Dijken op getijdenzand zijn sterker dan gedacht

Op basis van circa 30 kleine schaalproeven is geconcludeerd dat getijdenzand minimaal 1,4 en gemiddeld meer dan twee keer meer weerstand heeft tegen piping dan volgt uit het huidige rekenmodel (model van Sellmeijer).

Het sluitstuk van het onderzoek waren twee grote proeven onder natuurgetrouwe omstandigheden in de Hedwigepolder die deze uitkomsten bevestigden. In de praktijk zal bij de beoordeling van waterkeringen onderscheid gemaakt worden tussen twee typen getijdenzandafzettingen: platen en geulen. Plaatafzettingen kunnen nu beoordeeld worden middels een eenvoudige beslisregel waaruit zal volgen dat piping in veruit de meeste gevallen niet kan optreden. Voor geulafzettingen komt er een beslisregel met een correctiefactor, aanvullend op de huidige rekenregel, waarbij het berekende kritieke verval 40 procent verhoogd mag worden. Hierbij moet uiteraard ook rekening gehouden worden met andere kennisontwikkelingen op het gebied van piping en het gecombineerde effect hiervan op de kans op piping. Door de inzet van deze beslisregels zullen er minder dijken afgekeurd worden op piping, met aanzienlijke besparingen in kosten (minstens 160 miljoen euro), reductie van benodigde bouwstoffen, ongeveer 97 kton minder CO2-uitstoot (gelijk aan ca. 776 Atlantische retourvluchten) en minder overlast langs de dijken als gevolg.

Achtergrond

Piping is een veel voorkomend faalmechanisme dat kan ontstaan bij hoogwater in een rivier of langs de kust. Als het buitenwater in contact staat met een zandlaag die onder de dijk doorloopt, zal de opwaartse waterdruk in deze zandlaag toenemen. Binnendijks is vaak een deklaag van klei aanwezig op het zand, maar als de opwaartse druk groot genoeg is zal deze opbarsten en ontstaat er een wel. Als de kwelstroom sterk genoeg is, zal ook zand naar het oppervlak vervoerd worden. De wel is dan zandmeevoerend en vanaf dit punt kunnen pipes ontstaan, kleine tunneltjes die richting het buitenwater groeien.

Dit is onwenselijk, want als de pipes het buitenwater bereiken, worden ze snel groter en kan de dijk bezwijken. Of dit gebeurt hangt af van het verschil in waterniveau tussen het buitenwater en de zandmeevoerende wel. Het benodigde waterstandsverschil om doorgaande pipes te vormen, wordt het kritiek verval genoemd en wordt binnen het Wettelijk BeoordelingsInstrumentarium (WBI) bepaald met de rekenregel van Sellmeijer. Deze rekenregel is opgesteld op basis van schaalproeven op gezeefd, homogeen rivierzand (Sellmeijer et al., 2011).

Het zand onder de dijken bestaat echter niet uit homogeen rivierzand, zeker niet in gebieden waar het zand is afgezet in een getijdenmilieu. Dit zand, getijdenzand, is veel fijner dan rivierzand, bevat meer klei- en siltdeeltjes, maar ook meer dunne afzonderlijke klei- en siltlaagjes. Dit zorgt er enerzijds voor dat water minder gemakkelijk door het zandpakket stroomt (lagere doorlatendheid, zowel verticaal als horizontaal), maar ook dat zandkorrels minder snel in beweging komen. Het is dus goed voorstelbaar dat in dit type zand minder snel piping optreedt. In gebieden met dijken op getijdenzand worden dan ook veel minder zandmeevoerende wellen gerapporteerd dan in het rivierengebied. Dit heeft ook te maken met de duur van het hoogwater, deze is veel korter langs de kust dan op de rivier, en er is daarom minder tijd voor drukbouw en het opbarsten van de deklaag.

Twee projecten

De laatste jaren is er een aantal ontwikkelingen geweest waardoor de complexe meerlaagse bodemopbouw, de doorlatendheidsvariatie van de zandlagen en tijdsafhankelijkheid beter kan worden gemeten en meegenomen in de beoordeling en het ontwerp van dijken op piping (Leuvenink et al., 2017; Van Goor et al., 2021; Pol, 2022). De geologische eigenschappen van het zand kunnen binnen de huidige aanpak op basis van de rekenregel van Sellmeijer echter niet gekwantificeerd worden. Het model mist de parameters die de geologische eigenschappen van (getijden)zand karakteriseren.

