· · · Repository Hydraulic Engineering Reports

Steenzet2008 is een gecompliceerd programma waarin veel detailprocessen die relevant zijn voor de stabiliteit van steenzettingen zijn gekwantificeerd in formules. In het kader van het Onderzoeksprogramma Kennisleemtes Steenbekledingen is het aantal deelprocessen dat oorspronkelijk in het rekenmodel Steentoets 4.0 was opgenomen, fors uitgebreid. In dit onderzoek is Steentoets2008 eerst gecalibreerd op de resultaten van Deltagootonderzoek . Een uitgebreide vergelijking is gemaakt tussen de resultaten van het rekenmodel en de meetpunten uit het Deltagootonderzoek en uit het verleden. Verder zijn de trends gepresenteerd en vergeleken met die van Steentoets 4.0. Tenslotte zijn veiligheidscoefficienten bepaald

Het Onderzoeksprogramma Kennisleemtes Steenbekledingen heeft tot nu toe veel nieuwe kennis opgeleverd. Een van de manieren om deze kennis beschikbaar te stellen aan gebruikers is door middel van een gebruiksvriendelijk computerprogramma waarmee steenzettingen getoetst en ontworpen kunnen worden. In het onderhavige verslag is gedetailleerd uitgewerkt welke formules in het programma zijn opgenomen en is een korte uitleg gegeven over de structuur van het programma. Bij aanvang van dit project werd nog de werknaam ANAMOS+ gehanteerd voor het programma.

Ingevolge de Wet op de Waterkering dienen steenzettingen op waterkeringen vijfjaarlijks getoetst te worden. In de praktijk kan aan veel steenzettingen geen definitief toetsoordeel toegekend worden wegens een gebrek aan wetenschappelijke kennis. In 2003 is daarom door de Dienst Weg- en Waterbouwkunde van Rijkswaterstaat het Onderzoeksprogramma Kennisleemtes Steenbekledingen opgestart. Doel van dit programma is het reduceren van deze kennisleemtes teneinde te komen tot scherpere toetsregels en daarmee sneller en vaker tot definitieve toetsresultaten. In het kader van dit onderzoeksprogramma heeft het voorliggende handleiding betrekking op het deelonderzoek A 1:1: "ontwikkeling van nieuwe rekenmethodiek". Het ontwikkelde computerprogramma STEENTOETS2008 werkt op basis van Excel. In het onderhavige verslag is uitgelegd hoe dit programma gebruikt kan worden. Opgemerkt moet worden dat dit slechts een hulpmiddel is bij het toetsen en ontwerpen van steenzettingen.

In opdracht van de Waterdienst van Rijkswaterstaat heeft Deltares onderzoek uitgevoerd naar de stabiliteit van steenzettingen onder een horizontale overgangsconstructie en naar de stabiliteit van steenzettingen boven de waterlijn. Hiertoe is een serie experimenten uitgevoerd in de Deltagoot van Deltares. Het onderzoek bestaat uit twee deelonderzoeken en zijn ook als twee delen gerapporteerd: Deel I: Stabiliteit van steenzettingen boven de waterlijn. De stabiliteit van een dijkbekleding boven de stilwaterlijn is onderzocht door deze in de Deltagoot te beproeven. Dit is gedaan voor twee typen steenzettingen: blokken en zuilen, beiden geplaatst op een granulair filter. Tijdens de testen trad verschillende keren schade op. Hieruit is een nieuw stabiliteitscriterium afgeleidt dat minder conservatief is dan de huidige criteria die in STEENTOETS2008 wordt toegepast. Er wordt aanbevolen om dit nieuwe criterium toe te passen in STEENTOETS2008. Deel II: Stabiliteit van steenzettingen onder een horizontale overgangsconstructie Dit onderzoek is zodanig uitgevoerd dat er naast elkaar een testsectie met een overgangsconstructie en een testsectie zonder overgangsconstructie is beproefd. De steenzetting bestond uit basalton van 20 cm dik geplaatst op een filter van circa 10 cm dikte. Tijdens de experimenten is er geen schade opgetreden aan de steenzetting. Dit zou volgens STEENTOETS2008 echter wei het geval moeten zijn. Dit leidt tot de conclusie dat STEENTOETS2008 conservatieve aannames hanteert met betrekking tot de invloed van een overgangsconstructie op de stabiliteit van een steenzetting. Er wordt aanbevolen om STEENTOETS2008 aan te passen met betrekking tot de overgangsconstructies.

