Bresvloeiing - Beschrijving mechanismen

Definitie van bresvloeiing

Een bresvloeiing in een onderwater talud is een gestaag terugschrijdend erosieproces dat, net als een verwekingsvloeiing, kan resulteren in een oever- of taludaantasting met een grote inscharingslengte (zie Figuur 2.7).

Een bresvloeiing kan beschouwd worden als een onbeheerste vorm van het ‘bresproces’ dat bekend is als mechanisme om zand te winnen met een winzuiger. Dit proces zal daarom eerst beschreven worden.

Bresproces bij zandwinning

Om te begrijpen hoe het talud, dat middels winzuigen gebaggerd wordt, zich ontwikkelt, is inzicht in het zandzuigproces van belang. Om het proces op gang te brengen wordt de zuigbuis aan de voet van het talud eerst een zekere diepte (circa 2 tot 5 m) in het zand ingestoken. Door het al zuigend insteken van de zuigbuis wordt een actieve bres (een zeer steil deel van het talud; ook wel ‘wal’ genaamd) gevormd, die vervolgens langs het talud omhoogloopt en zand aanlevert (bressen). Het zand stroomt als een zand-water mengselstroom langs de helling naar de zuigbuis toe en die daarbij steeds meer zand opneemt. Hierbij wordt een bepaald hellingverloop ontwikkeld.

De snelheid waarmee de bres omhoog loopt, wordt de walsnelheid genoemd. Deze walsnelheid is een functie van de doorlatendheid van het zand, die weer afhangt van de samenstelling en pakking, en niet van de zuigparameters. De walsnelheid, bij matig vast en vastgepakt zand, is ongeveer gelijk aan 25x de doorlatendheid van het oorspronkelijke zandpakket (dus orde enkele mm/s ofwel enkele meters per uur).

Voorwaarde voor het kunnen bestaan van een zeer steile bres (zelfs verticaal) en een walsnelheid van bovengenoemde ordegrootte, is dat het zand in het talud voldoende vast gepakt is. Daardoor gedraagt het zand zich bij een kleine schuifvervorming dilatant (volumetoename) en ontstaat een negatieve wateroverspanning. Zandkorrels kunnen pas loskomen en vervolgens gaan stromen als de korrelspanning tot praktisch nul gereduceerd is en dat kan pas als voldoende water is het talud is ingestroomd om de volumetoename (vol in Figuur 2.1), horend bij de critical state (bij een korrelspanning van praktisch 0), te bereiken.

Hoe het proces bij losgepakt zand plaats vindt is niet zo goed bekend. Bij zeer losgepakt zand is de vereiste volumetoename waarschijnlijk nul of zelfs negatief. Dan kan een steil taludgedeelte (actieve bres) niet bestaan, zelfs niet voor korte tijd, tenzij het zand (zeer licht) gecementeerd is. Als het zand iets minder losgepakt is, kan er waarschijnlijk wel een actieve bres bestaan. Mogelijk is de walsnelheid dan veel groter dan 25x de doorlatendheid.

Naast het omhoog lopen van de bres of wal is het zand dat aan de teen van de bres terechtkomt en in de vorm van een zand-water mengselstroom (turbulente suspensiestroom of “turbidity current”) over het talud gaat afstromen een belangrijk element in het proces, dat pas tot ontwikkeling komt bij grotere taludhoogte. Het mengsel erodeert het gedeelte van het zandtalud waarover het stroomt, mits dat gedeelte steil genoeg is, ofschoon veel minder steil dan de bres, en mits het zanddebiet van het mengsel groot genoeg is. Anders treedt juist sedimentatie vanuit het mengsel op. (Meestal treden erosie en sedimentatie tegelijk op, maar is één van beide processen sterker, waardoor netto erosie of sedimentatie optreedt). Indien de steilte en hoogte van de taludhelling voldoende zijn om verdergaande erosie te veroorzaken, neemt het zanddebiet bij de stroming naar beneden toe en wordt de erosieve kracht steeds groter totdat het mengsel in de zuigmond verdwijnt. Het deel van het mengsel dat niet wordt opgezogen blijft doorstromen totdat het op een flauwer taludgedeelte, dan wel de bodem belandt en daar vertraagt en tot bezinking komt. Overigens is de overgang van bres naar mengselstroom niet altijd scherp te onderscheiden.

Een verstoring van het zandoppervlak, zoals een locale versteiling, loopt langs het talud omhoog zolang het zand kan wegstromen en niet opnieuw bezinkt: dit wordt “nabressen” genoemd. Dit verklaart waarom een verstoring soms pas na enige tijd aan de oevers waarneembaar is en niet direct gerelateerd is aan de baggeractiviteit op dat moment. Na het staken van de zuigactiviteit blijven actieve bressen zand naleveren (orde enkele uren).

