Invloed grote gravers op taludstabiliteit van bandijken

Transcriptie

1 Invloed grote gravers op taludstabiliteit van bandijken Definitief Waterschap Rivierenland Tiel Grontmij Nederland bv Arnhem, 5 juli 2005

2 Verantwoording Titel : Invloed grote gravers op taludstabiliteit van bandijken Projectnummer : Documentnummer : Revisie : 2 Datum : 5 juli 2005 Auteur(s) adres Gecontroleerd : ir. J.J. Kuipers : Jouke.Kuipers@Grontmij.nl : ing. R. Koopmans Paraaf gecontroleerd : Goedgekeurd : ir. J.J. Kuipers Paraaf goedgekeurd : blad 2 van 10

3 Inhoudsopgave 1 Inleiding Uitgangspunten Geohydrologie Macrostabiliteit binnenwaarts Microstabiliteit binnenwaarts Piping door de dijk Conclusie...10 blad 3 van 10

4 1 Inleiding In opdracht van Waterschap Rivierenland heeft Grontmij onderzoek gedaan naar de invloed van grote gravers op de stabiliteit van bandijken (primaire waterkeringen). De opdracht is bij het Waterschap begeleid door de cluster Plannen en Beleid van de afdeling Planvorming. Tevens is de afdeling Muskusrattenbestrijding in het onderzoek betrokken. In 2003 en 2004 werd in de Ooijpolder bij natuurmonument de Oude Waal geconstateerd, dat een beverrat en later een bever in de primaire waterkering een gang had gegraven. Daarbij was de weerstandbiedende afdeklaag op het talud doorgraven en ver in de kern van de dijk een hol gemaakt (7 m respectievelijk 14 m de dijk in). Omdat de verwachting is dat het aantal grote gravers in de toekomst toe zal nemen, is het van belang te weten of en hoe bezwijkmechanismen van de bandijken wellicht door de graverij worden beïnvloed. Hoewel bovengenoemde incidenten veroorzaakt zijn door beverratten en een bever, is met dit onderzoek duidelijk geworden dat elke perforatie van de afdekkende kleilaag onder het buitentalud van de beschouwde dijk tot vergelijkbare risico s kan leiden. Om die reden moet dan ook met name de muskusrat onder de groep grote gravers geschaard worden. Deze diersoort heeft een nog groter leefgebied dan de beverrat en de bever. Gevolg is dat potentieel risicovolle dijkstrekkingen binnen de gehele zoetwaterdelta kunnen voorkomen. Voorwaarde is dat de buitenteen direct aan open water ligt en er geen oeverbestorting of andere harde bekleding aanwezig is. blad 4 van 10

5 2 Uitgangspunten Om het effect van graverij op de waterkering te onderzoeken, werd een redelijk gemiddelde geometrie voor een bandijk uit het bovenriviergebied beschouwd (zie bijlage 1): talud buitenwaarts 1:3; talud binnenwaarts 1:2,5; kruinbreedte 5 m, met 3 m brede rijweg; kruinhoogte tot 0,5 m boven MHW, kruin op 6 m boven maaiveldniveau; talud buiten met 1 m erosiebestendige, weerstandbiedende klei afgedekt, talud binnen met 0,5 m bovengrond afgedekt; kern van klei, of kern van zand; deklaag dikte in achterland 3 m (bestaande uit 0,5 m roof, 1,5 m bruine klei, 1 m grijze ongestructureerde klei). De grondparameters zijn als volgt aangehouden: Hoek van Cohesie inwendige (kn/m 2 ) wrijving ( o ) Volumieke massa (kn/m 3 ) Doorlatendheid (m/etm) erosiebestendige klei ,01 kern klei ,05 kern zand ,00 bovengrond ,50 roof ,50 bruine klei ,5 0,10 grijze klei ,01 pleistoceen zand ,00 De diameter van gegraven gangen kan globaal als volgt worden afgeschat: bever 0,5 m, beverrat 0,35 m, muskusrat 0,15 m. blad 5 van 10

