Zandmeevoerende wellen: Een overzicht van in literatuur aangetroffen "piping"-criteria: Huidige toepassingen bij rivierdijk-ontwerpen.

S-77,066

Zandmeevoerende wel

1

en

Een overzicht

van i n

l i t t e r a t u u r

a

a n ge tr

o f f

en

I' p i p i

n

g 'I

-

cr

i

ter i

a

Huidige toepassingen

b i j

rivierdijk-

ontwerpen.

Centrum

voor Onderzoek Waterkeringen

November

1977.

In houdsopgave 1. Inleiding 2. Hoofd1 ijnen 3. Ontwerpregel

s

u i t 3.1. B l i g h , 1912 3.2. G r i f f i t h , 19 3.3. Lane, 1935

empirisch / s t a t i

s

tische besc houwi ngen

3

3.4. Turnbull

e.a.,

1959

3.5. Nabeschouwing

en

toepassingen b i j rivierdijken 4. Grondwaterstromi ng-uni forme, homogene zandgrond

4.1. Vertikale stroming ( b i j damwand) 4.2. Stroming b i j "i = 03''

4.3. K1 ei lagen op

zandondergrond

5. Grondwaterstromi ng

-

n i e t uniform, homogeen zandpakket 6. Grondwaterstromi ng

-

heterogeen zandpakket

7. Huidige praktijk b i j rivierdijkverbeteringen 8, Samenvatting

Blz.

_I 1 3 ! 6 I 6 . 8 j 9

1

1 0 . ' .

i l i

F

i

10 14 15 17 18

i

1 I 26

Ij

22 . / i 23 ! 30. j !

- 1 -

1. Inleiding

Een van

de gevaren voor s t a b i l i t e i t s v e r l i e s

van

waterkerende

onderi iggende grond1

agen door

de

grondwaterstroming.

In het verleden

kwamen

nogal veelvuldig

doorbraken

van stuwdam-

constructies l i g t i n het

wegvoeren van

gronddeeitjes ui.t de _!

men voor, waarvan al

s

oorzaak d i t wegvoeren

van

gronddeel t j e s

,

-

interne

erosie of piping genoemd

-

werd beschouwd. Ook

nu

z i j n

er

nog incidenteel berichten

over

bezwijken van dammen a l s ge-

Teton Dam i n Time (21 j u n i 1976).

In Nederland wordt het verschijnsel van interne erosie herhaalde- 1 i j k geconstateerd b i j rivierdijken t i j d e n s hoge opperwateraf- voeren. Uiterlijk, d.w.z. op het maaiveld o f i n sloten en andere

e r o s i e

t e

zien; met het opwellend grondwater wordt zand meegevoerd.

Er z i j n aanwijzingen dat enkele dijkdoorbraken (Zalk en Oude R i j n , 1926) een gevolg zouden z i j n

van

deze interne erosie.

Doorgaans

i

,

I'

i

volg van interne erosie. Zie bijvoorbeeld het bericht over de

I

*

waterpartijen achter de d i j k z i j n de kenmerken van een interne

Bij een voortgaande zandafvoer zal de d i j k worden ondermijnd.

i i

i

echter i s

door

ingri,jpen t i j d e n s hoogwater een begin van piping , . i

i

Uit buitenlandse

bronnen,

zoals die met betrekking

t o t

de

₁

1

Í

met betrekkelijk eenvoudige hulpmiddelen gestopt.

Mississippi

)

'

1

(

en

de

Donau

(Z),

b l i j k t d a t ook daar doorbraken z i j n voorgekomen d i e worden toegeschreven

aan

interne erosie.

Vanzelfsprekend i s e r vooral

na

de veelvuldige doorbraken

van

stuwdammen gezocht naar de oorzaken

van

interne erosie en naar maatregelen d i e d i t moesten voorkomen. Dit leidde zowel

t o t

ontwerpregels

voor

de vormgeving en constructie van dammen, a l s t o t meer praktisch gerichte aanbevelingen voor de aanleg

daarvan.

In een l a t e r stadium z i j n d e ontwerpregels voor

stuwdammen

ook gebruikt b i j de beoordeling en het ontwerp van rivierdijken.

Niet-

tegenstaande de soms aanmerkel i j ke verschi 11 en in zowel de

"belasting" op de waterkering

( d u u r

hoogwater) a l s constructie

van

de kering ,werden de regels s l e c h t s minimaal

aangepast.

Zeer

waar-

I

. <

i

'

De getal1 en tussen (

1

verwijzen naar

de 1 i t t e r a t u u r l i j s t . .

- 2 -

I

s c h i j n l i j k l i g t de oorzaak hiervan enerzijds i n de moeilijke theoretische toegankel i jkheid van het probleem

en

anderzijds i n het f e i t dat in de p r a k t i j k a l t i j d (enigszins) afwijkende bodemomstandigheden ten opzi c h t o

van

de aangehouden

schemat

isa

t

i

e

kunnen voorkomen. I

Een

i n het kader van de dammenbouw voortgezette ontwikkeling van d e

ontwerpregel s

zal eveneens door deze factoren z i j n beïnvloed.. Daarbij komt nog dat vooral b i j d i e dammenbouw r e l a t i e f gemak- kelijk van het principe "safety f i r s t " kan worden uitgegaan en d a t van incidentele oplossingen gebruik kan worden gemaakt, zoals f i l t e r s , afdichtende schermen e.d.

Door

d e grote lengte

van

de rivierdijken

en

de veelheid

van

be- langen d i e in het geding z i j n , z i j n de mogelijkheden i n

ons

land b i j de rivierdijken echter veel beperkter en

zou

een verbetering

van

de ontwerpcriteria zeer welkom z i j n ,

Een

onderzoek naar zandmeevoerende wellen en p i p i n g onder de

Neder-

1 andse omstandigheden werd daarom aangevangen.

Zolang de resultaten

van

d i t onderzoekprogramna n i e t leiden

t o t

een herziening

van

de ontwerpregels

moet

i n de praktijk

echter

nog steeds gebruik worden gemaakt

van

de hierboven bedoelde regels. In voorliggend rapport i s een overzicht opgenomen van de

"ontwerpregel s 'I, zoal s di e doorgaans b i j de hui d i ge rivierdijk-

verbeteri ngsontwerpen worden toegepas t. Daaraan voorafgaand zal een overzicht worden gegeven van de daarop betrekking heb- bende 1 i t t e r a t u u r met daarbij enkele opmerkingen over beper- k i ngen en toepas baarhei d.

Een

en ander i s daarbij in hoofdzaak beperkt

t o t

erosie

van

zand (grond

zonder

cohesie).

,

i

- 3 -

2. Hoofd1 ijnen

Bij het doornemen van de diverse publikaties op het gebied van

in-

t e r n e erosie v a l t het op dat de verschillende onderzoekers het pro- bleem vanui t een tweetal t o t a a l van el kaar 'verschi l l ende ui tgangc- punten benaderen.

Enerzijds i s daar de empirisch/statistische aanpak, waarbij

met

gebruikmaking van zeer eenvoudige, globale i n d i c a t i e s

voor

de omstandigheden waaronder een dam (c.q. waterkering) zich bevindt, vrijwel alleen g e l e t wordt op het percentage dammen d a t gedurende z i j n functioneren ( t o t het t i j d s t i p

van

het betreffende onderzoek) ,

bezweek. Op grond van de resultaten van

zo'n

inventarisatie

van

be-

zweken

dammen werden dan regels opgesteld

voor

het ontwerp

van

nieuwe constructies. Anderzijds i s e r een aanpak, waarbij de grondwater- beweging i n

en

onder de constructie wordt bepaald en a l s

uitgangspunt wordt genomen voor de beoordeling van het gevaar voor interne erosie (piping) b i j de betreffende constructie..

De

l a a t s t genoemde methode, waarbij d u s van een bekend

grondwater-

I

stromingsbeeld wordt uitgegaan,is i n principe een meer geavanceerde methode dan de s t a t i s t i s c h e . Zo kan e r volledig rekening

worden

ge- houden met de vormgeving van de constructie, eventuele doorlatend- heidsverschillen i n de bodem door gelaagdheid, anisotropie e.d. zodat i n principe met een veel hogere graad van nauwkeurigheid de veiligheid tegen interne erosie kan worden bepaald.