Er zijn een aantal wrijvingsproeven uitgevoerd voor verschillende soorten van blokken en belastingsgevallen. De resultaten zijn vergeleken met wrijvingsproeven die in 2005 zijn uitgevoerd met Hydroblocks. De proeven zijn uitgevoerd in juli 2009 (in de hal van de Deltagoot).

Door Rudolph (2005) is een diepgaande analyse van de stabiliteit van basalt in vergelijking tot Basalton gerapporteerd. In de discussies naar aanleiding van dit verslag is duidelijk geworden dat sommige conclusies enige aanvulling behoeven. In deze notitie zijn deze aanvullingen gebundeld

In het ontwerp en toetsing van steenzettingen wordt gerekend met een golfrandvoorwaarde die overeenkomt met de zwaarste die tijdens de maatgevende storm voorkomt. Het VTV en het TR steenzettingen noemen de tijdsduur van een storm nog niet als relevante parameter. Recent onderzoek naar de lange duursterkte heeft gegevens opgeleverd, op basis waarvan de tijdsduur een parameter zou kunnen gaan worden die in de toekomstige rekenmodellen in wel een rol gaat spelen. Bij het PBZ wordt, vooruitlopend op nieuwe rekenregels, voor de bekledingen aan de Oosterschelde in verband met de lange duurbelasting als gevolg van het stagnante peil achter de gesloten kering een 15% grotere toplaagdikte vereist. Als er in werkelijkheid een storm optreedt, dan ontwikkelt die storm zich gedurende enige tijd, waarna de storm weer af zal zwakken. Daarom lijkt het niet reëel om gedurende de volle stormduur te rekenen op de meest extreme golfomstandigheden.

In Klein Breteler (2007) staat dat bij sommige proeven de golfhoogteoverschrijdingskromme van de inkomende golven niet correct lijkt. De golfhoogteoverschrijdingskromme laat een overmaat (Scheldegoot) of tekort (Deltagoot) aan zeer hoge inkomende golven zien. In het huidige document is gekeken naar beide situaties: proef P25 in de Deltagoot, en proef T308 in de Scheldegoot. Er is niet naar andere proeven gekeken. De oorzaak van het probleem voor de Deltagootproef zit in onnauwkeurigheden in de scheiding van inkomende en gereflecteerde golven, uitgaande van het gemeten totale golfsignaal. Deze onnauwkeurigheden zijn te wijten aan de aanwezigheid van ruis (‘noise’). De ruisterm bevat zowel meetruis als gevolgen van nietlineaire effecten zoals golfbreken of generatie van hogere en lagere harmonischen. Omdat niet-lineaire effecten niet uit te schakelen zijn, betekent dat het niet altijd mogelijk is om de ruis voldoende klein te houden. Men zal hiermee dus moeten leren leven. De oorzaak voor het probleem voor de Scheldegootproef zit in de gebruikte definitie van de golf. Er is gebruik gemaakt van upcrossings om de golf te definiëren. Als er gebruik gemaakt wordt van downcrossings, is het probleem verdwenen. De precieze oorzaak hiervoor is vooralsnog onbekend. We merken op dat de IAHR (1986) het gebruik van downcrossings aanbeveelt, met als belangrijkste reden dat een golf die de constructie belast gekarakteriseerd kan worden als een muur van water met een bepaalde hoogte, dus van golfdal naar de opvolgende golftop.

Het onderhavige onderzoek richt zich op het opstellen van een black-box model dat de relatie geen tussen de hydraulische omstandigheden (waterstand, grondwaterstand, golfhoogte en periode) en de eigenschappen van de steenbekleding (taludhelling, toplaagdikte, filterlaag, kleilaagdikte en wellicht de klei-eigenschappen) enerzijds en het al dan niet optreden van het bezwijkmechanisme anderzijds. Dit black-box model moet uiteindelijk bruikbaar worden voor het toetsen van sleenzettingen op het mechanisme afschuiving (grondmechanische instabiliteit) voor dijken met een taludhelling van 1:3 a 1:4. Het onderzoek beperkt zich tot steenzettingen op een kleilaag, met eventueel een filterlaag en/of geotextiel ertussen. Onder de kleilaag bevindt zich het zand van de dijkkern.