Ongeveer vijf jaar geleden kwamen twee projecten met elkaar in aanraking en ontstond een samenwerking met veel synergie. Het ene project ,‘Piping in getijdenzand’, werd uitgevoerd door Deltares en RWS-WVL (Hijma & Oost, 2018; Hijma, 2019); het andere project ‘Anisotropie in doorlatendheid langs het Spui’ door Fugro, Waterschap Hollandse Delta (WSHD) en Deltares (Fugro et al., 2020). Het eerste project deed enkele verkennende kleine schaalproeven waaruit duidelijk volgde dat getijdenzand minder pipinggevoelig is, het tweede project toonde aan dat het meenemen van anisotropie in doorlatendheid bij getijdenzand leidt tot hogere kritieke vervallen. Met de resultaten van deze projecten onder de arm werd vervolgens door Deltares, Fugro en het Wetterskip Fryslân een gegund HWBP-innovatievoorstel geschreven (het Hoogwater Beschermingsprogramma begeleidt de grootste dijkversterkingsoperatie sinds de Deltawerken). Hierbij werden aanvullende kleine schaalproeven uitgevoerd, maar ook een grote schaalproef langs de Vijfhuisterdijk in Friesland (Projectteam Vijfhuisterdijk, 2021). Hieruit volgden enkele eerste aanbevelingen voor een aangepaste beoordelingsstrategie waarmee de eerste inzichten al snel konden worden toegepast.

Hedwigeproject en getijdenzand

Er volgde ook een nieuw, groter voorstel uit om dit onderwerp zodanig goed te onderzoeken dat aanpassingen aan het WBI voldoende onderbouwd konden worden (Projectteam Hedwigepolder, 2023a). Het voorstel haakte aan bij de mogelijkheid van het Living Lab Hedwige-Prosperpolder (https://polder2cs.eu/) om in de Hedwigepolder grote schaalproeven uit te kunnen voeren. Het doel van het project: ‘de daadwerkelijke sterke van getijdenzand tegen piping te bepalen, de (sterkte)-eigenschappen en het pipingproces te karakteriseren en deze kennis te vertalen en toepasbaar te maken voor beoordelings- en versterkingsprojecten van waterkeringen’.

Dit artikel beschrijft de resultaten van het Hedwigeproject en gaat in op de toepasbaarheid in de praktijk. Het beschrijft eerst kort de kleine en medium schaalproeven, vervolgens de grote schaalproeven en sluit af met de beslisregels. Het projectteam bestond uit Deltares, Fugro en WSHD.

Schaalproeven

In de afgelopen vijf jaar zijn in totaal 35 kleine schaalproeven en drie medium-schaalproeven uitgevoerd. Deze proeven hadden tot doel om op twee schalen te beschouwen wat de invloed van de fijne fractie in getijdenzand op het kritiek verval is. Een voordeel van experimenten in het lab is dat gefocust kan worden op de erosieweerstand door toedoen van de fijne fractie in het zand pakket en dat andere factoren die bijdragen aan de sterkte van het getijdenzand, bijvoorbeeld een meerlaagse en anisotrope bodemopbouw en de tijdsafhankelijkheid van de belasting, kunnen worden uitgesloten.

Bij deze proeven is zand ingebouwd in een container die aan de bovenzijde bedekt is met een plexiglasplaat met daarin een opening, het uitstroomgat oftewel de toekomstig locatie voor de zandmeevoerende wel. Eén kant van de container is verbonden met het instroomreservoir en het uitstroomgat is verbonden met een overloop met een bepaald waterniveau. De proef start met identieke waterniveaus aan beide zijden, vervolgens wordt stapsgewijs het verschil in waterniveau vergroot. Dit leidt tot waterstroming door het zand en uiteindelijk piping. Het kritieke verval waarbij piping optreedt wordt vervolgens vergeleken met de berekening die volgt uit de rekenregel van Sellmeijer. Stel dat piping optreedt bij een verval van 20 cm, maar Sellmeijer berekent

10 cm, dan volgt hieruit een sterktefactor van 20/10=2. Hierbij wordt de uitkomst van het Sellmeijer-model, waarmee alleen 2D-situaties doorgerekend kunnen worden, middels een empirische factor (Van Beek et al., 2015) gecorrigeerd voor de invloed van 3D-stroming en pipe-ontwikkeling. In de kleine en medium schaalproeven is een mediane sterktefactor van 2,2 gevonden, dit betekent dat in 50 procent van de gevallen piping pas optrad bij een verval dat ruim 2x zo hoog was als berekend door de rekenregel (Wopereis & Hijma, 2023). De 5 procent ondergrens voor de sterktefactor is 1,4.