Overigens d i e n t h i e r b i j wel aangetekend t e worden d a t het bepalen

van

de representatieve doorlatendheden van de grond geen

gemakkelijke opgave i s en d a t de doorlatendheidscoëfficiënt nogal

kan

variëren

over

betrekkel i j k geringe afstanden, zodat

voor

het

vast-

s t e l l e n van een representatieve schematisatie voor waterkering

en

ondergrond

een

uitgebreid en nauwgezet onderzoek nodig zal z i j n ,

Naast de methode van aanpak van het probleem

wordt

er

in de l i t t e -

ratuur

nog onderscheid gemaakt tussen enkel

e

vormen

van interne

e r o s i e , waarvoor dan speciaal daarop afgestemde ontwerpregel

s

z i j n geformuleerd.

Zo

worden

de geval lcn onderschei den

waarbij

; .

-

alleen de f i j n e r e f r a c t i e

tussen

de

grovere

f r a c t i e

wordt

wegge- .spoeld en de grove f r a c t i e , althans in e e r s t e i n s t a n t i e , het

- 4 -

-

de s t a b i l i t e i t

van het

korrelskelet vanaf het begin

van

de

erosie

wordt

verstoord.

Ook de plaats waar het met het

grondwater

meegevoerde materiaal

wordt

afgezet kan aanleiding z i j n t o t onderscheid. Zo z i j n e r gevallen waar- b i j het door het grondwater meegevoerde materiaal

aan

de oppervlakte wordt gebracht. Daarnaast i s het onder bepaalde omstandigheden ook mogelijk dat het f i j n e bodemmateriaal door de grondwaterbeweging v i a een grove laag wordt afgevoerd.

I n de l i t t e r a t u u r waarin het t o t standkomen van

ontwerpregels

langs s t a t i s t i s c h e weg wordt gepresenteerd, worden deze verschillen i n pipingprocessen n i e t aangehaald. Het l i j k t

er

dan Ook O P d a t b i j die

aanpak d i t aspekt buiten beschouwing i s gebleven.

In het andere geval

-

de aanpak waarbij de grondwaterbeweging a l s zodanig a l s u i t g a n g s p u n t wordt genomen

voor

de beschouwingen

-

z i j n de ontwerpregels i n principe gedifferentiëerd naar het genoemde onder- scheid

tussen

de erosievormen.

In de gevallen waarbij sprake i s

van een

min of meer homogeen, d.w.z. uniform zand, waarin b i j erosie geen korreiskelet i n s t a n d b l i j f t , wordt d e erosiekans beoordeeld aan de hand van plaatse1 i j k optredende verhangen ( i n de richting van het v r i j e oppervlak) of door vergelijking van de krachten tengevol ge van grondwaterdrukken met het tegenwerkende grondgewi

c h t

In de gevallen waarbij sprake i s

van

een tweetal duidelijk

van

elkaar verschillende materiaalcomponenten, zoals een grove f r a c t i e

en

een

f i j n e f r a c t i e i n één en hetzelfde materiaal, of

wat

korrelverdeling be- t r e f t duidel i j k van el kaar verschi 11 ende, aan el kaar grenzende grond- lagen, wordt b i j de beoordeling van het erosiegevaar gebruik gemaakt

van

"f i1 terregel s". Daarmee wordt d a n de mogel i j kheid van het verpl aat- sen

van

f i j n e d e e l t j e s beoordeeld.

I n het navolgende zullen de i n de l i t t e r a t u u r aangetroffen gegeve,ns

wor-

den gepresenteerd, hier en daar

voorzien

van een a a n t a l opmerkingen. Daarbij zal zoveel a l s mogelijk worden aangesloten b i j de verschillen i n gehanteerde uitgangspunten en zull

en

achtereenvolgens worden be- handeld:

-

de empirisch/statictische aanpak, I I ' 1 1

-

de aanpak waarbì j van d e grondwaterbeweging wordt uitgegaan.

.I

5

I

/

Hierbij ral het

zwaartepunt

liggen op erosie in homogene, min o f meer uniforme zandsoorten al o f niet afgedekt door een kleilaag, zoal c die i n Nederland b i j de rivierdijken vrijwel al t i j d

wordt

aangetroffen, De andere hiervocr genoemde erosievormen zu11

en

1

_t

slechts beperkt

worden

behandeld. I

De

volgorde waarin de s t a t i s t i s c h e aanpak

en

die op grond

van

de grondwaterstroming worden behandeld houdt geen uitspraak van

voor-

keur

in. Hooguit wordt daarmee aangesloten op het t i j d s t i p

van

pu- blikatie

van

de methoden.

Overigens

is

het wel interessant t e

weten

dat Is-werelds

grootste

I

recent aangelegde aarden dam, de Tarbeladam in Pakistan, gedimen- t de s t a t i s - sioneerd werd

aan

de h a n d

van

regels die voorvloeien

u

- 6 -

! .

1

3. Ontwerpregel s

u

i

t

empi ri sch/s t a t i s t i sche becc houwi ngen

Zoals reeds opgemerkt z i j n de oudste publikaties op het gebied

van

piping

met

regels

voor

ontwerp

van

dammen gegrond op een s t a t i s - tische aanpak. Sommige rapporten zijn daarbij m i n o f meer toege- s p i t s t op de omstandigheden in bepaalde rivieren of landen.

p

, ,

t

i

!

In chronologische volgorde zullen de belangrijkste werken worden behandeld.

Het

z i j n de publikaties

van

Bligh ( 3 ) , Griffith ( 4 ) en Lane (5). 3.1. Bligh, 1912 I I ' I 1 1 P I

In z i j n publikatie geeft Bligh regels voor de lengte

van

de mini- maal vereiste kwelweg ( L ) in r e l a t i e t o t het verval ( H )

over

een

(stenen)dam op een poreuze (zandige) ondergrond. De kwel weg

wordt

gedefiniëerd a l s de kortste 1 i j n van intreepunt t o t uittreepunt

I

I

I;

van een waterdeel t j e , waarbij de begrenzing

van

de constructie wordt gevolgd. Daarbij werden nog eisen gesteld

aan

de minimale

' I

I

I1

<I

I

afstand tussen eventueel aanwezige verti kale elementen (damwanden). Verwezen wordt naar bijlage 1 waarin de door Bligh gedefinieerde kwel weg met de b i j behorende voorwaarden i s aangegeven.

De door Bligh opgestelde ontwerpregel legt

voor

de diverse grond- soorten de r e l a t i e vast tussen de kwellengte ( L ) en het ver-

val ( t i ) , waarbij geen piping optreed. ,~

I

Voor de coëfficiënt Cb worden door Bligh de volgende waarden aange-

houden, ' I

$ 1 * I

- 7 -

-

Class Description o f material c o ë f f i c i ë n t

Cb

1 Riverbeds o f l i g h t s i l t and sand, such a s 18 t h a t o f the Nile (60% through 100-mesh 1)

si eve)

2 Fine micaceous sand, as in the Himalayan 15

r i v e r s and in such r i v e r s as the Colorado i n the U.S; (80% through 75-mesh2) sieve)

3 Coarse grained sands, as i n Centra1 and 1 2

*

South India ( t h i s i s the most common type)

4 Boulders o r shingle and gravel and sand 9

t o

5

mixed

.

De

omvang

van het onderzoekswerk d a t ten grondslag l i g t aan de ge- presenteerde Cb-waarden i s onduidelijk. Volgens een l a t e r e pub1 i- k a t i e

(Harza

( 6 ) ) zou het aantal bezweken dammen d a t b i j het onder- zoek werd beschouwd gering geweest z i j n .

1) afmetingen openingen ca. 0,015 cm 2) afmetingen openingen ca. 0,02

cm.

- 8 -

3.2. G r i f f i t h , 1913.

O n a f h a n k e l i j k van h e t werk van B l i g h g a f G r i f f i t h i n z i j n

in

1913 g e p u b l i c e e r d e a r t i k e l e e n z e l f d e aanpak weer om b i j (ge- metselde) dammen een voldoende v e i l i g h e i d tegen p i p i n g t e ver- k r i j g e n .

H i j presenteerde d a a r i n tevens een o v e r z i c h t van de door hem n o d i g geachte verhouding tussen de kwelweg en h e t v e r v a l voor toepassing b i j stuwdammen i n I n d i a .