Ingevolge de Wet op de Waterkering moeten steenzettingen op waterkeringen vijfjaarlijks getoetst worden. In de praktijk blijken sommige steenzettingen zo steil te zijn dat ze niet met de gebruikelijke rekenmodellen beoordeeld kunnen worden. Een steil talud is hier gedefinieerd als een talud met helling van 1:1 tot ca. 1:2,5. Het huidige onderzoek richt zich op het analyseren van oude modelonderzoeken met talud van 1:2, 1:3 en 1:4 en informatie uit de praktijk om daarmee conclusies te kunnen trekken over de te verwachten stabiliteit van steenzettingen op steile taluds. Voorlopig kan geconcludeerd worden dat de stabiliteit van de toplaag van steenzettingen op een steil talud getoetst kan worden met de normale rekenmodellen.

Het huidige verslag beschrijft de resultaten van Deltagootproeven, gericht op de reststerkte van de toplaag, die gedefinieerd is als de tijd vanaf initiële schade totdat de toplaag over vele vierkante meters beschadigd is geraakt en de ondergrond begint uit te spoelen. Het onderzoek beperkt zich tot datgene wat met een geringe inspanning aan inzicht verkregen kon worden met behulp van de reeds aanwezige opstelling met Basalton in de Deltagoot: er wordt geen kwantificering van de reststerkte in een breed toepassingsgebied nagestreefd. Op basis van de huidige metingen, en de relevante metingen uit het verleden, is een trend geïdentificeerd in de mate van ondermijning als functie van de geometrie van de constructie en het gat, en de grootte en duur van de golfbelasting bij loodrechte golfaanval. Hiermee is een formule met beperkte geldigheid afgeleid voor de reststerkte van de toplaag, aannemende dat de bekleding vrij snel faalt na het instorten van de ondermijnde toplaag, dat het gat in de toplaag op een ongunstige lokatie zit, en er loodrechte golfaanval is. Met deze formule kan een ruwe schatting van de orde van grootte van de reststerkte verkregen worden.

Het onderzoek is er op gericht het bezwijkgedrag van steenbekledingen onder langdurige golfaanval te kunnen vergelijken met het gedrag onder kortdurende golfaanval. In het onderhavige onderzoek zijn vier type steenzetting op een talud van 1:3,5 onderworpen aan een langdurige golfbelasting in de Deltagoot, namelijk: • Basalton (D = 20 cm; Delta = 1,827; b = 12 cm; Df15 = 22 mm) • Basalt (D = 20 cm; Delta = 1,955; b = 12 cm; Df15 = 22 mm) • Blokken op hun kant (D = 20 cm; Delta = 1,317; b = 5 cm; Df15 = 7 mm) • Hydroblocks: - 15 cm dik: D = 15 cm; Delta = 1,426; b = 12 cm; Df15 = 22 mm - 20 cm dik: D = 20 cm; Delta = 1,359; b = 12 cm; Df15 = 22 mm Het onderzoek heeft geleid tot een kwantificering van de langeduursterkte van deze vier typen steenzettingen

Ingevolge de Wet op de Waterkering dienen steenzettingen op waterkeringen vijfjaarlijks getoetst te worden. In de praktijk kan aan veel steenzettingen geen definitief toetsoordeel toegekend worden wegens een gebrek aan wetenschappelijke kennis. In 2003 is daarom door de Dienst Weg- en Waterbouwkunde van Rijkswaterstaat het Onderzoeksprogramma Kennisleemtes Steenbekledingen opgestart. Doel van dit programma is het reduceren van deze kennisleemtes teneinde te komen tot scherpere toetsregels en daarmee sneller en vaker tot definitieve toetsresultaten. In het kader van dit onderzoeksprogramma heeft voorliggend rapport betrekking op het deelonderzoek “Gezette steenbekledingen, deelplan 7.2.2, Stabiliteit van basalt, Deltagoot-onderzoek”. In de Deltagoot van is een steenzetting van basalt op een dijktalud belast door brekende golven. Bij drie verschillende golfsteilheden, namelijk 0,013, 0,025 en 0,035, is de golfhoogte stap voor stap verhoogd totdat schade ontstond, of totdat de grens van de capaciteit van de goot bereikt was. Vervolgens zijn deze proeven bij een golfsteilheid van 0,013 en 0,023 herhaald met een steenzetting van Basalton met vergelijkbare eigenschappen.

