Gedetailleerde beschrijving van het faaltraject - Kunstwerken

Belasting

De hydraulische belasting bestaat uit water dat door het niet-hoogwaterkerend-gesloten kunstwerk naar binnen stroomt. Dit vindt plaats op het moment dat de buitenwaterstand hoger is dan de drempel van het niet-hoogwaterkerend-gesloten kunstwerk of de binnenwaterstand achter het kunstwerk. Het instromende water vormt de belasting op het achterliggende watersysteem (komberging) en de bodembescherming (erosie) aan de binnenzijde van het kunstwerk.

De hydraulische belasting worden gevormd door de buitenwaterstand en de golven. In combinatie met het watersysteem-afhankelijke verloop van een hoogwatergolf bepaalt deze belasting in een gegeven situatie mede de totale hoeveelheid instromend water. Eigenschappen van het kunstwerk, zoals afmetingen van de doorstroomopeningen en de hoogte van de drempel van het niet-gesloten kunstwerk, zijn ook van invloed op het instromende volume.

Het verloop van een hoogwater is afhankelijk van het watersysteem waarvan het kunstwerk deel uitmaakt. Zo is het verloop van een hoogwatergolf in het bovenrivierengebied anders dan dat van een hoogwatergolf langs de kust. In Figuur 10.3 is voor zowel een deel van het bovenrivierengebied als een kustlocatie een geschematiseerd verloop van een hoogwatergolf weergegeven. Deze grafieken zijn afkomstig uit studies om te komen tot een standaard voor waterstandsverlooplijnen [19][20]. Het maakt duidelijk dat, afhankelijk van de locatie, er een groot verschil kan zijn in de tijdsduur dat een hoogwater zich voordoet.

De afmetingen van de doorstroomopening(en) en hoogteligging van de drempel van het niethoogwaterkerend-gesloten kunstwerk zijn van invloed op het instromende debiet dat bij een bepaalde waterstand optreedt. Hiermee bepalen deze factoren, samen met de buitenwaterstand, de belastingen op het kunstwerk en de bijbehorende komberging. In de basis zijn er drie situaties mogelijk:

1. Verticale wand of hoge drempel (bijvoorbeeld coupure)
   In dit geval is bij het niet-hoogwaterkerend-gesloten zijn van het kunstwerk een element in het kunstwerk aanwezig, dat zorgt voor een drempel waar het water via golfoverslag en/of overloop overheen moet stromen. ‘Hoge’ heeft hier betrekking op het feit dat de hoeveelheid instromend water geen invloed ondervindt van eventueel aanwezig binnenwater.
2. Lage drempel (bijvoorbeeld keersluis)
   Hierbij is bij het niet-hoogwaterkerend-gesloten zijn van het kunstwerk direct contact tussen buiten- en binnenwater, waardoor het debiet aan instromend water beïnvloed wordt door de binnenwaterstand.
3. Verdronken koker
   Water stroomt bij het niet-hoogwaterkerend-gesloten zijn van het kunstwerk via een buis of koker naar binnen, waarbij er direct contact is tussen binnen- en buitenwater en waarbij de constructie geheel onder water ligt. In tegenstelling tot de lage drempel zijn de afmetingen van de doorstroomopening hierbij fysiek beperkt.

Voor deze drie situaties zijn algemeen geldende hydraulica formules beschikbaar, die kunnen worden gevonden in de schematiseringshandleiding [5].

Sterkte
De sterkte van het kunstwerk bestaat in feite uit de betrouwbaarheid van het sluitingsproces van de keermiddelen in combinatie met de volgende twee componenten: de sterkte van het kunstwerk zelf en het kombergend vermogen van het achterland. De sterkte van het kunstwerk zelf, tot uiting gebracht in de sterkte van de binnendijks aanwezige bodembescherming, dient altijd in de beschouwing te worden betrokken, het kombergend vermogen van het achterland alleen als de situatie daar aanleiding toe geeft.
De sterkte van de binnendijks aanwezige bodembescherming is veelal maatgevend ten opzichte van het kombergend vermogen. De bodembescherming wordt in toenemende mate belast naarmate het instromend debiet toeneemt.
De betrouwbaarheid van het sluitingsproces van de keermiddelen in een kunstwerk gegeven een sluitvraag kan in een kans op falen van het sluiten gegeven hoogwater worden uitgedrukt. Hierbij zijn de volgende gegevens van belang:

