CONSEQUENTIE ANALYSE AANGEPASTE PIPINGREGEL

Transcriptie

1 CONSEQUENTIE ANALYSE AANGEPASTE PIPINGREGEL WATERSCHAP RIVIERENLAND WATERSCHAP RIJN EN IJSSEL WATERSCHAP VALLEI EN VELUWE WATERSCHAP AA EN MAAS WATERSCHAP GROOT SALLAND HOOGHEEMRAADSCHAP STICHTSE RIJNLANDEN 1 augustus :C - Definitief, vertrouwelijk C

2

3 Inhoud 1 Inleiding Aanleiding Impact aangepaste rekenregel Sellmeijer en lengte-effect onbekend Doel Betrokken partijen Opzet van het onderzoek Doel en onderzoeksvragen Uitgangspunten van de berekeningen Opbouw dataset (datamodel) Dataverzameling Algemene uitgangspunten Waterschap Aa en Maas Waterschap Groot Salland Waterschap Rijn en IJssel Waterschap Rivierenland Waterschap Vallei en Veluwe Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden Resultaten Opgebouwde dataset Berekeningswijze Analyse Opmerkingen en beperkingen Bijlage 1 Waterschap Aa en Maas Bijlage 2 Waterschap Groot Salland Bijlage 3 Waterschap Rijn en IJssel Bijlage 4 Waterschap Rivierenland Bijlage 5 Waterschap Vallei en Veluwe Bijlage 6 Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 1

4

5 1 Inleiding 1.1 AANLEIDING Recent is in het kader van het programma Sterkte en Belastingen Waterkeringen (SBW) een aangepaste rekenregel voor piping ontwikkeld. Volgens deze nieuwe kennis is de faalkans van de waterkering aanmerkelijk groter dan eerder gedacht. Deze rekenregel is nog niet door het Directoraat-generaal Ruimte en Water (DGRW) geformaliseerd. Nationaal is dus nog geen richting bepaald wat te doen met deze nieuwe inzichten. Vanuit hun verantwoordelijkheid voor de waterkeringszorg hebben een aantal waterschappen het initiatief genomen om de nieuwe inzichten met betrekking tot piping uit te werken en de consequenties in beeld te brengen. Dit verduidelijkt de problematiek en ondersteunt de inbreng van de waterschappen bij de landelijke discussie. 1.2 IMPACT AANGEPASTE REKENREGEL SELLMEIJER EN LENGTE-EFFECT ONBEKEND Nederland is zonder goede waterkeringen kwetsbaar voor overstromingen. Op basis van actuele hoogtekaarten concludeerde het Planbureau voor de Leefomgeving dat 59 procent van het landoppervlak van Nederland gevoelig is voor overstromingen. Door de gevolgen van de klimaatverandering wordt er verwacht dat we in de toekomst te maken krijgen met een stijgende zeespiegel en toenemende piekafvoeren in onze rivieren. Dit terwijl de gevolgen van een overstroming blijven toenemen door het steeds intensievere landgebruik en door de groei van onze bevolking. Om onze veiligheid tegen hoogwater te waarborgen is het daarom van belang dat onze waterkeringen op orde zijn. Deze moeten hoog en sterk genoeg zijn om respectievelijk het hoogwater te kunnen keren en weerstand te kunnen bieden tegen de belastingen die het hoogwater met zich meebrengt. Tijdens hoogwater kan een waterkering bezwijken door verschillende faalmechanismen. Eén van deze faalmechanismen is piping. Bij hoogwater kan grondwater binnendijks als kwel uit de grond treden. Wanneer er zand wordt meegevoerd en er een open verbinding ontstaat tussen het buitenwater en de locatie waar het kwelwater uittreedt, is er sprake van piping. Piping kan de stabiliteit van een waterkering ernstig bedreigen. In het kader van de Waterwet worden de primaire waterkeringen elke zes jaar getoetst aan de gelende normen. Voor deze toetsing kunnen zowel de rekenregels van Bligh (1910) als die van Sellmeijer (1989) toegepast worden. Terwijl de meer geavanceerde rekenregel van Sellmeijer een realistischer beeld van piping kan geven, heeft de eenvoudigere regel van Bligh minder input gegevens nodig. Hierdoor wordt er in de praktijk vaker de rekenregel van Bligh gebruikt. Deze regel geeft echter in verschillende situaties te optimistische resultaten (ENW, 2010). Verder is de rekenregel van Sellmeijer onlangs aangepast. Er wordt :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 3

6 verwacht dat deze aangepaste rekenregel zal leiden tot een strengere dimensionering van de waterkering dan de bestaande rekenregels, de mate waarin is nog onbekend. In het ENW rapport Piping, realiteit of rekenfout (ENW, 2010) is geconcludeerd dat het zogenaamde lengte-effect een fysische realiteit is voor die faalmechanismes waarbij de onzekerheid van de sterkte groot is en die varieert over de lengte. Dit geldt voor piping maar bijvoorbeeld ook voor macrostabiliteit. Het niet meenemen van dit effect zorgt voor een onderschatting van de overstromingskans in een gebied. Voor piping wordt het lengte-effect onvoldoende afgedekt door de huidige ontwerp- en toetsregels. Met de aangepaste rekenregel van Sellmeijer is, binnen de huidige normeringssystematiek, een partiële veiligheidsfactor afgeleid waarin het lengte-effect is opgenomen. Het is echter nog niet bekend hoe groot de impact is van de nieuwe Sellmeijer rekenregel in combinatie met het lengte-effect. 1.3 DOEL Voor de waterschappen als zelfstandige en verantwoordelijke functionele overheden is het van belang om te weten wat de nieuwe regels in de praktijk zullen betekenen. Het doel van deze opdracht is het verkrijgen van inzicht in de impact van de nieuwe rekenregels op de (benodigde) afmetingen van de keringen. Met behulp van deze inzichten kan vervolgens een gefundeerde bijdrage worden geleverd aan de landelijke discussie. 1.4 BETROKKEN PARTIJEN Voor een grootschalig representatieve analyse is deze analyse uitgevoerd in samenwerking met de volgende waterschappen: Waterschap Rivierenland Waterschap Rijn en IJssel Waterschap Vallei en Veluwe Waterschap Aa en Maas Waterschap Groot Salland Hoogheemraadschap Stichtse Rijnlanden Adviesbureau ARCADIS heeft de genoemde waterschappen hierbij ondersteund. 4 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

