Dijkschade maken en herstellen

Dijkschade maken en herstellen in Polder2C’s Living Lab

Hoe kunnen we dijkschade het best herstellen? Het Interreg-project Polder2C’s beantwoordt deze vraag op een hele bijzondere wijze: door het uitvoeren van dijkbezwijkproeven en schadehersteloefeningen onder realistische omstandigheden. Dit gebeurt in proeftuin Living Lab Hedwige-Prosperpolder.

De Hedwige-Prosperpolder, op de grens van Nederland en België, wordt de komende jaren in het kader van het geactualiseerde Sigmaplan ontpolderd en veranderd in getijdennatuur. Tijdens deze transformatie wordt een nieuwe ringdijk aangelegd en de Scheldedijk vervolgens afgegraven. De ontpoldering wordt in 2024 afgerond. Tot die tijd biedt de herinrichting van het gebied een uniek testgebied: het Living Lab. Inmiddels zijn al tal van veldproeven uitgevoerd in het Living Lab, met name gericht op de vraag hoe sterk de dijken zijn en welke factoren de sterkte bepalen. Dit is onderzocht met overloopproeven. Patrik Peeters, bresdeskundige van het Waterbouwkundig Laboratorium, legt uit: “We bootsen extreem hoogwater dat over de dijk stroomt na. Zo kunnen we de erosieweerstand van vegetatie en afdeklaag bepalen. We zien het effect van de hoeveelheid water, maar ook van bijvoorbeeld graverij, en het type bekleding.”

IN ‘T KORT - Dijkschade

Polder2C’s onderzoekt onder meer hoe dijkschade het best kan worden hersteld

Hiervoor worden dijkbezwijkproeven en schadehersteloefeningen uitgevoerd

Dit gebeurt in proeftuin Living Lab Hedwige-Prosperpolder

Polder2C’s is een onderzoeksproject, gesubsidieerd door Interreg 2 Zeeën

Incisie met graafmachine. (Foto’s: Marc Pannier)

Overloopgenerator

Om de overloopproeven uit te voeren, is een overloopgenerator geïnstalleerd op de dijk in de Hedwige-Prosperpolder. Via pompen wordt het water aangevoerd naar de generator. Vervolgens stroomt een vastgestelde hoeveelheid water via een afgebakende strook naar beneden over de dijk. Er zijn meerdere overloopproeven uitgevoerd. Peeters: “Zo hebben we bijvoorbeeld stroken gebruikt van de dijk met een gesloten grasmat, een groot konijnenhol, een boom nabij de teen en een zogenaamde schapenklif, waar schapen het talud onderaan de dijk vertrappeld hebben. Tijdens de meeste proeven hebben we een rivierpeil van zo’n 30 cm boven de dijkkruin nagebootst.” Een eerste voorzichtige conclusie van de overloopproeven is dat de dijkbekleding stevig is en behoorlijk veel waterstroom kan weerstaan. “Zolang de grasbekleding gesloten is zonder vertrappelde zones of graverij, ontstaat nauwelijks schade. Maar bij gaten in het grasdek of in de dijk, is de schade fors. Dan is er nauwelijks tijd om te reageren”, legt Peeters uit. “De overloopproeven lieten goed zien hoe grensoverschrijdend het project letterlijk is. Met de dijk exact op de grens van België en Nederland kunnen we ook verschillen in beheer per land meenemen. Een mooie bonus.”

Schade herstellen

Waar het werk van Patrik Peeters ophoudt, komt Bart Vonk, adviseur Waterkeringen bij Rijkswaterstaat, in actie met zijn team calamiteitenbeheersing. Vonk: “Interessant aan het Polder2C’s project is dat wij de ontstane schade gebruiken om hersteltechnieken te testen. Twee schades als gevolg van de overloopproeven van Patrik waren aanzienlijk; één in Nederland bovenin de dijk en één in België vlakbij de teen van de dijk. Een mooie gelegenheid om innovatieve (tijdelijke) herstelmethodes te testen.” Het team van Vonk heeft vier technieken geselecteerd om uit te proberen:

- Zandzakken en folie; - Incisie en folie; - Grote knikkerzakken; - Reparatie met klei.

De twee eerste technieken bieden een tijdelijke reparatie en zijn in december uitgeprobeerd. De andere twee meer permanente reparaties staan gepland voor het voorjaar van 2021.

