· · · Repository Hydraulic Engineering Reports

Dit rapport vat de onderzoeken samen die zijn uitgevoerd t.b.v. de geavanceerde toets “Bekledingen” voor de Wieringermeerdijk. De mogelijke bijdrage van de keileemkern van de dijk aan de reststerkte van de taludbekleding staat hierbij centraal. Daar kennis over de sterkte van keileem ontbrak is in het kader van deze geavanceerde toets modelonderzoek op ware grootte in de Deltagoot uitgevoerd.

Dit verslag beschrijft de resultaten van een oriënterende bureaustudie naar de gevolgen van golfbelasting op gezette dijkbekledingen met initiële schade aan de toplaag. Er wordt een overzicht gegeven van de beschikbare kennis over reststerkte (restweerstand), gekarakteriseerd door de tijdsduur tussen initiële schade en de blootlegging van ds dijkkera sis gevels van golfssnvsl. De aandacht is geconcentreerd op de voor Nederland belangrijkste drie constructietypen. De ervaringen opgedaan uit modelonderzoek en uit verslagen van praktijkschades zijn samengevoegd met theoretische beschouwingen. Het verslag vormt een basis voor vervolgonderzoek.

Als supplement op een onderzoek naar de bodemvorming van klei-onderlagen onder gezette steen is een schatting van de reststerkte van de onderlagen van 11 locaties in Zeeland uitgevoerd. Het blijkt dat eerdere aannamen over de opbouw van onderlagen onder gezette steen tekort schieten in het indelen van heterogeniteit in de onderlaag. Een belangrijke uitbreiding in dit opzicht betreft de invloed van goed verdichte lagen in de onderlaag en het voorkomen van oude dijklichamen in of direct onder de onderlaag. De reststerkte van een groot aantal locaties wordt daardoor aanmerkelijk verhoogd ten opzichte van schattingen volgens een voorstel voor de TAW Leidraad Toetsing (in voorbereiding).

In het kader van het onderzoek van de reststerkte van klei onder een dijkbekleding is een eerste aanzet tot modellering gemaakt. Dit rapport geeft een overzicht van de inspanningen voor het modelleren van de reststerkte van gestructureerde klei onder golfbelasting. Plastische vervorming van de klei onder belasting met golfklappen bleek het meest belangrijke schade-mechanisme.

In een physisch model is onderzoek gedaan naar een onderdeel van het bezwijkmechanisme van een steenzetting onder golfaanval. Het onderzoek was gericht op het gedrag van de filterlaag na initiële schade aan de toplaag. Voor dit gedrag zijn formules afgeleid.

Dit verslag beschrijft de resultaten van een bekledingen met initiële schade aan de top (restweerstand), gekarakteriseerd door de golf aanval. De aandacht is geconcentreerd op de voor onderzoek en uit verslagen van praktijksch Het verslag vormt een basis voor vervolgo oriënterende bureaustudie naar de gevolgen van golfbelasting op gezette dijkaag. Er wordt een overzicht gegeven van de beschikbare kennis over reststerkte tijdsduur tussen initiële schade en de blootlegging van de dijken als gevolg van Nederland belangrijkste drie constructietypen. De ervaringen opgedaan uit modeladen zijn samengevoegd met theoretische beschouwingen onderzoek.

Deel III. Meetverslag Deltagootonderzoek Het verslag geeft een beschrijving van grootschalig onderzoek in de Deltagoot. Het betreft een onderzoek naar de mate waarin een onbeschermde kleilaag weerstand kan bieden tegen golfklappen. Verder wordt aandacht besteed aan de stabiliteit van een steenzetting op een klei-onderlaag.

Deel VI. Analyse van Deltagootmetingen In het kader van het onderzoek van de reststerkte van klei onder een dijkbekleding is een analyse verricht van de gemeten waterspanningen in en op het talud bij de reststerkteproeven, die zijn uitgevoerd in de Deltagoot in 1991/1992. De respons van de waterspanningsmeters is sterk afhankelijk van de locale condities in de klei. De optredende waterspanningsgradiënten zijn voldoende om klei uit het talud te lichten. Voor het juiste moment van het optreden van schade zijn cohesie- en interlock van de klei-aggregaten van belang. De toegebrachte erosieschade schaalt met de toegevoerde energie.

