Case 2 - Bijlage 2

Stap 1: Beschrijving bodemopbouw, geometrie en grondwaterstroming

Grondopbouw en geometrie

De aandacht gaat hier uit naar een typische dijk zoals deze rond de IJsselmeerpolders is aangelegd. De grondslag wordt gekenmerkt door een samendrukbare laag met een dikte van 5 m, op het pleistocene watervoerende zandpakket. Voorafgaand aan de aanleg van de dijken is de samendrukbare laag in het tracé van de dijk weggebaggerd tot 1 m boven het zandpakket. Middels sonderingen is dit bevestigd op 2 locaties in het profiel. De zo ontstane geul is gevuld met siltig zand tot iets beneden de gemiddelde buitenwaterstand van circa NAP –0,4 m. Het cunet en dijklichaam zijn vrij uniform van opbouw, zonder minder doorlatende tussenlagen. Vervolgens zijn binnenen buitendijks kaden van keileem opgeworpen en de ruimte binnen de kaden is opgespoten met zand en opgehoogd tot het beoogde kruinniveau. De taluds zijn afgedekt met een kleilaag. In figuur c2.1 is een principeschets gegeven.

Figuur c2.1 Principeschets meerdijk

Bekend is dat op het onderwatertalud een sliblaag gevormd kan zijn. Er is geen onderzoek beschikbaar. Wel is bekend dat er bij deze dijk recent baggerwerkzaamheden zijn uitgevoerd. Het profiel is ingemeten na de baggerwerkzaamheden en het blijkt dat het onderwatertalud steiler is dan bij aanleg.

Waterstanden en stijghoogten

De buitenwaterstand schommelt normaal tussen circa NAP-0,5 m en NAP. Het polderpeil of de binnenwaterstand is NAP –6,0 m. De maatgevende waterstand is NAP +2,40 m. Dit houdt in dat de dijken tijdens dagelijkse omstandigheden al een aanzienlijk waterstandsverschil keren. Tijdens maatgevende omstandigheden wordt dit waterstandsverschil relatief weinig (ten opzichte van dijken elders in het land) verhoogd.

De stijghoogte in het pleistocene zand (watervoerend pakket) is volgens de Grondwateratlas gelijk aan NAP –5,0 m. Enkele peilbuizen in de nabijheid van de dijk geven waarden die rond dezelfde stijghoogte liggen. Daaruit wordt geconcludeerd dat het samendrukbare pakket intact is en dat er geen relatie is tussen de stijghoogte in het watervoerende pakket en de buitenwaterstand of het polderpeil, of in ieder geval dat die relatie te verwaarlozen is. In figuur c2.2 zijn bovengenoemde (grond)waterstanden weergegeven.

Figuur c2.2 Schematisering freatische lijn en stijghoogte.

Grondwaterstroming

Stroming door het dijklichaam en cunet

Het zandcunet en de zandkern geven aanleiding tot een vrij forse kwelstroom. Deze zal met name een ingang vinden in het onderwatertalud, dat niet is afgedekt met klei of keileem. In de loop der tijd heeft zich hier vaak een sliblaag gevormd, die de kwelstroom afremt. Bij hogere waterstanden zal wellicht ook een aanzienlijke hoeveelheid water het dijklichaam op een hoger niveau binnendringen, omdat de klei/keileemlaag hier dunner is. De doorlatendheid van de klei- en keileemlagen en de aanwezigheid van een sliblaag onderwater spelen bij de stroming door het dijklichaam een belangrijke rol. De sliblaag is echter recent weggebaggerd, zodat geen rekening meer gehouden kan worden met de aanwezigheid daarvan. Ook als er plannen zijn voor het wegbaggeren van de sliblaag mag hier geen rekening mee worden gehouden.

In het oorspronkelijke ontwerp van de dijken wordt het kwelwater opgevangen in een drainagesysteem binnendijks, tussen de binnenteen en de kwelsloot, de zogenaamde kwelstrook. De drainage watert af naar de kwelsloot en de waterstand in de kwelsloot wordt door bemaling op (polder)peil gehouden.

De ligging van de freatische lijn wordt evenals de hoeveelheid kwel bepaald door:

• de afmetingen van de dijk;

• het waterstandsverschil;

• de dikte en doorlatendheid van de afdekklei en keileem;

• de eigenschappen van een eventuele sliblaag op het onderwatertalud;

• de doorlatendheid van het zand in het cunet en de kern van de dijk;

• de capaciteit van de drainage;

• Stroming door het watervoerende zandpakket

  Aanwezige meetgegevens en onderzoek

  Doorlatendheden

  de indringing van regenwater in het cunet.

