Bijlage 18 Geotechniek.pdf

Demen-Dieden Geotechniek

Opdrachtgever: K3Delta

Organisatie

Telefoon

Documentnummer

Lievense Infra B.V.

+31 (0)88 910 20 00

17M7013-R-001

Adres

Datum

Versie

Tramsingel 2 4814 AB Breda

04-04-2019

3

Colofon Contactgegevens dr. W.B. Bartels drs. M.L. Springer

Autorisatie Documentnummer

Versie

Status

17M7013-R-001

3

Definitief

Paraaf

Opgesteld door

Functie

Datum

Dr. W. Bartels

Adviseur

04-04-2019

Geverifieerd door

Functie

Datum

Ir. T. Maas

Technisch specialist

04-04-2019

Akkoord projectleider

Functie

Datum

Drs. M.L. Springer

Projectleider

04-04-2019

Paraaf

Paraaf

Inhoudsopgave 1

Inleiding 1.1 Leeswijzer

5 6

2

Huidige situatie 2.1 Plangebied 2.2 Invloed WBI2017 2.3 Legger en Keur 2.4 Vervolgstappen naar aanleiding huidige situatie en geplande ontwikkeling

7 7 7 8 8

3

Berekeningen met de rekenregel van Sellmeijer 3.1 Uitgangspunten Sellmeijer sommen 3.2 Resultaten Sellmeijer sommen 3.3 Conclusies voor de Sellmeijer sommen

9 9 12 14

4

Berekeningen met D-Geo Flow 4.1 Algemene opmerkingen D-Geo Flow 4.2 Tijdlijn en werkwijze 4.3 Uitgangspunten D-Geo Flow simulaties 4.4 Resultaten D-Geo Flow 4.5 Conclusies modelstudie D-Geo Flow

16 16 16 17 24 24

5

Gebiedsdekkende analyse 5.1 Deklaagdikte 5.2 Stijghoogte 5.3 Conclusies gebiedsdekkende analyse

26 26 29 30

6

Beoordeling haalbaarheid Demen-Dieden

31

Bijlage 1

34

Sellmeijer sommen voor zeven dwarsprofielen

34

Bijlage 2

42

HR 2075 (aangeleverd door Meanderende Maas)

42

Bijlage 3

43

Onderbouwing modelopbouw D-Geo Flow

43

Bijlage 4

51

Onderzoek effect voorlanddikte, voorlandlengte, doorlatendheid en deklaagheterogeniteit

51

Bijlage 5

58

Schematisering van het intredepunt door middel van een gat in de deklaag

58

Bijlage 6

61

Opbarstberekening

61

Bijlage 7

65

Faaldefinities

65

1 Inleiding Natuurmonumenten heeft het initiatief genomen voor het natuurontwikkelingsproject DemenDieden. Het plan bestaat uit het verlagen van de uiterwaarden en het graven van nevengeulen waardoor natuur zich kan ontwikkelen en de waterstand tijdens maatgevende omstandigheden wordt verlaagd. Het is een project van Natuurmonumenten en Rijkswaterstaat in samenwerking met Wetering en K3Delta. De buitendijkse gebiedsontwikkeling tussen Demen en Dieden heeft als doel meer ruimte aan de Maas te geven, de waterstand te verlagen en nieuwe natuur te realiseren. Dit gebeurt via het winnen van klei door het vergraven van de deklaag in de uiterwaard. De keramische klei die hierbij vrijkomt, wordt vermarkt en vormt de financiering voor de uitvoer van het plan. De kleiwinning bevindt zich grotendeels buitendijks waarmee direct aan de teen van de dijk, niet wordt vergraven: een zone van 80 m wordt niet veranderd. Ook de smalle uiterwaard tussen Demen en Dieden blijft onvergraven (zie Figuur 1).

