Samenvattend grondradaronderzoek aan de filterconstructie Spijkse dijk

INTERIM RAPPORT

SAMENVATTING GRONDRADARONDERZOEK AAN DE FILTERCONSTRUCTIE SPIJKSE DIJK

uitgevoerd in opdracht van het Centrum voor Onderzoek Waterkeringen

april 1985 265863/4

Uitgevoerd door:

Projectleider : Ir. J.W. de Feijter Projectbegeleider: Dr.Ir. H. van der Kogel Afdeling: Toegepaste Fysica en Geofysica Hoofd : Dr.Ir. F. Molenkamp

drainage ook wel filterconstructie genaamd. Het controleren van zo'n constructie dient plaats te vinden als het filter geen water afvoert; deze controle mag de dijk met het filter niet beschadigen.

In opdracht van werkgroep 2 van de T.A.W. is onderzoek verricht aan een filter van de Spijkse dijk; dit project heeft tot doel het vast-stellen van de geschiktheid van grondradar voor het controleren van dit soort drainagesystemen.

Er is op twee locaties gemeten, waarvan één plek als verdacht tevoor-schijn gekomen was uit vorig onderzoek. Er is zowel in de waterafvoerende situatie als in de droogliggende toestand gemeten. De gebruikte radar-frequentie was 300 MHz. De resultaten zijn hoopgevend. In de waterafvoe-rende situatie is de grondwaterstand zeer goed waarneembaar en geven de beide locaties een duidelijk verschil op het grensvlak tussen filter en oorspronkelijk dijklichaam; in de droge toestand zijn enkele grond-lagen goed herkenbaar en is er een duidelijk verschil tussen de beide ·locaties.

De algemene conclusie van dit onderzoek is dat grondradar voor deze toe-passing zeker perspectieven biedt. Een nader grondradaronderzoek bij zeer lage grondwaterstand (rivierpeil) en met een antenne met een lagere zendfrequentie (80 MHz geeft een diepere penentratie dan 300 MHz) kan in combinatie met een destructieve controle van het filter op een goede en een verdachte plek een definitieve uitspraak over de toepasbaarheid van grondradar voor controle van drainagesystemen van rivierdijken bewerk-stelligen.

Laboratorium voor Grondmechanica

/ / j

,/~

-

./\

---( -c;;

t~·-1~

Dr.ir. H. van der Kogel projectbegeleider.

Samenvatting Inhoud I. Inleiding 1 II. Grondradar 3 A. Inleiding 3 B. Weergave reflecties 4 B.l. Afbeelding van een object 5 B.2. Afbeelding van vlakken 7

III. Het proevenprogramma 9 A. Proeflocatie Hoek van Holland 9 B. Metingen op de Spijkse dijk 13 B.l. Metingen bij hoog water 13 B.2. Metingen bij laag water 21

IV. Conclusies 24

naamde filterconstructie (diepdrainage), die tot doel heeft om het kwelwater bij hoge rivierwaterstand af te voeren en om uitspoeling van gronddeeltjes te voorkomen.

Over het algemeen liggen deze filterconstructies, sloten met een gegradeerd grindbed, droog. Deze filters mogen niet dicht-slibben en moeten gedurende zeer lange tijd (> 100 jaar) goed blijven functioneren.

De vraag is hoe kan het functioneren van het filter gekontro-leerd worden, zowel in de droge als in de waterafvoerende toe-stand; het gaat hierbij zowel om een "nulmeting" (is het fil-ter goed aangelegd?) als om periodieke controlemetingen (b.v. iedere 10 jaar). In principe dient dan het hele filter gekon-troleerd te worden.

