Memo Aan Bianca Hardeman, Rijkswaterstaat Water, Verkeer en Leefomgeving Datum Van Alexander van Duinen Kenmerk Doorkiesnummer +31(0)88335 7201 Aantal pagina's 13 E-mail alexander.vanduinen@deltares.nl Onderwerp Vervorming van een waterkering in relatie tot sterkte van grond Inleiding In het programma WTI 2017 wordt het wettelijk beoordelingsinstrumentarium (WBI) voor de 4 e toetsronde voorbereid. Met het nieuwe beoordelingsinstrumentarium kan vanaf 2017 op basis van een overstromingskansnorm worden getoetst. Daarnaast wordt nieuwe kennis van het fysisch gedrag van watersystemen en faalmechanismen in het instrumentarium geïmplementeerd. In het programma WTI 2017 wordt onder meer gewerkt aan een nieuwe toetsmethode voor het toetsspoor macrostabiliteit. Macro-instabiliteit is een faalmechanisme dat de stabiliteit van een dijk of dam ernstig kan bedreigen. Als de sterkte (ofwel de schuifweerstand van de grond) onvoldoende is, kunnen grote delen van het grondlichaam langs rechte en/of gebogen glijvlakken, afschuiven. Dit zowel binnenwaarts als buitenwaarts, waarna de dijk of dam zijn waterkerende functie verliest. In de gedetailleerde toets op macrostabiliteit (toetslaag 2) wordt de macrostabiliteit met een glijvlakanalyse beoordeeld. In het WBI 2017 wordt voorgesteld de glijvlakanalyse te verbeteren door onder andere een nieuw materiaalmodel voor het karakteriseren van de schuifsterkte van grond te introduceren. Een belangrijk element bij het toepassen van het nieuwe materiaalmodel is dat de schuifsterkte bij bezwijken van grond in rekening wordt gebracht bij het toetsen van macrostabiliteit. De schuifsterkte van de grond wordt volgens de nu nog vigerende voorschriften afgeleid bij 2% tot 5% axiale rek in triaxiaalproeven. In het WBI 2017 wordt uitgegaan van de schuifsterkte bij veel grotere rek (ultimate state). Vertrekpunt hiervoor is het toetsen aan overstromingskansnormen en het onderscheid in uiterste grenstoestand (UGT) en bruikbaarheidsgrenstoestand (BGT), zoals ook in de Eurocode wordt gedaan. In deze notitie wordt uitgewerkt hoe dit past in de Nederlandse waterveiligheidsfilosofie en de eisen die in de vigerende leidraden worden gesteld aan vervorming van waterkeringen. Uitgangspunten WBI 2017 De nieuwe normen voor primaire waterkeringen drukken de kans op een overstroming of de kans op falen uit, afhankelijk van het type kering, en zijn direct gerelateerd aan de gevolgen van een eventuele dijkdoorbraak voor het achterland. De overstromingskans is gedefinieerd als de kans op verlies van waterkerend vermogen van een dijktraject waardoor het door het dijktraject beschermde gebied zodanig overstroomt dat dodelijke slachtoffers of substantiële economische schade ontstaan.