Figuur 1: Voorkeursontwerp november 2018. Ten behoeve van de vergunningaanvraag dient een DO-ontwerp gemaakt te worden, waarbij inzichtelijk wordt gemaakt dat de waterveiligheid gewaarborgd blijft conform de vigerende ontwerp – en beoordelingsinstrumentaria, het OI2014v4 en het WBI2017. Met Waterschap Aa en Maas is afgestemd dat dit ontwerp zich met betrekking tot waterveiligheid zal richten op het faalmechanisme piping. In dit rapport is het faalmechanisme piping op drie manieren onderzocht. Als eerste is de benodigde kwelweglengte bepaald met behulp van de rekenregel van Sellmeijer. Daarna zijn aanvullende berekeningen uitgevoerd met het softwarepakket D-Geo Flow versie 1.0.39057 van

5/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Deltares. Hiermee is het mogelijk om op basis van de rekenregel van Sellmeijer gecombineerd met een grondwatermodel een meer nauwkeurige berekening te maken. Tenslotte is een gebiedsanalyse gedaan naar intrede- en uittredepunten (die bepalen de kwelweglengte). De benodigde kwelweglengte, die berekend is met de rekenregel van Sellmeijer, is zeer lang, waardoor het benodigde voorland langer is dan tweemaal de dijkbasis. Conform bijlage E van de schematiseringshandleiding piping van het WBI2017, is de maximale voorlandlengte die voor de rekenregel van Sellmeijer in rekening mag worden gebracht gelijk aan tweemaal de dijkbasis. Daarom is na overleg met Waterschap Aa en Maas en het Kennisplatform Risicobenadering (KPR1) besloten om aanvullende berekeningen met D-Geo Flow te doen.. De opbouw van het gebruikte model is onderbouwd met gegevens uit het geohydrologisch model van Acacia Water. In D-Geo Flow zijn verschillende gevoeligheidsanalyses uitgevoerd. Uiteindelijk zijn de referentiesituatie en de vergraving geschematiseerd en getoetst door de pipe-lengte, het verval over de ontstane pipe, en het kritiek verval te berekenen en met elkaar te vergelijken. Vervolgens is, aanvullend op de simulaties met D-Geo Flow, een gebiedsdekkende risicoinschatting gemaakt op basis van gegevens van het geohydrologisch model van Acacia Water2 in combinatie met ArcGIS. 1.1

Leeswijzer

Dit rapport is gefaseerd tot stand gekomen, waarbij het in kaart brengen van de huidige situatie en belangen, de berekeningen met de rekenregel van Sellmeijer en de berekeningen met DGeo Flow, opeenvolgend zijn uitgevoerd. Voortschrijdend inzicht voorkomend uit overleg met KPR over deze nieuwe software, heeft in sommige gevallen geleid tot aanpassen en/of verscherping van de uitgangspunten. Hierdoor kan het voorkomen, door nieuwe inzichten, dat uitgangspunten voor oudere berekeningen niet gelijk zijn aan die van nieuwere sommen. Dit is zo duidelijk mogelijk bij betreffende berekeningen aangegeven en in sectie 4.2. Het rapport is als volgt opgesteld: In Hoofdstuk 2 vindt u de informatie over de huidige stand van zaken van het plangebied en de dijkstabiliteit. In Hoofdstuk 3 zijn de berekeningen met de rekenregel van Sellmeijer samengevat. Hoofdstuk 4 bevat de simulaties met de uiteindelijke schematisaties van D-Geo Flow, waarna in Hoofdstuk 0 een gebiedsdekkende, kwalitatieve risico-inschatting is gemaakt. De algemene conclusie en aanbevelingen staan in Hoofdstuk 6. De bijlagen bevatten de uitgewerkte Sellmeijer sommen (Bijlage 1), aangeleverde waterstanden (Bijlage 2), de onderbouwing van de modelparameters en opzet in D-Geo Flow (Bijlage 3), overige schematisaties, onderzoeken en gevoeligheidsanalyses die met D-Geo Flow zijn gedaan staan in Bijlage 4 en Bijlage 5.

