· · · Repository Hydraulic Engineering Reports

Ten behoeve van de voorspelling van slibgedrag in diepe opslagdepots is een numeriek consolidatiemodel ontwikkeld, genaamd FSCONBAG. De toetsing van dit model is in 1990 begonnen met een kolomproef op Grevelingenslib. Het resultaat van deze toets was redelijk te noemen, maar met name het dichtheidsprofiel aan het einde van de proef week af van het berekende profiel. Een tweede kolomproef op slib uit de Nauernapolder [Greeuw,1991a] bleek onbruikbaar voor de bedoelde toetsing vanwege excessieve gasvorming. De huidige kolomproef op Ketelmeerslib is wederom bedoeld VOOT toetsing van FSCONBAG. Gasvorming is geremd door toevoegen van zogenaamd BES-poeder, zie het meetrapport (bijgevoegd als appendix A). Verdere toetsing van het consolidatiemodel is gebeurd door middel van een kleine centrifugeproef [Greeuw,1992b]. Het ontbreekt op dit moment nog aan goede meetwaarden uit veldproeven om FSCONBAG te toetsen.

A geocontainer is constructed in a split barge. After construction it is subsequently involved in descending and deforming during the opening of the barge, falling out of the barge, falling through the water and falling on the seabed. Finally it may defonn and loose its stability due to waves and other hydraulic loads. Quantitative descriptions for all these stages, available from previous studies, were critically reviewed and supplemented, were needed. A survey of the resulting equations for the forces, defonnations and stability conditions of the geocontainer are presented in this report. Calculations have been made for several examples showing which conditions and which stages appear to be the most critical. Several of the descriptions, however, need experimental verification before they can be considered to be reliable. Proposals for such verifications are presented.

Concept rekenregel voor piping bij rivierdijken.

Dit rapport bevat verscheidene tabellen met overschrijdingskrommen of overschrijdingsduren en drukgradienten met betrekking tot graserosie in deltagootproeven. Parameters en karakteristieken van de grond worden besproken in meerdere scenario's.

Er is een analyse van de waarnemingen en metingen met betrekking tot ontgronding uitgevoerd voor de 1:1 modelproef in 1992 in de Deltagoot met golven van Hs 0.75 m tot 1.35 m op een grastalud van een dijk. De gemeten ontgronding is veel geringer dan tijdens vergelijkbare proeven op klei met een bodemstructuur, maar zonder zodelaag. Pas na vele uren belasten met 1.35 m golven kan de zodelaag plaatselijk bezweken beschouwd worden. Een gat in de zodelaag dat tussen 3 en 9 uren golven met 1.35 m golven ontstond lijkt niet sterk uit te breiden. Tijdens proeven met 1.35 m golven is er een daling van het oppervlak door onder andere veranderingein in de waterstand in de opstelling. Er blijkt ook een onregelmatige permanent vervormingen van het talud op te zijn getreden als gevolg van verschuiving van de grond tijdens de proef, hetgeen gepaard ging met veranderingen in het patroon van de signalen van waterspanningsmeters en hetgeen wijst op aanpassing van de structuur in de grond tijdens vervorming bij golfbelasting. De gemeten waterspanning in het talud is niet hydrostatisch, vanwege de opbouw en inrichting van de modeldijk in de Deltagoot en het daarmee samenhangende stromingspatroon door de graszode en onderlaag. Tot ongeveer 15 minuten na het beginnen van golfproeven stijgt de waterspanning in het talud, evenals na verhoging van de waterstand in de proefopstelling. Het patroon van het signaal van bijna alle opnemers reflecteert de waterdrukken op het talud, echter de ampitude en gemeten drukvariatie verschilt sterk tussen de opnemers als gevolg van lokale verschillen in directe omgeving van de opnemers, drukopnemers die in verbinding met grotere porien hebben een hoge amplitude. Waterspanningsmetingen geven een goede indruk van de variatie in waterspanningen in het talud tijdens golfaanval. De uit de metingen afgeleide gradienten in druk zijn zodanig hoog en frequent gedurende 0.5 tot 1 s aanwezig dat bij golven van 1.35 m de zodegrond zeker opgetild kan worden. Uit modellering van de effecten van de golfbelasting op het talud blijkt dat de elasticiteit en sterkte van de intacte zode voldoende zijn om bezwijken door golven van 1.35 m te weerstaan. De grond onder de zode blijkt wel plastisch te worden door belasting, wat geen directe consequenties voor ontgronding heeft zolang de zode instand blijft. De effecten van de verandering in de tijd van de waterdrukken over het talud domineren de in de ondergrond opgeroepen waterspanningen. Het effect van samendrukbaarheid van water met lucht lijkt niet zeer sterk beneden de bovenste centimeters. Voor de bovenste millimeters kunnen door dit effect de hogerfrequente fluctuaties van turbulentie en dergelijke de oppervlakkige ontgronding beinvloeden. Ontgronding tot golven van tenminste 0.75 m wordt gedomineerd door het verwijderen van (bijna) losliggende gronddeeltjes aan het oppervlak en de daarbij behorende ontgrondingssnelheid bedraagt minder dan 1 mm per uur bij 0.75 m golven. Bij golven van 1.35 m treedt zodanige vervorming van de zodelaag op dat de dunne wortels die de zode-aggregaatjes bijeenhouden kunnen gaan bezwijken waardoor er snellere ontgronding kan optreden, 2.5 tot 5 mm per uur is gemeten. Bij hogere golven kan de zodelaag als geheel gaan bezwijken, scheuren, echter hiervoor zijn geen directe waarnemingen of berekeningsresultaten beschikbaar. Er is waargenomen dat de zode bij 1.35 m golven is bezweken ruim beneden de stilwaterlijn waar grotere uitwaarts gerichte verhangen optreden. De verschillende ontgrondingsmechanismen zijn vereenigd in een zeer beknopt model voor het evalueren van de bezwijkduur van graszoden van dijktaluds bij golfaanval, waarin gegevens van andere en veldwaarnemingen zijn verwerkt.

