Fase 2: Pipevorming – terugschrijdende erosie - Mechanismenbeschrijvingen

Fase 2: Pipevorming – terugschrijdende erosie

Zolang het verval over de waterkering voldoende klein is zal bij het uittreepunt ‘schoon’ water uittreden. Neemt het verval toe, en dus ook de hevigheid van de kwelstroming, dan leidt dit ertoe dat vanuit de zandlaag zanddeeltjes worden meegenomen. We spreken dan over een zandmeevoerende wel. Het zand wordt afgezet rond het uittredepunt en er vormt zich een zandkrater.

Een zandmeevoerende wel wordt gedefinieerd als een wel die continu zichtbaar zand meevoert (Figuur 4.11).

De erosie van het zand begint op de plaats waar de kwelstroom vanuit de zandlaag in het verbindingskanaal met het oppervlak komt, door de hoge locale gradiënten als gevolg van het zich samentrekken van de stroomlijnen. In de zandlaag ontstaat op die plaats een holle ruimte (Figuur 4.1c). Later, bij nog groter verval, vormen zich kanaaltjes bovenin de zandlaag (direct onder de ondoorlatende rand van de kleidijk of van de eventueel aanwezige deklaag), die zich uitbreiden richting buitenwater (Figuur 4.1d). Dit proces wordt aangeduid als ‘terugschrijdende erosie’.

In de IJkdijkproeven is waargenomen dat als eenmaal een zandmeevoerende wel is ontstaan, het pipingproces niet meer tot stilstand komt. Bij gelijkblijvend verval stopt het zandtransport niet meer en de lengte van het kanaal blijft toenemen. Er ontstaat dus geen evenwichtssituatie. Dit lijkt in tegenspraak met de theorie van Sellmeijer. Maar hierbij is wel in acht te nemen dat bij de IJkdijkproeven een specifieke configuratie met een vlak als uitstroompunt werd beproefd.

Volgens het model van Sellmeijer heeft de kanaalvorming in eerste instantie een reducerende werking op het erosieproces, doordat stromingsgradiënten afnemen (zie ook Figuur 5.4), zodat (bij gelijk blijvende buitenwaterstand) de terugschrijdende erosie tot stilstand komt. De lengte van de kanaaltjes (pipes), dus de mate waarin de terugschrijdende erosie vordert, is volgens Sellmeijer [1988] afhankelijk van het verval over de waterkering. Wanneer het verval over de kering echter groot is, zal de terugschrijdende erosie zich zover doorzetten, dat het erosieproces niet gereduceerd wordt, maar juist versterkt. Het kritieke verval is dan overschreden en er ontstaat volgens de theorie progressiefterugschrijdende erosie. Het verval, waarbij het proces van terugschrijdende erosie nog net stopt, wordt het kritieke verval genoemd.

Het feit dat na het ontstaan van zandmeevoerende wellen nog evenwichtssituaties mogelijk zijn, is een interpretatie van de theorie. Mogelijk is het kritiek verval al bereikt, wanneer in de praktijk zandmeevoerende wellen worden waargenomen. Een evenwichtsverval is dus mogelijk als het gaat om miniem kleine kanaaltjes vrijwel zonder waarneembare zandproductie van de wellen.

Uit experimentele onderzoek volgt dat het kanaal bij constant verval langzaam in bovenstroomse richting groeit. De snelheid waarmee kanaaltjes groeien is afhankelijk van het verval. Indien meerdere kanaaltjes aanwezig zijn groeien deze niet allemaal even snel. De activiteit van de individuele zandmeevoerende wellen kan in de loop van de tijd vernaderen; sommige vallen helemaal stil, soms voert een wel wat minder zand af. Ook kunnen nieuwe zandmeevoerende wellen ontstaan, meestal vlakbij een bestaande zandmeevoerende wel. Kanalen worden ook niet over de gehele breedte van een dijk gevormd, soms is er een soms zijn er meerdere hoofdkanalen.

Zandmeevoerende wellen hoeven zich niet per se uit een al bestaande schone wel te ontwikkelen. De totale hoeveelheid zandtransport blijft bij gelijkblijvend verval constant en neemt toe bij een toename van het verval.

Uit full-scale testen op de IJkdijk [Beek & Knoeff, 2010] blijkt dat een of meerdere zandmeevoerende wellen (zie Figuur 4.11) eerst ontstaan bij een verval bijna zo hoog is als het verval waarbij een dijk kan bezwijken.

Het groeien van kanalen is in de praktijk goed waarneembaar in de verandering van waterspanningen. Een verlaging van waterspanning duidt op kanaalvorming. Wanneer

terugschrijdende erosie optreedt, is het verhang aan de bovenstroomse zijde van een piping kanaal hoger dan in de situatie zonder kanaal en ter plaatse van het kanaalfront is het verhang lager. Het kanaal heeft een grotere doorlatendheid dan het zand en dus zal dit het water naar zich toetrekken. Dit geeft in totaal een wat groter debiet. Aan de bovenstroomse kant van dat kanaal is het zandpakket nog ongestoord, maar daar moet het hogere debiet door stromen en dus is daar ook een hoger verval. Geschematiseerd ontstaat dus de situatie zoals geschetst in Figuur 4.10. De helling van de lijn met het stijghoogteverloop is het verhang. In deze figuur is te zien hoe waterspanningen veranderen ten gevolge van de vorming van een kanaal.

Figuur 4.10 Schets stijghoogteverloop. Locale waterspanningsafname (lichtblauwe lijn), veroorzaakt door kanaalvorming t.g.v. terugschrijdende erosie vergeleken met initiële waterspanning voor begin van kanaalvorming (blauwe lijn)

De diepte van het kanaal wordt bepaald door het krachtenevenwicht op de korrel. De verandering van de waterspanning volgt hieruit. De ligging cq. lengte van het zich vormende kanaal kan dus uit waterspanningsmetingen worden afgeleid.

De toename in doorlatendheid/debiet ten gevolge van het ontstaan en groeien van kanaaltjes is zeer klein. De toename in doorlatendheid van het watervoerende zandpakket (bulkdoorlatendheid) wordt door de kanaalvorming nauwelijks beïnvloed.

Figuur 4.11 Zandmeevoerende wellen