Proefvak Actuele Sterkte Waterspanning in dijken fase 4 definitief CO /201 versie 1 april 2001

Transcriptie

1 Proefvak Actuele Sterkte Waterspanning in dijken fase definitief CO-73/ versie april

2

3 Proefvak Actuele Sterkte Waterspanning in dijken - fase definitief CO-73/ april N:\projecten.gd\7\73\grond\waters Opgesteld in opdracht van: DIRECTORAAT-GENERAAL RIJKSWATERSTAAT, DIENST WEG- EN WATERBOUWKUNDE POSTBUS 6 GA DELFT AFDELING GRONDCONSTRUCTIES Projectleider : Ing. T.A. van Duinen Projectbegeleider: Ing. A.P.C. Rozing GeoDelft Stieltjesweg, 68 CK DELFT Postbus 69, 6 AB DELFT Telefoon () 69 3 Telefax () 6 8 Postbank 33 Bank MeesPierson NV Rek.nr

4

5 rapportnr: CO-73/ datum rapport: april titel en subtitel: Proefvak Actuele Sterkte Waterspanning in dijken - fase behandelende afdeling: Grondconstructies projectnaam: Proefvak Actuele Sterkte - Bergambacht projectleider(s): Ing. T.A. van Duinen naam en adres opdrachtgever: Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde Postbus 6 GA DELFT projectbegeleider(s): Ing. A.P.C. Rozing referentie opdrachtgever: Overeenkomst nr. DWW-78(A) verzenden in: -voud type rapport: definitief samenvatting rapport: Als onderdeel van Delft Cluster Thema : Ondergrond en Constructies; Sub-thema C: Waterkeringen is het deelonderzoek analyse bestaande meetgegevens waterspanning in dijken uitgevoerd. Dit deelonderzoek is uitgevoerd in opdracht van de Dienst Weg- en Waterbouwkunde van Rijkswaterstaat, onder overeenkomst nr. DWW-78(A). Het onderzoek is uitgevoerd in vier fasen. Het deelonderzoek bestond in fase uit vijf onderwerpen, te weten infiltratie buitentalud, overslag, extreme neerslag, stroming vanuit de watervoerende zandlaag en waterspanningen door deformaties. Na fase is het onderwerp waterspanningen door deformaties niet voortgezet. Dit voorliggende rapport is het rapport van fase. In fase van dit deelonderzoek zijn de bevindingen van fase van het deelonderzoek gecombineerd met de bevindingen van de fasen en 3 van het deelonderzoek. De meetgegevens die in fase bijeengebracht en geëvalueerd zijn, zijn vergeleken met de resultaten van de berekeningen met het programma Seep/w van de fasen en 3. Deze vergelijking is kwalitatief van aard. Dat kan ook niet anders omdat de berekeningen alleen het Proefvak Actuele Sterkte in Bergambacht betreffen en de meetgegevens van diverse meetlocaties in Nederland afkomstig zijn. De doelstelling van fase is het komen tot aanbevelingen voor de asviespraktijk en voor nader onderzoek in het algemeen en het Proefvak Actuele Sterkte in het bijzonder. opmerkingen: trefwoorden: Proefvak Actuele Sterkte (Bergambacht) waterspanning in dijken verspreiding: Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde GeoDelft opgeslagen op: onder titel: N:\projecten.gd\7\73\grond\waterspanning\CO- 73_.doc aantal blz.: 73 versie: datum: opgesteld door: paraaf: gecontroleerd door: paraaf: april Ing. T.A. van Duinen Ir. J.G. Knoeff Dr. C.A. Schoofs Ing. A.P.C. Rozing GeoDelft

6

7 INHOUDSOPGAVE Inleiding Infiltratie buitentalud 3. Inleiding 3. Theorie.3 Adviespraktijk. Resultaten rekenrapport 7. Bestaande meetgegevens bij MHW 8.6 Berekeningen van (on-) verzadigde stroming 8.7 Conclusies en aanbevelingen 3 Extreme neerslag 7 3. Inleiding 7 3. Adviespraktijk Intensiteit van de neerslag 8 3. Verharde en onverharde oppervlakken 9 3. Stroming over het talud Stroming via bodemstructuren 3.7 Absorptie in de onverzadigde zône 3.8 Verdamping 3.9 Effect van een wegcunet 3. Invloed van neerslag op de waterspanning in een dijk 6 3. Effect van zandlenzen 3 3. Invloed van de doorlatendheid Invloed van drainage 3 3. Conclusies 3 3. Aanbevelingen 3 Infiltratie bij overslag/overloop 37. Inleiding 37. Analyse meetgegevens en rapporten 39.3 Berekeningen van (on-) verzadigde stroming. Conclusies en aanbevelingen Stroming vanuit de watervoerende zandlaag 6. Inleiding 6. Theorie 6

8 .3 Adviespraktijk 8. Praktijkervaringen. Proefvak Bergambacht.6 Conclusies en aanbevelingen 6 Referenties 8

9 Inleiding Als onderdeel van Delft Cluster Thema : Ondergrond en Constructies; Sub-thema C: Waterkeringen is het deelonderzoek Analyse bestaande meetgegevens waterspanning in dijken uitgevoerd. Dit deelonderzoek is uitgevoerd in opdracht van de Dienst Weg- en Waterbouwkunde van Rijkswaterstaat, onder overeenkomst nr. DWW-78(A). Er bestaat een sterk verband tussen de verschillende onderzoeken binnen het basisproject Waterkeringen van Delft Cluster Thema : Ondergrond en Constructies, waardoor een deelonderzoek vaak niet uitsluitend onder één speerpunt valt. Daarnaast vindt voorbereidend onderzoek plaats op en voor de proeven op het Proefvak Actuele Sterkte in Bergambacht. Voorts bestaat er een duidelijke samenhang tussen dit onderzoek en de onderzoeken in het kader van Delft Cluster thema : Ondergrond en Constructies, sub-thema B, Verkennen-Meten-Monitoren, sub-thema B: Materiaalen Ontwerpmodellen en thema, Overstromingsrisico s, sub-thema, Faalmechanismen en (Rest-) Sterkte. Het deelonderzoek Analyse bestaande meetgegevens waterspanning in dijken is uitgevoerd in vier fasen. Dit voorliggende rapport is het rapport van fase. Het deelonderzoek bestond in fase uit vijf onderwerpen, te weten infiltratie buitentalud, overslag, extreme neerslag, waterspanningen door deformaties en stroming vanuit de watervoerende zandlaag. Na fase is het onderwerp waterspanningen door deformaties niet voortgezet. Omdat dit aspect in het Proefvak Actuele Sterkte in Bergambacht geen onderwerp is en vanwege het beperkte budget, is in overleg met DWW besloten het onderzoek naar dit onderwerp te beeindigen. De kennisleemte die momenteel bestaat, is het omzetten van meetgegevens van waterspanningen bij min of meer dagelijkse omstandigheden in een verloop van de waterspanning bij extreme omstandigheden. Dit omzetten van meetgegevens is nogal complex. Bovendien zijn de meetgegevens niet altijd goed verklaarbaar. Daarom wordt er ten behoeve van stabiliteitsbeschouwingen in de adviespraktijk over het algemeen sterk vereenvoudigd, teneinde een kostenefficiënte werkwijze mogelijk te maken. Veelal wordt uitgegaan van een freatische lijn met een vast verloop ten opzichte van de geometrie van de dijk. De waterspanning verloopt daarbij lineair vanaf de freatische lijn naar de gemiddelde stijghoogte op à m boven de watervoerende zandlaag. Voor de situatie van extreme neerslag wordt meestal uitgegaan van een verhoging van de freatische lijn met, à, m. In de Leidraad Toetsen op Veiligheid [TAW 999] staan veilige inschattingen voor het schematiseren van de waterspanning bij extreme omstandigheden als geen metingen van de waterspanning beschikbaar zijn. In sommige situaties leiden deze veilige inschattingen tot een extreem hoge freatische lijn. De schematisering van de waterspanning is vergelijkbaar met de zojuist beschreven aanpak. De waterspanning kan in de praktijk van een lineair verloop over de diepte afwijken ten gevolge van deformatie van de ondergrond, of door grote verschillen in de (on-) verzadigde doorlatendheid van materialen.