In deze notitie wordt een globale indicatie gegeven van het waterstandsverloop tijdens storm ten behoeve van de bepaling van de reststerkte van dijken.

(SBW), gefinancierd door Rijkswaterstaat, is een experimenteel onderzoek uitgevoerd naar de reststerkte van een dijk. Het doel van het onderzoek was het meten van de tijdsduur tussen het ontstaan van schade aan de steenzetting door golven, en het doorbreken van de dijk. Daartoe is een dijk in de Deltagoot van Deltares gebouwd, met een steenbekleding en kleilaag tot halverwege de buitenzijde en gras op klei daarboven. Voor het onderzoek is klei met gras gebruikt uit een bestaande dijk in Ferwert en klei vanonder een steenzetting (Oosterlandpolderdijk). Met een hydraulische kraan werden stalen bakken zonder bodem in de klei gedrukt, waarna de klei eromheen werd weggegraven en een stalen plaat eronder geschoven. De kleiblokken (van 2x2x0,8 m3) zijn vervolgens vervoerd naar de Deltagoot en in 'ongeroerde' staat aangebracht in de modelopstelling. Tijdens de proeven is eerste stap voor stap de golfhoogte verhoogd totdat schade aan de steenzetting ontstond. Vervolgens is met deze golfhoogte een aantal proeven uitgevoerd waarbij steeds na een bepaalde tijd golven het erosieprofiel is opgemeten. Als laatste deel van het onderzoek is de erosie gemeten bij een wat verlaagde waterstand. De werkzaamheden zijn uitgevoerd in de periode van maart tot augustus 2010. In dit meetrapport zijn alleen de belangrijkste resultaten opgevoerd. Een uitgebreide analyse volgt in een apart verslag (2011).

Het onderzoeksprogramma Sterkte en Belastingen Waterkeringen (SBW) heeft als doel het invullen van de belangrijkste kennisleemtes voor een scherper beeld van de veiligheid van primaire waterkeringen tegen overstromingen. Een van de projecten is SBW-Reststerkte. De reststerkte is het waterkerend vermogen dat overblijft na initiële schade aan een dijk. Het wordt uitgedrukt als de tijdsduur tussen het optreden van initiële schade tot het doorbreken van de dijk. Het onderzoek richt zich op de gevolgen na de volgende initiële mechanismen: het uitlichten van één of meer stenen uit een steenzetting, of een doorgaande scheur of gat in een asfaltbekleding, erosie van gras (tenminste 30x30 cm2 en 20 cm diep), piping, macro-instabiliteit, micro-instabiliteit en erosie binnentalud door golfoverslag. Ten aanzien van de reststerkte na het optreden van piping, macro-instabiliteit en erosie binnentalud door golfoverslag wordt gebruikgemaakt van de resultaten van ander (SBW-) onderzoek. Het doel van het reststerkte-onderzoek is enerzijds het kwantificeren van het proces na het optreden van initiële schade tot het optreden van een bres in de dijk, en anderzijds hiermee (bouwstenen voor) een toetsmethodiek en toetscriteria afleiden op basis van een veiligheidsbeschouwing. De kwantificering van het proces van de schadegroei vanaf initiële schade tot het optreden van een bres maakt het mogelijk een verantwoord criterium te kiezen voor het toetsen van dijken, dat nog voldoende restveiligheid waarborgt. Dit maakt het mogelijk om scherper te toetsen. Het onderhavige verslag is het resultaat van de inventarisatiefase van het onderzoek. Het omvat een afbakening van het onderzoek, inventarisatie van dijkprofielen, literatuurstudie, voorlopig rekenmodel voor reststerkte op basis van de beschikbare kennis, plan voor vervolgonderzoek en haalbaarheidsstudie van het vervolgonderzoek. Het betreft alleen dijken en geen duinen of kunstwerken. Het bevat de volgende delen: 1 Algemene aspecten en samenvatting 2 Reststerkte van een zanddijk bekleed met een kleilaag, geotextiel, granulair filter en steenzetting 3 Reststerkte van een zanddijk bekleed met asfalt 4 Reststerkte van een kleidijk met gras (rivierdijken) 5 Rol van micro-instabiliteit bij reststerkte 6 Reststerkte van de kleilaag 7 Reststerkte van de zandkern In de literatuur zijn beschrijvingen van modelonderzoek en de resulterende formules, beschrijvingen van praktijkschades, en rekenmodellen gevonden. Deze informatie vormt een waardevolle start van het onderzoek, maar is nog geenszins een antwoord op de onderzoeksvraag. Gezien deze vele kennisleemtes is een plan voor vervolgonderzoek opgesteld. Dit omvat grootschalig onderzoek in de Deltagoot van Deltares, kleinschalig modelonderzoek, principeproeven, bureaustudies en numerieke simulaties. Uitdrukkelijk wordt gesteld dat het huidige rapport geen toetsmethodiek tracht voor te schrijven, maar slechts onderzoeksresultaten presenteert.