Grote schaalproef

De doelstelling voor de grote-schaalproeven in de Hedwigepolder was om de resultaten uit de kleine- en medium-schaalproeven te valideren op grote schaal. In de Hedwigepolder zijn twee identieke proeven uitgevoerd, met de ruggen tegen elkaar. De ondergrond bestaat hier uit een afdekkende kleilaag van ongeveer 1 m dik, met daaronder een pakket getijdenzand van circa 4 m dik (geulafzetting). Het zand wordt aan de onderkant afgesloten door een dikke veenlaag.

Er zijn twee vakken gemaakt van ongeveer 20x12 m die aan alle zijden afgesloten worden door damwanden die tot in het veen gaan. Het getijdenzand is hiermee dus volledig afgesloten. In beide vakken is vervolgens een uittredesloot gegraven, tot de top van het zand, en er zijn vier infiltratiebuizen per proefvak geplaatst, waarin het waterpeil kan worden opgevoerd. Ook zijn er diverse monitoringssystemen aangelegd die het projectteam in staat moesten stellen om de proeven aan- en bij te sturen, live de locatie van de pipe te bepalen en om in de latere analysefase de sterktefactor te kunnen afleiden.

Succesvolle piping proef

De volgende monitoringstechnieken zijn ingezet: 15 glasvezelkabels die de temperatuurvariatie in de ondergrond meten, 14 ERT-lijnen (geofysische techniek om locatie pipe te detecteren), > 200 piëzometers die de waterdrukken meten en infrarood bij de uittredesloot om locatie van uittredend grondwater te meten (zie ook Van Goor et al., 2022).

Het betreft de eerste succesvolle piping proef op natuurlijk afgezet materiaal ter wereld. Waar in het lab proeven onder gecontroleerde omstandigheden kunnen worden uitgevoerd was dat in de Hedwigepolder niet het geval. De complexe ondergrondeigenschappen zijn vooraf bepaald op basis van veelal gespecialiseerd onderzoek. Zo zijn HPT-(A)MPT-sonderingen uitgevoerd om de meerlaagse en anisotrope eigenschappen van de bodem te meten. Deze informatie is in het D-Geo Flow model gebruikt om te voorspellen bij welk verval doorgaande piping zou optreden. Op basis hiervan is het proefontwerp gemaakt en is in de analysefase de uiteindelijke sterktefactor bepaald. De proef startte op het moment dat het waterniveau in de infiltratiebuizen hoger gezet werd dan het niveau in de uittredesloot. Door het waterniveau langzaam op te voeren is uiteindelijk piping opgewekt. Het uiteindelijke kritieke verval is weer vergeleken met D-Geo Flow berekeningen op de basis van de huidige rekenregel en de sterktefactor is bepaald (Projectteam Hedwigepolder, 2023b).

Verrast

Tijdens de proef werd het projectteam verrast door een aantal zaken dat toch anders liep dan vooraf bedacht. De pipinggevoelige zandlaag bleek toch dieper te zitten. Bij de uittredesloot was er daarom allereerst sprake van verticale piping naar de pipinggevoelige zandlaag waarna de pipe pas horizontaal groeide richting de infiltratiebuizen. Dit hield ook in dat het water geconcentreerd naar de zandmeevoerende wel stroomde, terwijl de bedoeling was een zo 2D-mogelijke grondwaterstroming richting de uittredesloot op gang te brengen. In de analysefase is rekening gehouden met de extra belasting door het 3D-effect bij het bepalen van de sterktefactor.