1. Procedure en technische uitvoering sluiting hoogwaterkerende keermiddelen.
2. Het (dagelijks) gebruik van het kunstwerk (i.e. hoogwaterkerende keermiddelen).
3. Mogelijkheden om een falende sluiting te herstellen.

ad a. Het aantal en type (inclusief aandrijving) hoogwaterkerende keermiddelen is primair van belang bij het sluitproces. Er zijn keermiddelen die uit zichzelf sluiten onder invloed van de zwaartekracht (terugslagkleppen), maar er zijn ook keermiddelen die met de hand geplaatst moeten worden (schotbalken). Kunstwerken worden daarnaast ook vaak uitgerust met meerdere hoogwaterkerende keermiddelen ten einde een bepaalde betrouwbaarheid van sluiting na te streven.
Naast de fysieke uitvoering van het sluiten van de keermiddelen, is het ook van belang dat de procedure omtrent het sluiten goed is georganiseerd. Alarmering, mobilisatie en bediening zijn hierbij van wezenlijk belang.
Om de faalkans van het sluiten van de hoogwaterkerende keermiddelen in te schatten zijn in de Leidraad Kunstwerken twee hulpmiddelen voor handen.
Voor hoogwaterkerende keermiddelen die niet vanuit hun primaire functie worden gesloten zijn er vier scoretabellen aanwezig, op basis waarvan (door het beantwoorden van specifieke vragen) een faalkans van sluiting kan worden bepaald:

• Tabel B3.2 (voor falen hoogwateralarmeringssysteem).
• Tabel B3.3 (voor falen mobilisatie).
• Tabel B3.4 (voor falen bediening).
• Tabel B3.5 (voor falen bedrijfsvoering als gevolg van een technische storing).

Verder is er voor hoogwaterkerende keermiddelen die vanuit hun primaire functie meerdere keren per jaar gesloten worden een zestal tabellen met standaard faalkansen voor verschillende soorten componenten en rubrieken aanwezig:

• Tabel B3.7 (elektrische/elektronische componenten).
• Tabel B3.8 (elektromechanische componenten).
• Tabel B3.9 (hydraulische, mechanische en pneumatische componenten).
• Tabel B3.10 (operationele belemmeringen).
• Tabel B3.11 (menselijk falen).
• Tabel B3.12 (enkele geïntegreerde systemen).

Deze standaard faalkansen zijn afgeleid uit specifieke literatuur met betrekking tot faalfrequenties.

ad b. Het (dagelijks) gebruik van hoogwaterkerende keermiddelen vanuit een andere functie dan waterkeren is van invloed op de kans, dat een kunstwerk niet-hoogwaterkerendgesloten staat op het moment dat een hoogwatergolf zich voordoet. Daarnaast heeft het ook invloed op de kans dat het sluiten succesvol plaatsvindt. Met het sluiten van de keermiddelen wordt immers (vanuit de andere functie) routine met het fysieke sluitingsproces opgedaan. In beginsel worden er dan ook vier verschillende hoofdtypen kunstwerken in relatie tot dagelijks gebruik onderscheiden:

1. Altijd hoogwaterkerend-gesloten kunstwerken
   De keermiddelen in dit type kunstwerken zijn zo geconfigureerd, dat (behoudens een calamiteit) de primaire functie kan worden vervuld met instandhouding van de hoogwaterkerende functie.
2. Op aanvraag te openen kunstwerken
   De keermiddelen in dit type kunstwerken zijn in beginsel altijd hoogwaterkerendgesloten en worden alleen op aanvraag geopend om zijn primaire functie uit te oefenen. Na afloop hiervan wordt het kunstwerk weer hoogwaterkerend-gesloten.
3. Bij hoogwater te sluiten kunstwerken
   De keermiddelen in dit type kunstwerken staan (vanuit de primaire functie) altijd open en worden bij een naderend hoogwater gesloten.
4. Bij calamiteit te sluiten kunstwerken
   Sluiting van de keermiddelen in dit type kunstwerken is alleen benodigd als zich een calamiteit voordoet waardoor het waterkerend vermogen wordt aangetast.