7 2 Opzet van het onderzoek 2.1 DOEL EN ONDERZOEKSVRAGEN Met het mogelijk uitbrengen van een herziene versie van het Technisch Rapport Zandmeevoerende Wellen wordt een aangepaste rekenregel van Sellmeijer geïntroduceerd. Ook worden aangepaste partiële veiligheidsfactoren toegepast die onder andere het lengte-effect verdisconteren. Het doel van deze analyse is om inzicht te geven in de consequenties van de aangepaste rekenregel van Sellmeijer en de invoering van de aangepaste veiligheidsfactoren. Het grote verschil met een algemene gevoeligheidsanalyse is dat bij deze analyse wordt uitgegaan van beschikbare uitgangspunten van actuele dijken en dat berekeningen zijn gekoppeld aan een representatief geachte lengte waterkering. De beschikbare uitgangspunten zijn grotendeels afkomstig uit de veiligheidstoetsing en sluiten zoveel mogelijk aan bij de werkelijke situatie. 1 Ook de schaal van de analyse is bijzonder omdat met dit onderzoek gegevens van verschillende waterschappen zijn gecombineerd in één dataset zodat een beeld ontstaat van de consequenties in het grootste deel van het bovenrivierengebied. De onderzoeksvragen die in deze rapportage aan de orde komen zijn: 1. Wat is het effect van de aangepaste rekenregel van Sellmeijer? 2. Wat is het effect van de aangepaste veiligheidsfactoren? 3. Wat is het tekort aan kwelweglengte met de aangepaste rekenregel inclusief de aangepaste veiligheidsfactoren (dus wat zou de versterkingsopgave kunnen zijn?) Uniforme meetlat In de aanpak is er voor gekozen om de onderzoeksvragen te beantwoorden door effecten te vertalen naar kwelweglengte. De veronderstelde sterkte van de waterkering kan worden uitgedrukt in de aanwezige kwelweglengte. Bij een gegeven verval kan de benodigde sterkte worden uitgedrukt in de benodigde kwelweglengte. Ad 1) Het startpunt voor beantwoording van deze vraag is de huidige rekenregel van Sellmeijer. Gegeven het verval over de waterkering en de overige uitgangspunten kan de benodigde kwelweglengte worden berekend. Door dit ook te doen met de aangepaste rekenregel, wordt het effect zichtbaar. 1 Er zijn kanttekeningen te plaatsen bij de juiste afleiding van de eigenschappen van de zandondergrond. Zie hiervoor hoofdstuk :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 5

8 Ad 2) Samen met de aangepast rekenregel is een nieuwe set partiële factoren afgeleid, rekening houdend met de laatste inzichten uit het SBW onderzoek. Het resultaat is een grotere overall veiligheid per doorsnede die in dit onderzoek is vertaald naar kwelweglengte. Als men per berekening de antwoorden van vraag één en twee optelt, kom je op het totale effect van de aangepaste rekenregel en de toepassing van de nieuwe set partiële veiligheidsfactoren. Deze vragen worden gescheiden beantwoord om de veranderde inzichten in het (reken)model en de veiligheidsbenadering los van elkaar te kunnen evalueren. Ad 3) Deze vraag is beantwoord door de huidige aanwezige kwelweglengte te vergelijken met de benodigde kwelweglengte met het aangepaste rekenmodel van Sellmeijer en de nieuwe set partiële factoren. Indien een tekort wordt berekend, is het verschil een maat voor de mogelijke versterkingsopgave. Hier zijn vooraf een aantal kanttekeningen bij te maken. Ten eerste vormen de nu vastgestelde beschermingszones in het voorland een maat voor de aanwezige kwelweglengte. Deze beschermingszones zijn afgeleid op basis van de huidige modellen en rekenregels en beleidsmatige uitgangspunten. Bij een breed voorland kan de werkelijke sterkte (aanwezige kwelweglengte) groter zijn als de deklaag voldoende klei bevat. Bovendien zijn de uitgangspunten van de berekeningen grotendeels overgenomen uit bestaande ontwerpen toetsrapporten. Binnen de scope van dit project zijn de uitgangspunten niet geverifieerd of opnieuw afgeleid op basis van de laatste inzichten. Het berekende tekort aan kwelweglengte kan daarom het beste worden gezien als een eerste schot voor de boeg. Opgemerkt wordt dat een vergelijking met de resultaten van de veiligheidstoetsing lastig te maken is. De voornaamste reden is dat volgens de huidige rekenregels het mogelijk is om zowel het model Bligh als het model Sellmeijer toe te passen in ontwerp- en toetsingsberekeningen. Deze analyse kiest het huidige model van Sellmeijer als uitgangspunt om een uniforme vergelijking te kunnen maken van de effecten van de aangepaste rekenregel. 2.2 UITGANGSPUNTEN VAN DE BEREKENINGEN Partiële veiligheidsfactoren De aangepaste rekenregel kent twee veiligheidsfactoren: een modelfactor en een schematiseringsfactor. De modelfactor is bedoeld om het vereiste veiligheidsniveau te bereiken. Hierin zijn onzekerheden in de formule verwerkt, maar ook lengte-effecten. De modelfactor is per dijkring bepaald. De schematiseringsfactor is afhankelijk van de onzekerheden in de schematisering van de werkelijkheid. Onzekerheden in de grondopbouw en geometrie komen hierin onder andere tot uiting. De schematiseringsfactor is 1,0 of hoger, waarbij een hogere waarde een grotere mate van onzekerheid betreft. Voor deze verkenning is gerekend met een vaste schematiseringsfactor van 1,1. Onzekerheden betreffen onder andere de dikte van de deklaag, de dikte en waterdoorlatendheid van de zandlaag en wellicht ook in de korreldiameter d70. Het is goed denkbaar dat de schematiseringsfactor bij nadere beschouwing groter zou moeten zijn, maar voor deze verkennende studie is dat niet van doorslaggevend belang. Modelfactoren De modelfactoren zijn per dijkring beschikbaar. In deze factoren is zowel de modelfactor van de rekenregel van Sellmeijer (1,2) verwerkt, als de lengtefactor. Eveneens is in deze modelfactor de veiligheidseis van de dijkring verwerkt. 6 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

