5 Kwaliteit metingen
5.1 Methode van aanbrengen
De bruikbaarheid van metingen is voor een belangrijk deel afhankelijk van een correcte methode van aanbrengen. Het is echter (in dit geval) achteraf zeer lastig om te bepalen of meetapparatuur goed is aangebracht en geïnstalleerd.
Wel is een beschouwing gedaan naar de methode van installeren, waarbij de volgende punten in ogenschouw moeten worden genomen omdat die mogelijk de correctheid van de metingen aantasten. Hierbij wordt aangegeven of dit een generiek punt betreft, een punt dat samenhangt met de wijze van aanbrengen of een punt dat alleen van toepassing is danwel lijkt op de hier beschouwde instrumenten.
1 Niet ontluchten filters kans op luchtinsluiting. Bij de GeoBeads zijn de filters niet ontlucht ingebracht. De gedachte hierachter is, is dat dit bij het filter dat toegepast is in de GeoBeads niet nodig is, omdat dit zelf water aanzuigt en zo de lucht of ander gas (bijvoorbeeld methaangas) de meetkamer uit laat gaan. Ontluchting van het filter betekent echter niet per sé ook ontluchting van de meetkamer, ook al heeft deze een beperkte omvang (mede in vergelijking met andere instrumenten). Wanneer niet alle lucht is uitgedreven zal dit resulteren in een verschil tussen de gemeten waterspanning en de werkelijke waterspanning omdat de druk deels wordt opgevangen door het samendrukken van de luchtbelletjes. Drukveranderingen worden zodoende gedempt. Dit is een generiek aandachtspunt bij het aanbrengen van instrumenten en is des te belangrijker naarmate de meetkamer groter is. Het is afhankelijk van de gehanteerde wijze van inbrengen.
2 Zwelklei om signaalkabel Zwellen de kleischalen wel voldoende en snel genoeg? Om de signaalkabel tussen de GeoBeads zijn zwelkleischalen aangebracht. Deze schalen moeten er voor zorgen dat er holle ruimte tussen de signaalkabel en het gemaakte gat wordt opgevuld. Dit kan gebeuren doordat de toegepaste klei onder invloed van water tot 300% in volume zou moeten toenemen. Er zijn wel kleisoorten die dit zwelpercentage hebben, maar bij navraag werd aangegeven dat een kleisoort (‘Wyoming klei’) is toegepast die volgens de leverancier ‘slechts’ 50 tot 70 procent in volume toeneemt. Het is echter de vraag of deze zwel onder alle omstandigheden optreedt en of er daadwerkelijk geheel sluitend contact optreedt met de omliggende, weggeperste grond, zodat er geen hydraulische kortsluiting kan ontstaan. Onvoldoende zwel, en daardoor geen afsluitende werking, zou een verklaring kunnen zijn voor de getijderespons in de metingen van meetinstrument AW196B_3, zie verder de laatste passage van §4.1.1 en Figuur 4.3. Overigens zal de theoretisch benodigde zwel niet hoeven op te treden om toch voldoende afdichting te krijgen, omdat de GeoBeads immers grondverdringend worden aangebracht. Bij het trekken van de mantelbuis kan de omliggende grond ontspannen en (een deel van) de holle ruimte opvullen. Dit punt hangt specifiek samen met het in één keer inbrengen van een reeks instrumenten achter elkaar, waarin de GeoBeads vooralsnog uniek zijn.
3 Luchtinsluiting in ruimte tussen GeoBeads en omliggende grond achterblijven van samendrukbare luchtbel. Tussen de sensormodule en de grond zit een holle ruimte omdat de diameter van de GeoBead kleiner is dan de diameter van de mantelbuis. Wanneer de mantelbuis na het inbrengen van de GeoBeads wordt getrokken blijft er een holle ruimte over tussen de grond en de GeoBead. Deze holle ruimte wordt van bovenaf gevuld met water waardoor er lucht in het water terecht komt. Een lucht
1204819-003-VEB-0001, Versie 03, 5 september 2011, definitief
insluiting van slechts enkele procenten geeft een significante fout in de gemeten drukken omdat lucht relatief eenvoudig samendrukbaar is. Drukveranderingen worden zodoende gedempt (zie ook het eerste punt). Net als het tweede punt hangt dit samen met de inbrengwijze van GeoBeads; bij enkelvoudig ingebrachte instrumenten zal dit niet voorkomen.
