Gedetailleerde beschrijving van het faaltraject - Kunstwerken

Belasting

De belasting op het kunstwerk wordt gevormd door het verval over het kunstwerk, zijnde het verschil tussen de buitenwaterstand en de waterstand aan de binnenzijde van het kunstwerk. Bij toenemend verval neemt de grondwaterstroming onder het kunstwerk toe. Dit leidt tot een geconcentreerde grondwaterstroming onder en/of naast het kunstwerk. In het voorbeeld van een sluis in Figuur 10.7 is links te zien dat het water vlak onder de bodem van het kunstwerk sneller zal stromen (langere pijlen) dan dieper in de ondergrond. Ter hoogte van het benedenhoofd komt het water weer aan de oppervlakte en is er sprake van concentratie van grondwaterstroming. Hier is het gevaar voor erosie dus het grootst en begint het pipingproces. In Figuur 10.7 rechts is een bovenaanzicht van hetzelfde kunstwerk getekend. Vlak naast het kunstwerk treedt een concentratie aan stroomlijnen op, waar erosieproblemen zich voor kunnen doen.

Sterkte

De sterkte van het kunstwerk met betrekking tot piping bestaat uit twee componenten: de lengte van de kwelwegen onder en/of naast het kunstwerk en de eigenschappen van de ondergrond waarop het kunstwerk gefundeerd is. Beide dragen bij aan de weerstand die de grondwaterstroming onder en naast het kunstwerk ondervindt.

De component van de kwelweglengte is direct gerelateerd aan het kunstwerk zelf en wordt gevormd door de mate waarin de kwelstroom wordt geforceerd een langere route af te leggen door de ondergrond (kwelweg). Dit wordt bepaald door de geometrie en funderingswijze van het kunstwerk. De hoofdafmetingen van het kunstwerk worden doorgaans bepaald door de functie; met behulp van kwelschermen onder- en naast het kunstwerk kan de kwelweg vervolgens verlengd worden. De fundatiewijze bepaalt of het deel van de kwelweg dat onder de constructie zit ook bijdraagt aan de weerstand die de grondwaterstroming onder en naast het kunstwerk ondervindt. Bij kunstwerken die op staal zijn gefundeerd is dit wel het geval. Bij kunstwerken die op palen zijn gefundeerd kan het voorkomen dat de ondergrond wel zakt en het kunstwerk niet. Hierdoor ontstaat een spleet tussen kunstwerk en ondergrond, waardoor de weerstand over dit deel van de kwelweg sterk afneemt.

Dit deel van de kwelweg draagt dan niet bij aan de weerstand die de grondwaterstroming onder en naast het kunstwerk ondervindt.

De weerstand die de grondwaterstroming onder en naast het kunstwerk ondervindt is ook sterk afhankelijk van het materiaal waaruit de ondergrond bestaat. In cohesieve, slecht doorlatende grondlagen is de grondwaterstroming zeer klein. Daarnaast zorgt de onderlinge samenhang ervoor dat er geen gronddeeltjes uitspoelen. Cohesieve, slecht doorlatende grondlagen zijn daarom niet gevoelig voor piping. In niet-cohesieve, goed doorlatende grondlagen (zand) is de grondwaterstroming veel groter. Daarnaast is er geen onderlinge samenhang tussen de deeltjes, zodat gronddeeltjes makkelijk door de grondwaterstroming kunnen worden meegevoerd.

De mate waarin niet-cohesieve grondlagen gevoelig zijn voor piping hangt af van de korreldiameter. Hierin spelen twee tegengestelde effecten een rol. De weerstand van de individuele korrel tegen uitspoelen neemt toe als de korrelgrootte toeneemt. De doorlatendheid van de ondergrond, en hiermee de grondwaterstroming, neemt echter ook toe bij toenemende korreldiameter. Het eerste (weerstandbiedende) effect is echter sterker, waardoor fijnkorrelige materialen gevoeliger zijn voor piping dan grofkorrelige.

