Historisch onderzoek 1 Vooroorlogs onderzoek

Het verschijnsel piping is al rond de vorige eeuwwisseling bestudeerd. Door een aantal dijkdoorbraken rond het begin van de vorige eeuw (zie paragraaf 3.3) was men zich van dit faalmechansime bewust geworden.

Door Bligh is in 1910 een aantal bezwijkgevallen van op staal gefundeerde gemetselde kleine stuwdammen op verschillende grondslag in India geïnventariseerd en geanalyseerd [Bligh, 1910]. Op basis van deze inventarisatie is door hem de volgende empirische rekenregel opgesteld:

C

L

=

H

H

creep c







(3.1) Hierin is:

H het aanwezige verval over de waterkering (= H-hp)

Hc het maximaal toelaatbare verval (kritiek verval) over de waterkering

L de minimale kwelweglengte Ccreep creepfactor

De creepfactor is afhankelijk van een kwalitatieve karakterisering van het materiaal in de grondlaag die op piping onderzocht wordt. In Tabel 3.1 zijn de door Bligh aangegeven indicaties van deze factor gegeven. De creepfactor van Bligh wordt bepaald aan de hand van de geschatte korreldiameter van het zand in de watervoerende zandlaag.

Met deze rekenregel wordt het toelaatbare verval over de constructie berekend, als product van de totale horizontale en verticale kwelweglengte (line of creep) onder de constructie en een factor die afhankelijk is van de soort zand in de watervoerende zandlaag. De rekenregel van Bligh wordt ook wel de ‘line of creep’-methode genoemd.

De kwelweglengte is in beginsel de lengte van de door Bligh zo genoemde ‘line of creep‘. Dit is de doorgaande lijn van intreepunt tot uittreepunt (of verzameling van achter elkaar geschakelde lijnstukken), waarmee de grens wordt gemarkeerd tussen de onderkant van de waterkering en het grondpakket waar het grondwater doorheen stroomt.

In de opvatting van Bligh moeten eventuele verticale stukken (verticale wanden van een constructie of verticale kwelwegen langs een scherm) volledig worden meegerekend. In de regel van Bligh worden daarom horizontale en verticale componenten van de kwelweg bij elkaar opgeteld. Door Lane [Lane, 1935] is die aanpak sterk bekritiseerd. Hij stelde dat de verticale delen van de ‘line of creep‘ een relatief grotere bijdrage aan de weerstand leveren dan de horizontale. In de Nederlandse ontwerppraktijk voor dijken werd de regel van Bligh aanbevolen in situaties waarin uitsluitend horizontale kwelweg aanwezig was (het gebruik van kwelschermen bij dijken was niet gebruikelijk), daarmee werd dus impliciet de kritiek van Lane onderschreven.

14 van 345

Het verval H is gelijk aan het verschil tussen buitenwaterstand (het ontwerppeil (OP) bij zeedijken en de maatgevende hoogwaterstand (MHW) bij rivierdijken) en de waterstand binnendijks ter plaatse van het uittreepunt, rekening houdend met zeespiegelrijzing et cetera. Indien ter plaatse van het uittreepunt of de opbarstlocatie geen vrije waterstand heerst, kan gerekend worden met het maaiveldniveau, rekening houdend met eventuele maaivelddaling. De methode van Bligh werd tot nu toe gehandhaafd als een eenvoudige toets op piping, waarin de uit onderzoek verkregen aanwezige kwelweglengte werd getoetst aan de kritieke kwelweglengte volgens Bligh. Indien het uittreepunt niet eenduidig was vast te stellen, dan werd de toets voor meerdere kwelwegen gedaan, ieder met het bijbehorende verval. Het voordeel van de methode van Bligh was, dat met deze waarde snel een toets op piping kon worden gedaan, als uitsluitend globaal het in- en uittreepunt bekend zijn. Bij het toepassen van de regel van Bligh diende geen veiligheidsfactor in rekening te worden gebracht; de benodigde veiligheid was al verdisconteerd in de rekenregel zelf.

