Optimalisatie van dijkversterkingen op basis van meting en modellering van het freatisch vlak

Bij de toetsing en het ontwerp van regionale waterkeringen hanteren waterschappen vaak conservatieve uitgangspunten om voor diverse maatgevende omstandigheden een schematisatie van het freatisch vlak vast te stellen. Hoewel in het Technisch Rapport Waterspanningen bij Dijken van de technische adviescommissie waterkeringen (TAW-Techniek) uit 2004 de nut en noodzaak van veldmetingen en modellering uitvoerig worden toegelicht, wordt dit in de regel niet gedaan. Waarom niet? En hoe kunnen hydrologische metingen en modellering in de praktijk worden toegepast voor optimalisatie van een dijkverbetering?

Het freatisch vlak

Het Hoogheemraadschap van Rijnland (HHR) beheert ruim 1.200 kilometer aan regionale waterkeringen, waarvan komende jaren circa 150 kilometer moet worden versterkt. Een groot deel hiervan betreft boezemkades die zijn afgekeurd op het faalmechanisme Macrostabiliteit Binnenwaarts. Bij dit faalmechanisme neemt de sterkte van de grond af als gevolg van hogere waterspanningen (meestal als gevolg van een hoge waterstand of extreme neerslag), waardoor het grond-lichaam evenwicht verliest en een deel van de dijk kan afschuiven. Om te bepalen of een dijk aan de gewenste norm voldoet wordt een stabiliteitsberekening gemaakt in maatgevende omstandigheden. Een belangrijke factor hierbij is de ligging van het freatisch vlak, oftewel het niveau tot waar het grondlichaam is verzadigd met water. Omdat deze ligging in de praktijk moeilijk te bepalen is, worden hiervoor vaak vereenvoudigde (conservatieve) aannames gedaan, waarvan de basis ligt bij aanbevelingen uit TAW 2004. Voor verschillende typen dijken wordt dezelfde schematisatie aangehouden, terwijl bijvoorbeeld de breedte van de kering of aanwezigheid van een weg hier veel invloed op kunnen hebben. Dit betekent dat voor veel keringen de aanwezige stabiliteit mogelijk wordt onderschat, wat enerzijds kan leiden tot onnodig afkeuren van delen van de waterkering, maar anderzijds ook tot onnodig zware versterkingen.

Scope van het onderzoek

In 2018 is HHR een project gestart met ingenieursbureau Iv-Infra en wateradviesbureau Nectaerra om op basis van veldmetingen en modellering de grondwaterschematisatie onder maatgevende omstandigheden te bepalen voor enkele dijktracés in het lopende verbeterprogramma. Hiermee wordt onderzocht of en hoe deze inzichten zijn te gebruiken om voor het gehele verbeterprogramma de grondwaterschematisaties te optimaliseren.

Op basis van het verbeterprogramma zijn 7 representatieve dijksecties (meetraaien) geselecteerd in vier polders. Hierbij is onderscheid gemaakt in drie typen keringen:

1. Brede kering met een weg op de kruin en een grote kerende hoogte;

2. Brede ‘groene’ kering (zonder weg op de kruin) met een grote kerende hoogte;

3. Smalle kering met relatief kleine kerende hoogte.

Binnen deze verdeling wordt tevens gekeken naar aanvullende verschillen in bodemopbouw, en teenslootafstand en -waterhoogte. Tijdens het onderzoek is gekozen om gebruik te maken van meer conventionele en breed in gebruik zijnde meetmethoden, zoals peilbuizen met loggers en boringen met bodemclassificatie. Geofysische opsporingsmethoden en in de grond geplaatste waterspanningsmeters of bodemvochtmeters zijn in deze fase nog niet ingezet.

Gemodelleerd stijghoogteverloop en ligging freatisch vlak.

Meetprogramma

Op basis van bestaande hoogtegegevens, boringen en sonderingen zijn 2D-bodemprofielen opgesteld, waarmee de locaties van de peilbuizen en filterdieptes zijn gekozen. Hierbij is een inschatting gemaakt van de horizontale en verticale grondwaterstroming en rekening gehouden met de laagst gemeten grondwaterstand. Om ervoor te zorgen dat een filter niet in meerdere bodemlagen is gesitueerd zijn filters van 50 cm gebruikt. Met loggers werd de waterdruk elke 10 minuten automatisch geregistreerd. Tevens zijn regenmeters geplaatst. Van alle meetlocaties zijn de XYZ-coördinaten ingemeten met DGPS en waterpassing. Om variatie over de seizoenen mee te nemen is gekozen om één jaar te meten alvorens de schematisatie te bepalen. Deze periode omvatte de zeer droge zomer van 2018 en enkele extreme neerslaggebeurtenissen, waaronder een maximale neerslag van 96 mm in één dag in een van de regenmeters, wat een herhalingstijd heeft van 100 jaar (Neerslagstatistiek en -reeksen voor het waterbeheer, Stowa, 2019). In het veld zijn tevens van verschillende lagen en locaties de porositeit en (verzadigde) permeabiliteit bepaald middels soil core tests, slug tests, dubbele ringmetingen en Amoozemetingen. Om het effect van de opbouw en doorlatendheid van wegen op grondwaterstroming beter te kunnen meenemen zijn asfalt- en cunetboringen uitgevoerd en is één weg volledig ingemeten met 3D grondradar.