.

I

I

g

Ma

t e r

i

a 1

I

L i m i t i n g s a f e v a i u e o f

c

F i n e micaceous sand F i n e q u a r t z sand Coarse , q u a r t z sand S h i n g l e Boul d e k 14,5 à 16 12,5 à 14 10 à 12 8 4 I

3 . 3 .

- 9 -

Lane, 1935

Het meest bekende werk op het gebied van de empirisch/statistische aanpak

van

het pipingprobleem i s d a t

van

Lane. !+ij heeft

voor

z i j n onderzoek van enkel e honderden gemetselde en betonnen dam- men

over

de gehele wereld gegevens verzameld

en

verwerkt,

Evenals Bligh

en

G r i f f i t h maakt ook h i j gebruik

van

de verhou- d i n g tussen de lengte van de kwelweg en het verval a l s parameter b i j de beoorde1,ing van de veiligheid tegen p i p i n g van de construc- t i e s . Hij voegt echter een nieuw element toe aan de be-

paling van de lengte van de kwelweg door een reductie

van

de bijdragen van de horizontale delen van d e kwelweg. Hij moti- veerde d i t door t e wijzen op de r e l a t i e f geringe weerstand die het

grondwater

over d i e trajecten ontmoet. Dit zg. "weighted

creep

r a t i o " i s a l s volgt gedefiniëerd. ( z i e ook b i j l . 1).

.

-- .

H

Op grond van z i j n uitgebreid onderzoek van bezweken en niet- bezweken dammen z i j n door

Lane

voor de diverse grondsoorten

de navol gende CL-waarden aanbevolen: -.

Ma

t e r i a l

I

Safe weighted creep r a t i a

i

c,.

. 1

1

Very f ine sand o r si 1 t Fine sand

Medium sand .

Coarse sand F i n e

-

gravel Med i

um

gravel

Coarse gravel, including cobbles Boulders with sam6 cobblec and gravel Soft clay

Medium clay Hard clay

Very hard clay o r hardpan 136

1

1

1

i i f

-

10

-

.

3.4. Turnbull e.a., 1959

Hoewel Turnbull in z i j n publikatie (1) geen nieuw feiten- materiaal

naar voren

brengt en voor de bepaling van d e

veiligheid tegen interne e r o s i e van de dijken langs de Missis- sippi

s t e l t de c r i t e r i a

van

Bligh of Lane t e hanteren, (of andere maatregelen t e nemen) wordt e r toch a p a r t aandacht aan besteed. Dit vindt z i j n reden i n de beperkingen, d i e aan het kweldebiet

dijkverbetering wordt bewerkstelligd door het aanbrengen van een afsluitende laag op de uiterwaard, naast het voldoen aan de minimale kwelweg volgens B1 igh of Lane, de kwelhoeveel heid 200 gpm per 100 f t dijklengte ( - ~ 1 , 5

m3/uur

per

m'

d i j k ) n i e t mag overschrijden, onafhankelijk van het verval! Hoe h i j t o t d e grootte van de maximale kwel gekomen i s wordt n i e t aange- geven, zodat toepassing voor andere omstandigheden dan b i j de

in gebieden zonder kleilagen aan het maaiveld voor-

worden gesteld. Hij s c h r i j f t voor d a t i n gevallen waarbij de r

I

i

I

,

Yississippi

Als de dijkverbetering wordt gerealiseerd door de aanleg

van

een

doorlateiide berm wordt alleen de e i s van een minimale kwelweg ge- noemd. Het kweldebiet wordt dan n i e t aan een rriaximum gebonden.

n i e t zonder meer mogelijk is. i

3 . 5 . Nabeschouwing en toepassingen b i j rivierdijken

Van de vier genoemde publikaties i s die

van

Lane de meest uit- gebreide en gedocumenteerde. Hij presenteert een 1 i j s t van be- zweken en n i e t bezweken dammen, d i e per grondsoort waarop de

dam werd gebouwd, z i j n gegroepeerd. !

A l s we ons voor een nadere beschouwing beperken t o t de dammen op de b i j de rivierdijken veelvuldig voorkomende grondsoorten zand, f i j n zand en s i l t , d i e i n d i e publikatie van Lane

a l s één groep z i j n zepresenteerd, b l i j k t het aantal b i j het onderzoek betrokken dammen ruim 70 stuks t e bedragen. Daarvan

Op b i j l a g e 2 i s aangegeven b i j welke C,-waarden ( z i e 3 . 3 . ) deze dammen bezweken. Tevens i s het percentage bezweken dam- men

per

CL-waarde aangegeven.

Er

bl i j k t een nogal grote sprei- d i n g

t e

bestaan.

Dit zal enerzijds een gevolg z i j n

. _{van het betrekkel i j k gering aantal bezwi} j kgevall en, anderzijds kan het een aanwijzing z i j n d a t het toegepaste criterium

n i e t een j u i s t e beoordeling van de werkel i jke veiligheid tegen

-

11

-

I

bezwijken aangeeft.

Uit de i n de publikatie opgenomen l i j s t b l i j k t d a t voor de onder- scheiden danurm een nogal g r o o t verschil i n hoogte bestaat, Deze v a r i e e r t van minder dan 1,50

m

t o t bijna 1 2

m.

Om wat meer aan

t e

s l u i t e n b i j de omstandigheden b i j de Nederlandse rivierdijken

en

tevens omdat u i t laboratorium-proeven bekend i s dat e r schaal- effecten z i j n t e verwachten i n de pipingprocessen werden de ge- . gevens

van

de darnmen met een verval van 4,5

m

o f minder opnieuw bez i en.

Op b i j l a g e 2 i s

echter t e

zien d a t het percentage bezweken dammen

(per

C L ) wel enigszins afwijkt

van

het beeld voor a l l e dammen. De wijze

waarop

Lane de grenswaarden

voor

CL heeft bepaald i s niet in z i j n pub1 i k a t i e aangegeven.

De

gekozen waarden 1 ijken op grond

van

de t e verwachten bezwi jkkansen n i e t geheel veil i g .

Een aanpas-

sing van de grenswaarden CL voor dammen met

een

verval van maximaal

1 I I I 9) I ! t * 4,5

m

groter Hoewel

i j k t , mede gezien het r e l a t i e f gering aantal dammen met

een

verval i n het onderzoek van Lane, n i e t zinvol.

e r argumenten z i j n voor het gebruik van een "weighted creep i

r a t i o " ,

zoals dat van Lane, b i j de beoordelina

van

de veiliqheid tegen p i p i n g b i j s t a r r e constructies (stenen en betonnen dammën) i s t e r vergelijking toch ook de theorie van Bligh/Griffith toege-

nast OD de i n de m b l i k a t i e van Lane aenoemde dammen. Het r e s u l t a a t !

i

i s op b i j l a g e 3 , zowel voor a l l e dammen a l s voor de dammen met een

kerende hoogte

van

4,5

m

of minder, aangegeven.

Tevens z i j n de grenswaarden voor c b daarin opgenomen.

Ook h i e r b i j komt een grote spreiding i n het percentage bezweken dam-

men

per Cb-waarden

voor

en kunnen de a l s v e i l i g aangemerkte

Cb-waar-

sc houwd.

den op grond

van

de

gegevens

n i e t a l s vol komen v e i l i g

worden

be- _I

Bovenstaand mag een i l l u s t r a t i e z i j n van de onzekerheden d i e b i j

het

beoordelen

van

de veiligheid tegen piping onder stenen dammen een rol spelen a l s gebruik

wordt

gemaakt

van een

statistisch/em- p i r i s c h e aanpak. Toch i s gebleken d a t i n het verleden en ook

nu

nog deze "regels" een zekere waarde hebben

voor

het ontwerp

van dammen.

l

Het

b l i j k t d a t de dammen

met

H > 4,5

m

s l e c h t s ongeveer

4

van het

t o t a l

e aantal dammen

uitmaakt.

-

12

-

Het

gebruik i s daarbij n i e t beperkt gebleven

t o t

stenen

en

andere

dammen, d i e

van

harde materialen z i j n geconstrueerd maar i s ook uitgebreid

t o t

aarden dammen en in het verlengde daarvan t o t rivierdijken ( z i e ook 1). Daarbij moet

men

z i c h echter wel r e a l i -

seren

d a t i n f e i t e de toepassingen

t o t

buiten het

waarnemings-

gebied van de respectieve1 i jke onderzoekers i s verlegd.