  In de aangebrachte zandlagen kunnen dunne slecht doorlatende lagen voorkomen, met name op het niveau van de onderkant van de keileemkaden. De doorlatendheid van het zand zelf wordt sterk beïnvloed door de hoeveelheid silt of lutum die in het zand aanwezig is.

  Het cunet vormt een bak met relatief doorlatend materiaal in een omgeving van relatief ondoorlatend materiaal. Het cunet zal zich met water vullen indien de toestroming groter is dan de inzijging naar het watervoerende pakket.

  Omdat verder de buitenwaterstand hoger is dan het niveau van de binnenteen, zal de freatische lijn daarom vrijwel altijd boven de binnenteen uittreden. De drainage moet dit voorkomen.

  Tijdens een hoogwaterperiode komt de freatische lijn hoger te liggen en neemt de hoeveelheid kwel toe. Een hoogwater wordt met name veroorzaakt door een storm. Vanwege het relatief kleine wateroppervlak van het IJsselmeer is de periode van een stormopzet meestal kort. Een tweede oorzaak voor een verhoogde waterstand kan liggen in een grote toevoer in combinatie met een geringe afvoer van water uit het IJssel- of Markermeer. De periode van een dergelijke golf kan aanzienlijk langer zijn, echter de waterstandsverhoging is in minder groot dan bij een stormopzet. In dit geval is echter sprake van een stormopzet die de maatgevende waterstand veroorzaakt. Deze waterstand is aanzienlijk hoger dan de waterstand die door een grote toevoer in combinatie met een geringe afvoer wordt veroorzaakt. De hoge, maar relatief kortdurende, waterstand t.g.v. een stormopzet is maatgevend, omdat de aanpassing van de freatische lijn en de waterdrukken in het zandcunet en uit zand opgebouwde dijklichaam relatief kort is. Er wordt daarom in eerste instantie een stationaire benadering toegepast. Een geavanceerde tijdsafhankelijke benadering is ook mogelijk, maar in dat geval moeten beide gevallen (kortdurende stormopzet en langdurende opzet van het gemiddelde meerpeil) worden beschouwd.

  Verder is bekend dat het terrein nabij de binnenteen erg vochtig is. De freatische lijn staat hier dicht onder maaiveld. Verder in de richting van de kwelsloot is het terrein droger.

  Zolang het samendrukbare pakket niet is onderbroken, is de grondwaterstroming in het watervoerend pakket niet afhankelijk van de waterstand op het IJssel- of Markermeer, of van het polderpeil. Opbarsten van het samendrukbare pakket komt dan niet voor, omdat de stijghoogte in het watervoerend pakket in deze omstandigheden lager is dan het binnendijkse maaiveldniveau.

  Als het samendrukbare pakket wel doorbroken zou zijn, bijvoorbeeld door werkzaamheden buitendijks, dan heeft de buitenwaterstand een grote invloed op de grondwaterstroming in het watervoerende pakket. Dit zal tijdens dagelijkse omstandigheden merkbaar zijn, maar tijdens een hoogwatergolf zijn de effecten sterker. Opbarsten van het binnendijkse watervoerende pakket is mogelijk en kan afhankelijk van de overige omstandigheden piping tot gevolg hebben. De waterspanningen in de samendrukbare lagen zullen door de grotere stijghoogte in het watervoerende pakket oplopen.

  Voor het bepalen van de doorlatendheid van de diverse grondsoorten zijn proeven in het laboratorium uitgevoerd volgens de falling head en constant head methode. Daarnaast is informatie over de doorlatendheid verkregen uit de bepalingen van de consolidatiecoëfficiënt. De laboratoriumproeven zijn uitgevoerd op kleine monsters. Een eventuele invloed van macrostructuren of gelaagdheid op de doorlatendheid wordt met die proeven niet bepaald. Om hier toch enig inzicht in te krijgen zijn ervaringscijfers uit de lokale praktijk beschouwd. Bij het vaststellen van de doorlatendheden moet verder het volgende worden bedacht:

• de grondwaterstroming door het cunet en dijklichaam is verreweg het belangrijkste aspect;

• een hogere doorlatendheid geeft een minder gunstige situatie;

• de doorlatendheden van het samendrukbare pakket en van de watervoerende zandlaag spelen een ondergeschikte rol in het geheel.

  In tabel c2.1 zijn de verschillende waarden opgenomen.