9 Voor deze studie zijn de volgende modelfactoren gebruikt: dijkring modelfactor Normfrequentie (1/jaar) Pipinggevoelige lengte in modelfactor(1, 3) (km) Pipinggevoelige lengte volgens gegevens(2, 3) (km) 10 1,24 1/ ,21 1/ ,20 1/ ,20 1/ v26 1,20 1/ v27 1,20 1/ ,36 1/ a 1,20 1/ ,20 1/ ,29 1/ ,20 1/ ,20 1/ ,31 1/ ,27 1/ (18) ,43 1/ ,24 1/ ,20 1/ ,20 1/ ,36 1/ ,22 1/ ,20 1/ ,20 1/ ,30 1/ ,38 1/ Tabel 1 Model- en lengtefactor per dijkring Noten bij de tabel: 1. met behulp van deze lengte is de modelfactor afgeleid, betreft totale dijkring; 2. deze lengte is volgens de toetsberekeningen pipinggevoelig, waaronder is verstaan dijkvakken met een kleilaag, waarvan de kwelweglengte is berekend (vakken waar de grondopbouw zand op zand is of de gegevens niet compleet zijn, zijn hier niet meegeteld); 3. sommige dijkringen zijn in deze studie niet volledig meegenomen, hetgeen verklaard waarom de lengte in de laatste kolom soms minder is dan de lengte in de één na laatste kolom. Berekeningen Er zijn in hoofdlijn 3 berekeningen gedaan: 1. Vigerende rekenregel van Sellmeijer met: a. Modelfactor = 1,2 b. Schematiseringsfactor = 1,0 2. Nieuwe aangepaste rekenregel van Sellmeijer met: a. Modelfactor = 1,2 b. Schematiseringsfactor = 1, :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 7

10 3. Nieuwe aangepaste rekenregel van Sellmeijer met: a. Modelfactor per dijkring volgens tabel 1 b. Schematiseringsfactor = 1,1 Het verschil tussen de berekeningen 1 en 2 geeft het verschil tussen de huidige en de nieuwe rekenregel en daarmee een antwoord op de eerste onderzoeksvraag. Het verschil tussen de berekeningen 2 en 3 geeft het effect van de nieuwe partiële factoren. De berekeningen zijn zowel gedaan bij gegeven verval over de kering en bij de gegeven horizontale kwelweglengte. De analyses in deze rapportage betreffen de berekening van de benodigde kwelweglengte bij het gegeven verval over de kering. 2.3 OPBOUW DATASET (DATAMODEL) Om berekeningen uit te kunnen voeren met het model van Sellmeijer en om deze berekeningen te koppelen met een geometrie (lijn of punt), zijn de volgende invoergegevens nodig: Veld Type eenheid Omschrijving X numeriek m X-coördinaat in RD van het berekend profiel Y numeriek m Y-coördinaat in RD van het berekend profiel BEHEERDER tekst(64) Beheerder, volgens format TOETSRAP DIJKRNR1 tekst(64) Dijkring, volgens format TOETSRAP dijkvak tekst(50) Naam van het dijkvak opbarsten tekst(4) vindt er opbarsten plaats ja / nee? dh numeriek m Verval over de waterkering berekend door Toetspeil HR2006 niveau van het uittredepunt (bijv. maaiveld of polderpeil) d numeriek m Dikte van de deklaag ter plaatse van het uittredepunt dh_red numeriek m Gereduceerd verval: dh 0,3*d L_aanw numeriek m Aanwezige kwelweglengte behorende bij uittredepunt k_z numeriek m/dag Doorlatendheid van het watervoerende zandpakket D numeriek m Dikte van het watervoerende zandpakket d70 numeriek mm 70-percentielwaarde van de korrelverdeling d70_bepaling tekst Bligh = afgeleid op basis van creepfactor van Bligh Proevenverzameling = afgeleid op basis van een proevenverzameling (uit ontwerp of toetsing) gamma_n_oud numeriek [-] modelfactor huidige Sellmeijer formule, standaard 1,2 gamma_n_nieuw numeriek [-] veiligheidsfactor afhankelijk van modelonzekerheid en vereist veiligheidsniveau (lengte-effect) gamma_b numeriek [-] Schematiseringsfactor, standaardwaarde 1,1 Shape_Length numeriek m Lengte van de geometrie waar de berekening representatief is. Tabel 2 Invoergegevens De berekeningsresultaten worden weergegeven in de volgende velden: 8 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

11 Veld Type eenheid Omschrijving dh_bligh numeriek m Toelaatbaar verval methode Bligh L_Bligh numeriek m Benodigde kwelweglengte methode Bligh dhc_sellmeijer numeriek m Toelaatbaar verval huidige methode Sellmeijer (modelfactor 1,2, schematiseringsfactor 1,0) L_Sellmeijer numeriek m Benodigde kwelweglengte huidige methode Sellmeijer dhc_sell_nieuw_exle numeriek m Toelaatbaar verval aangepaste rekenregel van Sellmeijer zonder lengte-effect en schematiseringsfactor (modelfactor 1,2, schematiseringsfactor 1,0) L_Sell_nieuw_exLE numeriek m Benodigde kwelweglengte aangepaste rekenregel van Sellmeijer zonder lengte-effect en schematiseringsfactor dhc_sell_nieuw_inle numeriek m Toelaatbaar verval aangepaste rekenregel van Sellmeijer inclusief lengte-effect en schematiseringsfactor (modelfactor afhankelijk van dijkring, schematiseringsfactor 1,1) L_Sell_nieuw_inLE numeriek m Benodigde kwelweglengte aangepaste rekenregel van Sellmeijer inclusief lengte-effect en schematiseringsfactor Tabel 3 Berekeningsresultaten In hoofdstuk 3 wordt de wijze waarop de data is verzameld nader beschreven :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 9

