Fasen binnen het pipingproces 1 Algemeen

Binnen het pipingproces worden meerdere fases doorlopen, wat in de schaalproeven in het laboratorium en in het full-scale experiment op de IJkdijk werd geobserveerd. Het eigenlijke pipingproces doorloopt vier fases:

1 Erosieactiviteit en welvorming

2 Pipevorming - terugschrijdende erosie 3 Pipevorming - verbreding door ruimen 4 Dijkdoorbraak

Deze vier fasen worden in de volgende paragrafen verder toegelicht.

4.6.2 Fase 1: Erosieactiviteit en welvorming

We beschouwen hiervoor de situatie in Figuur 4.6, waar geen deklaag aanwezig is. Zodra een gering verval aanwezig is bestaan de eerste waarnemingen van de erosieactiviteit uit zandwolkjes in het water en ‘zandsporen’, plekken waar geen zandtransport waarneembaar is, maar wel zand is afgezet (zie Figuur 4.9). De hoeveelheid zand in deze sporen blijft beperkt tot enige kubieke centimeters. Deze zandsporen kunnen zowel over de hele lengte van de dijk als ook in clusters worden waargenomen. Na verloop van tijd kunnen sommige zandsporen ook weer verdwijnen.

Deze stofwolken en zandsporen duiden op een locale concentratie van lekstroming, mogelijk ook op de aanwezigheid van kanaaltjes. Lokaal is een stromingsdruk aanwezig die stofwolken kan activeren en zandkorrels kan uitspoelen. De stroomsnelheid is gering waardoor de uitstroomsnelheid van het zand zo langzaam is dat geen zandtransport kan worden waargenomen. Zandtransport is echter noodzakelijk voor de vorming van zandsporen. Het is tot nu toe nog niet duidelijk of het hier gaat om het uitspoelen van de kleine zandfractie of dat er daadwerkelijk kanaaltjes ontstaan.

Deze concentratie van stroming kan door verschillende aspecten worden veroorzaakt. Ten eerste kunnen locale inhomogeniteiten in het zandpakket ervoor zorgen dat de stroming zich

37 van 348

concentreert. Inhomogeniteiten kunnen optreden door verschillen in verzadigingsgraad, verdichtingsgraad, uittredeweerstand of in aansluiting tussen zandpakket en kleidijk. Concentratie van stroming kan ook ontstaan doordat achter de zandsporen een zeer klein kanaaltje ontstaat, maar er is onvoldoende verhang voor een continu transport van zandkorreltjes door deze kanaaltjes. Door het bewegen van individuele korrels ontstaan ‘schone’ kanaaltjes, dus kanaaltjes waardoor geen continu korreltransport plaatsvindt.

Het ontstaan van stofwolken en zandsporen heeft geen invloed op de hoeveelheid water wat onder een dijk doorstroomt en heeft geen verband met de waterspanningen onder een dijk.

Figuur 4.9 Zandspoortje

Bij wat grotere verhangen (enkele centimeters onder het kritieke verhang) gaan sommige zandsporen over in schone (niet-zandmeevoerende) wellen. Zonder dat het zandspoor zichtbaar groter wordt ontstaat een duidelijk geconcentreerde uitstroom.

Niet-zandmeevoerende wellen ontstaan doordat lokaal water uit het zandpakket onder de dijk stroomt, mogelijk door een lokaal gat in een weerstandsbiedende laag of uit een lokaal kanaaltje. Bij een wat groter uitstroomdebiet wordt een krater zichtbaar en ‘kookt’ het water in de krater. Het debiet afkomstig uit de krater is op dat moment nog zeer klein ten opzichte van het totale debiet. Bij het ontstaan van schone wellen neemt de stroming onder de dijk niet significant toe. De waterspanningen dalen op locaties waar zich actieve wellen bevinden. Dieper in het zandpakket treden geen dalingen van waterspanningen op.

Voordat continu zandtransport wordt waargenomen ontstaan al kanalen aan de benedenstromse (buitendijkse) kant. Dit gaat gepaard met een afname van waterspanningen aan deze kant, het sterkst op locaties waar ook zandmeevoerende wellen worden waargenomen.