1 Waterschap Aa en Maas, Verslag van overleg met KPR over vragen roofgronden en voorland,

deeltraject Demen Dieden van HWBP verkenning dijktraject 36-3. 11 juli 2018 2 Acacia Water, Natuurontwikkeling Demen-Dieden, geohydrologisch onderzoek ten behoeve van MER, definitief 7 november 2018.

6/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Bijlage 6 bevat een opbarstberekening. In Bijlage 7 wordt verder ingegaan op de faalcriteria voor piping.

7/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

2 Huidige situatie 2.1

Plangebied

In Figuur 1 is het plangebied voor de natuurontwikkeling en afgraving weergegeven inclusief de rivier- en dijkkilometrering.

Figuur 1: Plangebied Demen-Dieden met rivier- en dijkkilometer.

2.2

Invloed WBI2017

Sinds 1 januari is het WBI20173 vigerend en vervangt hiermee de VTV2006. Hiermee wijzigen de hydraulische randvoorwaarden en de toetscriteria. Het is niet zomaar te zeggen wat de invloed van de nieuwe normering is zonder het uitvoeren van aanvullende beschouwingen in een veiligheidsanalyse. Kwalitatief kan het volgende opgemerkt worden: • De normfrequentie van dijkring 36 was 1/1.250 per jaar. In het WBI2017 krijgen dijktrajecten 36-2 en 36-3 een overschrijdingsnorm van 1/10.000 per jaar. • Nieuwe hydraulische randvoorwaarden, deze zijn waarschijnlijk hoger, dit werkt door in alle faalmechanismen. • Nieuwe rekenregel van Sellmeijer geeft in veel gevallen een grotere benodigde kwelweglengte. • Nieuwe sterkte en glijvlakmodel voor macrostabiliteit. Dit kan in sommige gevallen gunstig en in andere gevallen een ongunstig effect hebben op de berekende stabiliteitsfactor.

3 https://www.helpdeskwater.nl/onderwerpen/waterveiligheid/primaire/beoordelen-wbi/producten-wbi/

8/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

2.3

Legger en Keur

Gedurende de uitvoering van dit onderzoek heeft waterschap Aa en Maas een nieuwe Legger vastgesteld (vastgesteld op 3 september 2018). Conform de oude legger heeft de beschermingszone vanaf de teen van de waterkering een lengte van 30m. Aansluitend ligt de buitenbeschermingszone met een lengte van 20m. In totaal is de zone 50m. In de nieuwe Legger is de buitenbeschermingszone vergroot en heeft een lengte die varieert. De buitenschermingszone beslaat plaatselijk bijna de gehele uiterwaard. Conform de keur is het niet toegestaan om zonder vergunning in de beschermings- en buitenbeschermingszone werkzaamheden te verrichten zoals het verhogen of verlagen van het maaiveld en het verrichten van afgravingen. Daarnaast is het waterschap bezig met de voorbereidingen voor een dijkversterking van het dijktraject. Om voldoende ruimte te houden voor de dijkversterking wordt niet vergraven binnen 80m vanaf de dijk. 2.4

Vervolgstappen naar aanleiding huidige situatie en geplande ontwikkeling

Naar aanleiding van de geschetste situatie in dit hoofdstuk is met Waterschap Aa en Maas afgestemd dat dit ontwerp zich met betrekking tot waterveiligheid zal richten op het faalmechanisme piping. Indien er binnen 80 m vanaf de buitenteen geen werkzaamheden verricht zullen worden, geeft dit voldoende ruimte om de dijk te versterken met betrekking tot hoogte en stabiliteit. Ten behoeve van de vergunningaanvraag dient een DO-ontwerp gemaakt te worden, waarbij inzichtelijk wordt gemaakt dat de waterveiligheid gewaarborgd blijft conform de vigerende ontwerp – en beoordelingsinstrumentaria, de Handreiking Ontwerpen met Overstromingskansen4 en het WBI2017. In dit rapport is het voorkomen van piping op twee manieren getoetst. Als eerste is de benodigde kwelweglengte bepaald met behulp van de rekenregel van Sellmeijer, zie Hoofdstuk 3Daarna zijn aanvullende berekeningen uitgevoerd met het softwarepakket D-Geo Flow versie 1.0.39057 van Deltares. Hiermee is het mogelijk om op basis van de rekenregel van Sellmeijer gecombineerd met een grondwatermodel een meer nauwkeurige berekening te maken zie Hoofdstuk 4.