Eerste herstelreparaties

De eerste herstelreparaties, zandzakken en folie en incisie en folie, zijn achter de rug. Voor beide reparaties aan de dijk zijn zandzakken en een soort vijverfolie, EPDM – Ethyleen Propyleen Dieen Monomeer – gebruikt, omdat deze het beste overeenkomt met de oorspronkelijk aanwezige kleilaag en de dijkkern optimaal beschermt tegen water. De herstelreparaties hadden allebei een innovatief karakter. “Innovatief aan de methode voor de schade in Nederland is om met de zandzakken ook een soort wal te vormen op de dijk. Bij de schade in België is na een grasincisie de deklaag opgetild door een kleine graafmachine en het folie eronder geplaatst. Het gewicht van de teruggelegde deklaag zal het folie moeten verankeren. Een innovatieve manier om met minder zandzakken en mankracht schade te herstellen”, legt Vonk uit. - Methode 1 – Wal van zandzakken: De toegangsweg was onderaan de dijk. Bovenop de dijk zijn drie lagen zandzakken op de folie gelegd in halve cirkel. Deze vorm moet ervoor zorgen dat bij nieuw hoogwater overslaand water niet over het beschadigde dijkvak stroomt, maar juist ernaast. De folie is over de zandzakken heen geslagen en vervolgens met pinnen verankerd in de dijk.

Op deze manier kunnen de zandzakken niet één voor één wegglijden, maar fungeren alle zandzakken samen als een grote massa die lastig te verplaatsen is door de kracht van het overstromende water. Ten slotte zijn alle randen van de folie verstevigd met zandzakken en verankerd met pinnen. - Methode 2 – Incisie met graafmachine: De toegangsweg naar de schade lag op de dijk.

Boven aan de dijk is een incisie gemaakt in de grasbekleding, waardoor een graafmachine de toplaag kon optillen. Vervolgens is de folie onder deze deklaag gelegd en zijn de deklaag en de randen van de folie verankerd met pinnen. Een aantal zandzakken houdt het middenstuk van de folie op zijn plek.

Beide methodes succesvol

Beide methodes hebben solide reparaties opgeleverd en waren succesvol. Vonk: “Een groot verschil was de tijd en het aantal mensen dat we nodig hadden. De eerste methode, met de weg onder aan de dijk, was arbeidsintensief. We moesten al het materiaal, meer dan 400 zandzakken en folie van 350 kg, de dijk optillen. Hiervoor is een sterk team nodig dat zwaar werk gewend is. Ook heb je een stevige teamleider nodig die goed weet hoe het werk uitgevoerd moet worden. De tweede methode, met de weg op de dijk, kostte erg weinig tijd en konden we met slechts een handjevol mensen en veel minder zandzakken doen. Tijd moet uitwijzen of beide reparaties even sterk en weerbestendig zijn. Bij gelijke sterkte, is de methode met de graafmachine aantrekkelijker omdat hij veel sneller en minder arbeidsintensief is.” Vonk vervolgt: “Het was een bijzondere ervaring om te kunnen volgen welke schade de overloopproeven teweegbrachten en daar vervolgens zelf hersteltechnieken op te testen. We brengen de verschillende vakgebieden dichter bij elkaar.”

Verder onderzoek

Benieuwd wat er verder nog staat te gebeuren in het Living Lab? Naast de andere hersteltechnieken, staan in 2021 een tweede serie overloopproeven en een bresproef op de planning. Ook staat het Living Lab Hedwige-Prosperpolder tot de beschikking van waterbeheerders, dijkbewakers of crisismanagers om innovatieve technieken uit te proberen. Voor meer informatie, ga naar www.polder2cs.eu. Polder2C’s ontvangt een bijdrage van 3,9 miljoen euro uit het Europese Interreg 2 Zeeen-programma 2014-2020, mede gefinancierd door het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling in het kader van subsidiecontract No [2S07-023]. Het totale budget bedraagt 6,5 miljoen euro. Interreg 2 Zeeën is bedoeld om het kustgebied langs Kanaal en Noordzee klimaatadaptiever te maken. Meer informatie vindt u op www.interreg2seas.eu.

