ontwerpfilosofie bij waterkeringen
ir. H.J. Verhagen, Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Delft
Inleiding
In dit artikel wordt een aanzet gegeven voor de ontwerpfilosofie voor waterkeringen, uitgaande van het veiligheidsbeginsel. Het primaire doel van iedere waterkering is het keren van water. Dit lijkt een open deur, maar in de praktijk van het ontwerpen van waterkeringen en aanverwante constructies blijkt dat dit primaire aspect vaak door de secundaire aspecten dreigt te worden overvleugeld. Er dient voor gewaakt te worden dat dit nimmer mag gebeuren. Het primaire aspect dient voldoende te worden gewaarborgd, zowel op korte als op lange termijn.
Waterkeringen worden "voor de eeuwigheid" ontworpen. Dit betekent niet dat de con-structie een eeuwigdurende levensduur moet hebben, maar het betekent wel dat waar nu een waterkering is, deze naar alle waarschijnlijkheid ook in de verre toekomst nodig zal zijn. Dit heeft de geschiedenis ons ook laten zien. Het is zelfs te verwachten dat we de waterkeringen in de toekomst zelfs meer nodig zullen hebben dan nu, gezien de stijging van de zeespiegel.
Over het tempo van de relatieve zeespiegelstijging zijn veel wetenschappelijke disputen mogelijk. Dat de zeespiegel stijgt ten opzichte van het polderland is een onomstotelijk feit, wat we in Nederland al honderden jaren weten.
In de Grondwet is vastgelegd dat "de zorg van de overheid is gericht op de be-woonbaarheid van het land". In de toelichting op de Grondwet wordt nadrukkelijk gesteld dat hieronder ook de waterstaatszorg voor de verdediging van het land tegen het water hoort. Dat betekent dat we tegen de achtergrond van een zakkend land en een stijgende zee onze waterkeringen steeds hoger zullen moeten maken. Altijd en immer. Dit geldt niet alleen voor de dijken in het westen van het land. De verhoogde zeespiegel werkt door in de verhanglijnen van de rivier, en daardoor in het niveau van het maatgevend hoog water op de rivieren. Bovendien moet zeker niet uitgesloten worden dat de ontwerpafvoer (bij een gegeven kans van voorkomen) groter zal worden door klimatologische wijzigingen. Ontbossing en verharding van oppervlakten zorgen bovendien voor een versnelde afvoer van water. Bij het ontwerp van de keringen moeten we ons daar terdege van bewust zijn. Deze gedachte is niet nieuw, blijkens het volgende citaat uit 1749:
"....Waaruit nu duidelijk blijkt, dat de bedykingen, als gezegt, zich bepaald hebben tussen de jaaren 1000 en 1400. Juist in een ongelukkigen tijd, dat hier te lande bijna niemand was, die schryven konde, als de Monniken en die van de Geestelykheid, welke geen genegenheid schynen te hebben gehad, tot het aantekenen van de dingen, die de rivieren of de dykagien betroffen. Deze onkunde en onnoozelheid, is ook zekerlyk de oorzaak waarom die dykagien zo ongelukkig voor de nakomelingschap zijn uitgevallen: want men heeft geen kennis gehad, na 't schynt, van het ryzen van zee en rivieren; schoon zijn dat voor hun oogen konden zien, want het was hun zeekerlyk niet onbewust, dat er boomen onder de grond lagen; dat die boomen op een veel laager grond hadden staan wassen, als de hunne toen was; en dat by gevolg hun grond, die doen vry hoog was (anders zouden zy waarschynlyk het dyken niet
ondernoomen hebben) ook eens weder laag zoude worden, met betrekking tot de zee en de rivieren." (Cornelis Velsen, Rivierkundige Verhandelingen)
Planologie, ruimtelijk beleid en levensduur
In het verleden ging men, om overstromingen te ontwijken, op terpen wonen. Daarna is men wat hogere gebieden begonnen te omkaden, om polders voor de landbouw en veeteelt te creëren. Erg zeker van droge voeten was men niet. De polders werden vaak geteisterd door overstromingen. Daarom werden de woningen toch nog vaak op de dijk gebouwd. Dat was de meest veilige plaats. Dit heeft geleid tot de huidige lintbebouwing op de dijken. Al vroeg in deze eeuw is getracht dit te beperkern (Wet op de Lintbebouwing, 1920)
Momenteel worden de dijken zodanig aangepast dat het risico van wonen in de polder verwaarloosbaar klein is. Hierdoor ontstaat eigenlijk een omgekeerde situatie. De bebouwing op de dijk gaat een risico inhouden voor de bewoners in de polder.