De afwijkingen

van

de s i t u a t i e b i j een Nederlandse r i v i e r d i j k

ten

opzichte van de constructies d i e model stonden b i j het onderzoek betreffen zowel het dijklichaam, a l s de ondergrond. Een d i j k - 'I

1 ichaam

van

klei of gedeel t e l i j k

van

zand zal veel beter

aan

de

.

ondergrond aansluiten dan

een

s t a r r e constructie

en

het is z e l f s denkbaar d a t een eens

ontstane

ruimte a l s gevolg

van

b.v.

erosie

op den

duur

weer

wordt

dichtgedrukt. Dit aspekt neemt veel

van

de kracht weg

van

d e argumenten die

Lane aanvoerde

b i j het

presenteren

van

z i j n "weighted creep

ratio"

en toepassen

van

de regels d i e Bligh/Griffith gaven behoeft zeker, ook gezien het r e s u l t a a t

van

de hiervoor gepresenteerde bewerkingen (bijlagen 2 en 3 ) , n i e t

t e

worden afgewezen.

De

ondergrond i n Nederland is s l e c h t s zelden a l s één

grondsoort

t e

karakteriseren: doorgaans

wordt

klei op zand aangetroffen. I n

hoe-

verre

d a t ook het geval geweest i s b i j de

stuwdammen

d i e i n de

onderzoekingen

z i j n

betrokken

i s niet bekend. Gezien de omschrij- vingen kan echter

worden verwacht

dat i n de meeste gevallen

van

een min of meer "homogene" bodem kan worden gesproken. In Nederland zal s l e c h t s b i j een zeer beperkt aantal dijkvakken een

schema-

t i s a t i e

met

een "homogene" grondslag voorkomen, waarbij dan de ontwerpregels

van

Lane/Bl igh/Griffith kunnen worden toegepast op een overeenkomstige s i t u a t i e

met

een globaal twee-dimensionale grondwaterbeweging. In het geval

van

afdekkende klei lagen op

een

zandondergrond

zal de grondwaterbeweging een duidel i j k afwijkend karakter hebben.

Ln

d i e gevallen zal de erosie met zandafvoer naar het oppervlak

slechts

kunnen

plaatshebben a l s zich i n de afdekkende 1 aag

een

verstoring bevindt. Daarbij zal de grondwaterstroming zich concentreren op d i e verstoring, zodat i n het algemeen een ongunstiger

s i t u a t i e

o n t s t a a t en

de

kans

op wegvoeren

van zand

wordt

vergroot.

Er

bestaat zeer weinig informatie

over

prototype- waarnemingen b i j d i t bodemtype.

Er

is

een

beschrijving van enkele wellen b i j

een

r e l a t i e f laag hoog-

water

op

de R i j n ( 7 ) .

Daaruit

b l i j k t d a t wellen op

grote

afstand

'

-

13

-

van de d i j k

kunnen

ontstaan (dus

grote

C-waarden),

d i e dan

echter

geen

gevaar

opleveren

voor

een doorbraak. Ook i s e r enige

informatie

( 2 ) over bijna doorbraken

van

dijken langs de

Donau door

interne erosie die voorkwam dan 12.

Een s t a t i s t i s c h e bewerking van het beschikbare materiaal i s echter n i e t mogel i j k .

Toepassing b i j rivierdijken van de regels

van

Bl igh/Griffith/Lane

moet

derhalve i n principe zeker beperkt blijven

t o t

gevallen

van

een d i j k op een zandondergrond zonder een afdekkende kleilaag binnendijks. Onder andere omstandigheden i s gebruik

van

deze regels i n f e i t e niet gerechtvaardigd en mag z e l f s

worden

ver-

wacht d a t de ontwerpregels met name b i j r e l a t i e f dunne kleilagen

t o t

een t e

korte,

zogenaamd v e i l i g e kwelweg leiden.

Als b i j gebrek aan voldoende inzicht i n de grondwaterbeweging

en

het mechanisme

van

piping in d i e gevallen

toch

gebruik

wordt

gemaakt

van

de c r i t e r i a

voor

een minima’le kwelweg

zou

de lengte

van

de kwelweg

kunnen

worden gerekend vanaf het (theoretisch)

p u n t

van

intreden

van

het

grondwater

t o t aan

de p l a a t s

waar

de wel zich bevindt, zonder de bijdrage

van

de v e r t i k a l e gedeelten I

in de klei mee t e t e l l e n . De erosie zal zich immers i n een der- g e l i j k geval voordoen i n de zandondergrond t e r plaatse

van

de verstoring i n de kleilaag. Overigens dient b i j het nemen

van

maatregelen om t o t de gewenste kwellengte t e komen wel t e worden bedacht d a t de aanleg van een berm binnendijks praktisch een veel e f f e c t i e v e r maatregel i s dan het aanbrengen van afdichtende

kleilagen buitendijks. Door een berm wordt een r e l a t i e f

zwakke

p l a a t s in de kleilaag achter de d i j k , d i e door hoge potentialen i n de zandondergrond kan

opbarsten

en

het begin

van een

zand- meevoerende wel kan betekenen, van het f e i t e l i j k kerende ele-

ment

weggeschoven. b i j $,-waarden

groter

I , i

I

l

i i I ! ! j . ! i P i

4. Grondwaters

tromi

ng-uni forrne

,

homogene zandgrond.

Zoals in de vorige paragraaf reeds aangegeven i s e r a l t i j d veel verzet geweest tegen het gebruik

van

een empirisch/statistische aanpak

vaor

de beoordeling van de veiligheid tegen p i p i n g .

Er

werd door de tegenstanders gewezen op tekortkomingen, d i e een- voudig waren

aan

t e

tonen

met behulp van de grondwaterstromings- modellen ( z i e bijvoorbeeld de discussies n.a.v. de publikatie

van

( 5 ) . Gewezen werd op de noodzaak van het v a s t s t e l l e n van de grond- waterstroming d i e a l s u i t g a n g s p u n t moet dienen

voor

de beoordeling

van

de veiligheid tegen piping.

Er z i j n in de loop der t i j d vele publikaties verschenen d i e u i t - gingen van d i t principe en de theorie gaven voor de beoordeling v a n het pipinggevaar b i j v e r t i kale elementen (damwanden) d i e onder een stuwdam of ander kunstwerk i n de zandondergrond waren aange- bracht ( z i e f i g . 1 ', b i j l . 4). De publikaties beperken zich t o t ge-.

val len waarbij op het zand binnendijks geen afdekkende s l e c h t

door-

latende kleilaag aanwezig i s . Zie b.v. (8, 9, 10, 11, 12

en

anderen). Zie voorts par. 4.1.

Oplossingen voor het geval waarbij aan de benedenstroomse kant

van

het kunstwerk geen v e r t i kaai element (damwand) i s aangebracht wordt I

i n de l i t t e r a t u u r met betrekking t o t stuwdammen n i e t aangetroffen. I

Dit kan worden verklaard doordat een damwand constructief gewenst

_i

i s en bovendien de theoretische aanpak

van

het probleem zonder dam-

wand volgens het schema zoals i n f i g . 2 , b i j l . 4 aangegeven zeer

( " i = mll)aan de benedenstroomse k a n t van de dam. Voor dijken l i g t het belang van de oplossing van d i t type probleem veel meer voor de

hand: s i t u a t i e s zoals in figuur 3 aangegeven kunnen b i j dijken voorkomen. In enkele pub1 i katies z i j n d e resultaten van model proeven opge-

nomen (13, 14). Deze worden behandeld i n

par.

4.2. L

I

1

bemoei1 i j k t wordt door de abrupte overgang

stroom1

i j n l p o t e n t i a a l l i j n 1

1

In de gevallen waarbij binnendijks wel kleilagen op de zandonder-

grond worden aangetroffen, worclcn in de l i t t e r a t u u r vrijwel alleen eisen gesteld

aan

de maximaal toelaatbare v e r t i k a l e verhangen over deze

schreven.

