Stap 3: Modelkeuze, schematisering en verificatie - Vaststelling veilige schematisering

Stap 3.1 Modelkeuze

Op basis van de informatie uit stap 1 en 2 wordt een keuze gemaakt voor een model of een combinatie van modellen. Er kan onderscheid worden gemaakt in drie typen modellen (tabel 3.4). Bij de keuze zal ook de beschikbare informatie een rol spelen.

Tabel 3.4 Type modellen en verwijzing naar de bijlagen

Overwegingen bij de modelkeuze (zie ook paragraaf 2.3):

• Afhankelijk van het tijdsafhankelijk verloop van de hydraulische / (geo)hydrologische randvoorwaarden kan worden besloten of een stationaire berekening voldoende is of dat een tijdsafhankelijke (of cyclische) berekening zinvol is.
• Afhankelijk van de vorm van de geul (watervoerend pakket) wordt gekozen voor een schematisering van de

geometrie van dijk en ondergrond. Daarbij kan de geul als volgt geschematiseerd worden:

-  tweedimensionaal in een horizontaal vlak;

-  tweedimensionaal in een verticaal vlak;

-  of driedimensionaal.

• In situaties waar waterspanningen van ondergeschikt belang zijn kan men wellicht zonder metingen schematiseren. In de andere gevallen zullen metingen noodzakelijk zijn.

Stap 3.2 Grondwatermechanische modellering

Basisopzet van het geohydrologisch model, of de combinatie van geohydrologische modellen.

• Uitgangspunt is de in stap 1 gemaakte systeembeschrijving. Deze dient nu kwantitatief te worden ingevoerd in de gekozen modellen. Dit betekent dat de vaak grillige en heterogene werkelijkheid op een veilige manier moet worden geschematiseerd. De detaillering is mede afhankelijk van de mogelijkheden van de gekozen modellen: sommige modellen vereisen een verregaande vereenvoudiging van de complexe werkelijkheid. Dan is inzicht en ervaring vereist voor een veilige schematisering.
• De grondopbouw en de grondeigenschappen dienen in voldoende detail bekend te zijn. Van belang zijn met name:

• de aanwezigheid en dikte van de samendrukbare laag (klei, veen) binnen- en buitendijks;

- de ligging en dikte van de watervoerende zandpakketten;

- het al dan niet aanwezig zijn van tussenzandlagen;

- de doorlatendheden van het dijkmateriaal, de samendrukbare lagen en de zandpakketten;

- de invloed van mogelijke sliblagen op het onderwater talud;

- het soortelijk gewicht van de binnendijkse deklaag (klei, veen).

De grondopbouw wordt bepaald op basis van geotechnisch onderzoek. De doorlatendheden kunnen op basis van laboratoriumonderzoek worden vastgesteld. Vanwege inhomogeniteiten zullen dergelijke bepalingen echter zelden nauwkeurig zijn. Aanvullende informatie uit literatuurgegevens en/of ervaringsgegevens zijn daarom in ieder geval ook nodig. De beste bepaling van de doorlatendheid van de zandlagen wordt middels grootschalige veldproeven (dertien-uursmeting) verkregen. De doorlatendheid of hydraulische weerstand van de samendrukbare lagen is veel moeilijker te bepalen. Omdat de invloed hiervan op de resultaten van de berekeningen niet al te groot is, kan in het algemeen worden volstaan met conservatieve schattingen, waarbij conservatief vaak inhoudt dat een relatief lage weerstand (hogere doorlatendheid) in rekening wordt gebracht. Met name bij dunne kleilagen moet daarbij rekening worden gehouden met mogelijke gestructureerdheid van de klei tengevolge van (biologische) bodemontwikkeling, waardoor de weerstand afneemt.

Randvoorwaarden (buiten- en binnendijks).

Als buitendijkse randvoorwaarde wordt de buitenwaterstand opgegeven, met een hydrostatisch drukverloop, zoals deze op het watervoerend pakket werkt. De afstand vanaf de dijk waarop deze randvoorwaarde wordt opgegeven is het intreepunt. Zeker in het geval van voorland is het intreepunt fysiek niet gemakkelijk aan te duiden. Dan wordt de afstand bepaald op basis van onderzoek naar de aanwezige toplaag in het voorland. Als alternatief kan indirect met behulp van metingen aan de stijghoogte de intreelengte worden bepaald.