4.6.3 Fase 2: Pipevorming – terugschrijdende erosie

Zolang het verval over de waterkering voldoende klein is zal bij het uittreepunt ‘schoon’ water uittreden. Neemt het verval toe, en dus ook de hevigheid van de kwelstroming, dan leidt dit ertoe dat vanuit de zandlaag zanddeeltjes worden meegenomen. We spreken dan over een zandmeevoerende wel. Het zand wordt afgezet rond het uittredepunt en er vormt zich een zandkrater.

Een zandmeevoerende wel wordt gedefinieerd als een wel die continu zichtbaar zand meevoert (Figuur 4.11).

38 van 345

De erosie van het zand begint op de plaats waar de kwelstroom vanuit de zandlaag in het verbindingskanaal met het oppervlak komt, door de hoge locale gradiënten als gevolg van het zich samentrekken van de stroomlijnen. In de zandlaag ontstaat op die plaats een holle ruimte (Figuur 4.1c). Later, bij nog groter verval, vormen zich kanaaltjes bovenin de zandlaag (direct onder de ondoorlatende rand van de kleidijk of van de eventueel aanwezige deklaag), die zich uitbreiden richting buitenwater (Figuur 4.1d). Dit proces wordt aangeduid als ‘terugschrijdende erosie’.

In de IJkdijkproeven is waargenomen dat als eenmaal een zandmeevoerende wel is ontstaan, het pipingproces niet meer tot stilstand komt. Bij gelijkblijvend verval stopt het zandtransport niet meer en de lengte van het kanaal blijft toenemen. Er ontstaat dus geen evenwichtssituatie. Dit lijkt in tegenspraak met de theorie van Sellmeijer. Maar hierbij is wel in acht te nemen dat bij de IJkdijkproeven een specifieke configuratie met een vlak als uitstroompunt werd beproefd.

Volgens het model van Sellmeijer heeft de kanaalvorming in eerste instantie een reducerende werking op het erosieproces, doordat stromingsgradiënten afnemen (zie ook Figuur 5.4), zodat (bij gelijk blijvende buitenwaterstand) de terugschrijdende erosie tot stilstand komt. De lengte van de kanaaltjes (pipes), dus de mate waarin de terugschrijdende erosie vordert, is volgens Sellmeijer [1988] afhankelijk van het verval over de waterkering. Wanneer het verval over de kering echter groot is, zal de terugschrijdende erosie zich zover doorzetten, dat het erosieproces niet gereduceerd wordt, maar juist versterkt. Het kritieke verval is dan overschreden en er ontstaat volgens de theorie progressief terugschrijdende erosie. Het verval, waarbij het proces van terugschrijdende erosie nog net stopt, wordt het kritieke verval genoemd.

Het feit dat na het ontstaan van zandmeevoerende wellen nog evenwichtssituaties mogelijk zijn, is een interpretatie van de theorie. Mogelijk is het kritiek verval al bereikt, wanneer in de praktijk zandmeevoerende wellen worden waargenomen. Een evenwichtsverval is dus mogelijk als het gaat om miniem kleine kanaaltjes vrijwel zonder waarneembare zandproductie van de wellen.

Uit experimentele onderzoek volgt dat het kanaal bij constant verval langzaam in bovenstroomse richting groeit. De snelheid waarmee kanaaltjes groeien is afhankelijk van het verval. Indien meerdere kanaaltjes aanwezig zijn groeien deze niet allemaal even snel. De activiteit van de individuele zandmeevoerende wellen kan in de loop van de tijd vernaderen; sommige vallen helemaal stil, soms voert een wel wat minder zand af. Ook kunnen nieuwe zandmeevoerende wellen ontstaan, meestal vlakbij een bestaande zandmeevoerende wel. Kanalen worden ook niet over de gehele breedte van een dijk gevormd, soms is er een soms zijn er meerdere hoofdkanalen.

Zandmeevoerende wellen hoeven zich niet per se uit een al bestaande schone wel te ontwikkelen. De totale hoeveelheid zandtransport blijft bij gelijkblijvend verval constant en neemt toe bij een toename van het verval.

Uit full-scale testen op de IJkdijk [Beek & Knoeff, 2010] blijkt dat een of meerdere zandmeevoerende wellen (zie Figuur 4.11) eerst ontstaan bij een verval bijna zo hoog is als het verval waarbij een dijk kan bezwijken.