4 Ontwerpinstrumentarium 2014v4: https://www.helpdeskwater.nl/onderwerpen/waterveiligheid/primaire/ontwerpen-oi/

9/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

3 Berekeningen met de rekenregel van Sellmeijer 3.1

Uitgangspunten Sellmeijer sommen

Als eerste stap zijn per dijkpaal berekeningen uitgevoerd met de rekenregel van Sellmeijer, conform OI2014v4. Hiermee is de benodigde kwelweglengte berekend. De volgende uitgangspunten zijn gehanteerd voor het maken van de Sellmeijer berekeningen: • Er worden berekeningen uitgevoerd voor 7 dwarsprofielen. Dit betreffen DP409, DP415, DP420, DP424, DP430, DP434 en DP440. De nummering is gebaseerd op de dijkpalen van Waterschap Aa en Maas. Deze zeven profielen zijn gekozen omdat deze verspreid liggen over het hele projectgebied en de aanwezige voorlandlengtes op deze locaties variëren van ruim 300 m tot minder dan 50 m. Tevens is hiermee een spreiding over beide SOSsegmenten (geotechnische zones) bereikt. De berekeningen worden uitgevoerd met de rekenregel van Sellmeijer, conform OI2014v4 en het Onderzoeksrapport Zandmeevoerende wellen5.

•

•

•

•

Er wordt uitgegaan van opbarsten ter plaatse van de binnenteen van de dijk. In de referentieberekeningen van Waterschap Aa en Maas trad overal opbarsten op, op basis van lagere ontwerpwaterstanden. Ook dijkversterkingsproject Meanderende Maas gebruikt het uitgangspunt dat overal opbarsten zal optreden. Voor de tussenliggende dijkpalen is lineair geïnterpoleerd op basis van de dichtstbijzijnde dijkpalen uit de tabel. De ontwerpwaterstanden zijn aangeleverd door Meanderende Maas en opgenomen in Bijlage 2. Conform KPR-advies van Meanderende Maas is de gegeven ontwerpwaterstand een overschatting. De werkelijke ontwerpwaterstand zal iets lager liggen, maar die database is nu nog niet beschikbaar. Voor project Demen-Dieden houden we de hydraulische randvoorwaarden uit de tabel in Bijlage 2 aan. Daarnaast treedt er mogelijk een waterstandsdaling op als gevolg van de uitvoering van project Demen-Dieden. Dit is nog niet meegenomen in de piping-berekeningen, omdat de rivierkundige berekeningen bij de start van dit onderzoek nog niet afgerond waren en de verwachtte waterstandsdaling in het meest conservatieve geval slechts enkele centimeters is. De invloed hiervan op het benodigde pipinglengte is in deze fase beperkt. Hoogtegegevens (profielen) zijn aangeleverd door Waterschap Aa en Maas. Dit betreft per dijkpaal een Leggerprofiel en een ingemeten profiel.

Voor de berekeningen was in eerste instantie uitgegaan van het ingemeten profiel. Op basis van overleg met waterschap Aa en Maas is ervoor gekozen om AHN2-data te gebruiken voor de hoogte informatie, omdat de ingemeten profielen niet overal betrouwbaar zijn. Er zijn dwarsprofielen per dijkpaal gegenereerd met AHN2. De binnenwaterstand wordt gelijk gekozen aan het binnendijkse maaiveldniveau ter plaatse van de binnenteen. Ook bij de aanwezigheid van een sloot wordt dit uitgangspunt aangehouden, omdat in verband met opbarsten de sloot vol zal staan. Geotechnische profielen (niveau onderkant deklaag ter plaatse van binnenteen) zijn bepaald op basis van de oude geotechnische onderzoeken, die zijn aangeleverd door