Waterkeringen moeten, zoals alle infrastructurele werken, ruimtelijk ingepast worden in onze leefomgeving. Wij leven met, achter en op waterkeringen. Deze verwevenheid maakt aanpassingen van waterkeringen zo moeizaam. De vrijheid om waterkeringen aan te passen aan de eisen des tijds (lees: aan relatief hogere waterstanden) wordt door de verwevenheid met het ruimtelijk gebruik rigoureus aan banden gelegd, en vaak zelfs uitgesloten. Er komt dan naast het waterbouwkundige probleem een planologisch probleem, met de daaraan gekoppelde sociaal-culturele problemen. Een complicerende factor daarbij is dat juist de bewoners van de dijk geen baat hebben bij dijkverzwaring, zij wonen immers al redelijk veilig.
Formeel is het vaak wel zo dat dijkgebruikers (dus ook bewoners) voor het gebruik een vergunning hebben, met daarin de voorwaarde dat ze weg moeten als de dijk verzwaard moet worden. In de praktijk blijken dit soort bepalingen echter niet zonder meer uitvoerbaar.
Dit vraagstuk is van een totaal andere orde dan het waterbouwkundig aspect van de zaak zou doen veronderstellen.
Een solitair bouwwerk heeft een (technische) levensduur van ca. 50 - 100 jaar. Daarna kan men bij het ontwerp van het vervangende kunstwerk na deze halve of hele eeuw gebruik maken van de op dat moment geldende, aangepaste ontwerppeilen. Dit impliceert dat nu bij het ontwerp van een solitair kunstwerk rekening moet worden gehouden met de relatieve waterstandsstijging die in de komende 50 - 100 jaar verwacht wordt.
Bij een planologisch complexe situatie doet echter de levensduur van het individuele kunstwerk niet meer terzake. Het conglomeraat van de bebouwing fixeert feitelijk de gehele situatie op de heden daarvoor gestelde peilen tot in onbepaald verre toekomst en het slopen van individuele panden ten behoeve van individuele herbouwingen en vernieuwingen schept nimmer meer de mogelijkheid om pijnloos de situatie te herzien. Deze problematiek moet niet onderschat worden. Voor een integrale aanpassing van de situatie zijn veelal rampen nodig. De combinatie van een bombardement (1940) en een watersnood (1953) was de enige mogelijkheid om de waterkering in Rotterdam op een integrale wijze te verbeteren. Een "tweede ronde" (noodzakelijk vanwege verbeterde ontwerppeilen) blijkt nu niet meer uitvoerbaar, mede daarom is dan ook gekozen voor een stormvloedkering in de Nieuwe Waterweg.
Ook langs andere weg kan ingezien worden dat met een grote tijdsruimte rekening moet worden gehouden. Men kan in een stad onderscheiden de elementen van een individueel gebouw, straat, wijk, stad. Ieder van deze elementen heeft een eigen tijdschaal van bestaan en globaal kan worden gesteld, dat de tijdschaal voor het opvolgende element telkens wel 2 tot 3 maal groter is, zo niet aanmerkelijk meer. Gaat het om vooruitzien in planologische zin, dan kan men een gebouw ontwerpen voor bijvoorbeeld 30 jaar. Maar in die zelfde zin eist de straat een vooruitzien over 100 jaar, de wijk 300 jaar, de stad 1000 jaar. Deze cijfers illustreren een grondgedachte, die weinig bij het projecteren van waterkeringen tot gelding gebracht wordt. Een waterkering die door een stad heen loopt, draagt ten aanzien van de factor tijd niet het karakter van het solitaire kunstwerk of het enkele gebouw, zelfs niet het karakter van een straat of weg, maar zeker het karakter van een wijk.