Polder2C’s project

Het Polder2C’s-project is een onderzoeksproject, gesubsidieerd door het Interreg 2 Zeeën-programma. Het 2 Zeeën-gebied is de kustzone van het Kanaal en de Noordzee van België, Nederland, Frankrijk en het Verenigd Koninkrijk. Het doel is om dit gebied beter voor te bereiden op de effecten van klimaatverandering zoals de stijgende zeespiegel. Het project heeft een aantal focusgebieden, waterkeringen, noodhulp en kennisdeling over de sterkte van waterkeringen en crisisbeheersing. Het Nederlandse Stowa en Vlaamse Waterbouwkundig Laboratorium zijn de trekkers van het project. Daarnaast zijn nog elf andere organisaties betrokken als partner en een groot aantal als waarnemend partner.

Francien Horrevorts is communicatieadviseur bij Polder2C’s.

Leren van dijkdoorbraken met ILPD

Het analyseren van historische dijkdoorbraken, experimenten en overleefde hoogwatersituaties geeft meer inzicht in het faalgedrag van een dijk. De International Levee Performance Database (ILPD) biedt een wereldwijd platform voor het systematisch verzamelen en delen van deze gegevens.

Het falen van een waterkering kan vele mensen het leven kosten en grote economische schade veroorzaken, zoals de Watersnoodramp van 1953 en de overstroming van New Orleans hebben laten zien. Nederland heeft strenge veiligheidsnormen voor dijken. Om er zeker van te zijn dat dijken inderdaad de sterkte bieden waarop gerekend wordt, moeten de faalmechanismes goed begrepen worden. Vaak zijn evenwel de dijkopbouw, het gedrag tijdens kritieke omstandigheden, de hoeveelheid reststerkte en de modellering van het faalproces nog onzeker. Er blijft behoefte aan meer inzicht in deze onzekerheden en dus is validatie en kalibratie van modellen nodig. Dit kan met experimenten op ware grootte, helaas zijn dit soort experimenten kostbaar en uitdagend; zeker omdat ruimtelijke variatie in de ondergrond een belangrijke rol speelt, maar moeilijk te reproduceren is. Historische dijkdoorbraken geven inzicht in daadwerkelijke faalprocessen en -condities en zijn daarom een belangrijke aanvullende bron van informatie. Wereldwijd wordt veel onderzoek verricht naar het falen van dijken,

IN ‘T KORT - ILPD

Historische dijkdoorbraken geven inzicht in daadwerkelijke faalprocessen

ILPD maakt het delen van gegevens over dijkdoorbraken gemakkelijker

De ILPD is de database voor systematische analyses

Met echte data kunnen we toekomstige doorbraken voorkomen bijvoorbeeld na de grote overstromingen in New Orleans in 2015 en die in Duitsland (Elbe, 2002 en 2013). Deze informatie heeft betrekking op faalprocessen en mechanismen (erosie door overslag, piping, instabiliteit, bresvorming) die ook voor Nederland direct relevant zijn. Door deze informatie beschikbaar te maken en lessen te trekken uit het verleden, kunnen we in toekomst dit soort catastrofale gebeurtenissen voorkomen en dijkbeheer verbeteren.

Leren van dijkdoorbraken

De ‘International Levee Performance Database’ (ILPD) is opgezet, om het delen van gegevens over dijkdoorbraken makkelijker te maken. Naast informatie van historische dijkdoorbraken, bevat de database ook experimenten en data van dijken die niet zijn gefaald tijden extreme hoogwatercondities. De ILPD is de database voor systematische analyses, omdat dijkinformatie is gestandaardiseerd en geclassificeerd zodat eenvoudig events en faalgevallen van over de hele wereld kunnen worden vergeleken. Bovendien wordt – waar gegevens beschikbaar zijn – inzicht gegeven in opgetreden belastingen, faalmechanismen, eigenschappen van de dijk en ondergrond. Met echte data kunnen we faalmechanismes beter begrijpen en toekomstige doorbraken voorkomen. Daarnaast krijgen dijkbeheerders door het delen van internationale ervaringen van doorbraken en bijna-doorbraken, meer inzicht over wat ze kunnen verwachten tijdens extreme omstandigheden en kunnen crisismanagers zich beter voorbereiden op een overstroming. De ILPD is daarom geschikt om faalmodellen en dijkontwerpen te verbeteren en kennis over crisisbeheersing te vergroten.

