Realistische faalkansen zijn belangrijk voor dijken in Nederland. Deze vormen namelijk de basis voor de versterkingsopgave (en daarbij behorende investeringen) of voor calamiteitenbeheer. De uitkomsten van LBO1 laten zien dat dit realistische beeld nog niet altijd bereikt wordt. HKV lijn in water heeft daarom onderzoek gedaan naar manieren om op eenvoudige wijze te komen tot realistischere inschattingen van de faalkansen.
Binnen dit onderzoeksproject komen drie onderwerpen aan bod:
Tweelagensysteem bij piping;
3D-fragility curve met belastingduur en waterstand. Links: volledige curve. Rechts: inclusief bewezen sterkte (rood = hoge faalkans, groen = lage faalkans). 3D-Fragility Curves;
s,t-diagram voor normaal geconsolideerde kleimonsters, bij verschillende rekniveaus (fit = gemiddelde). Landelijke set grondparameters.
De onderzoeken sluiten aan bij de rekenregels voor waterkeringen uit het WBI en het BOI. Hieronder worden de drie deelonderzoeken beschreven.
Te hoge faalkansen
Uit praktijkervaringen blijkt dat de huidige methode voor het bepalen van een equivalente doorlatendheid in pipinganalyses bij een tweelagensysteem leidt tot te hoge faalkansen. Deze equivalente doorlatendheid dient als invoer in de Sellmeijer-formule.
HKV heeft samen met Rijkswaterstaat een aangescherpte methode ontwikkeld voor het bepalen van de equivalente doorlatendheid.
Binnen de huidige methode wordt bij een tweelagensysteem (twee aansluitende watervoerende lagen), de equivalente doorlatendheid bepaald op basis van het over de dikte gewogen gemiddelde van de twee doorlatendheden. Hierin hebben dieper liggende watervoerende lagen, die vaak een grote dikte en een hoge doorlatendheid hebben, een relatief grote invloed op de equivalente doorlatendheid. Deze lagen zijn echter minder relevant voor het mechanisme piping. De equivalente doorlatendheid wordt op deze manier overschat.
De aangescherpte methode van HKV gaat ervan uit dat elke laag een bepaald debiet kan vervoeren. Vervolgens is verondersteld dat het volledige debiet van beide lagen richting de pipe stroomt, en daarmee bijdraagt aan erosie van de pipe en het kritiek verval. Het totale debiet is vervolgens teruggerekend naar een equivalente doorlatendheid.
Zowel de huidige als de aangescherpte methode zijn vergeleken met een dataset van D-Geo Flow-berekeningen uit (Romeijn, 2022). Op basis van de vergelijking blijkt dat de aangescherpte methode steeds een scherpere (hogere) inschatting geeft van het kritieke verval (ten opzichte van de huidige methode) én de sterkte niet overschat (ten opzichte van de referentie-berekeningen in D-Geo Flow).
De aangescherpte methode is toegepast op een drietal cases met een tweelagensysteem in Limburg, Zeeland en Rivierenland. Hierbij wisselt het doorlatendheidscontrast per case. Uit de cases volgt dat de aangescherpte methode in alle gevallen leidt tot een hoger kritiek verval dan de huidige methode. Bij toenemende doorlatendheidscontrasten neemt de winst toe, tot een toename van 30 procent in het kritieke verval.
3D-Fragility Curves
Figuur 3 hierboven toont een 3D-fragility Curve: verschillende combinaties van waterstand en belastingduur met bijbehorende conditionele faalkans. Bij faalkansberekeningen voor binnenwaartse stabiliteit wordt regelmatig gebruik gemaakt van Fragility Curves, die de relatie beschrijven tussen de belasting en de conditionele faalkans. Doorgaans is de buitenwaterstand de variërende belasting in de curve, en worden andere belastingen ingeschat met een vaste, vaak conservatieve waarde. Dit leidt tot overschatting van de faalkans.
HKV heeft onderzocht hoe meerdere belastingen meegenomen kunnen worden in de fragility curve. Aan de hand van de twee onderstaande voorbeelden wordt de meerwaarde van deze 3D-fragility curves geïllustreerd.Voor primaire keringen is niet alleen de buitenwaterstand van belang voor binnenwaartse stabiliteit, maar ook de duur van het hoogwater. Immers, de waterspanningen in en onder de dijk hebben tijd nodig om op te bouwen. In een 3D-fragility curve kunnen – naast verschillende waterstanden – meerdere scenario’s voor de belastingduur worden meegenomen.
Het expliciet meenemen van verschillende scenario’s voor de belastingduur resulteert in een lagere faalkans dan een reguliere (2D) fragility curve, omdat de conditionele faalkansen bij kortere belastingduren lager zijn. Bij de reguliere aanpak wordt uitgegaan van één vaste, lange belastingduur, hetgeen erop neerkomt dat alleen de bovenste rij uit de 3D-curve wordt meegenomen.
