SBW Hervalidatie Piping A4. Analyse centrifugeproeven

SBW Hervalidatie Piping A4. Analyse centrifugeproeven Vera van Beek Deltares, 2009

Titel SBW Hervalidatie Piping Opdrachtgever Waterdienst Project 1001451-004 Kenmerk 1001451-004-GEO-0005 Pagina's 56 Trefwoorden Piping, centrifugeproef, schaaleffecten, dijk, reststerkte, bezwijken Samenvatting Doel van het SBW piping project is het identificeren van onzekerheden binnen de huidige piping toetsingsregels en deze eventueel te verkleinen of elimineren. Het programma is gestart met kleine schaalproeven om invloeden van verschillende zandkarakteristieken te bestuderen. Uit deze proeven volgt de invloed van de verschillende zandkarakteristieken op het pipingproces. Aan de hand hiervan wordt geprobeerd een nieuwe of aangepaste rekenregel op te stellen. Deze rekenregel zal getoetst worden in medium schaal proeven en mogelijk gevalideerd worden in een full-scale proef. Deze proevenseries richten zich met name op valideren en mogelijk verbeteren van het model van Sellmeijer. Sellmeijer beschrijft het ontstaan van kanaaltjes en veronderstelt vervolgens progressieve erosie en bezwijken van de dijk. Er is echter onvoldoende informatie beschikbaar over het proces van progressieve erosie en bezwijken. Het is onbekend of er na het ontstaan van een doorgaande pipe nog veel reststerkte is, voordat bezwijken van de dijk optreedt. Het verdient daarom aanbeveling het gehele proces van het ontwikkelen van kleine kanaaltjes tot bezwijken te bestuderen. In dit rapport worden de analyse van de centrifugeproeven beschreven, waarin op kleine schaal onderzocht wordt hoe kleine kanaaltjes kunnen leiden tot dijkdoorbraak. Door de proeven in de geocentrifuge uit te voeren kunnen de sterkte-eigenschappen van de klei correct gemodelleerd worden. Omdat het onbekend is hoe het proces van piping schaalt in de centrifuge zijn voorbereidende proeven uitgevoerd. Deze zijn uitgevoerd om de hoofdproeven goed te kunnen ontwerpen. In deze proeven is vastgesteld dat er een gering schaaleffect aanwezig is, de kritieke vervallen zijn bij 30g enkele centimeters lager dan bij 1g. Op basis van deze informatie zijn de hoofdproeven ontworpen. In deze hoofdproeven is een kleidijk op een zandlaag geplaatst, waarna het verval over de dijk opgevoerd is totdat bezwijken van de waterkering plaatsvindt door piping. In de hoofdproeven is het bezwijkgedrag van de dijk onderzocht. De meest belangrijke conclusies uit deze proevenserie zijn de volgende: Op het moment dat er een (vrijwel) doorgaand kanaal gevormd is stagneert de kanaalvorming. Dit wordt hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt door vervorming van de dijk. Dit wordt bevestigd door de beeldanalyse en de waterspanningsmeters. Bezwijken van de dijk vindt hierdoor pas bij een veel hoger verval plaats dan het verval waarbij doorgaande kanaalvorming plaatsvindt. In de proef is er dus significante reststerkte waargenomen. Het inzakken van de dijk is op grote schaal mogelijk minder relevant. De kanaaltjes zijn in deze proevenserie relatief groot, waardoor vervormingen sneller op kunnen treden. Het verdient aanbeveling dit met Plaxis berekeningen te ondersteunen. Op basis van deze berekeningen en op basis van grotere schaal proeven zou mogelijk vastgesteld kunnen worden in hoeverre de dijk in de praktijk ook reststerkte vertoont na het optreden van piping. Het falen van de waterkering kan niet met bestaande macrostabiliteitsmodellen voorspeld worden, aangezien er slechts vervormingen en verplaatsing van de klei

Inhoud 1 Introductie 1 1.1 Introductie 1 1.2 SBW Hervalidatie piping 1 1.3 Doelstelling 4 1.4 Opbouw van het rapport 4 2 Beschrijving onderzoeksopzet 5 2.1 Voorbereidende proeven 5 2.1.1 Proefopstelling voorbereidende proeven 5 2.1.2 Proevenserie voorbereidende proeven 6 2.2 Hoofdproeven 7 2.2.1 Proefopstelling hoofdproeven 7 2.2.2 Proevenserie hoofdproeven 8 3 Waarnemingen voorbereidende proeven 10 3.1 Patroon kanaalvorming 10 3.2 Verval bij doorbraak 10 4 Waarnemingen hoofdproeven 12 4.1 Patroon kanaalvorming 12 4.2 Verval bij doorbraak 14 5 Analyse 16 5.1 Schalingseffecten 16 5.1.1 Theorie met betrekking tot schaaleffecten 16 5.1.2 Vergelijking tussen theorie en praktijk 18 5.2 Kanaalvorming 19 5.2.1 Patroon van kanaalvorming 19 5.2.2 Stabilisatie van kanalen 20 5.3 Verval bij doorbraak 21 5.4 Gedrag van klei boven kleine kanaaltjes 24 5.5 Bezwijken 28 5.5.1 Predicties: berekeningen in MStab 28 5.5.2 Sterkte van de klei vergelijking berekeningen en experimenten 29 5.5.3 Verlies van sterkte in het zand 30 5.6 Monitoring 32 5.7 Samenvatting analyse 33 6 Conclusies en aanbevelingen 35 7 Literatuur 37 Appendix A Configuratie Strongbox 38 Appendix B Eigenschappen Baskarp zand 39 Appendix C Eigenschappen Vingerling klei 44 i

Appendix D Stabilisatie van kanalen 45 Grondwaterstroming 45 Invloed van g-niveau 47 Invloed van vervormingen van de kleilaag 47 Invloed van de bovenbelasting 47 Invloed van ontstane zandkraters 47 Samenvatting mogelijke oorzaken stagneren kanalen 48 Appendix E Verval bij begin van transport vergelijking voorbereidende en hoofdproeven 50 Opdrukken van het kleipakket 50 Grondwaterstroming 50 ii

1 Introductie 1.1 Introductie In het project Veiligheid Nederland in Kaart I kwam piping als een dominant faalmechanisme naar voren, hetgeen niet aansluit bij het beheerdersoordeel. Nader onderzoek naar de betrouwbaarheid van de resultaten van de pipinganalyses binnen VNK wees uit dat de kans op piping, bij een betere schematisatie, kleiner zou worden maar nog steeds groter is dan verwacht. Ook vanuit de historie zijn aanwijzingen dat het pipingmechanisme relevanter kan zijn dan tot nu toe gedacht. Het is niet uit te sluiten dat de kans op piping is onderschat en onveilige procedures rondom het schematiseren en voorschrijven van rekenmodellen zijn opgesteld. Aan de betrouwbaarheid van rekenmodellen wordt getwijfeld. Teneinde de onzekerheden binnen de huidige piping toetsingsregels in beeld te krijgen en deze eventueel te verkleinen of elimineren is het onderzoeksspoor SBW Hervalidatie Piping opgestart. 1.2 SBW Hervalidatie piping In Nederland wordt voor aspecten rondom piping teruggegrepen naar het eind jaren negentig opgestelde Technisch Rapport Zandmeevoerende wellen van de TAW [TAW, 1999]. In dit rapport wordt het pipingproces en bijbehorende rekenmodellen beschreven. In een inventariserende studie die voor dit onderzoek in 2007 is uitgevoerd [Bruijn, Knoeff, 2008], is geconcludeerd dat er geen redenen zijn om aan te nemen dat de algemene procesbeschrijving van piping in het genoemde technische rapport onjuist is. In het geschematiseerde proces van het bezwijken van een dijk door piping zijn echter nog een aantal mechanismen die zeer globaal worden beschreven. Zo is bijvoorbeeld het ontstaan van kanaaltjes onder een dijk onomstreden. Dit proces is vele malen geconstateerd bij kleinen grootschalige proeven. De schematisatie van het proces van kanaalvorming is echter niet eenduidig vastgelegd en / of onvoldoende gevalideerd. Er is onvoldoende informatie over de wijze waarop de hooguit enkele centimeters brede en enkele millimeters diepe geultjes de grondwaterstroming beïnvloeden en hoe de waterdrukgradiënten om en nabij de geul samenhangen met het groeien ervan. Verbetering van de beschrijving hiervan leidt tot een beter inzetbaar en onderbouwd rekenmodel. De meest gebruikte rekenregels om het risico op piping te bepalen zijn de regel van Bligh [Bligh, 1910] en de regel van Sellmeijer [Sellmeijer, 1988]. De rekenregel van Bligh wordt internationaal het meest gebruikt. De rekenregel van Bligh is gebaseerd op empirie, uit met name India, van bezweken en niet bezweken dammen. De rekenregel van Sellmeijer is gebaseerd op een mathematische beschrijving van de grondwaterstroming door het zandpakket en de pipe en de beschrijving van de stabiliteit van de zandkorrels in de pipe. Het pipingproces wordt in de rekenregel van Sellmeijer vanuit een meer complete modellering benaderd dan in de regel van Bligh. Zoals elk rekenmodel is ook de rekenregel van Sellmeijer een mathematische schematisatie van de werkelijkheid. Voor een betrouwbaar resultaat van de regel van Sellmeijer dient de werkelijkheid op de juiste manier te worden geschematiseerd. Een praktische beschrijving van het geldigheidsgebied van de regel van Sellmeijer en de wijze waarop de werkelijkheid binnen dit geldigheidsgebied moet worden geschematiseerd ontbreekt in de literatuur. SBW Hervalidatie Piping 1

