bij zandwinputten
DC-Project code: DC Project Title: Wetlands
CT04.40
DC-Work package code DC Work Package Title: Helder water (slibproblematiek zoetwatermeren) CT04.43.11
Principal Author 1: CUR commissie C130 Institute:
Principal Author 2: Institute:
Contributor 1: Institute
Contributor 2: Institute
Report Type: Final report Report Status: Definitief
Number of pages: 7 Number of
Annexes:
Keywords (3-8): C130, Cur, overstabiliteit, zandwinputten, ontwikkeling, toekomst
Abstract: In ‘Aanbeveling 130 – Oeverstabiliteit bij zandwinputten’ formuleert CUR-commissie C130 de adviespraktijk die thans het meest aanbevelingswaardig is. Het is de verwachting dat de adviespraktijk de komende jaren aangepast moet worden in verband met de ontwikkeling van nieuwe kennis en nieuwe technieken. De ontwikkeling van nieuwe kennis en technieken hangt nauw samen met algemene ontwikkelingen in de komende 10 tot 20 jaar. Het is goed om daar bij stil te staan.
Institute Publication-number (optional):
Isbn: Issn:
DC-Publication-number (invullen door DC): CT04.43.R01
Zandwinputten en oeverinscharing:
BLIK OP DE TOEKOMST
CUR-commissie C130 ‘Zandwinputten en taludstabiliteit’
1 Inleiding
In ‘Aanbeveling 130 – Oeverstabiliteit bij zandwinputten’ formuleert CUR-commissie C130 de adviespraktijk die thans het meest aanbevelingswaardig is. Het is de verwachting dat de adviespraktijk de komende jaren aangepast moet worden in verband met de ontwikkeling van nieuwe kennis en nieuwe technieken. De ontwikkeling van nieuwe kennis en technieken hangt nauw samen met algemene ontwikkelingen in de komende 10 tot 20 jaar. Het is goed om daar bij stil te staan.
2 Algemene
ontwikkelingen
2.1 Behoefte aan zand en grind
De behoefte aan zand en grind in Nederland verandert niet significant. Dat geldt zowel voor grind, beton- en metselzand als voor ophoogzand. Tegelijk is er een geleidelijke, doch merkbare afname van het aantal locaties op het land, langs rivieren en in meren waar nog zand en grind uit de grond te halen zijn. Dat is vooral relevant voor grind, beton- en metselzand, dat in grote delen van Nederland slechts op vrij grote diepte te vinden is. In de Noordzee zijn maar beperkte hoeveelheden aan winbaar beton- en metselzand aanwezig [3].
2.2 Multifunctioneel ruimtegebruik
De ruimte in Nederland wordt in toenemende mate als een schaars goed gezien. Er komen steeds meer activiteiten die in meerdere of mindere mate beslag op de ruimte leggen. De maatschappij besteedt steeds meer kritische aandacht aan het optimaal ruimtegebruik. Zo wordt het steeds lastiger om instemming te verwerven voor het gebruik van landoppervlak alleen voor de winning van zand of grind en al helemaal als het om oppervlakken gaat met grote afmetingen. Klimaatwijzigingen leiden tot plannen als ‘Ruimte voor Rivieren’, die kansen bieden voor combinatie met zand- en grindwinning, maar ook grenzen stellen aan winningmogelijkheden. Ook de behoefte aan locaties waar overtollig slib geborgen kan worden biedt dergelijke kansen. Overeenkomstig zijn de volgende algemene ontwikkelingen te verwachten:
Streven naar ‘multifunctioneel’ ruimtegebruik: combinatie van zandwinning met andere functies, zoals waterafvoer via nevengeulen in de uiterwaarden, recreatie op water in stedelijk gebied, wonen op het water of berging van slib.