Het traject van initiatie tot falen

De grondwaterstroming onder en/of naast het kunstwerk neemt recht evenredig toe als bij stijgende buitenwaterstanden het verval over het kunstwerk toeneemt. Ter plaatse van het uittredepunt van de geconcentreerde grondwaterstroming (zie Figuur 10.7) neemt het debiet en hiermee de stroomsnelheid van het uittredende grondwater toe. In eerste instantie gaat het om ‘schoon’ grondwater en worden geen gronddeeltjes meegenomen. Wanneer de grondwaterstroming krachtig genoeg is dan worden de volgende processen in gang gezet (zie Figuur 10.8):

• Erosie van de zandlaag
  Bij kunstwerken met een benedenstrooms kwelscherm ontstaat een situatie waarbij het zand tussen de onderzijde van het kwelscherm en het uittredepunt zich in gefluïdiseerde toestand bevindt (heave, zie plaatje linksboven in Figuur 10.8). Individuele zandkorrels worden meegevoerd en rondom de uitstroomopening van de wel afgezet. Dit wordt welvorming genoemd, zie plaatje rechtsboven in Figuur 10.8. In de zandlaag ontstaat hierdoor een holle ruimte ter plaatse van het uittredepunt, die zich later bovenin de zandlaag direct onder het kunstwerk in vorm van kanaaltjes (pipes) in bovenstroomse richting (richting buitenwater) uitbreidt. Dit wordt terugschrijdende erosie genoemd en is schematisch weergegeven het derde plaatje van Figuur 10.8.
• Het ontstaan van doorgaande pipes
  Bij voldoende groot verval over het kunstwerk blijven de erosiekanaaltjes groeien, tot ze het buitenwater bereiken. Er is dan een open verbinding tussen buitenwater en uittredepunt ontstaan, waardoor het kunstwerk onderloops is geworden. Het mechanisme onderloopsheid of piping is daarmee een feit.
  Volgens het model van Sellmeijer heeft de kanaalvorming in eerste instantie een reducerende werking op het erosieproces, doordat stromingsgradiënten afnemen zodat (bij gelijk blijvende buitenwaterstand) de terugschrijdende erosie tot stilstand komt. 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 verval, waarbij het proces van terugschrijdende erosie nog net stopt, wordt het kritieke verval genoemd. In de IJkdijkproeven is echter 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.
• Verbreden van het doorgaande kanaal in benedenstroomse richting
  Zodra het kanaaltje contact maakt met het water aan de bovenstroomse zijde van het kunstwerk (buitenzijde) treedt het ruimproces op. Onder ‘ruimen’ wordt het proces verstaan waarbij het kanaaltje door een drukgolf, die met de stroom meeloopt, vanaf de bovenstroomse naar de benedenstroomse kant versneld verder gaat eroderen. Deze drukgolf ontstaat als gevolg van het verdwijnen van het laatste stukje weerstand aan de bovenstroomse zijde van het kunstwerk.
• Bezwijken van het kunstwerk
  Uiteindelijk leidt dit proces, naar wordt aangenomen, tot holle ruimten onder het kunstwerk die zo groot zijn dat verzakking en breuk, en dus bezwijken, van het kunstwerk optreedt. Daardoor ontstaat een bres in de waterkering ter plaatse van het kunstwerk: de kering faalt.

In Figuur 10.8 is dit proces gevisualiseerd voor het ontstaan van een doorgaande pipe onder het kunstwerk (onderloopsheid). Indien sprake is van pipevorming naast het kunstwerk op het grensvlak met een cohesieve laag (achterloopsheid) is het verloop van het pipingproces analoog aan het verloop van het pipingproces bij dijken. In hoofdstuk 4 wordt het pipingproces voor dijken in meer detail beschreven.

Bovenstaande beschrijving is gebaseerd op een kunstwerk dat zich in een zandige laag bevindt. Indien het kunstwerk is opgenomen in een ondoorlatend pakket, dan kan piping optreden vanuit de hieronder gelegen watervoerende zandlagen. Dit faaltraject is in principe hetzelfde als piping onder een dijk.

N.B. Figuur 10.8 Verschillende fasen bij het ontstaan van piping bij een in Nederland veel voorkomende situatie van de ondergrondopbouw bij een kunstwerk. Rechtsonder een foto van een bezweken kunstwerk in een schaalmodelproef [1]