De rekenregels van Bligh en Sellmeijer houden geen rekening met de verticale stroming en zandtransport door een kanaal in de afdeklaag. In de praktijk wordt hier pragmatisch mee omgegaan door het verval over de kering te reduceren met 0,3 keer de dikte van de afdeklaag, de zogenoemde 0,3 d rekenregel. Deze rekenregel is niet gevalideerd. Het SBW onderzoek probeert de onzekerheden rondom de theorie en de toepassing van de rekenregel van Sellmeijer te verkleinen. In Figuur 1.1 zijn de belangrijkste deelonderzoeken uit het SBW Hervalidatie piping programma aangegeven. Hervalidatie toetsproces van piping Hervalidatie theorie Gebruik in de praktijk Hervalidatie proces - Kleine laboratoriumproeven - Centrifugeproeven Hervalidatie rekenregel - IJkdijk Hervalidatie 0,3d rekenregel Handleiding schematiseren - Bodemopbouw - Doorlatendheid - Zandeigenschappen Opstellen praktijkcases Figuur 1.1 Opbouw SBW Hervalidatie piping Dit rapport beschrijft de analyse van de centrifugeproeven. In deze proeven wordt op kleine schaal onderzocht hoe kleine kanaaltjes kunnen leiden tot dijkdoorbraak. Sellmeijer beschrijft het ontstaan van kanaaltjes en veronderstelt vervolgens progressieve erosie en bezwijken van de dijk. In het verleden zijn er dijken bezweken, waarbij vermoedelijk piping de oorzaak was. Een voorbeeld is het geval bij Zalk, waarover de volgende tekst beschikbaar is: Dijkdoorbraak Zalk, Verslag van de heer van Linden van de Provinciale Waterstaat van Overijssel De dijkwacht bracht regelmatig verslag uit van de bevindingen en niets wees op naderend gevaar. Echter kwam tegen half acht één der waarnemers in het wachtlokaal te Zalk verklaren, dat zich in de onmiddelijke nabijheid van Zalk een Welletje had ontwikkeld, dat nochtans schoon water vertoonde. Hoewel niet verwacht werd dat zulks aanleiding tot bezorgdheid zou geven ging men toch onverwijld naar de aangegeven plaats, onderwijl den voerman van den beladen grindwagen aanzeggende, dat hij het gezelschap op het eerste teken zou volgen. Inderdaad bleek een wel van weinig betekenis te zijn ontstaan en het pleit voor den speurneus van den dijkwacht, dat hij deze ongerechtigheid had waargenomen. Toch werd voor alle zekerheid den voerman het sein gegeven, grind naar de waargenomen plek te brengen en deze af te dekken. Het gezelschap van ambtenaren van waterstaat en waterschap keerde na deze instructies naar het wachtlokaal terug, doch nauwelijks had men de plek den rug toegekeerd, of de achtergebleven dijkwacht kwam aanhollen onder het roepen van hij geet! Hij geet! Ons omdraaiend zagen wij een modderfontein van manshoogte op de plek van den waargenomen wel. Het bleek alras, dat hier geen voorziening zou SBW Hervalidatie Piping 2

baten en dus werd in allerijl de brandklok geluid en werden de menschen in het achterland door estafettes per rijwiel gewaarschuwd. Er is echter onvoldoende informatie beschikbaar over het proces van progressieve erosie en bezwijken. Het is onbekend of er na het ontstaan van een doorgaande pipe nog veel reststerkte is, voordat bezwijken van de dijk optreedt. Het proces van piping hoeft in dat geval nog niet tot bezwijken van de dijk te leiden, hoewel dit vooralsnog wel verondersteld wordt. Het verdient daarom aanbeveling het gehele proces van het ontwikkelen van kleine kanaaltjes tot bezwijken te bestuderen. Om het proces van bezwijken goed te bestuderen is het noodzakelijk de spanningen in de dijk goed te modelleren. Bij te lage spanningen in de dijk zal geen bezwijken van de waterkering optreden, omdat de sterkte van de klei niet wordt overschreden. Om de spanningen in de dijk correct te modelleren zijn er twee mogelijkheden. De eerste mogelijkheid is om de proef op ware grootte uit te voeren. Dit is een zeer kostbare aangelegenheid en er bestaat in deze fase van het onderzoek nog teveel onzekerheid over het gedrag van de dijk in geval van piping en progressieve erosie om deze proef uit te voeren. Een tweede mogelijkheid is het uitvoeren van een verschaalde proef in de geocentrifuge. In de geocentrifuge wordt de zwaartekracht verhoogd, waardoor ook de gronden waterdrukken in het model toenemen. Hierdoor kunnen de gronden waterspanningen in de geocentrifuge realistisch gemodelleerd worden en is het mogelijk om een kleidijk op kleine schaal te laten bezwijken. Uit oogpunt van de kosten is voor een schaalmodel in de geocentrifuge gekozen. In de geocentrifuge worden de spanningen correct gemodelleerd door bij een hogere zwaartekracht te werken. De spanningen komen overeen met een prototype dijk, een dijk zoals die in de praktijk kan voorkomen. Het pipingproces dat optreedt in het zand wordt mogelijk ook beïnvloed door de verhoging van de zwaartekracht. Het gewicht van de korrels en de waterdruk in het zand nemen toe ten gevolge van de zwaartekracht, maar de kwelweglengte en grootte van de zandkorrels veranderen niet. Het is niet bekend wat de invloed van deze aspecten is op het pipingproces. In verband met het ontbreken van informatie over het verschalen van het pipingproces wordt de proevenserie in twee gedeeltes uitgevoerd. Het eerste deel, bestaande uit de voorbereidende proeven, betreft het bestuderen van het verschalen van het pipingproces in de geocentrifuge. Het tweede deel, bestaande uit de hoofdproeven, richt zich op het bezwijkproces ten gevolge van piping. Met de voorbereidende proeven kan bepaald worden bij welk verval piping optreedt onder invloed van de verhoogde zwaartekracht, zodat deze informatie verwerkt kan worden in het ontwerp van de hoofdproeven. Deze proevenserie is onderdeel van een groter geheel aan proeven. Het proevenprogramma is gestart met kleine schaal proeven om fenomenen te onderscheiden en witte vlekken te onderzoeken. Uit deze proeven volgt de invloed van de verschillende zandkarakteristieken op het pipingproces. Aan de hand hiervan wordt geprobeerd een nieuwe of aangepaste rekenregel op te stellen. Deze rekenregel zal getoetst worden in medium schaal proeven en mogelijk gevalideerd worden in een full-scale proef. Voor een eventuele full-scale proef en de praktijk is het gedrag van de dijk onder invloed van piping zeer belangrijk. Deze proeven geven een indicatie van wat er na het proces van kanaalvorming plaatsvindt en dienen als voorbereiding voor een eventuele full-scale proef en als input voor toekomstig onderzoek naar reststerkte. SBW Hervalidatie Piping 3

1.3 Doelstelling Doelstelling van SBW piping is het identificeren van onzekerheden binnen de huidige piping toetsingsregels en deze eventueel te verkleinen of elimineren. De doelstelling van het uitvoeren en analyseren van de voorbereidende proeven is het verkrijgen van inzicht in het verschalen van het pipingproces in de geocentrifuge. De doelstelling van het uitvoeren en analyseren van de hoofdproeven is het verkrijgen van inzicht in het bezwijkgedrag van dijken onder invloed van piping. De hierbij gestelde onderzoeksvragen zijn: Hoe gaan kleine kanaaltjes over in groot zandtransport? Hoe is het gedrag van de klei naar aanleiding van de onstane kanaaltjes/ kanalen? Wat is de reststerkte van de dijk, nadat piping opgetreden is? Waardoor wordt het bezwijken veroorzaakt? Treedt er verweking van het zand op? Is het doorbreken te voorspellen met bestaande macro-stabiliteitsmodellen? Bijkomend voordeel is de mogelijkheid tot verkrijgen van inzicht in het monitoren van het proces. De verwachting is dat het onderzoek zal bijdragen aan het inzicht van het gedrag van een kleidijk waaronder piping plaatsvindt. Dit is niet alleen van belang voor het ontwerp van een eventuele full-scale proef, maar ook voor het toetsen van waterkeringen in de praktijk. 1.4 Opbouw van het rapport Na dit inleidende hoofdstuk wordt kort ingegaan op de proefopstelling en de uitgevoerde proeven. De opstelling en de proeven zijn uitgebreid omschreven in de factual reports [Beek, 2008][Beek, 2009]. Hoofdstuk 3 en 4 bevat een beschrijving van de waargenomen processen en uitgevoerde metingen in respectievelijk de voorbereidende en de hoofdproeven. Deze worden verder uitgewerkt in hoofdstuk 5, waarin de resultaten geanalyseerd worden. De conclusies en aanbevelingen zijn in hoofdstuk 6 opgenomen. Tenslotte bevat hoofdstuk een literatuuroverzicht. SBW Hervalidatie Piping 4

2 Beschrijving onderzoeksopzet In dit hoofdstuk worden de onderzoeksopzet en de uitgevoerde proeven beschreven van zowel de voorbereidende proeven als de hoofdproeven. 2.1 Voorbereidende proeven 2.1.1 Proefopstelling voorbereidende proeven In de voorbereidende proeven wordt de schaling van het pipingproces bestudeerd ten behoeve van het ontwerp van de hoofdproeven. De proefopstelling voor deze proeven is vergelijkbaar met de kleine schaal proeven in de meethal. De opstelling bestaat uit een kleine doorstroombak, afgedekt met een Perspex plaat (Figuur 2.1). De doorstroombak wordt gevuld met zand dat door twee filters (bovenstrooms en benedenstrooms) op zijn plaats wordt gehouden. Over het zand wordt een verval aangebracht door de waterdruk aan de uitstroomzijde te verlagen. Het verval wordt in stappen verlaagd totdat kanaalvorming optreedt. Tijdens de proef zijn waterspanningen in de doorstroombak en het aangebrachte verval gemeten. In het model zijn hiertoe verschillende waterspanningsmeters opgenomen in de bodem van de doorstroombak. Door het meten van de waterdruk kan het verval over het zand nauwkeurig worden vastgesteld. Tevens kan bepaald worden of het zand homogeen opgebouwd is (dit uit zich in een lineair verloop van de waterspanning). Daarnaast is het pipingproces met behulp van een camera vastgelegd. Met de camerabeelden kan het patroon van kanaalvorming na de proef worden bestudeerd. benedenstrooms filter perspexplaat bovenstrooms filter Figuur 2.1 Schematisatie van de doorstroombak voor de voorbereidende proeven In Figuur 2.2 is het bovenaanzicht van de gehele opstelling weergegeven, zoals deze in de centrifuge geplaatst is. In het midden van de opstelling is de doorstroombak te zien, gevuld met zand. De doorstroombak is aan de bovenstroomse zijde aangesloten op het niveauvat, welke zorgt voor een constante waterdruk. Het niveauvat wordt op peil gehouden met water uit het voorraadvat. Aan de benedenstroomse zijde is de doorstroombak aangesloten op een plunjer, welke omhoog en omlaag kan bewegen om de waterdruk aan de uitstroomzijde te SBW Hervalidatie Piping 5

regelen. De proefopstelling is in meer detail beschreven in het factual report van de voorbereidende proeven [Beek, 2008]. Niveauvat bovenstroomse zijde Camera Doorstroombak Watervoorraadvat Plunjer t.b.v. regeling uitstroomniveau Figuur 2.2 Bovenaanzicht proefopstelling voorbereidende proeven 2.1.2 Proevenserie voorbereidende proeven In de proevenserie van de voorbereidende proeven zijn in totaal vier proeven uitgevoerd. Alle proeven zijn op Baskarp zand met een relatieve dichtheid van ca. 70-80% uitgevoerd. Er is gekozen voor Baskarp zand, omdat dit type zand al een aantal keer bij 1g beproefd is. Door de uniforme korrelverdeling en constante eigenschappen van dit type zand is het zeer geschikt voor reproduceerbaar modelonderzoek. De eigenschappen van Baskarp zand zijn opgenomen in Appendix B. In de eerste voorbereidende proef is gekozen voor een g-niveau van 80, omdat in de hoofdproeven een schalingsfactor van 80 wordt verwacht (zie 2.2.1). Bij een niveau van 80g wordt in de geocentrifuge onder vacuüm gewerkt. Het vacuüm zorgde echter voor een grote verstoring van het zandpakket. Daarnaast trad bolling van het deksel op ten gevolge van de hoge waterdrukken. Om deze aspecten te vermijden is in de navolgende proeven een g- niveau van 30 aangehouden. Dit is lager dan het verwachte g-niveau bij de hoofdproeven, maar bij 30g kan ook vastgesteld worden in hoeverre het verval bij doorbraak afwijkt van de proeven bij 1g. Proef 3 en 4 zijn succesvol uitgevoerd en zullen in de analyse worden beschouwd. In Tabel 2.1 zijn de verschillen tussen de vier proeven overzichtelijk weergegeven. SBW Hervalidatie Piping 6