Daarnaast is met een 3D-fragility curve bewezen sterkte eenduidiger toe te passen, door voor de combinaties van belastingduur en waterstand die de kering eerder heeft doorstaan, de faalkansbijdrage gelijk te stellen aan 0. In reguliere (2D) fragility curves kan geen rekening gehouden worden met de duur van een historisch hoogwater.
In een casus in het beneden-rivierengebied bleek de faalkans bij een 3D-fragility curve een factor 3 lager dan bij een reguliere fragility curve. Toepassen van bewezen sterkte heeft vervolgens geleid tot nog eens een factor 100 lagere faalkans.
Bij regionale boezemkades is nauwelijks sprake van waterstandsvariatie. De boezemwaterstand is dan ook niet de drijvende belasting voor binnenwaartse (in)stabiliteit. Voor boezemkades zijn neerslag en verkeer de drijvende belastingen. Een reguliere 2D-fragility curve, waarin de boezemwaterstand wordt gevarieerd en vaak wordt gerekend met één vaste, hoge verkeerslast, is daarom niet realistisch. In een 3D-fragility curve kunnen neerslag en verkeersbelasting beide worden meegenomen. Expliciet variëren van deze twee belastingen, in plaats van vaste, conservatieve waarden te hanteren, resulteert in een realistischere (en lagere) faalkans.
Ook hier kan bewezen sterkte eenduidiger worden toegepast, door de faalkansbijdrages van historische belastingcombinaties (neerslag en verkeerslast) gelijk aan 0 te stellen.
Bij reguliere (2D) fragility curves is bewezen sterkte amper toe te passen, omdat historische waterstanden weliswaar zijn opgetreden, maar niet in combinatie met de hoge verkeerslast die vaak in de schematisatie wordt gehanteerd.
Landelijke set grondparameters
HKV heeft een verzameling ondergrondgegevens opgesteld, gebaseerd op een bundeling van data van diverse waterschappen. In totaal bevat deze dataset meer dan 5.000 sterkteproeven en meer dan 13.000 classificatieproeven. In opdracht van STOWA heeft HKV vervolgens de waarde van grondeigenschappen van verschillende grondsoorten en de spreiding van deze waarden binnen Nederland onderzocht. Dit heeft geleid tot een landelijke set grondparameters.
In dit onderzoek zijn per grondsoort kentallen afgeleid voor het volume-gewicht en de sterkte. Voor deze parameters zijn een verwachtingswaarde, standaardafwijking en een karakteristieke waarde afgeleid. De afgeleide parameterwaarden kunnen als kentallen worden gebruikt in stabiliteitsanalyses.Uit het onderzoek volgt dat de sterkte-eigenschappen per grondsoort verspreid over Nederland niet veel verschillen. De voorlopige conclusie is dan ook dat voor een groot deel van Nederland (in ieder geval voor de gebieden waar de dekkingsgraad hoog is) dezelfde landelijke parameterset voor grond-sterkte toegepast kan worden. Als onderdeel van het onderzoek zijn analyses uitgevoerd naar het sterktegedrag van klei. Hieruit blijkt dat normaal geconsolideerde monsters bij verschillende rek-niveaus (groter dan 2 procent) vergelijkbaar gedrag vertonen. Ook blijkt dat bij rekken groter dan 2 procent het gedrag van overgeconsolideerde en normaal geconsolideerde monsters, en van isotrope en anistrope monsters, hetzelfde is. Dit betekent dat het bij grote rekken (groter dan 2 procent) niet nodig is om de data vooraf te selecteren op consolidatiegraad en -wijze, waardoor meer proeven geschikt zijn voor de landelijke parameterset. Het onderzoek heeft geleid tot een landelijke set grondparameters, met realistische kentallen voor de grondsterkte. Bij gebrek aan lokale gegevens over de grondsterkte kunnen met deze kentallen toch (zonder aanvullend onderzoek) realistische berekeningen worden gemaakt. Bij uitbreiding van de dekking zal de kwaliteit enkel toenemen.
De hierboven beschreven onderzoeken dragen allemaal bij aan een realistische inschatting van de faalkansen van dijken. De kracht van de methoden is dat ze niet tot nauwelijks extra inspanning kosten, ze bruikbaar zijn binnen de vigerende modellen, en er geen aanvullende gegevens nodig zijn.
Voor meer informatie over deze studies en contactgegevens: www.hkv.nl/actueel/drie-aanscherpingen-in-de-faalkansbepaling-van-dijken.
Mick van Montfoort is adviseur Waterveiligheid en Crisisbeheersing bij HKV lijn in water. De volgende co-auteurs (allen adviseur bij HKV) hebben bijgedragen aan het artikel: Tweelagensysteem: Guy Dupuits, David Knops, Joost Pol; 3D-Fragility Curves: Mick van Montfoort, Jochem Caspers, Pauline van Leeuwen, Menno van Dam; Grondparameters: Jan Tigchelaar, Paulina Kindermann.