Page History

Dit handelingsperspectief (versie 1.0, november 2021, status: DEFINITIEF) is gericht op het beoordelen en ontwerpen van macrostabiliteit van waterkeringen, voor situaties waar de schuifsterkte van de capillaire zone en de (initieel) onverzadigde zone een relevante invloed heeft op de faalkans door macro-instabiliteit. Met dit handelingsperspectief worden beheerders geholpen bij het opzetten van grondmechanisch veld- en laboratoriumonderzoek naar de schuifsterkte van deze zones. Tevens wordt in dit handelingsperspectief aangegeven hoe de schuifsterkte van deze zones kan worden gemodelleerd voor het uitvoeren van macrostabiliteitsanalyses.

De schuifsterkte van de (initieel) onverzadigde kleiige grondlagen blijkt hoger te zijn dan de gedraineerde schuifsterkte. Onder relatief natte omstandigheden, als de verzadigingsgraad relatief hoog is, blijkt de ongedraineerde schuifsterkte te worden gemobiliseerd. Onder relatief droge omstandigheden, als de zuigspanning hoog is, blijkt tot enkele meters onder maaiveld (in de bruine geoxideerde klei) een hogere schuifsterkte dan de ongedraineerde schuifsterkte te worden gemobiliseerd.

Uit een in 2020 2022 uitgevoerde consequentie-analyse blijkt dat verschillen in modellering van de schuifsterkte van de (initieel) onverzadigde zone kunnen leiden tot verschillen in berekende stabiliteitsfactor tot een factor 1,5 of meer. Uitgedrukt in de kans op het optreden van macro-instabiliteit kan dit gaan om een afname van deze kans met een factor 10 tot 10.000. Op korte termijn zal deze consequentie-analyse worden geactualiseerd, op basis van de inmiddels beschikbare inzichten uit dit handelingsperspectief.. 

Door het Adviesteam Dijkontwerp is een Rode Draad opgesteld, waarin suggesties en aandachtspunten worden gegeven ten aanzien van de omgang met onzekerheden bij het toepassen van dit handelingsperspectief. Deze is beschikbaar via de website van het Adviesteam Dijkontwerp: https://adviesteamdijkontwerp.nl/rode-draden/rode-draad-nr-7-omgang-met-onzekerheden-onverzadigde-zone/.

De ongedraineerde schuifsterkte van klei en veen wordt voor een deel bepaald door de overconsolidatieratio (OCR). De OCR neemt volgens de isotachen-theorie toe in de tijd als gevolg van kruip. Daarmee is de verwachting dat ook de ongedraineerde schuifsterkte toeneemt in de tijd. In de praktijk wordt soms in stabiliteitsanalyses in dijkversterkingsprojecten al rekening gehouden met deze sterkte-toename. Hier wordt op verschillende manieren invulling aan gegeven.

Dit rapport doet verslag van de eerste stap in een onderzoek naar de toename van de ongedraineerde schuifsterkte in de tijd. In deze eerste stap is voor twee onderzoekslocaties onderzocht of de toename van sterkte in de tijd van het materiaal onder dijken en stabiliteitsbermen aangetoond kan worden of niet, en zo ja, of deze beschreven kan worden met de isotachen-theorie.

Uit het uitgevoerde veld- en laboratoriumonderzoek blijkt dat er in zekere mate wel sprake is van toename van sterkte in de tijd, maar deze is aanzienlijk minder dan voorspeld wordt met de isotachen-methode. Dit geldt met name voor veen. Waardoor dit verschil wordt veroorzaakt, is vooralsnog niet duidelijk. Dit kan voor een deel worden veroorzaakt door de uitgangspunten en de afleiding van de parameters. Mogelijk behoeft het isotachen-model aanpassing. Als dat het geval is, heeft dat ook consequenties voor zettingsanalyses. Verder onderzoek hiernaar is belangrijk, maar valt buiten de scope van deze eerste analyse.

De gevonden OCR-waarden voor beide locaties liggen tussen 1,0 en 1,5 met een gemiddelde waarde van 1,24, een standaardafwijking van 0,10 en een karakteristieke ondergrenswaarde van 1,09. Deze waarden gelden voor een kruiptijd van 23 jaar en voor alle kleiige en venige grondsoorten. Deze waarden kunnen ook worden toegepast in dijkversterkingsprojecten, waar stabiliteitsbermen worden ontworpen voor een planperiode van minimaal 23 jaar. De genoemde waarden kunnen worden gebruikt om invulling te geven aan de verwachte ‘pre overburden pressure’ (POP) behorend bij de toekomstige dagelijkse omstandigheden (TDO), zoals voorgesteld in KPR-Factsheet omgang met grensspanning in het ontwerp (23-1-2018).