Als een waterkering bijv. door een industriegebied heenloopt (bijv. door Europoort) dan wordt daarmee gelijk de hoogte van de rest van het gebied vastgelegd. Omgekeerd wordt feitelijk ook de hoogte van de dijk door de hoogte van het gebied gefixeerd. En deze fixatie geldt voor meer dan een eeuw. De waterbouwkundige moet dus in de conglo-meratie niet alleen oog hebben voor de levensduur van het enkele waterbouwkundige kunstwerk als een dijk of een sluis, maar hij moet ook planologisch denken. Omgekeerd moet de planoloog niet maar simpel aan de waterbouwkundige vragen hoe hoog "voor dit moment" de waterkering moet zijn, maar hij moet de waterbouwer er op attent maken, dat eenmaal aangelegd, de hoogtebepaling onveranderlijk gefixeerd zal zijn voor de levensduur van de gehele conglomeratie. De inschatting van de levensduur van de gehele conglomeratie moet niet zozeer door de waterbouwer, maar door de planoloog ingeschat worden.
Een schoolvoorbeeld van dit probleem treffen we aan in Dordrecht. De hoofdwaterkering ter plaatse is de Voorstraat. In de 16e eeuw is de Voorstraat uitgebouwd tot de belangrijkste straat van Dordrecht. Het gevolg van deze beslissing is dat nu nog steeds de Voorstraat het hart van Dordrecht vormt. Het is de belangrijkste winkelstraat, er staan vele historische panden, zoals het stadhuis. Iedere verhoging van deze waterkering is uitgesloten.
Er zijn inmiddels een aantal technische alternatieven voor een verhoging verzonnen. Deze hebben allemaal een tijdelijk karakter. De enige echte oplossing blijkt te zijn de waterkering elders te situeren.
Feitelijk is daar nu ook gedeeltelijk voor gekozen door het bouwen van een storm-vloedkering in de Nieuwe Waterweg.
Samenvattend kan dus gesteld worden dat bij het vaststellen van de levensduur van een waterkering en bij het bepalen van het structurele ontwerp van zo'n kering de omgeving van de kering (nu en in de verre toekomst) bepalend zijn.
Deze gedachte is niet nieuw. Dit hoofdstuk is grotendeels ontleend aan Wemelsfelder [1965].
duurzaamheid van de gebruikte materialen
Een waterkering van grond vervormd, en moet regelmatig aangepast worden. Materialen zoals zand en klei verouderen niet, en behoeven geen onderhoud. Staal, kunststof en beton verouderen, en geven daardoor problemen. Dit geldt niet voor kleine, simpel te vervangen elementen, zoals een bekleding van basalton of een grasmat. Het geldt wel voor een moeilijke fundering.
