Berekening van de stabiliteitsfactor voor de historische situatie - Methode ‘Bewezen Sterkte’ (deterministisch)

Berekening van de stabiliteitfactor voor de historische situatie

Bij de berekening van de stabiliteitfactor voor de historische situatie γstab,his dient rekening te worden gehouden met de eerder in paragraaf 4.4 genoemde onzekerheden die specifiek bij ‘Bewezen-Sterkte’-aanpakken een rol spelen.

Binnen de bepaling van de stabiliteitfactor voor de historische situatie kunnen de volgende drie substappen worden onderscheiden:

2.1 Inventarisatie van de ‘kansrijke’ hoogwaters en verzamelen van aanvullende informatie over de situatie ten tijde van deze hoogwaters.

2.2 Het op basis van deze informatie opstellen van een veilige schematisering van de historische situatie.

2.3 Berekening van de stabiliteitfactor voor de historische situatie γstab,his.

Stap 2.1. Verzamelen historische informatie

De kans op succesvolle toepassing van ‘Bewezen Sterkte’ wordt in sterke mate bepaald door de beschikbaarheid en betrouwbaarheid van historische informatie. In zijn algemeenheid geldt dat naarmate er meer en betrouwbaarder informatie is, er een grotere kans is dat met succes een ‘Bewezen-Sterkte’-aanpak kan worden gevolgd.

Binnen het proces van verzamelen en beoordelen van informatie over in het verleden opgetreden hoogwaters voor beoordeling middels ‘Bewezen Sterkte’ kan de volgende werkwijze worden gevolgd:

• inventarisatie van in het verleden opgetreden hoogwaters inclusief belangrijkste kenmerken;
• inventarisatie van in het verleden uitgevoerde reconstructies van de dijk;
• ordenen van de opgetreden hoogwaters naar perioden tussen reconstructies;
• keuze van de meest ‘kansrijke’ hoogwaters voor bewezen sterkte;
• verzamelen en beoordelen van zoveel mogelijk beschikbare relevante infor- matie over deze hoogwaters.

De resultaten van de eerste drie stappen kunnen worden samengevat in een tabel. Een voorbeeld daarvan uit de praktijk (voormalige Zuiderzeedijken) is gegeven in Tabel 5.

Tabel 5

Inventarisatie overleefde hoogwaters, boven Toetspeil of MHW

Nadat de opgetreden hoogwaters en de belangrijkste kenmerken daarvan zijn verzameld en geordend, kan een keuze worden gemaakt van de meest kansrijke hoogwaters voor de ‘Bewezen-Sterkte’-beoordeling. Voor de dijk van de voor- beeldgegevens in Tabel 5 zou dit logischerwijs in eerste instantie leiden tot een keuze voor nadere beschouwing van het hoogwater van 1928. De piekwaterstand van 1916 was weliswaar hoger, maar is veel minder bruikbaar omdat deze plaats- vond voor de laatste verzwaring (waardoor de situatie waarschijnlijk veel minder vergelijkbaar is met de huidige situatie), en bovendien heeft geleid tot schade en zelfs bezwijken van de dijk.

Nadat een keuze is gemaakt voor het nader te beschouwen hoogwater, dient hier- van, zoveel als redelijkerwijs mogelijk, aanvullende relevante informatie te worden verzameld. Belangrijk aspect daarbij is dat op dat moment de informatie niet meer op het niveau van ‘de dijk’ maar op het niveau van representatieve profielen van dijkstrekkingen met een lengte van ten hoogste enkele honderden meters moet worden verzameld. Het doel van het verzamelen van deze informatie is te kunnen beoordelen of, en zo ja in hoeverre, de situatie ten tijde van de historische hoog- waters afwijkt van de situatie die voor de huidige ontwerpsituatie moet worden aangenomen.

Voor een gekozen historisch hoogwater kan per representatief profiel de relevante informatie wederom worden samengevat. Een opzet van zo’n verzameltabel is gegeven in Tabel 6.

Omdat het belang van de verschillende typen relevante gegevens voor de beoor- deling van de bewezen sterkte verschillend is, wordt aan de betrouwbaarheid van de bron waaraan deze gegevens worden ontleend verschillende eisen gesteld. In de tabel is tussen haakjes aangegeven aan welke betrouwbaarheidsklasse de verschillende typen gegevens moeten voldoen om direct, zonder terughoudend- heid, in de beoordeling van de bewezen sterkte te mogen worden gebruikt.