-

15

-

4.1 Verti ka1 e stroming ( b i j damwand)

Hoewel het behandelen van het erosiegevaar b i j damwanden op d i t moment van betrekkel i j k weinig belang kan worden gedcht

wordt

er

toch enige aandacht

aan

besteed. Enerzijds gebeurt d i t omdat i n een overzicht m . b . t . interne erosie d i t aspekt n i e t gemist kan worden, gezien de fundamentele begrippen d i e aan de orde komen

en

ook vanwege de aandacht d i e

er

i n het verleden

aan

is

besteed.

Anderzi jds omdat ,toepassingen b i j rivierdijken n i e t uitgesloten kunnen

worden.

In gevallen w a a r b i j aan het benedenstroomse eind van

een

water-

kerende constructie een damwand i s geplaatst zal de grondwater- beweging aan de benedenstroomse kant daarvan m i n of meer vertikaal gericht z i j n . Evenwichtsverstoring van een zandmassa t . g . v . een v e r t i kaal gerichte opwaartse stroming vindt plaats als de daaruit voortvloeiende opwaarts gerichte kracht op de korrel s groter wordt dan het gewicht:

( k r i t i e k ) = rg-Yw o f i, ( k r i t i e k )

-

-

(Yk Y w ) ( ~ - ~ )

YW yw

Hierin

is:

i, = vertikaal verhang

= s o o r t e l i j k gewicht

van

d e grond

= s o o r t e l i j k gewicht

van

de vloeistof soortel i j k gewicht

van

de gronddeel

t j e s

Y9

Y W

Y k

n

= poriënpercentage. _i

Het b l i j k t d a t het v e r t i k a l e k r i t i e k e verhang b i j v e r t i k a l e s t r o - m i n g n i e t afhankelijk i s

van

de korreldiameter en de doorlatend- heid maar eenduidig a l s functie

van

de specifieke gewichten

van

korrels

en

water en het poriepercentage

van

het zand i s

v a s t

t e

1 eggen.

Het

b l i j k t echter d a t i n de verschillende publikaties (6, 9, 10, 11) de k r i t i e k e vervallen, gedefiniëerd a l s het verschil i n s t i j g h o o g t e n

tussen

de onderzijde

van

de damwand en

het

beneden- stroomse oppervlak,

voor

eenzelfde s i t u a t i e , tamelijk veel

kunnen verschillen. In (8) i s een overzicht daarvan gegeven. Deze verschillen

ontstaan doordat

in d e n i e t zuiver v e r t i k a l e stroming achter de damwand de evenwichtsbecchouwi ng betrokken is op qua

vorm

en

l i g g i n g verschillende bodemgedeelten en de

-

16

-

i n de berekening meegenomen en verwaarloosde krachten

soms

ver- schi 1 1

en.

De

sehematisatie

van

Davidenkoff (10) i s een v e i l i g e benadering,

terwijT

d i e

van Harza

( 6 ) daarentegen voor homogene grondslag vooral b i j r e l a t i e f korte damwanden a l s onveilig

moet worden

beoordeeld. Zie ook b i j l a g e 5.

Een

evenwichtsverstoring zal zich

voordoen

a l s

een "koken"

van.

de bodem achter de damwand, na een daaraan voorafgaande ex-

pansie. Bij een werkel i j k homogene zandondergrond behoeft d i t nog

n i e t

t o t

een uitspoelen van

het

zand

t e

leiden: i n de publikatie

van

v.

Rossum en

Zanen (i21 i s aangetoond d a t b i j een zuiver

gel

i'jkmatilg

verdeel

de grondwaters tromi ng de val snel heid van de

korrels

een orde g r o t e r i s dan de opwaartsgerichte stroomsnelheid

van

het grondwater.

In principe

-

en dat i s ook met modelonderzoek gebleken

-

kan het

verval

nog toenemen zonder d a t een doorbraak het gevolg

is.

In gevallen met een wat doorlatendheid b e t r e f t n i e t homogene grond zal de

grondwaterstroming

zich concentreren op de plaatsen met

een

r e l a t i e f grote doorlatendheid,

waardoor

de gronddeel

tjes ter

plaatse zich i n een ongunstige p o s i t i e bevinden ten opzichte

van

een homogene grondslag. Bij een eventuele evenwichtsversto- ring op een dergelijke p l a a t s kan worden verwacht d a t d i t s l e c h t s zal 1 eiden t o t een nog grotere "doorlatendheid" in verhouding t o t de omringende grond, waardoor het e f f e k t

van

de concentratie

van

de grondwaterstroming nog zal worden versterkt mogel i j k ge- volgd

door

het

ontstaan

van

een erosiegang en doorbraak.

In de praktijk zal de doorlatendheid van de grondslag nooit vol- komen homogeen z i j n en i s het gewenst een

zekere

reserve i n

acht

t e

nemen voor het toe.

t e

stane verval

van

onderzijde damwand

t o t

v r i j e oppervlak

t.o.v.

het verval waarbij de homogeen veronder- stelde bodem i n beweging komt. Davidenkoff noemt in z i j n p u b l i - k a t i e (10) een minimale veiligheidsfactor van 1,5 à 3 , t e han- teren b i j z i j n r e l a t i e f veil ige berekeningswijze,

Voor

een

ge- l i j kwaardige veil igheid voor de andere genoemde berekeningswi

j z e

zou

een veiligheidsfactor

van

ca. 2,s

t o t

ruim 4 moeten

worden

aangehouden.

Een

motivering

voor

de genoemde veil igheidscoëffi-

ciënten

i s

door

Davidenkoff niet gegeven.

-

17

-

4.2. Stroming b i j ''i = al'

Handboeken en andere publicaties

over

dijken

w

handeling van piping op het ontstaan van grote

jzen b i j de be- verhangen b i j

een

plotse1 inge overgang van stroom1 i j n naar potentiaal 1 i j n zoals zich d a t b.v. voordoet b i j de binnenteen

van

een ondoorlatend gedachte kl eidi j k op een zandondergrond zonder een kl eidek bin- nendi jks.

Doorgaans

worden dan praktische oplossingen gegeven waarbij een dergel i j k "moei7 i j k " p u n t

wordt

ingepakt,

zodat

een wegvoeren

van

materiaal aan het oppervlak niet mogelijk is. Toch i s een (theoretische) oplossing

voor

het p u n t "i = -'I e

van

belang, niet alleen omdat b i j de dijkverbeteringen het

o n t s t a a n

van dergelijke p u n t e n niet uitgesloten kan worden ( z i e b i j l . 4 ) ,

maar

ook omdat d i t van belang l i j k t

voor

de

ver-

klaring van interne erosie b i j verstoringen in binnendijkse klei- lagen. Daarom zal hier ook wat nader op worden ingegaan.

Bij toepassing

van

de wet

van

Darcy zal op de overgang stroom- .

1 ijn/potentiaall i j n ( b i j de binnenteen) een oneindig verhang en d u s een oneindige stroomsnelheid

ontstaan.

Nu

i s bekend ( z i e o.a. 15) d a t de

wet

van

D a w

waarin wordt uitgegaan

van

een

1 ineair verband tussen de f i l tersnel heid

en

het verhang, n i e t

meer

geldig i s a l s

Re

= vd/v t e groot

wordt,

Re < l ( à 10). Hierin i s :

Re = getal

van

Reynolds

v

= filtersnelheid

d = effectieve poriediameter

y = kin.viscoSiteit

Het b l i j k t

nu

dat in de onmiddelijke nabijheid

van

het bedoelde p u n t de wet

van

Darcy niet geldig i s

en

een turbulente stroming

van

het grondwater plaats zal hebben.

Een

theoretische be- schri jving i s niet bekend.

In de l i t t e r a t u u r

wordt

wel verslag gedaan

van

modelproeven waarin dergel i jke punten waren ingebouwd (13, 14) (model-dam op

zandondergrond).

Daarbij werd het verval bepaald

waarbij

een doorgaande erosiegeul in het zand onder de dam

(zonder

damwanden) werd gevormd. Bij de zeer bescheiden afmetingen

van

de modellen (basisbreedte dam in model < 20 cm) bleek d a t de maximaal mogel i j ke verval 1

en voor

de onderzochte

zandsoorten

in verhouding t o t de basisbreedte groot waren: in termen

van

de

coëfficiënt

Cb:

1

a

2,

-

18

I

In het kader van het C.0.W.-pipingonderzoek i s b i j het L.G.M. een onderzoek verricht op grotere schaal ("basisbreedte"

t o t

bi j n d 5

m ) ,

waaruit bl i j k t dat schaal effecten zeker nt'et t e

verwaarlozen z i j n . De i n d r u k bestaat dat het maximaal mogelijke

I

I

I I

verval niinder dan recht evenredig met de lengte van de kwelweg toeneemt. Over deze proeven verschijnt binnenkort een afzonder-

1 I

l i j k verslag.