Toepassing van de ILPD

De database bevat data over faalgevallen tijdens extreme catastrofale gebeurtenissen, faalgevallen tijdens de constructie van een dijk en van faalgevallen tijdens experimenten op zowel kleine- als grote schaal. Daarnaast beschikt de ILPD over informatie over de gevolgen (zoals schade, overstroomd gebied en aantal gekoste mensenlevens). De database is onder andere bedoeld voor onderzoekers, experts en dijkbeheerders en is geschikt voor de toepassing in de volgende gebieden: - Beoordeling, ontwerp en management: Met de ILPD kunnen aan de hand van echte faal-

gevallen de verschillen tussen de praktijk en modelberekeningen worden verkleind, stabiliteits- en piping-modellen worden verbeterd, faalpaden gebruikt worden en kan inzicht worden verkregen in de correlatie tussen de verschillende faalmechanismen. - Crisismanagement: Door eerdere overstromingen wordt het belang van inspectie en de uitvoering van noodmaatregelen zichtbaar. Ook leren beheerders over de verschillende faalmechanismen (het herkennen en de snelheid van optreden). - Data science: Met de gestandaardiseerde informatie over dijkdoorbaken een faalgevallen kan datagedreven onderzoek worden uitgevoerd om fysische kennis en analyses te complementeren. Ook kunnen bestaande modellen systematisch worden gevalideerd en kan de nauwkeurigheid worden geëvalueerd. Verder is de data uit de ILPD eenvoudig te combineren met andere databronnen (zoals satellietdata of sensordata).

Gebruik database

De ILPD is te bezoeken via de website ‘leveefailures.tudelft.nl’, waarvan de gegevens gratis gedownload kunnen worden en openbaar zijn. Wanneer de website bezocht wordt, ziet de gebruiker op de startpagina een interactieve kaart. Elke stip op de kaart vertegenwoordigt de locatie van een faalgeval. Onder de kaart is de lijst te zien met alle getoonde faalgevallen. Na selectie van een specifiek faalgeval verschijnt de algemene informatie over de case en kan eventuele media worden bekeken. Aan de linkerkant van de kaart kunnen filtercriteria worden geselecteerd. Er kan op diverse parameters gefilterd worden zoals op jaar, land, geometrie eigenschappen, faalmechanismes en verdedigingstype (dijken, dammen, duinen, etc.).

Dijkdoorbraak bij Breitenhagen in Duitsland.

Screenshot van de ILPD op 06-01-2021.

De data in ILPD is in te delen in drie niveaus, waarvan de mate van detail toeneemt: - Niveau 1 – Algemene informatie - geeft algemene informatie over meer dan 1500 individuele faalgevallen en overstromingen. De data bestaat voornamelijk uit informatie over de dijk (geometrie, locatie, materiaal, etc.), de hydraulische randvoorwaarde (waterpeil, piekafvoer, terugkeertijd, etc.), de bres, de bodemeigenschappen, het beheer en de gevolgen.

Maar niveau 1 data kan ook bestaan uit referenties, video’s en foto’s. - Niveau 2 – Geavanceerd – bevat goed gedocumenteerde informatie over 59 faalgevallen en bijna-faalgevallen uit het verleden, gebaseerd op bijvoorbeeld veldbezoeken en grondgegevens. De informatie is bedoeld om meer inzicht te geven in de fysische processen en het valideren van rekenmodellen. Tot dit niveau behoren bijvoorbeeld faalgevallen uit 2005 in New

Orleans en omgeving na orkaan Katrina. En in detail geanalyseerde dijkdoorbraken en bijna-doorbraken in Duitsland, waar in 2020 extreme regenval tot enorme waterstanden leidde in de Elbe rivier. - Niveau 3 – Diepgaand – bevat gedetailleerde informatie van veertien casussen over het faalproces inclusief informatie over de geotechniek en tijdsafhankelijke hydraulische randvoorwaarden. De data in dit niveau is voornamelijk verkregen door de uitvoering van grootschalige experimenten.

Zoals de data verkregen door de uitvoer van lab experimenten in 2002 in Noorwegen.

In deze experimenten zijn op ware grootte verschillende dijken gebouwd met variërende grondeigenschappen. Vervolgens is een dijkdoorbaak (veroorzaakt door overslag en piping) gesimuleerd en is er voor elke doorbraak een gedetailleerde rapportage beschikbaar gesteld over de vorming van de bres.