In deze rapportage wordt een beeld gegeven van de huidige beschikbare kennis en leemten daarin en de op dit moment beschikbare rekenmodellen. De faalmechanismen van dijken van voorland en dijken worden behandeld met veiligheidseisen, belastingen en sterktes. Het doel daarvan is om inzicht te krijgen in de specifieke onderdelen van het project, waarvoor op grond van de huidige beschikbare kennis en rekenmodellen nu al een aanzet kan worden gemaakt en welke onderdelen, die nog een andere uitwerking behoeven of waarvoor nog onvoldoende gegevens beschikbaar zijn.

AANLEIDING VOOR HET ONDERZOEK Rijkswaterstaat RIZA is aan GeoDelft gevraagd een methode voor te stellen om waterstandsverlopen voor het Markermeer te karakteriseren ten behoeve van de geotechnische toetsing van de dijken rond het Markermeer. Aanleiding was een vraag van het Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier. Bij de toetsing van de Markermeerdijken zijn de vigerende randvoorwaarden toegepast (randvoorwaardenboek 2001, toetspeilen 2006 [HR 2001 ]). Dit leidde bij de toetsing tot afkeuringen, die omvangrijker waren dan eerder werd verwacht op basis van een verkennende studie door Infram [DWW/lnfram 2000]. Dit leidde in het MER-traject tot kritiek (van Infram) welke zich toespitste op de vraag of de gehanteerde hydraulische randvoorwaarde bij de toetsing (conform het randvoorwaardenboek) wel realistisch was. Het toetspeil is gebaseerd op (een combinatie van) de gebeurtenissen "hoog meerpeil" (door onvoldoende gelegenheid tot spuien) en windopzet. Deze twee gebeurtenissen lijken elkaar kansmatig uit te sluiten (de kans is klein dat langdurend hoog meerpeil bij westenwind en relatief kort durende windopzet bij de Noord-Hollandse dijken bij zuiden en zuidwestenwind samengaan). Voorgesteld werd om bij het vaststellen van toetspeilen onderscheid te maken tussen deze situaties. Een verkennende analyse wees uit dat het gescheiden behandelen van deze situaties praktisch niet erg veel invloed heeft op het toetsresultaat en de beslissing om te versterken, mede ook gelet op ongewenste versnippering van te versterken delen van de dijkstrekkingen [Fugro 2004]. Echter de principiële vraag bleef bestaan of en hoe met het opstellen van het randvoorwaarden boek 2006 (toetspeilen 2011) dit onderscheid in oorzaken voor hoge waterstand voor Marker- en Ijsselmeer kan worden meegenomen. TIJDSAFHANKELIJKHEID BIJ GRONDMECHANISCHE TOETSING VAN DIJKEN Tijdseffecten in de waterspanningsrespons in dijken, als gevolg van waterstandsverloop, worden bij de geotechnische toetsing van dijken slechts in beperkte mate meegenomen. De praktijk is dat tijdsafhankelijke respons doorgaans alleen berekend wordt voor waterspanningen in de watervoerende zandlaag onder de dijk en voor de indringing van waterspanning onder in de klei/veenlaag boven de watervoerende zandlaag. Vanwege de aanpassingstijd (1 of hooguit enkele etmalen) van het geohydrologische systeem is dat alleen zinvol bij verlopen van de buitenwaterstand waarvan de top een beperkte duur heeft. Voor de indringing van stijghoogte in het klei/veen-pakket vanuit de onderliggende watervoerende zandlaag wordt vaak uitgegaan van vaste waarden voor de indringingshoogte, afhankelijk