Strengere regels voor piping vereisen uitgekiend ontwerp

In het voorontwerp van het Ruimte voor de Rivier project Cortenoever – Voorsterklei was een kwelscherm voorzien van ca. 8,5 m en 18 m lang. Fugro heeft in opdracht van Aannemingsmaatschappij de Vries & van de Wiel het ontwerp van het kwelscherm geoptimaliseerd. In het ontwerp van het kwelscherm is de grondwaterstroming en dus de doorlatendheid een belangrijke factor. Met de unieke HPT-sondering is de doorlatendheid van het watervoerend pakket nauwkeurig bepaald. Vervolgens is de grondwaterstroming onder de dijk bij hoogwater in kaart gebracht met een numeriek model. Hierbij is de waterdruk in de teen van de dijk gedetailleerd bepaald, waardoor het kwelscherm fors korter kon worden. In het basisontwerp was uitgegaan van stalen damwanden, maar door de optimalisatie werd ook de toepassing van een Mixed In Place (MIP) wand van Bauer mogelijk.

Aanleiding

Binnen het Ruimte voor de Rivier project Cortenoever – Voorsterklei van het Waterschap Vallei en Veluwe zijn nieuwe primaire keringen aangelegd, zodat de IJssel bij Zutphen meer ruimte krijgt bij hoge afvoeren (gemiddeld 1x per 25 jaar). Het ‘standaard’ dijkprofiel van de nieuwe keringen heeft een brede pipingberm om het falen van de dijken door zand meevoerende wellen te voorkomen. Op een deel van het dijktracé in het plangebied Voorsterklei met een lengte van circa 1 km ontbreekt de ruimte voor een pipingberm. In plaats daarvan voorzag het referentieontwerp (gebaseerd op de methode Technisch Rapport Zand Meevoerende Wellen, 1999) in een kwelscherm als pipingmaatregel. Afhankelijk van de locatie bedroeg de kwelschermlengte in het referentieontwerp 8,5 m tot 18 m. Opdrachtnemer de Vries & van de Wiel en geotechnisch adviseur Fugro zagen kansen om in de DO fase de lengte van het kwelscherm te optimaliseren op basis van geavanceerd bodemonderzoek en gedetailleerde ontwerpanalyses, mét behoud van robuustheid en waterveiligheid.

Proces ontwerpoptimalisatie

De optimalisatie van het ontwerp omvatte achtereenvolgens besprekening van de aanpak met het Waterschap, het uitvoeren van geavanceerd bodemonderzoek en het opstellen van een numeriek model, met uiteraard de nodige gevoeligheidsanalyses. Op basis hiervan is in overleg met het Waterschap een geoptimaliseerd ontwerp van het kwelscherm vastgesteld.

Veld- en laboratoriumonderzoek

Het geavanceerd bodemonderzoek heeft bestaan uit laboratoriumtesten en traditionele in-situ doorlatendheidsbepalingen in zowel ondiepe (<5 m) als diepe (> 15 m) zandlagen. De Kern van het aanvullend veldonderzoek werd echter gevormd door de HPT-sondeertechniek, waarmee hogere resolutie doorlatendheidsverschillen in zandlagen zijn op te sporen. Het onderzoek voor het kwelscherm bij Voorsterklei is een van de eerste projecten geweest waarbij de HPT is ingezet.

Numeriek grondwatermodel en ontwerp

Op basis van de veld- en laboratoriummetingen is een gedetailleerd grondwatermodel opgesteld. Hierin is speciale aandacht besteed aan de doorlatendheidsverschillen van diverse zandlagen in de ondergrond en het al dan niet continue aanwezig zijn van scheidende lagen. Deze gegevens zijn gebruikt als invoer van een numeriek grondwaterstromingsmodel. Voor twee maatgevende doorsneden is berekend hoe de stijghoogte onder de dijk zich ontwikkelt bij maatgevend hoogwater.

Gevoeligheidsanalyse; een basisvereiste bij ontwerpoptimalisaties

Uit modelberekeningen komt een bepaalde stijghoogte naar voren. Hiermee kan direct een forse optimalisatie worden gevonden. Het is echter van belang ook voldoende veiligheid op te nemen in het ontwerp, om te zorgen voor een robuust en veilig waterkeringssyteem. Het aantonen van een veilige schematisering, rekenmethode en ontwerpresultaat is dan ook een belangrijk aandachtspunt bij ontwerp optimalisaties.

Voor dit specifieke project zijn daarom gevoeligheidsanalyses uitgevoerd op de schematisering van de kleilagen in voorland, in het achterland, de diverse scheidende lagen, doorlatendheden van de twee zandlagen, de rekenmethodiek ten aanzien van heave en de drainerende werking van het achterland. De meest ongunstige situatie is uiteindelijk gehanteerd in het ontwerp. Onder de streep wordt hiermee gekomen tot een veiligheid in de schermlengte van ten minste een factor 3, waarmee een ruimschoots veilig ontwerp is opgesteld.

Schematiseringsfactor

Tegenwoordig kunnen dit soort veiligheden voor onder meer piping bij deterministische analyses worden aangetoond middels schematiseringsfactoren, zoals geïntroduceerd in het Technisch Rapport Grondmechanisch Schematiseren. Ten tijde van het ontwerp was deze methode echter nog niet breed ingevoerd, en is daarom gekozen voor gevoeligheidsanalyses. Schematiseringfactoren zijn beter geschikt om op een vrij objectieve en reproduceerbare wijze de veiligheid van ontwerpkeuzes weer te geven en te vergelijken.

Realisatie

Op basis van de berekeningen is een definitieve en uiteindelijk een uitvoeringsontwerp opgesteld. De lengte van de schermen kwam hierbij uit op respectievelijk ca. 4,5 m en 11,5 m in plaats van 8,5 en 18 m. Voor de kortere schermlengte wordt niet alleen minder materiaal voor het kwelscherm gebruik, maar komen ook andere type schermen in aanmerking. Waar initieel stalen damwanden waren beoogd, kon worden overgestapt op een ‘mixed-in-place’ wand van Bauer. Hiermee wordt niet alleen de wandlengte gunstiger, maar wordt ook de uitvoeringsmethode duurzamer: minder CO2-uitstoot bij productie, minder transport nodig en minder omgevingshinder.

Tijdens de realisatie van het kwelscherm is nadrukkelijk aandacht besteed aan de waterdichtheid van de wand. Een risico is immers het niet volledig verticaal en homogeen uitvoeren van de elementen. Om dit te ondervangen is de materiaalkeuze afgestemd op de lokale grondslag, teneinde te kunnen voldoen aan de gestelde eisen ten aanzien van waterdoorlatendheid. Om te zorgen dat er geen gaten tussen de verschillende Bauer MIP elementen zouden ontstaan is het werk uitgevoerd middels de zogeheten ‘dubbele pelgrimsgang’. Hiermee wordt elke wanddeel ten minste 2 maal volledig doormengd, om ongewenste lekkage te voorkomen.

 

Wij bedanken Fred Hemstra en Richard Moes van Aannemingsmaatschappij de Vries & van de Wiel en Eelco van der Velde van Bauer Nederland voor hun bijdragen aan dit artikel.

 

Auteurs:

Arend Pool en Bas Berbee zijn beiden adviseur Waterkeringen bij Fugro GeoServices B.V.

Geschreven door: Arend Pool en Bas Berbee, beiden adviseur Waterkeringen bij Fugro GeoServices B.V. op 05-07-2019

Log in om een reactie te plaatsen!


Reacties:

Er zijn nog geen reacties geplaatst.