Uitkomsten
Het onderzoek biedt inzicht in twee aspecten die een rol spelen bij het bepalen van een faalkans die beter aansluit op de definitie van de nieuwe normen als overstromingskans. Het grootste deel van het onderzoek (over piping) laat zien in welke mate de benodigde tijd voor pipegroei een rol speelt in de faalkans. Hiervoor zijn labproeven uitgevoerd, een pipegroeimodel ontwikkeld en is deze kennis samengebracht in een tijdsafhankelijk betrouwbaarheidsanalyse. Bij relatief korte belastingduren of bij effectieve noodmaatregelen leidt tijdsafhankelijke pipegroei tot aanzienlijk lagere faalkansen. Daarnaast is verkend in welke situaties interactie tussen faalmechanismen een belangrijke rol speelt.
Boven: De Waal bij Beuningen in 1993 (bron: Rijkswaterstaat / Bart van Eyck). Onder: Onder: Piping in het lab (copyright Sam Rentmeester Fotografie) en in het veld (Foto door Joost Pol).
Motivatie en uitdagingen
De huidige beoordeling van waterkeringen leidt tot hoge faalkansen van bijvoorbeeld piping. Deze conservatieve veiligheidsinschattingen kunnen leiden tot hoge dijkversterkingskosten. Daarom is het van groot maatschappelijk belang om faalkansanalyses aan te scherpen. Het meenemen van de beperkte duur van een hoogwater (bovenste foto), is één van de aspecten om tot realistische faalkansen en efficiëntere ontwerpen te komen.
Falen door piping ontstaat door een grondwaterstroming onder de dijk die zand meevoert, wat leidt tot zeer kleine kanaaltjes (innovatieve componenten figuur) die de dijk ondermijnen. Het interpreteren van pipingobservaties tijdens hoogwater is een grote uitdaging, bijvoorbeeld zandmeevoerende wellen die al vaak ontstaan tijdens relatief lage waterstanden. Om het gevaar van deze wellen in te schatten en adequate noodmaatregelen te treffen, is het van belang om het faalproces beter te begrijpen door middel van laboratoriumproeven en veldobservaties.
Doel van het onderzoek
Het doel van dit project is om faalkansen te kwantificeren waarbij rekening wordt gehouden met de hoogwaterduur en tijdsafhankelijke faalprocessen. Het project richt zich met name op piping.
Innovatieve componenten
Tijdsafhankelijkheid meenemen in faalkansanalyse vereist het kunnen modelleren van het faalgedrag. Daarom bevat het project de volgende innovatieve componenten:
- Beter begrip van de ontwikkeling van het faalproces door middel van experimenten op kleine en grote schaal.
- Modelleren van tijdsafhankelijke pipeontwikkeling als aanvulling op het statische Sellmeijer model.
- Een verkenning naar het belang van fysieke interacties tussen faalmechanismen.
Deze inzichten vertaal ik naar een probabilistisch model, waarin hydraulische belastingen, dijksterkte en faalmodellen worden gecombineerd om de overstromingskans tijdens een hoogwater of op langere termijn te berekenen. Hiermee kan het effect van tijdsafhankelijkheid op de berekende veiligheid worden bepaald in verschillende watersystemen. Het project richt zich op piping, maar vergelijkbare methoden zullen ook toepasbaar zijn voor andere mechanismen.
Piping proces gebaseerd op van Beek (2015) en grafieken van dijkveiligheid in de tijd door Joost Pol
Hoofdonderdelen van het onderzoeksproject (Foto van het lab door Sam Rentmeester Fotografie, copyright. Andere fotos door Joost Pol).
Relevant voor wie en waar?
Waterkeringbeheerders. In het bijzonder in gebieden met relatief korte belastingduren, om berekende faalkansen te reduceren. In alle gebieden is het relevant voor crisisbeheersing.
De bevindingen van dit onderzoek zijn ontwikkeld in het laboratorium en een veldtest, en zullen toepasbaar zijn op dijkversterkingsprojecten in Nederland.