Voor de kwelweglengte, of de diverse onderdelen daarvan en voor het binnendijkse maaiveldniveau dient de ondergrens te worden aangehouden. Als de aanwezige kwelweglengte kleiner is dan de benodigde kwelweglengte volgens Bligh, dan is er mogelijk gevaar voor piping. De beoordeling diende al in eerdere toetsvoorschriften te worden voortgezet met de geavanceerder rekenregel volgens Sellmeijer.

Tot nu toe werd aangenomen dat het een veilige benadering is. Maar de methode van Bligh en de waarden die voor Ccreep worden aangegeven, kennen niet een uitgebreide

probabilistische onderbouwing. Bovendien werd tot nu toe – als er geen gegevens over het zand bekend waren - voor de creep factor de waarde 18 als bovengrens van de creep factor aangehouden.

Uit recent onderzoek in het kader van SBW blijkt echter dat de rekenregel van Bligh niet - zoals eerder werd aangenomen - conservatief van aard is, maar zelfs onveiliger dan de rekenregel van Sellmeijer, die in de gedetailleerde toetsing wordt toegepast. De regel van Bligh zal daarom in de toetsing niet meer worden toegepast.

Grondsoort Mediane korreldiameter [µm]1) _C

creep (Bligh) Cw,creep (Lane)

Uiterst fijn zand, silt < 105 8,5

Zeer fijn zand 105 – 150 18

Zeer fijn zand (mica) 18 7

Matig fijn zand (kwarts) 150 – 210 15 7

Matig grof zand 210 – 300 6

Zeer/uiterst grof zand 300 – 2000 12 5

Fijn grind 2000 – 5600 9 4

Matig grof grind 5600 – 16000 3,5

Zeer grof grind > 16000 4 3

1) _{indicaties conform NEN 5104 (september 1989)}

Eventueel kan tussen klassemiddens van de mediane korreldiameters worden geïnterpoleerd

15 van 348

In 1935 is door Lane een eveneens empirische rekenregel opgesteld, waarbij horizontale en verticale delen van de kwelweg op gewogen wijze in rekening worden gebracht [Lane, 1935]. Bij de berekening van de kwelweglengte worden horizontale gedeelten slechts voor 1/3-deel meegerekend. Volgens Lane was deze modificatie van de regel van Bligh noodzakelijk, om de grotere stromingsweerstand van verticale delen van de kwelweg goed in rekening te brengen. Hij noemde zijn methode de ‘weighted line of creep’-methode en zijn kwelweglengte een ‘gewogen kwelweglengte’ en daar horen ook ‘gewogen creep-factoren’ bij. Bij dijkversterkingen in Nederland was de regel van Bligh tot begin van de jaren negentig in gebruik en is ook in de Leidraad voor het ontwerpen van rivierdijken (deel 1, 1987) aanbevolen; hierbij speelde in het algemeen alleen een horizontale kwelweg een rol. Voor onderloopsheidcontrole bij kunstwerken werd tot nu toe uitgegaan van de rekenregel van Lane. Ook van deze rekenregel wordt aangenomen dat deze conservatief van aard is.

De empirische rekenregel van Lane (zie paragraaf 5) is in beginsel bedoeld voor zowel controle op piping als controle op heave (verticaal uittreeverhang). In deze regel wordt geen onderscheid gemaakt tussen deze twee verschillende mechanismen. Bij de twee geavanceerdere rekenregels Sellmeijer (zie paragraaf 5.3) en heave (zie paragraaf 5.4) is dat wel het geval.

De regels van Bligh en Lane hebben impliciete veiligheid, omdat ze als ontwerpregels bedoeld waren. Voor de ontwerp- en toetspraktijk betekent dit dat de regel van Lane zonder additionele veiligheidsfactor wordt toegepast. Dit gold ook voor het toepassen van de inmiddels vervallen regel van Bligh.

De wijze waarop de regels van Bligh en Lane zijn afgeleid is nagenoeg identiek. Het principe is dat een (groot) aantal stuwen en dammen bijeen is gezocht, waarvan bekend was bij welk verval ze zijn bezweken, of welk verval ze maximaal gekeerd hebben, zonder te bezwijken. Deze vervallen zijn uitgezet tegen de bij de constructie behorende kwelweglengte. Vervolgens is een ondergrens gekozen waarvan werd aangenomen dat deze voldoende veilig is, omdat zich onder deze grenslijn geen bezwijkgevallen mochten bevinden. De creep- factor, d.i. het quotiënt van kwelweglengte en hydraulisch verval, kon hieruit worden berekend.