Streven om de breedte van de winputten te beperken ten gunste van die andere functies, waardoor het putoppervlak waar taluds aanwezig zijn, toeneemt t.o.v. het oppervlak van de putbodem
Wens om bestaande putten verder uit te diepen en steilere taludhellingen toe te passen. Zie ook [1] en [2]
3 Kennisleemtes
3.1 Kennis fysische achtergrond
De fysische achtergronden van de vorming van het talud tijdens het zuigproces worden deels begrepen, maar niet geheel. Kwantificering blijft lastig. Herkenbaar zijn de drie in de Aanbeveling besproken processen: afschuiving, verwekingsvloeiing en bresvloeiing. Een aantal fasen van verwekingsvloeiing en bresvloeiing kunnen redelijk gekwantificeerd worden, maar een aantal fasen ook niet. Het is verder nog erg lastig om greep te krijgen op de interactie tussen de drie processen, die
waarschijnlijk wel vaak plaatsvindt.
Een en ander spits zich toe op de volgende kennisleemtes:
a) Hoe sterk verandert de breedte van een bres bij het omhoog gaan (3-D effect)? b) Hoe stroomt het overspannen grondwater na plotselinge verweking en wat
impliceert dat voor de waterspanningsverdeling onder het talud als functie van plaats en tijd?
c) Welke dwarsprofielverandering treedt op na het afstromen van verweekt zand en hoe lang duurt dat?
d) Hoe ontwikkelt zich een bres in verwekend zand?
e) Hoe ontwikkelt zich het talud in de tijd als ergens een bres van gegeven grootte wordt geïnitieerd?
f) Hoe kan de invloed van ‘stoorlagen’ gekwantificeerd worden?
3.2 Kennis over winputten
De adviespraktijk zoals beschreven in de Aanbeveling berust deels op kennis van de fysische achtergrond van de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor
oeverinscharing, deels op ervaring zoals vastgelegd in statistische gegevens. Een groot deel van de statistische gegevens zijn afkomstig van oeverinscharingen langs Zeeuwse oevers. De toepasbaarheid op zandwinputten is in vele gevallen twijfelachtig. Het aantal oeverinscharingen bij zandwinputten waarvan gegevens bekend zijn is beperkt en niet gelijkmatig verdeeld over Nederland. Het is niet geheel duidelijk in hoeverre de resultaten representatief zijn voor heel Nederland.
4 Kennisontwikkeling
4.1 Doeleinden
Kennisontwikkeling in de komende jaren zou zich moeten richten op de volgende doeleinden:
verbetering van de kwantificering van de invloed van baggermaterieel en
baggermethode op de taludvorming, dus ook op de inscharing, als functie van de grondopbouw, waardoor onzekerheden omtrent het winproces worden
teruggedrongen
reductie van de onzekerheid over de vraag of een eenmaal gevormd steil talud in vastgepakt zand stabiel is onder alle omstandigheden of dat onbeheerste
bresvorming ook kan ontstaan door natuurlijke oorzaken
verdere ontwikkeling van de in de Aanbeveling genoemde instrumenten voor de adviespraktijk om de kansen op taludinscharing te kwantificeren
4.2 Modelvorming
In het kader van de verdere ontwikkeling van die instrumenten, kan de modelvorming starten met het voor de adviespraktijk beschikbaar maken van de thans door de specialistische instituten gebruikte numerieke modellen.
Vervolgens is het waarschijnlijk mogelijk om de kennisleemtes genoemd onder b) t/m f) in betrekkelijk korte tijd significant te reduceren door verdere ontwikkeling en integratie van de geotechnische deelmodellen voor verweking en de hydraulisch-morfologische modellen voor bresvorming. In [4] is aangeduid hoe een geïntegreerd numeriek model zou kunnen worden gemaakt.
Laatstgenoemd model zal in eerste instantie geschikt zijn voor wetenschappelijke doeleinden, dwz voor het bestuderen door de bouwers van het model van de invloed van baggermaterieel en baggermethode op de taludvorming, dus ook op de
inscharing, bij een aantal mogelijke soorten van grondopbouw. Daaruit kunnen adviezen over baggermaterieel en baggermethode volgen en/of verbeteringen van de tabellen, grafieken, coefficienten, formules en/of rekenmodellen die in de Aanbeveling staan of waarnaar in de Aanbeveling verwezen wordt. In een latere fase kan het geïntegreerde numerieke model wellicht worden uitgebreid tot een model dat geschikt is voor gebruik in de adviespraktijk.