12 3 Dataverzameling 3.1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN Algemene uitgangspunten geldig voor deze analyse: De berekeningen zijn gedaan bij het toetspeil volgens HR2006. Als vertrekpunt zijn de berekeningen genomen van de derde ronde veiligheidstoetsing. De meeste waterschappen hebben gegevens per 100 m verzameld, terwijl de veiligheidstoets in veel gevallen uitging van grotere trajecten. Alleen de strekkingen waar de methode Sellmeijer / Bligh in de toetsing is toegepast, zijn beschouwd. Verticale elementen, filterconstructies e.d. vallen dus buiten deze analyse. De opbarstveiligheid is de verhouding tussen de grondspanning en de (theoretische) waterspanning aan de onderzijde van de deklaag. Voor dit onderzoek zijn er geen nieuwe opbarstberekeningen uitgevoerd. De resultaten van de potentiaal- en opbarstberekeningen zijn overgenomen uit de veiligheidstoetsing of (ontwerp) archiefrapporten. Het uitgangspunt is dat piping niet zal optreden als de opbarstveiligheid groter of gelijk is aan 1,2. In veel gevallen is gebruik gemaakt van de gegevens die ten tijde van de dijkversterkingsprojecten zijn verzameld, gegevens uit de toetsingsrapportages, AHN, gegevens uit de legger en het beheerregister (grondmechanische onderzoeken). In een aantal gevallen is piping niet van toepassing, vanwege bijvoorbeeld een hoog achterland. In sommige gevallen zijn onvoldoende gegevens bekend. Uitgangspunten Schematisatie: - Korreldiameter De korreldiameter van het zand speelt een grote rol in de rekenregel van Sellmeijer. Deze korreldiameter is in veel gevallen onbekend omdat de huidige ontwerpen veelal gebaseerd zijn op de methode Bligh 2. Er is dan gebruik gemaakt van de bekende creepfactor van Bligh. Deze creepfactor is afhankelijk van de korreldiameter, volgens onderstaande tabel. Creepfactor [--] Mediane korreldiameter [mm] 12 0, ,15 0, ,105 0,15 Tabel 4 Creepfactor volgens Bligh 2 In recentere (uitgekiende) ontwerpen is veelal gezocht naar een optimalisatie met de rekenregel van Sellmeijer om de benodigde kwelweglengte te minimaliseren. Als bleek dat dit niet mogelijk was, dan werd de methode van Bligh toegepast. 10 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

13 Creepfactoren groter dan 18 of kleiner dan 12 zijn nergens toegepast. De korreldiameter d70 is uit bovenstaande tabel teruggerekend met de volgende formule: D70 = ( * C_Bligh) * 10-6 m - Kwelweglengte De aanwezige kwelweglengte is bepaald vanaf het uittredepunt tot het intredepunt. De hoogte en locatie van het uittredepunt is bepaald met behulp van het leggerregister, beheerregister of AHN. Voor dit onderzoek is er aangenomen dat het uittredepunt altijd aan de binnenteen van de kering / begin van de berm ligt. Dit is een conservatieve maar veelal ook reële aanname. Het intredepunt is in veel gevallen overgenomen van de geotechnische rapporten. In deze rapporten zijn de intredepunten bepaald op basis van 1. kleidiktes in het voorland en 2. de vastgestelde beschermingszones. - Deklaagdikte De diktes van de deklaag zijn tijdens de onderzoeken voor dijkverbeteringen gemeten via sonderingen, boringen en mogelijk geo-elektrische metingen. In de geotechnische rapporten worden diktes van de afdekkende kleilaag in zowel het voorland en als het achterland gegeven. Er wordt in de meeste gevallen geen rekening gehouden met de variaties in de onderkant van de deklaag loodrecht op de dijk, maar vaak ook niet met variaties evenwijdig aan de dijk tussen de onderzoekspunten. Om de variatie van de deklaag af te vangen is er voor dit onderzoek consistent over alle diktes van de deklaag een veiligheidsfactor van 0,67 toegepast bij het bepalen van de gereduceerde kerende hoogte (zoals voorgesteld door Arcadis). - Eigenschappen ondergrond De parameters voor de doorlatendheid en dikte van het watervoerend zandpakket zijn eveneens in veel gevallen afkomstig van de geotechnische rapporten die opgesteld zijn voor de dijkverbeteringen. De diktes van de watervoerend zandpakketten zijn vaak gebaseerd op grondwaterkaarten. De doorlatendheden van het watervoerend zandpakket zijn gedeeltelijk afgeleid uit laboratorium onderzoeken van grondmonsters en gedeeltelijk van grondwaterkaarten. De waarden zijn veelal conservatief gekozen, maar niet zodanig als karakteristieke waarden berekend. 3.2 WATERSCHAP AA EN MAAS Gegevensbeschrijving Waterschap Aa en Maas beheert 110 km primaire waterkering. In de dataset zijn de primaire waterkeringen van dijkringgebied 36 het Land van Heusden en dijkringgebied 36A Keent opgenomen. De waterkeringen zijn vooral ontworpen met de rekenregel van Bligh. Vaak is in het ontwerp naar optimalisatie gezocht met de rekenregel van Sellmeijer om de benodigde kwelweglengte te minimaliseren. Als het blijkt dat dit niet mogelijk is, dan wordt de methode van Bligh toegepast. Om deze reden is er bij vele dijkvakken niet onderzocht wat de D70 is. De :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 11

