Stabiliteitsanalyses vervolg - Bijlage C Voorbeeld toetsing vestingwal Hellevoetsluis o.b.v. bewezen sterkte

Keuze representatieve dwarsprofielen

Het ‘Bewezen-Sterkte’-concept dient te worden toegepast voor dwarsprofielen die qua macrostabiliteit van het binnentalud maatgevend zijn voor een gedeelte van de Vestingwal. Tezamen dienen deze profielen en derhalve de resultaten van het onderzoek representatief te zijn voor de gehele Vestingwal.

Resultaten van stabiliteitsanalyses

Op basis van ondergrondopbouw, geometrie van de wal, hoogte en afmetingen van voorland en al dan niet opdrijfgevoeligheid bij hoge buitenwaterstanden zijn zeven trajecten onderscheiden waarvoor representatieve dwarsprofielen zijn vastgesteld. Voor die dwarsprofielen zijn, op basis van de besproken uitgangs- punten m.b.t. modellering van de ondergrondopbouw, grondparameters en water- spanningen, stabiliteitsanalyses uitgevoerd met het computerprogramma MSTAB (rekenmodel Bishop voor ondiepe glijvlakken en LiftVan voor stabiliteit bij opdrijven). Voor vier van de zeven profielen zijn stabiliteitfactoren gevonden waarbij niet aan de toetsnormstelling werd voldaan. In Tabel C 3 is een overzicht gegeven van de resultaten van de stabiliteitsanalyses voor deze profielen.

Tabel C 3

Overzicht van resultaten van deterministische en probabilistische stabiliteitsanalyses

Eisen aan (a-posteriori) instabiliteitskans

Formeel zijn geen eisen aan de macro-instabiliteitskans vastgelegd in de TAW/ ENW-Leidraden. Wel zijn hiervoor uitgangspunten geformuleerd bij de afleiding van de minimaal vereiste schadefactoren in de TAW-‘Leidraad voor het ontwerpen van rivierdijken, deel 2 - benedenrivierengebied’, met name in Appendix G bij deze lei- draad [5]. Ook tijdens de studies in het kader van de TAW-Marsroute zijn gedachten hierover verder uitgekristalliseerd. Gebaseerd op deze studies wordt door de Provincie Zuid Holland de eis gesteld dat de bijdrage aan de overstromingskans per jaar van een dijkringgebied door macro-instabiliteit (of een ander grondmechanisch mechanisme) niet groter mag zijn dan circa 1 procent van de kans per jaar op overschrijden van de maatgevende hoogwaterstand die voor het betreffende dijk- ringgebied vigerend is. Die bijdrage aan de overstromingskans geldt voor elk dijkvak. Voor de Brielse Dijkring geldt dat de kans per jaar op overschrijding van de maat- gevende hoogwaterstand 1/4000 is. De maximaal toegelaten bijdrage aan de kans op overstroming door macro-instabiliteit is derhalve 2,5.10-6per jaar. Omdat macro-instabiliteit van het binnentalud nog niet noodzakelijk ook overstroming zal impli- ceren zal de toelaatbare kans op macro-instabiliteit (per jaar per dijkvak) groter mogen zijn. Ruwe schattingen geven aan dat de kans op het optreden van een dijkdoorbraak als gevolg van, en gegeven het optreden van een afschuiving bij

een hoogwatersituatie in elk geval kleiner dan 10% zal zijn. Dit betekent dat een toelaatbare kans per jaar in de orde van 2,5. 10-5 op het optreden van macro-insta-biliteit van het binnentalud in een dijkvak realistisch is. Opgemerkt wordt dat de instabiliteitskansen die berekend zijn voor de toetssituaties, kansen zijn gegeven het optreden van de maatgevende hoogwaterstand of gegeven het optreden van een extreme neerslagsituatie (de zogenaamde ontwerpbelastingen). Die kansen zijn daarom conditionele kansen. In beginsel moeten conditionele kansen berekend worden voor alle mogelijk verschillende hoogwaterstanden en verschillende neer- slagsituaties, waarna die kansen geïntegreerd moeten worden, rekening houden met de kansen op het optreden van de hoogwaterstanden en neerslagsituaties.