Als konkreet probleem is de filterconstructie van de Spijkse

j.ijk gegeven maar de oplossing moet indien mogelijk ook toepasbaar zijn op alle overige filterconstructies. Het reeds verrichte

onderzoek (COW december 1980 Nagtegaal en Beijersbergen) naar het functioneren van deze filterconstructie deed vooralsnog geen uitspraak of het filter volledig en voldoende functioneert. Het controleren van een werkend filter kan gebeuren door het meten van de grondwaterspiegel in te plaatsen peilbuizen; op deze wijze wordt informatie verkregen over slechts een plaats, terwijl de eraan verbonden kosten hoog zijn en de peilbuizen slechts gedurende een gedeelte van het jaar geplaatst mogen wor-den.

Aan werkgroep 2 is expliciet de vraag gesteld: zoek een methode waarmee niet in werking zijnde filters gecontroleerd kunnen wor-den op hun functioneren.

Daartoe is er gekeken naar de mogelijkheid om andere, niet des-tructieve, technieken te gebruiken. Technieken, die toepasbaar

kunnen zijn, zijn: seismiek (geluidsgolven),goe-elektrische weerstand-meting (gelijkstroom), elektro-magnetische inductie (laagfrequent EM-golf) en grondradar (hoogfrequent EM-EM-golf). Gelet op het hoge

scheidend vermogen van grondradar t.o.v. de andere technieken en de beschikbaarheid van de apparatuur is op grond van het projectvoorstel "Onderzoek filterconstructie Spijkse Dijk, d.d.

19 mei 1983" (zie bijlage) besloten om de niet-destructieve onderzoeksmethode grondradar uit te testen voor de specifieke locatie Spijkse dijk.

II Grondradar.

A._Inleiding.

Grondradar is een reflectietechniek: er wordt een golf de bodem ingezonden en de reflecties worden ontvangen. De gebruikte golf is de electromagnetische golf (EM-golf); de eigenschappen van deze golf kunnen-het best vergeleken worden met lichtgolven. De reflec-tie- en brekingswetten uit de optica gelden derhalve ook voor de grond-radar. Het verschil met licht is de golflengte: in lucht geldt

X,. . = 6 1 0 m e n X = 1 m of uitgedrukt in frequentie: licht radar * ^

v, . ,_ = 5 10 MHz en v . = 300 MHz. licht radar

Door de veel lagere frequentie is grondradar in staat om in mate-rialen door te dringen; in goed geleidende matemate-rialen, hoge electrische geleidbaarheid, wordt de golf sterk gedempt. De reflectie -en brekingshoek word-en in hoofdzaak bepaald door de diëlectrische constante van het materiaal.

Onderstaande tabel I geeft een indruk van de orde van grootte van deze eigenschappen van grondsoorten:

materiaal lucht water droog zand nat zand klei veen electrische geleidbaar-heid o = 0 mho/m 10"3 IQ"4 lO"3 10"1 10" 3 1 diëlectrische constante e = 1 r 81 4 25 9 49 voorplantings-snelheid o v = 3.0 10 m/s 0.3 108 1.5 108 0.6 108 1.0 108 0.4 1 08 Tabel I: Materiaaleigenschappen

N.B.: De penetratie in kleilagen dikker dan 0.3 meter kan door de hoge elektrische geleidbaarheid problemen geven.

uitgezonden radarsignaal. Onderstaande tabel II geeft een indruk over de indringing voor met zoet water verzadigd zand:

antenne f r e q u e n t i e 900 MHz 300 MHz 80 MHz i n d r i n g d i e p t e n a t zand 0.5 m 3 m 12 m beschikbaar s i n d s 1982 1982 1985

Tabel II: Indringdiepte voor verzadigd zand.

B. Weergave van_reflecties.

De grondradar die door het COW en het LGM gebruikt wordt bestaat uit een gekombineerde zend- en ontvangstantenne (zero offset profiling). Gedurende een korte tijd (enkele nanoseconden) wordt een puls radar-golven de grond ingezonden; op een reflectievlak (verschil in diëlec-trische constante) wordt een gedeelte teruggekaatst naar de antenne; hier is een zekere looptijd mee gemoeid: hoe langer deze looptijd is hoe dieper het reflectievlak is gelegen. Dus reflecties van onder el-kaar gelegen lagen komen op verschillende tijden binnen.