Na afloop van de proefbelasting is de terp voorzichtig afgegraven om de pipes bloot te leggen; dit werd door het projectteam de CSI-fase genoemd. Per proefvak is een dominante pipe ontstaan met een doorsnede van 3-5 cm. Deze groeide vanaf de zand meevoerende wel eerst 60 cm naar beneden om daarna, horizontaal, richting de infiltratiebuizen te groeien. Het uittredekanaal is vastgelegd door deze te vullen met egaline. De locatie van de pipe kwam overeen met de locatie zoals bepaald op basis van de monitoring.

Toepassing

De resultaten hebben geleid tot twee beslisregels, voor getijdengeul- en getijdenplaatzand. Het projectteam heeft de belangrijkste kenmerken van en verschillen tussen beide afzettingen gevat in een eindrapport (Projectteam Hedwigepolder, 2023a) waarmee getijdengeul- en getijdenplaatafzettingen geïdentificeerd kunnen worden. Specifiek voor getijdenplaatafzettingen is een generieke minimale sterktefactor afgeleid, die vermenigvuldigd kan worden met het berekende kritieke verval uit de rekenregel. Deze minimale sterktefactor is statistisch afgeleid uit de gehele dataset aan proeven en bestaat uit de 5 procent ondergrens van de verdeling. Voor getijdenplaten is een beslisregel opgesteld die doet denken aan de regel van Bligh, waarin het kritiek verval en de aanwezige kwelweglengte een vaste verhouding hebben.

(∆H-0,3d)≤∆H_c= L/C_plaat

Met daarin:

ΔH = het verval over de waterkering (WBN – hexit) [m]

WBN = Waterstand bij norm (m NAP)

hexit = freatische waterstand bij uittredepunt [m NAP]

d = dikte deklaag bij uittredepunt [m]

ΔH_c = kritiek verval [m]

L = kwelweglengte [m]

C_plaat = factor die de maximale verhouding L/HC weergeeft = 7 [-]

Toepassing van deze relatief eenvoudige beslisregel voor getijdenplaatafzettingen zal er in het algemeen toe leiden dat piping geen relevant mechanisme is in het veelal dunne en slecht doorlatende getijdenplaatzand.

Aanzienlijke reducties

Eerste verkenningen naar de impact van het gebruik van deze beslisregels laten zien dat dit resulteert in aanzienlijke reducties van benodigde kwelweglengtes en dus van de versterkingsopgave. Een deel van de dijken op getijdenzand hoeft nu niet meer versterkt te worden of maatregelen tegen piping vallen fors kleiner uit. In harde euro’s uitgedrukt levert dit een landelijke besparing op van meer dan 160 miljoen euro, maar uiteraard gaat de winst van het project ook gepaard met minder uitstoot en hinder voor de omgeving.

Bovenstaande beslisregels zijn gekozen om de resultaten snel toepasbaar te kunnen maken voor de praktijk. Het is echter goed mogelijk om nog een paar stappen verder te gaan en toe te werken naar een nieuwe rekenregel die rekening houdt met de invloed van de fijne fractie en mogelijk nog andere relevante geologische eigenschappen die vooralsnog niet meegenomen worden. Dat dit mogelijk moet zijn volgt uit een eerste verkenning van de relatie tussen de sterktefactor en het percentage fijn materiaal.

Hiervoor is het wel nodig nog meer inzicht te verkrijgen in de exacte oorzaken van de sterkte ten gevolge van de fijne fractie, zodat deze in de rekenmodellen verwerkt kunnen worden. Daarnaast is het op dit moment nog onduidelijk hoe binnen dijkprojecten om te gaan met het 3D-effect waarbij het water geconcentreerd naar de wel stroomt, dit zorgt voor een hogere belasting en werkt dus negatief door. Nader onderzoek naar bovengenoemde positieve en negatieve effecten maakt dat we steeds meer vat krijgen op het pipingmechanisme en steeds beter kunnen beoordelen of dit een relevant risico vormt voor de veiligheid van onze dijken. Wordt hopelijk vervolgd dus!

Marc Hijma is Expert Geoloog bij Deltares; Gert-Ruben van Goor is Senior projectleider Waterbouw bij Fugro; Hans de Bart is senior Technisch Manager bij Waterschap Hollandse Delta; Vera van Beek is Senior Onderzoeker bij Deltares.

Aan het artikel werkten voorts mee: Lisa van der Linde (Deltares; TU Delft), Antonis Mavritsakis (Deltares), Ligaya Wopereis (Deltares) en Noor Prruijn (Waterschap Hollandse Delta).