9.1 Conclusies
In deze pilot is in detail gekeken naar monitoringsdata. Primair is hierbij gekeken naar een drietal locaties in de Alblasserwaard, daarnaast zijn ook ervaringen van de LiveDijk Eemshaven en een andere locatie meegenomen.
In het algemeen kan worden gesteld dat het monitoren van dijken zinvol is als de metingen daadwerkelijk worden gebruikt om schematisaties en modellen van de situatie te kalibreren en te verbeteren. De in dit verband uitgevoerde analyses met DikeTool zijn hiervoor zeker hoopgevend, ondanks de geconstateerde manco’s ten aanzien van bijvoorbeeld de plaatsing van de instrumenten. Een gekalibreerd en verbeterd model maakt het onder meer mogelijk om meerdere combinaties van meetwaarden vast te stellen die als waarschuwings- en alarmwaarden kunnen fungeren voor verschillende faalmechanismen, zoals macrostabiliteit en piping.
Een grote meerwaarde van continue waterspanningsmetingen in combinatie met een gekalibreerd rekenmodel is dat de extrapolatie naar maatgevende condities volgens een fysische grondslag kan gebeuren. Hierdoor kan het tijdsafhankelijke gedrag met een hogere graad van betrouwbaarheid worden vastgesteld. Het is dan wel van belang dat de waterspanningsmeters op een zorgvuldige wijze over het dwarsprofiel worden verdeeld, zowel in de zandlaag als in het slappe-lagenpakket. Globale richtlijnen hiervoor zijn al langere tijd beschikbaar, met behulp van simulaties vooraf is een situatiespecifieke verbeterslag mogelijk. Bewustzijn voor de fysische realiteit blijft hierbij van groot belang; het gaat hier bijvoorbeeld om de mogelijkheid dat een sliblaag erodeert bij hoogwater. Wanneer er voldoende metingen beschikbaar zijn (zowel in de tijd als in de ruimte), kunnen simulaties hiermee ook met grotere betrouwbaarheid worden uitgevoerd.
In het algemeen is er een keten van gebeurtenissen nodig om tot falen te komen. Door monitoring kan eerder herkenning van een ongewenste of zelfs gevaarlijke situatie plaatsvinden, bovendien is er beter inzicht mogelijk in het fysisch gedrag onder wisselende omstandigheden daar waar eenmalig grondonderzoek slechts een momentopname betreft (met doorgaans wèl een groter detailniveau en ook andere informatie).
In de hier beschikbare meetdata zijn betrekkelijk veel pieken en sprongen geconstateerd. Zeker in het geval van een betrekkelijk kleine verandering is pas vanaf de volgende meting duidelijk of het om een eenmalige piek gaat of om een meer trendmatige verandering. Dit is sterk van invloed op de meetfrequentie wanneer de metingen gebruikt worden als onderdeel van een actueel waarschuwings- en alarmeringssysteem.
Het onderwerp ‘datacontinuïteit’ is hier nauw aan gekoppeld. Het gaat hierbij zowel om het tijdelijk wegvallen van meetwaarden als om het volledig uitvallen van instrumenten, zowel losse sensoren als complete meetraaien. De consequenties kunnen groot zijn bij het gebruik van de metingen voor een actueel waarschuwings- en alarmeringssysteem, temeer omdat juist onder extreme omstandigheden de kans op uitval groter is.
Geconstateerd is dat er in ogenschijnlijk gelijke situaties voor de waterspanningen soms aanzienlijke verschillen worden gemeten: gemiddeld tot 30 cm verschil bij een onderlinge afstand van slechts enkele meters (meetlocatie AW196 in de Alblasserwaard) en tot maar
1204819-003-VEB-0001, Versie 03, 5 september 2011, definitief
liefst 70 cm verschil bij een onderlinge afstand van enkele honderden meters (LiveDijk Eemshaven). Gelet op het verloop in de tijd kunnen deze verschillen slechts in beperkte mate worden verklaard uit onnauwkeurig ingemeten plaatsingsdieptes, hoewel op basis van de geanalyseerde metingen het vermoeden gerezen is dat hierin afwijkingen tot meerdere decimeters kunnen voorkomen. Belangrijker is de constatering dat dergelijke verschillen inherent zijn aan de heterogeniteit van de ondergrond, juist ook binnen hetgeen als eenzelfde grondlaag kan worden gekarakteriseerd. De maximaal mogelijke afwijking zal overigens per grondlaag verschillen en bijvoorbeeld in een wadzandformatie veel groter zijn dan in een Pleistocene zandlaag. Dit zal bij de interpretatie van de metingen verdisconteerd moeten worden, waarbij een geringe meetdichtheid als vanzelf moet leiden tot een meer conservatieve interpretatie - de gemeten waarden kunnen immers betrekkelijk gunstig zijn. Bij een hogere meetdichtheid kan de benodigde marge nauwkeuriger worden vastgesteld.
