Faaltrajectbeschrijving - Microstabiliteit

Als gevolg van een hoge buitenwaterstand stijgen de waterspanningen in de dijk. Het waterspanningsverloop is sterk afhankelijk van de opbouw van de dijk. Bij slecht doorlatende buitenbekledingen kan water moeilijk de dijk indringen waardoor de stijging van de freatische lijn als gevolg van een hogere buitenwaterstand beperkt blijft. Onder een slecht doorlatende laag wordt een asfaltbekleding of een voldoende dikke en dichte kleilaag verstaan. Zelfs een goed verdichtte kleilaag zal na aanleg, onder invloed van bodemstructuur vormende processen, doorlatend worden. Alleen als de kleilaag dikker is dan orde één meter, dan zal een goed verdichtte kleilaag ook als een slecht doorlatende laag kunnen worden beschouwd.

Naast de buitenbekleding is het kernmateriaal van invloed op het waterspanningsverloop. Het is een groot verschil of de dijk uit klei of zand bestaat. Bij kleidijken zullen problemen met de microstabiliteit minder snel voorkomen. Dit komt doordat de oppervlakte lagen van kleidijken meer gestructureerd en beter doorlatend zijn dan de kern waardoor geen overdrukken in het binnentalud kunnen ontstaan. Verder is klei door cohesie beter bestand tegen erosie dan zand. Bij zeer langdurige hoogwaterstanden kan door verweking van het binnentalud de doorlatendheid van de toplaag afnemen wat mogelijk tot micro-instabiliteit kan leiden. Vooralsnog is hier echter niets over bekend.

Bij een doorlatende buitenbekleding en een kern van zand kan de freatische lijn in de dijk oplopen. Er ontstaat een verhanglijn in de dijk die al dan niet op het binnentalud uittreedt. De verhanglijn is onder andere afhankelijk van de duur van de hoogwatergolf.

De grondwaterstroming ter plaatse van het binnentalud is bepalend voor het al of niet optreden van micro-instabiliteit. De volgende stromingspatronen kunnen worden onderscheiden:

• Stroming loodrecht op het talud. Dit doet zich voor bij zandige taluds onder water.
• Horizontale uitstroming van water. Dit kan zich voordoen bij zandige taluds boven water en vormt de grootste bedreiging ten aanzien van uitspoelen van zanddeeltjes.
• Stroming evenwijdig aan het talud. Dit type stroming zal zelden optreden, omdat dit betekent dat de toplaag meer doorlatend is dan de kern. Bij stabiliteit bij overslag treedt dit type stroming wel op.
• Opbouw van waterdrukken onder een afdekkende kleilaag. Dit kan zich voordoen bij een zandkern met een afdekkende kleilaag aan de binnenzijde, zowel onder als boven water.

Voor een dijk met een zandkern onderscheidt [2] de volgende situaties waarin wel of juist geen mircro-instabiliteit kan optreden:

• Het binnentalud is zeer flauw: hiervoor wordt momenteel een talud van 1V:5H gehanteerd als kritische grens. De onderbouwing van deze grens is niet heel duidelijk [3], maar lijkt op zich geen overdreven optimistische aanname. Bij dergelijk flauwe taluds zal het mechanisme micro-instabiliteit geen veiligheidsprobleem opleveren.
• Onder het binnentalud of in de binnenteen is een drainageconstructie aanwezig. In de leidraden wordt gesteld dat indien de werking van de drainage goed is, het mechanisme micro-instabiliteit geen probleem oplevert.
• Het binnentalud bestaat uit een afdekkende kleilaag overgroeid met gras. Hier kan de situatie optreden dat de afdekkende kleilaag minder doorlatend is dan de kern, waardoor overdrukken nabij de binnenteen ontstaan. In deze omstandigheid kan de kleilaag worden opgedrukt (de waterdruk wordt groter dan het gewicht van de afdekkende kleilaag) of de laag kan afschuiven over de zandkern. Een combinatie van deze beide fenomenen is ook mogelijk. Eveneens kan het fenomeen optreden dat door bestaande scheuren of gaten in de kleilaag, of scheuren die ontstaan door opdrukken en of afschuiven, zand van onder de kleilaag wegspoelt. Bij dit type dijk moet op afdrukken en afschuiven van het binnentalud worden gecontroleerd.
• Het binnentalud bestaat uit zandig materiaal, normaal gesproken overgroeid met gras. De invloed van het gras wordt meestal genegeerd. In sommige beschouwingen is sprake van ‘schijnbare cohesie’ die het gras kan leveren. Meestal gaat het echter in eerste instantie om de stabiliteit op het niveau van een enkele korrel op het binnentalud. Of uitspoelen en erosie van zandkorrels op het binnentalud voor kan komen, dient te worden gecontroleerd.

