Piping en heave bij waterkerend kunstwerk

7.5.1 Stap 1: Eenvoudige toets

Voor de eenvoudige toets voor Piping en heave van een waterkerend kunstwerk zie Bijlage K.

7.5.2 Stap 2: Gedetailleerde toets

De basis van de gedetailleerde toetsing is een analyse van alle mogelijke kwelwegen onder en langs het kunstwerk. In dit Onderzoeksrapport zijn verschillende methodes beschreven waarmee de minimaal vereiste kwelweglengte kan worden bepaald. In het bijzonder voor kunstwerken dienen de volgende zaken in acht te worden genomen:

 mogelijke kwelwegen dienen ruimtelijk te worden beschouwd. In het hoofdstuk 12 is een voorbeeld gegeven van een driedimensionale analyse van kwelwegen onder en langs een keersluis;

 indien er palen onder de constructie aanwezig zijn dan moet worden uitgegaan van het ontstaan van een open ruimte (spleet) tussen onderkant constructie en ondergrond. Als gevolg hiervan dient de horizontale kwelweglengte onder de constructie te worden verwaarloosd;

 indien er alleen bovenstrooms een onderloopsheidscherm aanwezig is, mag de horizontale lengte onder de constructie van het scherm tot aan het uittreepunt niet worden meegenomen.

De gedetailleerde toets (zie Figuur 7.4) bestaat uit (een combinatie van):

Stap 2.1: modelmatige verfijning: beoordeling op basis van stabiliteitsberekeningen (conform vigerende technische rapporten);

Stap 2.2 gegevensverzameling: op basis van (aanvullende) gegevens wordt een eenvoudige toets of de beoordeling op basis van modelmatige verfijning conform stap 2.1 uitgevoerd.

Basis voor het uitvoeren van de gedetailleerde analyse vormt een gegevensverzameling omtrent de ondergrond, het kunstwerk, de fundering van het kunstwerk en de aansluiting van grond op de constructie.

Voor piping kan gebruik worden gemaakt van de methode Lane. Indien er uitsluitend sprake is van een horizontale kwelweglengte kan gebruik worden gemaakt van de methode Sellmeijer.

Indien er sprake is van een heave-situatie (de kwelstroom ter plaatse van het uittreepunt is verticaal) dan kan worden getoetst op heave met behulp van een grondwaterstromingsberekening of met de fragmentenmethode indien deze bruikbaar is voor de specifieke situatie.

Bij een gunstig resultaat van de gedetailleerde toets wordt de technische score ‘voldoet’ toegekend.

Bij een ongunstig resultaat (onvoldoende) is de voorlopige score ‘voldoet niet’. De toetsing dient te worden voorgezet met stap 3.

130 van 345

Figuur 7.4 Toetsschema gedetailleerde toets voor heave en piping bij kunstwerken

onvoldoende Bepaal geometrie, kwelschermen, fundering, waterstanden grondonderzoek Bepaal maatgevende kwelweg / kwelwegen Uitsluitend horizontale kwelweg en in één vlak

Toets met Sellmeijer

Evaluatie waarnemingen

Indicaties voor piping of heave?

Geen gevaar voor piping of heave

ja

nee

voldoende

Toets met Lane (niet altijd conservatief)

voldoende ja nee onvoldoende of onbruikbaar Heavesituatie en fragmentenmethode bruikbaar? Bepaal dikte en doorlatendheid ja Toets op heave nee voldoende onvoldoende Toets op maat

131 van 348

7.5.3 Stap 3: Toets op maat

Indien op grond van de gedetailleerde toetsing geen eindscore kan worden toegekend ten aanzien van piping en/of heave, wordt een toets op maat uitgevoerd. Afhankelijk van de situatie is het mogelijk met behulp van een toets op maat tot een technische score ‘voldoet’ te komen. Echter, er zijn ook situaties waarin een toets op maat niet zinnig is omdat de kans verwaarloosbaar klein is dat een toets op maat tot een score ‘voldoet’ leidt.

Voordat een toets op maat uitgevoerd wordt, beoordeel eerst of het zinnig is een toets op maat uit te voeren. Specialistische kennis is hiervoor nodig.