Voorbeelden toepassing ILPD

Met de data uit de ILPD is een analyse uitgevoerd om vast te stellen wat de meest voorkomende oorzaak van dijkfalen is. Het meest voorkomende faalmechanisme lijkt externe erosie te zijn, veroorzaakt door overloop en overslag. Maar ook de faalmechanismes piping en instabiliteit dragen aanzienlijk bij aan het aantal faalgevallen. Ook is er gekeken naar de grootte van de bresbreedte. Voor externe erosie is de breedte kleiner dan voor andere faalmechanismen. De faalmechanismes instabiliteit of interne erosie leiden tot de grootste bressen. In hetzelfde onderzoek is voor de overstromingen in Duitsland (Elbe 2002 en 2013) en Tsjechië (1997) gekeken naar het aantal bressen dat voorkomt bij extreme rivierafvoeren. Er blijken een tot twee bressen op te treden per 10 kilometer dijk. De bressen zijn uitgedrukt in bresdichtheid, dat gelijk is aan de totale bresbreedte als ratio van de totale lengte van de dijken. Deze waargenomen bresdichtheden kunnen worden gebruikt om risico’s beter in te schatten, bijvoorbeeld in combinatie met fragility curves. Tot slot kan met individuele faalgevallen, de modellering van faalmechanismen worden verbeterd. Zoals is gedaan bij de dijkdoorbaak bij Breitenhagen als gevolg van macro-instabiliteit bij de rivieroverstromingen in 2013 langs de Elbe (Duitsland)

Pauline van Leeuwen is adviseur Waterveiligheid en Waterkeringen; Joost Stenfert is adviseur Waterveiligheid en Data Science (beiden bij HKV) en Bas Jonkman is hoogleraar Waterbouwkunde bij de TU Delft.

‘Klimaatadaptatie ook nodig door zachte winters’

Diverse wereldleiders waren op maandag 25 januari aanwezig bij de online klimaattop, de Climate Adaptation Summit. Voor Jaco van Wezel, meteoroloog bij Weeronline, aanleiding erop te wijzen dat klimaatadaptatie ook nodig is vanwege de zachte winters in ons land.

Nederland was gastland van de klimaattop. Grote namen als Angela Merkel, VS-klimaatgezant John Kerry en oud-secretaris-generaal van de VN Ban Ki-moon waren virtueel van de partij. Andere (online) deelnemers waren wereldleiders zoals de Britse premier Boris Johnson, de Canadese premier Justin Trudeau en de Indiase premier Narendra Modi. Ook Frans Timmermans van de Europese Commissie, Bill Gates (Bill and Melinda Foundation) en Kristalina Georgieva van het IMF waren van de partij. Met de bedoeling dat zij samen met het bedrijfsleven en NGO’s een plan (de Adaptation Action Agenda) lanceren waarin maatregelen staan die aanpassingen aan klimaatverandering de komende tien jaar versnellen. Want – ondanks alle mooie woorden en toezeggingen van de afgelopen jaren – blijkt dat de uitstoot van broeikasgassen niet afneemt. Zelfs niet in een coronajaar als 2020. Samen met 2014 was 2020 het warmste jaar ooit. De Haagse klimaattop was ingepland om de urgentie aan te geven dat maatregelen nu nodig zijn. Als gevolg van de pandemie waren tal van klimaatonderhandelingen, zoals die in Glasgow, uitgesteld, maar het klimaat houdt geen pas op de plaats. De versnelling van de

IN ‘T KORT - Zachte winters

Jaco van Wezel, meteoroloog bij Weeronline, benadrukt dat de winter opwarmt

Nu al zijn de gevolgen van het opwarmende klimaat groot

De winter verdwijnt en maakt plaats voor een maandenlange herfst

Er moet goed worden gekeken naar hoe we de zachte winters te lijf gaan

Grote namen als Angela Merkel, VS-klimaatgezant John Kerry en oud-secretaris-generaal van de VN Ban Ki-moon waren virtueel van de partij.

klimaatverandering zet onverminderd voort. We denken bij klimaatadaptatie aan technische maatregelen als verzwaring van dijken en aanleg van waterpleinen, maar er zit ook een gezondheidsaspect aan. Gedurende de hittegolf in 2019 zijn in West-Europa 3.500 mensen aan de warmte overleden. Miljoenensteden aan de kust dreigen onder het water te verdwijnen; mensen op de Fiji-eilanden gaan op steeds hoger gelegen stukken land wonen. In Nederland hebben we het Deltaprogramma om aanpassing aan het klimaat te regelen.