Figuur 1 geeft het principe weer.

SUPPtï P-ECOPOE»

t

Figuur 2 (links) toont het ontvangen reflectiesignaai. De registra-tie gebeurt in de vorm van een amplitude - looptijd weergave, waar-bij amplituden boven een bepaalde waarde als zwart worden afgebeeld. Door de antenne over het terrein te verplaatsen onder het uitzenden van pulsen kan een reflectiebeeld verkregen worden van de ondergrond. De relatie tussen looptijd en diepte wordt bepaald door de voortplan-tingssnelheid in de diverse lagen (zie tabel I ) .

Figuur 2 (rechts) geeft een voorbeeld van het ontstane radarbeeld op de uitvoer, amplitude recorder weergave drempels zendpuls -» oppervlak horizontale verplaatsing

-*- f

Figuur 2: Voorbeeld van een radarsignaal.

B.l. Afbeelding van een object.

O. T3

Bij het scannen dwars op een object, zoals een leiding, neemt de afstand van de antenne tot het object af tot de antenne loodrecht boven het object is gekomen; daarna neemt de afstand en dus de

looptijd van de golven weer toe. Het gevolg hiervan is dat er een hyperbolische afbeelding ontstaat (zie figuur 3 ) .

b. c,' —- afstands diepte

object

ampl. tIJd reflekties

c golfsnelheid

B.2. Afbeelding van vlakken.

Een vlak,evenwijdig aan het vlak waarin de antenne voortbewogen wordt, wordt als een horizontaal vlak op de korrecte diepte afge-beeld.

Anders ligt het met een scheef vlak; de radar beeldt dan de kort-ste afstand tot het vlak af. Dat betekent dat de afstand, gerekend langs een lijn loodrecht op het maaiveld, op de plaats van de an-tenne groter is dan uit de radaropname blijkt. Het gevolg is dat

I radar ]"

grondlaag

afbeelding

Figuur 4: Afbeelding van een scheef vlak.

zo'n vlak onder een andere hoek wordt afgebeeld dan in werkelijk-heid. Figuur 4 laat zien dat een grondlaag onder een hoek a wordt afgebeeld onder een hoek 6. De relatie hiertussen is:

8 = arctg (sin o) of a = arcsin (tg B ) .

De antenne heeft een bepaalde zendhoek, b.v. 90 ; dit betekent dat vlakken die schever lopen dan 45 t.o.v. het maaiveld niet meer

af-gebeeld worden.

Bij de Spijkse dijk is de volgende geschematiseerde situatie kara-teristiek bij hoog water (zie figuur 5 ) .

Spijkse dijk: talud filter verzadigd grind filter ..- oorspronkelijk dijklichaam grondwaterspiegel Radarafbeelding: maaiveld (talud)

Figuur 5: Situatie Spijkse Dijk en radarafbeelding.

De grondwaterstand wordt afgebeeld onder een hoek y = arctg (sin a) en de grens tussen het filter en het dijklichaam onder een hoek 5 = arctg (sin 6 ) . Het gevolg is dat op de afbeelding 2 doorlopende snijdende lijnen ontstaan, terwijl in werkelijkheid beide lijnen op-houden in hun snijpunt. Door uit de radaruitvoer de hoeken y en ö af te leiden kan de oorspronkelijke situatie door berekening gereconstru-eerd worden.

Op de radarafbeelding wordt het talud dus horizontaal weergegeven en de horizontale waterspiegel derhalve als een scheve lijn.

III. Het proevenprogramma.

De proeven zijn uitgevoerd in drie fasen:

. Bij Hoek van Holland is een proefvakje aangelegd en daarop zijn enkele metingen verricht om na te gaan of er met radar wel iets te zien zou zijn (mei/juni 1983) .

. Op de Spijkse dijk zijn op twee lokaties (HP11 en HP15) bij hoge waterstand metingen verricht (juni 1983 o.l.v. Prof. R.M. Koerner). . Opnieuw op de Spijkse Dijk,maar nu bij lage rivierstand (oktober

1983), zijn extra metingen verricht om dieper in het filter te kijken.