Proefnummer Zanddikte g-niveau Opmerkingen 1 15 cm 80 Door bolling van het deksel en vacuüm grote verstoring van het zandpakket. 2 15 cm 30 Door zetting van het zand ruimte tussen plaat en zand 3 10 cm 30 Uitgevoerd met drukkussen. 4 10 cm 30 Uitgevoerd met drukkussen. Tabel 2.1 Overzicht proevenserie voorbereidende proeven Op basis van de resultaten van de voorbereidende proeven zijn de hoofdproeven ontworpen. In hoofdstuk 3 en 5 wordt nader ingegaan op de resultaten van deze proeven. 2.2 Hoofdproeven 2.2.1 Proefopstelling hoofdproeven In de hoofdproeven is het gedrag van een kleidijk onder invloed van piping bestudeerd. Hiervoor is een miniatuurdijk, gelegen op een zandpakket, nagemaakt in een modelopstelling. De miniatuurdijk is een verschaalde versie van een prototype dijklichaam, een dijklichaam dat representatief is voor de praktijk. De afmetingen van het prototype en het (met een factor 80) verschaalde model zijn weergegeven in Tabel 2.2. parameter Prototype dijklichaam Model bij 80 g hoogte 5 m 6,25 cm taludhelling buitentalud 1:3 1:3.34 binnentalud 1:1.5 1:1.5 taludlengte buitentalud 16.7 m 20.88 cm binnentalud 7.5 m 9.375 cm kruinbreedte 2 m 2,5 cm lengte dijkbasis 27 m 34 cm dikte zandlaag 8 m 10 cm Tabel 2.2 Afmetingen dijk en zandlichaam Uit de voorbereidende proeven is gebleken (voor meer details zie paragraaf 5.1) dat het benodigde verval om piping te laten plaatsvinden hoger is dan de dijkhoogte in het model. Om toch piping te kunnen veroorzaken in het model is een constructie bedacht waarbij het waterniveau niet tegen de dijk aan staat. Een scherm zorgt ervoor dat de waterdruk in het zand op kan lopen tot een niveau boven de waterkering en om te voorkomen dat opbarsten van de dijk optreedt, is een vulling aangebracht op het buitentalud van de dijk. Aan de benedenstroomse zijde wordt het waterniveau constant gehouden door middel van een overloop. In Figuur 2.3 en Figuur 2.4 zijn een schematisatie en een foto van de opstelling weergegeven. SBW Hervalidatie Piping 7

Figuur 2.3 Schematisatie van de opstelling voor de hoofdproeven In de proef wordt het verval en de waterdruk gemeten. Hiertoe zijn verschillende waterspanningsmeters in het zand en in de klei geplaatst. Door het meten van de waterdruk kan het verval over het zand nauwkeurig bepaald worden. Tevens kan uit de waterdrukken worden afgeleid waar het kanaal zich bevindt. Daarnaast is het mogelijk dat bezwijken plaatsvindt door flu disatie van het zand. Of flu disatie optreedt kan vastgesteld worden aan de hand van de waterdrukken. In de klei worden waterdrukken gemeten om de consolidatiegraad van de klei te bepalen. Met een drietal camera s wordt het ontstaan van zandkraters aan de teen en de vervorming van de dijk gemonitord. Om kleine vervormingen van de dijk waar te kunnen nemen is de klei voorzien van groene en gele spikkels (Figuur 2.4). Figuur 2.4 Vooraanzicht strongbox met model 2.2.2 Proevenserie hoofdproeven In de proevenserie van de hoofdproeven zijn in totaal drie proeven uitgevoerd. Deze proeven zijn identiek uitgevoerd met uitzondering van enkele kleine aanpassingen. Het belangrijkste SBW Hervalidatie Piping 8

verschil tussen de proeven is het gebruik van meerdere tegen elkaar geperste kleibroden in de eerste twee proeven en het gebruik van 1 geperst kleibrood in de laatste proef. In alle proeven is gebruik gemaakt van (gekleurd) Baskarp zand bij een relatieve dichtheid van ca. 70-80%. De kleuring is aangebracht om de lengte van het kanaal te kunnen schatten op basis van het geproduceerde zand bij de teen van de dijk. Baskarp is een geschikt zand voor deze proeven door zijn uniforme korrelverdeling en constante eigenschappen. Voor meer informatie over dit soort zand wordt verwezen naar Appendix B. De gebruikte kleisoort is Vingerling klei (boetseerklei). De eenvoudige verwerking en relatief geringe gevoeligheid voor erosie maken deze klei geschikt voor de proef. De eigenschappen van deze klei zijn weergegeven in Appendix C. De proef is uitgevoerd zonder consolidatie van de klei. De eerste en derde proef zijn succesvol uitgevoerd. Bij de tweede proef trad scheurvorming in de klei op, zodanig dat het bezwijkgedrag als niet realistisch kan worden beschouwd. In de analyse zal deze proef daarom alleen gebruikt worden bij het analyseren van de kanaalvorming. SBW Hervalidatie Piping 9

3 Waarnemingen voorbereidende proeven 3.1 Patroon kanaalvorming Het patroon van kanaalvorming wordt omschreven volgens de terminologie die geïntroduceerd is in het analyserapport van de kleine schaal proeven [Beek, Knoeff, 2009]. In de voorbereidende proeven (proef V3 en V4) zijn achtereenvolgens de volgende processen opgetreden: Initieel proces: meervoudig klassiek Enkele kleine terugschrijdende kanaaltjes zijn ontstaan aan de benedenstroomse zijde. Deze kanaaltjes stabiliseren weer en worden hooguit één centimeter in lengte. Met het verhogen van het verval worden de kanaaltjes iets dieper en breder, maar niet veel langer. Hierbij wordt opgemerkt dat tijdens het aanbrengen van het g-niveau in de proeven een vergroting van de kwelweglengte waargenomen is. Vermoedelijk is het zand iets opgedrukt door het op druk komen van het kussen. De kanaaltjes groeien niet verder dan de oorspronkelijke grens van het zand. Vervolg proces: Klassiek terugschrijdend Na verhogen van het verval vindt klassieke terugschrijdende erosie plaats. Er ontstaat een kanaal met zeer veel vertakkingen, dat snel richting de bovenstroomse zijde groeit. Er treedt geen stabilisatie van het kanaal op. Eind proces: ruimen Zodra het kanaal de bovenstroomse zijde bereikt vindt ruimen plaats. 3.2 Verval bij doorbraak Bij beide proeven is bij het begin van kanaalvorming (het eerste waargenomen zandtransport) direct ook doorbraak opgetreden. Dit verval bij doorbraak is enigszins vergelijkbaar met het kritieke verval, wat berekend wordt met de methode van Sellmeijer. Immers, zodra het verval iets hoger is dan het kritieke verval vindt volgens dit model progressieve erosie en doorbraak plaats. In de experimenten wordt het kritieke verval niet gemeten, maar alleen het verval bij doorbraak. Aangezien het verhogen van het verval per centimeter plaatsvindt, is het verschil tussen kritiek verval en verval bij doorbraak maximaal 1 cm. Het verval bij doorbraak is gemeten met behulp van waterspanningsmeters, die aan het begin en einde van het zandpakket geplaatst zijn. Correctie voor de weerstand van het systeem (zoals gebruikelijk bij de kleine schaalproeven) is dus niet nodig. In onderstaande tabel is het verval bij doorbraak gegeven voor beide proeven. Proefnr H exp [mm] 3 103 4 126 Tabel 3.1 Overzicht verval bij doorbraak proef 3 en 4 SBW Hervalidatie Piping 10

Op basis van de gemeten vervallen kunnen de schaaleffecten worden bepaald en kunnen de hoofdproeven worden ontworpen. Voor de analyse van deze schaaleffecten wordt verwezen naar paragraaf 5.1. SBW Hervalidatie Piping 11

4 Waarnemingen hoofdproeven 4.1 Patroon kanaalvorming In de hoofdproeven is het zand afgedekt met een kleidijk, waardoor het patroon van kanaalvorming niet in detail kan worden bestudeerd. Uit de zandproductie aan de teen van de dijk kan de richting van het zandtransport echter wel vastgesteld worden. De waargenomen kleuren zand bij het uittredepunt geven een indicatie voor de locatie van het kanaal. In onderstaande tabellen is weergegeven welke kleur zand waargenomen is in welke volgorde. Hierbij zijn alleen proef 2 en 3 beschouwd, omdat in de eerste proef het kleurverschil minder goed zichtbaar was. Naast de kleur van het waargenomen zand is ook de bijbehorende lengte van het kanaal weergegeven. Omdat de kleuren een bepaalde afstand beslaan, kan de exacte lengte niet worden weergegeven. Er wordt daarom een mogelijke range weergegeven in plaats van een exacte lengte. De maximale lengte van het kanaal bedraagt 360 mm. Aangezien de kleurvolgorde van beneden naar bovenstrooms naturel groen rood zwart was (zoals te zien in Figuur 4.1), kan worden gesteld dat het proces terugschrijdend van aard was. Proef 2 Tijdstip Waargenomen kleur Lengte van kanaal [mm] 11:56 naturel en groen 0 170 12:16 rood 170 255 12:17 zwart 255 360 Proef 3 Verval [cm] Waargenomen kleur Lengte van kanaal [mm] 12:10 naturel 0 85 12:16 Groen 85 170 12:24 rood 170 255 12:40 zwart 255 360 Tabel 4.1 Waargenomen kleuren zand bij uittredepunt Figuur 4.1 Schematisatie van de opstelling voor de hoofdproeven Opvallend was het dat het zandtransport meerdere malen stagneerde. Dit is niet waargenomen in de voorbereidende proeven en in de kleine schaal proeven bij 1g. Tevens is SBW Hervalidatie Piping 12

in alle proeven waargenomen dat na fors zandtransport de dijk vervormde. Met beeldanalyse is dit bevestigd. Figuur 4.2 Inzakken van de waterkering ten gevolge van kanaalvorming Na een periode van weinig zandtransport (enkele wolkjes zand) is in alle proeven de dijk doorgebroken. Het zandtransport nam zeer sterk toe en plotseling zakte de dijk in het zand tot een diepte van ca. 5 cm. De dijk bewoog hierbij naar beneden en richting de benedenstroomse zijde, zoals te zien is in onderstaande figuren. Aan de bovenstroomse zijde werd een fors gat geslagen in het zand, zoals te zien in figuur Figuur 4.4. a) b) Figuur 4.3 Vooraanzicht net voor en na bezwijken SBW Hervalidatie Piping 13