Winter

Wie denkt aan klimaatadaptie, denkt mogelijk gelijk aan het voorbereiden op extreme hitte, extreme droogte en hevige stortbuien in de zomer. Veel aanpassingen zijn daarop gericht. Jaco van Wezel, meteoroloog bij Weeronline, benadrukt dat ook de winter opwarmt. Dat is niet alleen vervelend door de afnemende kansen op sneeuwpret en schaatspret. Nu al zijn de gevolgen van het opwarmende klimaat groot. Planten en dieren die niet in Nederland thuishoren, overleven de zachte winters met gemak. Het hooikoortsseizoen begint veel eerder en op het platteland is een ware muizenplaag gaande. Omdat het klimaat blijft opwarmen zullen de gevolgen alleen maar groter worden. De winter verdwijnt en maakt plaats voor een maandenlange herfst.

Poolgebied

Dat ijskoude periodes in Nederland bijna niet meer voorkomen, heeft te maken met de sterke opwarming van het noordpoolgebied en de directe ligging aan zee. Regio’s boven de poolcirkel warmen namelijk veel sneller op dan gebieden rond de Evenaar of op onze breedtegraad. Wanneer het lukt om de toename van de gemiddelde wereldtemperatuur te beperken tot 2 graden, zoals is afgesproken in het Parijsakkoord, warmt de Noordpool alsnog met 4 graden op. Wanneer bij ons een noordoostenwind waait, levert dat dus minder koud weer op dan vroeger. De lucht in Scandinavië en Rusland is immers flink opgewarmd.

Zes maanden herfst

Bereid je voor op zes maanden herfst, aldus Van Wezel. De winter van de toekomst is namelijk zacht en wisselvallig. Vorst komt zelden voor en schaatsen zal hooguit op schaatsbanen kunnen. Sneeuw blijft vrijwel nooit meer liggen en als het sneeuwt, is meestal sprake van natte sneeuw. Het is vaker lenteachtig met temperaturen die geregeld boven 15 graden uitkomen. Zelfs in december en januari kan het 20 graden worden, iets dat nu nog nooit gebeurd is. Kortom, de winter zoals we die nu kennen is aan het verdwijnen. Dit betekent bijvoorbeeld dat waterschappen hun peilbeheer anders moeten inrichten. Alle aandacht die er is voor de hete zomers, laat onverlet dat er heel goed moet worden gekeken naar hoe we de zachte winters te lijf gaan.

Shields-Darcy-pipingmodel: nadere analyse toepasbaarheid

Het Shields-Darcy-pipingmodel is een welkome kritische blik op de rekenregels. Het Expertisenetwerk Waterveiligheid (ENW) heeft echter niet positief geadviseerd over toepassing bij dijkversterkingen. Er is evenwel nog meer experimenteel en modelmatig onderzoek nodig om bestaande en nieuwe modellen aan te scherpen.

De huidige toetspraktijk leidt soms tot zeer grote geschatte overstromingskansen, en dus waterveiligheidsopgaves. Hoffmans e.a. (Land+Water juli 2020) bespreken het Shields-Darcy-pipingmodel, als alternatief voor de vigerende rekenregel van Sellmeijer. Omdat het Shields-Darcy-model in veel gevallen tot een fors veiligere dijk komt dan de vigerende rekenregel van Sellmeijer, heeft Waterschap Limburg het ENW om advies gevraagd naar de toepasbaarheid van het Shields-Darcy-model. In dat kader heeft de TU Delft de aannames en uitkomsten van beide modellen onderzocht. De twee modellen beschrijven vergelijkbare processen, namelijk grondwaterstroming onder de dijk, stroming in een erosiekanaal (of pipe), en het evenwicht van (zand)korrels op de bodem van de pipe. Op meerdere punten zijn deze principes echter verschillend uitgewerkt en met andere aannames.

Experimenteel onderzoek

Ten eerste het korrelevenwicht. Shields-Darcy baseert dit op een variant van het bekende Shields-diagram, Sellmeijer op de formule van

IN ‘T KORT - Shields-Darcy

Het Shields-Darcy-pipingmodel is een welkome kritische blik op de rekenregels

ENW heeft echter niet positief geadviseerd over toepassing bij dijkversterking

Er is nog meer experimenteel en modelmatig onderzoek nodig

Zodat bestaande en nieuwe modellen kunnen worden aangescherpt

Schets van de grondwaterstroming in het model van Sellmeijer (links) en Shields-Darcy.