10 Vanwege de grote invloed van de waterspanning op de stabiliteit van een dijk is een zorgvuldige beschouwing van het verloop van de waterspanningen voor de praktijkproeven op het Proefvak Actuele Sterkte noodzakelijk. Hierbij zal dankbaar gebruik gemaakt kunnen worden van een nadere analyse van de bestaande meetgegevens van en berekeningen voor dijken elders in Nederland. Niet uitgesloten is dat hiermee ook de huidige schematisatie-praktijk zal kunnen worden verbeterd, hetgeen uiteraard ook voor andere projecten van belang is. De doelstelling van dit deelonderzoek is het inzicht met betrekking tot de waterspanning in dijken te verhogen. Daartoe zijn in fase beschikbare gegevens over het verloop van de waterspanning in dijken bijeen gebracht en geëvalueerd (zie definitieve rapport CO-73/6, d.d. oktober ). Het doel van de fasen en 3 van het deelonderzoek is het in beeld brengen van de waterspanning in een dijk tijdens extreme omstandigheden. De fase en 3 hebben bestaan uit het uitvoeren van een aantal berekeningen van de (on-) verzadigde stroming met het grondwaterstromingsmodel Seep/w voor de onderwerpen infiltratie buitentalud, overslag en extreme neerslag en uit het uitvoeren van gevoeligheidsberekeningen voor het onderwerp stroming vanuit de watervoerende zandlaag met het computerprogramma Mstab (zie definitieve rapport CO-73/3, d.d. januari ). Daarbij zijn de gegevens uit fase van het deelonderzoek als achtergrondinformatie en vergelijkingsmateriaal gebruikt. De berekeningen zijn uitgevoerd voor de situatie van het Proefvak Actuele Sterkte. Om de invloed van de waterspanningen op de stabiliteit te onderzoeken zijn voor de maatgevende situaties stabiliteitsberekeningen met het programma MSTAB uitgevoerd. In fase van dit deelonderzoek zijn de bevindingen van fase van het deelonderzoek gecombineerd met de bevindingen van de fasen en 3 van het deelonderzoek. De meetgegevens die in fase bijeengebracht en geëvalueerd zijn, zijn vergeleken met de resultaten van de berekeningen met het programma Seep/w van de fasen en 3. Deze vergelijking is kwalitatief van aard. Dat kan ook niet anders omdat de berekeningen alleen het Proefvak Actuele Sterkte in Bergambacht betreffen en de meetgegevens van diverse meetlocaties in Nederland afkomstig zijn. De doelstelling van de vergelijking is: - aanbevelingen doen voor voor situaties waar meetgegevens beschikbaar zijn bij min of meer gemiddelde omstandigheden en waar deze meetgegevens moeten worden geëxtrapoleerd naar maatgevende of extreme omstandigheden - aanbevelingen doen voor situaties waar geen meetgegevens beschikbaar zijn en waarop basis van de TAW-Leidraad Toetsen op Veiligheid een veilige inschatting voor het schematiseren van de waterspanning bij extreme omstandigheden moet worden gemaakt - aanbevelingen voor het Proefvak Actuele Sterkte in Bergambacht - aanbevelingen voor vervolgonderzoek. Belangrijke aandachtspunten daarbij zijn heterogeniteit van de ondergrond en het dijklichaam, initiële condities en doorlatendheid.

11 Infiltratie buitentalud. Inleiding Gedurende een hoogwatersituatie infiltreert water in het buitentalud van een dijk. Hierdoor verhoogt de freatische lijn (gedefinieerd als de curve met een drukhoogte van m). De verhoging van de waterdruk in de dijk leidt in het algemeen tot een afname van de korrelspanning, met als gevolg een verlies van micro- en/of macrostabiliteit. De hoeveelheid water, dat door het buitentalud infiltreert, en de hiermee samenhangende verhoging van de freatische lijn hangen af van een viertal factoren: - de grootte en tijdsduur van de stijging van het buitenwaterpeil; - de (on-) verzadigde doorlatendheid van het dijkse materiaal; - het initiële vochtgehalteverloop boven de freatische lijn; - de elastische berging van de verzadigde grond. De grootte en tijdsduur van het hoogwater verschillen sterk: voor zeedijken is de tijdsduur van de orde één dag. De hoogte van de waterstand is een combinatie van springtij en een stormopzet. Voor rivierdijken kan de tijdsduur van het hoogwater een maand zijn. De hoogte van de maatgevende waterstand is een combinatie van verschillende afvoergolven, die voor de rivieren stroomopwaarts gelden. In het benedenrivierengebied wordt tevens een getijden golf op de hoogwatergolf gesuperponeerd. De grondopbouw van de dijken is vaak heterogeen van aard. Hierdoor is het moeilijk om precies te bepalen hoe en op welke plaatsen de dijk doorlatend is. Dit terwijl de bulkdoorlatendheid van de dijk juist bepaald wordt door het wel of niet verbonden zijn van de meest doorlatende delen (met name de zandlagen). De verzadigde doorlatendheid van zand en klei kan namelijk aanzienlijk verschillen. In veel gevallen wordt de klei als ondoorlatend gezien. Echter, wanneer de klei zich in de onverzadigde zone in de dijk bevindt, treedt er in droge perioden scheurvorming op. De klei is daardoor vaak veel doorlatender dan in eerste instantie wordt vermoed. Het aanwezige vochtgehalte in de onverzadigde zone geeft aan hoeveel poriënvolume er reeds gevuld is en dus ook hoeveel er nog gevuld kan worden door het infiltrerende water. Tevens is het vochtgehalte een maat voor de (onverzadigde) doorlatendheid. Deze doorlatendheid is namelijk een sterk niet-lineaire functie van het vochtgehalte. 3

