Recent onderzoek in het kader van SBW 1 Aanleiding

Uit de resultaten van het project Veiligheid Nederland in kaart (VNK1) kwamen concrete aanwijzingen naar voren dat de huidige toetsmethode, de kans dat piping optreedt onderschat. Ook waren er onvoldoende veilige procedures voor het schematsieren van de ondergrond, waardoor er voor veel situaties onvoldoende vertrouwen in de uitkomsten van de pipingberekeningen onstond. Hierdoor worden de dijken en het achterliggende gebied mogelijk onterecht als veilig beschouwd. In het kader van het onderzoeksprogramma Sterkte & Belastingen Waterkeringen (SBW) werd daarom in 2007 het onderzoeksproject SBW Piping opgestart. Doel van het SBW Piping project was het identificeren van onzekerheden binnen de vigerende toetsingsregels en deze eventueel te verkleinen of te elimineren.

In het onderhavige Technische Rapport zijn de resultaten van genoemde recente onderzoeken meegenomen.

17 van 348

3.2.2 Literatuurstudie

In een inventariserende studie [Bruijn et al., 2008] werd geconcludeerd dat er geen redenen zijn om aan te nemen dat de algemene procesbeschrijving van piping in het genoemde technische rapport onjuist is. In het beschreven geschematiseerde proces van het bezwijken van een dijk door piping waren echter nog een aantal aspecten en mechanismen onderbelicht. Zo was bijvoorbeeld het ontstaan van kanaaltjes onder een dijk onomstreden. Dit proces is vele malen geconstateerd bij klein- en grootschalige proeven. Welke mechanismen een rol spelen bij deze kanaalvorming en hoe deze kanaaltjes kunnen groeien en leiden tot een dijkdoorbraak was echter niet eenduidig vastgelegd en/of onvoldoende gevalideerd. Er was bijvoorbeeld onvoldoende informatie over de invloed van verschillende zandeigenschappen op het proces. Ook was weinig bekend over de wijze waarop de hooguit enkele centimeters brede en enkele millimeters diepe geultjes de grondwaterstroming beïnvloeden en hoe de waterdrukgradiënten om en nabij de geul samenhangen met het groeien ervan. Verbetering van de beschrijving hiervan leidde binnen SBW Piping tot een beter inzetbaar en onderbouwd rekenmodel.

3.2.3 Experimenteel onderzoek en aanpassing rekenregel

Op basis van kleinschalige laboratoriumproeven is inzicht verkregen in de invloed van verschillende zandkarakteristieken op de processen van kanaalvorming die uiteindelijk tot bezwijken van een waterkering leiden. De relatie met de korrelgrootteparameter d70, zoals

opgenomen in de oorspronkelijke rekenregel van Sellmeijer werd in deze proeven niet teruggevonden. Uit de regel van Sellmeijer volgt een toename van het kritiek verhang bij een grotere korreldiameter. In de kleine schaalproeven werd deze invloed niet of nauwelijks gevonden [Beek & Knoeff, 2009].

Sellmeijer beschrijft het ontstaan van kanaaltjes en veronderstelt vervolgens progressieve erosie en bezwijken van de dijk. Er was echter bij begin van het SBW onderzoek onvoldoende informatie beschikbaar over het proces van progressieve erosie en bezwijken. Daarom is het gehele proces van het ontwikkelen van kleine kanaaltjes tot bezwijken bestudeerd.

In centrifugeproeven is op kleine schaal onderzocht hoe kleine kanaaltjes kunnen leiden tot bezwijken en dijkdoorbraak. In een schaalmodel (1:80) is een kleidijk op een zandlaag gemodelleerd, welke bezweek na geleidelijke toename van het verval. De proeven toonden aan dat het bezwijken van een dijk in stappen kan verlopen. Periodes met veel zandtransport hoeven niet direct tot bezwijken te leiden, maar kunnen gevolgd worden door periodes met minder of geen transport, doordat de dijk gedeeltelijk inzakt. Op basis van deze proeven is de verwachting dat de dijk na het optreden van piping aan de benedenstroomse zijde steeds meer inzakt, totdat het water over de kruin gaat lopen (mits hiervoor het waterniveau hoog genoeg is). Verder zijn in deze proeven de schalingsregels getoetst voor hogere stroomsnelheden en zwaardere korrels (door het verhoogde zwaartekrachtniveau (g-niveau) (met een veelvoudige van de zwaartekrachtversnelling g = 9.81 m/s2)). Het bleek dat een hoger g-niveau (en dus een hogere stroomsnelheid) leidt tot een lager kritiek verhang, ondanks de zwaardere korrels als gevolg van het hoge zwaartekrachtniveau. Stroomsnelheid en korrelgrootte worden dus in verschillende maat in de centrifuge verschaald. Dit is in overeenstemming met de gevonden relatie tussen grotere korrels en het kritieke verhang bij 1 g.