Figuur 4.4 Het bezweken model Voor meer detail over de waarnemingen wordt verwezen naar de factual reports van deze proeven [Beek, 2009]. 4.2 Verval bij doorbraak In de hoofdproeven zijn bij verschillende vervallen veranderingen waargenomen. Er is bij verschillende vervallen zandtransport opgetreden en uiteindelijk is bezwijken opgetreden. De hierbij horende vervallen worden als volgt aangeduid: Verval bij eerste zandtransport: het verval waarbij voor het eerst zandkraters zijn waargenomen. Verval bij doorbraak: het verval waarbij de dijk bezwijkt ten gevolge van kanaalvorming. Het hydraulisch verval bij doorbraak en het kritiek verval (berekend verval op basis van model van Sellmeijer) zouden in theorie met elkaar vergelijkbaar moeten zijn, waarbij de aanname wordt gemaakt dat de dijk geen noemenswaardige invloed heeft op het ontstaan en groeien van het kanaal (vigerende modellen). In onderstaande tabel zijn voor de drie uitgevoerde proeven weergegeven bij welk verval welke verandering waargenomen is. De waarneming zandtransport geeft aan dat er zandproductie waargenomen is bij de teen van de dijk. Proefnummer Verval [cm] Waarneming 4,5-5,3 geen zandtransport 6,3-7,4 zandtransport, geen vervorming dijk Proef 1 8,3-9,2 Zandtransport, vervorming dijk 10,1-15,8 geen zandtransport 16,7 bezwijken dijk Proef 2 4,5 geen zandtransport 4,6-6,3 zandtransport, geen vervorming dijk 7,2-8,2 Zandtransport, vervorming dijk SBW Hervalidatie Piping 14

9,2 geen zandtransport 10,1 Zandtransport, vervorming dijk 11,1-14,0 geen zandtransport 15 bezwijken dijk Proef 3 Tabel 4.2 4,1-5,3 geen zandtransport 6,3 Zandtransport, geen vervorming dijk 7,2-8,2 Zandtransport, vervorming dijk 9,2-11,2 geen zandtransport 12,1 bezwijken dijk Samenvatting waarnemingen bij de hoofdproeven In alle proeven is hetzelfde verloop in zandtransport waargenomen. Bij een verval van ca. 5 cm worden de eerste zandkraters waargenomen. Na verloop van tijd stagneert de zandtoevoer naar deze kraters. Bij het verhogen van het verval neemt de zandproductie weer toe en vindt wederom stagnatie van de zandproductie plaats. Dit gaat enkele stappen zo door totdat een verval bereikt wordt van ca. 8-9 cm. Vanaf dit verval vindt niet alleen zandtransport plaats, maar ook vervorming van de dijk. Vervolgens is er een periode met weinig tot geen zandtransport. Bij een verval van ca. 15 cm neemt het transport plotseling sterk toe en vindt bezwijken van de dijk plaats. Samengevat zijn er vier fasen te noemen: fase 1 (verval ca. 5-8 cm): herhaaldelijk toenemen en stagneren van zandproductie. Geen vervorming van de dijk. fase 2 (verval ca. 8-9 cm): sterke toename van zandtransport en vervorming van de dijk. Stagnatie van zandtransport. fase 3 (verval ca. 9-14 cm): nauwelijks tot geen zandtransport fase 4 (verval ca. 15 cm): plotselinge sterke toename van het zandtransport en bezwijken van de dijk Voor meer detail over de waarnemingen wordt verwezen naar de factual reports van de proeven [Beek, 2009]. SBW Hervalidatie Piping 15

5 Analyse In dit hoofdstuk worden de resultaten van de centrifugeproeven nader geanalyseerd om de onderzoeksvragen (zoals genoemd in de introductie) te beantwoorden: 1 Hoe verschaalt het pipingproces in de centrifuge? 2 Hoe gaan kleine kanaaltjes over in groot zandtransport? 3 Hoe is het gedrag van de klei naar aanleiding van de onstane kanaaltjes/ kanalen? 4 Wat is de reststerkte van de dijk, nadat piping opgetreden is? 5 Waardoor wordt het bezwijken veroorzaakt? Treedt er verweking van het zand op? 6 Is het doorbreken te voorspellen met bestaande macro-stabiliteitsmodellen? 7 Geven waterspanningsmetingen inzicht in het proces? Om deze vragen te beantwoorden is een verdeling in onderwerpen gemaakt. De eerste vraag zal geanalyseerd worden in de eerste paragraaf schalingseffecten. In de tweede en derde paragraaf wordt ingegaan op de kanaalvorming en het verval waarbij dit plaatsvindt. Deze onderwerpen beantwoorden niet direct een van de onderzoeksvragen, maar zijn wel belangrijk voor het valideren van het model van Sellmeijer. In paragraaf 4, wordt het gedrag van de klei beschreven en wordt ingegaan op onderzoeksvraag 3 en 4. Onderzoeksvraag 2, 5 en 6 worden behandeld in paragraaf 5 van dit hoofdstuk, waarin het verval bij doorbraak en het bezwijken van de waterkering worden geanalyseerd. Tenslotte zijn in paragraaf 6 de monitoringsaspecten beschreven en wordt in paragraaf 7 een samenvatting gegeven. 5.1 Schalingseffecten Om het gedrag van klei correct te modelleren is het noodzakelijk dat de hoofdproeven uitgevoerd worden in de geocentrifuge. Het verhoogde g-niveau kan echter ook effect hebben op het pipingproces. De voorbereidende proeven zijn uitgevoerd om deze schaaleffecten te onderzoeken. Deze schaaleffecten zijn van belang voor het ontwerp van de hoofdproeven. Indien, net zoals in de kleine schaal proeven bij 1g, verhangen van ca. 1:2 benodigd zijn om pipingkanalen te laten ontstaan, zijn extra maatregelen nodig om het verval aan te brengen zonder de dijk te laten overstromen. Indien, net als in de praktijk, verhangen van ca. 1:10 benodigd zijn om pipingkanalen te laten ontstaan, dan zijn geen additionele maatregelen nodig. In onderstaande paragrafen wordt ingegaan op de theorie rondom de schaaleffecten en wordt een vergelijking gemaakt tussen de theorie en de voorbereidende proeven. 5.1.1 Theorie met betrekking tot schaaleffecten Op basis van de theorie (model van Sellmeijer) [Sellmeijer, 1988] wordt verwacht dat het g- niveau geen invloed heeft op het kritieke verval. In onderstaande tekst wordt dit uiteengezet. De regel van Sellmeijer is als volgt gedefinieerd: H c = c ( p / w ) tan ( ) (0,68 0,10 ln (c)) L (5.1) met: SBW Hervalidatie Piping 16

en: D ( ) L 0.28 D 2,8 ( ) 1 L (5.2) c = d 70 {1/ ( L)} 1/3 (5.3) Waarin: H c = kritieke verval over de waterkering p = (schijnbaar) volumegewicht van de zandkorrels onder water (17 kn/m 3 ) w = volumegewicht van water [kn/m 3 ] = rolweerstandshoek van de zandkorrels [ ] = coëfficiënt van White [-] = intrinsieke doorlatendheid van de zandlaag [m 2 ] d 70 = 70-percentielwaarde van de korrelverdeling [m] D = dikte van de zandlaag [m] L = lengte van de kwelweg (horizontaal gemeten) [m] In de regel van Sellmeijer worden twee parameters beïnvloed door de zwaartekracht: het volumegewicht van zand en het volumegewicht van water. Als deze factoren toenemen met een factor n (als indicatie voor het g-niveau), dan blijft het kritieke verval gelijk. Dit betekent dat er volgens dit model geen invloed van een verhoogd g-niveau is op het kritieke verval. Het kritieke verval zou dus gelijk moeten zijn aan de gemeten vervallen bij doorbraak in de kleine schaal proeven, die bij 1g zijn uitgevoerd [Beek, Knoeff, 2009]. Hoewel een verhoging van het g-niveau theoretisch beschouwd geen invloed heeft op het kritiek verval, kan de verhoging van het g-niveau wel effect hebben op het Reynolds getal. Het Reynolds getal bepaalt of de stroming in het zand en in het kanaal laminair is. Het Reynolds getal is gedefinieerd als: qd Re 1) Waarin: q = vloeistofsnelheid [m/s] D = korreldiameter hydraulische straal [m] = kinematische viscositeit [m 2 /s] De kinematische viscositeit en de korreldiameter worden niet beïnvloed door het g-niveau. De vloeistofsnelheid wordt bepaald door de doorlatendheid van het zand en het verval over het zand (Wet van Darcy): h q k 2) x Waarin: q = vloeistofsnelheid [m/s] k = doorlatendheid [m/s] h/ x = verhang over het zand SBW Hervalidatie Piping 17

Het verhang over het zand wordt niet beïnvloed door het g-niveau. De doorlatendheid wordt bepaald door de intrinsieke doorlatendheid, het volumegewicht van water en de viscositeit, volgens de volgende relatie: g k 3) Waarin: : intrinsieke doorlatendheid k: doorlatendheid v: kinematische viscositeit Uit deze formule volgt dat bij een toename van de zwaartekracht met een factor n, de doorlatendheid met een factor n- toeneemt. Indien de doorlatendheid met een factor n toeneemt, zal ook het debiet (volgens formule 2) met een factor n toenemen. Dit heeft tot gevolg dat het Reynolds getal ook met een factor n toeneemt bij een verhoging van de zwaartekracht met factor n, aangezien de kinematische viscositeit voor 1g en n g hetzelfde is (formule 1). In onderstaande tabel zijn de Reynolds getallen voor modellen bij 1g en 80g weergegeven, uitgaande van stroming door het zand optredend bij het berekende kritieke verval. Re Tabel 5.1 model 1g model ng 3,12E-03 2,50E-01 Reynolds getal voor model en prototype Het Reynolds getal is in beide gevallen kleiner dan 1. Dit betekent dat ervan uitgegaan kan worden dat de stroming in het zand laminair is en dat de wet van Darcy geldig is [Fetter, 1994]. De berekening van het Reynolds getal in het kanaal is lastig, omdat de afmetingen van het kanaal sterk wisselen per proef. Gezien het feit dat in de kleine schaal proeven bij 1g het debiet nauwelijks toeneemt bij kanaalvorming en het feit dat in buisstroming pas turbulentie op kan treden vanaf Re=2000, wordt dit niet waarschijnlijk geacht. 5.1.2 Vergelijking tussen theorie en praktijk Volgens de theorie (model van Sellmeijer) heeft het verhogen van het g-niveau geen effect op het kritiek verval. In deze paragraaf wordt het berekende kritieke verval vergeleken met het verval bij doorbraak in de voorbereidende proeven bij 30g en in de eerder uitgevoerde proeven bij 1g [Beek, Knoeff, 2009]. Omdat het kritieke verval gedefinieerd is als het verval waarbij regressieve erosie over gaat in progressieve erosie is het berekende kritieke verval vergelijkbaar met het gemeten verval waarbij doorbraak plaatsvindt. Voor beide voorbereidende proeven (V3 en V4) is een kritiek verval berekend van ca. 15.5 cm. Het verval bij doorbraak gemeten in proef V3 en V4 was respectievelijk 10.3 en 12.6 cm. Er is dus enkele centimeters verschil tussen de gemeten en berekende waarden. De gemeten en berekende vervallen van deze proeven zijn weergegeven in Figuur 5.1. In de kleine schaalproeven (B35, B36, B55)[Beek, Knoeff, 2009] is onder dezelfde omstandigheden als de voorbereidende proeven Baskarp zand beproefd (met uitzondering SBW Hervalidatie Piping 18