12 . Theorie Over het algemeen wordt de stroming in de onverzadigde/verzadigde zone mathematisch beschreven door middel van de zogenaamde Richardsvergelijking [Zaradny, 993; Stephens, 996; Tindall and Kunkel 999]. Deze vergelijking, die volgt uit de combinatie van de continuïteitsvergelijking voor het water met de impulsvergelijking (de wet van Darcy) voor het water, wordt met de druk als primaire variabele geschreven als: kk. µ ( p+ ρg) = ( m + nβ) v S p S + n p t waarin: k relatieve doorlatendheid [-] K doorlatendheidstensor [m ] µ dynamische viscositeit [Pa/s] p druk [Pa] g gravitatie-vector [m/s ] ρ dichtheid [kg/m 3 ] m v n β samendrukbaarheid van de korrelmatrix [/Pa] porositeit samendrukbaarheid van de vloeistof-lucht mengsel [/Pa] S effectieve verzadigingsgraad [-] t tijd [s] Voor het oplossen van de Richardsvergelijking dienen zogenaamde materiaalcurven te worden gedefinieerd, relaties tussen de doorlatendheid en het vochtgehalte en de aanwezige (negatieve) druk. Deze relaties, die essentieel en bepalend zijn voor de berekeningen, zijn voor dijkmateriaal nog niet bekend. Net als het geval is voor natuurlijk afgezette gronden, zijn voor het dijkmateriaal beide relaties hoogstwaarschijnlijk sterk niet-lineair. Dit compliceert de beschrijving van het watertransport van het buitendijks talud naar de rest van de dijk..3 Adviespraktijk De manier waarop de freatische lijn wordt vastgelegd hangt af van verschillende factoren, zoals o.a.: wel of geen waterspanningsmetingen beschikbaar, beoordeling van de binnen- of buitenwaartse stabiliteit tijdens MHW of neerslag, zand of klei dijk en samendrukbare of zandige ondergrond.

13 Schematisatie van de freatische lijn op basis van waterspanningsmetingen In de huidige adviespraktijk wordt de freatische lijn in de dijk bij maatgevend hoogwater vaak verkregen uit metingen van het waterdrukverloop, ten gevolge van schommelingen in het getij of van het passeren van een hoogwatergolf. De methodiek voor het opstellen van het waterdrukverloop in de dijk hangt af van beschikbaarheid van in-situ meetgegevens. In het kader van dijkversterkingsprojecten worden namelijk over het algemeen of 3 waterdrukmeters in de buurt van de binnenkruinlijn geplaatst, met de bovenste opnemer ongeveer, meter onder de gedachte hoogte van het freatisch vlak. De opnemers hebben een onderlinge afstand van zo n, tot, meter. De waterdruk wordt gedurende een periode van ca. 3 maanden gemeten. De informatie wordt gebruikt voor () de bepaling van de freatische lijn door middel van een lineaire extrapolatie met de hoogte, () de bepaling van de waterspanning in de dijk als functie van de buitenwaterstand en (3) soms ook de relatie met neerslag. De freatische lijn wordt bij de beoordeling van de binnenwaartse stabiliteit onder maatgevende omstandigheden over het algemeen als volgt geschematiseerd. Onder de kruin van de dijk wordt de freatische lijn bij een ondoorlatende dijkkern stationair verondersteld. Dit wil zeggen dat de freatische lijn in de dijk nauwelijks wordt beïnvloed door veranderingen van de buitenwaterstand. De hoogte is gelijk aan de waterspanningsmeting in de kruin. Aan de buitenzijde van de dijk verloopt de freatische lijn naar het maatgevend hoogwater (MHW) dat loodrecht op het talud insnijdt. Vanaf de binnenkruinlijn verloopt de freatische lijn onder een helling naar het snijpunt met de gemeten freatische lijn binnendijks en vervolgens naar het polder- of slootpeil (zie Figuur.). Het polderpeil kan worden onderverdeeld in een zomer- en een winterpeil. Bij de beoordeling van de binnenwaartse stabiliteit wordt het laagste peil (winterpeil) gehanteerd. Deze hoeft echter niet maatgevend te zijn. Weliswaar is bij een hoog slootpeil het tegenwerkend moment groter door de grotere hoeveelheid vrij water, de effectieve korrelspanning is lager waardoor ook de schuifsterkte lager is. RIVIER POLDER NAP : FREATISCHE LIJN BIJ MHW Figuur. Schematisatie van de freatische lijn op basis van waterspanningsmetingen (benedenrivierengebied)

14 Schematisatie van de freatische lijn zonder waterspanningsmetingen In de Leidraad Toetsen op Veiligheid [TAW 989; 98; 999] staan veilige inschattingen voor het schematiseren van de waterdruk bij extreme omstandigheden als er geen metingen van de waterspanning beschikbaar zijn. De volgende situaties worden onderscheiden: - kleikern en een samendrukbare ondergrond - kleikern en een zandige ondergrond - zandkern (eventueel met dichte afdekking) en een samendrukbare ondergrond - zandkern eventueel met dichte afdekking) en een zandige ondergrond Met de beschreven schematisaties wordt gepoogd een veilig waterspanningsbeeld te verkrijgen. Aangezien deze schematisaties voor heel Nederland geldig zijn, kan in sommige situaties het resultaat wel erg pessimistisch uitvallen. De formule op bladzijde 8 van de Leidraad Toetsen op Veiligheid [TAW 999] is niet geheel juist. De hoogte van de freatische lijn in punt A is gelijk aan de laagste waarde van C of D verhoogd met L gedeeld door een constante X: hoogte in punt A = min. waarde (C of D) + L/X De opbolling (L/X) is afhankelijk van: - hoeveelheid neerslag - de breedte van de dijkbasis - doorlatendheid van de dijk - dikte slappe lagenpakket onder de dijk. Het zal duidelijk zijn dat een ondoorlatende laag een hogere opbolling geeft dan een doorlatende laag. Een dik slappe lagenpakket zorgt voor minder afstroming naar beneden en heeft dus een grotere opbolling dan een dun slappe lagenpakket. Eigenlijk kan er worden gezegd, dat de opbolling gelijk is aan /8, / of / van de dijkbasis (X = 8, of ). Deze waarden zijn gebaseerd op waterspanningsmetingen in Noord- en Zuid-Holland. Onder normale omstandigheden wordt de freatische lijn hoofdzakelijk bepaald door een opbolling ten gevolge van neerslag. In de bovenstaande methode wordt in het geval van een kleidijk uitgegaan van een ondoorlatende kleikern. Bij dijken in het bovenrivierengebied is deze aanname echter vaak onjuist. De freatische lijn zal ten gevolge van een zekere doorlatendheid afhankelijk zijn van de buitenwaterstand. Op basis van metingen in de Alblasserwaard wordt bij dijken in het bovenrivierengebied door GeoDelft een andere methode van schematiseren aangehouden. Deze methode houdt in dat het maatgevend hoogwater (MHW) loodrecht intreedt in het buitentalud van de dijk (Figuur.). De freatische lijn verloopt vanaf dit intredepunt naar een hoogte van MHW-, m. De horizontale lengte van het intredepunt tot het punt MHW-, m wordt de intredelengte genoemd. Deze kan ook berekend worden met behulp van de formule op blz. 97 van de Leidraad Toetsen op Veiligheid [TAW 999]. Vanaf MHW-, m verloopt de freatische lijn naar MHW-, m 6