Bij gebruik van klei en zand, kan eenvoudig met de bestaande materialen doorgebouwd worden, en hoeft men zich niet af te vragen of het in het verleden gebruikte materiaal verouderd is. Echter als verouderende materialen gebruikt worden, moet er speciale aandacht besteedt worden aan de ruimtelijke problemen van de constructie. Als de technische levensduur van een constructie 50 jaar is, betekent dit dat na 50 jaar groot onderhoud nodig is. Voor kunstwerken is dat problematisch. Te denken valt daarbij aan het groot onderhoud wat nu nodig is voor de sluizen bij IJmuiden en bij de spuisluizen in de Afsluitdijk. Voor constructies die in een waterkering "verborgen" zijn en niet herkend worden als kunstwerk is het uitvoeren van dergelijk groot onderhoud nog moeilijker. Dit geldt ook voor het omgekeerde (bouwwerken die een verborgen waterkering bevatten). Zo moeten ook kunststoffen in de waterkeringen met enige terughoudendheid bekeken worden. Als een geotextiel zinvol is bij de uitvoeringsfase, en een in de tijd afnemend belang heeft, dat is toepassing goed mogelijk. Als de constructie zijn sterkte juist aan dat element moet ontlenen, is het vermoedelijk niet zo'n goede constructie. Het is moeilijk om de kwaliteit van dit materiaal te bewaken. Ten eerste is het vaak niet van de oppervlakte waarneembaar, en ten tweede weet over 50 jaar niemand meer dat er een geotextiel aangebracht is met een cruciale betekenis. Bij dit soort toepassing is een goede vastlegging van het uitgevoerde ontwerp van zeer groot belang. Ook de Wet op de Waterkering onderkent dit belang, en schrijft daarom de beheerders dwingend voor goede beheersregisters van de waterkeringen aan te leggen.
Daarnaast is het ten alle tijde zinvol om een constructie te maken die niet in één keer leidt tot volledig bezwijken. Een constructie die waarschuwt als het moment van overbelasting in aantocht is, is altijd te verkiezen.
bekende onbekendheden
In het verleden werd een waterkering ontworpen op basis van "algemeen bekende ontwerpprincipes". Een goed constructeur ging daarbij altijd aan de veilige kant zitten, en bouwde ook nog een grote veiligheidscoëfficiënt in. Bij de moderne ontwerptechnieken trachten we steeds minder gebruik te maken van onwetendheids-coëfficiënten. Dat impliceert dat de ontwerper ook meer kennis moet hebben van het faalmechanisme. In het verleden is gebleken dat we niet voldoende wisten. In 1953 zijn veel dijken bezweken door overslag en overstromend water. De stabiliteit van het binnentalud werd daardoor onvoldoende. Hoe sterk dit talud precies moest zijn wisten we niet. Het pro-bleem is toen opgelost door als ontwerpcriterium op te nemen dat het binnentalud bijna nooit belast mag worden door overspoelend water (dit resulteerde in het 2% golfoploop-criterium, bovendien werd besloten de binnentaluds niet meer steiler dan 1:3 te maken). Hier is dus een niet-kwantificeerbaar faalmechanisme omzeild. Het was destijds niet mogelijk om te bepalen wanneer een binnentalud zou bezwijken. Dus dient een dijk zo ontworpen te worden dat men er vrij zeker van is dat er geen maximale belasting ontstaat.
Doordat inmiddels meer kennis vergaard is inzake dit faalmechanisme, is het nu mogelijk om af te stappen van de limiterende 2%, en kan er gerekend worden met een toelaatbare hoeveelheid overslag, afhankelijk van de kwaliteit van het binnentalud.
Zo zijn er nog veel voorbeelden op te noemen van faalmechanismen die we niet kenden, en zich pas bij rampen openbaarden. In een aantal gevallen openbaarden zich deze mecha-nismen zonder dat een ramp optrad. Dat gebeurde in die gevallen waar de dijk overgedimensioneerd was. Achteraf gezien bleek dat toch wel erg prettig te zijn.
Heden ten dage wordt een verantwoord ontwerp van een dijk zoveel mogelijk gedimensioneerd d.m.v. probabilistische technieken1, rekening houdend met alle faalme-chanismen. Als dan tevens rekening gehouden wordt met de spreiding in sterkte en in belasting, is een "veiligheidscoëfficiënt" niet meer nodig. Echter de veiligheidscoëfficient kan alleen vervallen als alle faalmechanismen bekend zijn. De verleiding is groot om bij een uitgebreide probabilistische berekening aan te nemen dat alle faalmechanismen bekend zijn, en dus geen risico-ruimte te reserveren voor onbekende faalmechanismen. Blijkt er toch nog een onbekend faalmechanisme te zijn, dat zit er vrijwel geen reserve-veiligheid meer in de constructie. Met name bij gecompliceerde constructies is dat een probleem. Daar komt nog bij dat een volledige probabilistische berekening nog niet mogelijk is, omdat nog er met name in de sterktecomponenten nogal wat zaken niet voldoende bekend zijn.