De sterkte van de deklaag bij opbarsten heeft een grote invloed op de overstromingskans door piping en binnenwaartse macrostabiliteit. In het project Praktijkonderzoek Opbarsten bij Dijken (POD) wordt vanuit het HWBP door waterschap Drents Overijsselse Delta samen met Deltares onderzoek gedaan naar het gedrag van waterkeringen bij opbarsten van het achterland. Het gedrag is sterk afhankelijk van de dikte, sterkte en doorlatendheid van de deklaag. De huidige modellen en rekenregels voor beoordelen en ontwerpen bevatten een aantal conservatieve uitgangspunten. Met literatuur en modelonderzoek zijn in het project POD nieuwe hypotheses geformuleerd voor het gedrag van de kering bij opbarsten. Deze zijn onderzocht met grote schaal laboratorium- en praktijkproeven. Analyse van de proeven moet begin 2025 leiden tot nieuwe rekenmodellen voor ontwerp en beoordeling van waterkeringen.

De handelingsperspectieven ondersteunen versterkingsprojecten bij het maken van keuzen bij het toepassen van tussentijdse inzichten over de sterkte bij opbarsten uit het project POD. De handelingsperspectieven zijn gebaseerd op de kennis per januari 2024 en kunnen worden gebruikt bij het bepalen van de veiligheidsopgave en het ontwerpen van waterkeringen. Gevraagd wordt om bij toepassing van een Handelingsperspectief contact op te nemen met DIV, zodat er begeleiding bij het toepassen van deze nieuwe kennis kan worden verleend en de opgedane ervaringen meegenomen kunnen worden in de verdere ontwikkeling van de aanpak.

Het handelingsperspectief Macrostabiliteit is opgesteld door het strategieteam Macrostabiliteit van De Innovatieversneller. Het handelingsperspectief Piping is opgesteld door het strategoieteam Piping van De Innovatieversneller. Beide handelingsperspectieven zijn afgestemd met het POD, gepresenteerd bij de Technisch begeleiders van de programmadirectie HWBP en op 1 maart voorgelegd aan de klankbordgroep van POD. De opmerkingen uit deze gremia zijn verwerkt. Het document is ook gepubliceerd op de DIV- WIKI pagina van macrostabiliteit.

De gerapporteerde veldmetingen van zuigspanning, waterspanning en watergehalte vonden plaats tussen oktober 2019 en november 2021.  Dicht bij de sensoren zijn ook CPT’s, veldvintesten en boringen uitgevoerd. Monsters uit de boringen zijn beproefd in het laboratorium, voor wat betreft schuifsterkte en samendrukbaarheid. Daarnaast zijn classificatietesten uitgevoerd, zoals bepalingen van korrelgrootteverdelingen, Atterbergse grenzen, watergehalte, specifiek oppervlak en poriëngrootteverdelingen.

Dit rapport is ook opgesteld in opdracht van  DIV en RWS en maakt eveneens deel uit van anno 2022 nog lopend onderzoek naar de schuifsterkte van cohesieve grond die niet altijd verzadigd is. Het rapport beschrijft een tussentijdse analyse van de veldmetingen en laboratoriumtesten voor twee locaties (IJsseldijk nabij Westervoort en Maasdijk nabij Oijen). De meetgegevens zijn gerapporteerd in een afzonderlijk factual report (zie bovenstaand rapport).

Op basis van de veld- en laboratoriummetingen is het grondgedrag in de (initieel) onverzadigde zone gekwantificeerd. Het is gebleken dat een substantieel deel van de grond boven het normale dagelijkse freatisch vlak blijvend verzadigd is (grijze klei). Boven deze permanent verzadigde zone ligt een zone waar de mate van verzadiging en zuigspanning sterk varieert (bruine klei). Uit de schuifsterktemetingen bij Westervoort en Oijen blijkt dat de grond in de permanent verzadigde zone (grijze klei) zich ongedraineerd gedraagt. In de zone waar de verzadigingsgraad en de zuigspanning fluctueren (bruine klei) is het grondgedrag afhankelijk van de verzadigingsgraad. In deze zone is de gedraineerde schuifsterkte afhankelijk van zuigspanning en verzadigingsgraad en varieert dus ook sterk. De grond gedraagt zich ongedraineerd vanaf een bepaalde drempelwaarde van de verzadigingsgraad. In de ondiepe 1,0 m tot 1,5 m, waar zich scheuren in de klei kunnen bevinden, kan de gemobiliseerde schuifsterkte worden verminderd, wanneer het schuifvlak (gedeeltelijk) het patroon van de scheuren kan volgen. De afmetingen van deze drie zones en de grootte van de schuifsterkte binnen deze zones zijn afhankelijk van de grondsoort en de geohydrologische omstandigheden.