Het is evident dat een altijd hoogwaterkerend-gesloten kunstwerk (i.e. type A) bij het beschouwen van falen door niet sluiten anders benaderd wordt dan een kunstwerk dat in beginsel geopend staat (i.e. type C of type D).

N.B. 1) Er zijn ook nog kunstwerken waarvan de keermiddelen een bepaald deel van het jaar standaard gesloten staan, omdat de primaire functie gekoppeld is aan een bepaalde tijdsperiode in jaar. Een voorbeeld hiervan is een keersluis voor een recreantenhaven, die alleen in de zomer geopend staat.
2) Er zijn ook kunstwerken waarvan de keermiddelen, in verband met hun primaire functie (waterbeheer), pas hoogwaterkerend sluiten bij een bepaalde buitenwaterstand (bijvoorbeeld in- en uitwateringssluis). Bij dit specifieke type kan tijdens de opbouw van de hoogwatergolf het debiet door het nog nietgesloten kunstwerk toenemen.
ad c. Indien het sluiten van een keermiddel faalt, dan is het in sommige situaties nog mogelijk om dit te herstellen. Dan wordt gedoeld op situaties waarin er al water door het geopende kunstwerk naar binnenstroomt (hetgeen dus sowieso tot een waterbezwaar als gevolg van niet sluiten leidt), maar dit vóór het herstel nog niet tot problemen in het achterland leidt. In feite gaat dit dus over een reductie van het waterbezwaar als gevolg van niet sluiten. Dit is afhankelijk van de beschikbare tijd tussen het tijdstip van sluiten en het tijdstip dat er daadwerkelijk zoveel water door het geopende kunstwerk stroomt, dat een (alternatieve) sluiting niet meer mogelijk is. Daarnaast zijn de oorzaak van het falen en de afmetingen en bereikbaarheid van de te sluiten doorstroomopening(en) van belang.
In feite kan een beschikbare tijdsperiode na een falende sluiting gebruikt worden voor twee opties, te weten:

1. Herstellen van de opgetreden fout(en) bij het sluitproces. Een voorbeeld hiervan is een schuif die niet gesloten kan worden doordat er een obstakel aanwezig is. Als dit obstakel bereikbaar is, dan kan het met bijvoorbeeld een kraan op een vrachtwagen worden verwijderd, zodat de schuif alsnog kan worden gesloten.
2. Toepassen van een alternatief keermiddel. Een voorbeeld hiervan is het toepassen van big bags als de schotbalken van een coupure niet meer blijken te passen.

Het kombergend vermogen is het totale volume aan instromend water dat aan de binnenzijde van de waterkering kan worden geborgen zonder dat dit tot substantiële problemen leidt. Basis voor dit volume vormt het kritieke binnenpeil en het oppervlak waarover komberging plaats mag vinden. De daadwerkelijk aanwezige komberging is onder andere afhankelijk van:

• De aanvoer van water vanuit het achterland.
• De aanwezigheid van meerdere kunstwerken die op hetzelfde binnenwater uitkomen.
• De aanwezigheid van gemalen die eventueel instromend water ook weer (gedeeltelijk) terug kunnen pompen.
• Het peilregime van de binnenwaterstand dat voorafgaande een hoogwater wordt uitgevoerd, zoals het afmalen naar een lager peil.

Bij de bepaling van het kombergend vermogen speelt de Open Keerhoogte (OKH) een rol. In het geval van een lage drempel van het kunstwerk geeft de Open Keerhoogte aan welke waterstand aan de binnenzijde vanuit het systeem maximaal toelaatbaar is. Dit is bijvoorbeeld de kerende hoogte van de achterliggende kaden. Bij een hoge drempel (bijvoorbeeld de drempelhoogte van een coupure in stedelijk gebied) kan dit de kerende hoogte van deze drempel zijn. De OKH wordt bepaald door de fysiek aanwezige elementen en niet door instromende debieten.