De Zwartemeerdijk aan de zuidoostkant van de Noordoostpolder heeft volgens de derde toetsronde een te zwakke bekleding. Deze bekleding bestaat uit klinkers op klei/keileem, overgroeid met gras. Het onderhavige rapport is een plan om een geavanceerde toetsing uit te voeren waarin ook de reststerkte van de dijk wordt meegewogen. De reststerkte is de tijd tussen het ontstaan van schade aan de bekleding en het uiteindelijk doorbreken van de dijk. De geavanceerde toetsing kan uitgevoerd worden met een probabilistisch rekenmodel op basis van Deltagootproeven, dat ontwikkeld is in het kader van het onderzoeksprogramma Sterkte en Belastingen Waterkeringen, namelijk SBW-reststerkte. Dit maakt het mogelijk om de faalkans van de dijk te berekenen, rekening houdend met de steenzetting, klei/keileemlaag en de zandkern. Het rapport geeft ook een overzicht van de benodigde eigenschappen van de dijk en de bekleding. Op basis van de Leidraad Grondslagen voor Waterkeringen (TAW 1998) is een criterium afgeleid waar de berekende faalkans aan moet voldoen.

Een van de deelprojecten van het meerjarig onderzoeksprogramma “Sterkte & Belastingen Waterkeringen (SBW)” is SBW-reststerkte. In dat kader is in 2010 grootschalig modelonderzoek uitgevoerd in de Deltagoot met een 8,5 m hoge dijk op prototypeschaal, bestaande uit een 80 cm dikke kleilaag op een zandkern (Wolters e.a. 2011). Onder de waterlijn was het talud verdedigd met een steenzetting, op de waterlijn was een berm aanwezig met asfalt op staalslakken, en daarboven gras. In dit onderzoek is de erosie van de kleilaag en de zandkern van de dijk gemeten, nadat schade is opgetreden aan de steenzetting. Dit rapport beschrijft de analyse van de resultaten van die proeven. Het doel van het onderzoek is de kwantificering van de erosie van een dijklichaam bestaande uit een kleilaag op een zandkern onder invloed van golven. De erosie van de dijk als functie van de tijd geeft de benodigde informatie om de reststerkte te bepalen. De complexiteit van het onderwerp maakt het nodig verschillende onderzoeksmethoden in te zetten: • Theoretische analyse van het proces en voorlopige kwantificering op basis van bestaande kennis over de waterbeweging. Hierbij wordt ook rekening gehouden met het feit dat de erosie steeds verder voortschrijdt, en dus het profiel van de dijk verandert. • Theoretische analyse van het proces vanuit de invalshoek van de grond. • Numerieke berekeningen van de waterbeweging op de dijk met ComFlow, gericht op het verkrijgen van inzicht in de verandering van de waterbeweging naarmate de erosie voortschrijdt. • Numerieke berekeningen van de waterbeweging in de klei met Pluto, gericht op het vaststellen van de belangrijkste eigenschappen die relevant zijn voor erosie. • Numerieke berekeningen van de erosie van zand met Durosta, waarbij de eroderende dijk vergeleken wordt met duinafslag. • Analyse van alle relevante grootschalige modelonderzoeken tot nu toe, gericht op het vinden van een empirische relatie voor de erosie als functie van de tijd. De analyse heeft geleid tot een set praktisch toepasbare formules waarmee de reststerkte van de kleilaag en het dijklichaam kan worden berekend. De formules geven de relatie tussen enerzijds het volume dat als functie van de tijd erodeert en anderzijds de geometrie van de dijk en de golfcondities. Een opmerkelijk resultaat is dat de kwaliteit van de klei of keileem een verwaarloosbare invloed heeft op de erosie, binnen de range van onderzochte keileem en kleisoorten. Waarschijnlijk is het voorkomen van zandinsluitingen en zandlenzen veel belangrijker dan de andere eigenschappen van de klei en was de mate waarin deze voorkomen in de onderzochte klei niet erg verschillend.