Voortgang en toepassing
Op dit moment (December 2021) is het experimentele deel afgerond. Het komende half jaar wordt de pipegroeimodellering en faalkansanalyse verder verfijnd. De voorlopige resultaten laten zien dat tijdsafhankelijke pipegroei voor een significante reductie vertraging in het faalproces zorgt, en daarmee een reductie in faalkans en opgave. Dit geldt met name in
storm-gedomineerde gebieden, maar ook bij rivierdijken is er potentie in combinatie met tijdige maatregelen zoals opkisten. Ook blijkt dat de kans groot dat een pipingdoorbraak pas na de piek van het hoogwater optreedt, wat van belang is voor de crisisbeheersing tijdens hoogwater. De uitkomsten kunnen gebruikt worden voor maatwerk beoordelingen of ontwerpen, en om de eenvoudige toetsregels voor piping mee aan te scherpen.
Aanbevelingen van All-Risk:
-
Overweeg bij veiligheidsbeoordelingen en dijkversterkingen waar deze baat hebben bij het kwantificeren van tijdsafhankelijke pipegroei.
-
Overweeg om maatregelen (opkisten) mee te nemen in faalkansanalyses; in combinatie met langzame pipegroei leiden deze namelijk to lagere faalkansen of efficiëntere ontwerpen.
-
Leidt een nieuwe eenvoudige toetsregel af voor tijdsafhankelijke pipegroei.
-
Blijf investeren in experimenteel onderzoek naar het pipingproces.
-
Heb aandacht voor mogelijke interacties tussen faalmechanismen bij het gebruik van faalpadanalyses voor het kwantificeren van reststerkte.
Last modified: 07/01/2022
Main researcher
Joost Pol
TU Delft Universiteit
Kleinere faalkans door tijdsafhankelijke pipegroei
De veiligheidsbeoordeling van dijken kan worden aangescherpt door rekening te houden met de tijd die nodig is voor erosie door piping.
Joost Pol
TU Delft Universiteit
View storyline Project outputs
Progression Rate of Backward Erosion Piping: Small Scale Experiments
Reeks experimenten met gedetailleerde pijpstroommetingen om het mechanisme van pijperosie beter te begrijpen.
21/10/2021 by Joost Pol et al.
Bevat: Conference proceedings
Shields-Darcy piping-model. Verschil-analyse met Sellmeijer en D-GeoFlow
Analyse naar de verschillen tussen de Sellmeijer regel en het Shields-Darcy voor piping, met focus op de modelaannames en schaaleffecten.
08/01/2021
Bevat: Report
Progression rate of backward erosion piping in laboratory experiments and reliability analysis
Statistische analyse van pipegroeisnelheden in bestaande labproeven, en een studie naar de potentie van het meenemen van tijdsafhankelijke pipegroei in faalkansanalyse van dijken.
11/12/2019
Bevat: Conference proceedings
Temporal Development of Backward Erosion Piping in a Large-Scale Experiment
Monitoren van de ontwikkeling van piping in een proefdijk op grote schaal, voor een betere inschatting van de tijd tot fallen en het valideren van pipingmodellen.
04/12/2020 by Joost Pol et al.
Bevat: Publication upon journal access
Evenementen
04/10/2021
Reflectie: Risicogebaseerde inspecties en interacties tussen faalmechanismen
De waterveiligheidsnormen gaan uit van een kans op overstromen. Die kans proberen we met allerlei faalmodellen en statistische technieken zo goed mogelijk te benaderen, en vervolgens met gerichte maatregelen te reduceren. Maar in hoeverre levert dat een goed inzicht van de overstromingskans op? En vergeten we geen belangrijke factoren?
27/05/2021
Reflectie: Grootste risico rivieren - splitsingspunt of piping?
Overstromingsrisico langs de Rijntakken: Risico’s van overstromingen langs de grote rivieren vragen continu onze aandacht. Daarbij spelen vele oorzaken een rol, en in deze webinar vroegen we aandacht voor nieuw onderzoek naar de rol van twee van deze oorzaken: de twee splitsingspunten van de Rijntakken en de rol van het faalmechanisme piping. Maar kan het aannemelijk worden gemaakt dat één van beide oorzaken dominant is?
