Case 3 - Bijlage 2

Case 3: Dijk bovenrivierengebied

Stap 1: Beschrijving bodemopbouw, geometrie en grondwaterstroming

Grondopbouw en geometrie

Beschouwd wordt een dijk in het bovenrivierengebied. Het betreft een dijk die is opgebouwd uit klei. Binnendijks is een kleilaag met een dikte van 1,5 m aanwezig, welke direct op de watervoerende zandlaag is gelegen. Buitendijks is een voorland met een breedte van circa 100 m tot de rivier. Een onderzoek naar de aanwezigheid van klei in het voorland heeft aangetoond dat in ieder geval in de eerste 20 m vanaf de dijk een kleilaag met een dikte van 1,5 m of meer aanwezig is. Verder in de richting van de rivier is de kleilaag dunner of afwezig. In figuur c3.1 is een principeschets gegeven.

Figuur c3.1 Principeschets bovenrivierdijk

Het eerste watervoerende pakket heeft een dikte van circa 30 m in dit gebied, volgens de Grondwaterverkenning van TNO. Onder de binnenteen is een eenvoudige drainagevoorziening aan gebracht, in de vorm van een zandkoffer. Deze is twee meter breed en 0,7 m hoog en is afgedekt met een dunne laag bovengrond. De breedte van de dijk is 32 m en binnendijks is een berm van zand aanwezig met een breedte van 8 m. De hoogte van het achterland ligt op NAP +6 m. De kruinhoogte van de dijk ligt op NAP +12.5 m.

Waterstanden en stijghoogte

De waterstand op de rivier komt het grootste deel van de tijd niet tegen de dijk en is met NAP + 5 m ook lager dan de binnendijkse grondwaterstand, die circa NAP + 5,5 m bedraagt. Uit de grondwaterverkenning van TNO blijkt dat de overwegende grondwaterstroming in het watervoerend zandpakket in de richting van de rivier is gericht bij laagwater. Het MHW is NAP + 12,0 m.

Het hoogwater wordt veroorzaakt door een hoge rivierafvoer. Een afvoergolf kan enkele weken tot meer dan een maand duren, waarbij de hoogste waterstand één tot enkele dagen aanhoudt. Tijdens een hoogwater treedt binnendijks opbarsten op, wat is te herkennen aan de natte terreinen en de aanwezigheid van wellen, waarvan sommige zandmeevoerend zijn. Dit treedt al op bij vrij frequent voorkomende hoogwaterstanden.

Grondwaterstroming

Stroming door het dijklichaam

De grondwaterstroming door het dijklichaam is beperkt van omvang omdat het dijklichaam uit klei is opgebouwd. De ligging van de freatische lijn wordt bepaald door:

• de afmetingen van de dijk;
• het waterstandsverschil en de duur daarvan;
• de doorlatendheid van de klei in de dijk;
• de indringing van regenwater in de kern van de dijk, of een reeds aanwezige verhoging van de freatische lijn in de dijk tengevolge van eerdere regenval.

Stroming door het watervoerende pakket

Het watervoerende zandpakket staat in direct contact met het buitenwater ter hoogte van het zomerbed van de rivier. Mogelijk is er een sliblaag aanwezig op de bodem van de rivier die voor een intreeweerstand zorgt. In het winterbed van de rivier zorgt de kleilaag voor een intreeweerstand. Deze kleilaag hoeft echter niet in de gehele uiterwaard aanwezig te zijn.

De stijghoogte binnendijks (tijdens hoogwater op geruime afstand van de dijk) is de stijghoogte die bepaald wordt door het polderpeil. Deze is lager dan de buitenwaterstand tijdens een afvoergolf. Er ontstaat daarom een grondwaterstroming in binnendijkse richting. De waterdrukken binnendijks nemen zover toe tot deze groter zijn dan het gewicht van de binnendijkse kleilaag.

Bij laag water zal de stijghoogte binnendijks vaak hoger zijn dan de buitenwaterstand. Er is dan een grondwaterstroming in de richting van de rivier. Dit is de meest voorkomende situatie. In gebieden met een hoog achterland (bijvoorbeeld de Veluwe) kan dit het meest opvallend zijn. Door dit verschijnsel kan binnendijks al eerder wateroverlast ontstaan dan uitsluitend op basis van de buitenwaterstand verwacht zou worden.

Aanwezig onderzoek en meetgegevens

De doorlatendheid van de klei is geschat op basis van de samenstelling. De doorlatendheid van het zand in de watervoerende laag is verkregen uit de Grondwaterverkenning van TNO. In tabel c3.1 zijn de waarden weergegeven. Het soortelijk gewicht van de binnendijkse klei speelt tevens een rol bij het bepalen van de waterspanningen. Het soortelijk gewicht is bepaald in een laboratorium op een aantal monsters.

Tabel c3.1 Grondparameters

Metingen van stijghoogten of waterspanningen zijn niet voorhanden.

Aandachtspunten bij de geohydrologische schematisering

Het belangrijkste aspect van het onderzoek met betrekking tot de waterspanningen is het bepalen van de stijghoogten in de watervoerende zandlaag onder de dijk en binnendijks. Daarnaast moet de ligging van de freatische lijn worden bepaald.

Stap 2: Mechanismen en belastingscombinaties c3.2.1 Overzicht relevante mechanismen

Microstabiliteit

Indien het grondwater uit het binnentalud naar buiten treedt, kan grond worden meegespoeld. Omdat de dijk geheel uit klei is opgebouwd, zal in de praktijk de freatische lijn niet uit het binnentalud treden of in ieder geval de hoeveelheid uittredend water te gering zijn om het cohesieve materiaal te eroderen. Microstabiliteit kan wel een rol gaan spelen als zandlagen in de dijk aanwezig zijn, maar dat is hier niet aan de orde.