2/13 De uitgangspunten van het WBI 2017 sluiten aan bij de overstap naar overstromingskansen (De Waal et al, 2014). Daarom wordt bij de toetsing uitgegaan van normfalen. Falen van een technisch systeem houdt in dat het zich bevindt in een toestand waarbij een of meer functies daadwerkelijk niet meer (kunnen) worden vervuld. Normfalen is de theoretische situatie waarbij sprake is van het verlies van waterkerend vermogen. Met andere woorden: de kans dat de belasting groter is dan de sterkte voldoet niet aan de eis. Het betreft dus een definitie van rekenkundig falen. Het streven hierbij is dat normfalen zo dicht mogelijk aansluit op daadwerkelijk falen. Bij het toetsen aan overstromingskans wordt falen gedefinieerd als het overschrijden van de grenstoestand. In de praktische uitwerking wordt een strengere grenstoestand gehanteerd als de kennis nog ontoereikend is om de grenstoestand bij doorbraak te bepalen. Veelal is onvoldoende inzicht in reststerkte processen beschikbaar waardoor falen wordt vertaald met het optreden van een initiërend mechanisme. In dat geval wordt gesproken van normfalen. Voor het toetsspoor macrostabiliteit wordt normfalen gedefinieerd als het optreden van een afschuiving die tot falen van de waterkering kan leiden ( t Hart, 2015). Of daadwerkelijk falen zal optreden na een afschuiving hangt onder andere af van de grootte van de afschuiving en de ligging van het intredepunt van de afschuiving, de erosiebestendigheid van het afgeschoven dijklichaam en het optredende overslagdebiet. De beoordeling van macrostabiliteit in de gedetailleerde toets (toetslaag 2a) is een controle of de stabiliteitsfactor met betrekking tot afschuiven voldoet aan de gestelde eis. Wanneer de berekende stabiliteitsfactor hoger is dan de eis, dan mag men ervan uitgaan dat geen afschuiving zal optreden. De beoordeling van macrostabiliteit volgens toetslaag 2b, de volledig probabilistische toetsing per dijktraject, is een controle of de berekende kans op afschuiven voldoet aan de gestelde faalkanseis. Bij de beoordeling van macrostabiliteit worden alleen schuifvlakken beschouwd die tot falen van de waterkering kunnen leiden. Kleine schuifvlakken die niet tot falen van de waterkeringen kunnen leiden, worden niet beschouwd. Bij het toetsen van macrostabiliteit wordt geen onderscheid gemaakt tussen deformatie, scheurvorming of afschuiving van een waterkering. Vanuit waterveiligheid worden geen eisen gesteld aan vervorming van een dijk. De Waterwet stelt alleen eisen aan de overstromingskans. De huidige praktische maat van 0,10 m voor de maximale vervorming aan de binnenteen (TAW, 2001) wordt daarom in het WBI 2017 niet meer toegepast voor het toetsen van primaire waterkeringen. Bij het ontwerpen van waterkeringen kunnen eventueel andere of aanvullende uitgangspunten voor vervorming en falen worden toegepast dan bij toetsen. In de Projectoverstijgende Verkenning (POV) Macrostabiliteit wordt onderzoek gedaan naar vervorming van waterkeringen met constructies in het kader van de dijkversterkingen binnen het Hoogwaterbeschermings-programma (HWBP). Nieuw materiaalmodel Het toepassen van het nieuwe materiaalmodel voor het karakteriseren van de schuifsterkte houdt in het kort het volgende in: Toepassing van het Critical State Soil Mechanics model en de SHANSEP techniek voor het karakteriseren van het gedrag van de grond (zowel zware klei, organische klei, veen en zand). Het Mohr-Coulomb model dat in het WTI 2006 wordt toegepast, zal in het WBI 2017 niet meer worden toegepast. Onderscheid maken tussen gedraineerd grondgedrag en ongedraineerd grondgedrag. Bij grondsoorten met een hoge doorlatendheid, zoals zand, kan drainage plaats vinden
3/13 tijdens afschuiven (taludinstabiliteit) en is sprake van gedraineerd grondgedrag, Bij grondsoorten met een lage doorlatendheid, zoals klei en veen, vindt weinig of geen drainage plaats tijdens afschuiven en is sprake van ongedraineerd grondgedrag. De in situ toestand van de grond in rekening brengen via de ongedraineerde schuifsterkte en de grensspanning, waarmee onderscheid wordt gemaakt tussen normaal geconsolideerd grondgedrag en overgeconsolideerd grondgedrag. Voor het bepalen van de in situ toestand van de grond worden correlaties met de sondeerweerstand gebruikt. Rekenen met de bezwijksterkte van grond (ultimate state) in laboratoriumproeven in plaats van sterkte bij een kleine vervorming in laboratoriumproeven. Schuifsterkte van klei bepalen met een-traps anisotroop geconsolideerde triaxiaalproeven en voor veen met direct simple shear proeven met constante hoogte. De grensspanning wordt in het veld bepaald met sonderingen. Schuifsterkte bij bezwijken Een van de uitgangspunten van het nieuwe materiaalmodel voor het toetsen