van het g-niveau). De gemeten en berekende vervallen vervallen van deze proeven zijn ook weergegeven in Figuur 5.1. Verval [cm] 18 16 14 B35 B36 B55 12 V4 10 V3 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 Proefnummer exp sell (k=7e-5m/s) sell (k=5e-5m/s) Figuur 5.1 Overzicht gemeten en berekende vervallen Uit Figuur 5.1 kan afgeleid worden dat de gemeten vervallen bij doorbraak in de voorbereidende proeven lager zijn dan de berekende kritieke vervallen. Dit is niet het geval voor de proeven bij 1g. Op basis hiervan kan worden gesteld dat het g-niveau een kleine invloed heeft. Mogelijk wordt het verschil in verval veroorzaakt door een verschil in stroomsnelheid of turbulentie. Het verhang over het zandpakket bij doorbraak in de voorbereidende proeven is echter bij lange na niet vergelijkbaar met een praktijksituatie (verhang van 1:3 vs verhang van ca. 1:10), zodat voor de hoofdproeven maatregelen genomen moeten worden om piping te veroorzaken, zonder de dijk te laten overstromen. 5.2 Kanaalvorming In deze paragraaf wordt ingegaan op het verloop van de kanaalvorming totdat bezwijken plaatsvindt. Het type en verloop van de kanaalvorming is geen directe doelstelling van deze proevenserie, maar het is wel van belang voor de validatie van het model van Sellmeijer en is om die reden toch opgenomen in dit rapport. De analyse van de kanaalvorming is tweeledig. Het patroon van de kanaalvorming wordt besproken in paragraaf 5.2.1. In paragraaf 5.2.2 zal ingegaan worden op het stabiliseren van de kanalen. Met het stabiliseren van kanalen wordt het stagneren van het zandtransport bij een constant verval bedoeld, als teken dat kanalen niet verder doorgroeien. Dit is waargenomen in de hoofdproeven, maar niet in de voorbereidende proeven. 5.2.1 Patroon van kanaalvorming Het patroon van kanaalvorming was in zowel de voorbereidende proeven als de hoofdproeven terugschrijdende erosie. Een vergelijking met het model van Sellmeijer is daarom gerechtvaardigd. SBW Hervalidatie Piping 19

5.2.2 Stabilisatie van kanalen Het stabiliseren van kanalen is waargenomen in de hoofdproeven, maar niet in de voorbereidende proeven. In de hoofdproeven zijn de volgende fasen van zandtransport waargenomen (zie paragraaf 4.2): fase 1 (verval ca. 5-8 cm): herhaaldelijk toenemen en stagneren van zandproductie. Geen vervorming van de dijk. fase 2 (verval ca. 8-9 cm): sterke toename van zandtransport en vervorming van de dijk. Stagnatie van zandtransport. fase 3 (verval ca. 9-14 cm): nauwelijks tot geen zandtransport fase 4 (verval ca. 15 cm): plotselinge sterke toename van het zandtransport en bezwijken van de dijk Er is in de hoofdproeven dus zowel in fase 1 en in fase 2 stabilisatie van kanalen waargenomen. In de voorbereidende proeven is alleen doorgaand zandtransport waargenomen: zodra kanaalvorming optrad, groeide het kanaal direct door naar de bovenstroomse zijde. Ook in de kleine schaalproeven [Beek, Knoeff, 2009] was het niet stabiliseren van kanaaltjes een belangrijke waarneming; er was geen sprake van een kritiek verval, waarboven progressieve erosie plaatsvond en waaronder stabilisatie van kanalen optrad. Theoretisch gezien is het stabiliseren van kanalen conform de verwachting. Volgens het model van Sellmeijer wordt het ontstaan van kanaaltjes bepaald door het krachtenevenwicht op de korrel en het stromingsregime in het kanaal en het zand. De consequentie van dit model is dat de groei van kanaaltjes uiteindelijk stopt zolang het actuele verval kleiner is dan het kritieke verval. Na het kritieke verval wordt progressieve erosie verondersteld: de kanaaltjes groeien door totdat de rivierzijde bereikt wordt. Een verschil tussen de voorbereidende proeven en de hoofdproeven, wat het verschil in stabilisatie van kanalen mogelijk kan verklaren, is de grondwaterstroming. De grondwaterstroming in de voorbereidende proeven is meer rechtlijnig dan de grondwaterstroming in de hoofdproeven (Figuur 5.2). De uittreeverhangen zijn hierdoor mogelijk hoger bij de hoofdproeven. Figuur 5.2 Schematisatie en potentiaalverloop van voorbereidende proeven (links) en hoofdproeven (rechts), berekend met MSeep Een ander verschil tussen beide soorten proeven is de aanwezigheid van de kleilaag in de hoofdproeven. De vervormingen in de klei die optreden ten gevolge van kanaalvorming kunnen in de hoofdproeven mogelijk leiden tot stagnatie van het zandtransport. Tenslotte is er een verschil in zandafzetting tussen beide proeven. Bij de voorbereidende proeven wordt het zand dat geproduceerd wordt direct afgevoerd. De vorming van SBW Hervalidatie Piping 20

zandkraters in de hoofdproeven zou tot een vergroting van de kwelweglengte kunnen leiden waardoor het zandtransport stagneert. In Appendix D zijn deze mogelijke verklaringen verder uitgewerkt. De combinatie van verschil in grondwaterstroming en afzetting van het zand is een mogelijke verklaring voor fase 1. Voor fase 2 is deze verklaring niet afdoende. In paragraaf 5.3 zal nader ingegaan worden op het gedrag van de klei ten gevolge van de kanaalvorming, als mogelijke verklaring voor het stabiliseren van kanalen. 5.3 Verval bij doorbraak Het bepalen van het verval bij doorbraak is geen doelstelling van deze proevenserie. Het vergelijken van vervallen bij doorbraak van de voorbereidende proeven en de hoofdproeven levert echter wel inzicht in het complete proces van piping, van kleine kanaaltjes tot bezwijken van de dijk, en wordt daarom in deze paragraaf besproken. Uiteindelijk draaien alle predictiemodellen voor piping om het bepalen van het verval waarbij falen van de waterkering op kan treden. Bij het model van Sellmeijer is hiervoor het kritiek verval gedefinieerd. Dit is het verval waarbij regressieve erosie (kanalen stabiliseren) overgaat in progressieve erosie (kanalen stabiliseren niet). In de experimenten is het kritiek verval niet gemeten, maar het verval waarbij doorgaande kanaalvorming optreedt en het verval waarbij bezwijken optreedt zijn wel gemeten. In deze paragraaf zijn de vervallen als volgt gedefinieerd: Kritiek verval: het verval berekend met model van Sellmeijer. Dit is het verval waarboven progressieve erosie plaatsvindt. Verval bij doorbraak (voorbereidende proeven): het verval waarbij het kanaal de bovenstroomse zijde bereikt en het proces van ruimen plaatsvindt. Verval bij doorgaande kanaalvorming (hoofdproeven): het verval waarbij het kanaal de bovenstroomse zijde bereikt. Verval bij doorbraak (hoofdproeven): het verval waarbij de dijk bezwijkt ten gevolge van kanaalvorming. Deze vier vervallen zouden in theorie vergelijkbaar moeten zijn, waarbij de aanname wordt gemaakt dat de kleidijk geen noemenswaardige invloed heeft op het ontstaan en groeien van het kanaal (vigerende modellen). In onderstaande grafiek zijn de genoemde vervallen van de voorbereidende proeven (V3 en V4) en de hoofdproeven (H1 t/m 3) uitgezet. Voor de berekende vervallen van de hoofdproeven is de doorlatendheid afgeleid uit de kleine schaal proeven die uitgevoerd zijn bij vergelijkbare dichtheid. Deze verwachte doorlatendheid varieert tussen 7E-5 m/s en 5E-5m/s. SBW Hervalidatie Piping 21

Verval [cm] 18 H1 16 14 H2 12 V4 H3 10 V3 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 Proefnummer exp sell (k=6e-5m/s) sell (k=5e-5m/s) Figuur 5.3 Overzicht gemeten en berekende vervallen In de hoofdproeven is het echter onwaarschijnlijk dat de kleidijk geen invloed heeft op het verval bij doobraak. Uit de foto s kan namelijk opgemaakt worden dat het zwarte zand (meest bovenstroomse kleur) al bij een vrij laag verval bereikt wordt. Gezien de hoeveelheden zwart zand die in de proeven waargenomen worden, is zeker driekwart van de kwelweglengte al bij een relatief laag verval bereikt (in fase 2). Het is onwaarschijnlijk dat de erosie op dit moment nog regressief is. Het bezwijken vindt echter pas plaats bij een verval van ca. 15 cm. Dit zou betekenen dat het kritieke verval, zoals gedefinieerd in het model van Sellmeijer, niet vergeleken kan worden met het verval bij bezwijken zoals gemeten in de hoofdproeven. Het verval waarbij het zwarte zand bereikt wordt zou beter overeen moeten komen met het berekende kritieke verval. In onderstaande grafiek is dit uitgezet. Ter vergelijking zijn ook de voorbereidende proeven toegevoegd. 18 16 14 12 V4 Verval [cm] 10 8 6 V3 H1 H2 H3 exp sell (k=6e-5m/s) sell (k=5e-5m/s) 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 Proefnummer Figuur 5.4 Overzicht gemeten en berekende vervallen SBW Hervalidatie Piping 22

Het eerder vastgestelde schaaleffect (zoals omschreven in paragraaf 5.1) lijkt bij 80 g ook een rol te spelen. In onderstaande grafiek is het gemeten en berekend verval uitgezet tegen het g-niveau. Er is inderdaad een effect van het g-niveau, wat op basis van het model van Sellmeijer niet direct voorspeld kan worden. Mogelijk heeft dit te maken met de stroomsnelheid door het medium. 18 16 14 verval [cm] 12 10 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 100 g-niveau [-] exp sell (k=7e-5m/s) sell (k=5e-5m/s) Figuur 5.5 Relatie tussen g-niveau en gemeten en berekende vervallen Hoewel er al in fase 2 sprake was van zwart zand (en dus ook van een doorgaand kanaal) is geen bezwijken opgetreden. Het vermoeden bestaat dat de vervorming van de klei tot een stagnatie van het zandtransport heeft geleid. Hier zal in paragraaf 5.4 op ingegaan worden. Met betrekking tot het verval bij het begin van zandtransport is er is een opvallend verschil tussen de voorbereidende proeven en de hoofdproeven. Bij de voorbereidende proeven is het doorbraakverval gelijk aan het verval bij eerste kanaalvorming. Bij de hoofdproeven is het verval bij waarneming van zwart zand hoger dan het verval bij eerste kanaalvorming, zoals te zien is in onderstaande tabel. proef Verval bij begin kanaalvorming [cm] Verval bij doorbraak/zwart zand [cm] V3 10,3 10,3 V4 12,6 12,6 H1 7,4 9.2 H2 4,6 7.2 H3 6,3 8.2 Tabel 5.2 Overzicht gemeten verval bij begin kanaalvorming en gemeten verval bij doorbraak Er zijn verschillende verklaringen denkbaar. Deze mogelijke verklaringen zijn in Appendix E verder uitgewerkt. De aanwezigheid van verschillen in grondwaterstroming in beide proeven lijkt de meest aannemelijke verklaring, maar dient verder te worden onderzocht. Het volgende kan geconcludeerd worden uit de analyse met betrekking tot het verval: Bij de hoofdproeven start kanaalvorming bij een significant lager verval dan bij de voorbereidende proeven SBW Hervalidatie Piping 23