Het groeien van kanalen is in de praktijk goed waarneembaar in de verandering van waterspanningen. Een verlaging van waterspanning duidt op kanaalvorming. Wanneer

39 van 348

terugschrijdende erosie optreedt, is het verhang aan de bovenstroomse zijde van een piping kanaal hoger dan in de situatie zonder kanaal en ter plaatse van het kanaalfront is het verhang lager. Het kanaal heeft een grotere doorlatendheid dan het zand en dus zal dit het water naar zich toetrekken. Dit geeft in totaal een wat groter debiet. Aan de bovenstroomse kant van dat kanaal is het zandpakket nog ongestoord, maar daar moet het hogere debiet door stromen en dus is daar ook een hoger verval. Geschematiseerd ontstaat dus de situatie zoals geschetst in Figuur 4.10. De helling van de lijn met het stijghoogteverloop is het verhang. In deze figuur is te zien hoe waterspanningen veranderen ten gevolge van de vorming van een kanaal.

Figuur 4.10 Schets stijghoogteverloop. Locale waterspanningsafname (lichtblauwe lijn), veroorzaakt door

kanaalvorming t.g.v. terugschrijdende erosie vergeleken met initiële waterspanning voor begin van kanaalvorming (blauwe lijn)

De diepte van het kanaal wordt bepaald door het krachtenevenwicht op de korrel. De verandering van de waterspanning volgt hieruit. De ligging cq. lengte van het zich vormende kanaal kan dus uit waterspanningsmetingen worden afgeleid.

De toename in doorlatendheid/debiet ten gevolge van het ontstaan en groeien van kanaaltjes is zeer klein. De toename in doorlatendheid van het watervoerende zandpakket (bulkdoorlatendheid) wordt door de kanaalvorming nauwelijks beïnvloed.

Figuur 4.11 Zandmeevoerende wellen

4.6.4 Fase 3: Pipevorming – verbreding door ruimen

Zodra het kanaaltje dat vanaf de benedenstroomse zijde stroomopwaarts is gegroeid en contact maakt met het water aan de bovenstroomse zijde van de dijk (buitenzijde), treedt het ruimproces op. Het mechanisme onderloopsheid of piping is daarmee een feit (Figuur 4.1e).

 

40 van 345

Onder ‘ruimen’ wordt het proces verstaan waarbij het kanaaltje door een drukgolf, die met de stroom meeloopt, vanaf de bovenstroomse naar de benedenstroomse kant wordt verbreed en schoongedrukt. Het ruimproces gaat gepaard met een sterke verhoging van de waterspanning, die veroorzaakt wordt door de geringe hydraulische weerstand van het vergrote kanaal. Dit proces kan goed worden gevolgd aan de hand van waterspanningsmetingen. Deze situatie is geschematiseerd in Figuur 4.12.

Figuur 4.12 Toename waterspanningen in zandlaag ten gevolge van kanaalverbreding door ruimen (rode lijn) vergeleken met initiële waterspanning voor begin van kanaalvorming (blauwe lijn)

Het ruimproces is een ingewikkeld proces. Door drukgolf komt tijdens het ruimproces aan de bovenstroomse zijde een dusdanige hoeveelheid zand in beweging, dat er het kanaaltje verder onder de dijk op één of meerdere locaties verstopt raakt. Dit leidt tot sterke fluctuaties in waterspanningen en soms ook in het zandtransport. Het kanaal blijft bovenstrooms schoon zonder verstopping. Het schone kanaal ligt niet vast op één locatie maar kan nog wel meanderen. Het zand in de verstopte zones wordt vervolgens door een opnieuw startend proces van terugschrijdende erosie weggeruimd, waarna zich opnieuw een drukgolf door het kanaaltje kan voortplanten. Het proces herhaalt zich meerdere keren, waarbij het bovenstroomse schoongedrukte kanaal toenemend langer wordt. Het debiet neemt gedurende deze fase in geringe mate toe.

Het zandtransport neemt aan het begin van het ruimproces nauwelijks toe. Pas aan het eind van het ruimproces, direct voorafgaand aan de dijkdoorbraak is het zandtransport duidelijk zichtbaar.

