.5);

• indien opdrijven wel aan de orde is verloopt de stijghoogte via de punten F, C2ter plaatse van de binnenteen, D2, E2 en G2.

  

  Figuur b1.5 Waterspanningen in watervoerend pakket voor geval 1A en 2A

  Punt F ligt ter hoogte van het MHW en de locatie van dit punt is afhankelijk van het intreepunt volgens figuur

  5 - 4.6 uit Katern 5 van de VTV. In de opdrijfzone L (van punt C2naar punt D2) treedt opdrijven op. De hoogte van de punten C2 en D2 is afhankelijk van de grenspotentiaal.

  Onderzoek heeft aangetoond dat opdrijven de potentiaal zodanig reduceert dat opdrijven van het achterliggende gebied (achter punt D) niet optreedt. Het lijnstuk D2 - E2wordt onder een helling van 1 : 50 aangenomen.

  Voor de hoogten van de punten E2 en G2 kan Gemiddeld HoogWater (GHW) worden aangehouden.

  Indien een sloot aanwezig is, dan is gerekend met een gewichtsvermindering van de samendrukbare laag onder de sloot met een spreiding van 2:1 (zie figuur 1.6):

• bij een dikte van de samendrukbare laag groter dan B (= slootbreedte op maaiveldniveau) wordt geen reductie meer toegepast; de in rekening te brengen maximale waterspanning tegen de onderkant van de samendrukbare laag is dan gelijk aan het volumegewicht van de samendrukbare laag vermenigvuldigd met de hoogte H1;

• bij een dikte van de samendrukbare laag onder de sloot kleiner dan b (= de slootbodembreedte) is de in rekening te brengen maximale waterspanning tegen de onderkant van de samendrukbare laag gelijk aan het volumegewicht van de samendrukbare laag onder de slootbodem vermenigvuldigd met de dikte H2, vermeerderd met de het volumegewicht van water vermenigvuldigd met de waterdiepte in de sloot;

• bij een dikte van de samendrukbare laag onder de slootbodem kleiner dan B, maar groter dan b is de in rekening te brengen maximale waterspanning tegen de onderkant van de samendrukbare laag gelijk aan het volumegewicht over de hoogte H3, vermenigvuldigd met de hoogte H3, vermeerderd met de het volumegewicht van water vermenigvuldigd met de waterdiepte in de sloot.

  

  Figuur b1.6 Bepaling effectieve laagdikte voor opdrijven bij sloot

  De stijghoogte in het eerste watervoerend pakket onder normale omstandigheden (bij GHW) bepaalt het waterspanningsverloop in de onderzijde van de samendrukbare laag (de 'indringingslaag'):

• indien opdrijven bij GHW niet aan de orde is verloopt de stijghoogte in het eerste watervoerend pakket via de punten A, B, E2 en G2;

• indien opdrijven onder normale omstandigheden wél aan de orde is dient het verloop van de stijghoogte op dezelfde wijze te worden uitgevoerd zoals beschreven bij het bepalen van de stijghoogte bij MHW.

Door langzame indringing in de samendrukbare laag van het effect van een verhoging van de stijghoogte in het eerste watervoerend pakket als gevolg van het MHW (consolidatie) zal de waterspanning in de indringingslaag toenemen, zoals aangegeven in figuur b1.5.

In bijlage b4.3 is een eenvoudige formulering gegeven om de dikte van de indringingslaag te berekenen. Indien benodigde parameters ontbreken kan voor de dikte van de indringingslaag 3,0 m worden aangenomen voor het bovenrivierengebied en merengebied en 1,0 m voor het benedenriviergebied en langs de zee en estuaria.

Geval 1B: Kleikern en zand als ondergrond

Voor dit geval verloopt de stijghoogte in het eerste watervoerend pakket bij MHW van punt A naar punt B (zie figuur b1.7). Door consolidatie aan de onderzijde van de samendrukbare laag zal, ten gevolge van de stijghoogte in het eerste watervoerend pakket bij MHW, de waterspanning in de 'indringingslaag' toenemen zoals in de figuur is weergegeven. Voor de dikte van de indringingslaag wordt verwezen naar geval 1A en 2A.

Figuur b1.7 Waterspanningen in het eerste watervoerend pakket voor geval 1B

Geval 2B: zandkern en zand als ondergrond

Voor dit geval dienen de waterspanningen hydrostatisch ten opzichte van het freatisch vlak te worden aangenomen.

b1.3.5 Uitzonderingsgevallen en opmerkingen

Ten gevolge een aantal aspecten kan de hoogte van het freatisch vlak en van het waterspanningsverloop in het samendrukbare lagenpakket aanzienlijk afwijken van de modellering in de bovenstaande paragrafen. Dit kan er toe leiden dat een schatting van de waterspanningen volgens deze bijlage niet voldoende veilig is. Onderstaand worden de meest belangrijke uitzonderingen benoemd en toegelicht.