van macrostabiliteit is dat de schuifsterkte bij bezwijken van grond (ultimate state) in rekening wordt gebracht. Voor de ultimate state worden de schuifsterkte parameters uit triaxiaalproeven afgeleid bij een axiale rek van 25% en uit direct simple shear proeven bij een schuifrek van 40%. Uitgangspunt hierbij is dat = 1,5. Axiale rek is de verticale indrukking van een grondmonster tijdens de afschuiffase van de triaxiaalproef ten opzichte van de beginhoogte van het monster. Bij een monsterdiameter van 65 mm is de monsterhoogte 130 mm en 25% axiale rek is dan een axiale vervorming van 32,5 mm. Schuifrek bij een direct simple shear proef is de horizontale verplaatsing van de bovenzijde van het monster tijdens de afschuiffase van de proef ten opzichte van de hoogte van het monster. Bij een monsterhoogte van 20 mm en een schuifrek van 40% is de schuifvervorming 8 mm. De schuifsterkte bij de ultimate state wordt toegepast, omdat: Veen de maximale schuifsterkte mobiliseert bij grote rek (schuifrek > 20%); De maximale schuifsterkte in de passieve zone van het schuifvlak wordt gemobiliseerd bij aanzienlijk grotere rek dan de schuifsterkte in de actieve zone van het schuifvlak; Door anisotropie de ongedraineerde schuifsterkte ratio langs het hele schuifvlak ongelijk is bij kleine rek, maar de ongedraineerde schuifsterkte ratio tendeert naar dezelfde waarde langs het hele schuifvlak na het overschrijden van de pieksterkte aan de actieve zone van het schuifvlak en het bereiken van grote rek; Deze werkwijze aansluit bij internationale literatuur en omdat dit een goede aanpak is gebleken bij de terug-analyse van opgetreden afschuivingen (Van Duinen, 2010). De overstromingskansnorm gaat uit van de kans op falen en falen is voor macrostabiliteit gedefinieerd als het optreden van een afschuiving; daarbij past een schuifsterkte bij grote rek; Conform de Eurocode onderscheid wordt gemaakt tussen eisen aan de sterkte in de uiterste grenstoestand (UGT) en eisen aan vervorming in de bruikbaarheidsgrenstoestand (BGT). Meer over de mobilisatie van de schuifsterkte langs het schuifvlak is beschreven in Van Duinen (2015).
4/13 Figuur 1 Mobilisatie van de schuifsterkte (shear stress) tegen de schuifrek (shear strain) bij veen (De Bruijn et al, 2014). In Figuur 1 is de mobilisatie van de schuifsterkte bij veen weergegeven. Het betreft een serie veenmonsters waarvan de schuifsterkte is gemeten in direct simple shear proeven. Bij toenemende schuifrek neemt de schuifsterkte toe. Een aantal monsters bereikt de maximale schuifsterkte bij schuifrekken van 60% en hoger. De vorm van de curve houdt verband met de samenstelling van het monster (kleiigheid, vezeligheid), de spanningstoestand en de overconsolidatieratio (OCR).
5/13 Figuur 2 Ontwikkeling van de schuifsterkte ratio t/ vc tegen de schuifrek. Figuur 2 laat de ontwikkeling van de schuifsterkte ratio t/ vc tegen de schuifrek zien. Op een aantal kleimonsters zijn triaxiaal compressie proeven (TC), triaxiaal extensie proeven (TE) en direct simple shear proeven (DSS) uitgevoerd. De triaxiaal compressie proef is representatief voor de spanningssituatie in de actieve zone van het schuifvlak (in en onder de dijk). De triaxiaal extensie proef is representatief voor de spanningssituatie in de passieve zone van het schuifvlak (bij de binnenteen en binnendijks). De direct simple shear proef is representatief voor het tussenliggende deel van het schuifvlak. Als gevolg van anisotropie van de grond bij ongedraineerd afschuiven resulteren de verschillende typen proeven in een verschillende ontwikkeling van de schuifsterkte ratio. Bij toenemende schuifrek (> 10%) tenderen de waarden van de schuifsterkte ratio bij de verschillende typen proeven echter naar dezelfde waarde (0,25 à 0,30). Met name in de triaxiaal extensie proef is een grote schuifrek nodig om de maximale waarde van de schuifsterkte ratio te bereiken. In de triaxiaal compressie proef bereikt de grond een piekwaarde van de schuifsterkte ratio bij circa 2% schuifrek, waarna de schuifsterkte ratio afneemt. Ultimate state bij dijktaluds Op basis van veldwaarnemingen kan inzichtelijk worden gemaakt wat de betekenis is van de sterkte en vervorming bij de ultimate state voor dijktaluds. Bij de Lekdijk west in Bergambacht (TAW-proefvak) zijn vanaf het najaar van 1994 tot voorjaar 2009 metingen uitgevoerd aan een hellingmeetbuis. De dijk ligt hier op een holocene deklaag met een dikte van circa 10 m die voor het grootste deel uit veen bestaat. Deze hellingmeetbuis staat in de binnenteen van de dijk. Er zijn ook metingen beschikbaar tijdens het passeren van het hoogwater van februari 1995 (hoogste waterstand NAP +2,93 m) en het hoogwater van november 1998 (hoogste waterstand NAP +2,59 m).