6 3 Geohydrologie Zoals bij rivierdijken in het bovenrivierengebied gebruikelijk, is voor de grondwaterstanden stationair gerekend; ook bij de kleinere diameters treedt de maximale verhoging in de dijk dan op. Mogelijk dat de tijdsfactor bij kleine gangdiamaters zo belangrijk is, dat de rivierstand al weer zakt voor de maximale verhoging in de dijk optreedt. Deze niet-stationaire invloed is verder niet onderzocht. Eerst is met het programma SEEPW onderzocht wat de ligging van de freatische lijn wordt zonder en met een gegraven gang, voor zowel een klei- als een zandkern. Hierbij is de situatie bij MHW beschouwd, maar ook de situatie bij een hoogwater met een frequentie van 1/50 per jaar (waterstand 1,25 m onder MHW). Bij deze waterstand zijn alle uiterwaarden ondergelopen en voert het waterschap beperkte dijkbewaking uit. Uit de berekeningsresultaten (zie bijlage 2) blijkt, dat voor een kleikern een gegraven gang weinig tot geen invloed op de ligging van de freatische lijn heeft (bijlage 2-3 en 2-4). Voor een zandkern echter is de invloed groot; door het doorgraven van de afdekkende kleilaag loopt de kern vol, terwijl zonder gang over de kleilaag een aanzienlijk verval optreedt (bijlage 2-1 en 2-2). Nu de invloed op de freatische lijn bekend is, kan worden onderzocht wat de gevolgen zijn voor de volgende bezwijkmechanismen: macrostabiliteit binnenwaarts; microstabiliteit binnenwaarts; piping door de dijk. blad 6 van 10

7 4 Macrostabiliteit binnenwaarts Met het programma MSTAB is bepaald wat de stabiliteitsfactor is voor het binnentalud in zowel de situatie zonder als met gegraven gang. Omdat er voor een kleikern nagenoeg geen verschil in freatische lijn optreedt (bijlage 2), is daarvoor geen berekening gemaakt; de stabiliteitsfactor zal namelijk vergelijkbaar blijven. Voor de dijk met zandkern zijn stabiliteitsberekeningen uitgevoerd (bijlage 3). Daarvoor is eerst bepaald wat de grondwaterdrukken in de zandondergrond worden. Berekend kan worden dat de theoretische grondwaterstijghoogte bij MHW in de binnenteen 4,15 m + ref (gemiddeld maaiveld niveau) zou worden. Bij deze druk zal de deklaag opbarsten. Dus de grenswaterspanning is maatgevend met een stijghoogte tot 2,40 m + ref. In het achterland wordt daarbij voor de stabiliteit in de deklaag gerekend met hoek van inwendige wrijving en cohesie gelijk aan 0. Voor een hoogwatergolf 1/50 per jaar is de theoretische grondwaterstijghoogte 3,20 m + ref, zodat ook daarbij de grenswaterspanning tot 2,40 m + ref op zal treden. Een aanberming is niet in het dwarsprofiel opgenomen, omdat dat de stabiliteitsberekening zal beïnvloeden. Er is dus bestudeerd, wat de afname in stabiliteitsfactor wordt voor alleen de dijk, als een gang in de dijk is gegraven. De stabiliteitsfactor zonder een gegraven gang is in de situatie met 1/50 hoogwater Fmin = 1,00. Vaak zal een berm zijn aangelegd en wordt de stabiliteitsfactor hoger. In de situatie met hol wordt de stabiliteitsfactor Fmin = 0,88, een afname van 12% (bijlage 3-2). In de situatie bij MHW is de stabiliteitsfactor zonder gegraven gang Fmin = 0,92. In de situatie met gang wordt dit Fmin = 0,78, een afname van 15% (bijlage 3-1). De conclusie is derhalve, dat voor dwarsprofielen met een zandkern en een stabiliteitsfactor tot circa 1,15 een gegraven gang kan zorgen voor een afname van deze factor tot onder de volgens de leidraden van de TAW te stellen eis (Fmin 1,00). blad 7 van 10