van het type waterkering (zeedijk, rivierdijk). Voor meerdijken zou onderscheid gemaakt moeten worden naar type belasting: langdurige meerpeilen 3 m en kortdurende windopzet 1 m. Bij de freatische respons is vermoedelijk sprake van een langere aanpassingstijd, echter, vanwege onzekerheden in de berekening van freatische waterspanningen wordt in de praktijk doorgaans gekozen voor een empirisch vastgestelde schematisering waarin tijdseffecten geen rol spelen. Een ruwe schatting is overigens dat de aanpassingstijd voor freatische waterspanning in de orde van 1 week ligt. Geconcludeerd wordt dat bij de karakterisering van het waterstandsverloop van het Markermeer het feitelijke verloop van de meerpeilcomponent als stationair mag worden geschematiseerd terwijl de windopzetcomponent als tijdafhankelijk moet worden geschematiseerd. SPECIFIEKE SITUATIE BIJ HET TOETSEN VAN MARKERMEERDIJKEN De geotechnische toetsing van de Markermeerdijken is door Fugro uitgevoerd op basis van het vigerende voorschrift voor de hydraulische randvoorwaarde. Voor windopzet gedomineerde toetspeilen wordt een waterstandsverloop voorgeschreven, opgebouwd uit een component meerpeil en een component windopzet. Voor de hoogte van de component meerpeil wordt uitgegaan van het 1/10.000 meerpeil en voor de component windopzet van het verschil tussen het toetspeil volgens Hydra-M en het 1/10.000 meerpeil. Aan de meerpeilcomponent wordt een langzaam verloop toegekend, aan de windopzetcomponent een relatief snel verloop (standaard 35-uur verloop voor een storm). Op basis van deze toetsing werden meer dijken afgekeurd dan op basis van een eerdere inventariserende studie verwacht werd [DWW/lnfram 2000]. Dit heeft geleid tot de kritiek dat onvoldoende rekening is gehouden met de specifieke aard van het hydraulische systeem in het Markermeer. Hierbij moet onderscheid gemaakt worden tussen een toestand met extreeem meerpeil en een toestand met extreme windopzet (voor die locaties langs de dijken waar dit relevant is), die elkaar min of meer uitsluiten, of waarvan de kans op samenvallen in de tijd erg klein is. De vigerende hydraulische randvoorwaarde is dus conservatief en leidt, aldus de kritiek, tot onnodig afkeuren van grote delen van de Markermeerdijken. Voor een realistische toetsing moet onderscheid gemaakt worden tussen een toestand met extreem meerpeil en een toestand met extreme windopzet, maar waarbij een "normaal" meerpeil heerst. Deze toestanden moeten apart worden beschouwd ("gesplitste randvoorwaarden"). VOORGESTELDE KARAKTERISERING VAN RANDVOORWAARDEN VOOR (GRONDMECHANISCHE) TOETSING Tegemoet komend hieraan zijn verschillende voorstellen voor het werken met gesplitste randvoorwaarden geopperd door dijkbeheerders van Marker en IJsselmeerdijken (Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier en de Regionale Directie IJsselmeergebied van Rijkswaterstaat) en door GeoDelft. Deze voorstellen zijn door GeoDelft voorgelegd aan RIZA om de haalbaarheid te toetsen (zowel vanuit een oogpunt van veiligheid als vanuit een oogpunt van werkbaarheid en de benodigde inspanning om het programma Hydra-M aan te passen). Hierbij kwam naar voren dat de geopperde voorstellen niet zonder meer