6/13 Figuur 3 Vervorming bij hellingmeetbuis bij Lekdijk west te Bergambacht. In Figuur 3 zijn de waargenomen horizontale vervormingen op drie niveau s van de hellingmeetbuis weergegeven. De totale vervorming in de meetperiode bedraagt 95 mm. De grootste toename van de horizontale vervorming treedt op tijdens het passeren van de hoogwaters van 1995 en 1998 (30 a 35 mm per hoogwater). Aan het maaiveld zijn de waargenomen vervormingen in dezelfde orde van grootte (Kruse, 1998). Figuur 4 Schuifrek bij hellingmeetbuis bij Lekdijk west te Bergambacht.
7/13 In Figuur 4 is de waargenomen horizontale vervorming van de hellingmeetbuis omgerekend naar schuifrekken. De schuifrek is hier het verschil in horizontale verplaatsing over een hoogteverschil van 1,0 meter (lengte van de secties van de hellingmeetbuis). In de meetperiode van 1994 tot 2009 is de schuifrek opgelopen tot ruim 10%. Deze schuifrek heeft zich lokaal in een schuifband tussen NAP -10,25 m en NAP -11,75 m ontwikkeld. Buiten deze schuifband is de schuifrek vrijwel nihil. Bij de macrostabiliteitsproef bij de IJkdijk in 2008 zijn eveneens de horizontale verplaatsingen gemeten met een hellingmeetbuis (Koelewijn et al, 2009). De hellingmeetbuis was geïnstalleerd tussen de proefdijk en de ontgraven sloot. Figuur 5 Vervorming bij hellingmeetbuis bij macrostabiliteitsproef IJkdijk (Koelewijn et al, 2009). In Figuur 5 is de waargenomen horizontale verplaatsing van de hellingmeetbuis bij de macrostabiliteitsproef IJkdijk weergegeven. De grootste gemeten verplaatsing tot het bezwijken van het talud op 27 september 2008 om 16:02 uur bedraagt ruim 190 mm. De grootste schuifrekken treden op rond NAP -3,0 m. Het verschil in horizontale verplaatsing is hier 90 mm over een hoogte van 0,3 m (lengte van de secties van de hellingmeetbuis). De schuifrek is daarmee 30%. Uit deze metingen aan hellingmeetbuizen blijkt dat een schuifrek van circa 10% al voor kan komen bij een dijk met een marginale stabiliteit op een ondergrond met veel veen waar bij elke passage van een hoogwater enkele centimeters verplaatsing optreedt. Bij bezwijken van een talud waarbij zeer grote deformatie optreedt (orde decimeters of meters) kan de schuifrek oplopen naar orde 30% (of meer).
8/13 Waargenomen en berekende vervorming Bij de gedetailleerde toets van macrostabiliteit volgens het WBI 2017 wordt de beoordeling uitgevoerd met een glijvlakanalyse. Daarbij wordt de mobiliseerbare schuifsterkte beoordeeld in relatie tot de optredende belasting. De vervorming die daarbij kan optreden wordt niet beoordeeld. Het is daarom van belang te weten welke vervorming kan worden verwacht bij dijken waarvan de schuifsterkte als voldoende wordt beoordeeld. In onderstaande Tabel 1 zijn een aantal gegevens bij elkaar gebracht van dijken waarvan metingen en berekeningen van de stabiliteit en vervorming beschikbaar zijn. Locatie Situatie FoS (D-Geo Stability) (-) Markermeerdijk Warder dp 23 Lekdijk Nieuw- Lekkerland dp 182 Lekdijk Streefkerk dp 190 Lekdijk Bergambacht bezwijkproef dp 85 2001 Lekdijk west Bergambacht TAWproefvak Lekdijk west Bergambacht TAWproefvak Lekdijk west Bergambacht TAWproefvak Lekdijk west Bergambacht TAWproefvak Lekdijk Streefkerk dp 211 Wolpherensedijk Gorinchem dp 391 Wolpherensedijk Gorinchem dp 391 Wolpherensedijk Gorinchem dp 391 Wolpherensedijk Gorinchem dp 391 Zuiderlingedijk Spijk dp 72 Ijkdijk Merwededijk Hardinxveld- Giessendam dp 012 Tabel 1 Berekende vervorming (Plaxis) (mm) toetspeil 0,83 33 toetspeil 1,17 59 toetspeil 1,05 111 hoogwater 1995 hoogwater 1998 Gemeten vervorming (mm) Opmerkingen 0,74 1000 zakking kruin in 5 uur 1,07 20 hellingmeetbuis in 28 dagen (hoogwater +2,93 m) 1,07 18 hellingmeetbuis in 29 dagen (hoogwater +2,59 m) toetspeil 1,45 150 horizontale vervorming bij