Een groot deel van het geïntegreerde model beschrijft de processen met een ruimtelijk ééndimensionaal model. Dat betekent voor bepaalde deelprocessen een hinderlijke beperking. Het lijkt goed mogelijk om tevens een tweedimensionaal eindige-elementenmodel te bouwen om de kwantificering van die deelprocessen beter in de vingers te krijgen.
In dit kader is het bovendien zinvol te vermelden dat momenteel door de TU Delft (R.R. de Jager met promotor Prof. Dr. Ir. F. Molenkamp) onder de titel ‘Flowslides of submerged slopes composed of loose sands’ een voorstel voor een
promotieonderzoek is gedaan naar het modelleren van statische liquefactie.
4.3 Metingen in winput
De betrouwbaarheid van deze modellen is beperkt zolang geen verificatie heeft plaatsgevonden in een grootschalig model of in een zandwinput. Een deel van de verificatie kan worden uitgevoerd door heranalyse van de in 1978 en in 1985 uitgevoerde verwekingsvloeiingsproeven bij Deltares (voorheen WL Delft Hydraulics).
Daarnaast lijkt het nodig één of enkele malen uitgebreid te meten in een zandwinput zowel daar waar het zand overal vastgepakt is als ter plaatse van een losgepakte laag. Daarbij zullen eerst de locale grondeigenschappen moeten worden bepaald (korrelverdelingen, relatieve dichtheid, verwekinggevoeligheid). Tijdens het zuigen zal monitoring van de bresvorming moeten plaatsvinden door registratie van de veranderingen in het talud als functie van de tijd. Tevens zal gepoogd moeten
worden grondwaterspanningen te meten in de buurt van de zuigmond om na te gaan in hoeverre verweking optreedt. Ook kan gedacht worden aan het meten van
trillingen op enige afstand van het talud.
De metingen moeten ook gericht zijn op kennisleemte a), de 3-D effecten. Een gedetailleerd plan voor dergelijke metingen is thans beschikbaar [5].
4.4 Gegevens over winputten
Naast kennistoename middels modellering van de fysische processen, kan
kennisvermeerdering ook verkregen worden door verzameling van gegevens over zandwinningen en statistische verwerking daarvan. Het zou waardevol zijn als de inventarisatie van de ervaringen bij zandwinputten die gerapporteerd is in de Aanbeveling (hoofdstuk O.2), verder wordt uitgebreid door van nog meer zandwinningen in Nederland de volgende gegevens te verzamelen:
grondopbouw: geologie, gelaagdheid, korrelverdelingen, sondeerwaarden e.d. geometrie: putdiepte, taludvorm, oeverlengte
winmethode: materieeltype en -capaciteit; manier van baggeren
gegevens over grote oeverinscharingen: omstandigheden waaronder de inscharing plaats vond; locale oevervorm en locale grondopbouw; resulterende inscharingslengte en breedte.
5 Ontwikkeling
winmethoden
5.1 Winnen met winzuigers
Van oudsher worden zandwinningen uitgevoerd met winzuigers. De diameter van de zuigpijp bedraagt doorgaans 0,5 m – 1,0 m . De diepte waarop winzuigers kunnen zuigen kan wel oplopen tot meer dan 70 m. Ook is het vermogen toegenomen van jets om zand (ook fijn, vastgepakt zand) in suspensie te brengen en om cohesieve lagen van beperkte dikte los te maken.
In de meeste gevallen wordt het talud in één of twee stappen gezogen: de zuigmond wordt op grote diepte gebracht en zuigt het zand op dat loskomt van een talud met een hoogte van 10 m tot 30 m. De keuze van diepte en taludhoogte wordt afgestemd op mengsel van korreldiameters dat daarmee in één keer opgezogen kan worden. De grote hoogte van het zandleverende talud impliceert ook dat de zuigmond niet vaak en over slechts geringe afstand verplaatst behoeft te worden. Het moment van verplaatsing wordt meestal afgestemd op de gemeten afname van de
mengseldichtheid.