A. Proeflokatie te Hoek van Holland.

In figuur 6 is weergegeven hoe de proeflocatie was opgebouwd. Deze proeven hadden enerzijds tot doel om de apparatuur uit te testen en optimaal af te regelen (waaronder sleepsnelheid van de antenne) en anderzijds of het mogelijk is een aantal situaties af te beelden, zo-als een oplopend kleivak, sondeerstaven, drainagebuis en al dan niet bevochtigd bentonietpoeder.

Figuur 7 laat een van de resultaten zien bij een sleepsnelheid van 1 cm/sec; figuur 8 geeft het resultaat bij 5 cm/sec.

De resultaten van de proefmetingen waren bemoedigend, zodat er be-sloten is om ook op de dijk zelf te gaan meten.

V fr P.V.C, drainage ' voor bevochtigen bentonietpoeder ZAND 1 ia GRIND met BENTONIETPOEDER op BODEM 10 kg staal gewicht 2.5m-GRIND 0.5 m P.V.C, drainagebuis 2.5m-GRIND met KLEILAAG op BODEM

'mïïïïïïïïmïïïïÏÏJA

VAK 1 VAK 2 VAK 3 VAK 4

(D rt

c ai 0) ai U O) 13 01 O

a

a

a

B. Metingen op de Spijkse dijk. *

In figuur 9 is de situatie drainageconstructie Spijkse dijk weerge-geven. Figuur 10 is een dwarsdoorsnede van de dijk met daarin aan-gegeven de grondopbouw. Figuur 11 geeft de diepdrainage in detail weer. Bij het maken van de zogenaamde dwarsprofielen wordt met con-stante snelheid de 300 MHz radarantenne, waaromheen een soort slee gebouwd is, vanuit het midden van de sloot het talud van het grind-filter opgetrokken; hiertoe is op de dijk een lier geplaatst. Hier-onder zullen enkele van de metingen nader worden toegelicht.

B.l. Metingen bij hoog water.

Figuur 12 geeft de radarafbeelding bij hectometerpaal 11, waar bij vorig onderzoek meetraai A gelegen heeft. De naar beneden schuin weg-lopende band geeft de grondwaterspiegel weer. Zoals reeds opgemerkt komt dit doordat de antenne langs het talud omhoog gaat. Boven deze lijn zou men eigenlijk geen harde reflecties meer mogen verwachten (schoon grind): mogelijk is er grond in het filter gekomen tijdens het aan-brengen' van de peilbuizen voor een vorig onderzoek. Waar de waterlijn bij het dijklichaam komt treden zeer vele moeilijk verklaarbare reflec-ties op.

Figuur 13 geeft het dwarsprofiel 15 meter ten.westen van HP11. Nog steeds reflecties in het grind, maar de overgang van grondwater-spiegel op dijklichaam vertoont hier duidelijk het beeld zoals ge-schetst in hoofdstuk B.2.: afbeelding van vlakken. De afgeleide hel-lingen zijn als volgt (t.o.v. de horzion): talud grindbed: 16 (of 1 : 3,5) en de overgang tussen filter en dijk: 44 (of 1 : 1 ) ; hetgeen overeenkomt met de ontwerpehllingen van het grindfilter (zie figuur 11). Figuur 14 geeft een karakteristiek beeld van de situatie bij HP15

(de voormalige raeetraai B ) . Hier stond het water ca 30 cm hoger in de sloot dan bij HP11. De afbeelding is conform de verwachtingen: een duidelijke afscheiding tussen grind en dijklichaam. De scheve lijnen onder de grondwaterspiegelreflectie zijn zogenaamde "multiples". Bij HP 11 zijn ook een drietal langsraaien van 50 meter lengte ge-maakt: in de sloot (drijvend), op talud 3 meter uit de sloot en op

*)N.B.: De radarafbeeldingen zijn in tegengestelde richting t.o.v. figuur 11 opgenomen!

het vlakke stukje in het filterbed ca 11 meter uit de sloot.