De productie van grote hoeveelheden zwart zand bij een verval dat ver onder het verval bij doorbraak ligt geeft aan dat andere processen dan regressieve erosie voor het stagneren van het zandtransport zorgen. Het is mogelijk dat de vervorming van de dijk hierbij een rol speelt. Het verval bij bezwijken is daarom niet vergelijkbaar met het kritiek verval. Mogelijk heeft het patroon van grondwaterstroming invloed op het eerder starten van kanaalvorming bij de hoofdproeven dan bij de voorbereidende proeven. Nader onderzoek wordt hier aanbevolen. 5.4 Gedrag van klei boven kleine kanaaltjes Een van de onderzoeksvragen in deze proevenserie is het bepalen van het gedrag van de klei na het ontstaan van kanaaltjes en kanalen. In deze paragraaf wordt besproken hoe de klei reageert op het ontstaan van kleine kanaaltjes. Het gedrag van de klei in de bezwijkfase (naar aanleiding van grotere kanalen) zal in paragraaf 5.5 worden besproken. Het gedrag van klei boven kanaaltjes is niet eerder bestudeerd. Experimenten die uitgevoerd zijn om het proces van piping te onderzoeken hebben zich tot nu toe gericht op het proces in het zand en de klei werd hierin als vaste laag verondersteld. De dijk boven het zand is in experimenten om die reden ook vaak gemodelleerd als een transparante plaat of een andere rigide afsluiting. In enkele proeven (zoals de proeven van De Wit [Wit, 1984]) is wel een kleilaag toegepast boven de zandlaag. De bovenbelasting in deze proeven komt echter niet overeen met de bovenbelasting van een echte dijk, waardoor het gedrag van klei boven kanaaltjes niet goed bestudeerd kon worden. Doordat de hoofdproeven in de centrifuge uitgevoerd zijn is de spanningssituatie in de klei vergelijkbaar met een praktijksituatie. De sterkte-eigenschappen van de klei zijn om die reden correct gemodelleerd. De grootte van de zandkorrels zijn echter niet vergelijkbaar met een praktijksituatie, omdat deze niet meeschalen. De zandkorrels houden ook in het model een grootte van 0.155 mm (d70). De gevormde kanalen zijn dus in vergelijking met de praktijk een factor 80 te groot, zowel in diepte als in breedte. Met dit aspect moet rekening gehouden worden bij de vertaling van de resultaten naar de praktijkschaal. In deze paragraaf wordt ingegaan op de volgende vragen m.b.t. vervorming van de klei: Wanneer treedt vervorming van de klei op? Leidt de vervorming tot het stabiliseren van kanalen in fase 1 Leidt de vervorming tot het stabiliseren van kanalen in fase 2 Wat betekenen deze vervormingen voor het gedrag van klei boven kanalen in de praktijk? Voor de verklaring van fase 1 en 2 wordt verwezen naar paragraaf 4.2. Met behulp van beeldanalyse kan bepaald worden wanneer er vervorming van de klei is opgetreden. Deze vervormingen kunnen als vectoren worden geplot in de foto zelf, zoals weergegeven in de onderstaande figuur. SBW Hervalidatie Piping 24

Figuur 5.6 Inzakken waterkering ten gevolge van kanaalvorming (proef 1, verval 9.2 cm) Om kwalitatief te beoordelen wanneer vervorming plaatsvindt is voor de eerste uitgevoerde centrifugeproef een indicatieve vervorming in de tijd bepaald. Deze indicatieve vervorming is de gemiddelde verplaatsing van alle vectoren. In onderstaande grafiek is zowel de cumulatieve vervorming als de vervorming t.o.v. de voorgaande foto weergegeven (donkerblauwe lijnen). Daarnaast is het verval weergegeven wat aangebracht is over het zand evenals de fasering, zoals omschreven in paragraaf 4.2. SBW Hervalidatie Piping 25

Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 Figuur 5.7 Gemiddelde vervormingen (cumulatief en niet-cumulatief) en verval uitgezet tegen de tijd Uit bovenstaande grafiek kan afgeleid worden dat er in fase 1 van de proef (1100-4200s) geen significante vervormingen van de klei opgetreden zijn. De geringe vervormingen die te zien zijn in de grafiek zijn veroorzaakt door zetting. In deze fase, van 2654s tot 3853s (verval van 7.4cm) is echter wel zand geproduceerd langs de gehele benedenstroomse rand. In deze fase kan de kanaalvorming dus niet gestabiliseerd zijn ten gevolge van inzakking van de klei. Bij een verval van 8.3 cm (fase 2) wordt een van de zandkraters groter en treedt vervorming op nabij de teen van de dijk, zoals aangegeven in onderstaande figuur. Het is onduidelijk of de kanaalvorming stagneert ten gevolge van de inzakking. SBW Hervalidatie Piping 26

Figuur 5.8 Vervormingen bij een verval van 8.3 cm (verschaald met factor 20) Bij een verval van 9.2 cm (fase 2) treedt zeer sterke kanaalvorming op, wat geconcludeerd is op basis van de grote uitbreiding van zandkraters. Dit is goed te zien in de grafiek waarin de vervormingen zijn uitgezet (Figuur 5.7). Uit de foto s blijkt dat na de inzakking van de dijk het zandtransport stagneert. In navolgende periode (fase 3) treedt geen tot weinig zandtransport op. Het is mogelijk dat de ingezakte klei een barrière vormt voor het ontstaan van doorgaande kanalen. Dit zou het ontbreken van zandtransport bij de vervallen 10.1-15.8 kunnen verklaren. Uitgaande van de opgetreden vervormingen uit de beeldanalyse is langs de wand maximaal 2mm zakking opgetreden. Uit de foto s met bovenaanzichten blijkt dat vervorming vooral in het midden van dijk (en in mindere mate langs de voor- en achterwand) opgetreden is. De vervorming komt overeen met de te verwachten dikte van het kanaal, die volgens huidige ideeën ongeveer 10*d70 bedraagt. Aangezien Baskarp zand een d70 heeft van 0.155 mm is een inzakking van slechts enkele millimeters goed denkbaar. De dijk heeft dus ook na het vormen van doorgaande kanalen een behoorlijke reststerkte, doordat de kanalen weer dichtgedrukt worden. Om de vraag te beantwoorden of in de praktijk ook rekening gehouden moet worden met het dichtdrukken van kanalen moet het schaaleffect van het zand beschouwd worden. Hoewel de spanningen in de kleidijk en op het zand in overeenstemming met de praktijk gemodelleerd zijn, is de korrelgrootte niet verschaald. De gevormde kanalen zijn hierdoor, in vergelijking met de praktijk, te groot. Aanbevolen wordt om in de medium schaal proeven het verschalen van de afmetingen van kanalen te bestuderen. Op basis van een realistische inschatting van de verwachte kanaalgrootte in de praktijk, zou het effect van het vervormen van de klei boven de kanalen bestudeerd kunnen worden met behulp van berekeningen in Plaxis. Het is goed mogelijk dat SBW Hervalidatie Piping 27

het dichtdrukken van kanalen een onevenredig groot effect heeft in de centrifugeproeven en dat er hierdoor barrières van klei gevormd worden die niet realistisch zijn voor de praktijk. In deze paragraaf is alleen de eerste proef beschouwd. De tweede en derde proef laten echter een soortgelijk verloop van zandtransport en vervormingen zien. Samengevat kan het volgende worden gesteld: Kanaalvorming resulteert niet altijd in vervorming van de klei. Aan het begin van de eerste proef is geen vervorming waargenomen, maar wel zandtransport (fase 1). In fase 2 is zowel zandtransport als vervorming van de klei waargenomen. De vervorming van de klei zou in fase 2 een barrière gevormd kunnen hebben waardoor het zandtransport stagneert en slechts na sterke verhoging van het verval weer op gang komt. Het dichtdrukken van kanalen zorgt in deze proeven voor een significante reststerkte. In verband met de onrealistische maten van het kanaal in verhouding met de praktijk heeft het dichtdrukken van de kanalen mogelijk onevenredig veel invloed in de proeven. Op basis van grotere schaal proeven (hoe groeit de afmeting van het kanaal?) en Plaxis berekeningen kan mogelijk een meer correcte inschatting van het dichtdrukken van kanalen in de praktijk gemaakt worden. 5.5 Bezwijken In de hoofdproeven is na meerdere fasen van zandtransport uiteindelijk bezwijken van de waterkering opgetreden. Over deze bezwijkfase worden de volgende onderzoeksvragen gesteld: Is het bezwijken van de kleidijk te voorspellen met bestaande modellen? Is de sterkte van de klei van invloed op het bezwijken? Hoe gaan kleine kanaaltjes over in grote kanalen, leidend tot catastrofaal bezwijken van de dijk? Wat betekent dit voor de praktijk? Voordat de proeven zijn uitgevoerd zijn predicties gemaakt van het bezwijken. Deze predicties worden in onderstaande paragrafen vergeleken met de waarnemingen uit de experimenten. In de laatste paragraaf wordt ingegaan op het uitgroeien van kleine kanaaltjes tot grote kanalen. 5.5.1 Predicties: berekeningen in MStab Voor de uitvoering van de proeven zijn verschillende scenario s van bezwijken nagerekend. Er is uitgegaan van het optreden van een glijvlak en er zijn berekeningen gemaakt in MStab. De berekeningen zijn uitgevoerd met de berekeningsmethode Bishop, die cirkelvormige glijvlakken veronderstelt. In deze berekeningen is verondersteld dat tot een zekere diepte kanalen voorkomen in het zand onder de dijk. Het is echter niet mogelijk om met water gevulde kanalen te modelleren in MStab. Daarom zijn berekeningen gemaakt waarbij de sterkte-eigenschappen van een gedeelte van het zandpakket zijn aangepast. Voor de Vingerling klei is uitgegaan van de initiële sterkte (bepaald uit triaxiaalproeven) met een consolidatiegraad van 0% en 30%. Voor het zand, dat niet is aangetast door SBW Hervalidatie Piping 28

