Infiltratiemeting. Open taludbekleding; bundeling van huidige kennis

A2 93.11

echnische

SS dviescommissie voor de

jaterkeringen

Werkgroep A, Belasting en Bekleding

Infiltratiemeting

Open taludbekleding

Opdrachtgever:

Rijkswaterstaat

Dienst Weg- en Waterbouwkunde, TAW-A2

Infiltratiemeting

Open talüdbekleding

Bundeling van huidige kennis

A. Bezuijen, TJP. Stoutjesdijk

November 1993

GRONDMECHANICA

DELFT

APPENDIX A

Bepaling leklengte door injectie Notitie N 570, Ir. B. P. Rigter

Ministerie van verkeer en Waterstaat

Nota

Dienst Weg- en Waterbouwkunae »•

Leden TAW-A2 (Steenzettingen)

Contactpersoon Doorkiesnummer ir.B.P.Rigter. Ddijrr, Bijlage(n) 6 januari 1992 Crs kenmerk Uw kenmerk O-oe-.vero

Bepaling leklengte door injectie.

I. INLEIDING.

In 1985 zijn in de Deltagoot diverse steenzettingen beproefd. Een verslag hiervan is opgenomen in het rapport "Grootschalig modelonderzoek Oosterscheldedijken", M 2036, maart 1985.

Daarbij is van die steenzettingen o.a. de leklengte bepaald. Daartoe werd op zekere diepte onder de (stilstaande) water-spiegel in een aantal punten op een horizontale rij water in het filter onder de toplaag geïnjecteerd. In een aantal punten boven en onder het injectieniveau werd de stijghoogte van het water in het filter gemeten. Deze stijghoogten werden vergele-ken met theoretische stijghoogtelijnen voor verschillende

waarden van de leklengte, zodat de passende leklengte bepaald kon worden. Blijkens het rapport traden daarbij enige merk-waardige zaken op:

* de metingen in het punt vlak onder de waterspiegel gaven grote verschillen met de analytische oplossing en zijn daarom buiten beschouwing gelaten;

* bij de basaltzetting was het niet mogelijk een leklengte te bepalen die de hoge waarde van de stijghoogte in een punt boven de injectiepunten (t.o.v. de stijghoogte in de injectiepunten) verklaarde .

In deze notitie wordt getracht een verklaring voor deze zaken te geven. De hoofdlijn van het betoog is als volgt: In het genoemde rapport worden de "analytische" stijghoogten bepaald uit de som van de oplossingen voor de stijghoogten van elk

Postaores postbus 5044. 2600 CA Oeift 1 Telefoon 015-699111 3ezoekacres var der Surghweg 1 Telefax 015-611361

Telex 38043

individueel injectiepunt. Als randvoorwaarde werd aangenomen dat de stijghoogte op de stilwaterlijn (oeverlijn) nul is. Deze randvoorwaarde wordt door het rapport zelf al discutabel gesteld en wordt gesteld dat dit gedaan is omdat er geen

andere randvoorwaarde bekend is.

De genoemde randvoorwaarde maakt de analytische oplossing mogelijk door ten opzichte van de oeverlijn pompputten te denken die symmetrisch ten opzichte van de injectiepunten liggen. Dit is natuurlijk geen juiste voorstelling van zaken. In deze notitie wordt dit aangetoond met behulp van een twee-dimensionale benadering. Het blijkt dat het in de tweedimensi-onale benadering wel mogelijk is uit te gaan van een andere, rationele randvoorwaarde. De boven beschreven theorie komt in de tweedimensionale benadering overeen met een lijninjectie en een symmetrische lijnpompput; in de verbeterde theorie wordt toegestaan dat er ook boven de waterspiegel nog stijghoogten gemeten kunnen worden, wat leidt tot hogere stijghoogten dan

in de "symmetrische" theorie.

Besloten wordt met een pleidooi voor verificatie.

II. SYMMETRISCHE METHODE.

In Figuur 1 is de tweedimensionale situatie geschematiseerd voor de symmetrische methode. Gespiegeld ten opzichte van de oeverlijn is een lijnvormige pompput gedacht op een even grote afstand tot de oeverlijn als de lijnvormige injectiebron. Als het pompdebiet even groot is als het injectiedebiet zal het verloop van de stijghoogte antimetrisch zijn ten opzichte van de oeverlijn, dus moet de stijghoogte in het filter ter plaat-se van de oeverlijn gelijk zijn aan de waterspiegel.

Leggen wij de x-as evenwijdig met het talud en nemen we het nulpunt in het injectiepunt dan geldt voor de stijghoogte:

62(p_<p-<P0 , . bx2 A2

Hierin zijn:

«p : de stijghoogte van het water in het filter <p0: de stijghoogte van het water op het talud

x: de as, evenwijdig met het talud. Het nulpunt wordt in het injectiepunt gelegd, de positieve x-richting is omhoog. A: de leklengte, waarvoor geldt:

A=

\

Voor x <= 0 is de oplossing

(3)

waarin :

tpx: de stijghoogte in het injectiepunt (x = 0)

Voor x >= 0 is de oplossing:

A _£> A

e' A -1

(4)

waarin Li : de afstand tussen oeverlijn en injectiepunt, gemeten langs het talud.

Door teller en noemer te vermenigvuldigen met e~L1/A is voor

deze uitdrukking te schrijven:

( 5 )

waarin

sh(x) ={ex-e-x)/2 (6)

en sh staat voor "sinushyperbolicus11.

Deze oplossingen ((3) en (4)) zijn slechts afhankelijk van L±

en niet van de helling a van het talud.

De grafieken voor beide oplossingen (voor posities beneden of boven het injectiepunt) voor verschillende waarden van A/Lj zijn getekend in Figuur 2. We zien dat voor kleine waarden van

A/L± (<0,5) de grafieken nog min of meer symmetrisch zijn. Voor

grote waarden van A/Li (>1) nadert de linkertak steeds meer naar een horizontale lijn, terwijl de rechtertak steeds meer

naar de verbindingslijn tussen <p± en O nadert. Het is

natuur-lijk te verwachten dat in de werkenatuur-lijkheid de rechtertak ook naar een horizontale lijn nadert voor grote leklengte, daarom is de oplossingsmethode met de symmetrische pompputten voor grote leklengten niet nauwkeurig.

III. DIRECTE METHODE.

In Figuur 3 is de tweedimensionale situatie geschematiseerd voor de directe methode. Hierbij wordt verondersteld dat er wel degelijk een stijghoogte mag heersen in het filter boven

de waterspiegel en wel tot een lengte Loa uit de oever.

Voor de stijghoogte in punten onder het injectiepunt geldt dezelfde oplossing (formule 3) als bij de symmetrische methode

(voor het nulpunt van x wordt weer het injectiepunt gekozen). Voor de stijghoogte in punten boven het injectiepunt moet onderscheid gemaakt worden in de gebieden onder en boven de oeverlijn. Voor het gebied onder de oeverlijn geldt voor de belasting aan de bovenkant van de toplaag:

«Po = 0

en als oplossing voor de stijghoogte:

X

(f>=AeA+Be A ( 7 )

Voor het gebied boven de oeverlijn wordt aangenomen dat het water in de voegen tussen de stenen van de toplaag precies gelijk staat met de bovenkant van de toplaag, zodat:

<p0 = (x - Ljsina

De oplossing voor de stijghoogte in dit gebied is dan:

<p= {x-Lj) sincc+Ce A+De A (8)

Als onbekenden hebben we nu A t/m D en de lengte Loe.

Om deze onbekenden op te lossen nemen we aan dat in het punt

van maximale doordringing van water in het filter (Loe) de

X = Li + Lo e

geldt:

ip(8) = Loesina (9)

en :

-=0 (10)

De ten opzichte van het "Schelderapport" andere randvoorwaarde is dus dat er in het filter boven de stilwaterlijn of oever-lijn ook water is tot een zekere afstand Loe en dat op die

afstand de snelheid van het water in het filter nul is. Dit laatste volgt uit de formule voor de beweging van het freati-sche vlak en het feit dat we te maken hebben met een permanen-tie.

Op de oeverlijn gelden de aansluitvoorwaarden, dwz. dat zowel de stijghoogten als de hellingen van de stijghoogten ( evenre-dig met de snelheden in het filter) volgens de oplossingen van beide gebieden (formules 7 en 8) gelijk zijn, dus voor

x = LL gelden: <p(7) = <p(8) (11) en : 6(p(7) _ 6<p(8) . s 'N öx öx

Met de voorwaarden 9 t/m 12 kunnen de onbekenden A t/m D

opgelost worden, die dan allen nog een functie van <pA zijn. Met

behulp van vergelijking 7 en de randvoorwaarde dat in x = 0

<P = <Pi

volgt tenslotte (voor de volledige afleiding wordt verwezen naar appendix 1 ) :

sh( L\L°e)= . V +sA(-^> (13)

A A s m a A

Met behulp van deze vergelijking is L,,. op te lossen. Figuur 4 toont enkele stijghoogtelijnen bepaald met deze methode.