Het bressen wordt op gang gehouden door het wegzuigen van het toestromende zand. Door de keuze van de plaats en diepte van insteken en het beheersen van de verticale en horizontale insteeksnelheid c.q. de positie van de winzuiger ten opzichte van het talud, kan dit bresproces in homogeen, vastgepakt zand, goed beheerst worden. Gebeurt dit echter op een onbeheerste manier (te diep insteken of onvoorziene omstandigheden (bijvoorbeeld niet gedetecteerde grondlaag met afwijkende eigenschappen), dan kan dit leiden tot een bresvloeiing. De fysische achtergrond hiervan is voor het eerst beschreven in [van Rhee & Bezuijen 1998].

Mechanisme van bresvloeiing

Kenmerkend voor bresvloeiing is het zichzelf versterkende proces van groei van de hoogte van de bres en groei van de stroomsnelheid en het debiet van het zand-water mengselstroom. Naarmate de bres hoger en steiler wordt neemt het debiet van het vrijkomende zand aan de teen van de bres toe, waardoor de bres zich onder een flauwere helling zal voortplanten, dus zich dieper zal invreten in het talud. Tegelijk is er ook een toename van het debiet en het zandtransport langs het talud onder de bres met als gevolg een voortgaande erosie van dat taludgedeelte.

De actieve bres kan doorgaan in talud opwaartse en zijdelingse richting (terugschrijdende erosie) zolang het geërodeerde materiaal kan wegstromen naar een dieper gelegen deel of opgezogen wordt. Is er geen dieper gelegen bodem en wordt het materiaal niet opgezogen, dan zal het over een beperkte afstand in suspensie doorstromen en vervolgens sedimenteren. Die sedimentatie leidt tot een flauwe helling, waardoor het bresproces uiteindelijk zal uitsterven met als netto resultaat een groot zandtransport van boven naar beneden, een taludverflauwing en een inscharing.

Ook zonder baggeractivitieiten kan een bresvloeiing ontstaan op een aangelegd of natuurlijk onderwatertalud, zoals in het voorland, als een actieve bres, dat wil zeggen een taludgedeelte dat voldoende steil en hoog is, door een andere oorzaak ontstaat. Voorbeelden zijn een mechanische verstoring, erosie door waterstroming, een locale afschuiving, het bezwijken van een kleilaag of een kleine verwekingsvloeiing in een losgepakte zandlaag.

Voorwaarden voor een bresvloeiing

Voorwaarden voor het ontstaan van een bresvloeiing zijn:

1. Het onderwater talud bestaat uit erosiegevoelig materiaal zoals silt of zand; het is fijn genoeg (hoe fijner des te erosiegevoeliger; bij een D₅₀ groter dan 1 mm is een bresvloeiing nauwelijks mogelijk).
2. Een doorgaand talud zonder bermen of beschermde zones
3. Het “afgebreste” materiaal moet in de vorm van een suspensiestroom vanaf de teen van de initiële bres in voldoende mate kunnen wegstromen of worden opgezogen.
4. Het onderwater talud moet voldoende hoog en steil zijn (in Nederland doorgaans hoger dan 10 m en gemiddeld steiler dan 1:4 à 1:6)
5. Een grote verstoring ofwel initiële bres ergens in het talud.

Ad 5 Het ontstaan van een initiële bres aan de teen van een dijk of vooroever kan in principe veroorzaakt worden door de volgende fysische processen:

• Een lokale, plotselinge afschuiving bij of afbrokkeling van een ondermijnde kleilens nadat erosie is opgetreden.
• Verwekingsvloeiing in losgepakte lagen.
• Het vallen of storten van grond op het onderwater talud; die grond kan met een deel van het omringende water als turbulent mengsel langs het talud gaat stromen en erosie veroorzaken.

De locatie van de initiële bres - onderaan het talud, bovenaan of daartussenin - heeft wel invloed op de ontwikkeling van een eventuele bresvloeiing. Hoe meer onderaan het talud hoe groter de inscharing (mits geen stoorlagen, redelijke homogeniteit van zandeigenschappen,

Invloedsfactoren voor een bresvloeiing

• Taludhelling: als het talud voldoende flauw is zal er, afhankelijk van de zandsoort, bij een taludverstoring geen zichzelf versterkend zand-water mengselstroming ontstaan.

• Taludhoogte: hetzelfde geldt als de taludhoogte beperkt is, waardoor de stroming onvoldoende kan versnellen.

• Korrelverdeling van het zand. Naarmate het zand grover is de gevoeligheid kleiner bij gelijkblijvende taludhelling en taludhoogte.

• De afwisseling van grondlagen. Naarmate er meer stoorlagen in het zand zijn en naarmate de pakkingsdichtheid meer varieert is er grotere kans op het ontstaan van een initiële grote bres.

• Snelheid waarmee de taludgeometrie verandert. Als er niet gebaggerd wordt of grond gestort wordt, is de kans op het ontstaan van een initiële grote bres kleiner naarmate de erosie of aanzanding langzamer gaat.

• De eventuele aanwezigheid van een steil taludgedeelte bij de oever boven water. Daar kan de grond bij bagger- of erosieprocessen ook in de vorm van afkalvende schollen vrijkomen. Daarbij neemt het risico op inbressing toe, omdat een grote afkalvende schol het zanddebiet plotseling doet toenemen waardoor een extra hoge actieve bres kan ontstaan.