binnenteen na dijkverbetering toetspeil 1,45 15 schatting vervorming bij kruin na dijkverbetering afschuiving 1984 0,90 1000 zakking kruin in 48 uur; daarna nog meer vervorming hoogwater 0,93 85 zakking kruin in 44 dagen 1979 (hoogwater +2,60 m) hoogwater 0,93 83 zakking kruin in 20 dagen 1980 (hoogwater +3,54 m) hoogwater 1,10 10 geen vervorming waargenomen 1995 toetspeil 80 na dijkverbetering afschuiving 2006 bezwijkproef 2008 hoogwater 1995 0,87 1000 zakking binnentalud in 24 uur 0,66 3000 zakking kruin binnen 1 minuut 1,11 10 vrees voor instabiliteit maar geen vervorming waargenomen Berekende stabiliteitsfactoren, berekende vervorming en gemeten vervorming voor een aantal locaties (Van Duinen, 2008; Van Duinen, 2010; Van Duinen, 2013; Van Duinen, 2015; Rohe et al, 2010). De geel gemarkeerde waarden zijn schattingen. De berekende veiligheidsfactoren (FoS) zijn gebaseerd op verwachtingswaarden van de schuifsterkte parameters. De cases in Tabel 1 zijn overgenomen uit eerdere onderzoeken in het kader van het WBI (Van Duinen, 2008; Van Duinen, 2010; Van Duinen, 2013; Van Duinen, 2015; Rohe et al, 2010). Voor vrijwel alle cases is lokaal veld- en laboratoriumonderzoek beschikbaar op basis waarvan
9/13 glijvlakberekeningen en eindige elementen berekeningen zijn uitgevoerd waarbij het Critical State Soil Mechanics model en de SHANSEP techniek zijn toegepast voor het karakteriseren van het gedrag van de grond. Voor een aantal locaties zijn default waarden van de ongedraineerde schuifsterkte parameters toegepast in combinatie met sonderingen voor de bepaling van de grensspanning. Voor de locaties waar afschuivingen zijn opgetreden en de vervorming is gemeten is deze gerapporteerd in Tabel 1. Voor de overige locaties is de met de eindige elementen analyses berekende vervorming in de tabel opgenomen. Figuur 6 Berekende en gemeten vervorming gerelateerd aan de berekende stabiliteitsfactoren volgens Tabel 1. De berekende veiligheidsfactoren (FoS) zijn gebaseerd op verwachtingswaarden van de schuifsterkte parameters. In Figuur 6 zijn de gegevens uit Tabel 1 grafisch weergegeven. De berekende en gemeten vervorming is uitgezet tegen de berekende stabiliteitsfactoren. Uit Figuur 6 kan het volgende worden geconcludeerd: De figuur suggereert dat grotere vervorming alleen optreedt bij veiligheidsfactoren kleiner dan 1,0 (de berekende veiligheidsfactoren (FoS) zijn gebaseerd op verwachtingswaarden van de schuifsterkte parameters). Dit is met name het geval wanneer gemeten vervorming wordt beschouwd in relatie tot berekende stabiliteitsfactoren.geen gevallen met hogere veiligheidsfactor en toch substantiële vervorming. Als de mobiliseerbare schuifsterkte niet wordt overschreden zijn de vervormingen in deze cases maximaal in de orde van 0,10 m. Toets op sterkte is maatgevend voor toetsing aan overstromingskansen. Op grond van het voorgaande wordt (voor een groene dijk) slechts beperkte vervorming (naar verwachting maximaal orde 0,10 m) verwacht wanneer de berekende stabiliteitsfactor van een
10/13 stabiliteitsanalyse op basis van rekenwaarden van de schuifsterkte voldoet aan een op de overstromingskansnorm afgestemde stabiliteitseis (schadefactor). Hierbij moet worden opgemerkt dat Figuur 6 met enige voorzichtigheid moet worden geïnterpreteerd vanwege het beperkte aantal beschouwde gevallen. Daarbij is tevens van belang dat de beschouwde gevallen zich allemaal bevinden in West-Nederland met dijken met veel veen en organische klei in de ondergrond. Interactie met andere faalmechanismen, constructies en niet waterkerende objecten Wanneer de macrostabiliteit van een dijklichaam (groene dijk) voldoet aan de overstromingskansnorm wordt op basis van de beschouwing in de vorige paragraaf geen of slechts geringe vervorming van het