Daar komt bij dat waterkeringen slechts zeer zelden belast worden tot aan hun ontwerpbelasting (de kans is minder dan 1/10000). De aard van dit risico is echter heel anders dan bijvoorbeeld de schade bij het instorten van een viaduct. Stel dat de kans op instorten van een viaduct 10-7
per jaar is, en er zijn een miljoen viaducten (bijv. in heel Europa), dan is de kans op instorten van een viaduct ergens in Europa 1/10. Dus gemiddeld eens in de tien jaar stort een viaduct in. En van zo'n ramp kunnen we veel leren en onze technieken bijstellen.
Bij overstromingen is dat heel anders. Zeedijken worden ontworpen op een ont-werpbelasting van 1/10000. Deze belasting treedt langs zeer veel zeedijken in Nederland bij een en dezelfde storm op. Als de kans op overbelasting van een dijksectie kleiner dan 1/10000 is, dan maakt het niet veel uit hoeveel dijksecties er zijn.
Dus alhoewel de kans op instorten van een viaduct kleiner is dan de kans op overstromen van een dijk, maken we een ingestort viaduct nog wel eens mee. Een overstroming in Nederland maken we in een mensenleven, als alle dijkverzwaringsprogramma's afgerond zijn, naar alle waarschijnlijkheid niet mee.
Het is begrijpelijk dat overstromingen elders in de wereld heel anders beleefd worden. Die zijn ver van ons bed.
Dat betekent dat we ook geen gebruik kunnen maken van ervaring die we opdoen bij falende constructies. Bij waterkeringen moeten we dus meer rekening houden met onbekende faalmechanismen, dan bijv. bij viaducten.
uitgekiend ontwerpen versus flexibiliteit
In zijn inaugurele rede benadrukt prof. d'Angremond het belang van flexibiliteit van waterbouwkundige constructies. Hij noemt daarbij als voorbeeld de sluizen van IJmuiden, die ondanks de schaalvergroting in de scheepvaart, zo'n 60 jaar voldaan heeft. Bij de aanleg heeft men op juiste wijze op toen nog niet precies te voorziene ontwikkelingen geanticipeerd door een overgedimensioneerde sluis te bouwen, wetende dat een sluis niet simpel te verbreden is (men ging uit van een verwachte schaalvergroting in de passagiers-vaart). Dit in tegenstelling tot een kanaal, waar dat wel kan als de ruimte beschikbaar is.
1 een probabilistische rekentechniek is een methode waarbij rekening wordt gehouden met de statistische verdeling van zowel de sterktecomponenten als de belastingscomponenten.
Bij uitgekiend ontwerpen tracht men juist zoveel mogelijk deze vrije ruimte te gebruiken. Het resultaat is een constructie die precies voldoet aan de eisen van dit moment, maar geen enkele flexibiliteit meer heeft. Ieder niet voorziene ontwikkeling leidt dan tot zeer grote problemen. In vrijwel alle gevallen zullen diegenen die de waterkering medegebruiken, aandringen op een zo uitgekiend mogelijk ontwerp. Voor hen is dat op dit moment optimaal. Voor de maatschappij als geheel, en bezien over een wat langere ter-mijn hoeft dat allerminst het geval te zijn. Een goede, objectieve afweging wordt dan moeilijk.
uitgangspunten bij het ontwerp
Gegeven de hierboven weergegeven gedachten is het zinvol om bij het ontwerpen van waterkeringen volgende principes te huldigen:
*Ontwerpen moeten in principe altijd zo uitgevoerd worden dat verhogingen en verzwaringen in de verre toekomst mogelijk blijft.