IV. OPLOSSING VAN Loe.

In Figuur 5 is aangegeven hoe Loe/A eventueel grafisch bepaald

zou kunnen worden. Tevens wordt hiermee de numerieke oplos-singsmethode duidelijk.

Bepaal eerst Li/A. Bepaal dan (berekening of aflezing van grafiek) de waarde van sh(Li/A). Tel daarbij op of zet daarop

uit de waarde van (pi/Asina. De waarde van sh[(Li + Loe)/A] is

dan bekend. Dus kan de waarde van [(Lt + Lo.J/A] berekend (door

numerieke te benadering) of afgelezen worden. Door hiervan de

waarde van Lt/A af te trekken ontstaat de waarde van Loe/A.

Met behulp van figuur 5 is direct te zien dat voor A -> « geldt:

Asinoc A

Ofwel

<Pi = Loesina

Voor grote leklengte is de freatische lijn in het filter dus gelijk aan de stijghoogte in het injectiepunt.

In de figuren 6 A,B en C zijn grafieken voor dimensieloos

gemaakte Loe getekend als functie van twee andere dimensiloze

grootheden. In elke figuur is telkens een andere lengtemaat als "maatstaf" gekozen.

In figuur 6 A zijn dezelfde dimensieloze variabelen gekozen als in vergelijking (13). De lengtemaat is de leklengte A.

Duidelijk is te zien dat LOB toeneemt als <pA toeneemt en

af-neemt als Li toeaf-neemt.

In figuur 6 B is de stijghoogte <px als maatstaf voor het

dimensieloos maken gekozen. Nu is met name de invloed van de

leklengte goed te zien: bij grote leklengte wordt Loesina = <Pi.

In figuur 6 C is de afstand L± als maatstaf gekozen. Dit komt

van pas bij de berekening van het stijghoogteverloop, omdat daarvoor de plaats langs het talud wordt uitgedrukt ten op-zichte van Li (zie de figuren 2 en 4 ) . Voor deze berekening is

het handig de waarde van Loa/Li snel te kennen. Ook deze figuur

laat de invloed van de leklengte zien. Omdat voor grote

lek-lengte geldt Loesina = <Pi vinden we na deling door L±sina :

V. HET STIJGHOOGTEVERLOOP VOLGENS DE DIRECTE METHODE.

Substitutie van de oplossingen voor A en B in vergelijking (7), de oplossing voor het gebied tussen injectie- en oever-lijn, leidt na enig uitwerken (zie appendix 2) tot:

(14) Asina

In tegenstelling tot de symmetrische methode blijkt dat het verloop van de stijghoogte in het filter boven het injectie-punt niet alleen afhangt van de factor A/LA, maar ook van de

waarde van <Pi/Asina, ofwel van de waarde van ^/L^incn (zie appendix 2 ) .

In Figuur 4 zijn twee series verhanglijnen uitgezet voor vier waarden van A/Lx met als waarden voor <Pi/Ltsina resp. 10 en

0,10. Het blijkt dat bij grote waarden van A/Li (>0,5) de

stijghoogten in het filter boven het injectiepunt een horizon-taal verloop krijgen.

Duidelijk is ook te zien, dat bij kleine waarden van «pi/LiSina de stijghoogten een flauwer verloop hebben dan bij grote

waarden van <Pi/LiSina. Dit is te "begrijpen" met behulp van figuur 7. Daarin is voor ongeveer dezelfde waarden van

(Pi/LjSina als in figuur 4 (+/- 0,1 en +/- 10) het stijghoogte-verloop geschetst. (De stijghoogten zijn nu op gewone lineaire schaal uitgezet, ofwel op dezelfde schaal als Lx. Ook nu kunnen

ze dimensieloos uitgezet worden, zie laatste formule van appendix 2.) De waarde van A/Li is ongeveer 2. Bij de grote waarde van «Pi speelt een ten opzichte van het onderwatergedeel-te Li relatief veel groonderwatergedeel-ter deel van het talud boven waonderwatergedeel-ter (Loe)

een rol dan bij de kleine waarde van <Pi. Daardoor zijn beide verlopen niet proportioneel.

Uit de figuren 4 en 7 blijkt dus dat bij grote leklengte en kleine stijghoogte bij het injectiepunt het verloop van de stijghoogte veel flauwer is dan volgens de oplossing met de symmetrische putten.

VI. CONCLUSIES T.A.V. DE METINGEN.

In het genoemde rapport M 2036 worden voor de proef met ba-saltbekleding een tabel (A5, bijgevoegd) en een figuur (A6, eveneens bijgevoegd) gegeven (althans in de tekst over de metingen aan de basaltbekleding wordt naar deze figuur

verwe-zen, hoewel in de tekst bij deze figuur genoemd wordt pomp-proef Hl.l , met de H van Haringman). De tabel geeft stijg-hoogten in verschillende punten bij verschillende proeven. Bijna alle drukopnemers in het filter geven een waarde nul, slechts in twee punten wordt een stijghoogteverschil van

enkele mm. gemeten. In figuur A6 wordt als maximum stijghoog-teverschil echter 0,12 m. aangegeven. Dit klopt niet met de tabel. Dus ofwel de tabel, ofwel de figuur geeft onjuiste informatie. Afgezien van deze vraagtekens blijkt ook dat de variatie van de stijghoogten ter plaatse van de vier injectie-punten erg groot is. Er is dus nauwelijks sprake van een

uniforme constructie.

Niettemin is de essentie van figuur A6 dat de meting in punt 11 niet klopt met de theorie van de symmetrische putten en bronnen.

Met behulp van de directe theorie blijkt het mogelijk wel een (kwalitatieve) verklaring te geven voor de geconstateerde verschijnselen:

* Voor punten nabij de oeverlijn worden met de directe maethode altijd hogere stijghoogten berekend dan volgens de "symmetrische" theorie;

* Indien het filter beneden het injectiepunt zo doorlatend is, dat er geen stijghoogte gemeten wordt is de

stijg-hoogte <p± in het injectiepunt klein. Dit kan ook nog

veroorzaakt zijn door lekkage tussen de aansluiting van de basaltblokken met de gaten voor de slangen en het filter. De waarde van ip^/L^sina is dus waarschijnlijk klein. Als de leklengte boven het injectiepunt dan gelijk

is aan of groter is dan LA kan daar een stijghoogte

geme-ten worden van dezelfde grootte als in het injectiepunt, zoals figuur A6 laat zien.

Om deze theorie te bewijzen zou in de Deltagoot na afronding van de reststerkteproeven een meting met basalt op een grind-laag moeten worden uitgevoerd. Nu echter moet de injectie beter geregeld worden (via grote horizontale geperforeerde buizen in het filter, zodat een gelijkmatige stijghoogteverde-ling bij het injectiepunt verkregen wordt). Ook moet nog eens gekeken worden naar bovengenoemde verschillen tussen tabel en figuur.

Als deze "directe" theorie en methode kloppen zouden we een eenvoudige methode hebben om de leklengte van steenzettings-constructies in het veld (de natuur) te meten. Ook daar hoeven we dan slechts een lange geperforeerde buis in de filterlaag aan te brengen (bijvoorbeeld tijdens e b ) . Met een pomp kunnen

we water in het filter brengen zodat een constante tp± verkregen

wordt. Met waterspanningsmeters wordt de stijghoogte in een groot aantal punten gemeten. De methode is ook geschikt als het injectiepunt boven de oeverlijn ligt (bij e b ) . Daarvoor is het niet nodig de differentiaalvergelijking voor deze situatie op te lossen. De waarde van de leklengte kan immers ook recht-streeks bepaald worden uit de differentievergelijking, welke opgesteld kan worden als de stijghoogte in drie dicht bij elkaar gelegen punten bekend is.

APPENDIX 1

Oplossing van de onbekenden A t/m D en Loe.

Substitutie van uitdrukking (8) in de vergelijkingen (9) en

(10) levert voor x = Loe + Li : Ce A M D e A = 0 en '-1*1-0. C e A - D e A = Asino waaruit volgt: = - —Asina e A l —oe en D = + —Asina e A

Substitutie van uitdrukkingen (7) en (8) in vergelijkingen

(11) en (12) geeft met x = LA : A e en — i _ -i *.__i •* A + S e " A " = C e A + D e A A - B e A= Asina + C e A -D e A

Met de boven gevonden uitdrukkingen voor C en D volgt :

A = +—Asina (e A - e A )

2

en

,

B = -—Asina (e A - e A )

Tenslotte volgt uit vergelijking (7) dat in het injectiepunt (x = 0) geldt: (Pi = A + B Substitie v a n A en B l e v e r t : cp_; =-| A s i n a [(e A - e A ) - ( e A - e A ) ] C.1 ofwel: L± + L <p,- L± sh x . o e = . . — + sh - ^ A A s i n a A D i t i s v e r g e l i j k i n g ( 1 3 ) . 10

APPENDIX 2

Stijghoogteverloop tussen injectiepunt en oeverlijn.