15 onder de binnenkruin van de dijk en vervolgens onder een helling van : (of door de teen van de dijk als deze lijn boven de berm uitkomt) naar het polderpeil. L MHW.m.m : polderpeil L = intredelengte CO-336 f-fig.dwg Figuur. Schematisatie van de freatische lijn in het bovenrivierengebied Bij een zanddijk en bij een kleidijk die binnenwaarts is versterkt met zand worden vaak drains in de binnenteen van de dijk geplaatst. Een goed functionerende drainage vormt een dwangpunt waardoor de freatische lijn in dit punt niet hoger komt te liggen. Is de dijk afgedekt met een kleilaag dan treedt de freatische lijn weer loodrecht in. Vanaf de onderkant van de afdekkende laag verloopt de freatische lijn naar de drainage in de binnenteen van de dijk.. Resultaten rekenrapport In het rapport Tijdsafhankelijke stabiliteit dijken [GD 99b] is door middel van berekeningen van (on-) verzadigde stroming aangetoond, dat er een vertraging van de waterspanningsopbouw in de dijkkern en dus van de stabiliteitsfactor ten opzichte van de waterstand optreedt. In tegenstelling tot een stationaire berekening, volgt de stabiliteitsfactor in de tijdsafhankelijke berekening een hysterese kromme met de buitenwaterstand. De minimumwaarde van deze factor wordt voor een tijdstip na de hoogwatertoestand gevonden. De stabiliteitsfactor is groter naarmate de periode van de hoogwatergolf kleiner is ten opzichte van de reactiesnelheid van het systeem. Daardoor is de invloed van de tijdsafhankelijke stroming het grootste voor zeedijken. In het rapport wordt verder aanbevolen het effect van de onverzadigde zone op de stabiliteitsfactor nader te bestuderen. De invloed van de gewichtstoename in de onverzadigde zone wordt als mogelijk aandachtspunt genoemd. Deze gewichtstoename wordt in de adviespraktijk momenteel conservatief gekozen, door in stabiliteitsberekeningen het droge volumegewicht gelijk aan het natvolume gewicht te stellen. Soms wordt vochtig gekozen. Verder is de bijdrage van negatieve waterspanningen aan de stabiliteitsfactor een mogelijk aandachtspunt. In de huidige adviespraktijk wordt hier veiligheidshalve niet van uitgegaan. Als belangrijkste aandachtspunt wordt gegeven het bestuderen van de veranderingen in de verzadigde zone via stroming in de onverzadigde zone te bestuderen. Tenslotte wordt opgemerkt, dat de grootte van de (verzadigde) doorlatendheid waarschijnlijk een grote invloed uitoefent op de systeemreactietijd. Deze veronderstelling dient nader onderzocht te worden. 7

16 . Bestaande meetgegevens bij MHW Er zijn maar weinig in-situ waterdrukmetingen in een waterkering bekend onder maatgevende omstandigheden. Wel beschouwd zijn alleen goede meetreeksen van het waterdrukverloop tijdens een maatgevende situatie beschikbaar van de Lekdijk bij Lexmond. De meters, geplaatst voor het meten van de waterdruk voor een versterkingsopdracht, registreerden bij toeval het passeren van het hoogwater van januari 99. Van een drietal locaties zijn de metingen geanalyseerd. Twee van de locaties hebben een enigszins vergelijkbare bodemopbouw als die van het Proefvak Actuele Sterkte; de derde heeft een afwijkende, voornamelijk zandige opbouw. Analyse van de waterdrukmetingen (fase ) levert op, dat de huidige schematisatie van de freatische lijn in de dijk redelijk goed overeenkomt met de werkelijk gemeten kromme. De afwijkingen verschillen per locatie, maar maximaal is de gemeten freatische lijn in de binnenkruinlijn een halve meter hoger dan de geschematiseerde waarde. Dit leidt tot een minder stabiele situatie, en dit wordt waarschijnlijk veroorzaakt door de grote doorlatendheid van de dijk (het water sijpelde namelijk uit het binnentalud). In de gevallen dat een slappe lagenpakket onder de dijk aanwezig is, wijkt de schematisatie van de waterspanning in en net boven dit pakket ook enigszins af van de gemeten waarde. Maximaal is een verschil van m (lager dan in de Leidraad) gevonden. Deze observaties kunnen samen met de uitkomsten van het onderdeel Infiltratie vanuit de watervoerende zandlaag mogelijk leiden tot een aanpassing van de Leidraad. Stabiliteitsberekeningen van de dijk op één van de locaties (met een samendrukbare ondergrond) toont aan dat het verschil in stabiliteitsfactor door gemeten en geschematiseerd waterspanningsverloop van de orde, bedraagt. Dit verschil wordt veroorzaakt door een lichte verhoging van de gemeten freatische lijn ten opzichte van de schematisatie, en een enigszins afwijkend verloop van de waterspanning iets dieper in de dijk..6 Berekeningen van (on-) verzadigde stroming In fase en fase 3 zijn met het programma Seep/w een aantal simulaties gemaakt van de infiltratie in het buitentalud gedurende extreme omstandigheden. In fase is de keuze gemaakt om de geometrie zoveel mogelijk op de bijraai (dp. 8+ m) in proefvak Actuele Sterkte af te stemmen. Met de beschikbare gegevens van deze bijraai is een origineel hydrologisch model gemaakt. Allereerst zijn er stationaire berekeningen gemaakt voor het verkrijgen van een oplossing voor de situatie tijdens gemiddelde omstandigheden. Deze gemiddelde omstandigheden zijn een gemiddeld buitenwaterstand (h = NAP+, m) en een constante neerslag van mm/dag. In deze berekeningen zijn een aantal fysische en numerieke parameters gevarieerd. Met de meest geschikte oplossing van de stationaire berekeningen als initiële conditie is vervolgens een tijdsafhankelijke berekening gemaakt van de infiltratie door een hoge rivierwaterstand. In fase 3 zijn vervolgens een aantal berekeningen met variaties op de originele geometrie uitgevoerd. De variaties betreffen het afsluiten van de connecties tussen de zandlenzen in de binnen- en 8

17 buitenkruinlijn, het verlagen van de verzadigde doorlatendheid van de kleilagen, tijdsafhankelijke neerslag in de berekening van de gemiddelde situatie en, tenslotte, een verandering van de laagopbouw onder de dijk. Gemiddelde omstandigheden Met de originele geometrie zijn stationaire berekeningen van de gemiddelde omstandigheden uitgevoerd (zie Figuur.3). De resultaten laten een grote afhankelijkheid zien van de ligging van de freatische lijn en de drukhoogteverdeling in de dijk als functie van de hydrologische opbouw van de dijk. Een voorbeeld is de verandering van de verzadigde doorlatendheid van het oude dijkmateriaal (het deel van de dijk dat al aanwezig was voordat de versterking werd uitgevoerd). De freatische lijn varieert een aantal meters voor aannemelijke waarden van deze parameter. De drukhoogte in de dijk verloopt onder de gemiddelde omstandigheden niet hydrostatisch met de diepte, zowel onder als boven de freatische lijn. Het drukverloop hangt sterk af van de (on-) verzadigde doorlatendheid van het materiaal. Dit betekent dat verticale lineaire extrapolaties van de drukhoogte gemeten op één of twee locaties in de dijk slechts een redelijke schatting van de drukverdeling zullen geven. Tenslotte blijkt dat variaties in de numerieke discretisatie van ruimte en tijd ook van redelijk grote invloed zijn op de oplossing. Vanwege de tijdsplanning zijn uitgebreide convergentietests achterwege gelaten. Een eerste analyse van de berekeningen laten een beperkte betrouwbaarheid van de resultaten zien A - -8 B E C D - x (m) - - p (m) p (m) Figuur.3 Overzicht resultaten Seep/w berekeningen voor stationaire gemiddelde omstandigheden. Voor de legenda, zie Figuur.. Extreme omstandigheden Voor de originele geometrie blijkt infiltratie in het buitentalud bij hoogwater in de rivier (zie Figuur. voor het verloop van de hoogwatergolf met de tijd) een mechanisme waarbij de waterspanning in de dijk zeer sterk oploopt (Figuur.). Het water loopt de dijk binnen vooral via de doorlatende 9