Dit betekent dat de waterkering vrij gehouden moet worden van die functies die in de toekomst limiterend kunnen worden. Functies die een verhoging niet uitsluiten kunnen zonder probleem toegelaten worden (een enkel gebouw op de dijk kan dus wel, een winkelcentrum niet).
Eigenlijk is dit niet echt een ontwerpprincipe, het is meer een principe dat van belang is bij de beluitvorming in het proces van ruimtelijke ordening. *Constructies moeten zo ontworpen worden dat de kans op onbekende
faal-mechanismen zo klein mogelijk is.
Het uitvoeren van een risico-analyse kan in veel gevallen een goed beeld geven van de risico's van de verschillende alternatieven. Een vergelijking van de huidige risico's van de verschillende alternatieven is niet voldoende. Er moet ook rekening gehouden worden met de risico's in de verre toekomst. Bij een eenvoudige constructie in grond is het minder waarschijnlijk dat er iets onverwachts mis gaat dan bij een gecompliceerd geheel met veel kunstwerken.
*Bij het nalaten van een goed beheer en onderhoud moet de waterkering blijven functioneren op een wat minder goed niveau en niet direct desintegreren.
Men gaat er van uit dat waterkeringen goed beheerd en onderhouden worden. Dat gebeurt nu ook wel. Het is echter niet te voorzien of dit ook in de toekomst onder alle omstandigheden het geval zal zijn. Daarom is het in het lange termijn denken van belang om daar rekening mee te houden. Een belangrijk punt daarbij is dat men zoveel mogelijk gebruikt maakt van niet-verouderende constructiematerialen, zoals zand en klei. Materiaal dat veroudert (staal, beton) is een probleem als de desbetreffende constructie-elementen niet simpel uitwisselbaar zijn (een steenbekleding is geen probleem, een ankerwand is dat wel).
Los van een goed ontwerp is een goed beheer nodig. In dit kader kan gewezen worden op het belang van een goed toezicht. Om hiervoor het juiste bestuurlijke kader te scheppen is in de Wet op de Waterkering dan ook een periodieke toetsing van de waterkering opgenomen.
*Indien een constructie faalt, dient een zo groot mogelijke restveiligheid aanwezig te zijn.
Hierbij moet bijv. gedacht worden aan het verschil tussen falen van een waterkerende muur en het falen van een grondlichaam door afschuiving. Als een muur faalt, stroomt het water er door heen en is de overstroming een feit. Als een grondlichaam afschuift, verplaatst de grond. Dit leidt feitelijk tot een verlaging van bijv. een deel het kruinniveau van de dijk. Onder maatgevende omstandigheden kan de dijk dan gaan overlopen. Doch omdat nog steeds een groot grondlichaam aanwezig is, hoeft dit nog niet tot een ramp te leiden.
eindconclusie
Samenvattend kan gesteld worden dat het momenteel technisch mogelijk is om vrijwel ieder probleem bij dijkverhogingen nu door bepaalde kunstwerken op te lossen. Vaak zijn deze oplossingen zeer kostbaar, en vindt er een moeilijke afweging plaats tussen de voordelen en de kosten. Wat vaak te weinig in deze afweging betrokken wordt is de zeer lange levensduur en de zeer bijzondere aard van het bouwwerk "waterkering". Men zal bij de afweging ook rekening moeten houden met de verre toekomst. Het uitgangspunt "wie dan leeft, die dan zorgt" kan volgende generaties met grote problemen opzadelen. Het grote probleem is dat in de uitgebreide inspraakrondes bij dijkverzwaringen, deze toe-komstige generaties geen stem in het kapittel hebben.
referenties
Wemelsfelder, P.J. [1965]. Bodemdaling, blijvend actueel aspect van de Nederlandse waterbouw; Nederlandse Vereniging voor Landaanwinning, bericht nr. 10.