14 D70 van ongeveer 50% van de gevallen is overgenomen van geotechnische rapporten, de overige 50% is afgeleid van de creepfactor van Bligh. De onzekerheden van de gegevens zitten vooral in de d70 die slechts voor 50% van de gevallen bekend is. Verder zijn de diktes van het watervoerend zandpakket veelal gebaseerd op TNO grondwaterkaarten. Deze zijn veilig ingeschat, maar de gegevens zijn meestal vrij ruw. Tenslotte moet er ook op gelet worden dat er meestal met veilig gekozen waardes gerekend wordt, maar dit zijn in de meeste gevallen geen karakteristieke waarden wat eigenlijk wel vereist is voor de Sellmeijer berekeningen. 3.3 WATERSCHAP GROOT SALLAND Gegevensbeschrijving Waterschap Groot Salland beheert 210 km primaire waterkering. In de dataset zijn de aan de IJssel gelegen delen van de primaire waterkeringen van dijkringgebied 10 (Mastenbroek), 53 (Salland) en 11 (IJsseldelta) opgenomen (lichtgroene arcering) Uit de grondonderzoeken t.b.v. de tweede en derde toetsronde, zijn geotechnische gegevens afgeleid zoals, dikte deklaag, dikte en doorlatendheid watervoerend pakket en D50 + D70. Er zijn karakteristieke waarden voor D70 afgeleid uit lokale proevenverzamelingen. In de meeste gevallen zijn de dikte en doorlatendheid van het watervoerend pakket van de grondwaterkaart en uit geohydrologische modellen afgeleid. In de toetsrondes is gekozen voor vrij grote dijkvakken (gemiddeld ongeveer 1 km), waarbinnen het maatgevende profiel gekozen is voor piping. De resultaten voor dit maatgevende profiel zijn geldig verondersteld voor het gehele vak. Dit geeft wellicht een overschatting van het werkelijke pipingprobleem. 3.4 WATERSCHAP RIJN EN IJSSEL Gegevensbeschrijving Waterschap Rijn en IJssel beheert 140 km primaire waterkering. In de dataset zijn de primaire waterkeringen van dijkringgebied 47 Arnhemsen en Velpse Broek; 48: Rijn en IJssel; 49: IJsselland; 50: Zutphen en 51: Gorssel opgenomen. Voor het hele beheergebied van Waterschap Rijn en IJssel zijn korrelverdelingen beschikbaar waaruit een voldoende betrouwbare D70 waarde kan worden afgeleid. Lokaal zijn ook diepe boringen met zeefanalyses beschikbaar op basis waarvan een D60 en D10 waarde kan worden vastgesteld. In de meeste gevallen zijn de dikte en doorlatendheid van het watervoerend pakket van de grondwaterkaart afgeleid. Daar waar voldoende diepe sonderingen beschikbaar zijn, is de dikte uit lokaal grondonderzoek vastgesteld. 12 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

15 De berekeningen zijn niet iteratief uitgevoerd. Strikt genomen is dit wel nodig want de kwelweglengte is zowel invoer als een uitkomst. Om praktische redenen is volstaan met het bepalen van de equivalente creepfactor. De fout die wordt gemaakt door niet iteratief te rekenen is beperkt en voor het maken van een vergelijking tussen de oude en nieuwe rekenregel niet relevant. 3.5 WATERSCHAP RIVIERENLAND Gegevensbeschrijving Waterschap Rivierenland beheert 552 km primaire waterkering in het Rivierengebied. De volgende dijkringen zijn opgenomen in de dataset: 24 Land van Altena; 37 Nederhemert; 38 Bommelerwaard; 39Alem; 40 Heerewaarden; 41 Land van Maas en Waal; 42 Ooij en Millingen en dijkring 43 Betuwe, Tieler- en Culemborgerwaarden en enkele korte verbindende waterkeringen. De totale lengte van de waterkeringen opgenomen in de dataset is 420 km. Bij het onderzoek is gebruik gemaakt van de databases die voor de toetsing van piping zijn opgesteld in het kader van de derde ronde toetsing. De gegevens in databases zijn afkomstig uit de geotechnische ontwerprapporten De uitgangspunten verschillen enigszins per gebied. In de achtergrondrapportages bij de verschillende toetsrapporten zijn de uitgangspunten bij de gegevensverzameling nader toegelicht. 3.6 WATERSCHAP VALLEI EN VELUWE Gegevensbeschrijving Voor Waterschap Vallei en Veluwe zijn de volgende dijkringen en dijkringdelen langs de IJssel en Nederrijn in het kader van deze rapportage doorgerekend: Dijkring 52, Dieren tot Hattem en dijkring 11: vanaf Hattem tot gemaal Antlia en langs het Drontermeer en dijkring 45: Gelderse Vallei. Dijkring 46 is niet beschouwd in deze rapportage, vanwege de geringe kerende hoogte en historische overdimensionering van de dijk. Bij het noordelijk deel van dijkring 45 is gebruik gemaakt van de databases die gebruikt zijn voor toetsing van piping in de het kader van de tweede toetsronde. Uit de toetsrapporten en grondmechanische onderzoeken zijn gegevens afgeleid van de bodemopbouw zoals, dikte deklaag, dikte en doorlatendheid watervoerend pakket en D50 + D70. Er zijn korrelverdelingen beschikbaar waaruit een veilige inschatting voor de D70 waarde is afgeleid. Een lokale proevenverzameling met D70 waarden, waaruit een karakteristieke D70 kan worden afgeleid, is alleen op enkele dijktrajecten beschikbaar :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 13