18 zandlaag op y = NAP+ m tot NAP+, m. Tot in de binnenkruin van de dijk wordt een drukhoogte gelijk aan de buitenwaterstand geconstateerd. De indringing vanuit de watervoerende zandlaag gaat nagenoeg instantaan door verwaarlozing van de elastische berging in de berekeningen. Dit leidt in de binnenkruin tot een nagenoeg hydrostatisch verloop van de drukhoogte met de diepte. Verder treedt de freatische lijn uit in het binnentalud op een hoogte van circa, m boven de binnenteen. De bijbehorende stabiliteit van de dijk is vanzelfsprekend erg laag, maar de grondopbouw van de dijkbasis lijkt niet geheel realistisch. 3 H 3 6 Time (x e+6) Figuur.: Rivierpeil als functie van de tijd, opgelegd in Seep/w. De variaties in de geometrie en hydrologische parameters hebben een redelijk grote invloed op de drukhoogteverdeling. De opbouw (van de doorlatende gebieden) van de dijk blijken namelijk van groot belang voor de infiltratie en daarmee voor de waterspanningsopbouw in de dijk. Het afsluiten van de connectie tussen de zandlenzen in de binnen- en buitenkruinlijn, bijvoorbeeld, leidt tot een afname van de freatische lijn met ca.. m in de binnenkruinlijn (zie Figuur.6). Als gevolg hiervan neemt de stabiliteitsfactor van de dijk met een hoeveelheid van ongeveer, toe (methode Bishop), ten opzichte van het de situatie met doorlopende zandlagen. Verlaging van de doorlatendheid van de kleiige gedeelten in de dijk is echter weinig van invloed op de waterdrukverloop tijdens maatgevend hoogwater (zie Figuur.7, weer met zandlagen maar nu met een kleinere doorlatendheid van de kleiige lagen dan in de originele berekening). Het water infiltreert door de zandige lagen naar de binnenkruin en verzadigd daar ook de kleiige gedeelten. De freatische lijn in de binnenkruinlijn komt weer op y = NAP+3, m te liggen, net als bij de originele grondopbouw. De berekeningen geven aan dat juist de doorlatende gebieden het verloop van de freatische lijn in de dijk bepalen.

19 3 A B C D E h-, (m) 3 h6,-8 (m) A C x (m) p (m) - p (m) materiaaltype ks (xe-8 m/s) basisveen 8 leem van Kreftenheye Gorkum zwaar 7 Gorkum licht 3 kruin materiaal 33,3 siltige klei, Hollandveen (naast) 38 Hollandveen (onder) 3,8 zandige klei 33,3 siltige klei, toplaag 3 grof zand zand 8 drukhoogte na dagen drukhoogte na dagen h rivier (m) h rivier (m) h rivier (m) h rivier (m) h rivier (m) 3 h6, (m) 3 h6,-3 (m) 3 h6,- (m) D B E Figuur. Overzicht Seep/w berekeningen met originele bodemopbouw. Maximale freatische lijn treedt op bij MHW.

20 3 A B C D E 3 h-, (m) 3 3 h6,-8 (m) 3 3 h6, (m) 3 3 h6,-3 (m) 3 3 h6,- (m) h rivier (m) h rivier (m) h rivier (m) h rivier (m) A C x (m) - p (m) p (m) D - B E materiaaltype ks (xe-8 m/s) basisveen 8 leem van Kreftenheye Gorkum zwaar 7 Gorkum licht 3 kruin materiaal 33,3 siltige klei, Hollandveen (naast) 38 Hollandveen (onder) 3,8 zandige klei 33,3 siltige klei, toplaag 3 grof zand zand 8 drukhoogte na dagen drukhoogte na dagen Figuur.6 h rivier (m) y (m+nap) Overzicht Seep/w berekeningen met zandlenzen in de kruin van de dijk. Maximale freatische lijn treedt op bij MHW.

21 E D C B A Figuur.7 h rivier (m) h rivier (m) h rivier (m) h rivier (m) h rivier (m) 3 h6,- (m) 3 h6,-3 (m) 3 h6, (m) h6,-8 (m) 3 h-, (m) 3 y (m+nap) materiaaltype ks (xe-8 m/s) basisveen 8 leem van Kreftenheye Gorkum zwaar 7 Gorkum licht 3 A C kruin materiaal 3,33 siltige klei, D Hollandveen (naast) 38 Hollandveen (onder) 3,8 - - zandige klei 3,33 siltige klei, toplaag 3 grof zand zand 8 drukhoogte na dagen drukhoogte na dagen Overzicht Seep/w berekeningen met een doorlatendheid van de kleilagen, die kleiner is dan in de originele berekening. Maximale freatische lijn treedt op bij MHW. B E x - (m) p (m) p (m) 3

22 .7 Conclusies en aanbevelingen De manier waarop de freatische lijn wordt vastgelegd hangt af van verschillende factoren, zoals wel/geen waterspanningsmetingen, beoordeling van de binnen/buitenwaartse stabiliteit, zand/klei dijk en samendrukbare/zandige ondergrond. In de Leidraad Toetsen op Veiligheid [TAW 999] staan conservatieve benaderingen voor het schematiseren van de waterdruk bij extreme omstandigheden als er geen metingen van de waterspanning beschikbaar zijn. In de huidige adviespraktijk wordt de waterdruk in de dijk bij maatgevend hoogwater vaak verkregen uit extrapolatie van metingen van het waterdrukverloop, ten gevolge van schommelingen in het getij of van het passeren van een hoogwatergolf. De verschillen in de hoogte van de freatische lijn tussen de metingen en de schematisatie in de adviespraktijk, die bij analyse van de meetgegevens van waterdrukken in de Lekdijk te Lexmond tijdens het hoogwater van januari 99 werden aangetroffen, bleken maximaal, m te zijn. De verschillen in de hoogte van de freatische lijn tussen de metingen en de (on-) verzadigde stromingsberekeningen. zijn ongeveer even groot. In de berekeningen bestaan de verschillen in de mate van connectie tussen de doorlatende gebieden in het dijkmateriaal. Uitgaande van de methode van Bishop, leiden de gemeten en berekende waterdrukken tot een verlaging van de stabiliteitsfactor van orde grootte, t.o.v. de binnenwaartse stabiliteit bij een geschematiseerde waterdruk. De invloed van elastische berging van water op de stabiliteit van de dijk is waarschijnlijk groter. De drukopbouw onder gemiddelde omstandigheden verloopt niet-lineair met de diepte, als gevolg van: - vertraging van de aanpassing van de waterdruk in de dijkskern tijdens infiltratie in het buitentalud via de doorlatende naar de minder doorlatende gebieden; - elastische berging tijdens infiltratie vanuit het slappe lagenpakket in de dijk. Door het tijdsafhankelijke gedrag van de waterdrukverdeling zal een extrapolatie van de meetgegevens onder gemiddelde omstandigheden hoogstwaarschijnlijk leiden tot fouten in de voorspelde waterdruk tijdens MHW. In de kleiige gedeelten in de kruin zal de waterdruk over het algemeen worden overschat, met als gevolg een te lage schatting van de binnenwaartse macrostabiliteit. Hoewel de Leidraad Toetsen op Veiligheid over het algemeen een veilige schatting van de freatische lijn geeft, is uit zowel de analyse van de meetgegevens bij Lexmond en in de gemaakte Seep/w berekeningen gebleken, dat de freatische lijn in de binnenkruinlijn tijdens MHW nog een halve meter hoger kan liggen. Deze verhoging is te verwachten bij goed doorlatende rivierdijken, als gevolg van bijvoorbeeld doorlopende zandlagen. Uit de analyse van de berekeningen bleek ook dat het water uittreedt uit het binnentalud (in de berekeningen was dat op, m boven de binnenteen, maar dit is afhankelijk van de randvoorwaarde, en het gedrag van de toplaag). De toename in de sterkte van de dijk als gevolg van het tijdsafhankelijk gedrag van de infiltratie is voornamelijk te verwachten voor het ontwerp van zeedijken. Reden is de relatief korte duur van de maatgevende situatie voor de zeedijken, in vergelijking met die voor de rivierdijken. Betere kennis