Praktisch komt het er op neer dat de conditionele kansen bij de maatgevende hoogwaterstand of bij de maatgevende extreme neerslag bovengrenzen zullen zijn voor de geïntegreerde instabiliteitskansen door hoogwater of door neerslag. Voor de toelaatbare instabiliteitskans als gevolg van neerslag speelt nog een ander belangrijk aspect mee. Zoals boven aangegeven mag bij het vaststellen van zo’n eis rekeninggehouden worden met het feit dat macro-instabiliteit niet noodzakelijk leidt tot dijkdoorbraak en overstroming. Wanneer instabiliteit als gevolg van extreme neerslag al leidt tot verlaging van de kruin van de dijk, dan zal dat pas leiden tot overstroming als gelijktijdig daarmee, of gedurende een periode die nodig is voor (nood)reparaties, ook een extreme hoogwaterstand optreedt. Wanneer er van uit gegaan kan worden dat het optreden van extreme neerslag slechts bij toeval ook samenvalt met een hoge waterstand, dan is de kans op overstroming, gegeven het optreden van een afschuiving door extreme neerslag erg klein. Dit betekent dat vanuit waterkeringsoogpunt een relatief grote kans op instabiliteit door neerslag, en zelfs een grote kans op instabiliteit bij de maatgevende extreme neerslag nog acceptabel is. Bij het afleiden destijds van de schadefactoren voor maatgevende extreme neerslag in de ‘Leidraden voor het ontwerpen van rivierdijken’ [2][4] is uit- gegaan van een kans van 1/10 dat een afschuiving bij extreme neerslag tot over- stroming leidt. Mogelijk is dit uitgangspunt, gegeven de voortschrijdende inzichten gedurende de afgelopen 10 jaar, wel erg conservatief. Wanneer nu een herevaluatie zou plaatsvinden leidt dit waarschijnlijk tot aanzienlijke afzwakking van de schade- factoreisen. Mogelijk zelfs tot eisen die vanuit waterkeringtechnisch oogpunt milder zijn dan vanuit onderhoudsoogpunt. Met andere woorden, bij de formele veilig- heidstoetsing zou dan de extreme neerslagsituatie geen rol meer spelen.

Voor de beoordeling van instabiliteit als gevolg van neerslag wordt in deze studie de volgende werkwijze gehanteerd. De kans op de extreme neerslagsituatie waar- mee in de stabiliteitsanalyses rekening wordt gehouden, de maatgevende extreme neerslag, is 1/4.000 per jaar. Voor de kans op een dijkdoorbraak, gegeven instabi- liteit door neerslag zou, conform de afleiding in de ‘Leidraad voor het ontwerpen van rivierdijken, deel 2 - benedenrivierengebied’ [4] met 0,1 moeten worden gere- kend. Zoals betoogd is dat een zeer conservatieve aanname, een kans van 0,01 à 0,05 lijkt meer in de rede te liggen. De bijdrage aan de kans op dijkdoorbraak (en dus overstromen) als gevolg van extreme neerslag, ervan uitgaande dat de maat- gevende extreme neerslag een representatieve ontwerpwaarde is, is derhalve:

waarbij de kans op doorbraak gegeven instabiliteit 0,01 à 0,05 is en de kans

op optreden van de maatgevende neerslagsituatie 1/4.000 per jaar. Rekenen we weer met een maximaal toelaatbare bijdrage aan de kans op overstroming van Pdoorbraak, toelaatbaar = 2,5 10-6 per jaar per dijkvak, dan wordt daarmee de maximaal toelaatbare kans op instabiliteit per jaar per dijkvak:

Conform het eerder gestelde is dus een zeer grote kans op instabiliteit bij maat-gevende neerslag, vanuit waterkeringstechnisch oogpunt, acceptabel. Een grote kans op macro-instabiliteit bij maatgevende extreme neerslag kan uiteraard om andere redenen onacceptabel zijn, maar dit staat los van de waterkeringstechnische eisen in het kader van de Toetsing op Veiligheid. Voor de toetsing zullen we verder de ondergrens van 0,2 aanhouden.

Evaluatie van berekeningsresultaten

Profiel 2.566

De MHW-situatie is de maatgevende toetssituatie. Het verschil met HHW’53 is klein (0,73 versus 0,70) maar de situatie tijdens HHW’53 moet slechter zijn geweest. De berekende a-priori kans op instabiliteit is 0,31. Verantwoordelijk voor deze hoge kans is het gebruik van een zeer grote spreiding van de modelonzekerheid. Een kleinere spreiding zou leiden tot een aanzienlijke reductie van de instabiliteitskans, echter onvoldoende om op basis van toetsing van de a-priori kans tot goedkeuring te komen. Een analyse op basis van bewezen sterkte is dus noodzakelijk. Deze is uitgevoerd op basis van het overleven van de hoogwatersituatie van 1953. De Bayesiaanse analyse leidt tot een a-posteriori instabiliteitskans van 4.10-7, wat ruimschoots beneden het kanscriterium ligt (2,5.10-6à 2,5.10-5). Bij de Bayesiaanse analyse is ervan uitgegaan dat onzekerheid over de waterspanningen fifty fifty verdeeld is in reproduceerbare en niet reproduceerbare onzekerheid. Op grond hiervan wordt geconcludeerd dat de stabiliteit bij maatgevende hoogwaterstand voldoende is gewaarborgd.

Profiel 3.080

Ook hier is het verschil tussen MHW-situatie en HHW’53 klein. De berekende schadefactor voor de MHW-situatie is 0,77 en de berekende a-priori kans op instabiliteit is 0,17. Verantwoordelijk voor deze hoge kans is het gebruik van een zeer grote spreiding van de modelonzekerheid. Een kleinere spreiding zou leiden tot een aanzienlijke reductie van de instabiliteitskans, echter onvoldoende om op basis van toetsing van de a-priori kans tot goedkeuring te komen. De ‘Bewezen- Sterkte’-analyse is uitgevoerd op basis van het overleven van de hoogwatersituatie van 1953. De Bayesiaanse analyse leidt tot een a-posteriori instabiliteitskans van 4.10-6, wat binnen de range voor het kanscriterium ligt (2,5.10-6à 2,5.10-5). Op grond hiervan wordt geconcludeerd dat de stabiliteit bij maatgevende hoogwater- stand voldoende is gewaarborgd, hoewel niet aan het strengste criterium (de ondergrens van de range voor de acceptabele faalkans) wordt voldaan.