Als het kombergend vermogen bekend is, dan kan deze met het verloop van de buitenwaterstand, gegevens van de constructie en de binnenwaterstand naar een kritieke buitenwaterstand worden teruggerekend. Deze kritieke buitenwaterstand, die correspondeert met het kritieke instromende volume gedurende een hoogwatergolf, wordt aangeduid met de term Open Keerpeil (OKP). De overschrijdingsfrequentie van het OKP is gelijk aan de vanuit waterveiligheid benodigde sluitfrequentie van het kunstwerk.

De relatie tussen de OKH en het OKP is gelegen in het toelaten van instromende debieten, waardoor in het geval van toetsen het OKP bijna altijd groter is dan het OKH. Alleen in gevallen, waarbij bijvoorbeeld grote buistoten kunnen zorgen voor een verhoging van de waterstand, kan het OKP lager zijn dan de OKH. Dit omdat buistoten niet verdisconteerd zijn in de hydraulische randvoorwaarden.

Een kombergend vermogen is meestal alleen aanwezig in het geval het kunstwerk een binnendijks water verbindt met het buitenwater, zoals dat het geval is bij sluizen, gemalen en inlaat- en uitwateringsduikers. Bij een coupure zal instromend water vaak snel ontoelaatbare overlast veroorzaken, bijvoorbeeld omdat de riolering overbelast raakt.

Het traject van initiatie tot falen

Het faalmechanisme niet sluiten is alleen van belang op het moment dat een kunstwerk niethoogwaterkerend-gesloten is als een hoogwater zich voordoet (initiatiefase). Dat is het geval als tijdens de opbouw van hoogwater één van de onderdelen van de procedure en technische uitvoering van het sluitingsproces van de keermiddelen faalt: het hoogwateralarmeringssysteem, de mobilisatie, de bediening of de bedrijfsvoering. Daarnaast dient ook nog het herstel van een falende sluiting mislukken. Onder die condities neemt de hoeveelheid instromend water (per tijdseenheid) door het niet-gesloten kunstwerk toe bij toenemende waterstanden en/of golfhoogten. Dit inkomende debiet moet via het kunstwerk worden afgevoerd naar het binnendijkse watersysteem.

Bij een toenemend instroomdebiet neemt de stroomsnelheid boven de bodembescherming toe. Indien de kritieke stroomsnelheid (behorende bij het kritieke debiet) van de bodembescherming wordt overschreden, leidt dit tot het falen van de bodembescherming. In de praktijk zal dit een geleidelijk proces zijn, waarbij bij toenemende stroomsnelheid steeds grotere schade aan de bodembescherming ontstaat en uiteindelijk de ondergrond onder de bodembescherming bloot komt te liggen. In dat laatste geval wordt de bodembescherming als bezweken beschouwd en kan transport van bodemmateriaal uit de ondergrond onder de bodembescherming plaatsvinden. Dit leidt tot ontgrondingskuilen direct achter het kunstwerk. Deze ontgrondingskuilen worden groter en dieper naarmate de ondergrond langer belast wordt door de stroming als gevolg van het instromende debiet. Uiteindelijk kunnen deze ontgrondingskuilen dermate groot en diep worden, dat dit leidt tot overall instabiliteit en hiermee bezwijken van het kunstwerk.

Het instromende debiet als gevolg van niet sluiten van het kunstwerk mag ook niet leiden tot significante gevolgen in het achterland. Hiervan is sprake als achterliggende regionale keringen bezwijken, waarna het watersysteem leegloopt in het achterliggende gebied, of er kortsluiting ontstaat tussen achterliggend gebied en buitenwater. In theorie zou daarna instantaan een dusdanig verval over het kunstwerk kunnen ontstaan, dat de keermiddelen bezwijken of de waterdiepte zo klein wordt dat de kritieke stroomsnelheid voor de bodembescherming wordt overschreden. Waardoor achter het kunstwerk ontgronding plaats kan vinden, dat uiteindelijk tot bresgroei leidt.