De resultaten uit de kleine schaalproeven hebben geleid tot een suggestie voor de aanpassing van de rekenregel van Sellmeijer, met name ten aanzien van de korrelgrootte. De stap tussen de kleine schaalproeven en een dijk op ware grootte is erg groot. Daarom is eerst

18 van 345

in medium schaal proeven de invloed van de lengteschaal van de proefopstelling, de invloed van de relatieve dichtheid en de representatieve korreldiameter op het pipingproces verder bestudeerd [Beek & Bezuijen, 2009]. Was de rekenregel van Sellmeijer grotendeels gebaseerd op een theoretische beschrijving van het pipingproces met een enkele validatieproef, de huidige regel is voor een belangrijk deel gebaseerd op de kleine schaalproeven. Een validatie van de aangepaste rekenregel van Sellmeijer heeft plaatsgevonden in drie full-scale proeven die zijn uitgevoerd op de locatie van de IJkdijk. De verschillende fasen die tijdens het pipingproces in de IJkdijkproeven zijn geobserveerd zijn in hoofdstuk 4 nader beschreven.

De rekenregel is het product van wetenschappelijk onderzoek en heeft als doel de werkelijkheid zo goed moegelijk te beschrijven. Het rekenmodel wat ten grondslag ligt aan de rekenregel is echter altijd een schematisatie van de werkelijkheid. Schematisatie is noodzakelijk omdat niet alle aspecten van het proces volledig worden begrepen en / of kunnen worden gemodellleerd. De oorspronkelijke rekenregel is gebaseerd op theoretische kennis van het achterliggende proces. Uit de proeven is nu gebleken dat op onderdelen de kennis onvoldoende is om het proces exact te kunnen modelleren. De onzekerheden in de oorspronkelijke rekenregel van Sellmeijer zijn daarom in de aangepaste rekenregel afgevangen door een aanpassing met enkele empirische factoren. Uit de voorgestelde rekenregel is een toetsregel afgeleid.

Om de grootste aanpassing in de rekenregel te kunnen valideren, namelijk de invloed van de korreldiameter, zijn twee soorten zand met verschillende korreldiameter beproefd. In deze proeven werden de aanpassingen in de rekenregel niet tegengesproken. Op basis van veiligheidsoverwegingen en de uitgevoerde proevenserie is aanbevolen om de aanpassingen, met name de gewijzigde invloed van de korreldiameter, in de rekenregel door te voeren. De rekenregel staat beschreven in hoofdstuk 5 van dit Onderzoeksrapport.

Het is op dit moment nog niet eenduidig aangetoond dat erosiekanaaltjes die tijdens het pipingproces onder een dijk zijn ontstaan, door het dijklichaam in de loop van de tijd worden dichtgedrukt. Dit is van belang omdat nog onduidelijk is in hoeverre voorgaande hoogwaters blijvende effecten hebben op de waterkering, waardoor het pipingproces bij nieuwe hoogwaters beínvloed wordt. In [Hesami & Zwanenburg, 2009] is in een kwalitatieve analyse een eerste aanzet gegeven voor het berekenen van de vervormingen rondom de erosiekanalen. Op basis van de berekeningen mag worden verwacht dat de kleine erosiekanalen die aan het begin van het pipingproces ontstaan niet worden dichtgedrukt. De grote erosiekanalen die aan het einde van het pipingproces zich ontwikkelen zullen wel worden dichtgedrukt. Amerikaans onderzoek langs de Mississippi [Glynn & Kuszmaul, 2011] lijkt er juist op te wijzen dat een eenmaal ontstaan kanaal een blijvende zwakke plek is, waardoor bij een tweede hoogwater piping ontstaat bij een lager verval dan tijdens het eerste hoogwater.

3.2.4 Heterogeniteit

Variaties in de ondergrond beïnvloeden het fenomeen piping op een complexere wijze dan in eenvoudige vuistregels kan worden uitgedrukt. Ter bepaling van de pipinggevoeligheid is door [Pruiksma, 2009] de grondwaterstroming onder een dijk beschouwd voor een verscheidenheid aan situaties. Een lagenpakket is in 2D en 3D gemodelleerd met een grindlaag die zich bevind op verschillende diepten en met verschillende uitgestrektheden. Het effect van de ligging van de grindlaag op het stromingsbeeld is bepaald aan de hand van eindige element berekeningen met ABACUS.

19 van 348

Uit het onderzoek bleek dat de verticale stroomsnelheden in een gebied ter plaatse van de teen een maat zijn voor de pipinggevoeligheid. Voor pipinggevoeligheid wordt gekeken naar het verticale verhang dat gelijk is aan het quotiënt uit verticale stroomsnelheid en de doorlatendheid van de desbetreffende laag. Dit betekent dat de resultaten van de verticale stroomsnelheid direct gebruikt kunnen worden voor de bepaling van de pipinggevoeligheid. Het is waargenomen dat de aanwezigheid van verschillende lagen een significant effect heeft op de pipinggevoeligheid, aangezien het verticale verhang als maat hiervoor wordt gezien. Voor de in het onderzoek gekozen dijkbreedte van 50 m kan de aanwezigheid van een grindlaag op 3 m diepte die volledig onder de dijk doorligt tot 1,4 maal het verhang opleveren (nabij de teen) ten opzichte van de meer homogene situatie zonder grindlaag. Het verhang kan ook afnemen door aanwezigheid van een grindlaag Dit gebeurt als de grindlaag begint bij de teen en zich binnendijks uitstrekt. Ligt de grindlaag dieper, dan is het effect minder uitgesproken.

3.3 Veiligheid Nederland in Kaart en bevindingen van de ENW commissie Piping