Afschuiven afdeklaag binnentalud

Een afdeklaag op het binnentalud kan afschuiven onder invloed van:

• waterspanningen in het dijklichaam, die de laag afdrukken;
• overslaand water, waardoor de laag verweekt.

Vanwege het feit dat de dijk uit klei is opgebouwd, is het niet waarschijnlijk dat het eerste mechanisme optreedt. De drainagevoorziening onder de binnenteen voorkomt verder dat zich water nabij het binnentalud verzamelt. De zandkoffer heeft een relatieve dunne afdeklaag, waardoor deze als eerste zal opbarsten. Hiermee wordt voorkomen dat de waterspanning hoog op kan lopen.

Verweking door overslaand water zal alleen optreden als de hoeveelheid overslaand water groot genoeg is. Bij een overslaghoeveelheid van meer dan 0,1 l/s/m is het mogelijk dat verweking optreedt.

Piping

De aanwezige bodemopbouw is bij uitstek pipinggevoelig. De waterspanningen in het watervoerende zandpakket zijn zodanig hoog dat opbarsten optreedt en dus piping kan optreden. Of daadwerkelijk piping optreedt, is afhankelijk van een aantal factoren, zoals de aanwezig kwelweglengte en het verval. Bij een meer geavanceerde beoordeling van piping worden de potentialen in de watervoerende zandlaag beschouwd.

Macrostabiliteit

Voor de macrostabiliteit zijn zowel de ligging van de freatische lijn als de waterspanningen in het watervoerend pakket en de binnendijkse kleilaag van belang. Vanwege de relatief lange duur van een hoogwatergolf, de relatief geringe dikte van de kleilaag en het feit dat opbarsten optreedt, wordt uitgegaan van een volledige aanpassing van de waterspanningen in de kleilaag.

Oorzaken van waterspanningen

Watervoerend pakket

De waterspanningen in het watervoerend pakket zijn een direct gevolg van het hoogwater en het feit dat de rivier in contact staat met het watervoerende pakket. De waterspanningen binnendijks worden beperkt door het gewicht van de binnendijkse kleilaag. Buitendijks speelt de intreelengte of intreeweerstand nog een rol. Dit is de afstand van de dijk tot daar waar een hydrostatisch drukverloop in het watervoerende pakket aanwezig is corresponderend met het aanwezige rivierpeil. In het eenvoudigste geval is dit de afstand waarover een afsluitende kleilaag in het voorland aanwezig is. Er is echter een correctie nodig om de grondwaterstroming verticaal door deze kleilaag naar het watervoerende pakket in rekening te brengen. In plaats van de breedte van de kleilaag wordt voor de intreelengte daarom de leklengte genomen (zie voor de leklengte paragraaf 2.2.9 en bijlage 3.3).

Binnendijks speelt het polderpeil een rol, en de afstand vanaf de dijk waarop de stijghoogte in het watervoerend pakket gelijk is aan het polderpeil. Dit kan vrij dicht bij de dijk zijn, indien de binnendijkse kleilaag is doorsneden door een sloot of een andere waterpartij. Indien dit niet het geval is, kan deze afstand aanzienlijk zijn. Als in het geheel geen kleilaag aanwezig is, dan zal de stijghoogte in het watervoerend pakket direct achter de dijk gelijk zijn aan het polderpeil. Het polderpeil kan tijdens een hoogwater overigens hoger liggen dan het streefpeil, omdat het toegevoerde water door het watervoerend pakket niet altijd gelijk afgevoerd zal kunnen worden.

Freatische lijn

De ligging van de freatische lijn wordt bepaald door de grondwaterstroming door de dijk. Afhankelijk van de mate waarin regenwater de dijk binnen kan dringen en de mate van drainage van het dijklichaam kan een verhoging van de freatische lijn optreden. Een drainage voorziening bij de binnenteen zal de freatische lijn nabij de binnenteen verlagen. Bij een kleidijk is het effect van een dergelijke drainage meestal beperkt.

Belastingen

Een verkeersbelasting – of een andere tijdelijke belasting – geeft aanleiding tot een verhoging van de waterspanningen in het dijklichaam. Ook een grondophoging geeft binnen de hydrodynamische periode een verhoging van de waterspanningen. Belastingen op de kleilaag geven een additionele verhoging van de waterspanning, zolang de consolidatieperiode nog niet is verstreken.

Waterspanningen in het binnendijkse kleipakket

De waterspanningen in het binnendijkse kleipakket worden bepaald door de waterspanningen in het watervoerende zandpakket en de binnendijkse freatische lijn. In stationaire toestand is dit een rechtlijnig waterstandsverloop.

Vanwege de lange duur van een hoogwater en de geringe kleidikte, zal een stationaire toestand worden bereikt gedurende een hoogwater van enige omvang.

Relevante waterspanningsschematiseringen

Voor piping (opbarsten) en de stabiliteit van het binnentalud is de waterspanning in het watervoerend pakket van belang. De maatgevende situatie hiervoor is de situatie tijdens MHW. Voor de stabiliteit van het binnentalud speelt ook de freatische lijn in het dijklichaam een rol. Een verhoging van de freatische lijn door neerslag kan dan van belang zijn. Er wordt altijd rekening gehouden met de mogelijkheid van een verkeersbelasting op de dijk, die een verhoging van de waterspanningen veroorzaakt in de samendrukbare lagen onder de verkeersbelasting.

Wateroverspanningen door recente grondaanvullingen zullen, indien van toepassing, ook in rekening gebracht moeten worden, maar spelen voor de geconsolideerde eindsituatie geen rol meer. In tabel c3.2 zijn de van toepassing zijnde belastingcombinaties aangegeven.

Tabel c3.2 Relevante waterspanningsschematiseringen