Bij het vaststellen van de ernst van piping onder een dijk door inspecteren vormt deze situatie een behoorlijk risico. De tijd die nodig is om tot bezwijken te komen is blijkbaar afhankelijk van de kwelweglengte. Mogelijk treedt dit proces sneller op wanneer het te keren verval groter wordt. Nadat het kanaal de bovenstroomse zijde heeft bereikt kost het bij constant verval nog geruime tijd (meer dan 24 uur) om tot bezwijken te komen. Dit proces zou nog sneller kunnen verlopen als het kritieke verval ruim wordt overschreden.

4.6.5 Fase 4: Dijkdoorbraak

Zodra het ruimproces de benedenstroomse zijde heeft bereikt, resulteert dit in een forse toename van zandtransport en debiet. Naast zand spoelt ook klei mee en er vormt zich een zogenaamde modderfontein (zie Figuur 4.13). Water stroomt met groot geweld door het kanaal. In de dijk treden grote scheuren op en de dijk zakt aan de bovenstroomse zijde in. Dit

 

zand pipe (gedeeltelijk verstopt)

ruimen van het kanaal

41 van 348

leidt tot vermindering van het waterkerende vermogen van de waterkering. In de IJkdijkfaciliteit was het bovenstroomse waterpeil in deze fase ondanks grote pompvoorzieningen niet lang constant te houden vanwege de beperkte afmetingen van het waterbassin. Bij een constant verval over de kering, zoals dit bij een rivierhoogwater het geval is, zal het bezwijkproces gelijk blijvende intensiteit doorgaan, wat uiteindelijk tot verlies van het waterkerende vermogen ten gevolge van bresvorming zal leiden.

Figuur 4.13 Doorbraak (toename zandtransport links en dijkdoorbraak rechts)

In Figuur 4.14 is het verloop van het verval en en het gemeten uitstroomdebiet vlak voor bezwijken in de tijd weergegeven. Het totale doorbraakproces duurde in de IJkdijkproeven (kwelweglengte 15 m) circa 20 minuten. Bij dijken op ware grootte zal dit proces nog meer tijd nodig hebben.

Piping kan dus leiden tot het bezwijken van waterkeringen. Over het doorbraakproces (bresvroming) zelf is verder nog weinig bekend. Uit uitgravingen na pipingproeven volgt dat het kanaal aan de bovenstroomse zijde groter en dieper in het zand snijdt dan aan de benedenstroomse zijde. Ook treedt alleen beperkte erosie van klei op. Het pipingprocs speelt zich dus duidelijk onder de kleilaag af. De kleilaag zelf wordt bijna niet aangetast, maar zakt bij voldoende grote uitspoeling van de daaronderliggende zandlaag na.

Op basis van waarnemingen in de IJkdijk proeven kan dus worden verondersteld dat op het moment dat zandmeevoerende wellen worden waargenomen, het kritieke verval al bereikt is. Het is dan slechts een kwestie van tijd voordat een doorgaande pipe zal ontstaan.

In paragraaf 4.9 komen we terug op de parameters die bepalend zijn voor het kritieke verval. We volstaan voorlopig met de mededeling dat naast moeilijk beïnvloedbare parameters zoals doorlatendheid en korreldiameters van de zandlaag vooral de lengte van de kwelweg erg belangrijk is. Deze parameter is wel beïnvloedbaar in het ontwerp van de waterkering en is de belangrijkste ontwerpgrootheid.

42 van 345

Figuur 4.14 a) Verloop van verval in de tijd voor IJkdijkproef 3 (fijn zand)