Indien een deel van de benodigde informatie niet beschikbaar is, of niet voldoet aan de gestelde betrouwbaarheidseis, dan dienen op die punten in de schema- tisering van de historische situatie veilige aannamen te worden gedaan.

In een aantal gevallen zal op basis van de verzamelde informatie al vrij snel duide- lijk worden dat een verdere uitwerking van het ‘Bewezen-Sterkte’-spoor weinig zinvol is. Twee evidente gevallen zijn:

• de dijk heeft destijds significante schade gehad, waarbij samenhang met de te beoordelen mechanismen niet is uit te sluiten;

de sterkte van dijk is na het beschouwde hoogwater verminderd door belang- rijke wijzigingen in vooroever, achterland of de dijk zelf.

Opgemerkt wordt dat in deze gevallen er theoretisch geen enkel bezwaar is om het ‘Bewezen-Sterkte’-spoor verder te volgen, mits de grote geaccepteerde onzekerheden op een correcte wijze worden verdisconteerd. In vrijwel alle gevallen zal dit dan echter leiden tot de conclusie, dat een opwaardering van de veiligheid op grond van ‘Bewezen Sterkte’ niet mogelijk is.

Tabel 6

Verzameltabel informatie per profiel en per overleefd hoogwater

De relevantie van de in de tabel vermelde informatie is hierna per gegevenstype toegelicht.

Hydraulische omstandigheden

Optredende waterspanningen bepalen in belangrijke mate de stabiliteit van een dijk. In de regel zullen de optredende waterspanningen ten tijde van het historisch hoogwater niet bekend zijn. Om die reden moet daarvan een inschatting worden gemaakt op basis van de wel voorhanden zijnde gegevens. Daarbij speelt niet alleen de gerealiseerde piekwaterstand een rol, maar moet rekening worden gehouden met alle van invloed zijnde hydraulische omstandigheden. Als belang- rijkste kunnen worden genoemd de duur van het hoogwater of eigenlijk het verloop daarvan in de tijd, het polderpeil, neerslag en eventuele restwater- spanningen uit versterkingswerkzaamheden.

Overige belastingen

Voor wat betreft overige, bijkomende belastingen kan worden gedacht aan belastingen door ijs, verkeer, zandzakken op of achter de dijk etc.

Geometrie

Belangrijk aspect is uiteraard de destijds aanwezige ligging en vorm van de dijk binnen de begrenzingen van de invloedszones. Uit een vergelijking van het destijds aanwezige profiel met het huidige profiel moet worden vastgesteld of en zo ja welke geometrieveranderingen de dijk binnen het invloedsgebied sinds het opge- treden hoogwater heeft ondergaan. Hierbij moet worden gedacht aan:

• mogelijke veranderingen in het achterland door natuurlijke processen zoals klink en oxidatie, of door menselijk ingrijpen zoals ontgravingen, ophogingen en het verleggen of verdiepen van sloten;
• mogelijke veranderingen in het voorland, waarbij in verband met eventuele ontgravingen of baggerwerkzaamheden nadrukkelijk ook moet worden gedacht aan de effecten daarvan op de intreeweerstand;
• eventuele veranderingen van de dijk zelf, wederom door zowel natuurlijke processen als door menselijke ingrepen zoals bijvoorbeeld de verbreding van berm of kruin in verband met aanleg of verbreding van een weg.

Bovenstaande maakt duidelijk dat alleen een vergelijking van de historische dijk- profielen met de huidige profielen onvoldoende is. Ook eventuele veranderingen in het invloedsgebied achter en voor de dijk, welke zich zelfs tot buiten de keur- grenzen kunnen uitstrekken, dienen te worden beschouwd. Bij de beoordeling van de beschikbare informatie kan uiteraard wel rekening worden gehouden met de relevantie hiervan voor het beschouwde mechanisme.

In gebieden met bebouwing in, op of kort achter de dijk is veelal sprake van veel variatie van de situatie over korte afstanden. Het is daarmee de vraag of een ‘Bewezen-Sterkte’-aanpak in die gevallen wel zinvol is. Geadviseerd wordt in der- gelijke situaties extra zorgvuldigheid te betrachten bij toepassing van de methode.