Grondwatermodellering

Naast het meetprogramma is voor alle raaien een grondwatermodel opgezet met behulp van MODFLOW. Tijdens de selectie van hydraulische randvoorwaarden en de validatie van de modellen rees een belangrijk vraagstuk, namelijk voor exact welke neerslag- en infiltratieomstandigheden de hoogwatersituatie moest worden gemodelleerd.     

De bestaande richtlijnen beschrijven immers wel een maatgevende boezemwaterstand, maar geen maatgevende neerslag. Uiteindelijk is ervoor gekozen dit conservatief op te lossen door het opleggen van een continue neerslag van 10 mm per dag, en hiervoor de stationaire grondwaterstand te bepalen.

Primaire factoren die van invloed zijn op de ligging van het freatisch vlak blijken buitenwaterstanden en stijghoogte van het eerste watervoerende pakket, in aanvulling op de geometrie van de dijk. Meer secundair van belang zijn verschillen in bodemopbouw en hydraulische parameters.

Schematisatie freatisch vlak volgens huidige rekenregels HHR (rood) en op basis van veldonderzoek en grondwater-model (oranje). De illustratie toont de stijghoogte, waar deze boven maaiveld ligt vindt kwel en afstroming plaats.

Conclusies

Na de meetperiode zijn per meetraai drie schematisaties bij hoog boezempeil opgesteld en met elkaar vergeleken:

a. Het freatisch grondwaterverloop volgens bestaande ontwerprichtlijnen van HHR

b. Het freatisch grondwaterverloop volgens de hoogst gemeten waterstand in de peilbuizen

c. Het freatisch grondwaterverloop volgens het grondwatermodel (incl. neerslag)

Na kalibratie bleken gemeten en gemodelleerde freatische vlakken goed overeen te komen. Op basis van de vergelijking tussen de uitgevoerde metingen, modelberekeningen en de schematisatie volgens bestaande ontwerprichtlijnen, wordt er met name voor de bredere waterkeringen geconcludeerd dat in de huidige praktijk de hoogte van het freatisch vlak ter plaatse van de binnenkruin enigszins wordt overschat en ter plaatse van de binnenteen juist wordt onderschat.

Het effect hiervan op de stabiliteit van de waterkering is inzichtelijk gemaakt met een aantal stabiliteitsberekeningen. Hoewel de resultaten per kering verschillen leidt optimalisatie van het freatisch vlak in de meeste onderzochte gevallen tot een verbetering van de stabiliteitsfactor met enkele honderdsten, wat resulteert in een minder zware kadeversterking. Voor een van de onderzochte dijken zou deze optimalisatie resulteren in een besparing van 2 à 3 m³ klei per strekkende meter, ofwel enkele duizenden kuubs grond voor de gehele versterking. De onderzoekskosten bedroegen naar inschatting hooguit 10% van deze besparing.

Vervolgstappen

Momenteel zijn Iv-Infra en Nectaerra bezig met vervolgonderzoek, waarin op basis van de bevindingen een nieuwe rekenregel voor zowel hoogwater als laagwater wordt bepaald voor het gehele verbeterprogramma. Hierbij wordt tevens rekening gehouden met andere belangrijke verschillen tussen dijktracés, zoals de aanwezigheid van bepaalde slappe bodemlagen, variaties in de stijghoogte van het eerste watervoerende pakket en afstand tot de teensloot.

Gezien de verschillen in freatisch vlak per type dijk lijkt het, naast het optimaliseren van de standaard-schematisatie, meerwaarde te hebben om voor toekomstige kadeversterkingen met een combinatie van meting en modellering het freatisch vlak ‘op maat’ te bepalen: de extra inspanning aan de voorzijde betaalt zich door optimalisatie van het ontwerp tijdens de uitvoering waarschijnlijk in veelvoud uit!