4 Uitzakken zwelklei Zwelklei zoals bentoniet wordt onder meer toegepast bij het boorfront van tunnelboormachines om het graaffront af te pleisteren en zodoende te stabiliseren. De kleideeltjes zetten zich af tegen de wand en vormen zo een slechtdoorlatende laag, waardoor zich een evenwicht kan opbouwen. Evenzo kan de zwelklei die zich om de signaalkabel bevindt uitzakken naar de daaronder aanwezige GeoBead, waar géén zwelklei omheen zit maar wèl een holle ruimte nadat de mantelbuis getrokken is. Dit proces wordt alleen verhinderd wanneer deze ruimte snel wordt opgevuld. In korrelig materiaal, zoals zand, zal dit probleem dan ook niet zo snel optreden. In meer plastisch materiaal, zoals klei en veen, kan dit verhinderd worden doordat het materiaal om het meetinstrument sluit voordat de zwelklei kan uitzakken en kan afzetten. De grondverdringende wijze van inbrengen helpt daarvoor. Wanneer zich echter wèl een dergelijke met zwelklei afgepleisterde laag kan vormen (een ‘waterzak’), dan zullen spanningsveranderingen in alleen verticale of horizontale richting versterkt worden gemeten; de aanpassing van de effectieve spanningen in de grond aan een verticale belasting wordt bij een ‘ideale’ afpleistering slechts voor de helft gemeten. In de consolidatiefase zullen de waterspanningen in de ‘waterzak’ vervolgens niet overeenkomen met de waterspanningen daarbuiten – die eigenlijk gemeten zouden moeten worden1. Dit probleem kan zich voordoen bij alle instrumenten waarbij tijdens de installatie een mantelbuis (of iets dergelijks) getrokken wordt en waarbij zwelklei wordt gebruikt ter voorkoming van hydraulische kortsluiting.
5 Contactdrukken Meting van onrealistische waarden. Bij een instrument met een relatief kleine, ondiepe drukkamer bestaat de mogelijkheid dat korrelig materiaal door het filter heen rechtstreeks op het membraam drukt. Hierdoor is de meting geen drukmeting meer, maar is de waarde van datgene wat gemeten wordt onduidelijk. In het verleden is dit probleem onderkend bij de ontwikkeling van waterspanningsmeters, maar deze kennis is bij de ontwikkeling van nieuwe instrumenten niet altijd toegepast. Bij de GeoBeads vormt dit de keerzijde van de in een aantal opzichten voordelige kleine drukkamer.
6 Ruimte rond kabel en sensoren Kans op verzakkingen. Bij de gehanteerde inbrengmethode is er enige ruimte rondom de instrumenten en de signaalkabel (mantelbuis met enige speling aan de binnenzijde, en de ruimte ten gevolge van de toepassing van een kleefbreker. Deze raakt gevuld met zwelklei, de omringende eerst samengeperste grond, water en lucht. De opgezwollen zwelklei is vrij zacht materiaal. Het is hierdoor goed mogelijk dat de kabel met instrumenten daardoor in een zigzag- patroon op de voet komt te staan. Dit is overigens ook af te leiden uit de metingen van de inclinometers, die met name in de eerste maand na aansluiting (wat nog iets later is dan de installatie) duidelijk verdraaiingen vertonen. De vraag rijst hoe groot de initiële vervorming is. Verder is het in zeer slap materiaal ook nog denkbaar dat de GeoBeads
1. Meer fundamenteel-grondmechanisch: bij een belasting in één richting (verticaal, of horizontaal) zal bij ‘perfecte’ afpleistering een waterspanningsverandering worden gemeten die gemeten zou moeten worden wanneer het initiële aanpassingspercentage slechts de helft zou bedragen. Neem als voorbeeld een verticale belasting van 5 kPa die voor 80% (4 kPa) door het poriewater wordt opgenomen en dus voor 20% (1 kPa) direct door het gronddeeltjes (‘het korrelskelet’, of het equivalent daarvan in slappe materialen als klei en veen). Bij ‘perfecte’ afpleistering zal een waterspanningsverhoging van 4,5 kPa worden gemeten. Vervolgens zal de aanpassing binnen de ‘waterzak’ trager verlopen dan daarbuiten.