23 van het (on-) verzadigde materiaalgedrag (doorlatendheid en vochtgehalte als functie van de druk) van dijkmateriaal is nodig om een uitspraak te kunnen doen of er ook een toename in de sterkte van rivierdijken mogelijk zal zijn. Voor proefvak Actuele Sterkte is het voor de freatische lijn -proef van belang om de doorlatendheiddrukrelaties en de waterretentiecurven van de aanwezige grondsoorten te bepalen. Ook het aanwezige vochtgehalte bij aanvang van de proef dient nauwkeurig te zijn bepaald. Voor een nauwkeurige meting van het verloop van de freatische lijn zijn tensiometers (meters van de negatieve waterdruk) nodig. In de zandige gedeelten is het wenselijk ook vochtgehaltemeters te plaatsen. De infiltratiesnelheid zal sterk afhankelijk zijn van het al of niet doorlopen van de zandige lagen in het talud. Met behulp van de vochtgehaltemeters wordt een beter inzicht in het vol- en leeglopen van de zandige gedeelten verkregen. Na afloop is het ook belangrijk om de doorlatende gebieden in kaart te brengen door de dijk nauwkeurig af te laten graven. De verhoging van de freatisch lijn door infiltratie in het buitentalud heeft mogelijk invloed op de microstabiliteit van het binnentalud van het proefvak Actuele Sterkte, door infiltratie via de doorlopende zandlagen. De belangrijkste onderwerpen voor vervolgonderzoek voor Infiltratie in het buitentalud (met oog op de geplande freatische lijnproef in het proefvak Actuele Sterkte) zijn: - het bepalen van het onverzadigde materiaalgedrag (doorlatendheid en vochtgehalte als functie van de druk) van de toplaag, het zandcunet en het gebied net daaronder. Metingen dienen zowel in-situ als op laboratoriumschaal te worden uitgevoerd; - de bepaling van het drukhoogteverloop onder gemiddelde omstandigheden, met name de invloed van het tijdsafhankelijk verloop van de neerslag en verdamping op het drukverloop in de dijk.

24 6

25 3 Extreme neerslag 3. Inleiding Onder extreme neerslag wordt in dit rapport verstaan het optreden van een langdurige regenachtige periode, zodat de freatische lijn en de waterspanning in en naast de dijk stijgt, waardoor de macrostabiliteit van een waterkering ongunstig beïnvloed wordt. Bij een ongunstige combinatie van factoren kan extreme neerslag leiden tot stabiliteitsverlies van een waterkering. De mate waarin de freatische lijn en de waterspanning in en naast de dijk stijgt als gevolg van een langdurige regenachtige periode is afhankelijk van een groot aantal factoren. Het betreft onder andere de opbouw van dijken, als het gaat om zones van verschillende doorlatendheden, bergingscapaciteit van water, hoeveelheid verhard oppervlak, helling en begroeiing van taluds. In de eerste plaats wordt de adviespraktijk behandeld, betreffende de wijze waarop met het onderdeel extreme neerslag wordt omgegaan. In dit hoofdstuk wordt verder geprobeerd alle factoren die een rol spelen bij neerslag te behandelen. Daarbij worden de verschillende factoren zoveel mogelijk in volgorde van tijd besproken. Daarbij worden zowel de resultaten van de in fase uitgevoerde analyses van de diverse eerder uitgevoerde onderzoeken betrokken, als de resultaten van de in fase en 3 uitgevoerde berekeningen met het computerprogramma Seep/w. Aan het einde van het hoofdstuk worden conclusies getrokken en aanbevelingen gedaan voor vervolgonderzoek, de adviespraktijk en voor het Proefvak Actuele Sterkte. Om de invloed van de diverse van belang zijnde factoren in beeld te krijgen, zijn in fase van dit onderzoek berekeningen uitgevoerd met het computerprogramma Seep/w ten behoeve van het Proefvak Actuele Sterkte. In de eerste plaats is op basis van het op dat moment beschikbare terrein- en laboratoriumonderzoek een zo goed mogelijke schatting gemaakt van de materiaal-eigenschappen. Daarmee zijn voor de tot dan toe gemeten neerslag-hoeveelheden een freatische lijn en waterspanningen berekend. Naar aanleiding van de reken-resultaten zijn vervolgens de materiaaleigenschappen bijgesteld om daarmee de gemeten waterspanning na te rekenen ( trial and error ). Ten slotte is met de bijgestelde ( gefitte ) materiaal-eigenschappen extreme neerslag gesimuleerd. De geometrie van de dijk in het Proefvak is inclusief het maaiveld naast de dijk gemodelleerd voor de berekeningen, zodat het effect van opstuwing bij de teen van het talud, zoals dat in [GD 989] is geconstateerd, kon worden vermeden. 3. Adviespraktijk In Leidraad deel [TAW 989] wordt gesteld dat bij het ontwerpen van een waterkering rekening gehouden moet worden met de invloed van extreme neerslag. Aanbevolen wordt, om op basis van langdurige meting van de waterspanning in de kruin en de teen van de dijk inzicht te krijgen in het effect van neerslag. Door extrapolatie van de meetgegevens kan vervolgens het effect van extreme 7