Voor dit gebied geldt:

(f>=AeA-Be

X "X.

Substitutie van de in appendix 1 gevonden waarden voor A en B levert:

-Ju __£i£o« + x +_£i + _£il£ss

<p = — A s i n a [ ( e A - e A ) . e "* - ( e A - e A ) .

Nader uitgewerkt wordt dit:

A]

*Julf

cp = Asina [SÈ i L4 *—L - ( e A. "

Delen we beide leden door <Pi dan volgt:

cp _ A^ A Asina

Hiervoor is te schrijven:

JE. = (A

Met behulp van deze formule zijn de stijghoogtelijnen van figuur 4 berekend.

Als de stijghoogte in Lt worden uitgedrukt is daarvoor te

bladnummer: 9

-ons kenmerk: CO-341960/19

datum : november 1993

4. VOOR- EN NADELEN

In dit hoofdstuk worden de voor- en nadelen van de infiltratiemeting, of

pomp-proef, op een rijtje gezet. Tevens wordt de methode vergeleken met twee andere

methoden om de leklengte en lektijd van een zetting te bepalen. Dit zijn de

natuurmeting, ook wel meting van het gedrag van een taludbekleding onder

stormomstandigheden genoemd, en de meting van getij en freatische lijn. Voor

meer informatie over deze meetmethoden wordt verwezen naar de betreffende

verslagen uit deze serie over veldmetingen.

Bij de infiltratiemeting wordt, in vergelijking met de twee andere metingen,

gebruik gemaakt van relatief veel meters, apparatuur en hulpstukken. Het

benodigde aantal waterspanningsmeters kan in principe beperkt blijven, maar het

verdient aanbeveling om hier niet te zuinig mee te zijn. De beste meting wordt

verkregen als zowel boven als onder het infiltratiepunt de stijghoogte in het filter

kan worden bepaald. Daarnaast is het aan te bevelen ook in ten minste 1 raai

naast het infiltratiepunt de waterspanningen te meten, zodat ook een beeld bestaat

van de twee-dimensionale stroming in de filterlaag. Om de waterspanningsmeters

in de filterlaag te kunnen aanbrengen worden gaten in de toplaag geboord met

een kernboor. Dit vergt enige tijd. Het aanbrengen van veel gaten kan een nadeel

zijn als de methode wordt toegepast in de getijzone. Het toepassen van te weinig

meters in de filterlaag kan tot gevolg hebben dat de meting mislukt als één of

twee meters een afwijkend beeld geven ten opzichte van de andere meters.

Een tweede benodigdheid is één of meer infiltratiebakken. Deze bakken moeten in

veel gevallen speciaal op maat worden gemaakt. Hierbij moet er op worden gelet,

dat de bak zo precies mogelijk in het gat in het talud past, waterdicht is en

voldoende hoogte bezit. Verder is het nodig om water in de bakken te kunnen

pompen. Hiervoor zijn één of twee pompen met voldoende capaciteit nodig, en in

de meeste gevallen een aggregaat voor de stroomvoorziening. Om de meting te

registreren is een opslagmedium nodig. Hieraan wordt als bizondere eis gesteld,

dat ter plaatse afgelezen kan worden, aangezien met het inpompen van water

moet worden doorgegaan ten minste tot het punt waar een stationaire situatie is

ontstaan. Men moet dus weten of de stijghoogte in het filter gedurende de meting

verandert of niet.

De grootte van het benodigde inpompdebiet is afhankelijk van

constructie-eigenschappen zoals diktes en doorlatendheden van de toplaag en de filterlaag.

Met name de doorlatendheden zijn vooraf niet bekend. Dit maakt het lastig vooraf

uit te maken of voldoende debiet geleverd kan worden. Het is niet mogelijk

vooraf het debiet af te schatten zonder kennis over de doorlatendheden. Men kan

dus tijdens de proef voor verrassingen komen te staan.

Een belangrijk voordeel van de infiltratiemeting is, dat de methode geschikt is om

op ieder niveau van de zetting te worden toegepast. De meting van het gedrag

van een zetting onder stormomstandigheden en de meting van getij en freatische

lijn zijn alleen plausibel op de niveaus waar met enige regelmaat water komt. Dit

bladnummer: i

-ons kenmerk: CO-341960/19 datum : november 1993 INHOUD blz: 1. Samenvatting en conclusies 1 2. Meetmethode 4 3. Resultaten 6 4. Voor- en nadelen 8 Appendix A: Bepaling leklengte door injectie

Notitie N 570, Ir. B. P. Rigter

Appendix B: Numerieke simulatie van pompinjectieproeven in een steenzetting Rapport N 592, Ir. A. Bezuijen

Appendix C: Simulatie inpompproeven Deltagoot Rapport N 629, Ir. A. Bezuijen

Appendix D: Inpompproeven met wisselende stijghoogte Rapport A2.93.68, Ir. A. Bezuijen

bladnummer: 1

-ons kenmerk: CO-341960/19

datum : november 1993

1. SAMENVATTING EN CONCLUSIES

Reeds in een vroeg stadium van het onderzoek naar taludbekledingen van gezette

steen kwam het toepassen van een infiltratiemeting als middel om de

eigenschap-pen van een constructie te bepalen ter sprake. Zo zijn er rapporten verschenen,

waarin analytische formulering van het systeem wordt uitgewerkt (Sellmeijer), en

zijn in 1983 proeven gedaan in de Deltagoot. Het succes van de methode bleef

echter beperkt, omdat bij de proeven problemen optraden met weerstand in de

leidingen, terwijl de analytische uitwerking beperkt blijft omdat juist bij het

inpomppunt grote verhangen en turbulente stroming optreden. Dit betekende voor

de praktijk, dat een lange rij infiltratiepunten, gepaard met een groot

inpompde-biet, benodigd was om een semi één-dimensionaal beeld te verkrijgen.

In notitie N 570 van ir. B. P. Rigter (Appendix A) wordt de discussie opnieuw in

gang gezet. De nadere uitwerking van ir. A. Bezuijen (Appendix B) leerde dat een

analytische oplossing altijd beperkt zou blijven, maar dat het wel mogelijk was het

numerieke oplosschema van STEENZET te gebruiken om de stroming te

beschrij-ven. Door het toepassen van het eindige differentieschema van STEEN3D, een

programma dat wordt gebruikt om de invloed van scheve golfaanval te

bereke-nen, kan vervolgens worden volstaan met één of enkele inpomppunten, aangezien

hiermee ook een twee-dimensionaal stromingspatroon in de filterlaag kan worden

doorgerekend. Dit gaf voldoende hoop op een succesvolle toepassing in de

praktijk. Besloten werd om, als onderdeel van de Deltagootproeven op blokken op

een filterlaag in 1991, een proef te doen met infiltratie. Deze proef is uitgewerkt in

Appendix C. Het bleek mogelijk met de aangepaste versie van het programma

STEEN3D, welke de naam POMP3D kreeg, het stromingspatroon van de

inpomp-proef in de Deltagoot na te rekenen. Een correct stromingspatroon werd verkregen

bij een leklengte van 0,5 a 0,6 meter, hetgeen ongeveer even groot is als uit de

eigenschappen van de constructie vooraf berekend was: 0,45 a 0,51 meter. Er werd

ingepompt met een geschat debiet van 20 l/s per inpomppunt, hetgeen 25 % meer

was dan volgens berekeningen vooraf geschat was. De stijghoogte tijdens de proef

werd opgevoerd tot het maximum van 0,85 m (in plaats van 1,00 meter in de

berekeningen vooraf), waarna de bakken overliepen. Nabij de inpompunten werd

een iets grotere stijghoogte gemeten dan verwacht. Dit kan worden verklaard,

indien het effectieve inpompoppervlak groter is dan één blok. De term effectieve

inpompoppervlak wordt gebruikt om aan te duiden, dat door de grote verhangen

nabij het inpomppunt het filtermateriaal wellicht niet stabiel is geweest. Door

verplaatsing van filtermateriaal ontstaat dan plaatselijk een grotere

doorlatend-heid, hetgeen verdisconteerd kan worden door het inpompoppervlak groter te

kiezen. Een conclusie uit de analyse was dan ook dat in vervolgproeven de nodige

aandacht aan de stabiliteit van het filtermateriaal besteed zou moeten worden.

Nadat de meting in de Deltagoot was uitgewerkt kwam het idee naar voren dat

uit de meting ook de lektijd af te leiden zou zijn. Het verloop van de stijghoogte

in de tijd, nadat het inpompen van water is beëindigd, geeft aan hoe snel de

con-structie leegstroomt. Dit is een maat voor de doorlatendheden van de toplaag en

de filterlaag. Gecombineerd met de leklengte kunnen nu de individuele

doorlabladnummer: 2

-ons kenmerk: CO-341960/19

datum : november 1993

tendheden van toplaag en filterlaag afgeleid worden. Hieruit volgt indirect de

lektijd. De lektijd geeft aan of de freatische lijn in de filterlaag snel kan reageren

op een verlaging of verhoging van de buitenwaterstand. Inmiddels is van het

PC-programma POMP3D ook een versie gemaakt waarmee ook de doorlatendheden,

en daarmee de lektijd bepaald kan worden uit de metingen. Dit is beschreven in

Appendix D. Het resulterende computerprogramma werd POMP3DT genoemd,

waarin de letter T staat voor 'tijdsafhankelijk'. Narekenen van de proef in de

Deltagoot geeft aan dat de methode, in ieder geval onder modelomstandighden,

succesvol kan worden toegepast.