• Drainage

  Peilbuismetingen

  Aandachtspunten bij de geohydrologische analyse

  

  Tabel c2.1 Hydrologische parameters

  De capaciteit van de drainage is niet in detail bekend. Wel zijn metingen gedaan aan het debiet dat wordt afgevoerd door de drainage. De metingen zijn in dezelfde periode gedaan als de metingen aan de peilbuizen in de kruin van de dijk. Gemeten werd dat circa 200 l/m/dag werd afgevoerd door de drains.

  Er zijn peilbuismetingen beschikbaar van peilbuizen die in het dijklichaam gestaan hebben ter hoogte van de binnenkruinlijn. De metingen zijn gedaan bij een min of meer normale buitenwaterstand. De gemeten stijghoogte bedroeg circa NAP – 2 m, ongeveer 1,8 m lager dan de buitenwaterstand op het moment van de metingen. Een probleem is dat alle metingen zijn gedaan voordat de sliblaag op het onderwatertalud is verwijderd. De peilbuizen zijn verwijderd voordat met baggeren is begonnen, waardoor geen metingen beschikbaar zijn voor de situatie zonder sliblaag.

  Er zijn peilbuismetingen beschikbaar van de afgelopen jaren van peilbuizen die in de diepe zandlaag staan. Deze geven in alle gevallen stijghoogten die lager of gelijk zijn aan de stijghoogten volgens de Geohydrologische atlas. Het is daarom zeer waarschijnlijk dat het samendrukbare pakket buitendijks niet is doorbroken. Evengoed kan nog wel sprake zijn van een invloed van het buitenwater op de stijghoogte in het watervoerend pakket. Deze kan echter niet worden gekwantificeerd en wordt, zoals reeds eerder gesteld, verwaarloosbaar klein verondersteld.

  Het waterspanningsonderzoek bestaat tenminste uit het bepalen van de ligging van de freatische lijn tijdens MHW omstandigheden, inclusief het uittreepunt. Tevens verdient het aanbeveling om via metingen nog nader onderzoek te doen naar:

• Het al dan niet doorbroken zijn van de scheidende laag (of het aanwezig zijn van een directe relatie tussen de

  stijghoogte in het pleistocene zand en de buitenwaterstand);

• De invloed van regen op de ligging van de freatische lijn;

• De invloed van een eventuele sliblaag op het onderwatertalud;

• Stap 2: Mechanismen en belastingscombinaties

  Overzicht relevante mechanismen

  Microstabiliteit

  Afschuiven afdeklaag binnentalud

  Pping door het cuneti

  Piping door de watervoerende zandlaag

  Macrostabiliteit binnentalud

  Macrostabiltieit buitentalud

  Oorzaken van waterspanningen

  Watervoerend pakket

  Freatische lijn

  Verkeer

  Grondaanvullingen

  De capaciteit van de drainage.

  Omdat de dijk uit zand is opgebouwd kan een relatief groot debiet door het dijklichaam stromen. Van belang is vervolgens de wijze waarop het water het dijklichaam verlaat. Zonder specifieke voorzieningen zal de freatische lijn uit het binnentalud willen treden. Er kunnen nu twee situaties worden onderscheiden: een situatie waarin een afdekkende kleilaag op het binnentalud aanwezig is en een situatie waarin dat niet het geval is. In het eerste geval kan de kleilaag worden afgedrukt indien de waterspanning voldoende hoog wordt. In het geval zonder kleilaag stroomt het water min of meer ongehinderd het talud uit. Afhankelijk van het verhang bij het uitstroompunt, de geometrie en de eigenschappen van het zand, kan zand uitspoelen.

  Voor het beoordelen van dit mechanisme dient de ligging van de freatische lijn bij maatgevende omstandigheden te worden bepaald.

  Een afdeklaag van klei op het binnentalud kan afschuiven onder invloed van overslaand water, eventueel in combinatie met een wateroverspanning onder de kleilaag. Voor het bepalen van een wateroverspanning onder de kleilaag moet de freatische lijn bepaald worden. De invloed van overslaand water leidt tot het verweken van de kleilaag. Een berekening hiervan is praktisch gezien niet goed mogelijk. In het algemeen wordt aangenomen dat de kleilaag inderdaad geheel verzadigd raakt, althans indien meer dan 0,1 l/s/m golfoverslag optreedt.