4.3. kleilagen op zandondergrond.

<c

Over d i t

voor

de Nederlandse omstandigheden belangrijke onderdeel van het pipingprobleem i s i n de l i t t e r a t u u r n i e t veel aangetroffen. Het beperkt zich in f e i t e

t o t

een publikatie van Turnball en

Mansur ( i ) , waarin met betrekking

t o t

de dijkverbeteringen langs de Mississippi een aantal praktische ontwerpregel s wordt aange- geven. Deze ontwerpregel s oeven maxima1 e verti ka1 e verhangen aan over de kleilaag, gedifferentiëerd naar de aard

van

de verbetering. Het verhang i i s daarbij gedefiniëerd a l s het q u o t i ë n t van het potentiaalverschil tussen de onderzijde van de kleilaag en het oppervlak en de vertikale afstand tussen d i e twee niveaus.

*

I

De aangegeven maxjmale verhangen zouden gebaseerd z i j n op erva- ,

rìngen

d i e i n de loop der t i j d e n b i j de Mississippi z i j n opgedaan; een nadere motivering ontbreekt i n het rapport.

De navol gende grenswaarden werden aangegeven:

1.

Verbetering d.m.v. afdekkende lagen i n de uiterwaard:

I I l I

1

j

I

-

dijken zonder berm, ibinnenteen < 0,5 à 0,6

I

i

I

-

dijken met bermen breder dan 45

m,

< 0,6 à 0,7 iteen berm

I

2. Verbetering d.m.v. doorlatende bermen: 'binnenteen d i j k < 0,5 en

< 0,75 i3 0,8 berm

Voorts

wordt

nog vermeld d a t , afhankelijk van de bodemgesteldheid

en

de kerende hoogte de bermen n i e t breder dan 90

t o t

120

m

be-

hoeven t e z i j n . l

,

-

19

-

3.

Verbetering

dam. v. ontl

astbronnen:

Maximaal

verhang

tussen de bronnen o f landwaarts daarvan: imax < 0,5 à 0,6.

Als bermen breder dan 30

m

aanwezig z i j n imax < 0,6 à 0,7.

Ten aanzien van

de i n de

kriteria

opgenomen absolute maten

met

betrekking t o t de bermbreedte moet worden opgemerkt d a t de ver- vallen over de Mis'sissippidijken i n het algemeen wat

groter

z i j n dan b i j de Nedérlandse rivieren. Ten opzichte van het ontwerppeil z i j n vervallen

t o t

10

m

mogelijk.

Overigens i s een enkele opmerking over het toepassen van het

verti-

kale verhang a l s criterium hier op z i j n plaats.

Vanzelfsprekend

moet

de potentiaal in de zandondergrond

een

naar

j

het oppervlak gerichte stroming van een bepaalde "sterkte"

geven

I

I

I

I wil

er

van

een

mogelijkheid

van

zandafvoer

naar

het oppervlak

sprake z i j n . l.

Met

uitzondering van die plaatsen waar reeds

verstoringen

in het samenhangende pakket aanwezig z i j n ( d i e ook bekend z i j n door hun werking b i j eerdere hoogwaters) zal een zandmeevoerende wel zich s l e c h t s

kunnen

voordoen a l s e r een nieuwe verstoring

o n t s t a a t

bij

een (hoger) hoogwater. Afgezien van r e l a t i e f dunne kleilagen waar- i n deze verstoringen op andere wijze, zoals

door

menselijk han- delen, onder invloed

van

dieren e.d., kunnen ontstaan, zullen deze i n het algemeen een gevolg z i j n van een evenwichtsverlies door

een

t e hoog oplopen

van

de potentiaal in r e l a t i e t o t het ge- wicht

van

het samenhangende pakket. Het l i g t daarom

voor

de hand om, behalve op het v e r t i k a l e verhang, ook t e letten op de

ver-

houding tussen het tota.le gewicht van het pakket en de water- druk daaronder. Dit aspekt is dan voornamelijk

van

belang op

Op b i j l a g e 6 is

een

figuur gepresenteerd

waarin

per gemiddeld volumegewicht van het samenhangende pakket

voor

de verschil lende v e r t i k a l e verhangen i de b i j d i e waarden behorende verhouding

tussen

het gewicht en de waterdruk i s gegeven. Het b l i j k t d a t vooral

voor

d e lagere gemiddelde volumegewichten

een eis

aan

een

minimaal gewicht ten opzichte van de waterdruk op het scheidings- vlak zand/klei maatgevend

wordt.

' plaatsen met r e l a t i e f 1 ichte grondsoorten zoals

veen.

-

20

-

5. grondwaterstroming

-

-

n i e t uniform, homogeen zandpakket.

I n publikaties van Kovacs ( z i e 16) wordt een oplossing gegeven voor de beoordeling van het gevaar van interne erosie i n een cohesieloze grond met een korrelverdel ingsdiagram waarin duide- l i j k een grove

en

f i j n e f r a c t i e kan worden onderscheiden, Deze interne e r o s i e

wordt

wel "suffosion" genoemd.

Zoals reeds opgemerkt i s d i t type interne erosie van weinig belang voor Neder1 andse omstandigheden omdat d e bodemtypen

waarin d i t kan plaatsvinden

voor

zover bekend niet o f nauwelijks voorkomen. Niettemin zal hieronder een korte uiteenzetting

worden gegeven.

Bij d i t type interne e r o s i e wordt verondersteld dat de f i j n e r e d e e l t j e s tussen de

grove

f r a c t i e d o o r w o r d t weggevoerd.

Wil d i t kunnen voorkomen dan moet worden voldaan aan een tweetal

voorwaarden

-

de opbouw van de bodem moet zodanig z i j n d a t d e f i j n e d e e l t j e s tussen de grovere getransporteerd kunnen worden (geometrische voorwaarde ).

-

de grondwaterstroming moet

zo sterk

z i j n d a t d e e l t j e s kunnen worden meegevoerd (hydraul ische voorwaarde ).

Een overzicht

van

de manieren waarop het transporteren van f i j n e r e d e e l t j e s door

het

grovere s k e l e t

wordt

beoordeeld,

i s i n (16) gegeven.

De auteur heeft de r e l a t i e tussen de poriedlameter

en

de-. '

korrelafmetingen .waarbij suffosion n i e t zal optreden vastgelegd i n de ;I formul

e:

4 - F ñ

-

a O m i n

I

I

n

D h

n

= poriënpercentage = vormfactor (gem. 10, z i e 17) = mi nimal e korreldiameter

-

I I

û h = effectieve

diameter

zand (Kozehy)

I

Dm

Opgemerkt wordt d a t

voor

het

t o t

s t a n d komen van de fQnm~le veelvuldig gebruik

is

gemaakt van de resultaten van experi-

menten. Daarbij i s de speciaal

voor

deze erosieproblemen bepaalde I

vormfactor

van

belang: het betreffende werk i s n i e t achterhaald.

Een globale beoordel i n g kan worden verkregen door het hanteren van de voorwaarden d i e Istominia heeft gegeven:

i

i

* 21

-

t:

-

geen suffosion u < 1 0

,

-

overgangsgebied 1 0 < u < 2 0

,

-

gevaar

voor

suffosion u > 2 0

,

d 60

d10 u=:--- waarin

Kezdi geeft een aanpak waarbij aangesloten

wordt

op de bekende f i l t e r r e g e l s

van

Terzaghi. In

deze

aanpak

wordt

het

monster

op het korrelverdel ingsdiagram a r b i t r a i r in twee delen verdeeld.

Daarna wordt

beoordeeld of het grove deel a l s f i l t e r

werkt

t.o.v.

het f i j n e .

De

hydraulische voorwaarde

voor

het

transport

van

het bodem- . materiaal i s in f e i t e onopgelost (16).