De infiltratiemeting is tot op heden op één locatie 'in het veld' toegepast. Dit is in

juli 1992 geweest. De locatie was de Lauwersmeerdam. De uitwerking van de

meting is gegeven in Appendix D.

De meting te Lauwersoog laat duidelijk zien, dat het eenvoudiger is een

'gesche-matiseerde' situatie, zoals in de Deltagoot het geval was, na te rekenen als een

praktijkgeval. In de praktijk spelen zaken als inzanding, doorlatendheden die

kunnen variëren over de hoogte, en ruimtelijke eigenschappen van de zetting een

rol. Toch kan worden geconstateerd dat de meting succesvol is geweest, en dat de

berekening van leklengte en lektijd met POMP3D resultaten heeft opgeleverd die

aan de verwachting voldoen.

Ten aanzien van het aspect 'veldmetingen' is de in dit verslag geboden visie enkel

gebaseerd op de ervaringen te Lauwersoog. In model is de methode beproefd in

de Deltagoot.

Met dit gegeven als achtergrond kunnen de volgende conclusies worden

geformu-leerd ten aanzien van de infiltratiemeting:

de meetmethode van de infiltratiemeting is voor vermoedelijk de meeste

zettingen in Nederland toepasbaar. Een beperkende factor kan het

inpomp-debiet zijn dat benodigd is om voldoende stijghoogteverschil in de filterlaag

te genereren. Bij grote filterdikte, grote filterdoorlatendheid, kleine

toplaag-doorlatendheid en grote filterdikte neemt dit inpompdebiet toe.

met het PC-programma POMP3D kan uit de resultaten van de meting een

leklengte worden berekend. Met de tijdsafhankelijke versie POMP3DT

kunnen ook de individuele doorlatendheden van toplaag en filterlaag

worden berekend. Indirect is dan ook de lektijd bekend. Uit de resultaten

tot dusver, gebaseerd op een beperkt aantal toepassingen, lijkt de

rekenme-thode succesvol, hoewel direct hieraan gekoppeld de waarschuwing moet

worden gekoppeld, dat de resultaten beperkte waarde hebben als de

schematisering anders is dan de realiteit. Zo is in het geval van de meting

bij de Lauwersmeerdam onbekend hoeveel water uit de uitvullaag naar de

filterlaag stroomt. De gevonden leklengte kan hierdoor korter zijn dan in

werkelijkheid het geval is. Het is niet met zekerheid te zeggen, dat de

berekende leklengte en doorlatendheden representatief zijn voor het gedrag

van de zetting onder golf aan val of bij wisselende waterstand. De realiteit zit

in deze gevallen complexer in elkaar dan de modellering.

bladnummer: 3

-ons kenmerk: CO-341960/19

datum : november 1993

de meting moet zorgvuldig worden uitgevoerd. Het uitwerken van de

meting vereist de nodige kennis van zaken. Van de drie in de serie over

veldmetingen gepresenteerde meetmethodes ter bepaling van leklengte en

lektijd (te weten de infiltratiemeting, de meting van het gedrag van

con-structies onder stormomstandigheden en de meting van getij en freatische

lijn) hangt de infiltratiemeting voor wat betreft de belastingssituatie het

minst direct samen met de praktijk. Bovendien maakt de uitwerking van de

meting gebruik van het relatief meest geavanceerde computerprogramma

(STEEN3D versus STEENZET/1+ en de STEENZET getij-versie). Dit maakt

het begrip van wat zich afspeelt wellicht moeilijk. Toch wordt gesteld, dat

voor toepassing in de praktijk de infiltratiemeting voor bepaalde situaties

goede mogelijkheden biedt. Dit betreft met name die gevallen waarin men

geïnteresseerd is in de eigenschappen van een zetting boven de stilwaterlijn.

Het programma STEEN3D rekent niet met doorlatendheden die variëren

over de hoogte. Dit kan beperkingen geven in situaties waarbij de meting

wordt toegepast nabij de getijzone, en de zetting sterk is ingezand onder de

gemiddelde hoogwaterlijn, en daarboven niet. Dit kan in het rekenschema

worden aangepast. Verdere moeilijkheden in de analyse kunnen ontstaan

als de doorlatendheid van teen en/of basismateriaal een rol spelen in het

totale stromingspatroon. Men moet steeds bedenken, dat de stationaire

situatie een evenwicht is tussen de hoeveelheid water die wordt

geïnfil-treerd en de hoeveelheid water die uit het filter stroomt. Er kan water door

de toplaag stromen, zoals in het model is aangenomen, maar ook via de

teen of de basis. Deze doorlatendheden moeten onderling worden

vergele-ken om een indruk te krijgen van het relatieve belang van de bijdragen aan

het totale evenwicht.

Als groot voordeel van de infiltratiemeting kan worden aangemerkt, dat de

methode geschikt is om te worden toegepast op ieder niveau van de

zetting. De meting van het gedrag van een zetting onder

stormomstandig-heden en de meting van getij en freatische lijn kunnen alleen worden

toegepast in de zone waar regelmatig water op de zetting staat. Dit is

beperkend in die zin, dat met name het niveau boven de lijn van gemiddeld

hoogwater inclusief de zone rond het niveau van de maatgevende storm

bepalend kan zijn voor de stabiliteit van een dijklichaam. De

infiltratieme-ting kan ook worden uitgevoerd als de waterstand zich op de zetinfiltratieme-ting

bevindt; de invloed hiervan wordt eenvoudig in de

belastingsrandvoor-waarde verwerkt.

Indien mogelijk moet bij het uitvoeren van de meting het inpompdebiet

worden gemeten. Dit maakt een betere schatting van de doorlatendheden

mogelijk. In feite is dit een extra grootheid om te zien of de berekeningen

overeenkomen met de metingen.

bladnummer: 10

-ons kenmerk: CO-341960/19

datum : november 1993

beperkt deze methoden tot de niveaus onder de lijn van gemiddeld hoogwater of

daar enigzins boven. De infiltratiemeting kan ook worden toegepast hoog op de

zetting, hetgeen met name een voordeel is als de zetting is doorgezet tot het

niveau van de waterlijn bij maatgevende storm, en de verwachting is (op basis

van een geschatte lektijd) dat de freatische lijn eveneens een hoog niveau kan

bereiken.

Een nadeel, hoewel dit niet al te zwaar hoeft te wegen, is dat het

stromingspa-troon relatief ingewikkeld is, en daarom niet met eenvoudige analytische

metho-den is te benaderen. De analyse van de resultaten van de meting kan, net als de

analyse bij de natuurmeting en de meting van getijde en freatische lijn, worden

uitgevoerd met daartoe ontwikkelde programmatuur. De analyse is daarom in

principe niet moeilijker, of makkelijker, dan de analyse van de andere

meetmetho-den. Wellicht is de invloed van ruimtelijke variatie in de eigenschappen van de

zetting bij de infiltratiemeting aanwezig. Bij de andere methoden is dit niet zo.

Hierover bestaat nog weinig inzicht.

Belangrijk is dat nagegaan kan worden in hoeverre de methode correcte resultaten

oplevert als er sprake is van een uitvullaag op een filterlaag of van relatief

doorlatend basismateriaal. In deze gevallen kan een stromingspatroon loodrecht

op de zetting ontstaan dat van invloed is op de stijghoogte direct onder de

toplaag. In de PC-programma's is aangenomen, dat in de filterlaag alleen stroming

evenwijdig aan de toplaag plaatsvindt. Deze aanname is niet altijd juist. Het sterke

punt van de beide andere methoden is dat deze meten aan reëele

belastingssi-tuaties. Zo kan uit de natuurmeting direct de reactie in de filterlaag worden

bepaald onder invloed van golfbelasting. De leklengte die hieruit wordt afgeleid is

dan ook een correcte maat voor het gedrag van de constructie onder golfbelasting.

De meting van getij en freatische lijn is een directe meting van de invloed van een

wisselende buitenwaterstand op de ligging van de freatische lijn in de filterlaag.

De lektijd die hieruit wordt afgeleid, is dan ook een goede maat voor het

ver-schijnsel dat met deze parameter wordt beschreven.