Het gebruik van metingen van elders, bijvoorbeeld luchtdrukmetingen ter bepaling van de waterdrukken, zou in het algemeen vermeden moeten worden. Dit vanwege de extra interpretateslag die vereist is, tijdverlies bij verzameling van de gegevens en verhoogde kwetsbaarheid bij het gebruik als actueel waarschuwings- en alarmeringssysteem.
Merkwaardig zijn in de tijd oplopende meetwaarden zonder dat dit kan samenhangen met verhoogde waterdrukken in het dijklichaam. Bij de LiveDijk Eemshaven is zo sprake van 10 tot 60 cm stijging in ruim een half jaar tijd. Op een andere locatie speelt gasvorming in een meetinstrument dat in het slappe-lagenpakket is geplaatst waarschijnlijk een rol. Het probleem van dergelijke metingen voor het gebruik in analyses is dat dergelijke afwijkingen aanvankelijk niet goed te onderkennen zijn. Vervolgens is er natuurlijk effectief sprake van uitval van een instrument.
Ten aanzien van de aanbrengprocedure geldt in het algemeen dat het noodzakelijk is dat filters ontlucht worden kort voor het inbrengen, om demping van de drukveranderingen te vermijden. Doordat in deze pilot voornamelijk data van GeoBeads zijn geanalyseerd, zijn ten aanzien van dit type instrument hierover nog de volgende specifieke opmerkingen te maken:
Er kan luchtinsluiting rond de GeoBeads zelf optreden; dit hangt samen met het in één keer inbrengen van meerdere sensoren en leidt tot gedempte meting van drukveranderingen;
Het zwelvermogen van de gehanteerde zwelklei is mogelijk niet afdoende, waardoor er onzekerheid bestaat ten aanzien van de hydraulische afsluiting tussen sensoren; De streng van instrumeten kan zich zetten in een zigzag- vorm, hetgeen leidt tot
plaatsonzekerheid die gepaard gaat met een schijnbare stijging van de waterspanningen en veranderingen in de scheefstand volgens de inclinometingen die niet samenhangen met het grondgedrag maar met het instrument zelf;
Toepassing van een kleefbreker versterkt de drie voorgaande punten;
Door uitzakken van de zwelklei rondom de instrumenten kan zich een afpleisterende laag vormen in de ruimte rondom het instrument, hetgeen leidt tot een versterking (!) van de optredende drukveranderingen.
Voor de GeoBeads geldt verder dat deze door de betrekkelijk kleine meetkamer gevoeliger zijn voor contactdrukken - met name in scherpgekant, (grof)korrelig materiaal kunnen hierdoor irreële spaningen worden gemeten. Daarnaast geldt dat de GeoBead-meetdata opvallend veel kleine piekjes vertoont in vergelijking met bijvoorbeeld peilbuismetingen.
1204819-003-VEB-0001, Versie 03, 5 september 2011, definitief
Voor temperatuurmetingen geldt, in het algemeen, dat deze bruikbaar zijn voor het opsporen van (verhoogde) lekkage. Hiervoor is wel een hoge meetnauwkeurigheid vereist. Daarnaast is nog aanvullende kennisontwikkeling nodig voor de juiste interpretatie van de meetgegevens bij wisselende waterstanden.
9.2 Beantwoording deelvragen
Voor de in de inleiding gestelde vragen kunnen in het kort de volgende antwoorden worden gegegeven:
Welke sensoren worden gebruikt in de pilot en welke zijn nu operationeel? GeoBeads en traditionele hellingmeetbuizen.
Welke parameters worden gemeten (met welke variatie in tijd en plaats)?
Met de GeoBeads worden direct onder de binnenteen van de dijk op verschillende diepten de waterspanning, temperatuur en lokale helling gemeten, elk uur in een drietal dwarsprofielen langs de Lekdijk van de Alblasserwaard. In één dwarsprofiel is een tweede keten GeoBeads geplaatst ter controle, en met een lagere instrumentdichtheid. De hellingmeetbuizen zijn op praktisch dezelfde locaties geplaatst en kennen een veel lagere meetfrequentie, waarbij de laatste beschikbare meting ook nog van voor het hoogwater van januari 2011 dateert.
Welke mechanismen worden gemonitord?
De monitoring is vooral ingestoken op de indringing van waterdrukken in het slappe- lagenpakket direct achter de dijk vanuit de watervoerende zandlaag, hetgeen van belang is voor met name macrostabiliteit (binnenwaarts, al dan niet met opdrijven). Daarnaast is het ook bruikbaar voor het faalmechanisme piping.
Wat is het voordeel van monitoren t.o.v. eenmalig grondonderzoek?
Met monitoren wordt een tijdreeks verkregen, wat van belang is voor tijdsafhankelijke parameters zoals waterspanningen, temperatuur en vervormingen. Met eenmalig grondonderzoek worden (vrijwel) onveranderlijke parameters zoals grondsoort, volumegewicht en overige mechanische eigenschappen vastgesteld.