De kans op grote taludinscharingen is bij hoge taluds relatief groot. Daarom wordt het zand de laatste jaren ook wel gewonnen in horizontale lagen van beperkte dikte (orde 5 m), waarbij het oppervlak van elke volgende laag zoveel kleiner gekozen wordt dat horizontale bermen ontstaan die het nieuwe actieve talud moeten scheiden van het reeds eerder gevormde, hoger gelegen talud. De beperkte hoogte van het actieve talud staat een vrij stijl talud toe binnen elke laag. Het onder 3.1 en 3.2 besproken onderzoek is er mede op gericht om een betrouwbaarder antwoord te vinden op de vraag hoe stijl die kan zijn en hoe breed de bermen moeten zijn om onbeheerste bresvorming in de berm te laten doodlopen. Bij deze methode moet de zuigmond vaker verplaatst worden. De richting van de verplaatsing is soms
evenwijdig aan de oever, soms loodrecht daarop van de oever af, soms loodrecht op de oever naar de oever toe.
5.2 Winnen met cutterzuigers
Het gebruik van cutterzuigers is voornamelijk beperkt tot het weghalen van cohesieve (top)lagen. Weinig cutterzuigers kunnen dieper zuigen dan ca 30 m. Soms worden cutterzuigers gebruikt voor het winnen van zand dicht bij de uiteindelijke oever. Soms wordt in horizontale lagen gewonnen (in zgn. boxcuts),
soms wordt met de taludautomaat het talud geprofileerd. Anders dan bij winzuigers wordt de zuigmond van cutterzuigers echter continu verplaatst. Die verplaatsing kan zowel loodrecht op als evenwijdig aan de oever plaatsvinden. Verder is de laagdikte vaak relatief klein (orde 3 m, maar sterk afhankelijk van winningsmethode en grootte cutterzuiger).
Vaak zal de laagdikte gelijk aan of iets groter zijn dan de diameter van de cutter. Bij grotere laagdikte is een groot deel van het zand dat opgezogen wordt afkomstig van een bres boven de cutter, zodat het taludvormingsproces sterk overeenkomt met dat van winzuigen. Bij gevallen waarin een steil talud gerealiseerd moet worden is het wellicht de moeite waard de laagdikte even groot als de cutterdiameter te kiezen om geen bresvorming te doen ontstaan.
5.3 Instrumentatie en registratie
De instrumentatie en de registratie van metingen aan het winwerktuig is de laatste jaren sterk in ontwikkeling. De locatie van de zuigmond wordt veelal continu gemeten en geregistreerd. Hetzelfde geldt voor de dichtheid van het mengsel (gemeten achter de pomp) en voor de vacuum- en persdrukken.
Echolodingen worden de laatste jaren relatief frequent (om de paar dagen) gedaan in het gebied waar juist gewonnen is. Snelle verwerking tot kaarten met dieptelijnen, tot dwarsprofielen in allerlei richtingen, tot verschilprofielen of anderszins is
tegenwoordig min of meer standaard.
Echo-lodingen t.p.v. de zuiger om de bodemvorm continu te registreren lijken nog niet mogelijk, als gevolg van de verstoring van de echo's door vertroebeling. Het lijkt de moeite waard te zoeken naar alternatieve meetmethoden. Een daarvan is al in ontwikkeling. Het betreft de instrumentatie van het onder-watertalud direct rond de zuigmond met boeien die boven water komen of juist onder water verdwijnen op het moment dat het talud instabiel wordt. Daarmee kan worden waargenomen waar bresvorming optreedt. Verdere ontwikkeling kan wellicht een belangrijke bijdrage te kunnen leveren aan de beperking van het risico van oeverinscharingen, enerzijds door de informatie die de zandwinner krijgt over het bresproces, anderzijds door de mogelijkheid noodmaatregelen te nemen op het moment dat een calamiteit dreigt.
5.4 Alternatieve baggerwerktuigen en -methoden
Toepassing van een dustpanzuigmond kan de breedte van een bres vergroten en daarmee wellicht de breshoogte beperken zonder verlies aan produktiecapaciteit. Op die wijze zouden mogelijk steilere taluds gezogen kunnen worden.