5 Onderzoeksrapport Zandmeevoerende wellen, Deltares, kenmerk 1202123-003, 2012

10/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

•

•

Waterschap Aa en Maas6. De dikte van de deklaag op het voorland is bepaald op basis van het uitgevoerde grondonderzoek7 op het voorland in combinatie met het door Fugro uitgevoerd EMonderzoek voor project Meanderende Maas. Daarnaast zijn er door Greenhouse Advies een groot aantal boringen uitgevoerd in het kader van archeologisch-/bodemonderzoek8. Verder zijn door Wiertsema enkele boringen en sonderingen uitgevoerd in het kader van Meanderende Maas. Uit al deze bronnen volgt een vergelijkbaar beeld van een vrij dikke deklaag (bijna overal dikker dan 2 meter). o Op basis van de boringen van Greenhouse Advies is er een kleine zandlens aangetroffen ter plaatse van boringen 176 t/m 181. Dit is aan het einde van het voorland (rivierzijde) aan de noordwestzijde van het projectgebied, ongeveer ter hoogte van dijkpaal 442. Dit is buiten de zone van 2x de dijkbasis, dus biedt dit gebied weinig kans om meerwaarde te creëren door een dikkere deklaag aan te brengen. o Op basis van de boringen van Greenhouse Advies is er een gebied aangetroffen waar nauwelijks een deklaag aanwezig is. Dit betreft boringen 255 t/m 279, waar bij een deel van de boringen de deklaag minder dan 0,5 m dik is. Dit is het deel waar het voorland het smalste is (ongeveer tussen dijkpalen 421 en 432).

Hier is mogelijk meerwaarde te creëren door een dikkere waterremmende deklaag aan te brengen dan in de huidige situatie het geval is, om hiermee het risico op piping te verkleinen De dikte van de deklaag in het uittredepunt is gebaseerd op boringen en sonderingen die door Wiertsema & Partners ten behoeve van Meanderende Maas. De dichtstbijzijnde sondering is gebruikt om de onderzijde van de deklaag te bepalen. In combinatie met het maaiveldniveau in het uittredepunt resulteert dit in een dikte van de deklaag. De korreldiameter (d70) is bepaald conform de standaardwaarden die voor het WBI2017 beschikbaar zijn gesteld. Deze waarden zijn per SOS-segment bepaald op basis van VNK-2 gegevens9, zie ook Tabel 1. Voor Demen (dijkpaal 405 t/m 420) zijn deze waarden gebaseerd op SOS-segment 36010 (d70 = 350 μm). Voor Dieden (dijkpaal 421 t/m 448) zijn deze waarden gebaseerd op SOS-segment 36009 (d70 = 300 μm). De genoemde waarden zijn verwachtingswaarden (gemiddelden). Conform de schematiseringshandleiding Piping 10geldt een variatiecoëfficiënt van 0,12 voor d70 met een lognormale verdeling. Voor d70 moet een laag karakteristieke waarde (95% ondergrens) worden bepaald, zie onderzoeksrapport zandmeevoerende wellen. Voor de lognormale verdeling is gebruik gemaakt van de formules uit Bijlage I van de

6 Voor Demen (dijkpaal 405-423) betreft dit Verbetering Maasdijk Neerloon, Ravenstein en Demen – Geotechnisch

rapport uit 2000: Geotechnisch onderzoeken Neerloon Demen.pdf) Voor Dieden (dijkpaal 423-448) betreft dit Verbetering Maasdijk gedeelte Dieden hmp 423-459 – Aanvulling Grondmechanisch rapport uit 1993: Dieden geotechnisch onderzoek.pdf) 7 Meet B.V. rapportages1824-001 (maaiveldmodel) en rapportage 1824-004 (zandspiegelhoogte) 8 Greenhouse Advies (2018): Archeologisch onderzoek Gebiedsontwikkeling Demen-Dieden. Inventariserend Veldonderzoek (IVO-O). GRA-rapport 2018.19 9 Veiligheid Nederland in Kaart 2, https://www.helpdeskwater.nl/onderwerpen/waterveiligheid/programmaprojecten/veiligheid-nederland/ 10 schematiseringshandleiding Piping. Zie ook: https://www.helpdeskwater.nl/onderwerpen/waterveiligheid/primaire/beoordelen-wbi/vraag-antwoord/documentatiewbi/piping/piping/aanvullende-checks/