8 5 Microstabiliteit binnenwaarts Voor de waterkering met kleikern verandert er door een gegraven gang erg weinig; het uittredepunt op het binnentalud blijft ongeveer op dezelfde hoogte liggen. Voor een zandkern verandert deze hoogte wel. Voor een hoogwater met een frequentie van 1/50 treedt de freatische lijn net niet op het binnentalud uit. Dit komt ook tot uiting in de drukken in de lager op dit talud gelegen punten, zoals in de tabel van bijlage 4 opgenomen: de plaatshoogte is steeds groter dan de drukhoogte en een overdruk treedt niet op. De afdeklaag wordt dus niet afgedrukt. In de situatie bij MHW treedt het water bij een gegraven hol hoger uit; de drukhoogte en daarmee de overdruk wordt groter. Het gewicht van de afdeklaag is 0,50*18 = 9 kn/m 3 en derhalve wordt de afdeklaag net niet afgedrukt zonder een gegraven gang, maar wel met een gegraven gang. Omdat de kern van zand is opgebouwd, zal na het afdrukken het zand uit gaan lopen en een helling van 1:4 à 1:5 gaan vormen. Dit kan stabiliteitsproblemen voor het binnentalud opleveren; de microstabiliteit voor een dijk met zandkern is dus niet meer verzekerd. blad 8 van 10

9 6 Piping door de dijk Normaal treedt piping op als in de binnenteen de deklaag plaatselijk wordt opgedrukt en voor de dijk onvoldoende klei aanwezig is. De kwelweg is dan te kort en door geconcentreerde uitstroming kan zand worden meegevoerd, waarna door terugschrijdende erosie een pijp onder de dijk kan ontstaan. Wordt de pijp te groot dan valt de dijk in dat gat en kan inundatie van het achterland optreden. In de hier beschouwde situatie is tussen buitentalud (met gang) en binnentalud onvoldoende kwelweglengte aanwezig. Wordt de afdeklaag op het binnentalud plaatselijk afgedrukt, door iets minder laagdikte bijvoorbeeld, dan kan weer geconcentreerde uitstroming optreden en door de dijk zelf een pijp ontstaan. Uitgaande van een kwelweglengte criterium van 15H zal, bij de hier aanwezige drukhoogteverschillen en aanwezige lengte van de gegraven gang, zeker gevaar voor piping aanwezig zijn. blad 9 van 10

10 7 Conclusie Door gegraven gangen van grote gravers zal de macrostabiliteit van het binnentalud bij een dijk met een zandkern bij MHW circa 15% af kunnen nemen en daarmee regelmatig onder de te stellen eis komen te liggen. Niet uit te sluiten valt dat dit al bij wat meer normale hoogwatersituaties op zal treden. Een veelal aanwezige aanberming geeft in eerste instantie enige reserve, maar uiteindelijk komt het uittredepunt van de freatische lijn boven de binnenteen uit, zodat de bovenomschreven mechanismen alsnog in werking kunnen treden. In de uitgevoerde beoordeling is de frequent aanwezige binnenberm achterwege gelaten om een zuivere (door berekening onderbouwde) vergelijking mogelijk te maken. Dit doet zoals opgemerkt niets af aan de conclusie van dit onderzoek. Bij zandkernen treedt bovendien de mogelijkheid van micro-instabiliteit van het binnentalud op en is de kans op piping door de zandkern zeer groot. blad 10 van 10