Nog steilere taluds lijken in principe toelaatbaar als het winnen niet gepaard gaat met enige bresvorming. In principe lijkt dat mogelijk met een graafwiel, met een
emmerbaggermolen en met grijpers of draglines. De relatief geringe
productiecapaciteit en corresponderende hoge productiekosten lijken toepassing op grote schaal in de weg te staan. In bijzondere gevallen kunnen ze misschien worden ingezet om het laatste uit een put te halen.
Tenslotte zit er wellicht veel muziek in de methode van ‘onderzuigen’.
5.5 Storten van cohesieve grond
het aanbrengen als mengsel van grond en water via een perspijp die t.p.v. een verhaalbaar ponton uitmondt vlak boven het wateroppervlak, waarbij de
spuitmond in staat is het mengsel over een vrij groot oppervlak te verspreiden. het aanbrengen als mengsel van grond en water via een perspijp die t.p.v. een
verhaalbaar ponton uitmondt in een diffusor, die vlak boven de bodem gehouden wordt
het aanbrengen van een laag op het talud met een kraan of direct vanuit vrachtwagens (over de kant te kieperen).
Ontwikkeling in twee opzichten kan wenselijk zijn:
verlaging van het watergehalte van de grond op het moment van storten, zodat de grond minder volume inneemt en tevens van het begin af aan een hogere ongedraineerde schuifsterkte heeft
zodanige verdeling van de ingebrachte grond dat geen afschuivingen kunnen optreden langs de bestaande taluds. Dergelijke afschuivingen kunnen
bresvorming inleiden en daarmee inscharing van de reeds gerealiseerde oevers. Bij de ontwikkeling van methodes voor het opbergen van licht verontreinigde grond in (oude) zandwinputten, dient bijzondere aandacht besteed te worden aan de kans op taludinscharing. Mogelijk zijn daarvoor extra ontwikkelingen nodig.
6
Gebruik en toekomst van de Aanbeveling
Om het gebruik van de Aanbeveling te vergemakkelijken en verkeerd gebruik zoveel mogelijk tegen te gaan, zou een soort 'helpdesk' moeten worden gevormd.
Het lijkt nuttig om de gebruikers van de Aanbeveling jaarlijks te interviewen om hun ervaring met de Aanbeveling te registreren.
Na 5 jaar zou een algehele evaluatie van de toepassing van de Aanbeveling in de praktijk moeten plaatsvinden. Dan dient ook de vraag gesteld te worden of de Aanbeveling geheel vernieuwd moet worden of dat volstaan kan worden met amendementen op de eerste versie van de Aanbeveling. Een en ander zal mede afhangen van de ontwikkelingen die ondertussen zullen hebben plaatsgevonden.
Literatuur
1. Nieulant, J. en K. Ooms, Verkennende rapportage diepwinningstechnieken, DWW, publicatiereeks Grondstoffen 2000/07, rapport nr. W-DWW-2000-092, februari 2001
2. Heijst, M.W.I.M. van, en S. Modder, Haalbaarheidsstudie Diepwinning Beton-en Metselzand, Studie naar de mogelijkhedBeton-en om bij bestaande
zandwinningen onder de vergunde diepte beton- en metselzand te winnen, DWW, publicatiereeks Grondstoffen 2001/13, rapport nr. W-DWW-2001-098, ISBN 90-369-3784-1, december 2001
3. Heijst, M.W.I.M. van (redacteur), Beton- en metselzand uit de Noordzee? Eindrapport van de PIA Subwerkgroep Zeezand. Resultaten van de
haalbaarheidsstudie naar beton- en metselzandwinning voor de Hollandse en Zeeuwse Kust, DWW, publicatiereeks Grondstoffen 2004/1, rapport nr. DWW-2004-001, ISBN 90-369-5555-6, 2004
4. Mastbergen, D.R. en M.B. de Groot, Numerieke modellering taludvorming bij zandwinning, Delft Cluster rapport, DC1-321-10, juni 2003
5. Vastenburg, E.W., Monitoring bresvorming/Meetplan, Deltares (GeoDelft), 407012-0003, februari 2006