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.

Er is een onderzoek uitgevoerd naar bodemvorming onder gezette steen op 11 dijktaluds in Zeeland in verband met de reststerkte bij golfaanval en in verband met geulvorming onder de stenen. Voor het onderzoek zijn ongeveer 1 m brede sleuven in de klei-onderlaag gegraven en is de ondergrond in detail beschreven en zijn er monsters voor classificatie-doeleinden genomen.Duidelijk herkenbare bodemvorming blijkt algemeen voor te komen in kleionderlagen onder gezette steen. De belangrijkste invloeden op de bodemvorming, en de bodemstructuur, is de wijze van aanbrengen en verdichten van kleigrond en de samenstelling van de grond. In goed verdichte lagen is op meer dan 0.3 tot 0.4 m diepte de bodemstructuur meestal nog massief, dat wil zeggen dat er bijna geen spleten of scheuren als gevolg van krimpen en zwellen worden aangetroffen. Van dergelijke goed verdichte lagen, indien niet te dun, kan een belangrijke bijdrage in de reststerkte van de onderlaag verwacht worden. In dit onderzoek zijn een aantal dijktaluds aangetroffen waarbij het oude dijklichaam deel van de klci onderlaag uitmaakt. Dit oude dijklichaam bestaat in cen aantal gevallen uit zeer dichte cohesieve grond die een /.eer grote bijdrage aan de reststerkte van de dijk kan leveren. In bijlage 10 is de ressterkte van de onderzochte locaties beschreven. De bovenste 0.15 tot 0.25 m van klci-onderlagen heeft nagenoeg altijd een bodemstructuur van millimeters-grote blokjes die vaak los gestapeld zijn. Deze toplaag zal nagenoeg niet kunnen bijdragen in de reststerkte van de onderlaag. Op veel locaties zijn lagen aangetroffen van grond die na het aanbrengen niet of weinig is verdicht. Naar verwachting is de bijdrage van dergelijke lagen aan de reststerkte zeer beperkt. Een belangrijke factor daarbij is dat bodemleven welig heeft kunnen tieren in zulke lagen hetgeen de erosieresistentie van een laag sterk ondermijnd. Uit deze studie kan in het licht van de thans bestaande inzichten over erosie van klei-onderlagen worden afgeleid dat de reststerkte van onderlagen zeer beperkt is als er beneden ongeveer 0.3 m veel zeer zandige of niet verdichte grond voorkomt en als bodemvorming tot grotere diepte een herkenbare bodemstruetuur heeft veroorzaakt.Bij klei-onderlagen treedt nagenoeg altijd enige oppervlakkige erosie van de grond onder de stenen op hetgeen op bijna al de onderzochte locaties tot geulvorming heeft geleid. Deze erosie is beperkt tot een zone met een breedte van 1.5 tot 2.5 m boven de ovcrgangsconstructic naar stortsteen (mijnsteen, slakken en dergelijke) en is niet afhankelijk van de ligging ten opzichte van de hoogwaterlijn. De gculvorming neemt in het algemeen af met toenemend gehalte afslibbaar (< 16um) en komt vooral voor in vergraven, meestal slecht verdichte lagen.Samenvattend kan worden gesteld dat zowel de reststerkte van klei-onderlagen als het beperken van geulvorming daarin gebaat zijn bij het aanbrengen van geschikte, zware of vette klei en het goed verdichten daarvan over de gehele dikte van de klei-onderlaag. Het verkennen van de gesteldheid van klei-onderlagen en van de opbouw van het dijklichaam onder gezette steen kan met sonderingen, aangevuld met waarnemingen in enige kuilen in de onderlaag worden uitgevoerd. Voorafgaand archiefonderzoek en interviews met bij de aanleg betrokkenen lijkt een voor de hand liggende eerste stap in de verkenning ten behoeve van het vaststellen van de noodzaak en het stellen van prioriteiten voor gedetailleerde verkenningen. De meeste grond in klei-onderlagen heeft karakteristieken van hydromorfe gronden met gley en pseudo gley verschijnselen.