dijklichaam verwacht. Bij een dijklichaam met onvoldoende macrostabiliteit kan als gevolg van de vervorming van het dijklichaam het faalproces echter versnellen en de vervorming kan ook gevolgen hebben voor andere faalmechanismen of kan andere faalmechanismen initiëren. Daarnaast kan vervorming van een dijklichaam gevolgen hebben voor niet-waterkerende objecten en constructies op en in een waterkering. Door vervorming van een waterkering bij hoogwater kan de kruinhoogte afnemen. Daardoor kan een groter overslagdebiet optreden dan bij de niet vervormde dijk. Een groter overslagdebiet kan leiden tot meer infiltratie van water in het dijklichaam. Deze grotere mate van infiltratie veroorzaakt een verhoging van de waterspanningen in het dijklichaam en daarmee een afname van de macrostabiliteit. De vervorming van een dijklichaam heeft dan een versterkend effect op het faalproces. De vervorming van de kruin en de toename van het overslagdebiet als gevolg daarvan leiden er ook toe dat de stabiliteit van de taludbekleding op het binnentalud en erosie van de taludbekleding ongunstig worden beïnvloed. De vervorming van het dijklichaam kan zo ook andere faalmechanismen of een combinatie van faalmechanismen initiëren. Wanneer een dijklichaam voldoet aan de eisen voor macrostabiliteit zullen de vervormingen naar verwachting kleiner zijn dan 0,10 m en zullen de genoemde vervolgprocessen niet (of met verwaarloosbaar kleine kans) optreden. De vervorming van het dijklichaam zal bij voldoende macrostabiliteit immers beperkt blijven tot orde centimeters, aangezien de mobiliseerbare schuifsterkte ruimschoots groter is dan de optredende belasting. Wanneer een dijklichaam niet voldoet voor macrostabiliteit zijn de geschetste vervolgprocessen reëel. Bij onvoldoende macrostabiliteit kan een afschuiving van het talud optreden, waarbij meerdere decimeters of zelfs enkele meters vervorming kan optreden. Dergelijke vervorming kan een enorme toename van het overslagdebiet geven, waardoor andere bezwijkprocessen op gang kunnen komen. Volgens de faaldefinitie voor macrostabiliteit binnen het WBI is de waterkering echter al gefaald door macrostabiliteit wanneer een relevant schuifvlak is opgetreden wat tot volledig falen van de waterkering kan leiden ( t Hart, 2015). Het beschouwen van vervolgprocessen tot volledig falen (doorbraak) gaat verder dan de uitgangspunten van het WBI en is daarmee alleen van belang als er expliciet met reststerkte wordt gerekend. Voor dijken met constructies en niet-waterkerende objecten (NWO) (bebouwing en leidingen) binnen de invloedszone van de dijk kan vervorming van de dijk relevant zijn. Vervorming die voor een groene dijk acceptabel is (orde centimeters; < 0,10 m), kan voor een constructie of een NWO te groot zijn. Vervorming van een dijklichaam bij een stijvere overgangsconstructie kan bijvoorbeeld leiden tot falen van een waterkering. Vervorming van een dijklichaam kan ook
11/13 leiden tot schade aan een leiding, waardoor vervolgens ook de macrostabiliteit van het dijklichaam ongunstig wordt beïnvloed. Dit kan bijvoorbeeld door lekkage van een waterleiding, waardoor waterspanningen in de ondergrond stijgen en de schuifsterkte van de grond af neemt. Het falen van een NWO kan zo falen van een waterkering initiëren. Conform het Voorschrift Toetsen op veiligheid (VTV) (De Bruijn et al, 2015) wordt een waterkering eerst getoetst op de relevante faalmechanismen. De toets op NWO s is alleen relevant als de specifieke waterkering of havendam zonder NWO s voldoet aan de eisen van de relevante toetssporen. Bij het toetsen van macrostabiliteit wordt daarom eerst de voorgeschreven toets voor macrostabiliteit uitgevoerd, waarbij alleen de sterkte en niet de vervorming wordt beoordeeld, zoals hierboven aangegeven. Wanneer