Enkele specifieke geval1 en kunnen theoretisch worden beoordeeld door een vergelijking

van

de stromingskracht en de weerstand- btedende krachten. Bij een hori zontal

e

ver-

plaatsing in horizontale

stroom

geldt:

Daarnaast zijn de resultaten

van

Cristin die b i j

een

vertikale stroming zijn bepaald, gepresenteerd.

v f (

k r i t ) s 0,5

n

w, waarin w = valsnelheid.

De algemene conclusie u i t het voorgaande: In voorkomende gevallen l i j k t het gevaar

van

suffosion: d.i. het wegspoelen en verplaatsen

van

f i j n materiaal door een grover skelet het best experimenteel' t e kunnen

worden

beoordeeld

.

: I

I

t

-

22

-

6. grondwaterstromi nq

-

heterogeen zandpa kket.

Bij een bodemopbouw waarin min of meer duidelijk twee o f meer grondlager;

van

korrel ig materiaal z i j n t e onderkennen. wordt

voor

de beoordeling

van

het erosiegevaar gebruik gemaakt

van

zogenaamde f i l t e r r e g e l s , Dit z i j n regels, d i e zoals

reeds aangegeven, worden gebrui k t b i j het ontwerp van f i l t e r s . Het geeft de v e r e i s t e voorwaarden waaraan de korrelverdel ingc- diagrammen van

twee

aan el kaar grenzende grondlagen moeten voldoen, enerzijds om (contact) e r o s i e t e voorkomen, anderzijds om een voldoende watzrdmrlatendheid

van

h e t

grove

t . o . v .

het f i j n e materiaal t e bewerkstel 1 igen.

In f e i t e i s alleen de e e r s t e voorwaarde van belang

voor

de beoordel ing

van

het erosiegevaar i n een gelaagde bodem.

De

"dowlatcndheidsvoorwaarde" i s voor de beoordeling

van

hek pipinggevaar n i e t van belang en i s hier tussen haakjes

geplaatst.

De bekendste en.meest toegepaste f i l t e r r e g e l i s d i e

van

Terzaghi: D15

d8 5 d15

< 4 ( <

-

D15 ),

waarin

-

D15 = korreldiameter van het grove materiaal b i j 15 gewichtsprocent ( d o o r de zeef)

d85 = korreldiarneter

van

het f i j n materiaal b i j

85 gewichtsprocent.

d15 = idem b i j 15 gewichtsprocent.

Tevens geldt de voorwaarde d a t de korrelverdelingsdiagrammen ongeveer para1 1 el moeten verlopen.

Een overzicht van meer of minder bekende f i l t e r r e g e l s i s i n (18) gegeven.

-

23

-

7 , Huidige praktijk b i j rivierdijkverbeteringen.

Uit de vocrgaande paragrafen zal het duidelijk zijn d a t het verschijnsel

van

interne erosie in de grond slechts zeer ten dele i s opgelost en in ontwerpregels i s vastgelegd,

Momenteel

wordt

getracht met een C. O.

W.

-onderzoek een bijdrage t e leveren aan deze problematiek, waarbij het onderzoek

toe-

gespitst i s op de Nederlandse omstandigheden. Het i s evenwel

niet t e verwachten d a t de uitkomsten op zeer korte termijn i n

voor

de praktijk toepasbare ontwerpregel

s

vertaald kunnen worderr.

I n afwachting daarvan i s b i j de rivierdi jkverbeteringsontwerpen een zekere gedragslijn ontwikkeld waarmee wordt beoogd de dijken

een rede1 i jke mate

van

betrouwbaarheid tegen interne erosie t e geven, Deze gedragslijn i s

voor

een goed deel gebaseerd op de hiervoor beschreven litteratuur-informatie.

Door de vele onzekerheden die aan de in de

1 itteratuur aangetroffen c r i t e r i a kleven, moet het duidelijk zijn d a t e r nauwelijks sprake kan z i j n

van

uitgebalanceerde ontwerpregels

voor

het aspekt van interne erosie. Het

nauw-

keurig definiëren

van

de veiligheid tegen doorbraak t.g.v. piping in de

vorm

van

een getal i s daarom i n f e i t e onmogelijk. Op grond van ervaringen b i j hoze waterstanden (zie

o.m.

G.O.

W.

-nota S-77.059) kan zonder meer worden gesteld d a t onder bepaalde bodemcondi t i e s zandmeevoerende wel len niet

kunnen

worden voorkomen, tenzij de grondwaterpotential en zouden kunnen worden beheerst. Dit l a a t s t e i s

voor

uitgebreide toepassing op d i t moment onmogel i j k .

Het streven b i j de rivierdijkverbeteringen i s er dan ook op gericht het doorbraakgevaar a l s gevolg

van

de wellen aanvaard- baar klein t e maken,

o.a.

door zodanige maatregelen d a t de plaats

waar

de wellen zich voordoen op een redelijke afstand l i g t van het f e i t e l i j k waterkerende deel van de dijk. De huidige praktijk bij de rivierdi jkverbeteringen l e e r t d a t de verbeteringsmaat- regelen die nodig worden geacht

voor

het verkrifser,

van

een voldoende s t a b i l i t e i t tegen afschuiven, in vele gevallen voldoende zijn om de veil igheid tegen piping aanmerkel i j k t e

vergroten. Soms echter worden aanvul lende voorzieninqen nodig geacht iiiet

het

oog op het pipinggevaar,

-

24

-

Voor de beoordel ing van de rivierdijken

wordt

momenteel zowel gebruik gemaakt

van

de resultaten van de statistisch/empirische aanpak a i s van het

voor

het betreffende dijkvak bepaalde grond- wa terstromi ngspa

troon.

Hieronder v o l g t een overzicht

van

de gebruikelijke

c r i t e r i a ,

g e s p l i t s t naar de s i t u a t i e d i e b i j de rivierdijken a l dan niet frequent worden aangetroffen. Er wordt h i e r b i j steeds v a n u i t ge-. gaan d a t de erosievormen beschreven i n par. 5 en 6 n i e t aan de orde z i j n . Vanzelfsprekend d i e n t d i t per geval gecontroleerd t e worden.

I

i--

- -

-

25

-

, ' I ' I ' 1

Toepassing van de regels

van

Bligh/Griffith/Lane ( z i e par. 3 ) .

Begrenzing kwel hoeveel heid 1 i j k t zinvol. Het in (1) ge- noemde kweldebiet

1,5

m /uur

per

m '

dijk i s niet algemeen toepasbaar en

zou

afhankel i j k moeten worden gesteld van de zandsoort en geometrie.

3

Hierbij twee mogel i j kheden

voor

de beoordel ing van het

pipinggevaar; beide gebaseerd op de empirisch bepaalde regels: I. Toepassing

van

de regels

van

Bi igh/Griffith/Lane.

De stroming via de kleilaag in de uiterwaard zonodig

i n

de beschouwing t e betrekken. De kweliengte dan

t e

rekenen vanaf het

p u n t

waar de raaklijn ( t . p . v . de buitenteen)

aan

de s t i jghoogtel i j n in het zandpakket de buitenwater- l i j n snijdt.

IT.

Beoordel ing

van

het

grondwaterpotentiaalbeeid

b i j de ,

binnenteen door vergelijking met het beeld d a t b i j een ondoorlatende laag met een lengte volgens Bligh/Griffith/ Lane

voor

zou

komen. Het e e r s t genoemde beeld

mag niet ongunstiger z i j n . (par. 3 )

-

. .**e

C .

Bij deze d i jkprofiel en z i j n eveneens 2 mogel i jkheden

Voor

be- oordel

ing:

-

26

-

hi.nnenteen. Grenzen te stel

1 en

aan het verti ka1 e verhang

( z i e .

par.

4.1.1.

. .

I

I

11.

Toepassing van de regels van Bligh/Griffith/Lane.

i

i

I.

als

CI

11.

als b

1

e.

I ...

i

1

1

. . .

_{. . .}

; l . < , .*..,.,...;a .. \..

onbeklede

sloot

.I . . i< I i

achter dijk,

d < 8H'

i

-

I

. ... . . . ! i

-A-l,,,,

* . / / / / C...'.,' ' . .~ --_ .

Beoordeling door vergel ijking van het grondwaterctromings-

patroon bij het uittreepunt

in

de sloot, met dat voor het ge-

van een ondoorlatende laag met een lengte volgens Bligh/

I

i

i

I

val

Gr

i

f

f

i

t

h/ Lane

I i I I i I I .

