20201029 - Workshop Opbarsten

1. Welkom en Introductie, door Marc Hulst

Marc Hulst (RWS-WVL) heet de (uiteindelijk ruim 70) deelnemers welkom. Vervolgens licht hij kort toe dat de bijeenkomst is bedoeld om: (a) de resultaten van recent onderzoek naar 'opbarsten' te presenteren; (b) te luisteren naar een eerste voorstel voor vervolgonderzoek vanuit WDOD en Deltares; (c) in de afsluitende discussie de suggesties en meningen van de deelnemers te verzamelen over het gewenste vervolg.

2. Presentatie resultaten POVM onderzoek naar opbarsten in relatie tot Macrostabiliteit, door Marcel Visschedijk

Marcel Visschedijk (Deltares) presenteert het resultaat van recent POVM onderzoek naar opbarsten in relatie tot macrostabiliteit. De reden om dit onderzoek te starten was een in 2016 uitgevoerde verkenning. In die verkenning werd geconcludeerd dat bij de beoordeling op macrostabiliteit tot 150 miljoen aan versterkingskosten kan worden bespaard bij aanscherping van de beslisregel voor de controle op opbarsten. 

In de laatste onderzoeksfase zijn numerieke (eindige-elementen) simulaties uitgevoerd, met gekoppelde bepaling van vervorming en grondwaterstroming. Voor een eenvoudige 2D geometrie en een in de tijd oplopende buitenwaterstand is daarmee bij verschillende combinaties van sleutelparameters nagegaan welke faalmodus wordt gevonden.  De lengte van de opdrijfzone volgt uit het model, waarbij de invloed van opdrijven op de grondwaterstroming wordt meegenomen. Voor wat betreft het uitbuigen en mogelijk ook uitknikken  van de deklaag houdt het model verder ook rekening met geometrische 2e orde effecten en met het effect van buigscheuren. De volgende sleutelparameters zijn gevarieerd: de deklaagdikte, de schuifstijfheid van dijk en deklaag, de (ongedraineerde) schuifsterkte van dijk en deklaag, de treksterkte in de deklaag, de doorlatendheid van het zand en ten slotte de aanwezigheid en ligging van een sloot. 

De resultaten suggereren dat bij geringe opdrijfveiligheid een significante aanscherping mogelijk lijkt van de deklaagdikte waarboven in geval van macrostabiliteit uitknikken mag worden uitgesloten. Om daar op te mogen vertrouwen is echter eerst validatie nodig met metingen in het laboratorium en in het veld. Verder wordt aanbevolen om de grenswaarde voor de opdrijfveiligheid waarboven geen controle nodig is probabilistisch te gaan kalibreren. Ten slotte wordt aanbevolen om bij geringe opdrijfveiligheid ook op indrukken van de deklaag te gaan controleren (het talud kan daardoor ook in beperkte mate afschuiven). Voor de controle op indrukken kan gebruik worden gemaakt van hetzelfde type eindige-elementenberekeningen dat al gangbaar is voor het ontwerpen van stabiliteitsverhogende constructies. In deze gangbare berekeningen wordt het stijghoogteveld bij opdrijven bekend verondersteld.  

Besproken commentaar vanuit de deelnemers:

• Ben Rijneveld: Waarom zijn in dijk en deklaag deze relatief hoge waarden voor de ongedraineerde sterkte gebruikt en wat is de invloed daarvan op het resultaat? Marcel: de waarden waarmee is gevarieerd  zijn niet perse realistisch. De range waarbinnen is gevarieerd is gebaseerd op glijvlakberekeningen voor deze geometrie. Bij de bovengrens is de deklaagsterkte niet meer nodig voor voldoende taludstabiliteit. Bij de ondergrens is de volledige deklaagsterkte nodig voor voldoende taludstabiliteit.  
• Richard Rijkers: wat is de invloed van de teensloot op de stabiliteit. Marcel: een teensloot leidt uiteraard tot verlaging van de stabiliteit, maar zorgt er bij dunnere deklagen wel  voor dat uitknikken niet meer kan optreden omdat een bij de sloot uittredend glijvlak dan maatgevend wordt.