Op deze langsprofielen is weinig te zien: de opname in de sloot geeft weinig informatie; De opname op 3 meter uit de sloot geeft af en toe veel verstoring in het grind boven de grondwaterstand (een kleine inspectie ter plekke leerde dat daar bijna direct onder het maaiveld veel fijne grond tussen het grind zat, wat dus wijst op vervuiling). De opname

11 meter uit de sloot, die vooral informatie over het dijklichaam geeft, toont zeer onregelmatige reflecties (dit is ook te zien in de dwarspro-fielen) ; enerzijds kan dit wijzen op het gebruik van puin in deze dijk of anderzijds op in brokken gestorte klei.

:.'M. Y ; i

Tolkarner

BOVEN-RIJN

Bijlage 1

Schaal 1:25.000

situatie drainageconstructie Spijkse dijk

Figuur 9

entrum voor Onderzoek Wolerkeringen _{werknr A-77 081}

2 3 L 5 6 7 8 9 1.85 1.90 1.85 1.85 1.90 1.85 1.'J0 1.85 Ü.UO6 0.022 0.020 fi.O'.g 0.020 0.059 30.00 ophoging i 22.27 klei. zandhoudend I 20.7') j zand. kleihoudend 22.93 | zand 2172 klei i 22.93 r a d a r meetapparatuur antenne 300 MHz

3O

G r i n d 5-3Qmmof_ba^l|as 13 _ri n_d_

GLOBALE BEGRENZING KLEILAAG

Kif 3_

O

ff

Kit o f gjr^ind 5-3Omm

G r o f . z a n d ...-•'

nllren aangebracht op die plaalsen «nor lijn moedermatenaal voorkwam

CO

opbouw f ilterconstructie

Bijlage

midden sloot

afstand tot midden sloot

4.5 m 9.5 m 10.9 m 12.2 m 14.2 m

diepte in droog grind-bed: 1,5 m

blauw: grondwaterspiegel (horizontaal) oranje: oppervlak binnentalud (1:3 ) Figuur 12: Dwarsprofiel HP11 bij hoog water.

co

diepte in droog grind-bed: 1,5 m

blauw: grondwaterspiegel groen: overgang filter - dijklichaam

| ! j | I |

blauw: grondwaterspiegel groen: overgang filter - dijklichaam

diepte in droog grind-bed: 1,5 m i to o

B^2. Metingen bij laag water.

De metingen bij hoog water leerden dat het moeilijk is om door een schuin ten opzichte van hef maaiveld gelegen sterk reflecterende laag zoals de grondwaterspiegel heen te kijken. Voor de metingen bij laag water was één dag beschikbaar, zodat niet alle metingen herhaald konden worden. Er zijn geen langsprofielen gemaakt; achter-af gezien is dit jammer geweest daar waarschijnlijk de grondlagen onder de filtersloot goed waarneembaar zouden zijn geweest. Het grondwater staat in de buurt van de onderkant van het grindfilter. Figuur 15 geeft het dwarsprofiel bij HP 11 (raai A ) . Er zijn

veel reflecties maar een duidelijke overgang tussen filter en dijk-lichaam is niet te zien. De grondwaterspiegel is nog vaag te zien. Tussen 5 en 9 meter is een sterke reflectie waarneembaar; op de plaats van het filter is deze reflectie verdwenen; mogelijk is dit, mede gelet op de richting, de kleilaag in de dijk, zoals aangegeven is in figuur 11 ,- over de dikte van de laag en over het volledig ver-wijderd zijn onder het filter valt geen definitieve uitspraak te

doen; een diepere penetratie is wenselijk (nog lagere waterstand en/of lagere radarfrequentie).Bij hoog water was deze laag niet waarneembaar. Figuur 16 geeft het dwarsprofiel bij HP 15 (raai B ) . De grondwater-spiegel is met moeite zichtbaar; de overgang tussen filter en dijk-lichaam is zeer goed zichtbaar; ook hier een duidelijke reflectie tussen 7.5 en 11 meter die duidt op een horziontale laag (alleen deze laag zit veel minder diep dan bij HP 11 (raai A ) . Tussen 10.5 en 13 meter is een tweede min of meer horziontaal lopende laag te herkennen; deze is mogelijk de afscheiding tussen de ophoging en de oude dijk.