26 neerslag worden voorspeld. In Leidraad deel wordt (voor een representatieve situatie in het benedenrivierengebied) voorgesteld om rekening te houden met de volgende effecten: - de freatische lijn bij de binnenkruinlijn en het binnentalud van een kleidijk stijgt met, à m ten opzichte van de gemiddelde situatie (niet gekoppeld aan een neerslagintensiteit) - de verhoging van de waterspanning van dieper gelegen grondlagen neemt af tot nul aan de onderkant van de ondoorlatende klei- en veenlagen - het polderpeil stijgt tot de gemiddelde maaiveldhoogte van de laagste gedeelten van de polder, ervan uitgaande dat de bemaling van de polder niet functioneert. Bij de berekening van de binnenwaartse macrostabiliteit van een waterkering wordt het gelijktijdig optreden van Maatgevend Hoog Water en extreme neerslag uitgesloten. Voor de extreme neerslagsituatie worden afzonderlijke berekeningen uitgevoerd (waarvoor een lagere schadefactor (toetswaarde) van toepassing is). In Leidraad Toetsen op Veiligheid [TAW 999] worden geen eisen gesteld ten aanzien van de beoordeling van dijken bij een extreme neerslag-situatie. Tijdens het opstellen van de Leidraad Toetsen op Veiligheid [TAW 996] werd het aspect extreme neerslag niet gezien als een veiligheidsaspect maar als een beheersaspect. 3.3 Intensiteit van de neerslag Het voorlopige overzicht van het KNMI van de normalen of langjarige gemiddelden voor neerslag in De Bilt voor de periode 97 geeft de cijfers volgens Tabel 3.. periode hoeveelheid [mm] tijdsduur [uur] januari februari 8 9 maart 6 67 april mei 6 juni 7 juli 7 37 augustus 8 3 september 7 8 oktober 77 7 november 8 7 december jaar winter 9 8 lente 7 zomer herfst 3 7 Tabel 3. Het voorlopige overzicht van het KNMI van de normalen voor neerslag in De Bilt voor de periode 97 8

27 Uit de statistieken van het KNMI blijkt, dat er in een normaal jaar gemiddeld dagen met regen zijn. Een willekeurige plaats in ons land krijgt gemiddeld vijf keer per jaar een hoeveelheid van mm binnen een etmaal; een etmaalsom van 3 mm komt ongeveer eens in de twee jaar voor en eens per tien jaar valt er meer dan mm op een dag. Eens in de jaar krijgt een willekeurige plaats in ons land binnen uur een hoeveelheid van 7 mm of meer. Landelijk staat het eeuwrecord op 8 mm op 3 augustus 98 in Voorthuizen. Uit de statistieken van het KNMI blijkt dat een willekeurige plek in ons land eens in de jaar kans maakt in twee dagen mm of meer te krijgen. De gemiddelde totale hoeveelheid neerslag per jaar varieert in Nederland tussen 67 en 8 mm. Uit de gegevens in Tabel 3. blijkt, dat bij neerslag in de wintermaanden de neerslagintensiteit ongeveer mm per uur bedraagt. In de zomermaanden is dat ongeveer mm per uur. 3. Verharde en onverharde oppervlakken De mate waarin het oppervlak van dijken is voorzien van verharde en onverharde oppervlakken is mede bepalend voor de invloed van neerslag op de waterspanning in dijken. Daarbij valt te denken aan: - buitentalud met asfaltbekleding (met name zee- en meerdijken), waarbij het regenwater over de asfaltbekleding afstroomt naar de buitenteen van de dijk, zodat er ter plaatse van het buitentalud een verminderde invloed is van neerslag op de waterspanning in de dijk - bebouwd gebied, waar regenwater wordt afgevoerd naar de riolering, waardoor er een verminderde invloed is van neerslag op de waterspanning in de dijk - wegverharding in onbebouwd gebied, waar regenwater wordt afgevoerd naar de wegbermen, zodat ter plaatse van de wegbermen, afhankelijk van het afschot van de wegverharding, meer regenwater kan infiltreren in de dijk. Ter weerszijden van een wegverharding in onbebouwd gebied zijn vaak rijsporen aanwezig, die zijn veroorzaakt door elkaar passerend verkeer op de te smalle wegverharding. Soms zijn op dijken ook onverharde wegen en sporen van (landbouw-) verkeer en vee aan te treffen. Op deze plaatsen verzamelt zich vaak water in plassen. Afhankelijk van de weersgesteldheid zal een deel van dit water verdampen. Een ander deel zal in een periode na de neerslagperiode alsnog op een of andere wijze in de dijk infiltreren. Gedurende langere tijd na de neerslagperiode kan er daarom een hogere waterspanning en een hogere (schijn-) grondwaterstand in de dijken aanwezig zijn. 3. Stroming over het talud Neerslag dat op het talud van een dijk valt, zal voor een (klein) deel afstromen over het oppervlak van het talud. In de praktijk lijkt dit slechts een zeer beperkte hoeveelheid te zijn. Zelfs bij zomerse onweersbuien blijkt er bij de teen van een talud nauwelijks of geen sprake te zijn van water dat afstroomt over het talud [mondelinge mededeling Kruse]. In de Handleiding Wegenbouw [DWW 988] wordt voor het ontwerp van de hemelwaterafvoer in situaties met taluds aanbevolen om rekening te houden met de afvloeiingscoëfficiënten volgens Tabel 3.. De afvloeiingscoëfficiënt is de 9

28 coëfficiënt, die uitdrukt welk gedeelte van de neerslag over het talud afstroomt. Deze coëfficiënten zijn niet aan de literatuur of de praktijk te ontlenen, zodat de coëfficiënten aannamen zijn. taludhelling grond goed doorlatend grond minder doorlatend : tot :3,, :3 tot :,,3 Tabel 3. Afvloeiingscoëfficiënten volgens Handleiding Wegenbouw In de genoemde handleiding worden onder andere de volgende factoren genoemd, die van belang zijn voor de grootte van de afvloeiingscoëfficiënt: - het aanwezig zijn van een droog of van een vochtig oppervlak als de neerslag begint - duur en intensiteit van de regen. 3.6 Stroming via bodemstructuren In kleigrond boven de freatische lijn vinden rijpingsprocessen plaats. Onder invloed van zwel- en krimpprocessen alsmede biologische activiteit worden structuren gevormd. Daarbij kan onderscheid worden gemaakt in een grof continu systeem van scheuren, worm- en wortelgangen tussen de grotere structuren en in een fijner minder continu systeem van kleine poriën in de grotere structuren. De grove structuren hebben een lengte van maximaal m. Visueel onderzoek van doorsneden van bestaande kleidijken geeft aan dat de kleilaag boven de gemiddeld laagste freatische lijn globaal in drie zones is onder te verdelen. Van beneden naar boven betreft dit de volgende zones: zone : nauwelijks gestructureerde, maar wel gecompacteerde laag in de zone waar de freatische lijn zich een groot deel van de tijd bevindt zone : gestructureerde laag met een dichte pakking zone 3: intensief gestructureerde laag met een losse pakking. De dikte van de zones, en 3 wordt naast de samenstelling van het dijkmateriaal bepaald door de historie, de wijze van aanbrengen van de dijk, en omstandigheden zoals hoogte en variatie van de freatische lijn en de ligging onder gras of asfalt. De aanwezigheid van zandlenzen kan het beeld verstoren. Onder de gemiddeld laagste freatische lijn is de grond vrijwel permanent verzadigd, zodat hier geen rijpingsprocessen plaatsvinden. De structuurvorming kan wel aanwezig zijn vanuit een periode dat deze grond zich nog boven de freatische lijn bevond. Door ophoging en zetting van de dijk door de eeuwen heen komt grond die ooit boven de freatische lijn heeft gelegen en daar rijpingsprocessen heeft ondergaan onder de freatische lijn te liggen. De oorspronkelijk gestructureerde grond is onder de freatische lijn meestal gecompacteerd. De oorspronkelijk structuren zijn nog wel zichtbaar. Stroming via ondiepe bodemstructuren