16 Lokaal zijn ook diepe boringen met zeefanalyses beschikbaar op basis waarvan een D60 en D10 waarde kan worden vastgesteld. In de meeste gevallen zijn de dikte en doorlatendheid van het watervoerend pakket van de grondwaterkaart afgeleid. Daar waar voldoende diepe sonderingen beschikbaar zijn, is de dikte uit lokaal grondonderzoek vastgesteld. 3.7 HOOGHEEMRAADSCHAP DE STICHTSE RIJNLANDEN Gegevensbeschrijving Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden heeft de Lekdijken van de volgende dijkringen of delen van 44 Kromme Rijn en 15 Lopiker en Krimpenerwaard (tot aan Schoonhoven) in beheer. Uit de toetsrapporten en grondmechanische onderzoeken zijn gegevens afgeleid van de bodemopbouw zoals, dikte deklaag, dikte en doorlatendheid watervoerend pakket en zandgrofheid. Lokaal zijn proevenverzamelingen van de D70 beschikbaar, maar in de meeste gevallen is alleen een creepfactor volgens Bligh beschikbaar. Deze creepfactor is afhankelijk van de korreldiameter. Overal, met uitzondering van de gedeelten waar Sellmeijer is toegepast, is een creepfactor van 15 toegepast in de derde toetsronde. Deze waarde is gebaseerd op veldschattingen van de zandgrofheid De berekeningen zijn niet iteratief uitgevoerd. Strikt genomen is dit wel nodig want de kwelweglengte is zowel invoer als een uitkomst. Om praktische redenen is volstaan met het bepalen van de equivalente creepfactor. De fout die wordt gemaakt door niet iteratief te rekenen is beperkt en voor het maken van een vergelijking tussen de oude en nieuwe rekenregel niet relevant. 14 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

17 4 Resultaten 4.1 OPGEBOUWDE DATASET De opgebouwde dataset bestaat uit records. Voor hiervan zijn pipingberekeningen gedaan die representatief zijn voor bijna 700 km. In de overige trajecten treedt geen opbarsten op, is de dijk niet pipinggevoelig vanwege de grondopbouw of zijn constructies aanwezig, waardoor de rekenregel van Sellmeijer niet zondermeer kan worden toegepast. Van een klein deel waren de gegevens niet volledig. Elke berekening is representatief voor een bepaald dijktraject variërend van circa 10 m tot enkele kilometers. De typische trajectlengte is 100 m. De dataset is gekoppeld aan de referentielijn. Dit betekent dat een berekening gekoppeld is aan een lengte. Voor een deel (de dijken van waterschap Rivierenland met uitzondering van dijkring 43) zijn de trajecten gelijk aan de trajecten die in de derde toetsronde zijn gerapporteerd in Toetsrap 3. In de volgende tabel zijn de aantallen en lengten per dijkring gegeven. records kilometer dijk opmerking totaal aantal niet pipinggevoelig of constructie of gegevens onvolledig rekenregel piping heeft geen invloed (niet pipinggevoelige trajecten of constructie) of is niet bepaald omdat de gegevens niet volledig zijn geen opbarsten rekenregel piping heeft geen invloed (zolang de buitenwaterstand niet veranderd) wel opbarsten en berekend rekenregel piping heeft invloed Tabel 5 Kentallen bij de dataset 3 Toetsrap is de webapplicatie van Rijkswaterstaat, waarin de resultaten van de derde landelijke toetsing zijn verzameld :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 15

18 dijkring totale lengte in analyse [km] lengte waarover opbarsten optreedt [km] lengte waarover geen opbarsten optreedt [km] 10 22,5 22,5 0, ,4 44,6 7, ,7 20,3 1, ,2 40,5 13,2 v26 3,1 2,6 0,5 v27 0,7 0,3 0, ,8 63,5 13,0 36a 5,3 4,0 1,3 37 3,8 2,6 1, ,3 26,9 35,4 39 4,7 1,2 3, ,2 6,0 7, ,3 56,5 30, ,2 15,2 1, ,5 165,8 4, ,6 30,2 1, ,3 34,9 0,1 47 8,6 8,4 0, ,1 41,8 4, ,2 22,6 2, ,0 7,1 1, ,3 6,0 15, ,6 40,9 22, ,0 32,9 15,4 totaal 942,1 697,2 184,3 Tabel 6 Aantallen en lengten per dijkring 16 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

19 4.2 BEREKENINGSWIJZE Berekeningswijze van de benodigde kwelweglengte met de rekenregel van Sellmeijer. De toetsformule voor de rekenregel van Sellmeijer luidt als volgt: Waarin: ΔHc ΔH d γn γb : de kritische kerende hoogte : de actuele kerende hoogte : de dikte van de afdekkende laag bij het uittredepunt : de modelfactor : de schematiseringsfactor Er is dus voldoende kwelweglengte indien: ΔHc > (ΔH 0,3*d)*γn*γb 4.3 ANALYSE In hoofdstuk 2 zijn de volgende onderzoeksvragen gesteld: 4. Wat is het effect van de aangepaste rekenregel van Sellmeijer? 5. Wat is het effect van de aangepaste veiligheidsfactoren? 6. Wat is het tekort aan kwelweglengte met de aangepaste rekenregel inclusief de aangepaste veiligheidsfactoren (dus wat zou de versterkingsopgave kunnen zijn?) De effecten bij de vragen 1. en 2. zijn uitgedrukt in een toename van de benodigde horizontale kwelweglengte en zijn in Tabel 7 en Tabel 8 gegeven. Het effect van de aangepaste rekenregel van Sellmeijer is berekend ten opzichte van de huidige rekenregel van Sellmeijer. In Figuur 1 zijn de totalen uit deze tabellen grafisch weergegeven. Om de resultaten overzichtelijk te presenteren is de toename in de kwelweglengte opgedeeld in een aantal categorieën en is per categorie vermeld hoeveel kilometer dijk in die categorie valt. In de bijlagen zijn per waterschap situatietekeningen opgenomen waarin met een kleurcode is aangegeven in welke categorie een dijk valt :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 17