1204819-003-VEB-0001, Versie 03, 5 september 2011, definitief
en de signaalkabel in de omliggende grond insnijdt, waardoor dit effect nog versterkt raakt. Het effect hiervan op de metingen is tweeledig: ten eerste is van de inclinometingen onduidelijjk in hoeverre deze betrekking hebben op dit verschijnsel en in hoeverre ze betrekking hebben op vervormingen van het omliggende grondlichaam, waar ze voor bedoeld zijn, en ten tweede leidt dit tot een verzakking van de waterspaningsmeters. Deze komen hierdoor dichter bij de voet. Aangezien concrete informatie hierover ontbreekt, zullen de metingen geïnterpreteerd worden alsof het instrument nog op de oorspronkelijke hoogte ten opzichte van het referentievlak aanwezig is. Bij een stationaire situatie zal de gerapporteerde waterspanning hierdoor stijgen. Met alternatieve systemen zal dit niet snel als probleem optreden: bij een hellingmeetbuis wordt een buis toegepast die voldoende stijf is om niet te veel uit te buigen (het probleem kan eerder zijn dat deze onvoldoende meebeweegt bij bijvoorbeeld squeezing) en bij een enkelvoudige waterspanningsmeter is het niet relevant.
7 Kleefbreker toegepast Grotere kans op hydraulische kortsluiting tussen grondlagen en tussen opeenvolgende instrumenten. Een kleefbreker is een ring met een grotere diameter dan de in te brengen buis. Deze ring zorgt ervoor dat het inbrengen van de buis wordt vergemakkelijkt doordat de ring de grond losmaakt en er minder wrijving ontstaat tussen de grond en de buisschacht. Door de lossere grond wordt de kans op een hydraulische kortsluiting door de losgemaakte grond groter. Wanneer de toegepaste zwelklei dusdanig uitzet dat de losgemaakte grond weer wordt aangedrukt, zou dit voorkomen kunnen worden. In feite versterkt dit de mogelijke effecten zoals genoemd bij punt 2, 3 en 6.
5.2 Insteltijd
Onder insteltijd wordt de tijd verstaan tussen het aanbrengen van de meetapparatuur en het moment dat er betrouwbare metingen worden gegeven. De insteltijd is afhankelijk van de wijze van aanbrengen, de grondsoort waarin wordt aangebracht en de parameter die gemeten dient te worden. Van ‘traditionele’, met een sonderstelling weggedrukte waterspanningsmeters is bekend dat de insteltijd varieert van hooguit enkele uren in zand tot enkele dagen in zeer ondoorlatende klei. Deze insteltijd is afhankelijk van de consolidatie snelheid van de grond.
Tabel 5.1 geeft per sensor en parameter de insteltijd weer. De insteltijd is bepaald door te kijken wanneer de metingen een constante waarde of constant patroon krijgen. Bij de temperatuurmetingen is geen insteltijd waargenomen wat erop lijkt te duiden dat de temperatuur van de sensormodule snel aanpast aan de omgeving. Inclinatiesensoren hebben zelf geen insteltijd nodig, echter de metingen zijn niet meteen representatief doordat de aangebrachte zwelklei uitzet en vervormt en het gemaakte boorgat dicht zakt en vervormt. De vervormingen laten de kralenketting bewegen. Volgens AlertSolutions is er ongeveer zeven weken lang zetting waar te nemen in de inclinatiemetingen. Na die zeven weken zou er een nieuw nulpunt kunnen worden ingesteld. Dit is lang en maakt de instrumenten minder geschikt om in te zetten tijdens calamiteiten om extra informatie over de toestand van de dijk te verzamelen. Overigens lijkt een tweetal sensoren (5%) een nog langere insteltijd te kennen dan de genoemde zeven weken.
1204819-003-VEB-0001, Versie 03, 5 september 2011, definitief Sensor Filterdiepte [m tov NAP] Druk Inclinatie dF Inclinatie dS AW165_1 -2.70 15 5 35 AW165_2 -5.70 26 7 6 AW165_3 -8.20 11 7 10 AW165_4 -10.40 7 5 7 AW165_5 -11.00 7 <1 5 AW165_6 -11.60 7 6 22 AW165_7 -12.20 <1 8 10 AW165_8 -13.20 <1 57 32 AW165_9 -15.70 <1 4 ? AW196B_1 -5.54 2 ? 8 AW196B_2 -7.32 2 1 8 AW196B_3 -7.92 <1 <1 8 AW196B_4 -13.02 <1 6 7 AW196_1 -4.02 2 10 5 AW196_2 -5.27 8 20 5 AW196_3 -6.52 2 9 5 AW196_4 -7.32 2 85 10 AW196_5 -7.92 2 8 5 AW196_6 -10.02 2 45 7 AW196_7 -13.02 <1 10 1 AW226_1 -2.50 37 * 1 5 AW226_2 -4.75 42 4 3 AW226_3 -6.50 2 1 4 AW226_4 -7.40 3 4 9 AW226_5 -8.00 3 15 4 AW226_6 -9.25 1 2 3 AW226_7 -12.00 2 6 4
* de meetwaarde van AW226_1 loopt gedurende 37 dagen zeer duidelijk af en zal in de rest
van de meetperiode de hoge beginwaarde niet meer halen.