Afwijkende opbouw van dijk en / of ondergrond

Indien de dijk niet homogeen is opgebouwd en bijvoorbeeld niet volledig uit ondoorlatend materiaal bestaat, dan kan onder invloed van hevige neerslag of van overslag water binnendringen op plaatsen waar dat niet wordt verwacht. Water kan zich dan ophopen in bijvoorbeeld de zandige ondergrond onder een dijkweg of een vroegere dijkweg, of in een zandige aanvulling van een kleidijk. Wanneer die zandige gedeelten van de dijk zijn afgedekt door een kleilaag, kan ten gevolge van verweking na een periode met hevige neerslag plotseling bezwijken optreden. In de praktijk heeft dit verschijnsel zich recent een aantal malen voorgedaan. Naarmate de opbouw van de dijk minder homogeen is, is bijgevolg meer oplettendheid geboden.

Daarnaast is de aanname van een lineair verloop van de waterspanningen niet altijd terecht. Bijvoorbeeld indien de ondergrond niet regelmatig is opgebouwd en de doorlatendheid van de lagen verschilt. Het zou niet altijd veilig zijn wanneer het verhang over de hoger gelegen lagen kleiner zou zijn dan dat over de dieper gelegen lagen, anders gezegd, indien de doorlatendheid van de hoogst gelegen lagen in het ondoorlatende pakket relatief groot zou zijn. Deze lagen kunnen dan de neiging hebben de relatief hoge waterstand in het dijklichaam te volgen.

Omgekeerd is de schatting voor de indringlengte niet meer dan een op ervaring gebaseerde schatting. In het algemeen is gebleken dat de laagste gedeelten van een ondoorlatende deklaag erg ondoorlatend zijn. Er is evenwel nog veel onbekend over de dikte van deze laag en de factoren die de indringlengte bepalen.

Ongedraineerde belastingen

Belastingen op samendrukbare grond worden als ongedraineerd beschouwd kort nadat zij aangrijpen. De samendrukbaarheid van water is in het algemeen minder groot dan die van korrels, en bijgevolg leidt een belastingstoename in ondoorlatende pakketten grond tot een toename van de waterspanning. Voorbeelden van dergelijke belastingen zijn een verkeersbelasting, een belasting door een plotselinge waterstandsverhoging en een belasting door een zogenaamde drukstaaf op enige afstand van een dijk in een situatie waarbij opdrijven van het achter een dijk gelegen land optreedt.

De invloed van ongedraineerde belastingen aan de randen van een dergelijk samendrukbaar pakket is meestal maar klein omdat het water aan de randen snel kan wegstromen. De invloed op de freatische lijn is bijgevolg meestal beperkt. Bovendien wordt een verhoging van waterspanningen ten gevolge van een ongedraineerde belasting gewoonlijk niet in rekening gebracht in de vorm van een verhoging van de stijghoogte, maar door deze belasting in een stabiliteitsberekening als ongedraineerd te definiëren.

Kruip

Een dijk die maar net in evenwicht is kan schuifvervorming ten gevolge van kruip ondergaan. Door een voortdurende verandering van het poriënvolume ten gevolge van plastisch vervormen worden steeds opnieuw waterspanningen gegenereerd.

Gedeeltelijk geconsolideerde belastingen

Naast ongedraineerde belastingen zijn er bij ondoorlatende grond ook gedeeltelijk geconsolideerde belastingen, bijvoorbeeld in een situatie waarin een langdurig aangrijpende belasting nog niet lang genoeg op een slecht drainerende laag heeft aangegrepen om de consolidatie tot een einde te brengen. Met een dergelijke gedeeltelijk geconsolideerde belasting wordt bij de beschouwing van de stabiliteit bij hoog buiten water gewoonlijk geen rekening gehouden, omdat alleen de eindsituatie wordt beoordeeld. Strikt genomen is de schematisering evenwel niet veilig.

Invloed van objecten en constructies

Door de aanwezigheid van bijvoorbeeld lekkende waterleidingen in het dijklichaam kan het freatisch vlak aanzienlijk hoger komen te liggen. Ook constructies in de dijk kunnen de waterspanning in belangrijke mate beïnvloeden (uitleg). Verder is een drainageconstructie altijd een kwetsbaar punt.

3D-effecten

Belangrijke uitzonderingen zijn ook de situaties waar 3D-effecten een rol spelen. Het gaat hierbij om afwijkende bodemopbouw (bijvoorrbeeld aanwezigheid van geulen) of waterkerende kunstwerken en niet-waterkerende objecten (bijvoorbeeld de fundering van woningen).

Referenties bij bijlage 1

[GeoDelft, 1987]

Beleidsanalytische studie Ramspol, Geodelft, CO-292180/54, september 1987.