  Piping kan optreden in een zandlaag, direct onder een cohesieve laag. Het cunet en het erboven gelegen dijklichaam zijn in het ideale geval geheel uit zand opgebouwd, zodat geen pipinggevoelige opbouw aanwezig is. Het blijkt echter dat toch een min of meer cohesieve laag aanwezig kan zijn, met name op de grens tussen het cunet en het dijklichaam. Indien dit het geval is, dan kan wel piping optreden. Voor het beoordelen hiervan dient in eerste instantie nagegaan te worden of er uitspoeling van zand kan optreden, al dan niet voorafgegaan door het opbarsten van een afdekkende kleilaag onder aan het binnentalud. Hiervoor moeten de grondwaterstroming en de grondwaterdrukken onder de cohesieve laag bepaald te worden. De beoordeling op piping verloopt vervolgens met een methode zoals in het Technisch Rapport Zandmeevoerende Wellen [TRZW, 1999] is beschreven. In dit geval is geen sprake van een cohesieve tussenlaag. Het mechanisme zal daarom niet optreden.

  Piping door het eerste watervoerende pakket kan optreden indien hier een grondwaterstroming aanwezig is in binnendijkse richting en opdrukken van het binnendijkse klei-/veenpakket optreedt. Duidelijk is dat er niet een erg directe relatie is tussen de buitenwaterstand en de watervoerende zandlaag. Hieruit wordt geconcludeerd dat de deklaag buitendijks intact is. Piping door de watervoerende zandlaag zal daarom niet optreden. Nagegaan moet worden of de deklaag onder het zandcunet ook overal intact is. Indien dat niet het geval is, dan kan een kwelstroom via het cunet naar de watervoerende laag ontstaan. Dit leidt alleen tot piping als binnendijks opbarsten optreedt. Om na te gaan of opbarsten optreedt, moet de stijghoogte binnendijks in de watervoerende zandlaag bekend zijn.

  De macrostabiliteit van het binnentalud wordt beïnvloed door de ligging van de freatische lijn, de waterspanningen in de watervoerende zandlaag en de waterspanningen in de klei-/veenlaag. Al deze aspecten dienen bekend te zijn.

  De macrostabiliteit van het buitentalud wordt beïnvloed door de ligging van de freatische lijn en de waterspanningen in de watervoerende zandlaag en in de klei-/veenlaag.

  De processen in het watervoerende pakket worden niet of nauwelijks beïnvloed door de processen daarboven. Er zal enige inzijging optreden, maar dit heeft geen invloed op de waterspanningen

  De buitenwaterstand is verreweg de belangrijkste factor in het grondwaterstromingsbeeld. De freatische lijn in het dijklichaam zal stijgen bij een hogere buitenwaterstand en de hoeveelheid kwel door het cunet en het dijklichaam neemt toe. Overigens is het verschil tussen het verval in dagelijkse omstandigheden en in maatgevende omstandigheden relatief klein. In dagelijkse omstandigheden is een verval van bijna 6 m aanwezig. Onder maatgevende omstandigheden loopt dit op tot circa 8,4 m.

  Onder MHW omstandigheden treedt ook golfoverslag op. Het overslaande water kan infiltreren in het dijklichaam en daarmee de freatische lijn verhogen en/of de hoeveelheid te draineren water verhogen.

  Infiltratie van regenwater in het dijklichaam kan een verhoging van de freatische lijn veroorzaken. Verder is het denkbaar dat het polderpeil stijgt tijdens extreme neerslag. Specifieke informatie over de mate waarin deze effecten inderdaad optreden is niet beschikbaar.

  Eventueel onderhoudsverkeer over de binnenberm kan wateroverspanningen veroorzaken, omdat het cunet zich niet uitstrekt tot onder de berm. Verkeer op de buitenberm kan wateroverspanningen in de keileemkade onder de buitenberm veroorzaken. Tijdens hoogwater is de buitenberm echter niet toegankelijk.

  Een verkeersbelasting zal niet of nauwelijks wateroverspanning in het dijklichaam veroorzaken, omdat dit uit zand is opgebouwd.

  Er zijn recent geen grondaanvullingen geweest die voor een wateroverspanning in de samendrukbare laag zouden kunnen zorgen. Een grondaanvulling op of direct naast het dijklichaam heeft niet of nauwelijks wateroverspanningen tot gevolg omdat het dijklichaam en cunet uit redelijk doorlatend zand zijn opgebouwd. Indien een zodanige dijkverbetering uitgevoerd zou worden dat een grondaanvulling naast het cunet nodig zou zijn, dan zouden wel wateroverspanningen gegenereerd worden, die invloed op de stabiliteit van de dijk hebben.