de waterkering zonder NWO voldoet, worden daarna de constructies en NWO s beoordeeld, waarbij vervorming zonodig ook in de beoordeling moet worden betrokken. Bij het toetsen van constructies en NWO s binnen de invloedszone van een dijk kunnen de constructies en NWO s worden beoordeeld op de gronddrukken en vervormingen vanuit het dijklichaam en kunnen zonodig eisen aan de vervorming van de dijk worden gesteld. Vervormingseisen voor constructies en NWO s zijn veelal strenger dan vervormingseisen voor grondconstructies. De norm NEN 9997-1 stelt geen eisen aan vervorming van grondconstructies zelf, maar alleen aan het effect van een grondconstructie op andere constructies. Eisen aan toelaatbare vervorming van constructies zijn relatief streng (rotatie 1:100 in UGT en 1:300 in BGT). Aangezien voor macrostabiliteit de gedetailleerde toets wordt uitgevoerd uitgaande van de bezwijksterkte van grond (ultimate state) en niet wordt getoetst op de daarbij optredende vervorming kan het noodzakelijk zijn dat in voorkomende situaties aanvullende eisen moeten worden gesteld aan de waterkering in verband met de toelaatbare vervorming bij overgangsconstructies, leidingen, bebouwing etc. (zie ook NEN 9997-1 en NEN 3651). Hiervoor kan een analyse met Eindige Elementen Modellen in de Toets op Maat worden uitgevoerd of kan de situatie in het veld met monitoring worden gevolgd. Conclusies en aanbevelingen Bij het toetsen van groene dijken (zonder constructies en NWO s) op macrostabiliteit in de gedetailleerde toets (toetslaag 2) kan worden volstaan met het toetsen op sterkte met een schuifvlakmodel uitgaande van de schuifsterkte bij bezwijken (ultimate state). Vanuit de grondmechanica geeft dit een betrouwbare analyse van de mobiliseerbare schuifsterkte en de stabiliteit van een talud. Deze analyse geeft geen inzicht in de optredende vervorming. Vanuit waterveiligheid worden geen eisen gesteld aan vervorming van een dijk. De Waterwet stelt alleen eisen aan de overstromingskans. Het uitgangspunt van de schuifsterkte bij ultimate state sluit goed aan bij de overstromingskansnormen en de faaldefinitie voor macrostabiliteit in het WBI 2017. Een axiale rek van 25% of een schuifrek van 40% correspondeert met optredende schuifrekken in het veld bij het bezwijken van taluds (vervorming in de orde van decimeters of meters). Op grond van de uitgevoerde analyses wordt slechts beperkte vervorming (orde centimeters) verwacht wanneer een berekende stabiliteitsfactor van een stabiliteitsanalyse op basis van rekenwaarden van de schuifsterkte voldoet aan een op de overstromingskansnorm afgestemde stabiliteitseis (schadefactor). Wanneer een waterkering (zonder constructies en NWO s) voldoet aan de waterveiligheidseis uit de Waterwet is de schuifsterkte van het
12/13 dijklichaam in relatie tot de belasting door hoog water zodanig dat de kans op falen van de waterkering voldoende klein is. Zolang de waterkering bij hoge waterstanden niet faalt, zal de optredende vervorming van het dijklichaam gering zijn. Bij een voldoende kleine faalkans van de waterkering is vervorming bij een groene dijk daarom geen aspect wat een afzonderlijke beoordeling behoeft naast de beoordeling van de sterkte. Ook de interactie van macrostabiliteit met andere faalmechanismen hoeft bij een groene dijk niet te worden beschouwd. Wanneer niet wordt voldaan aan de waterveiligheidseis is de schuifsterkte van het dijklichaam in relatie tot de belasting door hoog water ontoereikend. In dat geval moet er van uit worden gegaan dat in geval van falen van de waterkering de optredende vervorming groot kan zijn (zakking van de kruin of een deel daarvan in de orde decimeters of meters). Door deze grote vervorming kan ook het overslagdebiet aanzienlijk toenemen, waardoor het faalproces