Voor de binnendijkse randvoorwaarde dient onder meer rekening te worden gehouden met opbarsten/opdrijven (en de afstand waarop weer het polderpeil aanwezig is). Opbarsten begrenst de waterspanningen in het watervoerende pakket (zie ook paragraaf 2.2.5). Zowel analytische- als numerieke rekenmodellen houden meestal geen rekening met deze interne grensconditie. De gelimiteerde waterspanning zal daarom als extra randvoorwaarde in het watervoerend pakket gemodelleerd moeten worden.

De afstand achter de dijk waar weer het polderpeil aanwezig is, is afhankelijk van de toevoer van water door het watervoerend pakket en de uitstroom van water door de kleilaag. Indien op een gegeven punt de kleilaag ontbreekt, zal daar het polderpeil aanwezig zijn. Indien dit punt te dicht bij de dijk gekozen wordt, wordt de waterspanning (sterk) onderschat. De schematisering is dan niet meer veilig. Indien opbarsten zeker optreedt, is de locatie van deze randvoorwaarde minder van belang. De grenswaterspanning in de opdrijfzone volstaat dan.

Bij toepassing van meerdere modellen: de ‘rekenvolgorde’ en de interacties.

Gewoonlijk levert het model voor het watervoerend pakket de randvoorwaarde voor het model waarmee vervolgens de ontwikkeling van waterspanningen in de samendrukbare pakketten wordt bepaald. Wel dient dan (achteraf) te worden gecontroleerd of tijdsafhankelijke interactie tussen beide pakketten kan worden verwaarloosd.

Overzicht relevante (en niet uit te sluiten) ‘afwijkingen’ in het ondergrondmodel en in het systeemgedrag.

Er moet bijvoorbeeld rekening worden gehouden met mogelijk sterk veranderende omstandigheden die optreden indien het voorland onderstroomt of met te verwachten ingrijpende veranderingen in het geohydrologisch systeem.

Opzet meetprogramma t.b.v. verificatie afwijkingen en vaststellen geohydrologische parameters.

In paragraaf 2.5 en bijlage 3 wordt ingegaan op peilbuis- en waterspanningsmetingen.

Stap 3.3 Parameterkeuze

Mede afhankelijk van voorgaande keuzes moet besloten worden of de gekozen schematisering of modellering gekalibreerd dient te worden op actuele metingen (al dan niet tijdsafhankelijk), of dat wordt uitgegaan van een conservatieve inschatting op basis van globale (geo)hydrologische gegevens.

Vervolgens zullen de nog ontbrekende (geohydrologische) parameters (doorlatendheid, berging e.d.) moeten worden toegekend.

1. Indien er geen kalibratie mogelijk is met waterspanningsmetingen moeten de parameters gebaseerd worden op veilige inschattingen. In feite wordt geen informatie toegevoegd, en moet worden uitgegaan van de in stap 3.1 conservatief opgestelde basisopzet. Afhankelijk van het beoogde gebruik van het model (bijvoorbeeld extrapolatie naar hoog water), dienen keuzes te worden gemaakt hoe de onzekerheden (nu of in de toekomst) in de geologische schematisering worden verwerkt.
2. Met metingen van de stijghoogte kunnen de modellen worden gekalibreerd. De aanwezigheid van de binnen- en buitendijkse kleilagen en de weerstand ervan kunnen door middel van deze metingen worden vastgesteld. Daarnaast kan op basis van metingen soms de opbarstpotentiaal worden bepaald. Bij metingen kunnen eventuele driedimensionale effecten in beeld worden gebracht, bijvoorbeeld bij sterk wisselende kleilaagdikte in de lengterichting van de dijk. Daarnaast kunnen de meetresultaten veronderstelde afwijkingen bevestigen dan wel uitsluiten.