haalbaar zijn. In het verlengde hiervan is door RIZA een voorstel gedaan voor het opstellen van gesplitste randvoorwaarden, dat tegemoet komt aan de bezwaren bij de eerdere voorstellen. Dit voorstel wordt niet gezien als ideale werkwijze, maar lijkt gezien de mogelijkheden en beperkingen, het best haalbare. GeoDelft deelt die conclusie met RIZA en denkt dat hiermee voor een belangrijk deel tegemoet wordt gekomen aan de bezwaren tegen het vigerende conservatieve randvoorwaardenvoorschrift. Dit voorstel is als volgt: 1. Bij het berekende toetspeil met Hydra-M wordt, als het toetspeil wordt bepaald door windopzet (en dat is afhankelijk van de locatie), het waterstandsverloop aangenomen: conform onderstaande figuur S.1 waarbij: - de top van het windopzetverloop wordt gevormd door het toetspeil en - als drempel (de horizontale lijn waar het windopzetverloop op wordt gesuperponeerd) wordt het 90-percentiel van het meerpeil "gegeven overschrijden van het toets peil" genomen. Dit peil noemen we hier Mgo% en het is dus de 90 % bovengrens van de conditionele kansverdeling van de meerpeilen, gegeven dat het toetspeil wordt overschreden. Onder bepaalde omstandigheden kan Mgo% hoger zijn dan het toetspeil. Bijvoorbeeld, indien het toetspeil volledig bepaald wordt door de meerpeilstatistiek, is Mgo% de 90% bovengrens van de conditionele kansverdeling van meerpeilen gegeven dat het 1/10.000 meerpeil wordt overschreden. In dat geval is Mgo% dus per definitie hoger dan het toetspeil. Daarom wordt de beperking ingevoerd dat de drempelwaarde waar de windopzet op wordt gesuperponeerd nooit hoger is dan het toetspeil zelf. In gevallen waarin de windopzet domineert in het toetspeil zal Mgo% aanzienlijk lager zijn dan het 1/10.000 meerpeil. 2. Naast dit waterstandsverloop wordt de geotechnische toetsing ook uitgevoerd met een in de tijd constante waterstand gelijk aan het 1/10.000 meerpeil. Het Mgo% peil wordt niet door Hydra-M berekend. Echter de inspanning voor het berekenen van het Mgo% peil is waarschijnlijk redelijk beperkt en kan desgewenst door RWS RIZA uitgevoerd worden. De dijkbeheerder kan hiervoor RWS RIZA benaderen. Als voor de gebieden waarvan de dijken getoetst moeten worden een andere veiligheidsnorm geldt dan 1/10.000, geldt dat in bovenstaande voor 1/10.000 gelezen moet worden de voor dat gebied geldende gebiedsnorm (1/4.000, enz.). Hoewel exacte getallen nog niet zijn te geven is een voorlopige schatting dat met deze methode de drempelwaarde voor het waterstandsverloop, voor locaties met een toetspeil dat sterk door windopzet wordt bepaald, in de orde van NAP-0,1 0 m ligt. In dat geval is het voorgestelde waterstandsverloop voor de geotechnische toetsingen aanzienlijk gunstiger dan volgens de vigerende regel (namelijk het waterstandsverloop rond toetspeil door windopzet combineren met het 1/10.000 meerpeil als drempel). Voor locaties waar zowel meerpeil als wind belangrijk zijn, is de verwachting dat Mgo% substantieel hoger zal zijn dan het normale meerpeil (het streefpeil) en het meerpeil uit het illustratiepunt bij de belangrijkste windrichting, zoals berekend met Hydra-M. Deze peilen waren eerder voorgesteld als drempelwaarden voor het verloop van de windopzet.