11/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

schematiseringshandleiding macrostabiliteit. Deze methode is binnen POV-piping afgestemd. Student t-factor is standaard 1,65. Tabel 1: Waarden voor d70 voor de dijk langs het projectgebied (SOS). Verwachtingswaarde

Lage karakteristieke waarde

d70 [μm]

d70 [μm]

Dp 405 t/m 420

350

288

Dp 421 t/m 448

300

246

•

•

• •

De doorlatendheid K is bepaald op basis van de gegevens uit REGIS II v2.2. Daarbij is de gewogen doorlatendheid over de bovenste 50 m van het zandpakket bepaald. Dit resulteert in een doorlatendheid van 60 m/dag (komt overeen met 6,94·10-4m/s) Voor de dikte van het watervoerend pakket is uitgegaan van data uit REGIS II v2.2. Hieruit komt naar voren dat de dikte van het watervoerende pakket meer dan 200 m dik is. Het is onrealistisch om in de Sellmeijer berekeningen uit te gaan van een dikte van de zandlaag van 200 m. Voor de dikte van de zandlaag wordt uitgegaan van 0,5xLbenodigd, waardoor de diepste stroomlijn cirkelvormig is. De veiligheidsfactor γpip volgt uit Bijlage A van OI 2014v4 en bedraagt 1,33 voor dijktraject 36-3. De schematiseringsfactor wordt voorlopig gesteld op 1,1. Dit is de hoogste waarde uit de berekeningen die Waterschap Aa en Maas heeft aangeleverd. Binnen project Meanderede Maas wordt ook met een schematiseringsfactor van 1,1 gerekend.

12/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

3.2

Resultaten Sellmeijer sommen

De resultaten van de berekeningen zijn gegeven in Tabel 2. Tabel 2: Resultaten van de Sellmeijer sommen. Dijkpaal

409

415

420

424

430

434

440

Niveau onderkant deklaag

m+NAP

4,5

4,5

4

4

3,8

3,7

3,8

Maaiveldniveau binnenteen

m+NAP

7,2

7,15

4,3

7,2

6,5

7,4

6,14

Dikte deklaag

m

2,7

2,65

0,3

3,2

0

3,7

2,34

Dikte zandlaag D

m

67

65

90

72

105

56

90

Doorlatendheid k

m/dag

60

60

60

60

60

60

60

Korreldiameter d70

μm

288

288

246

246

246

246

246

Ontwerpwaterstand 2075

m+NAP

11,19

11,1

10,99

10,91

10,83

10,78

10,64

Binnenwaterstand

m+NAP

7,2

7,15

6,7

7,2

6,5

7,4

6,14

Benodigde kwelweglengte

m

134,0

132,0

198,0

120,0

228,0

111,8

194,0

Sellmeijer (schematiseringsfactor = 1,1) X-coördinaat binnenteen

m

-23,2

-23,5

374,0

188,0

221,0

-16,5

-18,4

X-coördinaat buitenteen

m

10,0

11,2

404,0

233,0

257,0

11,4

11,1

Breedte dijkbasis

m

33,2

34,7

30,0

45,0

36,0

28,0

29,5

Benodigde afstand uit

m 100,8

97,3

168,0

75,01)