Door Harza (Harza, 1935) is een criterium voor heave opgesteld in termen van de kritieke ‘flotation gradient’. In latere onderzoekingen m.b.t. dit mechanisme is voortgeborduurd op dit concept.

De veiligheidsfilosofie was in die tijd alleen gebaseerd op het hoogst voorgekomen waterstand.

3.1.2 Naoorlogs onderzoek

Vanaf de jaren vijfitig zijn in Nederland, Duitsland de Verenigde Staten verschillende onderzoeksprogramma’s van start gegaan met het doel het pipingproces beter te begrijpen en te modelleren. Een gedetailleerd overzicht van verschillende onderzoeken, van de in de loop der tijd ontwikkelde criteria voor de mechanismen piping en heave en ontwerpcriteria voor filters is gegeven in [Hsu, 1981].

Vanaf het eind van de jaren zeventig is zowel in Nederland, onder auspiciën van de TAW, als in Duitsland het verschijnsel piping onderzocht. Met name in het Duitse onderzoek is middels modelproeven het proces van ontstaan en uitgroeien van erosiekanaaltjes in een zandlaag onder de ondoorlatende onderrand van een waterkering onderzocht. Het Nederlandse

16 van 345

onderzoek resulteerde eind jaren tachtig van de vorige eeuw in de ontwikkeling van het wiskundige model van Sellmeijer [Sellmeijer, 1989], waarmee het erosieproces, dat ten grondslag ligt aan piping, fundamenteel wordt beschreven. Na latere uitbreidingen is dit model in 1990 in een viertal modelproeven in de Deltagoot gevalideerd [Silvis, 1991]. De enige grootheid die hier is gevarieerd is de kwelweglengte. Deze is gevarieerd tussen 6 m en 12 m. Aan de hand van dit rekenmodel zijn ontwerpregels afgeleid die toegankelijk zijn voor de ontwerp- en adviespraktijk [TAW, 1994b]. De hierbij toegepaste veiligheidsfilosofie is gebaseerd op de overschrijdingskans van een bepaalde waterstand. Deze is dan vertaald naar sterktenormen. Het toepassingsgebied van de ontwerpregels werd begrensd door ervaring met de empirische rekenregels om geen trendbreuk te veroozaken.

Verticale kwelwegcomponenten, zoals bij kwelschermen, kunnen echter niet met het model van Sellmeijer worden meegenomen. Een van aanbevelingen van de commissie Boertien (1993) betrof het nagaan in hoeverre kwelschermen, ook bij dijken, konden bijdragen aan ‘uitgekiend ontwerpen’. Tot die tijd werd het toepassen van zulke schermen als ongewenst gezien vanwege de beperkte duurzaamheid, de mogelijke problemen met de aansluiting ervan op ondoorlatende grondlagen en vanwege het zetting- en deformatiegevoelige karakter van dijken. Mede op grond van deze aanbeveling is sindsdien onderzoek verricht naar het effect van korte kwelschermen bij rivierdijken [Van de Paverd, 1994]. Een mogelijk faalmechanisme daarbij is het ontstaan van hydraulische grondbreuk (heave) door een te groot verticaal verhang achter het kwelscherm, wanneer dit geplaatst is bij de binnenteen van de dijk. In 1995 zijn, gebaseerd op het heave-criterium, met behulp van het zogenoemde Fragmentenmodel [Sellmeijer, 1995] ontwerpregels afgeleid voor het dimensioneren van kwelschermen. Deze voorlopige ontwerpregels zijn bedoeld om de empirische rekenregels van Lane te vervangen. Een studie betreft de ‘Probabilistische gevoeligheidsanalyse van Heaving ontwerpregels’ [Calle, 1998].

Door Dienst Weg- en Waterbouwkunde van de Rijkswaterstaat zijn de bij de hoogwaterstanden in 1993 en 1995 opgetreden schadebeelden langs de bandijken van de grote rivieren geïnventariseerd [DWW, 1996].

3.2 Recent onderzoek in het kader van SBW

In document Zandmeevoerende wellen : onderzoeksrapport (pagina 35-38)