In deze zin is de infiltratiemeting een indirecte meting. De belasting wordt

kunstmatig opgelegd. De gemeten reactie kan worden beschreven als functie van

leklengte, doorlatendheden en, daaruit afgeleid, lektijd. De mogelijkheid bestaat,

als de constructieopbouw daartoe aanleiding geeft, dat de reactie op een

golfbelas-ting of op een wisselende buitenwaterstand anders is. Dit geldt met name als er

tussen uitvullaag en filterlaag, of tussen filterlaag en basismateriaal een niet te

verwaarlozen uitwisseling van water plaatsvindt. De doorlatendheid van het

basismateriaal moet om een indruk van het belang van deze invloed worden

vergeleken met de toplaagdoorlatendheid.

bladnummer: 4

-ons kenmerk: CO-341960/19

datum : november 1993

2. MEETMETHODE

De opzet van de proef is tamelijk eenvoudig. Uit de toplaag worden één of enkele

blokken verwijderd. Vervolgens wordt een bak van bijvoorbeeld één meter hoogte,

die precies in de ontstane opening past, in het gat op de filterlaag geplaatst. De

randen tussen de bak en de opening worden afgedicht met PUR-schuim. Onderin

de bak, op de filterlaag, worden één of twee drukopnemers geplaatst, zodat

gedurende de proef de druk in het inpomppunt bekend is.

In de filterlaag worden op diverse hoogtes en liefst ook op diverse breedtes

waterspanningsmeters in de filterlaag aangebracht. In de Deltagoot was dit

eenvoudig: de meters waren al aanwezig voor andere proeven. In de praktijk

wordt meestal met een kernboor gaten in de blokken van de toplaag geboord,

waardoor vervolgens de waterspanningsmeters in de filterlaag kunnen worden

aangebracht. De openingen worden waterdicht afgewerkt, waarvoor bijvoorbeeld

PUR-schuim kan worden toegepast. Hiermee is de feitelijke installatie compleet.

Het is ook mogelijk te werken met enkele inpomppunten, met andere woorden om

meerdere bakken te plaatsen. Dit heeft als nadeel, dat de installatie uitgebreider

wordt, en dat het aantal benodigde waterspanningsmeters in de filterlaag groter

kan worden. Het voordeel is dat een beter gemiddeld resultaat wordt verkregen.

De eigenlijke infiltratieproef bestaat uit drie delen. In eerste instantie worden de

infiltratiebakken gevuld met water. Hiertoe wordt water, indien mogelijk

afkom-stig van het water direct voor het talud, in de bakken gepompt. Hierbij vallen

enkele zaken op te merken. Ten eerste is er een zeker inpompdebiet benodigd om

niet alleen de bakken te vullen met water, doch ook de filterlaag dusdanig te

vullen met water dat een drukopbouw in het filter ontstaat. Dit benodigde

inpompdebiet kan vrij fors zijn, bijvoorbeeld 100 liter per seconde. De grootte van

het inpompdebiet is afhankelijk van de constructie-eigenschappen.

Een tweede opmerking is, dat het systeem beter werkt naarmate de stijghoogte in

de inpomppunten groter is, aangezien dan ook de stijghoogte in het filter groot is.

Daardoor zijn kleine afwijkingen in de gemeten stijghoogte minder belangrijk, en

is de uitkomst van de berekeningen nauwkeuriger. Aan de maximaal toe te passen

hoogte van het water in de infiltratiebak zijn echter grenzen. Bij een grote druk in

het inpomppunt ontstaat in het filter rond de bak turbulente stroming, en kan er

migratie van filtermateriaal ontstaan dat de situatie verstoord. Een tweede

beperking is, dat bij een grote stijghoogte in de filterlaag een opwaartse druk

onder de blokken ontstaat. In extreme gevallen kunnen de blokken hierdoor in

beweging komen. In het algemeen zal worden volstaan met een hoogte van het

water in de infiltratiebak van 1 meter.

Het tweede stadium van de proef begint als een stationaire situatie is ontstaan. Dit

is als de hoeveelheid water die via de bakken wordt geïnfiltreerd en de

hoeveel-heid water die via filter en toplaag uit de constructie stroomt in evenwicht zijn. De

stijghoogte in de infiltratiebak en in het filter in dit stadium worden tijdens de

analyse gebruikt om de leklengte te bepalen. Dit stadium wordt bereikt als het

inpompdebiet maximaal is, of als het water in de infiltratiebak over begint te

bladnummer: 5

-ons kenmerk: CO-341960/19

datum : november 1993

storten. Na enige tijd wordt een evenwicht bereikt. Dit evenwicht wordt enige tijd

gehandhaafd. Vervolgens begint het derde gedeelte van de proef, hetgeen in feite

samenvalt met het beëindingen van de proef. Uit het verloop van de stijghoogte in

de tijd, als gestopt is met het inpompen van water, kan de lektijd worden afgeleid.

De lektijd is een grootheid die aangeeft of de freatische lijn in de filterlaag een

wisseling in buitenwaterstand direct kan volgen, of dat er een amplitudeverschil

en een faseverschil tussen binnen- en buitenwaterstand zal ontstaan.

Uit de resultaten van de tweede fase van de infiltratieproef kan de leklengte

worden afgeleid. In feite wordt het verloop van de stijghoogte in de ruimte,

onafhankelijk van de tijd, beschreven als functie van de leklengte, waarbij de

stijghoogte in het infiltratiepunt dient als randvoorwaarde voor de belasting. Met

behulp van de leklengte kan dan het gedrag van de constructie onder golfaanval

worden voorspeld. Als de stijghoogte over grote afstand van het infiltratiepunt

nog steeds groot is, dan is de leklengte eveneens groot. Een kleine leklengte uit

zich in het snel afnemen van de druk onder de toplaag.

De resultaten van de derde fase, het aflopen van de druk in ruimte en tijd,

worden gebruikt om de lektijd te berekenen. Als de stijghoogte vanaf het moment

dat er geen water meer wordt ingepompt snel afneemt, is de waarde voor de

lektijd klein. De freatische lijn in de filterlaag is dan in staat zich snel aan te

passen aan een wisseling van de buitenwaterstand.

bladnummer: 6

-ons kenmerk: CO-341960/19

datum : november 1993

3. RESULTATEN

Alvorens de infiltratiemeting, of inpompproef, is uitgevoerd, is eerst de

haalbaar-heid van de methode onderzocht (zie Appendix B). Hiervoor werd het op het

STEENZET-programma STEEN3D, dat rekent met scheve golfaanval, aangepast. In

plaats van golfaanval wordt een horizontale stilwaterlijn aangenomen, terwijl de

belasting geconcentreerd wordt in één of meerdere inpomppunten. Dit aangepaste

programma kreeg de naam POMP3D. Vervolgens werden een drietal gevallen

doorgerekend, waarbij de eigenschappen dusdanig werden gekozen dat redelijk

representatieve gevallen ontstonden voor de Nederlandse situatie. Uit de studie

bleek een inpompdebiet van circa 120 l/s bij drie inpomppunten (40 l/s per

inpomppunt) voldoende te zijn om de meting op de meeste in Nederland

voorko-mende zettingen uit te kunnen voeren.

Als tweede stap in de ontwikkeling van de meetmethode zijn enkele

inpompproe-ven uitgevoerd in de Deltagoot, op een zetting op een filterlaag. De opzet was

hierbij, dat door de proef uit te voeren in een modelsituatie, waarbij tevens de

mogelijkheid bestond de leklengte te bepalen via andere methoden, een goede

controle van de betrouwbaarheid van de methode mogelijk was. Op basis van de

gegeven filterdikte, toplaagdikte, spleetbreedte tussen de blokken en de

korrelver-deling van het filtermateriaal werd de leklengte van de constructie geschat op 0,45

a 0,51 m. De simulatie van de proefresultaten leverde een leklengte op tussen 0,5

en 0,6 meter.

Tussen de verschillende proeven bleek verschil in het gedrag van de constructie

op te treden. Bij de opeenvolgende proeven bleek de stijghoogte nabij de

inpomp-punten steeds iets hoger te zijn dan bij de eerste proef. De leklengte leek tijdens

het verloop van de proeven toe te nemen. Als verklaring hiervoor wordt de

turbulente stroming rond de infiltratiepunten en de hiermee samenhangende grote

verhangen gezien, waardoor enige verplaatsing van het korrelmateriaal rond het

inpomppunt mogelijk is. Hierdoor neemt de filterdoorlatendheid rond het

inpomppunt plaatselijk iets toe. De proef waarbij de resultaten van de simulatie

het beste met de proefresultaten overeenstemde was dan ook de eerste proef. Het

inpompdebiet, dat tijdens de proeven in de Deltagoot is gebruikt, bedroeg circa 20

l/s per inpomppunt. Dit is groter dan bij de berekeningen. De bakken liepen dan

ook over. Het stijghooogteverschil van 1 meter in de berekeningen werd in de

Deltagoot 0,85 meter, omdat de bak niet hoger was. Door aan te nemen dat het

oppervlak waarover water naar binnen stroomt door de toegenomen

doorlatend-heid van het filter rond het inpomppunt effectief groter is dan alleen de

opper-vlakte van de infiltratiebak kan dit worden verklaard.