kan versnellen of andere faalmechanismen kunnen optreden. Deze vervolgprocessen worden bij de toetsing echter niet beschouwd, omdat bij een afschuiving met aanzienlijke vervorming de kering al is gefaald voor macrostabiliteit volgens de faaldefinitie van het WBI ( t Hart, 2015). Wanneer niet wordt voldaan aan de waterveiligheidseis kan ook bij minder hoge waterstanden vervorming van het dijklichaam in de orde van centimeters niet worden uitgesloten. Bij vervorming van een dijklichaam kunnen kritische situaties ontstaan bij overgangen naar stijve constructies of op- en afritten, bebouwing, kabels en leidingen, etc. bijvoorbeeld scheuren in dwarsrichting van de dijk. Voor constructies en NWO s bij dijken kan het daarom noodzakelijk zijn om ook te controleren op falen door vervorming van het dijklichaam. De eisen voor andere functies van dijken moeten dan worden ontleend aan andere documenten. Vanuit andere functies worden mogelijk wel eisen gesteld aan vervorming, bijvoorbeeld bebouwing, kabels en leidingen en verkeer. Hiervoor gelden eisen van het Bouwbesluit en de NENnormen, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen de uiterste grenstoestand en de bruikbaarheidsgrenstoestand. In de Toets op Maat kunnen waar nodig analyses of metingen worden uitgevoerd om vervormingen bij een dijklichaam te beoordelen. Referenties Bruijn, H.T.J. de, Visschedijk, M.A.T. en Ham, G.A. van den. Dijken op Veen II Eindrapport Heterogeniteit. Deltares rapport 1208254-019-GEO-0001, Versie 02, 5 juni 2014, concept. Bruijn, H.T.J. de, Vries, G. de, t Hart, R. 2015. Voorschrift Toetsen op Veiligheid, Technisch Deel. VTV-Technisch Deel (WTI 2017). Deltares rapport 1220078-000-GEO-0009, 30 november 2015, concept. Duinen, T.A. van. 2008. Grensverleggend onderzoek macrostabiliteit bij opdrijven - Fase 2.C. Deltares rapport 419230-0040. Versie 2. September 2008. Duinen, T.A. van. 2010. SBW Werkelijke sterkte van dijken - validatie WS15 Synthese resultaten stabiliteitsanalyses onderzoekslocaties. Deltares rapport 1202121-003-GEO-0022, Versie 1, 7 september 2010, concept. Duinen, T.A. van. 2013. Back analyses of dikes that withstand a high water level. Deltares memo 1206015-000-GEO-0006, 18 March 2013.
13/13 Duinen, T.A. van. 2015. Modelonzekerheidsfactoren Spencer-Van der Meij model en ongedraineerde schuifsterkte - Programma WTI 2017, cluster Stabiliteit. Deltares rapport 1207808-001-GEO-0006, 2 september 2015, definitief. Duinen, T.A. van. 2015. Toepassen van de piekwaarde van de ongedraineerde schuifsterkte - WTI 2017 Toetsregels Stabiliteit met rapportnummer 1209434-002-GEO-0001, Versie 2, 1 december 2015, definitief. t Hart, R. 2015. Fenomenologische beschrijving. Deltares rapport 1220078-000-GEO-0005, september 2015, concept. Koelewijn A.R., Zwanenburg C., van der Kolk B.J., Kruse G.A.M., de Vries G., Peters D.J., Willeboer M. 2009. Macrostabiliteitsdijk IJkdijk september 2008, Deel 6: meetverslag Deltares rapport 420612-0038 versie 3. Kruse, H.M.G. 1998. Deformation of a river dyke on soft soil. Ph.D. thesis. Utrecht University, dept. of Physical Geography. NEN 2012. NEN 3651:2012 nl Aanvullende eisen voor buisleidingen in of nabij belangrijke waterstaatswerken. NEN 2016. NEN 9997-1+C1+A1:2016 Ontw. Nl. Geotechnisch ontwerp van constructies - Deel 1: Algemene regels. Rohe, A. and T.A. van Duinen. 2010. Consequentieanalyse Macrostabiliteit. Vergelijking oude en nieuwe toetsmethode. Deltares report 1204203-005-GEO-0002, Versie 3, 27 april 2012, definitief. TAW. 2001. Technisch Rapport Waterkerende Grondconstructies (TRWG), Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen Delft, juni 2001. Waal, J.P. de, en Knoeff, J.G. 2014. Uitgangspunten WTI 2017. Deltares rapport 1209429-001- GEO-0011, 17 oktober 2014, definitief.