b) Gemeten uitstroomdebiet IJkdijkproef 3 (fijn zand) vlak voor bezwijken Verval

43 van 348

4.7 Heave

Indien aan de binnenzijde van grondconstructies op de watervoerende zandlaag geen of slechts een dunne afdekkende grondlaag aanwezig is, kunnen de verticale korrelspanningen aldaar wegvallen onder invloed van kwel. Dit wordt aangeduid met heave, wat overeenkomt met de vorming van drijfzand en met name optreedt bij verticaal uittredend grondwater. Bij waterkerende kunstwerken en bij dijken kunnen kwelschermen worden toegepast. Kwelschermen vergroten de weerstand die een kwelstroom ondervindt. Het effect is dat de kwel vermindert en dat, nog belangrijker, de stroomsnelheid en daardoor de kans op erosie van de zandlaag afneemt. Bij kwelschermen aan de benedenstroomse zijde van de waterkering wordt de uittrederichting van de kwelstroom verticaal (zie Figuur 4.15). Hierbij doet zich het verschijnsel voor dat door de opwaartse kwelstroom de korrelspanningen in het zand achter het scherm afnemen. In het uiterste geval vallen de korrelspanningen geheel weg, waardoor feitelijk een drijfzandsituatie ontstaat. Dit mechanisme wordt heave genoemd. Heave kan twee gevolgen hebben [Calle & Sellmeijer, 1998]:

1 een drijfzandsituatie treedt op, waardoor de op de zandlaag gelegen bescherming kapotgaat. Indien sprake is van een granulair stortebed, kan dit negatieve gevolgen hebben voor de eventuele filterwerking.

2 door reductie van de effectieve korrelspanning in het gefluïdiseerde zand naar 0 wordt het krachtenevenwicht op het kwelscherm verstoord. Hierdoor kan de aansluiting tussen scherm en constructie verstoord worden, met desastreuze gevolgen, zoals piping (zie volgende punt).

Opgemerkt wordt dat beide effecten ook al kunnen optreden bij een geringere opwaartse kwelstroom dan noodzakelijk voor volledige fluïdisatie. Het ontbreken van een heldere grenstoestand moet bij de toetsing of het ontwerp worden afgedekt door een veiligheidsfactor (zie hoofdstuk 5 en 7).

Bepalend voor dit mechanisme is de toename van waterspanningen, vanaf het maaiveld, met de diepte in het zand achter het kwelscherm (zie Figuur 4.15). Indien geen kwelstroming aanwezig is, dan is die toename hydrostatisch. In het zand is dan korrelspanning aanwezig. Bij een opwaartse kwelstroom zijn de waterspanningen groter dan hydrostatisch (er is dus wateroverspanning), wat leidt tot afname van de korrelspanningen. Een grenstoestand wordt bereikt wanneer de toename van de wateroverspanning met de diepte gelijk is aan de toename van de korrelspanning wanneer de waterspanning hydrostatisch zou zijn. De toename van de wateroverspanning kan worden uitgedrukt in termen van de verticale gradiënt van de grondwaterpotentiaal. De gradiënt waarbij de grenstoestand optreedt wordt kritieke gradiënt genoemd. De feitelijke verticale gradiënt van de grondwaterpotentiaal achter het kwelscherm, dus de toename van de wateroverspanning met de diepte, is in het algemeen niet constant. Daarom wordt bij heave controles gerekend met de over het kwelscherm gemiddelde verticale gradiënt van de grondwaterpotentiaal. Deze wordt getoetst aan de kritieke gradiënt, waarbij een veiligheidsfactor in acht wordt genomen.

Indien er sprake is van geconcentreerde lekkage door het kwelscherm ten gevolge van een gat, zal dit leiden tot een verlaging van het gemiddelde verhang over het gehele kwelscherm. In zoverre werkt geconcentreerde lekkage dus positief op de genoemde gevolgen van heave. Voor een toetsing op heave hoeft dus geen rekening gehouden te worden met mogelijke gaten in het kwelscherm. Er kan echter wel een probleem ontstaan voor piping.

44 van 345

Vanouds zijn kwelschermen bij dijken geweerd, omdat ze gezien werden als ‘vreemde elementen’. Door de Commissie Boertien is echter aanbevolen om kwelschermen als mogelijke optie voor ‘uitgekiend ontwerpen’ niet uit te sluiten. Deze aanbeveling heeft ertoe geleid dat goede en gemakkelijk te gebruiken rekenmodellen voor controle op het mechanisme heave zijn ontwikkeld (zie ook hoofdstuk 5).

Figuur 4.15 Mechanisme Heave

4.8 Onder- en achterloopsheid bij kunstwerken

In document Zandmeevoerende wellen : onderzoeksrapport (pagina 58-66)