diepte in droog grindbed: 1,5 m

blauw: grondwaterspiegel bruin: grondlagen

Figuur 15: Dwarsprofiel HPll bij laag water.

i —

diepte in droog grindbed: 1,5 m

blauw: grondwaterspiegel groen: overgang filter - dijklichaara bruin: grondlagen

IV. Conclusies.

. De methode is geschikt voor het volgen van de grondwaterspiegel in de bodem (zie dwarsprofielen).

. De grenzen van het filter zijn goed waarneembaar (zie dwarspro-fielen) .

. Het meten bij lage waterstand geeft meer informatie over het fil-ter dan bij hoge wafil-terstand.

. Het afbeelden van objecten en vlakken gelegen onder een sterk scheef reflectievlak is moeilijk (zie verschil opname bij hoog en laag water).

. Doordringing van 300 MHz in dikkere kleilagen is gering (dikte niet waargenomen).

. Het opdoen van ervaring met de apparatuur en de methode is erg belangrijk voor het krijgen van kwalitatief goede opnamen. . Interpretatie niet altijd eenduidig, zodat onderzoek ter plekke

nodig is voor verificatie.

. Sleepsnelheid zou zonder al te veel informatieverlies opgevoerd kunnen worden tot 2 meter per minuut; langsprofielen tot 5 m/min,

(dit is gebleken uit enkele proeven tussendoor).

. De opname bij HP11 geeft een ander radarbeeld dan op andere plaatsen; mogelijk is hier iets niet in orde met de filtercon-structie.

. Bij HP11 is een bijna horizontaal lopende laag zichtbaar in de dijk, mogelijk is dit de kleilaag die doorgraven moet worden voor het filter; gedeeltelijke afgraving heeft in elk geval plaats-gevonden. Het is niet duidelijk of de laag geheel verwijderd is

(de bovenkant van de laag ligt ca 1,2 m dieper dan de bodem van de sloot).

. Bij HP15 ligt de diepte horizontale laag echter minder diep (boven kant van de laag ligt op het niveau van de bodem van de sloot) . . Algemeen: filter lijkt bij HP15 (raai B) schoner dan bij HP11

V. Aanbevelingen voor verder onderzoek.

. Het verdient aanbeveling om bij zeer laag water enkele specifieke locaties te bemeten met grondradar, zowel dwars- als langsprofielen: zowel met 300 MHz als met 80 MHz (komt in 1985 ter beschikking) voor diepere penetratie.

Op grond hiervan het filter en de ondergrond te onderzoeken met boringen of een gedeelte van het filter te verwijderen en de be-vindingen te relateren aan de conclusies van de grondradarmetingen. . Het bestuderen van de beperkingen van grondradar m.b.t. het

afbeel-den van meerdere schuine grondlagen onder elkaar is noodzakelijk. . Het scannen van enkele dijkvakken waarvan alle gegevens door

onderzoek uit het verleden bekend zijn.

. De toepasbaarheid van grondradar nagaan voor het kontroleren van dijkbekledingen.

. Radar uittesten op boezemkaden om vast te stellen of voorwerpen zoals puin, kabels, leidingen e.d. waarneembaar zijn.

. Het toepassen van dataprocessing om de signalen op te schonen, zodat de interpretatie eenvoudiger wordt, en mogelijk meer informatie uit

diepere lagen verkregen kan worden.

. Met behulp van gescheiden zend- en ontvangstantenne de voortplan-tingssnelheid van de golven in de grond bepalen, zodat een beter onderscheid tussen de grondlagen kan worden gemaakt en de dikte van die lagen vastgesteld kan worden.