192,0

83,8

164,5

66,4

69,5

60,0

90,0

72,0

55,9

59,0

buitenteen 2 x Dijkbasis

m

Ad 1: Ter plaatse van dijkpaal 424 t/m 430 is het voorland beperkt en is de aanwezige kwelweglengte inclusief voorland niet voldoende. Binnen het project Demen-Dieden zijn in dit gebied geen aanpassingen voorzien, vanwege het beperkte voorland.De benodigde kwelweglengte is de benodigde afstand tussen het intredepunt (ergens op het voorland) en het uittredepunt (ter plaatse van de binnenteen). Of de benodigde kwelweglengte op het voorland aanwezig is en daadwerkelijk mag worden meegenomen in de veiligheid tegen piping hangt af van de lengte van het voorland en de kwaliteit van de deklaag (dikte en doorlatendheid). Dit is uitgewerkt in bijlage E van de schematiseringshandleiding piping van het WBI2017. De maximale voorlandlengte die in rekening mag worden gebracht is gelijk aan tweemaal de dijkbasis (afstand tussen buitenteen en uittredepunt). De dijkbasis is maximaal ongeveer 35 à 45 meter, waarmee de maximale voorlandlengte die in rekening mag worden gebracht ongeveer 70 à 90 meter bedraagt. Voor alle profielen voldoet de benodigde kwelweglengte vanwege deze aanvullende eis sowieso niet (onafhankelijk van dikte en kwaliteit deklaag op voorland).

13/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

De benodigde kwelweglengte per dijkpaal kan worden gebruikt om voor Waterschap Aa en Maas te onderbouwen tot welke afstand uit de buitenteen de buitenbeschermingszone van de waterkering dient te worden vastgesteld. Dit kan mogelijk geoptimaliseerd worden tot minder dan 100 meter. Op basis van het in 2015 door Meet B.V. (in opdracht van K3Delta) uitgevoerde grondonderzoek op het voorland is de kleilaagdikte voor de beschouwde locaties bepaald. Met Bijlage E van de schematiseringshandleiding piping, zie Figuur 2 en Tabel 3, is vervolgens de leklengte van het voorland berekend. De doorlatendheid van de klei is aangehouden conform de oude geotechnische onderzoeken, die zijn aangeleverd door Waterschap Aa en Maas (0,05 m/dag, schatting op basis van boorresultaten).

Figuur 2: Bepalen van de leklengte van het voorland, overgenomen uit Bijlage E van de schematiseringshandleiding piping.

14/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Tabel 3: Gebruikte waarden voor de bepaling van de leklengte bij de dijkpalen waarvoor een Sellmeijer som gemaakt is. Dijkpaal

409

415

420

424

430

434

440

Deklaagdikte voorland (d1)

m

2,7

2,7

3

2,4

3,8

3,8

2,65

Doorlatendheid klei (K1)

m/s

5,79E-07

5,79E-07

5,79E-07

5,79E-07

5,79E-07

5,79E-07

5,79E-07

Dikte zandpakket (D)

m

67

65

90

72

105

56

90

Doorlatendheid zand (K)

m/s

0,000694

0,000694

0,000694

0,000694

0,000694

0,000694

0,000694

Leklengte voorland (λ1)

m

465,9

458,9

569,2

455,4

692,0

505,3

535,0

Indien de deklaag op het voorland inderdaad zo slecht doorlatend is als de oude geotechnische onderzoeken aangeven, dan draagt het hele voorland bij aan de weerstand tegen piping. Dit is echter een puur geohydrologische beschouwing die niet meer correct is als er een kanaaltje onder het voorland ontstaat. Daarom stelt Bijlage E van de schematiseringshandleiding piping: “Wanneer de fictieve kwelweglengte groter wordt dan twee keer de dijkbasis (buitenteen tot uittredepunt) moet daarom door de beheerder met aanvullende checks worden aangetoond dat de fictieve kwelweglengte volledig mag worden meegenomen.” Om de invloed van de verschillende parameters in beeld te brengen, zijn gevoeligheidsanalyses uitgevoerd met de volgende resultaten: • Gevoeligheid d70: 10% grotere d70, ca. 4% kleinere benodigde kwelweg, 20% grotere d70, ca. 8% kleinere benodigde kwelweg. • Gevoeligheid K: 10% kleinere K, ca. 4% kleinere benodigde kwelweg, 20% kleinere K, ca. 8% kleinere benodigde kwelweg • Gevoeligheid waterstand: 20 cm waterstandsdaling geeft circa 10 à 15 m kortere kwelweglengte 3.3