.._

. ~ , f.

met filter

,

beklede

s l o o t

. .

-

achter dijk, d

<

8H

/ _{/ /} . * , . * , I 6

.

. :

. . .

.

,

..;

;' :,.. ', '+*# . -.. i ... . . . __ - ~

Toepassen van filterregels (zie par.

7) voor het afstemmen

van het toe te passen filtermateriaal op het bodemmateriaal.

/ . .

De

bèoordel ì n g van

het

pìpìnggevaar i s gekoppeld

aan-

d e poten- ti'aal $

i n

de zandondergrond. ( z i e ook

par.

4 . 3 . ) .

-

Geen

maatregelen nodig als b i j A ', , en

voorts

i < 0,5

G

<

-

8 ' -

1 9 1 1,2'

Hierin is * +A = s t i j g h o o g t e op d e overgang samenhangend

pakket-zandondergrond.

G = t o t a l e gewicht samenhangend pakket. Wordt h i e r a a n

niet

voldaan dan d i e n t

A ) het maaive d t e worden verzwaard en/of

B) de g r o n d w a t e r p o t e n t i a a l t e worden verminderd.

Voor o p l o s s i n g :A

komen

d e volgende mogelijkheden i n

aan-

merki ng.

a ) bermen.

il

!

w I .. .* 1

-

De g e h a n t e e r d e "ontwerp" cri

teria

z i j n : hoogte berm

b r e e d t e berm : v o l doende kwel weg1 e n g t e

( t o t

P ) vol gens B l i g h / G r i f f i t h / L a n e en b > 3H

-

28

-

b ) kwelgebieden

G

,

i 6 0,5

‘A 4

-

hoogte kwel

niveau:

afstand kwel kade-di j k: voldoende kwel1 engte ( t o t

P)

volgens Bligh/Griffith/Lane

en

R > 5H

.

Tevens zekerheid

t.a.v.

t i j d i g e vul1 ing kwelgebied

en

s t a b i l i t e i t kwel

kade.

. .

Oplossing ij kan worden bereikt door O . M .

het

aanbrengen

van

-

29

-

b) drainagesystemen

1 a n g s d r a i nage

on

t

1

as

tbronnen

-

B i j d e z e o p l o s s i n g e n s p e c i a a l aandacht

voor

de a a n l e g , het onderhoud en c o n t r o l emiddel

en

voor de beoordel i ng

van

d e werking, ook op de l a n g e duur.

Voor h e t ontwerp

van

d e d r a i n a g e : t o e p a s s e n f i 1

terregel

s

( p a r . 7).

I n geval

van

t o e p a s s i n g

van

o n t l a s t b r o n n e n mag d e poten- t i a a l b i n n e n d i j k s n i e t

t e

hoog oplopen:

* 30

-

8. Samenvatting

In deze

nota

i s een overzicht

gepresenteerd

van

i n de l i t t e r a -

tuur

aangetroffen c r i t e r i a voor de beoordeling

van

het

gevaar

van interne erosie

(piping) in zandgrond.

Zoveel mogelijk z i j n daarbij de verschillende erosievormen

en

de daarbij behorende, daarop afgestemde

cri t e r i a

afzonder1 i j k behandeld.

De gepresenteerde pipingcriteria z i j n b i jeengebracht

met

het oog op toepassingen b i j de rivierdijkontwerpen i n Nederland. Aangezien deze c r i t e r i a doorgaans n i e t specifiek waren bepaald

voor

gebruik onder d i e omstandigheden z i j n i n

het rapport

d e consequenties globaal aangegeven.

Het huidige gebruik

van

de pipingcriteria in de praktijk van

de r i v i e r d i jkverbeteringen i s tevens aangegeven.

~ . . . . - . . .

Li t t e r a t u u r l i j s t

1. Turnbull W.J. and Underseepage and i t s control.

Mansur

C.J.

. Trans

ASCE

no

3247, 1959

2. Vizügyi Közlemènyeh Danube flood 1965

3. Bligh E.M. 4. G r i f f i t h

W.M.

* 5. Lane E.W. 6. Harza L.F. 7 . Centrum Onderzoek Waterkeringen

8 . Mul 1 er-Ki rchen- bauer H, 9. Bazant Z. 10. Davidenkoff

R.

11. Terzaghi K.v. 1 2 Rossum F van, en Zanen A Verslag hoogwater, 1965

The practica1 design

of

i r r i g a t i o n works, Londen 1912

The s t a b i l i t y of weir foundations

on

sand s o i l subject t o hydrost,atic

pressure

Mi

nu

t e s of Proceed i ngs J . C. E . 1913-

14

Vol 197, P t 111.

Securi ty frorn under-seepage masonry dams

on

e a r t h foundations. Trans ASCE

no

100, 1935

U p l i f t and seepage under dams on stand,

Trans

ASCE

no

1920, 1934. I

ì

Nota S-77,059 I

I

Zandmeevoerende wel 1 en. Enkel e aantekeningen

m.

b. t . wellen, d i e tijdens de hoogwaterpe- riode jan-maart 1977 i n de Tielerwaard voor- kwamen e

Zur

Mechanik der F1 iesssandbildung und des hy-

Veroff des I n s t .

fur

Bodenmech. and Grund-

I I I drauiischen Grundbruches

1

I

bau, Karlsruhe 1964 í I

I

Grundbruch

unter der

Spundwand, 1940

Gefährdung der Stauwerk bei Unterströmung,Mittei- l u n g s b l a t t der Bundesanstalt fÜr Wasserbau, 1954 Theoretica1 soi 1 mechanics 1944

Onderloopsheid. Onderzoek naar de aard

van het verschijnsel en methode

te r

bepaling

1

I

I

l

i

van de v e i l igheidscoëfficiënt "De Ingenieur" 1959.

13. Terzaghi K.

von

14.

Bazant

Z.

15. Verruijt A. 16. Kovács

C.

17. Kovács

G.

18. S t r i e g l e r W . , Werner W.

Erdbaumechan i

k

auf

Bodenphysi ka1 i schen

Grund-

lagen, 1925

C r i t i c a l head f o r piping beneatk, weirs

I I I r d Conference on large

Dams,

Stockholm 1948 Theory o f Groundwaterflow.

Evaluation o f investigation related

t o

seepage t h r o u g h earth dams, 1973.

Characterization of the grain-shape i n studies concerning seepage, 1968. Dammbau i n Theorie und Praxis, 1969

I

1

B

ck&

=

= z

ILh

= c

CEPITRUM VOOR ONDERZOEK

I

7 7.374

gei.: vd I gez.:

I

-

C L laile door Lane beschouwde dommen1

n

n

50 percentoge bezweken - . GRENSWAARDE VOO11 : INEOIUM W D

Grondsoort : sand. tinc sand ond silt.

SCHAAL

-

RESULTATEN

VOLGENS LANE

WERKNR. 5‘77.066

WATERKERINGEN JEK. NR. 77.375

-

cb íaiie door Lanc beschouwde dammen1

-

cb lalieen domnon met H < I s ~ ~ .

. 100 !i0 percentage bezweken dommen

+

LEGLNM ALLE M M W E N

-

o*uuW c a n

----

GRMSYIUIRDó VOOR:

Grondsoort: sand. tina sand and rilt

SCHAAL

-

WERKNR. 5-77.066

BIJLAGE

3

get. vdl

gez.

7

TEK. NR. 77.376'

RESULTATEN VOLGENS

BLIGH

CENTRUM VOOR ONDERZOEK

. . . . FIG. 1

- t

FIG. 2 / / / FIG. 3

CENTRUM VOOR ONDERZOEK

BIJLAGE

4

A L S-77.066

DAVIDENKOFF (10) .I * TERZAGHI (11) I & HARZA d

&

DAVIDENKOFF- -

*T6

. *

. . .

.:

.

*. :á: * .

.

,* :

.*'L..

,

...

:.

...

..

. . .

:..

_{. .}

t 1. 1 .

..

*

.

* . n . . HARZA (6) B A ~ A N T ( 9) I .

. .

..

* . *

.

'

.:.

.

. . a . * -Homogene zandondergrond . .

EVENWICHTSVERVALLEN

BIJ

EEN DAMWAND

CENTRUM VOOR ONDERZOEK