De verder in de chat geplaatste vragen/commentaar gaan over de precies benodigde eindige-elementenanalyses voor indrukken (Margot Drost), de betekenis van de cohesie als ongedraineerde sterkte (Rimmer Koopmans), de vraag welke validatie precies nodig is (Arnold van der Kraan) en de eventuele toepasbaarheid van het resultaat voor langsconstructies (Helle Larsen). Zie verder ook de discussie over de bepaling van de lengte van de opdrijfzone, verderop.

3. Presentatie resultaten afstudeeronderzoek naar opbarsten in relatie tot Piping, door Yida Tao

Yida Tao (TUD, Arcadis) presenteert het resultaat van haar recente afstudeeronderzoek naar opdrijven, opbollen  en opbarsten in relatie tot piping. 

Op basis van  2D numerieke analyses van grondwaterstroming concludeert Yida allereerst dat de meer eenvoudige aanname van een hydrostatisch verloop over de hoogte van de zandlaag (Dupuit, zoals ook toegepast in een theoretische oplossing voor de lengte van de opdrijfzone) niet voldoet in het gebied onder en net naast de opdrijfzone.

Vervolgens gaat Yida in op het kunnen optreden van scheuren in de deklaag in relatie tot de deklaagdikte. Ze onderscheidt daarbij: (1) verticale scheuren over een deel van de deklaagdikte, die worden veroorzaakt door overschrijden van de treksterkte als gevolg van  buiging en (2) over de volledige deklaagdikte doorlopende verticale schuifvlakken, door overschrijden van de schuifsterkte als gevolg van de opwaartse waterdruk onder de deklaag.

(1) Met de cirkel van Mohr kan bij een bepaalde wrijvingshoek een isotrope effectieve spanning  worden bepaald waarboven de treksterkte niet meer kan worden bereikt, omdat voordien de schuifsterkte al wordt bereikt.  Onder aanname dat de isotrope effectieve spanning aan onderzijde alleen een functie is van de  deklaagdikte en dat de isotrope effectieve spanning daar tijdens opdrijven bovendien niet verandert kan vervolgens een deklaagdikte worden bepaald waarboven de treksterkte aan de onderzijde niet meer kan worden bereikt.

(2) Voor mogelijke verticale schuifvlakken ter plaatse van de uiteinden van de opdrijfzone  kan een kritiek deklaaggewicht (en dus ook een kritieke deklaagdikte) worden bepaald, gegeven een ongedraineerde sterkte, een aangenomen lengte van de opdrijfzone en een aangenomen opwaartse waterdruk.

Aanbevelingen zijn ten slotte om rekening te gaan houden met tijdsafhankelijkheid, om de formules voor kritieke deklaagdikte plus onderliggende aannames te valideren en om ook rekening te gaan houden met de voor macrostabiliteit relevante situaties (indrukken of uitknikken).

De verder in de chat geplaatste vragen/commentaar gaan over de ongebruikelijke introductie van treksterkte voor cohesieve grond (Marc van den Broeck), de mogelijke beschikbaarheid van satelietmetingen voor opdrijfsituaties (Arny Lengkeek), de geschiktheid van de toegepaste vuistregel voor de lengte van de opdrijfzone gelijk aan 1/4 van de leklengte (Albert Wiggers), de vraag of de formule voor de kritieke deklaagdikte is gevalideerd aan deklaagdiktes waarbij in praktijk zandmeevoerende wellen zijn waargenomen (Ben Rijneveld), de vraag welke kritieke deklaagdikte met de formule wordt gevonden bij conservatieve aannames voor wrijvingshoek en treksterkte (Margot Drost), de vraag of iemand in praktijk wel eens opbarsten heeft gezien (Meindert Van), de vraag of er in een van de studies misschien ook is gekeken naar het effect van scheuren op de waterspanning en opdrijflengte (Jan Blinde).