Tabel 5.1 Insteltijd sensoren in dagen
Zoals de tabel al aangeeft lopen de waarden enorm uiteen. De insteltijd is afhankelijk van vele factoren (zoals eerder genoemd).
5.3 Nauwkeurigheid
De nauwkeurigheid van de metingen is van belang voor de betrouwbaarheid van de resultaten. De benodigde nauwkeurigheid varieert per faalmechanisme. In het algemeen geldt dat een hoge nauwkeurigheid van de metingen wenselijk is. Maar deze nauwkeurigheid is niet alleen afhankelijk van de gebruikte sensoren maar van het hele systeem, de situatie in de grond om de module, methode van aanbrengen, gebruikte sensoren, verwerking en weergave van de metingen. Dit maakt het tegelijkertijd ook erg lastig om de nauwkeurigheid vast te stellen. Voor waterspanningen is een voorbeeld met betrekking tot deze pilot nader uitgewerkt.
Kijkend naar de waterspanningen lijkt het aan de ene kant aanvaardbaar wanneer de geregistreerde waarden ±5cm (0,5 kPa) afwijking hebben van de werkelijke optredende waarden. Dit is in verhouding met andere onzekerheden in de analyse of beoordeling van een
1204819-003-VEB-0001, Versie 03, 5 september 2011, definitief
dijk. Aan de andere kant komt het de betrouwbaarheid van de analyse ten goede wanneer de onzekerheid/onnauwkeurigheid zo klein mogelijk is (tegen aanvaardbare inspanning). Dit geldt met name bij probabilistische analyses.
Omdat er geen referentiemetingen zijn uitgevoerd met instrumenten en installatiemethoden waarvan de betrouwbaarheid bekend is, is niet van alle sensoren te beoordelen of de geregistreerde waarden voldoende nauwkeurig zijn. Getracht is of de metingen in de zandlagen zijn te vergelijken met uitgevoerde peilbuismetingen. De beschikbare meetlocaties liggen echter vrij ver uit elkaar en de grondopbouw is telkens net anders. In onderstaande figuur zijn metingen met GeoBeads vergeleken met peilbuismetingen.
Vergelijking Peilbuis B9 en B15 - GeoBeads AW 165
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 10-8-10 11-8-10 12-8-10 13-8-10 14-8-10 15-8-10 16-8-10 17-8-10 s ti jg h o o g te [ m t o v N A P ]
B9 F1 (NAP-15.5m) B9 F2 (NAP-10.4m) B15 F2 (NAP-18m) AW165_8 (NAP-13.2m) AW165_9 (NAP-15.7m) Rivierwaterstand
Figuur 5.1 Metingen peilbuis B9 en B15 en GeoBead AW 165 waterspanningsmeters op ca 155m en 345m afstand
Het is duidelijk te zien dat zowel de metingen in de peilbuis als de metingen door de GeoBeads de rivierwaterstand gedempt en lichtelijk vertraagd volgen. Opvallend is wel dat de metingen in de GeoBeads lager zijn dan de peilbuismetingen. Dit kan een oorzaak hebben in de lokale situatie of in de manier van meten. Zonder plaatselijke referentiemeting is dit echter niet vast te stellen. Eén mogelijke oorzaak kan zijn de plaatsbepaling ten opzichte van NAP. Wat verder opvalt is dat de GeoBeads data vrij piekerig is, terwijl de peilbuismetingen vloeiend verlopen. Dit kan niet worden verklaard uit de lagere meetfrequentie van de GeoBeads (eens per uur tegenover eens per 10 minuten).
De precieze positie van het instrument, met name de hoogteligging, ook na verloop van tijd, is een belangrijk punt bij de beoordeling van de betrouwbaarheid van meetgegevens. Iedere afwijking hierin komt immers volledig terug in de verdere analyse. Het is daarom aan te bevelen methoden te ontwikkelen en toe te passen om de positie van sensoren te kunnen kalibreren. Naast installatiegerelateerde veranderingen zijn immers ook veranderingen mogelijk ten gevolge van latere bewegingen in de ondergrond.
