D1) Resterende dijkweerstand

Uitkomsten

De huidige beoordeling van een binnenwaartse afschuiving van een dijk is beperkt tot het voorspellen van de kans op de eerste afschuiving, omdat het daaropvolgende faalproces niet voorspelt kan worden met de conventionele methodes. Tijdens dit project is de Materiaal Punten Methode (MPM) doorontwikkeld, waarmee het proces na de eerste afschuiving geëvalueerd kan worden. Analyses met behulp van MPM van een eenvoudige dijkgeometrie tonen aan dat een significante reductie van de overstromingskans haalbaar is door het gehele faalproces te beoordelen. Bovendien toont de analyse aan dat vervolgafschuivingen waarschijnlijker zijn wanneer de eerste afschuiving veroorzaakt wordt door een zwakke laag.

Figuur 1. Opeenvolging van hellingsinstabiliteiten die tot overstromingen leiden (bron: Foto's van Grubert, P. (2013) en aangepaste schema's uit Calle, E.O.F., Dijk doorbraak processen (2002), Figuur 4.1).

Motivatie en uitdagingen

De uitdaging van dit project is het voorspellen voor welke dijken een afschuiving acceptabel is, wat afhankelijk is van of er na de afschuiving een overstroming plaats vindt. Het faalproces van een afschuiving begint met een scheur in de kruin of binnentalud (Figuur 1, foto 1). Hierna ontstaan er vervormingen wanneer de helling afschuift (Figuur 1, foto 2). Voor dijken met reststerkte kunnen deze vervormingen stoppen voordat een overstroming wordt veroorzaakt. Soms ontstaan er echter grote deformaties (Figuur 1, foto 3) die mogelijk tot een vervolgafschuiving leiden. Een overstroming is voor sommige dijken onwaarschijnlijk, terwijl de vervormingen voor andere dijken tot een dijkdoorbraak leiden (Figuur 1, foto 4). Een eerste afschuiving is acceptabel wanneer een dijkdoorbraak onwaarschijnlijk is. Het meenemen van reststerkte zorgt voor efficiëntere ontwerpen, waardoor versterkingen kunnen plaatsvinden waar ze het hardst nodig zijn. Het modelleren en begrijpen van het faalproces verbetert de voorspelling wanneer het faalproces stopt voordat een dijkdoorbraak ontstaat. Met die kennis kunnen de richtlijnen voor dijkafschuiving worden geëvalueerd en uitgebreid.

Doel van het onderzoek

Voor de implementatie van de nieuwe standaarden voor dijkveiligheid zijn realistische schattingen van de overstromingskans nodig. Dit is echter lastig doordat de huidige methodes enkel het begin van het faalproces voorspellen en niet het gehele proces tot aan overstroming. Het doel van dit onderzoek is het ontwerpen van een methode die het gehele faalproces na een dijkafschuiving kan modelleren, waarmee het effect van reststerkte op de overstromingskans bepaald kan worden.

Figuur 2. De belangrijkste componenten van het modelleren van reststerkte.

Innovatieve componenten

Om te voorspellen of een dijkdoorbraak plaatsvindt na een afschuiving heb ik de (Random) Materiaal Punten Methode, ofwel (R)MPM, ontwikkeld. Hiermee heb ik de reststerkte van dijken bepaald, die volgt uit het verschil tussen de kans op een afschuiving en de kans op een dijkdoorbraak. MPM is een nieuwe methode vergelijkbaar met de Eindige Element Methode, die zowel de start van het afschuiven als de daaropvolgende vervorming modelleert (Figuur 2).

Het model beschouwt een dijksectie, en beschouwt de variabiliteit van de dijk en ondergrond door meerdere realisaties van materiaal eigenschappen te genereren. Elke realisatie is even waarschijnlijk, maar geen van allen zijn hetzelfde. Het faalproces kan zeer variabel zijn door de variabiliteit van de dijk en ondergrond, en MPM is daarom uitgebreid tot een volledige probabilistische analyse (Random MPM), door de realisaties te combineren met MPM. Het huidige probabilistische kader wordt hiermee uitgebreid voor reststerkte. RMPM berekent voor elke realisatie of een afschuiving en een dijkdoorbraak ontstaat, waarna de kans op een afschuiving en dijkdoorbraak berekend worden. Hiermee wordt ook de reststerkte bepaald. De resultaten worden vergeleken met de huidige richtlijnen om inzicht te geven in hun toepasbaarheid.

Relevant voor wie en waar?

Dit onderzoek is relevant voor iedereen die overweegt reststerkte mee te nemen in een dijkontwerp of dijkbeoordeling, en vooral voor brede dijken of dijken hoger dan het waterniveau.

Tot dusver zijn de onderzoekscomponenten ontwikkeld voor typische dijktrajecten in Nederland zonder een specifieke casestudy of locatie op de kaart.

Voortgang en toepassing

Een significante reststerkte was aanwezig in de voorbeelden die getest zijn, vooral voor brede dijken of lage water niveaus (in vergelijking met de hoogte van de dijk). Oftewel, MPM kan de overstromingskans reduceren ten opzichte van de kans op een afschuiving, en daardoor over-conservatieve berekeningen beperken.

De voorbeeld dijken die getest zijn waren relatief zwak in vergelijking met echte dijken, om een hoge eerste faalkans te garanderen en de duur van de berekening te verkleinen. Door de lage sterkte was ook de reststerkte relatief laag. Het voordeel van MPM is daarom naar verwachting hoger voor echte dijken.

De analyses tonen aan dat reststerkte sterk afhangt van de geometrie, de materiaaleigenschappen, de variabiliteit en het water niveau. De huidige richtlijnen voor reststerkte nemen een ‘veilige’ rest geometrie aan, die na een afschuiving nooit tot overstroming leidt. Maar door de grote variatie in uitkomsten is een ‘veilige’ rest geometrie niet gevonden in de resultaten. In andere woorden: de kans op overstroming kan gereduceerd worden, maar wordt nooit 0. Klik op gerelateerde outputs hieronder voor meer details over deze bevindingen.

Aanbevelingen voor de praktijk

Evalueer faalprocessen tot aan overstroming om over-conservatisme te beperken.
Wees voorzichtig met simpele voorspellingen van het faalproces.
Geef een gedetailleerde beschrijving van dijkafschuivingen voor de ontwikkeling van MPM.
Gebruik MPM om het faalproces te modelleren, maar niet als een vervanging van de conventionele methodes voor eerste afschuivingen.
Neem het effect van variabiliteit van de grond op dijk afschuivingen in acht, omdat het leidt tot efficiëntere ontwerpen (met of zonder het modelleren van het faalproces)

Last modified: 29/12/2021