4. Presentatie voorstel voor vervolgonderzoek, door Jan Gruppen en Cor Zwanenburg

Jan Gruppen (WDOD) geeft een inleiding op het HWBP/KIA innovatievoorstel rond 'Opbarsten', dat WDOD wil gaan trekken. Jan vertelt dat de grote omvang van de versterkingsopgave bij WDOD (180 km, 18 projecten, 1 miljard euro) de reden is om dat te willen doen. Een nader plan van aanpak moet binnenkort worden opgesteld, samen met Deltares. Bij de planvorming en uitvoering zoekt WDOD nadrukkelijk samenwerking met andere waterschappen die bij het resultaat ook een belang hebben. Een onderdeel van het voorstel is het uitvoeren van een praktijkproef. Daarvoor is waarschijnlijk een stukje oude IJsseldijk nabij Kampen beschikbaar, omdat dit stukje in 2022 toch al weggehaald moet worden. Naast onderzoek naar opbarsten biedt deze locatie wellicht ook kansen voor andere onderzoeksdoelen.  Jan nodigt iedereen die interesse heeft om aan te haken uit om contact op te nemen met hem of met Cor Zwanenburg.

Cor Zwanenburg (Deltares) presenteert vervolgens zijn huidige gedachten over het vervolgonderzoek. Beoogd eindresultaat is een gevalideerde methodiek voor het fysisch realistisch beoordelen en ontwerpen van dijken in situaties met geringe opdrijfveiligheid. Naar verwachting zal dit leiden tot aanscherping van de huidige beslisregels.  Cor memoreert de al eerder genoemde potentiële besparing van 150 miljoen. 

• Een belangrijk onderdeel van het voorgesteld onderzoek bestaat uit het uitvoeren van experimenten. Enerzijds zijn die bedoeld om de numerieke berekeningen te valideren. Anderzijds zijn ze ook bedoeld om, in combinatie met de numerieke berekeningen, te helpen bepalen welke deelmechanismen en processen van invloed zijn op macroinstabiliteit door opbarsten of indrukken en wat daarbij de invloed is van relevante sleutelparameters. Voor de onder gecontroleerde omstandigheden uit te voeren laboratoriumproeven is het voorstel om te beginnen met veel kleine-schaalproeven, gevolgd door een beperkter aantal proeven op middelgrote schaal. Daarbij is inzet van de geo-centrifuge voorzien. De kleine-schaalproeven zijn bedoeld om eerst het begrip te vergroten van de meest relevante deelmechanismen en invloedsfactoren. Uiteindelijk is dan nog 1 veldproef op werkelijke schaal voorzien (de IJsseldijk nabij Kampen). Deze  getrapte  aanpak is bij het eerdere piping onderzoek succesvol gebleken.
• In het vervolgonderzoek zal verder ook het veiligheidsraamwerk voor controle op opdrijven moeten worden ingevuld, inclusief het probabilistisch kalibreren van de grenswaarde voor de opdrijfveiligheid in geval van macrostabiliteit.

Besproken commentaar vanuit de deelnemers: aanscherping zal ook een positieve impact hebben op de versterkingskosten voor regionale keringen (Evelien van der Heijden).

De verder in de chat geplaatste vragen/commentaar gaan over: de vraag welke deklaagdikte er op de WDOD locatie aanwezig is (Arnold van der Kraan), de  benodigde validatie van de sterkte van de toplaag (Albert Wiggers).