Pas in een later stadium werd ook getracht uit het aflopen van de stijghoogte in

de tijd, nadat het inpompen van water was stilgezet, de individuele

doorlatendhe-den af te leidoorlatendhe-den. Hieruit kan vervolgens ook de lektijd wordoorlatendhe-den berekend. Bij de

omrekening van doorlatendheden naar lektijd dient rekening gehouden te worden

met de doorlatendheid van de teenconstructie en de beperkte lengte van de

zetting. Bij het uitwerken van de meting bleek de porositeit een belangrijke

parameter. Omdat in dit uitzonderlijke geval vooraf al een goede schatting van de

bladnummer: 7

-ons kenmerk: CO-341960/19

datum : november 1993

te verwachten doorlatendheden was is de porositeit gevarieerd om de som

kloppend te krijgen. Hierbij speelt de verzadigingsgraad van het filter een

belangrijke rol. Stel dat bij het leeglopen niet alle poriën leegstromen, maar dat er

enkele procenten water achterblijven, dan is de effectieve poriënruimte die in de

berekeningen gebruikt moet worden minder. Dit heeft invloed op het

rekenresul-taat. Een andere nadelige invloed kan het feit zijn, dat onder het filter zand ligt.

De doorlatendheid van dit zand zal pakweg een factor 20 lager zijn dan de

doorlatendheid van de toplaag. Een deel van het water kan ook in de zandlaag

zijn weggezakt, en niet zoals in de berekeningen verondersteld alleen via de

toplaag kunnen verdwijnen. Indien het inpompdebiet kan worden gemeten geeft

dit een extra grootheid om de berekeningen aan te kunnen toetsen. Hiermee

kunnen ook dit soort effecten beter worden gekwantificeerd.

Na de proeven in de Deltagoot werd besloten proeven op een bestaande dijk uit te

voeren. Als locatie werd de Lauwersmeerdam uitgezocht, waar in juli 1992

infiltratieproeven en metingen van getij en freatische lijn werden uitgevoerd. De

metingen werden gecombineerd uitgevoerd, zodat wederzijdse controle op de

resultaten mogelijk zou zijn. Daarnaast zijn beide metingen goed te combineren,

aangezien voor beide methoden een aantal waterspanningsmeters in de filterllag

moeten worden aangebracht. Dit hoefde nu slechts één maal te worden gedaan.

Op vier raaien op enkele tientallen meters afstand van elkaar werden

inpompproe-ven gedaan. De infiltratiebakken werden op drie hoogtes op de zetting toegepast.

Afwisselend werden één of twee inpomppunten gebruikt. Verder werd ook

gemeten met een wisselende waterstand, terwijl uit de meting van getij en

freatische lijn al was gebleken, dat de freatische lijn in de filterlaag slechts beperkt

varieerde onder invloed van de wisselende buitenwaterstand bij getij. De filterlaag

bestaat in dit geval uit twee lagen: een laag (ingezand) grind van ongeveer 10 cm

dik en een laag mijnsteen van ongeveer een meter dikte. Bij de uitwerking van de

metingen bleek dit een complicerende factor. Uit de metingen kan direct worden

afgelezen, dat de drukopbouw bij het begin van de proef snel verloopt. Dit is

moeilijk te begrijpen. De infiltratiebak staat op een grindlaag die door inzanding

vrij ondoorlatend is. In deze grindlaag bevonden zich ook de

waterspanningsme-ters. Gemeten wordt de drukopbouw in de grindlaag. Dat er snel sprake is van

opbouw van druk kan alleen als de gehele filterlaag plus uitvullaag in die tijd

gevuld is met water. Dit is niet waarschijnlijk. Vermoedelijk is in de mijnsteenlaag

veel minder sprake van een opbouw van druk. Ten eerste is deze laag veel dikker,

zodat het opbouwen van druk veel langzamer verloopt, ten tweede wordt de

toevoer van water geremd door de relatief minder doorlatende grindlaag. Aan de

andere kant, als de mijnsteenlaag niet is gevuld met water zal het water uit de

grindlaag omlaag stromen naar de mijnsteenlaag, en kan er geen sprake zijn

drukopbouw in de grindlaag over een grote breedte. Dit is echter wel gemeten.

Uit deze beschouwing volgt een beeld, dat niet meer geheel voldoet aan de

modellering in POMP3D. De drukopbouw is niet meer gelijk over de gehele

filter-breedte, zodat sprake is van de invloed van twee-dimensionale stroming in de

filterlaag.

bladnummer: 8

-ons kenmerk: CO-341960/19

datum : november 1993

leklengtes op van 0,31 m, 0,58 m en 0,79 m. Deze leklengtes gelden voor de

situatie onder de inpomppunten. Boven de inpomppunten werd geen goede

overeenstemming met de metingen gevonden. Voor twee van de vijf proeven

werd geen bevredigend resultaat gevonden. In één geval was het meetresultaat

ofwel niet betrouwbaar, of was de situatie in het talud verstoord. In ieder geval

gaven de waterspanningen in de filterlaag geen realistisch beeld. In het andere

geval werd de meting kennelijk verstoord door afstroming van water vanuit de

grindlaag naar mijnsteenlaag. De resultaten geven aan, dat de filterlaag niet

helemaal verzadigd is geweest. Dit is een voorwaarde om met POMP3D te kunnen

rekenen. Dit heeft ook invloed op de gemeten stijghoogtes boven het inpomppunt.

Doordat er water verdwijnt vanuit de grindlaag richting basis is de gemeten

stijghoogte minder dan uit de berekeningen blijkt. In de berekeningen wordt

uitgegaan van een ondoorlatende basis. Als dit verschijnsel ook een rol speelt bij

de berekeningen waarbij een goede overeenstemming wordt gevonden tussen

meting en berekening, dan zijn de berekende leklengtes te klein: de gemeten

stijghoogte in de filterlaag is kleiner dan wanneer de basis ondoorlatend is. Het

afnemen van de stijghoogte over de hoogte verloopt dan sneller dan volgens de

leklengte-theorie.

Uit het aflopen van de druk bij het beëindigen van de proef zijn de individuele

doorlatendheden van de uitvullaag en de toplaag afgeleid. Voor de toplaag

worden doorlatendheden berekend van 210"

m/s è 7.110'

m/s. Dit is wat

groter dan de doorlatendheid die is gemeten met bakken op het talud. Deze

bedroeg circa 5-10"

m/s.

Voor de uitvullaag worden waarden tussen 6-10'

m/s en 310"

m/s gevonden.

Eerdere schattingen van de doorlatendheid van de uitvullaag waren beduidend

lager: 1-10"

m/s tot 5-10'

m/s.

Vermoedelijk is de doorlatendheid van zowel toplaag als uitvullaag, zoals deze uit

de inpompproef volgt, groter omdat er water uit de uitvullaag naar de filter

stroomt. Hierdoor neemt de doorlatendheid schijnbaar toe.

schrijven

r,

.

•

Met deze formule kunnen stijghoogtelijnen als in figuur 7

berekend worden. De invloed van <pj is dan enkel via Loe

werk-zaam.

: i i ; i i i ! :

ï i I : / l / l I /.

ri«ï

\

2.o,

I.T

i'

/

*

L

si,

A

' l < -T l-o

L:

- {'t

/ • • r

Lt- i-o • 1 •*, o ./ •T O T • o MuMr 6 M

14 -proef Bl.1 BI.2 B2.1 B2.2 AH 1,33 2,87 1,33 2,86 h. ._b,l 0,710 1,490 0,335 0,728 hb,2 0,510 1,100 0,547 1,157 hb,3 0,238 0,500 0,170 0,367 0,154 0,270 0,219 0,474 hb,5 0,690 1,500 0,900 over-loop drukopnemers 7 0,000 0,000 0,000 0,000 8 0,000 0,000 0,000 0,000 9 0,000 0,000 0,000 0,000 10 0,003 0,006 0,000 0,000 11 0,012 0,024 0,000 0,000

Tabel A.5: Meetresultaten van de proeven met basalt.

In vrijwel alle gevallen waren de gemeten drukken nul, alleen bij opnemers 10 en 11 werden grotere drukken gemeten. Het bleek onmogelijk om uit deze gemeten waarden een waarde van de leklengte te bepalen. Zoals uit figuur A.6 blijkt, bevinden de drukopnemers zich symmetrisch ten opzichte van de in-pomppunten. Men zou dan verwachten dat de gemeten drukken in punten 10 en 11 ongeveer gelijk zijn. Het blijkt echter, dat de druk in punt 11 ongeveer vier keer zo groot is als de druk in punt 10. Het blijkt dan onmogelijk om de meetpunten, met de met behulp van de computer behaalde curves, overeen te laten komen.

Helaas moet geconcludeerd worden, dat het voor basalt onmogelijk is de waar-de van waar-de leklengte te bepalen. Bij eventuele nieuwe metingen aan basalt verdient het aanbeveling de drukopnemers dichter bij elkaar te plaatsen. Met behulp van de dan gemeten drukken moet het ook voor basalt mogelijk zijn de leklengte bepalen.