In het najaar van 2003 zijn proevenseries uitgevoerd in de Deltagoot voor het vaststellen van de stabiliteit van basalt en Basalton (Eysink en Klein Breteler, 2003). Door de golven is toen tijdens een proef één basaltzuil uit de bekleding gelicht. Bij een andere proef is één basaltzuil gedeeltelijk (8,5 cm) omhoog gekomen. Hoewel het uitgelicht raken van één steen uit een steenzetting gewoonlijk omschreven wordt als schade, kan men zich afvragen in hoeverre er sprake is van ernstige schade die de functie van de waterkering bedreigt. In het verleden is vastgesteld dat als één steen uit de steenzetting verdwenen is, het nog geruime tijd duurt voordat de steenzetting over vele vierkante meters weggeslagen is (Klein Breteler, 1991). Verder komt het ook voor dat er helemaal geen vervolgschade optreedt en de schade beperkt blijft tot die ene steen en wat uitspoelend filtermateriaal. Het gaat hierbij om de reststerkte van de toplaag, die gedefinieerd is als de tijd vanaf initiële schade totdat de toplaag over vele vierkante meters beschadigd is geraakt en de ondergrond begint uit te spoelen. Kennis hierover is relevant voor de vraag of er al dan niet gerekend mag worden op klemming van de stenen en voor het scherp kunnen vaststellen van een toets- en ontwerpcriterium voor steenzettingen (v.d. Meer en Halter, 2003).

In het kader van het Onderzoeksprogramma kennisleemtes steenbekledingen, in 2003 opgestart door de Dienst Weg- en Waterbouwkunde, heeft voorliggende bureaustudie betrekking op het deelonderzoek 7.2.2 “Stabiliteit van basalt, Analyse meetresultaten Deltagootonderzoek”. Het betreft een analyse van de modelonderzoeken, die in 1983, 1984, 2002, 2003 en 2004 met basalt- en Basaltonbekledingen uitgevoerd zijn. In dit rapport is geanalyseerd waarom de stabiliteit van basalt mogelijk lager is dan die van Basalton. De aandacht werd daarbij gericht op - het afleiden van de leklengte (belangrijkste constructie beschrijvende parameter) uit stijghoogtemetingen, - het bepalen van de belasting op de constructies bij begin van schade uit drukmetingen (2%-stijghoogteverschillen) en - het bepalen van de sterkte van de bekleding bij begin van schade (klemming). Uit de analyse is gebleken dat de stabiliteit van basalt in de loop van de tijd toeneemt. De zetting van basalt is slechter geklemd dan Basalton, mogelijk door een combinatie van factoren, zoals de aanwezigheid van kleischelpen in het inwasmateriaal in basalt ’84, de soms ongelukkige vorm van basaltzuilen, de bewegingen van zuilen in het vlak van het talud en het relatief gladde en harde oppervlak van basalt. Na het herstellen van de lokale schade bereikt ook basalt een hoge stabiliteit. Bij Basalton wordt een zeer grote eindsterkte snel na aanleg bereikt, zonder dat eerst lokale schade ontstaat.

In het kader van het ‘Onderzoeksprogramma Kennisleemtes Steenbekledingen’ is er ook aandacht gegeven aan de stabiliteit van basalt (Rudolph e.a. (2005), en de aanvullende notitie van Klein Breteler (2005)). Uit dit onderzoek is een aanbeveling gekomen omtrent het toetsen en ontwerpen van basalt. Door de gebruikersgroep van Steentoets2007 is echter voorgesteld om een kleine wijziging aan te brengen in de aanbeveling m.b.t. het ontwerpen van steenzettingen met basalt. In deze notitie is dit nader uitgewerkt.