5. Discussie, onder leiding van Meindert Van

1. Impact. Op welke versterkingsprojecten zou aanscherping van de beslisregel voor opbarsten binnen een periode van 2 jaar effect hebben? Welke projecten zouden daarvoor op het onderzoek willen aanhaken. 
   Via de Chat en deels ook on-line worden genoemd:
   
   1. Neder-Betuwe, waar deels sprake is van dunnere deklagen en kleine aflopende bermen (Andries van Houwelingen, Tom de Wit). Tom zal dit onderwerp met het waterschap bespreken;
   2. Grebbedijk (Bernadette Wichman);
   3. Alle versterkingsprojecten in het bovenrivierengebied (Margot Drost);
      
   4. Traject 48-1 (Rimmer Koopmans);
      
   5. Sterke Lekdijken (Petar Lubking). In hoeverre  gunstige onderzoeksresultaten nog in te passen zijn voor de verschillende deelprojecten moet volgens Petar Lubking nader worden bepaald;
      
   6. Voor GoWa komt het te laat (Andries van Houwelingen);
      
   7. Hadi Mouzouri wijst (net zoals eerder Evelien van der Heijden) op de impact/spin-off voor regionale keringen. 
      
      
2. Benodigde vorm van de rekenregel en gewenste invulling van het vervolgonderzoek.
   
   1. Wanneer ook op indrukken van de deklaag moet gaan worden gecontroleerd is het nodig om de lengte van de opdrijfzone goed te kunnen bepalen. Experimenten en geohydrologische modellen kunnen helpen om daarvoor geschikte handvatten/vuisregels te vinden/valideren (Jan Blinde, Cor Zwanenburg, Arno Rozing, Margot Drost, Marc van den Broeck).
   2. Martin van der Meer mist in de presentatie van Cor Zwanenburg nog aandacht voor de invloed van droogte. 
   3. Relevante parameters. In de Chat geeft Yida Tao aan dat naast de deklaagdikte in de rekenregel wellicht ook andere sleutelparameters nodig zijn. Yida wijst op het POVM deel-onderzoek naar correlatie tussen deklaagdikte en zandmeevoerende wellen, waarbij in 10 % van de gevallen ook zandmeevoerende wellen worden gevonden voor deklaagdiktes groter dan 4 meter. In reactie daarop zegt Marcel Visschedijk dat het wenselijk is om in het vervolgonderzoek duidelijk onderscheid te gaan maken tussen wat van belang is voor macrostabiliteit en wat van belang is voor piping. De correlatie tussen deklaagdikte en zandmeevoerende wellen is dan meer relevant voor piping dan voor macrostabiliteit. Dit omdat zandmeevoerende wellen kunnen optreden bij lokale scheuren over de volledige deklaagdikte van beperkte afmeting, terwijl het bij macrostabililiteit bij 'opbarsten' gaat om uitknikken van een onder druk staande deklaag onder invloed van buigscheuren.  Albert Wiggers heeft de ervaring dat het met de huidige controle op 'opbarstveiligheid' (bij macrostabiliteit genoemd: opdrijfveiligheid) zelden of nooit mogelijk is om piping direct uit te kunnen sluiten, ook niet bij deklaagdiktes groter dan 4 meter. In de Chat noemt Albert als mogelijke sleutelparameters verder nog: de sterkte en het watergehalte van de als drukstaaf fungerende deklaag. Hadi Mouzouri noemt de dikte van de zandlaag als relevante parameter. Andries van Houwelingen noemt de stijfheid van de deklaag. Petar Lubking noemt tijdsafhankelijkheid.
      
   4. Rimmer Koopmans beveelt via de Chat aan om in het vervolgonderzoek aandacht te geven aan antropogene invloeden in de eerste 2 meter vanaf maaiveld. Bijvoorbeeld een slecht afgedichte boring, een gat van een weidepaal of een sloot gedempt met gebiedsvreemd materiaal. Albert Wiggers memoreert via de Chat het nog bij Deltares lopende RWS/POVM onderzoek naar de sterkte van de toplaag.

6. Afsluiting

Marc Hulst bedankt de deelnemers voor hun input die tijdens dit overleg is gegeven en hij bedankt de sprekers voor hun presentaties. Bij de invulling van het vervolgonderzoek vanuit zowel HWBP als RWS zal deze input worden meegenomen.  Na afloop van dit overleg blijft verdere input welkom, via povm_AT_wsrl.nl of marc.hulst_AT_wsrl.nl.