11 Bijlage 1 Beschouwd dwarsprofiel

12

13 Bijlage 2 Bepaling freatische lijn

14 Error! Style not defined. Zandkern zonder graver Zandkern met graver Bijlage 2-1 o.n blad 14 van 10

15 Error! Style not defined. Zandkern zonder graver Zandkern met graver Bijlage 2-2 o.n blad 15 van 10

16 Error! Style not defined. Kleikern zonder graver Kleikern met graver Bijlage 2-3 o.n blad 16 van 10

17 Error! Style not defined. Kleikern zonder graver Kleikern met graver Bijlage 2-4 o.n blad 17 van 10

18 Bijlage 3 Stabiliteitsbeschouwingen

19 - - Error! Style not defined. Invloed gravers op dijkstabiliteit: zandkern Bijlage 3-1 MHW, zonder gravers o.n Annex A4 Onderzoek grote gravers in dijken stabiliteit dijk met zandkern, zonder graver, MHW form. ctr. date drw. <Not Registered> Phone <Not Registered> <Not Registered> <Not Registered> <Not Registered> Fax <Not Registered> <Not Registered> MStab 9.8 : dijkstabiliteit zonder graver bij MHW.sti Xm : -18,00 [m] Ym : 15,67 [m] roof opbarstkant bruine klei opbarstkant grijze klei opbarstkant Critical Circle Bishop Radius : 19,00 [m] Safety : 0,92 bovengrond T1 1 wegfundering kern bruine klei grijze klei Pleistocene zand er MHW, met gravers Annex A4 Onderzoek grote gravers in dijken stabiliteit dijk met zandkern, met graver, MHW form. ctr. date drw. <Not Registered> Phone <Not Registered> <Not Registered> <Not Registered> <Not Registered> Fax <Not Registered> <Not Registered> MStab 9.8 : dijkstabiliteit met graver bij MHW.sti Xm : -18,00 [m] Ym : 15,67 [m] roof opbarstkant bruine klei opbarstkant grijze klei opbarstkant Critical Circle Bishop Radius : 19,00 [m] Safety : 0,78 bovengrond T1 1 wegfundering kern bruine klei grijze klei Pleistocene zand er blad 19 van 10

20 - - Error! Style not defined. T=50, zonder gravers Bijlage 3-2 o.n Annex A4 Onderzoek grote gravers in dijken stabiliteit dijk met zandkern, zonder graver, T=50 form. ctr. date drw. <Not Registered> Phone <Not Registered> <Not Registered> <Not Registered> <Not Registered> Fax <Not Registered> <Not Registered> MStab 9.8 : dijkstabiliteit zonder graver bij T=50.sti Xm : -18,00 [m] Ym : 15,67 [m] roof opbarstkant bruine klei opbarstkant grijze klei opbarstkant Critical Circle Bishop Radius : 19,00 [m] Safety : 1,00 bovengrond T1 1 wegfundering kern bruine klei grijze klei Pleistocene zand er T=50, met gravers Annex A4 Onderzoek grote gravers in dijken stabiliteit dijk met zandkern, met graver, T=50 form. ctr. date drw. <Not Registered> Phone <Not Registered> <Not Registered> <Not Registered> <Not Registered> Fax <Not Registered> <Not Registered> MStab 9.8 : dijkstabiliteit met graver bij T=50.sti Xm : -18,00 [m] Ym : 15,67 [m] roof opbarstkant bruine klei opbarstkant grijze klei opbarstkant Critical Circle Bishop Radius : 19,00 [m] Safety : 0,88 bovengrond T1 1 wegfundering kern bruine klei grijze klei Pleistocene zand er blad 20 van 10

21 Bijlage 4 Overdrukken onderin binnentalud

22 Met gravers Zonder gravers MHW MHW - x y druk overdruk - x y druk overdruk ,00 2,90 3,90 1,00 onderin ,00 2,90 3,76 0,86 onderin ,00 3,30 4,26 0, ,00 3,30 4,04 0, ,00 3,70 4,60 0, ,00 3,70 4,29 0, ,00 4,10 4,93 0, ,00 4,10 4,49 0, ,00 4,50 5,25 0, ,00 4,50 4,65 0, ,00 4,90 5,56 0, ,00 4,90 4,76-0, ,00 5,30 5,84 0, ,00 5,30 4,86-0, ,00 5,70 6,10 0, ,00 5,70 4,97-0, ,00 6,10 6,32 0, ,00 6,10 5,07-1,03 bovenin ,00 6,50 6,50 0, ,00 6,90 6,66-0, ,00 7,30 6,82-0,48 bovenin T=50 - x y druk overdruk ,00 2,90 2,90 0,00 onderin ,00 3,30 3,30 0, ,00 3,70 3,70 0, ,00 4,10 4,10 0, ,00 4,50 4,41-0, ,00 4,90 4,67-0, ,00 5,30 4,90-0, ,00 5,70 5,12-0,58 bovenin Overdruk in punten op de onderzijde van het binnentalud Bijlage 4 o.n