Uit het feit dat de drukopnemers 7, 8 en 9 in geen enkel geval een meetbare druk gaven kan wel geconcludeerd worden dat bij de basalt de leklengte klei-ner is dan 0,3 m. Op grond van de overeenkomsten tussen de basaltglooiing en die van vilvoordse steen lijkt het redelijk te veronderstellen dat de

lek-lengte van de basaltglooiing in dezelfde orde van grootte ligt als die van de vilvoordse steen.

15 -A^m

jo.12

A

7/

fig. A6. Drukverdeling in talud bij pompproef H 1.1.

Oe gemeten drukken bij punten 10 en 11 passen op geen enkele manier bij een kromme.

APPENDIX B

Numerieke simulatie van pompinjectie-proeven in een steenzetting Notitie N 592, Ir. A. Bezuijen Rapport CO-332440/2, februari 1992

^Ê. Rapport nr.

4. Titel en sub-titel Infiltratiemeting Open taludbekleding Bundeling huidige kennis

2. Serie nr. A2.93.73

7. Schrijvers

ir. A. Bezuijen, ir. T.P. Stoutjesdijk 9. Naam en adres opdrachtnemer

GRONDMECHANICA DELFT Postbus 69

2600 AB DELFT

12. Naam en adres opdrachtgever RIJKSWATERSTAAT

^ Postbus 5044

W 2600 GA DELFT

1_.

3. Ontvanger catalogus nummer

5. Datum rapport november 1993

6. Code uitvoerende organisatie

8. Nr. rapport uitvoerende organisatie CO-341960/19 10. Projectnaam TAWA*Open bekledingen/Reststerkte 11. Contract nimmer DUW 667 13. Type rapport eindrapport

14. Code andere opdrachtgever

15. Opmerkingen

projectbegeleider DWW: ir. B. P. Rigter

16. Referaat

In het kader van het onderzoek aan open taludbekledingen zijn infiltratiemetingen verricht. Bij dit meetsysteem wordt een infiItratiebak op de filterlaag van een open taludbekleding gezet. Deze bak wordt volgepompt met water. De reactie in de filterlaag wordt gemeten en nagerekend. Op deze.wijze ontstaat een indruk van de eigenschappen van de bekleding. Dit rapport bundelt de tot dusver opgedane kennis en ervaring. Het meetsysteem wordt besproken, de belangrijkste resultaten worden samengevat, en de voor- en nadelen van de methode komen aan bod. In de

Appendices zijn de separate meetvers lagen en analyses van de metingen gegeven.

Dit verslag maakt deel uit van een serie rapporten over veldmetingen. Deze serie bestaat, behalve uit dit rapport, uit een bundeling van de kennis van natuurmetingen (gedrag taludbekleding bij storm), een bundeling van de kennis van metingen van getij en freatische lijn en uit een samenvattend verslag van de drie typen metingen.

17. Trefwoorden

Open taludbekleding, steenzetting, veldmeting, leklengte, lekti jd

19. Classificatie vrij toegankelijk

18. Distributiesysteem op aanvraag

20. Classificatie deze pagina vrij toegankelijk

Inhoud

1 Inleiding 4 2 Aanpassingen STEEN/3D 6 2.1 Overzicht 6 2.2 Randvoorwaarde bij inpomppunten 7 2.3 Insijpeling 7 2.4 Aanpassing freatische lijn 8 2.5 Filterdoorlatendheid 9 2.6 Nog bestaande onvolkomenheden 10 3 Vergelijking met analytische oplossing 12 4 Simulatie Pompproef in Deltagoot 21 5 Friese dijk bij Holwerd 26 6 Dijk bij Colijnsplaat 30 7 Conclusies 34

Figurenlijst

2.1 Differentieschema van STEEN/3D en P 0 M P / 3 D 9 2.2 Berekening van het verhang in STEEN/3D en P 0 M P / 3 D voor bepaling van de

doorlatendheid van de filterlaag 10 3.1 Het stijghoogteverschil rondom een inpompunt berekend met POMP/3D en

la-minaire stroming. Parameters zie bovenstaande tabel 14 3.2 Het stijghoogteverschil rondom een inpompunt berekend met POMP/3D en

tur-bulente stroming. Parameters zie bovenstaande tabellen 15 3.3 Het verloop van de doorlatendheid in de filterlaag (k) rondom een inpompunt

berekend met POMP/3D en turbulente stroming. Parameters zie bovenstaande tabelen 16 3.4 Het verloop van de doorlatendheid van de toplaag (k) rondom een inpompunt

berekend met POMP/3D en turbulente stroming. Parameters zie bovenstaande tabellen 17 3.5 Het stijghoogteverschil rondom een inpompunt berekend met POMP/3D en

tur-bulente stroming bij een droog talud. Parameters zie bovenstaande tabellen. . . . 19 3.6 Het verloop van de doorlatendheid in de filterlaag (k) rondom een inpompunt

berekend met POMP/3D en turbulente stroming bij een droog talud. Parameters zie bovenstaande tabellen 20 4.1 Bovenaanzicht zetting in de deltagoot, waarbij de pompproef wordt getest. . . . 22 4.2 Berekende stijghoogte verschillen voor een inpompproef op een steenzetting in de

Deltagoot met 2 inpomppunten. Parameters zie tabel 24 4.3 Berekende stijghoogte verschillen voor een inpompproef op een steenzetting in de

Deltagootbij met 2 inpomppunten, 12% kortere leklengte dan voorgaande figuur. Parameters zie tabel 25 5.1 Dwarsdoorsnede dijkvak bij Holwerd 28 5.2 Berekende stijghoogte verschillen voor een inpompproef op een steenzetting bij

Holwerd met 3 inpomppunten, korte leklengte. Parameters zie tabel Holwerd. . . 28 5.3 Berekende stijghoogte verschillen voor een inpompproef op een steenzetting bij

Holwerd met 3 inpomppunten, lange leklengte. Parameters zie tabel 29 6.1 Dwarsdoorsnede dijkvak bij Colijnsplaat 32 6.2 Berekende stijghoogte verschillen voor een inpompproef op een steenzetting bij

Tabellen

3.1 Invoergegevens en resulterend pompdebiet voor vergelijking van een analytische berekening met een P0MP3/D berekening 13 3.2 Forchlieimer coëfficiënten en resulterend pompdebiet in een turbulente

bereke-ning, hoge waterstand 13 4.1 Invoergegevens en berekende pompdebieten bij simulatie van een inpompproef in

de Deltagoot 23 5.1 Invoergegevens en berekende pompdebieten bij simulatie van een inpompproef op

de dijk bij Holwerd 27 6.1 Invoergegevens en berekende pompdebieten bij simulatie van een inpompproef op

Hoofdstuk 1

Inleiding

Reeds lang is bekend dat de leklengte een belangrijke parameter is voor de bepaling van de stabiliteit van een steenzetting. Een probleem is echter hoe deze bij een bestaande steenzet-ting te nieten. Schatsteenzet-tingen aan de hand van de gebruikte materialen voor de fïlterlaag en de spleetbreedten tussen de blokken zijn in het verleden onnauwkeurig gebleken. Door inzanding van de zetting kan de doorlatendheid orden lager zijn dan op deze wijze geschat. De toplaag-doorlatendheid kan in een veldmeting in-situ worden bepaald, maar de toplaag-doorlatendheid van de filterlaag vooralsnog alleen in het laboratorium na uitbreken van de zetting. Uitbreken van een zetting heeft als nadeel dat de opbouw van de fïlterlaag verstoord wordt, waardoor het ook niet meer mogelijk is een betrouwbare doorlatendheidbepaling uit te voeren op dit materiaal.

In 1984 is een pompproef voorgesteld om de leklengte te meten. Op één of enkele plaatsen op het talud wordt water in de zetting gepompt. Dit geeft op die plaatsen en in de directe omgeving een grotere stijghoogte in de filterlaag dan ver van het inpomppunt. Door het drukverloop in de zetting te meten en het pompdebiet vast te stellen is een uitspraak te doen over de leklengte van de zetting en het produkt van doorlatendheid en filterlaagdikte. Tijdens het PROVO onderzoek in de Deltagoot is deze methode een eerste keer uitgetest. Deze eerste proef was niet geheel succesvol. Hiervoor waren de volgende redenen:

1. Twee van de drie in het PROVO onderzoek beproefde zettingen hadden een zeer korte leklengte (de zettingen van vilvoordse steen en basalt). Alleen de Haringmanblokken glooiing in dat onderzoek had een leklengte, waarbij resultaten verwacht mochten worden. 2. Het water werd ingebracht in de zetting via een grote bak, deze was met relatief dunne slangen verbonden met de inpomppunten. Door deze slangen was het debiet beperkt en daardoor kon ook slechts een beperkte verhoging van de stijghoogte in de zetting worden gecreëerd.