pipingkanalen, is uitgegaan van de sterkte-eigenschappen die bepaald zijn in triaxiaalproeven, met uitzondering van het pipingkanaal. In onderstaande figuur is de geometrie van de MStab-som weergegeven. In deze figuur is zijn vlak 1, 2 en 3 gemodelleerd als zand met originele sterkte-eigenschappen, terwijl vlak 4 het pipingkanaal representeert, waar de sterkte-eigenschappen aangepast zijn. 3 5 4 2 1 0,000 50,000 Figuur 5.9 Geometrie MStab-som In onderstaande tabel zijn de uitgevoerde variaties in berekeningen weergegeven. Hieruit volgt dat de veiligheidsfactor in alle gevallen ruim boven de 1 is. Dikte pipinglaag (m) Consolidatiegraad klei (%) Consolidatiegraad zand 0,5 0 100 1,69 (%) 30 100 1,69 2 0 100 1,51 30 100 1,51 5 0 100 1,51 Tabel 5.3 30 100 1,51 Overzicht uitgevoerde berekeningen in MStab Safety factor Uit deze berekeningen volgt dat bezwijken niet optreedt bij een pipingkanaal tot een diepte van 5 meter. Daarnaast zijn berekeningen uitgevoerd met een recht glijvlak. Deze berekeningen leidden niet tot een lagere veiligheidsfactor. 5.5.2 Sterkte van de klei vergelijking berekeningen en experimenten Hoewel de berekeningen aangaven dat een pipingkanaal met een diepte van 5 m niet tot bezwijken zou leiden is in de proeven wel falen van de waterkering opgetreden. Het falen van de waterkering is echter niet veroorzaakt door overschrijding van de sterkte van de klei. Er is geen glijvlak waargenomen, dus bezwijken van de klei is niet opgetreden. Wel zijn er vervormingen en verplaatsingen opgetreden, waardoor de dijk zijn functie verloren heeft. Het feit dat er geen glijvlak opgetreden is geeft aan dat berekeningsmethoden in macrostabiliteitsmodellen zoals MStab geen uitspraak kunnen doen over het al dan niet bezwijken van de waterkering. Een betere inschatting zou mogelijk gemaakt kunnen worden met behulp van berekeningen in Plaxis SBW Hervalidatie Piping 29

Het verlies van sterkte in het zand lijkt dus maatgevend te zijn voor het verlies van de functie van de waterkering. De sterkte van de klei lijkt op basis van de resultaten van deze proeven ondergeschikt. Hierbij wordt opgemerkt dat het beschouwde model een 2D-model is met geringe weerstand langs de voor- en achterwand. Bezwijken van een waterkering in de praktijk zou wel gepaard kunnen gaan met glijvlakken, aangezien er in de praktijk sprake is van een 3D-situatie. 5.5.3 Verlies van sterkte in het zand De sterkte van het zand lijkt dus maatgevend te zijn voor het al dan niet bezwijken van de waterkering. Het ontstaan van kanaaltjes lijkt uiteindelijk een catastrofaal verlies van sterkte tot gevolg te hebben, waarbij de dijk tot wel 5 cm in het zand kan zakken. Dit verlies van sterkte kan twee oorzaken hebben: Er wordt veel zand in één keer geërodeerd en getransporteerd, waardoor een diep kanaal ontstaat waar de klei inzakt (individueel korreltransport) Het zand verweekt tot bepaalde diepte, waardoor het zich als een vloeistof gedraagt en onder de dijk vandaan geperst wordt (massief korreltransport) Uit de beelden van het bezwijken (proef 3) valt op te maken dat de inzakking als eerste plaatsvindt bij de teen van de dijk en later onder de basis en bovenstroomse zijde van de dijk. Op de beelden is waar te nemen dat een drukgolf zich verspreid in het zand onder de teen van dijk. Deze drukgolf is waarneembaar tot de gehele diepte van het zand en tot circa 20 cm uit de teen van de dijk. Uit de waterspanningen is af te leiden of er flu disatie van het zand plaatsvindt. In onderstaande grafieken zijn de waterspanningen weergegeven voor proef 1 en 3, tijdens bezwijken. a) b) Figuur 5.10 Waterspanningen tijdens bezwijken voor proef 1 (a) en 3 (b) De korrelspanning is berekend voor opnemers 4, 5 en 6 (zie Appendix A) die op verschillende dieptes onder de teen van de dijk gesitueerd zijn. Voor alledrie de opnemers is de maximaal gemeten waterdruk beduidend hoger dan de initiële korreldruk, duidend op verweking van het zand, zowel bij proef 1 als bij proef 3. SBW Hervalidatie Piping 30

Opnemer korrelspanning [Kpa] max waterdruk H1 [Kpa] max waterdruk H3 [Kpa] 4 88,4 120 120 5 32 65 75 6 40 83 92 Tabel 5.4 Water- en korrelspanningen De waterspanningen laten een lineair verloop zien, wat uiteraard niet hydrostatisch is. 140 120 z-coordinaat [mm] 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Water- en korrelspanningen [KPa] Figuur 5.11 Verloop water- (blauw) en korrelspanningen (paars) in het zandpakket tijdens bezwijken Uit de proeven blijkt dat tijdens bezwijken in de gehele diepte van het zand wateroverspanningen worden gemeten die de korreldruk overschrijden. De dikte van het zand bedraagt in de proeven echter slechts 10 cm. Het is mogelijk dat in de praktijk deze drukgolf zich naar verhouding minder ver zal verspreiden, waardoor het bezwijkgedrag minder catastrofaal is. Het wordt aanbevolen om dit nader te onderzoeken. Samengevat kan het volgende gesteld worden: Het bezwijken van de dijk kan niet met bestaande macrostabiliteitsmodellen worden voorspeld. De sterkte van de klei wordt namelijk niet overschreden, er treden geen glijvlakken op, alleen vervormingen en verplaatsingen; De invloed van de sterkte van de klei is daarom van ondergeschikt belang voor het bezwijken; In de gehele diepte van het zand worden tijdens het bezwijken waterdrukken gemeten die de korrelspanning overschrijden. Het verlies van sterkte is daarom waarschijnlijk veroorzaakt door flu disatie van het zand. In de praktijk zou de verspreiding van de drukgolf mogelijk tot kleinere diepte kunnen reiken. Ook is het nog onduidelijk hoe het bezwijken in een 3D situatie zal verlopen. SBW Hervalidatie Piping 31

5.6 Monitoring Vooruitblikkend op de praktijk en een eventuele full-scale proef is het van belang om te weten hoe goed het proces gemonitord kan worden met waterspanningsmeters op enige afstand van het kanaal. Tijdens de hoofdproeven is op 6 locaties in het zand de waterspanning gemeten (zie Appendix A). Met deze opnemers is vastgesteld hoe goed de kanaalvorming te volgen is. Dit kan zowel via waterspanningen alswel het berekende verval tussen de opnemers. In de absolute waterspanningen is redelijk goed te zien wanneer er kanaalvorming plaatsvindt. Met name fors zandtransport, zoals opgetreden is van ca. 4500s 7000s leidt tot fluctuaties in alle opnemers (Figuur 5.12). Drukopbouw en drukafname wisselen elkaar af, overeenkomend met respectievelijk stagnatie en toename van zandtransport. In onderstaande figuur is de waterspanning, zoals gemeten in de zes opnemers voor proef H1 weergegeven. Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 Figuur 5.12 Waterdrukken in opnemers 1 t/m 6 (proef 1) In onderstaande figuur is het verhang tussen twee opeenvolgende opnemers weergegeven voor proef H1. Hierin is te zien dat aanvankelijk het verhang tussen opnemer 3 en 4 hoger is dan de verhangen tussen 1-2 en 2-3, maar dat dit al snel omkeert. Dit zou te maken kunnen hebben met zandtransport aan de benedenstroomse zijde, waardoor de weerstand benedenstrooms afneemt. SBW Hervalidatie Piping 32

Figuur 5.13 Verhang tussen opnemers 1-2, 2-3 en 3-4 Vanaf ca. 7000 seconden wordt het verhang tussen de opnemers weer gelijk. Dit zou te maken kunnen hebben met het inzakken van de dijk dat rond deze tijd plaatsvindt. Hierdoor zijn de kanaaltjes weer dichtgedrukt en is de drukverdeling in het zand weer uniform. Samengevat kan gesteld worden dat: Zandtransport redelijk goed zichtbaar is via fluctuaties in de waterspanningen Locatie van het kanaal grofweg bepaald kan worden uit het verhang. Opgemerkt wordt dat de afstand van waterspanningsmeter tot het kanaal zeer klein is (ca. 10 cm). In de praktijk zal ook op vrij korte afstand van het kanaal gemeten moeten worden om uitspraken te doen over de kanaalvorming. 5.7 Samenvatting analyse Aan het begin van dit hoofdstuk zijn de volgende onderzoeksvragen genoemd. In deze paragraaf worden de antwoorden zoals beschreven in de analyse kort samengevat: Hoe verschaalt het pipingproces in de centrifuge? Er is een schaaleffect merkbaar in de centrifuge. De gemeten vervallen bij doorbraak zijn lager naarmate het g-niveau hoger wordt. Dit effect is verwerkt in het ontwerp van de hoofdproeven. Hoe gaan kleine kanaaltjes over in groot zandtransport? Hoe is het gedrag van de klei naar aanleiding van de onstane kanaaltjes/ kanalen? Wat is de reststerkte van de dijk, nadat piping opgetreden is? Waardoor wordt het bezwijken veroorzaakt? Treedt er verweking van het zand op? SBW Hervalidatie Piping 33

Het ontwikkelen van kleine kanaaltjes stopt ten gevolge van vervormingen in de dijk. Het bezwijken vindt plaats door flu disatie van het zand, tot vrij grote diepte. Is het doorbreken te voorspellen met bestaande macro-stabiliteitsmodellen? Aangezien er geen scheurvorming optreedt in de klei is het doorbreken niet te voorspellen met bestaande macro-stabiliteitsmodellen. De sterkte van de klei lijkt van ondergeschikt belang. Geven waterspanningsmetingen inzicht in het proces? De waterspanningsmetingen geven ongeveer aan waar het kanaal zich bevindt. Ook het dichtdrukken van het kanaal door de klei is zichtbaar in de waterspanningen. SBW Hervalidatie Piping 34