Laagopbouw en -eigenschappen

De laagopbouw en laageigenschappen kunnen in beginsel als onveranderlijk worden opgevat. Dit houdt in dat als deze gegevens voor de huidige situatie reeds zijn vastgesteld deze voor de analyse van de historische situatie kunnen worden overgenomen. Niettemin moet wel worden nagegaan of er redenen zijn te vermoeden dat er mogelijk wel significante veranderingen zijn opgetreden.

De laagopbouw zal waarschijnlijk alleen door reconstructiewerkzaamheden kunnen zijn beïnvloed. Grondeigenschappen per laag kunnen mogelijk in de tijd verbeteren maar ook verslechteren, bijvoorbeeld ten gevolge van veranderd waterbeheer, bemesting en bemaling. Met name slappe lagen zoals humeuze klei en veen kunnen met verloop van tijd een achteruitgang van sterkte-eigenschappen ondergaan ten gevolge van verdroging.

Schadebeelden

Informatie uit uitgevoerde inspecties tijdens en na het opgetreden hoogwater moeten informatie geven over de wijze waarop het hoogwater destijds is gekeerd ofwel antwoord geven op de vraag of de dijk het hoogwater zonder enig voor- teken van mogelijk bezwijken heeft gekeerd dan wel of die voortekenen er wel waren. Belangrijk aandachtspunt daarbij is dat moet worden nagegaan of het mogelijk optreden van bepaalde mechanismen destijds wel is onderkend. In verband met binnenwaartse macrostabiliteit moet in dit verband worden gedacht aan het eventuele optreden van opdrijfsituaties.

Stap 2.2. Opstellen veilige schematisering van de historische situatie

Op basis van de verzamelde informatie over het beschouwde hoogwater en de eventuele ingrepen binnen het invloedsgebied in de periode tussen het hoogwater en nu, dient een veilige schematisering van de situatie tijdens het hoogwater te

worden opgesteld. Daarbij kunnen dezelfde elementen worden onderscheiden als bij de schematisering van de toetssituatie:

• Geometrie van dijk, voorland en achterland;
• Laagopbouw en laageigenschappen in de dijk en ondergrond;
• Verloop van de waterspanningen bij beschouwde buitenwaterstand, rekening houdend met alle hierop van invloed zijnde factoren (polderpeil, neerslag, restwaterspanningen uit versterkingswerkzaamheden, etc.);
• Eventueel bijkomende belastingen: verkeer, ijsbelasting, etc.

Net als bij de schematisering van de toetssituatie kunnen onzekerheden over de situatie tijdens het historisch hoogwater worden verwerkt door middel van veilige aannamen waarbij ‘engineering judgement’ een belangrijke rol speelt. Belangrijk verschil is dus echter dat dit met het oog op een ‘veilig’ bewijs een optimistische schematisering dient te zijn (de omstandigheden konden in de historische situatie toevallig gunstiger zijn dan wat normaal gesproken wordt verwacht, terwijl bij de schematisering van de toetssituatie er van uit moet worden uitgegaan dat de situatie ongunstiger is dan wat normaal gesproken wordt verwacht).

Onzekerheden over bijvoorbeeld de initiële waterspanningen tijdens het historisch hoogwater worden dus bijvoorbeeld afgedekt door te veronderstellen dat deze aan de onderkant zaten van de range waarbinnen verwacht wordt dat ze daad- werkelijk hebben gezeten.

De wijze waarop onzekerheden in de schematisering van de toetssituatie en de historische situatie moeten worden afgedekt is al eerder in Tabel 3 meer veral- gemeniseerd weergegeven.

Bij het opstellen van de veilige schematiseringen voor de historische situatie volgens het in de tabel weergegeven principe, kan onderscheid worden gemaakt tussen onveranderlijke en veranderlijke gegevens. Dit hangt direct samen met het in paragraaf 4.4.2 reeds beschreven onderscheid tussen respectievelijk systematische en niet-sys- tematische onzekerheden.