Naar aanleiding van de behandeling van de concepthandleiding van Steentoets2007 is door de gebruikersgroep de wens geuit om een duidelijke handreiking op te nemen omtrent het beoordelen van de inwassing en de klemming van steenzettingen. In deze notitie is daarvoor een eerste aanzet gegeven. Het inwassen van een steenzetting levert een belangrijke bijdrage voor de klemming van de stenen. Een goed ingewassen steenzetting van bv. basalt, Basalton of Hydroblocks zal vrijwel geen losse stenen bevatten. Alle stenen hebben een zodanige onderlinge interactie dat afzonderlijke stenen niet uit de steenzetting te trekken zijn, anders dan met een kracht die vele malen hoger is dan het eigengewicht. Het is echter in de praktijk en in de Deltagoot gebleken dat er niet veel steentjes in de spleten nodig zijn om een goede klemming te bewerkstelligen.

Volgens het Voorschrift Toetsen op Veiligheid (VTV 2004) en het Technisch Rapport Steenzettingen (2003) moeten alle steenzettingen zowel op golven als op langsstroming getoetst worden. Het gaat hierbij om een langsstroming door een getijstroming of stroming in een rivier. Hoewel de toetsing op stroming eenvoudig is, loopt de toetser tegen het probleem aan dat de maatgevende stroomsnelheid vaak niet of onnauwkeurig bekend is. Zo wordt deze belasting niet gegeven in het Randvoorwaardenboek. Bovendien is gebleken dat de toetsing op stroming langs de kust en de meren nooit maatgevend is.

Met de infiltratieproeven van Kruiningen, Baarland en Willem-Annapolder is aangetoond dat wateroverdrukken bij maatgevende omstandigheden mogelijk zullen leiden tot opdrijven van een ingegoten bekleding, maar niet noodzakelijk tot bezwijken van deze bekleding. Indien de toplaag niet opgedreven is, wordt bezwijken door de maatgevende golfklappen door de experts zeer onwaarschijnlijk geacht. Wel blijft de vraag hoeveel groter dan maatgevend een golfklap moet zijn om wèl tot bezwijken te komen. Bij een opgedreven toplaag bestaat de vrees dat maatgevende golfklappen mogelijk tot bezwijken van de bekleding kunnen leiden. Op grond van het bovenstaande mag worden verondersteld dat het voorkomen van opdrijven van de toplaag en het minimaliseren van de watertoevoer onder de toplaag, de sterkte van de bekleding zeer ten goede komt. Een mogelijkheid om de watertoevoer te minimaliseren is het toepassen van een waterslot. In deze notitie wordt getracht langs analytische weg en op basis van een case meer inzicht te krijgen in de sterkte en het gedrag van ingegoten bekledingen. Doel is aannemelijk te maken dat bij een geringe watertoevoer, al dan niet door de aanwezigheid van een waterslot, zich geen waterlaagje zal vormen of dat dit niet tot bezwijken van de bekleding zal leiden.

Uitgaande van een dijkvakbenadering is een probabilistische analyse voor het mechanisme toplaagstabiliteit uitgevoerd. Er is een faalfunctie gekozen en er zijn op grond van de beschrijvingen in het TR steenzettingen en de huidige ontwerppraktijk verwachtingswaarden en spreidingen voor de invoerparameters van het rekenmodel Steentoets2008 verzameld. Voor de veiligheid die impliciet in Steentoets2008 als gevolg van de afregeling op de resultaten van Deltagootproeven is opgenomen, is uitgegaan van waarden gevonden bij de validatie. De onzekerheden vertalen zich voor (geklemde) zuilenzettingen in vrijwel dezelfde waarde voor de veiligheid als voor (niet-geklemde) blokkenzettingen. De voorbeeldberekeningen voor een standaard zuilenzetting en voor de zetting van gekantelde blokken leverde een bezwijkkans van ca. 16%. Om het ontwerp van zuilenzettingen en blokkenbekledingen een voldoende en enigszins vergelijkbare veiligheid te geven, wordt geadviseerd een overall-veiligheids-coefficient toe te passen van 1,4 in combinatie met het rekenen met gemiddelde waarden voor alle parameters. Vanwege de grotere variatie in dikte van de toplaagelementen, moet voor een zetting van ongeklemde natuursteen elementen overwogen worden om een extra materiaalfactor voor de toplaagdikte toe te voegen. Aanpassen van het Technisch Rapport Steenzettingen aan de nieuwe rekenmethodiek is wenselijk, omdat toepassing van Steentoets2008 met de aanbevelingen uit het TR tot een onduidelijke mate van veiligheid van het ontwerp zal leiden.