Er zijn een drietal mogelijkheden voor een toets op maat:  geavanceerde grondwaterstromingsmodellen;

 probabilistische piping- of heave- analyse;  het principe ‘bewezen sterkte’.

In sommige gevallen is het zinvol om voor de analyse van piping en heave gebruik te maken van geavanceerde grondwaterstromingsmodellen. Hierbij kan worden gedacht aan:

 Niet-stationaire grondwaterstromingsmodellen voor situaties waarbij de duur van hoogwater relatief kort is, zoals bijvoorbeeld in een getijdegebied;

 Driedimensionale of quasi-driedimensionale grondwaterstromingsmodellen voor situaties waarbij de geometrie of laagopbouw niet uniform is in de richting van de waterkering of loodrecht op de waterkering.

Deze modellen kunnen worden gebruikt om een betere inschatting te kunnen maken van de stijghoogte onder matgevende omstandigheden of om het uittredeverhang te kunnen bepalen.

Zie de vigerende achtergronddocumenten en technische rapporten voor een beschrijving van de verschillende methodes. In de vigerende technische rapporten zijn geen algemene criteria opgenomen met betrekking tot het kritieke uittredeverhang voor het mechanisme piping. Voor de beoordeling van het berekende uittredeverhang is specialistische kennis omtrent het faalmechanisme piping vereist.

Het principe van ‘bewezen sterkte’. Er zijn kunstwerken waarbij het maatgevende verval bij toetspeil + toeslagen al eens in het verleden tijdens onderhouds- of inspectiewerkzaamheden is opgetreden of zelfs is overschreden. In dit geval kan een toetsing op basis van ‘bewezen sterkte’ zinvol zijn. Voor deze aanpak is het van belang dat omstandigheden in het verleden vergelijkbaar zijn met de huidige maatgevende omstandigheden. In het Technische Rapport Actuele Sterkte van Dijken [ENW, 2007] staat een uitgewerkte methode voor het spoor Macrostabiliteit binnenwaarts voor grondlichamen. Met behulp van specialistische kennis is het soms mogelijk om deze methode toe te passen voor piping bij kunstwerken.

Bij gunstig resultaat van de toets op maat wordt de technische score ’voldoet’ toegekend. Indien het resultaat onvoldoende is wordt de technische score ‘voldoet niet’ toegekend.

132 van 345

8 Ontwerpmaatregelen

8.1 Algemeen

Het ontwerp van maatregelen ter voorkoming van opbarsten en piping verloopt volgens dezelfde methoden en rekenregels als die in hoofdstuk 5 zijn beschreven. Maatregelen bij nieuwe of bestaande constructies zullen in het algemeen volgens de methode van Sellmeijer of volgens het heave criterium worden ontworpen. Met name bij dijken in het getijdegebied kan het noodzakelijk zijn om rekening te houden met instationaire aspecten.

In deze paragraaf worden de methoden en rekenregels niet herhaald. Er wordt hier uitsluitend kwalitatief ingegaan op maatregelen en er wordt een globale kostenindicatie gegeven.

Mogelijke maatregelen ter voorkoming van piping of heave en de dimensionering daarvan worden in dit hoofdstuk behandeld. Er zijn verschillende maatregelen mogelijk. De verschillen worden voornamelijk veroorzaakt doordat op verschillende aspecten van het faalmechanisme wordt ingegrepen.

Bij het ontwerpen van maatregelen moeten allereerst de randvoorwaarden aan belasting- en sterktekant te worden vastgesteld.

Aan de belastingkant is dat een ontwerpmaat voor waterstandsverschillen over de waterkering, die tot opbarsten, piping of heave kunnen leiden. Normaliter speelt de hoogwaterstand (rivier-, zee- of meerstand) en de binnenwaterstand (of maaiveldpeil) een rol. Verwachte ontwikkelingen daarin gedurende de beoogde planperiode dienen daarbij te worden geschat (verwachte toenames van rivier-, zee- of meerstanden, maaivelddaling en aanpassingen van peilbbeheer).