Het meten van de luchtdruk op tamelijk nabijgelegen locatie in plaats van ter plaatse zal weinig invloed hebben. De dichtheid van de bestaande meetnetten is dusdanig dat zelfs bij extreem stormachtige condities de invloed kleiner zal zijn dan 1 kPa (1 cm waterkolom)2.
2. Onder extreme omstandigheden kan binnen Nederland een luchtdrukverschil van 10 mbar voorkomen over een afstand van zo’n 300 km, dus 1 mbar/30 km. Er is altijd wel een weerstation te vinden binnen 30 km afstand, meestal nog aanmerkelijk minder.
1204819-003-VEB-0001, Versie 03, 5 september 2011, definitief
5.4 Achtergrondruis
Onder achtergrondruis wordt verstaan de verstoringen in de metingen die afkomstig zijn van activiteiten of gebeurtenissen die niets te maken hebben met de geotechnische mechanismen die beschouwd worden. Er wordt echter meteen opgemerkt dat het niet eenvoudig is om achteraf bepaalde meetwaarden als achtergrondruis te kwalificeren. Zo is er bij de analyse van de metingen van de LiveDijk Eemshaven nadrukkelijk op gelet of er ruis was waar te nemen in de metingen ten gevolge van het verwijderen van windmolens op de dijk, op iets meer dan 100 meter van de meetraaien, maar dat was niet het geval. Ook was niet duidelijk waarneembaar dat er zeer grote windmolens naast de binnenberm van de dijk stonden [Van der Kolk, 2011].
5.5 Datacontinuïteit
In de meetreeksen zijn op verschillende momenten gaten waar te nemen. In deze gaten zijn geen metingen uitgevoerd of bij de dataserver binnengekomen. Afhankelijk van het gebruiksdoel van de metingen en de lengte van de gaten zijn deze gaten meer of minder problematisch. In het geval dat sensordata wordt gebruikt voor calamiteitenbeheersing is het zeer onwenselijk dat er onderbrekingen optreden. Over de hier nader beschouwde data is al opgemerkt dat er in het begin van de meetperiode sprake is van gaten en dat juist tijdens het hoogwater van januari 2011 meetraai AW 165 was uitgevallen. Later is deze meetraai uitgevallen vanwege een lege accu die blijkbaar niet tijdig vervangen kon worden.
Afgezien van het feit dat het hoogwater niet zo bijzonder hoog was, is dit wel illustratief in meer generieke zin: wat is de betekenis van een eventuele garantie van een leverancier van de doorgifte van data? Stel dat deze een bedrijfszekerheid van 99,98% garandeert. Is die 0,02% uitval (1/5000 van het totaal) willekeurig verspreid in de tijd? Of zou er ten dele een verband kunnen zijn met extreme omstandigheden, zoals zeer zware storm, extreme regenval, extreem hoogwater…? Dat is op zichzelf goed voorstelbaar, maar in feite onacceptabel gelet op de toepassing. Vervolgens is het de vraag wat kan gebeuren indien een afgegeven garantie niet wordt nagekomen. Op juridisch vlak kan een overeenkomst dan wel goed in elkaar zitten (zelfs in het geval van verwijtbare aansprakelijkheid bij een dijkdoorbraak), maar meer praktisch gezien is er toch sprake van een probleem wanneer dit samenvalt met extreme omstandigheden. Tenslotte is er de mogelijkheid van uitval van de sensoren zelf, zodat er geen data meer beschikbaar komt om door te geven. Hoe dient daar mee te worden omgegaan? Het aanbrengen van meerdere sensoren voor hetzelfde doel kan hier ten dele een oplossing bieden, maar ook daar zitten beperkingen aan.
5.6 Samenvatting
Aan de hand van de uitgevoerde beschouwingen zijn er een aantal risico’s / onzekerheden in de metingen of meetmethode gedefinieerd ten aanzien van de kwaliteit. Dit betreft met name:
De methode van aanbrengen; Insteltijd;
Nauwkeurigheid; Datacontinuïteit.
De invloed van achtergrondruis lijkt op een eenvoudige manier op te vangen, indien al aanwezig.
1204819-003-VEB-0001, Versie 03, 5 september 2011, definitief