Met name laagopbouw en bijbehorende laageigenschappen kunnen in de regel als onveranderlijke gegevens worden opgevat. Er zullen weliswaar altijd onzeker- heden zijn over de precieze laagopbouw en sterkte-eigenschappen, maar meestal kan redelijkerwijs worden aangenomen dat deze onzekerheid systematisch is, en dus dat de daadwerkelijke laagopbouw en sterkte-eigenschappen in de huidige situatie en historische situatie hetzelfde zijn. Uitgangspunt is daarmee dat de conservatieve schematisering van de toetssituatie in beginsel kan worden over- genomen voor de beoordeling van de historische situatie. In aanvulling daarop dient dan nog wel te worden gecontroleerd of een ‘realistische’ of zelfs optimistische inschatting van laagopbouw en sterkte-eigenschappen mogelijk maatgevend (ofwel ongunstiger) zijn voor de bepaling van de bewezen sterkte. Binnen deze scenario’s dienen de overige onzekerheden vervolgens nog steeds op boven- beschreven wijze te worden meegenomen: vergelijking van een pessimistische benadering voor toetsomstandigheden met een optimistische benadering voor historische omstandigheden.

Deze ‘scenarioaanpak’ kan ook worden toegepast om onzekerheden ten aanzien van de systematische waterspanningrespons in de ondergrond ter plaatse van de dijk en het achterland op het verloop van de buitenwaterstand te elimineren. In dat geval is echter heel nadrukkelijk voorzichtigheid en zorgvuldigheid geboden om de volgende redenen:

• In tegenstelling tot bijvoorbeeld geometriewijzigingen in de dijk zelf zijn moge- lijke veranderingen binnen het invloedsgebied van de dijk met betrekking tot de waterspanningrespons veel minder goed met voldoende zekerheid na te gaan. Het invloedsgebied is immers groter dan het bij toetsing normaal gesproken beschouwde profiel. Bovendien is de onzekerheid over de effecten van eventuele veranderingen binnen het invloedsgebied relatief groot. Dit heeft tot gevolg dat alleen van een systematische waterspanningrespons op het verloop van het buitenwater mag worden uitgegaan, en dus op dit punt een scenarioaanpak mag worden gevolgd, indien men er van overtuigd is dat er geen ongunstige wijzigingen binnen het invloedsgebied hebben plaatsgevonden, en binnen de toets- of ontwerpperiode nog zullen plaatsvinden zonder dat de gevolgen daarvan in kaart worden gebracht.

• De onzekerheid ten aanzien van de waterspanningrespons op het verloop van het buitenwater is ook in absolute zin, gegeven een bepaald scenario, relatief groot. Dientengevolge is de schematisering ten behoeve van de toetsing vaak nogal conservatief. In sommige gevallen wordt bij toetsing bijvoorbeeld uit- gegaan van de stationaire situatie bij Toetspeil omdat er onvoldoende zeker- heid is over de daadwerkelijk aanwezige (intree)weerstand om met een instatio- naire berekening iets te kunnen bereiken. Omdat de berekende stabiliteitfactor sterk kan variëren afhankelijk van de veronderstelde waterspanningrespons is een gedegen uitwerking van de scenarioaanpak op dit punt noodzakelijk. Daarbij dient gebruik te worden gemaakt van instationaire berekeningen.

Indien de scenarioaanpak voor de waterspanningrespons op de buitenwaterstand niet kan worden toegepast dient deze te worden beschouwd als een veranderlijk gegeven en dient dus van een niet-systematische onzekerheid te worden uit- gegaan. Dit betekent bijvoorbeeld dat voor de historische situatie moet worden uitgegaan van een mogelijk veel hogere intreeweerstand dan waarvoor voor de toetssituatie veiligheidshalve wordt uitgegaan. Dit is gunstig voor de berekende stabiliteitfactor voor de historische situatie, en daarmee uiteraard ongunstig voor het bewijs omdat het tot een lage correctiefactor leidt.

Naast de respons op de buitenwaterstand dient met betrekking tot waterspannin- gen ook rekening te worden gehouden met een altijd aanwezige randomcomponent in verband met toevallig aanwezige waterspanningen als gevolg van hydraulische omstandigheden in de periode voor het hoogwater, effect van golfoploop en - overslag, neerslag, onbekende polderpeilfluctuaties etc., welke mogelijk in de historische situatie minder ongunstig waren dan waarvoor voor de toetssituatie moet worden uitgegaan