Profiel 3.800

De berekende schadefactor voor de MHW-situatie is 0,63. De berekende a-priori kans op instabiliteit is ca. 0,6. Verantwoordelijk voor deze hoge kans is het gebruik van een zeer grote spreiding van de modelonzekerheid. Een kleinere spreiding zou leiden tot een aanzienlijke reductie van de instabiliteitskans, echter onvoldoende om op basis van toetsing van de a-priori kans tot goedkeuring te komen. Een analyse op basis van bewezen sterkte is dus noodzakelijk. Deze is uitgevoerd op basis van het overleven van de hoogwatersituatie van 1953. De Bayesiaanse analyse leidt tot een a-posteriori instabiliteitskans van 2.10-2, hetgeen ruimschoots boven het kanscriterium ligt (2,5. 10-6 à 2,5. 10-5). Op grond hiervan wordt gecon-cludeerd dat langs deze weg niet is aangetoond dat de stabiliteit bij maatgevende hoogwaterstand voldoende is gewaarborgd.

Profiel 4.000

De situatie is vergelijkbaar met profiel 3.080. De berekende schadefactor voor de MHW-situatie is 0,69. De berekende a-priori kans op instabiliteit is 0,14. Verantwoordelijk voor deze hoge kans is het gebruik van een zeer grote spreiding

van de modelonzekerheid. Een kleinere spreiding zou leiden tot een aanzienlijke reductie van de instabiliteitskans, echter onvoldoende om op basis van toetsing van de a-priori kans tot goedkeuring te komen. Een analyse op basis van bewezen sterkte is dus noodzakelijk. Deze is uitgevoerd op basis van het overleven van de hoogwatersituatie van 1953. De Bayesiaanse analyse leidt tot een a-posteriori instabiliteitskans van 4.10 -6, die binnen de range voor het kanscriterium ligt (2,5.10-6à 2,5.10-5). Op grond hiervan wordt geconcludeerd dat de stabiliteit bij maatgevende hoogwaterstand voldoende is gewaarborgd.

Toetssituatie Maatgevende Extreme Neerslag

De (a-priori) instabiliteitskansen bij maatgevende extreme neerslag zijn ca. 0,20, behalve voor profiel 3.800. Dit profiel komt overigens op basis van de bewezen sterkte voor extreem hoogwater al niet in aanmerking voor goedkeuring. De kansen voor de overige vakken zijn dus kleiner dan het kanscriterium voor macro-insta- biliteit bij extreme neerslag, dat in paragraaf C.5.4 is afgeleid. De beschouwing van kansen bij maatgevende extreme neerslag leidt dus niet tot bijstellen van de conclusies ten aanzien van goedkeuren. Denkbaar is natuurlijk wel dat bij optreden van extreme neerslag schade aan het binnentalud ontstaat, maar die leidt met vol- doende waarschijnlijkheid niet tot dijkdoorbraak.

Tot besluit

Op grond van ‘Bewezen-Sterkte’-analyses kunnen drie van de vier onderzochte dijkvakken van de vestingwal in Hellevoetsluis worden goedgekeurd. Bij de eerdere gedetailleerde toetsing kon niet tot goedkeuring volgens de VTV-criteria worden besloten.

De vestingwal is nationaal cultuurgoed. Indien versterking noodzakelijk is zal deze zodanig moeten worden uitgevoerd dat cultuurwaarden minimaal worden aan- getast. Dat zou ertoe leiden dat versterking ten behoeve van de stabiliteit van het binnentalud zou moeten worden gerealiseerd door het aanbrengen van een zware stabiliteits(dam)wand in de teen van het binnentalud, met navenante kosten.

Met behulp van een gevoeligheidsanalyse (die verder niet besproken is in de beschrijving hierboven) is nagegaan in hoeverre de goedkeuring nu robuust is, in de zin dat bij een volgend toetsingen over 5 en 10 jaar niet alsnog wordt afgekeurd. Uit die analyse is geconcludeerd, op basis van veranderingen in de toetspeilen conform de huidige inzichten, dat verwacht mag worden dat het huidige toets- resultaat nog tenminste twee toetsronden ‘mee zal gaan’.

De bereikte besparing door toepassing van het ‘Bewezen-Sterkte’-concept is op z’n minst de rentewinst door het verantwoord kunnen uitstellen van de investe- ring voor de stabiliteitswand gedurende minimaal 10 à 15 jaar. Wellicht is verdere besparing in de toekomst nog mogelijk wanneer, indien t.z.t. versterking wel nodig is, innovatieve en kostenefficiënter versterkingsconcepten zijn ontwikkeld.