Uit het bovenstaande kan worden afgeleid dat de volgende vormen van micro-instabiliteit op kunnen treden:

1. Bij een zanddijk met afdekkende kleilaag op het binnentalud:
   1. Afschuiven van (een deel van) het binnentalud door waterdruk onder de afdekkende kleilaag.
   2. Opdrukken van de afdekkende kleilaag op het binnentalud door waterdruk onder de kleilaag.
   3. Combinatie van afdrukken en afschuiven door waterdruk onder de afdekkende kleilaag.
   4. Uitspoelen van zand door scheuren en gaten in de afdekkende kleilaag. Deze scheuren en gaten bestonden al òf zijn het gevolg van het opdrukken en of afschuiven van de kleilaag.
2. Bij een zanddijk met zandige toplaag boven water:
   1. Afschuiven bij horizontaal uittredend grondwater.
   2. Uitspoelen van zand bij horizontaal uittredend grondwater.
3. Bij een zanddijk met zandige toplaag onder water:
4. Afschuiving bij stroming loodrecht op het talud.
   1. Uitspoelen van zand bij stroming loodrecht op het talud.

Geval C, zandtaluds onder water betreffen bijvoorbeeld dijken met binnendijks gelegen wielen en strangen. Deze kunnen relatief diep zijn en een zandtalud onder water hebben, waarbij onder extreme omstandigheden het kritische uittrede verhang wordt overschreden. Omdat dit zich onder water afspeelt kan het pas laat worden opgemerkt [4].
Indien een primair mechanisme van micro-instabiliteit is opgetreden ontstaat er een gat in het binnentalud van de dijk. Bij aanhoudende hoge freatische lijn in het dijklichaam zullen steeds meer korrels afstromen en afschuivingen plaats vinden waardoor het gat groter wordt. Tot zover is micro-instabiliteit ook daadwerkelijk waargenomen bij dijken.
Verondersteld wordt dat na verloop van tijd het binnentalud en eventueel de kruin door het gat wordt ondermijnd en afschuift (bijzakt) onder een helling van het natuurlijk talud tot een nieuwe evenwichtsituatie wordt bereikt.

Als de kruinhoogte daarbij lager wordt en water over de dijk kan stromen treedt bresvorming op. Waarschijnlijk is de kruinhoogte na het ‘bijzakken’ nog niet veranderd. Indien het binnentalud na een eerste afschuiving voldoende steil en de freatische lijn in het dijklichaam voldoende hoog is om korrels uit te spoelen of afschuivingen te veroorzaken zal het erosieproces van micro-instabiliteit verder gaan. Dit proces van uitspoelen van korrels en afschuivingen tot bijzakken van het talud zal zich blijven herhalen totdat de geometrie van de dijk zo is vervormd dat er geen uitspoelen van korrels meer kan optreden of de kruin van de dijk zo laag wordt dat overslag of een dijkdoorbraak gevolgd door bresgroei optreedt.
Het faaltraject van micro-instabiliteit tot dijkdoorbraak is schematisch weergegeven in Figuur 5.2.

Fasen leidend tot falen van de dijk als gevolg van micro-instabiliteit:

1. Dagelijkse omstandigheden

1. Verhoging freatisch vlak in de dijk als gevolg van hoogwater. Hoge waterspanning bij de teen van de dijk.
2. Ontstaan van micro-instabiliteit bij de teen van de dijk en aantasting van het binnentalud.
3. Verdergaand erosieproces en nazakken van het materiaal boven het sijpelpunt.
4. Kruinhoogte wordt aangetast, toename van golfoverslag, waardoor erosie door golfoverslag een toenemende rol gaat spelen. 5 Bresgroei door overloop: de dijk faalt.

Van belang om op te merken is dat het doorlopen van de stappen 1 tot 4 een behoorlijk langdurig proces kan vergen

Vooralsnog zijn er geen methoden beschikbaar om deze tijdsafhankelijkheid in rekening brengen.
De opvolgende gebeurtenissen leidend tot falen van de dijk staan in Figuur 5.3.

Opgemerkt wordt dat andere vormen van micro-instabiliteit kunnen optreden als gevolg van ongunstige elementen in de dijk, zoals holten veroorzaakt door afgestorven boomwortels, graverij van fauna, oude puinfunderingen van wegen die later zijn overlaagd en die verbinding maken met het buitenwater. Deze aspecten worden niet meegenomen in de bovengenoemde beschrijving van het mechanisme en komen ook niet tot uiting in de voor dit mechanisme gehanteerde modellen.