20 aantal kilometers dijk waarbij de toename van de benodigde kwelweglengte door de aangepaste rekenregel (exclusief lengte-effect) meer is dan dijkring >0 m >5 m >10 m >20 m >50 m >80 m 10 22,5 22,5 18,7 17,8 5,4 0, ,1 31,8 15,6 7,9 0,1 0, ,3 20,3 20,2 19,7 4,3 0, ,5 35,1 35,0 28,8 7,0 0,0 26 2,6 2,6 2,6 2,2 0,0 0,0 27 0,3 0,3 0,3 0,2 0,0 0, ,5 57,0 53,9 37,1 2,4 0,1 36a 4,0 4,0 4,0 1,5 0,0 0,0 37 2,6 2,5 2,1 1,2 0,0 0, ,9 26,9 26,8 25,4 9,9 0,5 39 1,2 1,1 1,0 1,0 0,2 0,0 40 6,0 5,8 5,5 4,2 0,2 0, ,5 55,2 52,6 45,2 15,0 3, ,2 14,9 14,6 14,2 5,9 0, ,7 165,1 163,5 152,7 75,4 17, ,2 30,2 30,1 25,6 5,9 0, ,9 32,7 14,3 0,0 0,0 0,0 47 8,4 6,9 5,3 1,3 0,0 0, ,8 38,3 35,1 24,9 1,5 0, ,6 19,5 18,1 10,6 0,0 0,0 50 6,5 5,0 3,7 1,2 0,0 0,0 51 6,0 4,6 3,3 1,4 0,0 0, ,9 40,0 38,0 21,2 1,3 0, ,9 32,9 32,9 16,4 0,0 0,0 totaal 694,1 655,3 597,3 461,7 134,5 21,1 Tabel 7 analyse resultaten: verschil in kwelweglengte tussen de huidige en aangepaste rekenregel van Sellmeijer, exclusief invloed lengte effect en schematiseringsfactor Toelichting bij Tabel 7: bij 694,1 km resulteert de aangepaste rekenregel in een grotere benodigde kwelweglengte. Bij 3,1 km is lichte afname (minder dan 0,5 m) van de kwelweg berekend. Dit zijn echter trajecten met een zeer geringe kerende hoogte. Bij 21,1 km is de toename in de benodigde kwelweglengte meer dan 80 m. Dit effect betreft uitsluitend de aanpassing in de rekenregel. Het lengte-effect is hierin niet verwerkt. 18 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

21 aantal kilometers dijk waarbij de toename van de benodigde kwelweglengte tengevolge van het lengte effect en de schematiseringsfactor meer is dan dijkring >0 m >5 m >10 m >20 m >50 m >80 m 10 22,5 22,5 18,7 9,8 0,0 0, ,6 19,8 15,0 0,1 0,0 0, ,3 20,2 18,5 0,6 0,0 0, ,5 35,1 24,7 0,1 0,0 0,0 26 2,6 2,6 1,7 0,0 0,0 0,0 27 0,3 0,3 0,1 0,0 0,0 0, ,5 62,8 56,6 32,0 1,3 0,0 36a 4,0 3,9 0,1 0,0 0,0 0,0 37 2,6 2,1 1,2 0,0 0,0 0, ,9 27,1 26,9 22,1 0,2 0,0 39 1,2 1,0 0,9 0,0 0,0 0,0 40 6,0 5,4 2,3 0,0 0,0 0, ,5 55,1 51,0 39,0 3,4 0, ,2 15,2 14,6 11,3 0,0 0, ,8 165,6 165,3 160,4 73,8 8, ,2 30,2 30,2 27,2 7,6 0, ,9 1,8 0,0 0,0 0,0 0,0 47 8,4 6,9 5,2 0,2 0,0 0, ,8 38,3 33,9 20,8 0,3 0, ,6 19,5 18,2 8,1 0,0 0,0 50 7,1 5,1 4,2 1,0 0,0 0,0 51 6,0 4,7 3,9 1,4 0,0 0, ,9 40,1 38,7 23,5 0,7 0, ,9 32,9 32,9 22,7 0,0 0,0 totaal 697,2 618,3 564,7 380,4 87,4 8,8 Tabel 8 analyse resultaten: verschil in kwelweglengte tengevolge van het lengte-effect en schematiseringsfactor (met de aangepaste formule van Sellmeijer) Tabel 8 geeft de toename van de benodigde kwelweglengte, die uitsluitend wordt veroorzaakt door het lengte-effect en de schematiseringsfactor. Bij alle dijken waar opbarsten optreedt (697,2 km) is het effect aanwezig :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 19

22 aantal kilometers dijk waarbij de toename van de benodigde kwelweglengte tengevolge van het lengte effect en de schematiseringsfactor meer is dan dijkring >0 m >5 m >10 m >20 m >50 m >140 m 10 22,5 22,5 22,5 18,7 1,3 0, ,2 37,8 25,2 15,4 0,0 0, ,3 20,3 20,2 20,1 0,8 0, ,5 39,4 35,1 33,2 2,2 0,0 26 2,6 2,6 2,6 2,5 0,0 0,0 27 0,3 0,3 0,3 0,3 0,0 0, ,5 62,9 61,8 53,8 6,6 0,8 36a 4,0 4,0 4,0 3,1 0,0 0,0 37 2,6 2,6 2,5 1,4 0,0 0, ,9 26,9 26,9 26,7 10,8 0,2 39 1,2 1,1 1,0 1,0 0,0 0,0 40 6,0 5,8 5,7 5,2 0,0 0, ,5 56,4 55,2 52,0 17,1 2, ,2 15,2 15,0 14,6 5,5 0, ,8 165,7 165,5 164,9 104,5 27, ,2 30,2 30,2 30,2 13,5 0, ,9 34,8 23,5 1,3 0,0 0,0 47 8,4 8,2 6,9 5,3 0,0 0, ,8 40,0 38,1 34,4 3,8 0, ,6 21,6 19,6 18,2 0,1 0,0 50 7,1 5,2 5,1 4,1 0,0 0,0 51 6,0 4,9 4,6 3,6 0,0 0, ,9 40,2 40,0 38,3 4,7 0, ,9 32,9 32,9 32,9 4,8 0,0 totaal 694,9 681,6 644,5 581,3 175,8 30,6 Tabel 9 analyse resultaten: verschil in kwelweglengte tengevolge van de aanpassing van de formule van Sellmeijer èn het lengte-effect en schematiseringsfactor In de volgende figuur zijn de totalen uit deze drie tabellen grafisch weergegeven. In de grafiek is ook het gecombineerde effect gegeven. Het gecombineerde effect is niet noodzakelijkerwijs een optellen van de tabellen 7 en ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