Het Technisch Rapport Ontwerpbelastingen voor het rivierengebied (TROB) [ENW, 2007c] en het bijbehorende Addendum I [ENW, 2008] geven aanwijzingen t.a.v. de te verwachten (ontwikkelingen van) rivierstanden. Hierin is de de robuustheidstoeslag ten aanzien van de hoogwaterstand opgenomen. Voor zeestanden moet voor de beoogde planperiode gerekend worden met het KNMI scenario voor zeespiegelrijzing (inclusief een robuustheidstoeslag en te verwachten bodemdaling). Voor het ontwerpen van meerdijken wordt verwezen naar het Addendum I bij de Leidraad Zee- en Meerdijken [ENW, 2009].

In het bijzonder ook bij kunstwerken moet worden nagegeaan of ook vervallen over de waterkering onder ‘dagelijkse’ omstandigheden maatgevend kunnen zijn (hoogwater binnen, laagwater buiten).

Aan de sterktekant kunnen randvoorwaarden ten aanzien van de ruimte voor maatregelen (en verwachte ontwikkelingen hierin) ontwerpbeperkingen vormen.

Ten aanzien van veiligheidsfactoren op piping bij het ontwerpen van maatregelen wordt aanbevolen tabel 7.1 te gebruiken. Alleen wanneer het belang dit noodzakelijk maakt, kan overwogen worden veiligheidsfactoren verder te optimaliseren (analoog aan tabel 7.2), waarbij nagegaan dient te worden of de hierin genoemde pipinggevoelige lengtes houdbaar zijn gedurende de beoogde planperiode voor de maatregel. Ook moet worden nagegaan of te verwachten latere benodigde aanpassingen niet (teveel) door de ontwerpkeuze worden beperkt. De waarden in Tabel 7.2 zelf zijn alleen in het kader van de toetsing te gebruiken.

133 van 348

Afhankelijk van eventuele beperkende randvoorwaarden zijn dit mogelijke opties voor maatregelen:

- verlengen van de horizontale kwelweg (buiten- of binnendijks);

- voorkomen van het opbarsten van de kleilaag binnen de kritieke kwelweglengte; - verkleinen van het verval;

- verlengen van de verticale kwelweg; - voorkomen van het uitspoelen van zand.

In de navolgende paragrafen wordt achtereenvolgens op deze mogelijkheden ingegaan. Daarbij wordt tevens aangegeven of er relaties zijn met (maatregelen in verband met) andere faalmechanismen. In Figuur 8.1 t/m Figuur 8.3 zijn de maatregelen schematisch weergegeven.

In de daaropvolgende paragraaf wordt ingegaan op specifieke aspecten bij kunstwerken. Bovendien wordt een kwalitatieve vergelijking van de kosten van de verschillende maatregelen weergegeven. Eveneens wordt apart aandacht besteed aan de invloed van bomen en leidingen in of nabij een waterkering. Bij toetsing of ontwerp worden vaak impliciet of expliciet voorwaarden voor het beheer in dagelijkse situaties en tijdens hoogwater gesteld. Er wordt een overzicht van mogelijke voorwaarden voor het beheer gegeven, waarbij wordt aangegeven in welke situatie deze van belang zijn.

Opmerking:

Het is geen optie om repressieve maatregelen (beheersmaatregelen tijdens noodsituaties) in veiligheidsoverwegingen mee te nemen. Om de effecten van menselijk handelen mee te kunnen nemen als onderdeel van het systeem dat veiligheid tegen overstromen waarborgt, dient tenminste aan volgende eisen te worden voldaan:

• Procedures voor menselijk ingrijpen dienen met een bepaalde minimale betrouwbaarheid te zijn vastgesteld. De procedures dienen te worden nageleefd en geoefend.

• De betrouwbaarheid van de aan te brengen constructies, bijvoorbeeld kist rondom een wel, dient op dezelfde wijze te worden aangetoond als voor andere onderdelen van de waterkering.

Repressieve maatregelen zijn nooit beproefd onder maatgevende omstandigheden. Hun betrouwbaarheid is daarom onvoldoende aangetoond. Daarom moet men rekening houden met de kans op menselijk falen tijdens de uitvoering ervan. Het volstaan met repressieve oplossingen is dus geen realistische optie voor de kortere en middellange termijn [ENW, Vrijling et al., 2010].