29 Neerslag dat op het talud van een dijk valt, zal voor een deel afstromen via de ondiepere bodemstructuren onder het talud. In opdracht van de Dienst Weg- en Waterbouwkunde van Rijkswaterstaat is door GeoDelft onderzoek uitgevoerd naar de diepte van invloed van veranderingen in atmosferische omstandigheden op watergehalte en waterspanning van een kleilaag op een dijk [GD 989]. Het onderzoek is uitgevoerd om inzicht te krijgen in de diepte waarop intensieve bodemstructuur-vorming in een kleilaag kan optreden onder invloed van atmosferische omstandigheden. Daarvoor zijn simulatie-berekeningen uitgevoerd met de computerprogramma s ONZAT en SWANFLO, met gegevens over structuurvorming, infiltratie, materiaaleigenschappen, dijkopbouw en weersinvloeden van eerder onderzoek [GD 986 en GD 987]. De simulaties betreffen het uitdrogen en bevochtigen van kleigrond en de invloed van neerslag. De invloed is gesimuleerd op de schaal van individuele bodemstructuur-elementen in kleigrond met een bodemstructuur en op de schaal van het talud van een dijk. Het talud van een dijk [GD 989] betreft een min of meer fictief geval met een kleilaag met een dikte van m onder een helling van :,7. Bij de berekeningen is ervan uitgegaan dat de zijranden van het geschematiseerde talud ondoorlatend zijn. De verzadigde doorlatendheid van de kleilaag neemt laagsgewijs af van * - m/s tot * -6 m/s. Deze doorlatendheden zijn gekozen uit de zogenaamde Staringreeks [Wösten 987]. Ook is gebruik gemaakt van gegevens van infiltratiemetingen uit eerder onderzoek [GD 986 en GD 987]. De afname van de doorlatendheid met de diepte is afgeleid uit waarnemingen van de structuur van dijkbekledingen en uit karakteristieken van de infiltratiemetingen in het eerdere onderzoek. Voor berekeningen waarbij de structuur van de grond een rol speelt, is de materiaalsamenstelling van een structuur-element van indirect belang. Bij extreme neerslag stijgt de freatische lijn bij de teen van een dijk door stroming van water naar de teen van de dijk als gevolg van een geringe afname met de diepte van de doorlatendheid van de kleilaag op het dijktalud. In een simulatie van mm neerslag per uur gedurende meer dan weken is de stijging van de freatische lijn bij de teen van de dijk, m. Van uit het talud tredend water is nog geen sprake. Aansluitend is extreme neerslag van 6 mm gedurende uur gesimuleerd. Daarbij stijgt de freatische lijn tot boven het maaiveld bij de teen van de dijk, zodat water over het talud zal afstromen. Bij deze resultaten wordt in het rapport opgemerkt dat er in het simulatiemodel een ondoorlatende grens bij de teen van de dijk ligt. Het afstromen van water wordt daardoor gehinderd, waardoor opstuwing optreedt. Op het midden van het talud en bij de kruin zijn de veranderingen die optreden tijdens extreme neerslag slechts gering. Deze veranderingen bedragen slechts enige procenten verandering van de verzadigingsgraad tot een diepte van,8 à m onder het oppervlak. De freatische lijn ligt bij het midden van het talud en bij de kruin 3 à m onder het taludoppervlak en stijgt door de extreme neerslag niet. Stroming via diepere bodemstructuren Neerslag dat op het talud van een dijk valt, zal voor een deel via de diepere bodemstructuren naar de kern van de dijk kunnen stromen. De stroomsnelheid in deze structuren is relatief groot ten opzichte van de stroomsnelheid in de structuur-elementen. Wanneer een bodemstructuur op deze wijze wordt gevuld met water kan zich een behoorlijke waterdruk (hydrostatisch) ontwikkelen. Vanuit de bodemstructuren zal de waterdruk zich (langzaam) voortplanten in de structuur-elementen.

30 3.7 Absorptie in de onverzadigde zône Neerslag dat op het talud van een dijk valt zal voor een groot deel door de onverzadigde zône worden geabsorbeerd. In opdracht van de Dienst Weg- en Waterbouwkunde van Rijkswaterstaat is door GeoDelft onderzoek uitgevoerd naar de diepte van invloed van veranderingen in atmosferische omstandigheden op watergehalte en waterspanning van een kleilaag op een dijk [GD 989]. Het onderzoek is uitgevoerd om inzicht te krijgen in de diepte waarop intensieve bodemstructuur-vorming in een kleilaag kan optreden onder invloed van atmosferische omstandigheden. Daarvoor zijn simulatie-berekeningen uitgevoerd met de computerprogramma s ONZAT en SWANFLO, met gegevens over structuurvorming, infiltratie, materiaaleigenschappen, dijkopbouw en weersinvloeden van eerder onderzoek [GD 986 en GD 987]. De simulaties betreffen het uitdrogen en bevochtigen van kleigrond en de invloed van neerslag. De invloed is gesimuleerd op de schaal van individuele bodemstructuur-elementen in kleigrond met een bodemstructuur en op de schaal van het talud van een dijk. De individuele bodemstructuur-elementen in kleigrond met een bodemstructuur [GD 989] zijn geschematiseerd als een laag met een dikte van 3 mm onderverdeeld in rekenlagen, waarbij alle rekenlagen dezelfde onverzadigde doorlatendheidskarakteristiek hebben. De doorlatendheidskarakteristiek is gekozen uit [Rijtema 969], op basis van de materiaalsamenstelling van vier monsters van een kleibekleding van een dijk bij Harlingen [GD 987]. Voor een individueel structuur-element is de materiaalsamenstelling van belang voor de doorlatendheidskarakteristiek. Uit berekeningen aan genoemde structuurelementen kan worden afgeleid dat het grootste deel van het water door de onverzadigde zône geabsorbeerd zal worden bij minder extreme neerslag. Zelfs van neerslag van meer dan, m die in een periode van enige uren op droge kleigrond valt, wordt de meeste neerslag geabsorbeerd door een kleilaag als die meer dan m dik is. In eerste instantie neemt vooral het vochtgehalte in de structuurelementen toe, waarbij de grond circa à % zou kunnen zwellen. De zuigspanning in de grond neemt daarbij af van kpa tot kpa of lager. In de praktijk zullen de scheuren tussen de structuur-elementen dicht worden gedrukt door het zwellen van de structuur-elementen. In droge kleigrond wordt de doorlatendheid van de grond vooral bepaald door de mate van scheurvorming van de grond. Wanneer het vochtgehalte in de structuur-elementen toeneemt, neemt de doorlatendheid van de structuur-elementen met enkele orden toe. Waarschijnlijk neemt de doorlatenheid van de grond per saldo toe, ondanks het dicht drukken van de scheuren tussen de structuur-elementen. Neerslag dat op het talud van een dijk valt en voor een groot deel door de onverzadigde zône wordt geabsorbeerd, zal voor een deel uitzakken naar de kern van de dijk en voor een deel verdampen. 3.8 Verdamping