3. De metingen werden gesimuleerd met analytische berekeningen, waarbij er werd uitgegaan van laminaire stroming. In feite is er in de filterlaag van een steenzetting altijd sprake van turbulente stroming. In berekeningen waarbij de belasting op een steenzetting ten gevolge van golfaanval wordt uitgerekend blijkt een laminaire berekening wel te voldoen (zoals blijkt uit het ANAMOS programma). De stroming kan dan beschreven worden als een gemiddelde stroming met een daarbij behorende constante doorlatendheid. Rondom een inpomppunt is echter te verwachten dat zeer sterke variaties in verhang en stijghoogte zullen voorkomen. In dit rapport zal worden aangetoond dat een laminaire berekening dan niet meer voldoet.

HOOFDSTUK 1. INLEIDING 5

Door bovengenoemde problemen is deze methode van leklengte bepaling niet verder ontwik-keld. Eind 1991 is echter door ir. B. Rigter van de DWW voorgesteld deze methode verder te ontwikkelen. Het lijkt mogelijk de praktische uitvoering van de methode te verbeteren, door een groter inpomppunt te kiezen en daarin een vaste stijghoogte op te leggen. Daarbij ontstond weer het probleem hoe uit de meetresultaten de leklengte kon worden bepaald. Zoals beschreven zijn de analytische methoden alleen geschikt voor laminaire stroming, met de bovengenoemde problemen, verder bleken deze alleen dan goed toepasbaar wanneer het talud onder water staat. Wanneer de meting ook in het veld toepasbaar moet zijn, dan is het van belang dat de meting ook bruikbaar is op een droog talud. Het tijdens een superstorm aangevallen gedeelte van een steenzetting staan onder normale omstandigheden droog.

Door Grondmechanica Delft is voorgesteld om een numerieke methode te ontwikkelen voor het uitwerken van deze proeven. Het bestaande programma STEEN/3D, dat indertijd is ont-wikkeld voor het simuleren de belasting op een zetting bij scheve golfaanval zou hiervoor kunnen worden aangepast. Dit rapport beschrijft welke aanpassingen zijn uitgevoerd, vergelijkt de re-sultaten van berekeningen met de rere-sultaten van analytische laminaire berekeningen. Verder is onderzocht welke drukverdeling te verwachten is onder steenzetting met filterlaag zoals die zal worden ingebouwd in het lopende Deltagoot onderzoek. Dit rapport geeft geen beschrij-ving van STEEN/3D daarvoor wordt verwezen naar [1]. In hoofdstuk 2 worden de wijzigingen aan STEEN/3D beschreven. Om ook later nog te weten waarom en hoe het een en ander is aangepast, is dit een vrij theoretisch hoofdstuk geworden. Degenen onder de lezers, die zich minder onderlegd voelen in numerieke berekeningen, kunnen volstaan met het doorlezen van paragraaf 2.1 en daarna verder gaan met de hoofdstukken waar de uitgevoerde berekeningen zijn beschreven.

Hoofdstuk 2

Aanpassingen STEEN/3D

2.1 Overzicht

Met STEEN/3D is het mogelijk om de drukverdeling in de filterlaag onder een steenzetting te berekenen bij gegeven golfaanval. De golfaanval kan bestaan uit een geschematiseerd golffront of uit gemeten golfrandvoorwaarden. In de berekening kan een vaste waarde voor de freatische lijn worden opgegeven, of worden aangegeven dat geen freatische lijn aanwezig is (dit is het geval wanneer een overgangsconstrucie aanwezig is). Verder is er vanuit gegaan dat het talud altijd nat is, zodat de randvoorwaarde "continue insijpeling" geldt, wat betekent dat er altijd water in het talud sijpelt wanneer de stijghoogte in de filterlaag kleiner is dan die op het talud. Vooraf was duidelijk dat de volgende aanpassingen nodig waren:

• Behalve een golfrandvoorwaarde moet op enkele plaatsen in de filterlaag — op de inpomp-punten — ook een randvoorwaarde voor de filterlaag kunnen worden opgelegd.

• Wanneer boven de stilwaterlijn in het talud gepompt wordt, zal een gedeelte van de zetting nat worden, door uitstromend water, maar een gedeelte zal droog blijven, de voorwaarde continue insijpeling geldt dus niet meer. Op de droge gebieden, zal geen water in- of uitstromen.

• De freatische lijn moet niet meer een vooraf opgelegde parameter zijn, maar zich instellen over het talud afhankelijk van de drukverdeling.

Bij het uitvoeren van deze aanpassingen bleek nog twee wijzigingen noodzakelijk.

• De doorlatendheid in de filterlaag werd tussen de knooppunten bepaald als funktie van het verhang. Daarbij is de doorlatendheid in horizontale en verticale richting hetzelfde. Bij de bij de inpomppunten optredende zeer grote gradiënten in het verhang bleek dit een te eenvoudige beschrijving. De horizontale en verticale doorlatendheid worden nu apart berekend.

• Doordat de "niet-lineariteit" in het systeem is toegenomen en voorkomen moet worden dat sommige punten in de filterlaag ten onrechte niet worden betrokken in de berekening van de stijghoogte, moest de overrelaxatie factor worden bijgesteld, in feite wordt nu met "onderrelaxatie" gerekend, zie paragraaf 2.4.

In de volgende paragrafen zullen deze aanpassingen worden beschreven het resultaat is dan een programma dat de naam P0MP/3D gekregen heeft.

HOOFDSTUK 2. AANPASSINGEN STEEN/3D 7

2.2 Randvoorwaarde bij inpomppunten

Bij de inpomppunten dient een randvoorwaarde in de filterlaag worden opgelegd. De stijghoogte in de fllterlaag wordt op dat punt bepaald door de stijghoogte van de aanvoerbuis van de pomp. Om het rekenschema niet te verstoren is er echter voor gekozen deze randvoorwaarde, net als de golfrandvoorwaarde bij een STEEN/3D berekening, op het talud aan te brengen. Ter plaatse van het inpomppunt is de doorlatendheid van het talud echter zoveel verhoogd dat de drukval over de toplaag verwaarloosbaar is. De druk veroorzaakt door het inpompen wordt dus beschreven als zijnde een wat vreemd gevormde golf, die juist op een plaats valt waar de doorlatendheid van de toplaag veel hoger is.

Een bijkomend voordeel van deze aanpak is dat het nu zo ontwikkelde programma ook ge-bruikt kan worden om de drukverdeling in de filterlaag bij de in-situ toplaagdoorlatendheid metingen te simuleren. Bij de in-situ toplaagdoorlatendheid meting worden één of twee bakken op het talud geplaatst, waarin een water op een constant niveau wordt gehouden. De druk-verdeling in de filterlaag ten gevolge van deze proef kan op dezelfde manier worden berekend als bij een leklengtemeting met een pompproef, alleen dient nu de toplaagdoorlatendheid op de oorspronkelijke waarde te worden gesteld.

Gezien het feit dat de manier van berekenen bij een toplaagdoorlatendheid proef niet veel anders is dan bij een pompproef voor de leklengte bepaling, zou de vraag kunnen rijzen waarom niet de toplaagdoorlatendheid proef gebruikt om ook de leklengte te bepalen. In principe moet dit mogelijk zijn, echter in de praktijk is de doorlatendheid van de toplaag in veel gevallen onvoldoende om voldoende water door de toplaag te transporteren ten einde een significante verhoging van de stijghoogte te bewerkstelligen.

2.3 Insijpeling

In alle bekende rekenmethoden voor steenzettingen (ANAMOS, STEENZET/1, STEENZET/2, STEEN/3D) wordt standaard uitgegaan van de randvoorwaarde "continue insijpeling". Dit betekent dat er vanuit wordt gegaan dat het talud altijd nat is. Wanneer de stijghoogte in de filterlaag groter is dan de stijghoogte op het talud zal er water uit het talud stromen. Wanneer echter de stijghoogte in de filterlaag lager is, zal er water instromen. Deze randvoorwaarde is een redelijke aanname voor een talud dat wordt belast door golven. Tijdens de run-up zal er voldoende water op het talud worden getransporteerd om aan deze randvoorwaarde te voldoen. Bij en pompproef wordt echter niet meer aan deze randvoorwaarde voldaan. Nog steeds zal water uitstromen wanneer de stijghoogte in het filter groter is dan in de toplaag. Echter wanneer de stijghoogte in het filter lager is, zal het talud waarschijnlijk droog staan en er dus geen water instromen. Wanneer de stijghoogte op het talud echter groter is dan de plaatshoogte — en er dus nog water op het talud staat — zal er wel water instromen.

In het programma zijn daarom de volgende aanpassingen gemaakt:

• Onderzocht wordt voor elk rekenpunt of de stijghoogte op het talud hoger is dan de plaatshoogte, zo ja, dan is het talud nat en geldt de oude voorwaarde continue insijpeling. Zo nee dan zijn er twee mogelijkheden.

• De stijghoogte in de filterlaag is groter dan de stijghoogte op het talud. Er zal dus water uit het talud stromen.

• De stijghoogte in de filterlaag is lager dan de stijghoogte op het talud. Er stroomt geen water het talud in. De toplaagdoorlatendheid wordt voor dat rekenpunt op nul gesteld.