Stap 3.4 Extrapolatie naar belastingcombinatie(s)

Bij de extrapolatie van de situatie tijdens de meting naar een mogelijk maatgevende (ontwerp)belastingsituatie moet rekening worden gehouden met:

• Een ander systeemgedrag bij extreme waterstanden, bijvoorbeeld een ander grondwaterstromingspatroon bij geopende stuw op de rivier, opbarsten/opdrijven van de deklaag achter de dijk, of het overstromen van zomerkaden. Hierdoor kunnen aspecten die niet relevant zijn in de kalibratie wellicht toch belangrijk zijn in maatgevende omstandigheden. Bijvoorbeeld de aanwezigheid van geulen in het voorland.

• Verandering van het systeem tijdens de toets- of planperiode. Enkele voorbeelden hiervan zijn het al dan niet kunnen garanderen van een afdekkende laag (sliblaag) op de rivierbodem of op het voorland, toekomstige wijzingen van slootpeilen, het aanbrengen, verwijderen of functioneren van afsluitende elementen zoals damwanden en schermen.

In beginsel levert een (al dan niet op basis van waterspanningsmetingen gekalibreerde) modellering schattingen op van waterspanningen. Daarbij is er altijd sprake van een zekere mate van onzekerheid. Dit betekent dat de adviseur expliciet moet ingaan op de wijze waarop hij met onzekerheid is omgegaan: door het verwaarlozen van een deklaag op het voorland, of het kiezen van een conservatieve parameterset, het niet meenemen van instationaire effecten, etc. In bijzondere gevallen kan een gevoeligheidsanalyse zinvolle informatie opleveren.

Tabel 3.5 Checklist ter voorkoming van fouten (niet limitatief)

Stap 3.5 Vaststellen waterspanningen en controle

In deze stap moet de adviseur aan kunnen geven:

• in welke keuzes enige ‘veiligheid / conservatisme’ is aangebracht, en hoe dit zich verhoudt tot de belangrijkste onzekerheden;
• in welke mate de schematisering onderbouwd / geverifieerd is met metingen;
• onder welke voorwaarden de schematisering als voldoende veilig kan worden gebruikt. Bijvoorbeeld welk uitgangspunt is gehanteerd voor rivier en voorland, en hoe belangrijk is dat dan.

Van belang is dat bovenstaande vragen uitsluitend kunnen worden beantwoord, indien het gehele traject van vaststellen ondergrondmodel tot en met berekenen van de geotechnische stabiliteit wordt beschouwd.

Indien uit deze laatste stap blijkt dat aanvullende metingen nodig zijn, wordt de informatie aangevuld en moeten alle stappen opnieuw doorlopen worden (in het ernstigste geval vanaf stap 1, maar waarschijnlijk vanaf stap 3.2).

Het diagram in figuur 3.3 toont aan dat een bepaalde mate van veiligheid op verschillende manieren bereikt kan worden. Stel, om de gedachten te bepalen, dat een stabiliteitsfactor van 1,50 een goede benadering is van de ‘werkelijke’ stabiliteitsfactor, en dat een schematisering die tot een stabiliteitsfactor van 1,10 leidt een veilige (en niet te conservatieve) schematisering is. De dikke lijn in het diagram leidt tot die waarde. Aan de hellingen kunnen we zien dat bij deze lijn gekozen is voor een enigszins veilige schematisering van het ondergrondmodel, een ‘best guess’ modelkeuze voor de stabiliteitssom (rekenmodelkeuze, inclusief ‘modelfactor’) en ‘absoluut’ veilige keuzen voor waterspanningen en grondparameters. Hetzelfde resultaat zou wellicht ook bereikt kunnen worden door een absoluut veilige schematisering van het ondergrondmodel en van waterspanningen, in combinatie met ‘best guess’ aannamen voor grondparameters en rekenmodel.

Figuur 3.3 Bandbreedte van berekende stabiliteitsfactor als gevolg van door onzekerheden ingegeven mogelijke keuzen bij de schematisering (de getallenrange is fictief). De dikke lijn representeert een betrekkelijk veilige wijze van schematiseren.