6 Conclusies en aanbevelingen Ten aanzien van de proeven kan het volgende worden geconcludeerd: Er zijn 2 succesvolle voorbereidende proeven uitgevoerd, waarbij schalingseffecten zijn onderzocht voor piping in de geocentrifuge. Doorgaande kanaalvorming heeft in deze proeven plaatsgevonden bij een verval van 10.3 en 12.6 cm. Deze vervallen zijn iets lager dan de kritieke vervallen berekend met Sellmeijer en iets lager dan vervallen bij doorbraak die gemeten zijn in soortgelijke voorgaande proeven bij 1g. De oorzaak hiervoor ligt vermoedelijk in de verhoging van de stroomsnelheid. Er zijn 3 overwegend succesvolle hoofdproeven uitgevoerd, met als doel het onderzoeken van het bezwijkgedrag van de waterkering. In deze proeven is al bij een zeer laag verval (ca. 5cm) stagnerend zandtransport waargenomen. Bij een verval van ca. 8-9 cm is zwart zandtransport waargenomen, als teken dat het kanaal vrijwel doorgaand is, en is inzakking van de klei waargenomen. Bij een verval van ca. 15 cm is de waterkering bezweken door verlies van sterkte van het zand. De klei zakt hierbij ca. 5 cm in het zand. Het feit dat bij de hoofdproeven al zandtransport waargenomen wordt bij een verval van 4.5cm is mogelijk te wijten aan het verschil tussen grondwaterstroming. Dit dient in meer detail onderzocht te worden en sluit aan bij het onderzoek naar de verschillen tussen de proeven van Hans de Wit en de kleine schaalproeven bij 1g. De stagnatie van zandtransport van (4.5-8 cm verval) is waargenomen in de hoofdproeven, maar niet in de voorbereidende proeven. Dit verschil kan mogelijk geweten worden aan verschillen in grondwaterstroming en opbouw van zandkraters (verlenging van kwelweglengte). Het wordt aanbevolen dit in meer detail te onderzoeken. Het feit dat bij 8-9 cm zwart zand wordt getransporteerd geeft aan dat bij dit verval al een kanaal van vrijwel de gehele kwelweglengte aanwezig is. Regressieve erosie is niet waarschijnlijk bij zo een grote kanaallengte. Het stagneren van zandtransport wordt daarom geweten aan een andere factor. Het inzakken van de dijk, dat rond dit verval ook plaatsvindt is de meest waarschijnlijke oorzaak. Het kritiek verval, zoals berekend met het model van Sellmeijer is daarom meer vergelijkbaar met het verval waarbij zwart zand getransporteerd wordt dan met het verval bij doorbraak. Op basis hiervan wordt een lineaire relatie gevonden tussen verval bij doorgaande kanaalvorming en het g-niveau, die op basis van de regel van Sellmeijer niet verwacht wordt. Bij voorkeur dient dit met een extra proef (voorbereidende proef) bij 80g gevalideerd te worden. SBW Hervalidatie Piping 35

Ten aanzien van de vraagstelling kan het volgende worden geconcludeerd: Het inzakken van de dijk zorgt vermoedelijk voor stagnatie van het zandtransport. Het dichtdrukken van de kanaaltjes wordt bevestigd door de waterspanningsmetingen. Bezwijken van de dijk vindt hierdoor pas bij een veel hoger verval (ca. 15 cm) plaats dan het verval waarbij doorgaande kanaalvorming plaatsvindt (8-9 cm). In de proef is er dus significante reststerkte waargenomen. Het inzakken van de dijk is op grote schaal mogelijk minder relevant. De kanaaltjes zijn in deze proevenserie relatief groot, waardoor vervormingen sneller op kunnen treden. Het verdient aanbeveling dit met Plaxis berekeningen te ondersteunen. Op basis van deze berekeningen in combinatie met grotere schaal proeven zou vastgesteld kunnen worden in hoeverre de dijk in de praktijk ook reststerkte vertoont na het optreden van piping. Het falen van de waterkering kan niet met bestaande macrostabiliteitsmodellen voorspeld worden, aangezien er slechts vervormingen en verplaatsing van de klei optreedt. De sterkte van de klei is hiermee van ondergeschikt belang. Het verdient aanbeveling om de invloed van 2D-3D effecten te onderzoeken. Het falen van de waterkering wordt bepaald door het verlies van sterkte van het zand. Tijdens de bezwijkfase zijn waterspanningen gemeten, die groter zijn dan de initiële korreldruk. Flu disatie van zand is hierdoor waarschijnlijk. Het verdient aanbeveling een vergelijking te maken met andere disciplines, om in te schatten hoe dit proces in de praktijk kan plaatsvinden. Het monitoren van kanaaltjes is mogelijk met behulp van waterspanningsmeters op kleine afstand. De locatie van het kanaal is grofweg mogelijk op basis van het verhang. Fluctuaties in de absolute waterspanningen geven aan dat er zandtransport plaatsvindt. Aanbevolen wordt om te toetsen of dit ook op grotere afstand werkt dan 10 cm. SBW Hervalidatie Piping 36

7 Literatuur [Beek, 2008], V.M. van Beek, SBW Hervalidatie Piping, A3. Centrifugeproeven, Factual Report kleine centrifugeproeven, Rapport 433381-0005, Deltares. [Beek, 2009], V.M. van Beek, SBW Piping, A3. Centrifugeproeven, Factual Report grote centrifugeproeven, Rapport 1001451.004-GEO-001, Rapport 1001451.004-GEO-002, Rapport 1001451.004-GEO-003, Deltares. [Beek, Knoeff, 2009], V.M. van Beek, J.G. Knoeff, SBW Hervalidatie Piping, B3. Analyse kleinschalige laboratoriumproeven, Rapport 1001449.008-GEO-0001, Deltares. [Bligh, 1910], W.G. Bligh, Dams, barrages and weirs on porous foundations, Engineering News 64 (26): 708-710. [Bruijn, Knoeff, 2008], H.T.J. de Bruijn, J.G. Knoeff, SBW Hervalidatie Piping. Identificatie en plan van aanpak witte vlekken, Rapport CO-427070.0024, Deltares. [Fetter, 1994], C.W. Fetter, Applied Hydrogeology, 3rd ed., Prentice Hall, New Jersey. [Sellmeijer, 1988], J.B. Sellmeijer, On the mechanism of piping under impervious structures, Proefschrift, Technische Universiteit Delft. [TAW, 1999] Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen, Technisch Rapport Zandmeevoerende Wellen, Ministerie van Verkeer en Waterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Delft, maart 1999. [Wit, 1984] J.M. de Wit, Onderzoek zandmeevoerende wellen. Rapportage Modelproeven, CO-220887/10, GeoDelft. SBW Hervalidatie Piping 37

Appendix A Configuratie Strongbox SBW Hervalidatie Piping 38

Appendix B Eigenschappen Baskarp zand Baskarp zand is een zand uit een groeve bij de Zuidwestelijke kustlijn van het Vattern meer in Zweden. Het zand wordt veel gebruikt in modelexperimenten, omdat het een vrij uniform zand is met constante eigenschappen. Er is in het verleden veel ervaring met dit zand opgedaan, bijvoorbeeld m.b.t. het homogeen verdichten tot de gewenste verdichtingsgraad. Ook is er ervaring met het kleuren van dit zand. De volgende eigenschappen van dit zand zijn weergegeven in de navolgende pagina s: Korrelverdeling Sterkte-eigenschappen (Triaxiaal test) SBW Hervalidatie Piping 39

SBW Hervalidatie Piping 40

Appendix C Eigenschappen Vingerling klei Vingerling klei is een boetseerklei, die gemaakt is van kleipoeder en te koop in broden. Het is een klei die gemakkelijk verwerkbaar is en vrij consistent van structuur. De eigenschappen van deze klei zijn getest en weergegeven in de navolgende pagina s. De volgende eigenschappen zijn getest: Sterkte-eigenschappen: triaxiaal test (in duplo uitgevoerd met hetzelfde resultaat) Consolidatie-eigenschappen: samendrukkingsproef SBW Hervalidatie Piping 44

*) Vrijgegeven door Grw op 2009-02-02 15:16

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Settlement [mm] -0.020 0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 Cv = 1.790E-008 [m2/s] - T90 Taylor Method; Loadstep 2 0 49 196 441 784 1225 1764 Time [min] (Root) klei sterk siltig Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Settlement [mm] -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Cv = 1.630E-008 [m2/s] - T90 Taylor Method; Loadstep 3 0 49 T90 196 441 784 1225 1764 Time [min] (Root) klei sterk siltig Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Settlement [mm] -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 Cv = 1.811E-008 [m2/s] - T90 Taylor Method; Loadstep 4 0 49 196 441 784 1225 1764 Time [min] (Root) klei sterk siltig Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Settlement [mm] -0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 Cv = 2.368E-008 [m2/s] - T90 Taylor Method; Loadstep 5 0 T90 144 576 1296 2304 3600 5184 Time [min] (Root) klei sterk siltig Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Settlement [mm] -0.020 0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 Cv = 1.387E-008 [m2/s] Ca = - [-] - Casagrande Method; Loadstep 2 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 Time [min] (Log) Mv = 3.034E-004 [m2/kn] K = 4.128E-011 [m/s] klei sterk siltig T50 T100 Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Settlement [mm] -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Cv = 1.304E-008 [m2/s] Ca = - [-] - Casagrande Method; Loadstep 3 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 Time [min] (Log) Mv = 2.359E-004 [m2/kn] K = 3.018E-011 [m/s] klei sterk siltig T50 T100 Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Settlement [mm] -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 Cv = 1.603E-008 [m2/s] Ca = 1.305E-003 [-] - Casagrande Method; Loadstep 4 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 Time [min] (Log) Mv = 1.938E-004 [m2/kn] K = 3.048E-011 [m/s] klei sterk siltig T50 T100 Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Settlement [mm] -0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 Cv = 1.990E-008 [m2/s] Ca = 1.750E-003 [-] - Casagrande Method; Loadstep 5 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 Time [min] (Log) Mv = 1.401E-004 [m2/kn] K = 2.736E-011 [m/s] klei sterk siltig T50 T100 Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Linear Strain [-] 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 Cp = 8.211E+001 [-] Cp' = 2.569E+001 [-] - Koppejan Method 10 20 50 100 200 500 1000 Load [kn/m2] Cs = 8.251E+002 [-] Cs' = 8.574E+002 [-] klei sterk siltig C = 5.873E+001 [-] C' = 2.294E+001 [-] Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 Pc' = 115.2 [kn/m2] *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Settlement [mm] 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 Cp = 8.211E+001 [-] Cp' = 2.569E+001 [-] - Koppejan Method 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 Time [day] (Log) Cs = 8.251E+002 [-] Cs' = 8.574E+002 [-] klei sterk siltig C = 5.873E+001 [-] C' = 2.294E+001 [-] Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 Pc' = 115.2 [kn/m2] *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Linear Strain [-] 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 Pc = 118.4 [kn/m2] Vo = 1.606 [-] - NEN-Bjerrum Method 10 20 50 100 200 500 1000 Load [kn/m2] klei sterk siltig Pc Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Linear Strain [-] 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 RR = 2.892E-002 [-] CR = 9.311E-002 [-] - NEN-Bjerrum Method 10 20 50 100 200 500 1000 Load [kn/m2] Ca = 1.527E-003 [-] Vo = 1.606 [-] klei sterk siltig Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Natural Strain [-] 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 Pc = 120.2 [kn/m2] - Isotachen Method 10 20 50 100 200 500 1000 Load [kn/m2] klei sterk siltig Pc Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14

Oedometer test conform NEN 5118 Annex S01 A4 Blok Vingerling, Monster 1 form. Piping onderzoek vingerlingklei CO-1001451/340 ctr. Deltares Stieltjesweg 2 2628 CK Delft Phone +31-15-2693500 Fax +31-15-2610821 2009-02-02 Grw date drw. MCompress 2.1 : 200901269.coi Natural Strain [-] 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 A = 1.271E-002 [-] B = 4.314E-002 [-] - Isotachen Method 10 20 50 100 200 500 1000 Load [kn/m2] C = 6.904E-004 [-] klei sterk siltig Gamma wet = 20.2 [kn/m3] Gamma dry = 16.5 [kn/m3] Water content = 22.5 [%] Load Data Step Load [kn/m2] 1 25 2 50 3 99 4 200 5 400 *) Vrijgegeven door Ess op 2009-02-13 11:14