White. Omdat White een te hoge sterkte berekent bij grover zand, is de invloed van de korrelgrootte (d70) in Sellmeijer gecorrigeerd door een kalibratie op kleine schaalproeven. Deze correctie blijkt echter sterk afhankelijk van de gekozen proevenset. Het heeft de voorkeur om in plaats daarvan het korrelevenwicht direct te baseren op experimenteel bepaalde schuifspanningen, zoals in het Shields-diagram. Bij veelvoorkomende situaties (fijn, uniform zand) leidt het verschil in korrelevenwicht echter niet tot zeer grote verschillen in sterkte. Omdat beide modellen niet direct toepasbaar zijn bij grof (d70>0.500 mm) en gegradeerd materiaal (grofweg d60/d10>3), zoals in Limburg aanwezig is, adviseert het ENW hiervoor aanvullend experimenteel onderzoek.

Terughoudend

Het tweede verschil zit in de grondwaterstroming, en het deel van het grondwater dat naar de pipe stroomt. Beide modellen hanteren hierbij al een verschillende schematisering van de grondwaterstroming en randvoorwaarden. Bij Sellmeijer is de polderdeklaag ondoorlatend, waardoor al het water via de wel uitstroomt, en dus ook voor een groot deel door de pipe. Bij Shields-Darcy is er geen enkele weerstand in het achterland, waardoor veel water afstroomt naar de polder door de diepere delen van het zandpakket. Verder is er een verschil in rekenmethode: voor Sellmeijer zijn de effecten van de grondwaterstroming berekend met een numeriek model (MSeep), terwijl Shields-Darcy aannames bevat over de hoeveelheid water die naar de pipe stroomt om dit vervolgens analytisch te combineren met het korrelevenwicht. Deze aannames leiden tot verschillen in schaaleffecten: de mate waarin het kritieke verval over de dijk varieert met de kwelweglengte. Voor praktijkcondities met brede dijken en dikke zandpakketten geeft Shields-Darcy daardoor al snel een 50 procent hoger kritiek verval (dus veiliger) dan Sellmeijer. Omdat beide modellen goed overeenkomen met schaalproeven (daar zijn ze op gekalibreerd), is het lastig om de juistheid van schaaleffecten experimenteel te valideren. Daarom hebben we deze onderzocht met D-GeoFlow, een numeriek pipingmodel waarin grondwaterstroming, pipestroming en korrelevenwicht gekoppeld worden berekend. Uitgaande van randvoorwaarden die passen bij de modelaannames konden de schaaleffecten in Sellmeijer goed gereproduceerd worden, maar die van Shields-Darcy niet. Dit is de belangrijkste reden om terughoudend te zijn met het toepassen van Shields-Darcy. Het ENW heeft dan ook nog geen positief advies gegeven over toepassing bij dijkversterkingen. De schematisering van de grondwaterstroming en de bijbehorende randvoorwaarden voor afstroming naar de polder blijkt een belangrijke factor, en voor fijn uniform zand heeft dit meer invloed dan het criterium voor korrelevenwicht. Hierbij gaat het om aspecten als de doorlatendheid van de polderdeklaag, de drukval over het verticale uitstroomkanaal, zandpakketten met grove en fijne zandlagen, en driedimensionale grondwaterstroming. Vaak zal hiervoor meer maatwerk nodig zijn dan rekenregels kunnen bieden.

Alternatieven

Ten slotte laat deze ontwikkeling zien dat het zinvol is om alternatieve modelbenaderingen zoals dit Shields-Darcy-model te verkennen, ook als kritische blik op aannames in de bestaande rekenregels. Denk aan het toepassen van Shields. Het ENW heeft hier veel waardering voor. Het onderzoek heeft verschillende kennisleemtes blootgelegd die de komende tijd een plek moeten krijgen in het doorontwikkelen van pipingmodellen en rekenregels. Behalve het eerdergenoemde onderzoek naar grof en gegradeerd materiaal, is dat bijvoorbeeld om nader (experimenteel en modelmatig) onderzoek naar schaaleffecten te doen, en daarbij rekening te houden met de afstroming naar de polder en driedimensionale grondwaterstroming.

Joost Pol is promovendus waterveiligheid aan de TU Delft en adviseur bij HKV; Bas Jonkman is hoogleraar waterbouwkunde aan de TU Delft.