In meerdere dijkversterkingsprojecten spelen vragen over het analyseren van de stabiliteit van het binnentalud bij golfoverslag (golfoverslagdebiet > 0,1 l/s/m). Dit betreft het afschuiven van het binnentalud (STBI) of het afschuiven of afdrukken van de taludbekleding of het uitspoelen van deeltjes (GABI).

In de schematisatie voor deze mechanismen zijn verschillende keuzes te maken, waardoor er bij projecten verschillende aanpakken worden gehanteerd. Tevens zijn de rekenregels voor GABI in het WBI2017 nog niet afgestemd op de overstromingskansbenadering.

Wanneer aan de rekenregels voor GABI uit het WBI2017 wordt voldaan, kan worden verondersteld dat de kans op overstroming door een afschuiving van het binnentalud aanvaardbaar klein is. Andersom kan echter niet zomaar worden geconcludeerd dat er een grote veiligheidsopgave is, wanneer niet wordt voldaan aan de regels uit de eenvoudige en gedetailleerde toets uit het WBI2017.

Voor het programmeren en prioriteren van versterkingsprojecten wordt door het HWBP dan ook geen rekening gehouden met dit mechanisme. Het mechanisme wordt in het algemeen niet beschouwd als een drager van een veiligheidsopgave. Wanneer er echter een veiligheidsopgave door andere mechanismen aanwezig is en een kering wordt versterkt, wordt het mechanisme in de dimensionering wel meegenomen.

Om met de onduidelijkheid over de rekenregels voor GABI en de samenhang met andere faalmechanismen om te gaan, is door het technisch team van het project Sterke Lekdijk (HDSR) een notitie met stappenschema opgesteld.

In het stappenschema wordt GABI beschouwd in samenhang met andere mechanismen, wordt nagegaan of verbetermaatregelen voor GABI verantwoord kunnen worden uitgesteld, in afwachting van kennisontwikkeling, wordt nagegaan wat de bijdrage aan de overstromingskans is op basis van een faalpadanalyse en wordt nagegaan wat de versterkingsopgave is bij toepassing van aangescherpte parameters en betere modellen.

Binnen het innovatieproject Stabiliteit bij golfoverslag wordt door Waterschap Rivierenland onderzoek gedaan om het effect van golfoverslag op de stabiliteit van het binnentalud, erosie na instabiliteit en uiteindelijk de overstromingskans in te schatten en eenduidig te onderbouwen.

Voor het deelproject Salmsteke - Schoonhoven (SAS) van het dijkversterkingsproject Sterke Lekdijk is gewerkt aan twee optimalisaties van de schuifsterkteparameters voor glijvlakanalyses:

• Sterkteparameters afleiden bij lager rekpercentage
• Sterkte van siltige en zware klei modelleren via Su tabel

Het rapport en de memo beschrijven het uitgevoerde onderzoek voor project SAS en de aanbevelingen voor vervolgonderzoek en toepassingen van  de genoemde innovatieve rekenmethodieken binnen de andere deeltrajecten van het project Sterke Lekdijk.

Voor het project SAS is als gevolg van deze rekeninnovaties de scope binnenwaartse stabiliteit komen te vervallen. Het gaat dus om belangrijke onderwerpen, waarmee ook voor andere projecten de scope voor stabiliteit binnenwaarts kan worden aangescherpt.

DIV ziet dat deze optimalisaties ook in andere dijkversterkingsprojecten aandacht krijgen. Daarbij blijkt dat de aanpak van het onderzoek, de interpretatie van het laboratoriumonderzoek en de toepassing in de stabiliteitsanalyses verschillend is. Ook het uiteindelijk gekozen rekniveau is niet in alle projecten hetzelfde.

Aandachtspunten die zich hierbij voor doen zijn onder andere:

• Hoe kan de kwaliteit van de uitgevoerde laboratoriumproeven op een objectieve manier worden beoordeeld? Soms wordt tot wel 30% van de beschikbare proeven als onbruikbaar gezien. Zegt dit iets over de uitvoering van de proeven of over de interpretatie van de proefresultaten?
• Hoe wordt omgegaan met de sterke mate van softening die veel triaxiaalproeven blijken te hebben? Is dit werkelijk grondgedrag of het resultaat van correcties? Hoe kan dit scherper?
• Welke correcties moeten worden toegepast om resultaten van triaxiaalproeven en direct simple shear proeven eenduidig met elkaar te kunnen vergelijken?