23 Figuur 1 Verschil in benodigde kwelweglengte :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 21

24 In Tabel 10 is het resultaat van de derde onderzoeksvraag gegeven. Deze vraag luidt: Wat is het tekort aan kwelweglengte met de aangepaste rekenregel inclusief de aangepaste veiligheidsfactoren (dus wat zou de versterkingsopgave kunnen zijn?) aantal kilometers dijk waarbij het tekort in kwelweglengte met de aangepaste rekenregel (inclusief lengte-effect) meer is dan dijkring 200 m 100 m 50 m 25m 10 m 0 m geen tekort 10 0,0 6,5 15,6 17,8 18,7 22,5 0,0 11 0,0 0,0 6,9 13,4 18,1 21,3 23,2 15 0,0 0,4 6,8 12,9 17,1 18,3 2,0 24 0,0 2,2 16,0 23,7 27,0 27,6 12,9 26 0,0 0,0 0,7 1,6 1,8 2,4 0,2 27 0,0 0,0 0,2 0,3 0,3 0,3 0,0 36 0,9 4,5 22,6 34,4 43,1 48,6 14,9 36a 0,0 0,0 0,0 0,7 2,7 3,4 0,6 37 0,0 0,0 1,0 1,3 1,7 2,2 0,4 38 0,2 4,9 11,4 14,8 17,3 18,4 8,5 39 0,0 0,0 0,0 0,2 0,2 0,4 0,8 40 0,0 0,1 1,6 3,0 3,9 4,8 1,2 41 1,6 13,0 30,9 41,3 46,3 48,8 7,7 42 0,0 2,0 6,3 11,2 12,7 13,2 2,0 43 8,1 70,6 116,0 136,8 145,6 151,6 14,2 44 0,0 3,1 14,8 19,8 22,7 24,8 5,4 45 0,0 0,0 0,0 0,0 2,0 8,9 25,9 47 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 1,9 6,5 48 0,0 0,9 8,2 17,3 24,0 27,6 14,2 49 0,0 0,1 1,9 12,9 16,2 17,8 4,7 50 0,0 0,0 0,2 0,8 1,8 2,4 4,7 51 0,0 0,0 1,2 2,6 3,6 4,4 1,6 52 0,0 3,5 12,7 25,3 32,2 35,2 5,7 53 0,0 0,0 11,1 23,2 25,0 32,9 0,0 totaal 10,8 111,8 286,1 415,3 484,2 539,7 157,4 539, ,4 = 697,2 km: totale lengte van de (berekende) pipinggevoelige dijken waar opbarsten optreedt Tabel 10 Tekort in kwelweglengte volgens de aangepaste rekenregel, inclusief lengte-effect, ten opzichte van de aanwezige kwelweglengte In figuur 2 is de absolute waarde van het tekort in kwelweglengte grafisch weergegeven voor zowel de huidige als de nieuwe rekenregel van Sellmeijer (inclusief lengte-effect en schematiseringsfactor). Er zijn diverse redenen waarom dijken niet voldoen bij de huidige formule van Sellmeijer, zoals: De toetswaterstand HR2006 is hoger dan de ontwerpwaterstand; Het ontwerp is gebaseerd op de methode van Bligh, maar met de methode Sellmeijer wordt een grotere benodigde kwelweglengte berekend. 22 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

25 Het tekort aan kwelweglengte bij de huidige formule van Sellmeijer is daarom niet hetzelfde als het toetsresultaat in de derde toetsronde. Figuur 2 Tekort kwelweglengte :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 23

26 4.4 OPMERKINGEN EN BEPERKINGEN Deze studie is bedoeld om op hoofdlijnen het effect van de nieuwe rekenregel van Sellmeijer te bepalen. Vanwege diverse aannamen die gedaan zijn, moet het berekende effect als een ondergrensbenadering worden gezien. Dit komt omdat de gegevens van de zandlaag (dikte, doorlatendheid en korreldiameter) vrij grof zijn bepaald en naar verwachting veelal niet de gevraagde karakteristieke grenswaarde geven. Veelal zal bij een gedetailleerde beoordeling, waar nader (grond)onderzoek voor nodig is, een grotere benodigde kwelweglengte berekend worden. Vanwege de omvang van de studie en de grote hoeveelheid aan verzamelde gegevens, kan niet worden uitgesloten dat op lokaal niveau de gegevens en resultaten niet geheel correct zijn. Deze studie is ook niet bedoeld om op dijkvak- of dijkringniveau conclusies te kunnen trekken. Eventuele onvolkomenheden worden uitgemiddeld als grotere lengten worden beschouwd. Er kunnen daarom wel conclusies worden getrokken aan de trend die de resultaten laten zien. Als wordt gesproken over een tekort in kwelweglengte in deze studie, dan wordt een tekort bedoeld volgens de beschikbare gegevens. Het is denkbaar dat meer kwelweglengte aanwezig is; dit vergt dan meer onderzoek om dit aan te tonen. 24 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

27 Bijlage 1 Waterschap Aa en Maas :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 25

28 Bijlage 2 Waterschap Groot Salland 26 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

29 Bijlage 3 Waterschap Rijn en IJssel :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 27

30 Bijlage 4 Waterschap Rivierenland 28 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk

31 Bijlage 5 Waterschap Vallei en Veluwe :C - Definitief, vertrouwelijk ARCADIS 29

32 Bijlage 6 Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden 30 ARCADIS :C - Definitief, vertrouwelijk