Wat is er mogelijk met de uitkomsten?
Met de uitkomsten is het in elk geval mogelijk om de modellering van de grondwaterstroming te verbeteren, dit ondanks de sub-optimale positionering. Meer in het algemeen dienen allerlei aspecten van dijkmonitoring die in dit onderzoek aan de orde gekomen zijn als bruikbare input voor de ontwikkeling van een eerste verkennende veiligheidsfilosofie op het gebied van dijkmonitoring.
9.3 Aanbevelingen
De belangrijkste aanbevelingen die uit dit onderzoek volgen zijn:
Het ontwerp van een monitoringssysteem moet bepaald worden op basis van de wijze waarop de meetgegevens zullen worden gebruikt. Ook de aanbrengmethode, insteltijd, meetnauwkeurigheid en meetfrequentie moeten hierop worden afgestemd; Waarborging van de datacontinuïteit vereist een passend protocol dat ook gehanteerd
wordt, samenhangend met het doel van de monitoring;
Bijzondere gebeurtenissen op de meetlocatie moeten worden bijgehouden in een logboek, zodat merkwaardige (veranderingen in de) metingen achteraf verklaard kunnen worden;
1204819-003-VEB-0001, Versie 03, 5 september 2011, definitief
De integratie van het deterministische DikeCode-model met een stochastisch model in een Kalman filter wordt aanbevolen. Met zo’n model kan de stabiliteit in
hoogwatersituaties en de onzekerheid in die voorspelling worden gekwantificeerd. Deze voorspelling kan worden getoetst aan signaalwaarden. Door kalibratie van het DikeCode-model is de relatie met het tijdsafhankelijk gedrag immers verbeterd en is hierdoor reductie van de onzekerheden rond de gedrag bij hoogwater mogelijk.
Geconditioneerd onderzoek in een geotechnisch laboratorium, aangevuld met consolidatieberekeningen, zal het inzicht vergroten in de praktische bruikbaarheid van instrumenten die met nieuwe installatiemethoden in de grond worden aangebracht, waarbij zinvol gebruik kan worden gemaakt van het vele onderzoek dat mede ten grondslag heeft gelegen aan de installatiemethoden voor ‘traditionele’ instrumenten. Het vervolg op dit onderzoek betreft een verkennende notitie voor de veiligheidsfilosofie voor het inpassen van metingen in de toetsings- en ontwerppraktijk. Hierin kunnen de inzichten die in deze pilot zijn verkregen worden verwerkt.
1204819-003-VEB-0001, Versie 03, 5 september 2011, definitief
10 Referenties
[Beck et al., 2010]
Y.L. Beck, A.A. Khan, P. Cunat, C. Guidoux, O. Artières, J. Mars & J.J. Fry, Thermal
monitoring of embankment dams by fiber optics, Proc. 8th ICOLD European Club
Symposium, TU Graz, 2010, pp. 444-448. [Koelewijn et al., 2010]
A.R. Koelewijn, N. Pals, M.J. Sas & W.S. Zomer (red.), IJkdijk pipingexperiment, validatie van
sensor- en meettechnologie voor detectie van optreden van piping in waterkeringen, resultaten pipingexperiment 2009, Stichting IJkdijk, Groningen, ISBN 978-90-5773-485-4, 171
pp.
[Van der Kolk, 2011]
B.J. van der Kolk, LiveDijk Eemshaven, analyse metingen, rapportnr. 1200888-001-GEO- 0006, Deltares, Delft, 2011, 33 pp.
[Kruse, 1998]
Henk M.G. Kruse, Deformation of a river dyke on soft soil, Nederlandse Geografische Studies, 243, Koninklijk Nederlands Aardrijkskundig Genootschap, Utrecht, 1998, 207 pp. [Lindenberg et al., 2002]
J. Lindenberg, M.A. Van, A.R. Koelewijn, C. Zwanenburg, J.W.M. Lambert, M.T. van der Meer, P.A.A.Teunissen, Evaluatierapport Proefvak Bergambacht, rapportnr. CO-710301/334, GeoDelft, Delft, 2002, 158 pp.
[Melnikova & Krzhizhanovskaya, 2011]
Melnikova, N.B. & Krzhizhanovskaya, V.V., Virtual dike: first steps towards a multiscale
simulation lab for dike stability analysis. Proc. Int. Conf. on Computational Science, ICCS
2011, Procedia Computer Science, volume 4, pp. 791-800. [TAW, 1989]
Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen (TAW), Leidraad voor het ontwerpen
van rivierdijken. Deel 2 - Benedenrivierengebied, ’s-Gravenhage, oktober 1989.
[Weijers et al., 2009]
J. Weijers, G.T. Elbersen, A.R. Koelewijn & N. Pals (redactie), Macrostabiliteit IJkdijk: sensor