Vanwege het belang van het onderwerp en vanwege de verschillende onduidelijkheden is dit een lopend onderzoek binnen DIV. Geadviseerd wordt om de ontwikkelingen op dit vlak te volgen. Bij vragen of het delen van ervaringen kan contact worden opgenomen met DIV (div@wsrl.nl).

Voor het deelproject Salmsteke - Schoonhoven (SAS) van het dijkversterkingsproject Sterke Lekdijk is een pilot uitgevoerd om de sterkte in de initieel onverzadigde zone te bepalen met veld- en laboratoriumonderzoek ter plaatse van een knelpuntlocatie. . Op basis van de opgedane ervaring  is een stappenplan opgesteld voor een mogelijke toepassing van  de opgedane kennis binnen andere projecten van de Sterke Lekdijk.

Het grondonderzoek is uitgevoerd medio april, met het idee dat de dijk in deze periode kort na de winter nog nagenoeg verzadigd is. Dit maakt de interpretatie van de sonderingen eenvoudiger. Het grondonderzoek bestaat onder andere uit CPT’s met elektrische geleidbaarheidsmetingen, boringen en classificatie / index testen.

Op basis van het onderzoek is geconcludeerd dat tijdens een hoogwaterperiode het cohesief dijksmateriaal in de initieel onverzadigde zone ongedraineerd gedrag vertoont en met hetzelfde ongedraineerde sterktemodel kan worden gemodelleerd als de initieel verzadigde zone.

In het DIV Handelingsperspectief schuifsterkte onverzadigde zone wordt geadviseerd om de dielektrische constante of permittiviteit te meten om het volumetrisch watergehalte te bepalen. In dit project is onderzocht of geleidbaarheidssonderingen gebruikt kunnen worden om de verzadigingsgraad in te schatten. Hieruit kon niet geconcludeerd worden dat de verzadigingsgraad op deze manier betrouwbaar bepaald kon worden. In het Innovatieonderzoek Sterkte Initieel Onverzadigde Zone wordt nader onderzoek gedaan naar methodes om de verzadigingsgraad in-situ te kunnen bepalen. Bij vragen of het delen van ervaringen kan contact worden opgenomen met DIV (div@wsrl.nl).

De ongedraineerde schuifsterkte van klei en veen wordt voor een deel bepaald door de overconsolidatieratio (OCR). De OCR neemt volgens de isotachen-theorie toe in de tijd als gevolg van kruip. Daarmee is de verwachting dat ook de ongedraineerde schuifsterkte toeneemt in de tijd. In de praktijk wordt soms in stabiliteitsanalyses in dijkversterkingsprojecten al rekening gehouden met deze sterkte-toename. Hier wordt op verschillende manieren invulling aan gegeven.

Dit rapport doet verslag van de eerste stap in een onderzoek naar de toename van de ongedraineerde schuifsterkte in de tijd. In deze eerste stap is voor twee onderzoekslocaties onderzocht of de toename van sterkte in de tijd van het materiaal onder dijken en stabiliteitsbermen aangetoond kan worden of niet, en zo ja, of deze beschreven kan worden met de isotachen-theorie.

Uit het uitgevoerde veld- en laboratoriumonderzoek blijkt dat er in zekere mate wel sprake is van toename van sterkte in de tijd, maar deze is aanzienlijk minder dan voorspeld wordt met de isotachen-methode. Dit geldt met name voor veen. Waardoor dit verschil wordt veroorzaakt, is vooralsnog niet duidelijk. Dit kan voor een deel worden veroorzaakt door de uitgangspunten en de afleiding van de parameters. Mogelijk behoeft het isotachen-model aanpassing. Als dat het geval is, heeft dat ook consequenties voor zettingsanalyses. Verder onderzoek hiernaar is belangrijk, maar valt buiten de scope van deze eerste analyse.

De gevonden OCR-waarden voor beide locaties liggen tussen 1,0 en 1,5 met een gemiddelde waarde van 1,24, een standaardafwijking van 0,10 en een karakteristieke ondergrenswaarde van 1,09. Deze waarden gelden voor een kruiptijd van 23 jaar en voor alle kleiige en venige grondsoorten. Deze waarden kunnen ook worden toegepast in dijkversterkingsprojecten, waar stabiliteitsbermen worden ontworpen voor een planperiode van minimaal 23 jaar. De genoemde waarden kunnen worden gebruikt om invulling te geven aan de verwachte ‘pre overburden pressure’ (POP) behorend bij de toekomstige dagelijkse omstandigheden (TDO), zoals voorgesteld in KPR-Factsheet omgang met grensspanning in het ontwerp (23-1-2018).