Conclusies voor de Sellmeijer sommen

Het resultaat van de 1e fase is dat de rekenregel van Sellmeijer niet goed gebruikt kan worden: de benodigde kwelweglengte in het voorland is namelijk groter dan 2 maal de dijkbasis. In deze 1e fase is ook onderzocht welke parameters bepalend zijn voor de benodigde voorlandlengte: deklaagdikte, doorlatendheid en korrelgrootte. De rekenregel van Sellmeijer biedt geen duidelijkheid over de mogelijkheid om in de uiterwaard de kleilaag te verwijderen. Op basis van de rekenregel van Sellmeijer is de mogelijkheid om in het voorland extra weerstand mee te nemen beperkt. Op d.d. 11 juli 2018 is overleg geweest met Dhr. Blinde (KPR). In dit overleg is aangegeven dat in het voorland mogelijk scheuren kunnen ontstaat in de deklaag van 2 à 2,5 m diep, waardoor de doorlatendheid in het voorland toe zou kunnen nemen tot 10-3 m/s en kan een grote weerstand in het voorland niet

15/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

gegarandeerd worden. Op basis van de rekenregel van Sellmeijer (conform OI2014v4) voldoet de huidige situatie niet en zal de situatie na vergraving ook niet voldoen. Door Waterschap Aa en Maas is aangegeven dat het gewenst is om nauwkeuriger in beeld te brengen wat de invloed van de vergravingen in het voorland zijn op de veiligheid tegen piping. Om de invloed van de vergravingen beter in beeld te kunnen brengen, zijn op advies van KPR simulaties uitgevoerd met de Beta-versie van D-Geo Flow.

16/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

4 Berekeningen met D-Geo Flow 4.1

Algemene opmerkingen D-Geo Flow

Bij het werken met D-Geo Flow v1.0.39057 is het belangrijk de volgende zaken aan te geven: • Er is nog geen veiligheidsfilosofie opgesteld, dat wil zeggen dat er geen veiligheidsfactoren zijn waarmee een beoordeling uitgevoerd kan worden. • Er is door Deltares aangegeven de beschikbare versie van D-Geo Flow een beta versie betreft, die niet bedoeld is om mee te adviseren, maar dat het een aanvulling is om gevoeligheden in het gebied te kunnen bepalen. • De totale modelmatige pipe-lengte zoals die geschematiseerd wordt in D-Geo Flow beïnvloedt de modeluitkomst niet. Ieder pipe-element wordt individueel getoetst of het aan de voorwaarden voor terugschrijdende erosie voldoet. Dit heeft invloed op de mogelijke manieren van schematiseren en hoe curves van verval versus pipe-lengte geïnterpreteerd dienen te worden. Dit is nader uitgewerkt in Bijlage 7. Ook wordt hier benadrukt dat dit op een andere manier gebeurd dan de Sellmeijer berekeningen. • Het begin en het eind van de modelmatige pipe dient aan een randvoorwaarde te liggen. Dit is uitgelegd in sectie 4.3.6. • De pipe-groei is niet tijdsafhankelijk. • Het grondwatermodel kàn tijdsafhankelijk worden gemaakt. Dit wordt echter nog niet aanbevolen door Deltares. • Bij het verval dat door D-Geo Flow berekend wordt, dient nog 0,3D te worden opgeteld. Dit is aangegeven bij een ontmoeting tussen POV Piping en Deltares.

Deltares doet hier nog nader onderzoek naar. 4.2

Tijdlijn en werkwijze

Door Lievense is in augustus begonnen met de eerste D-Geo Flow berekeningen op aanraden van KPR. Hierbij is in eerste instantie de invloed van de lengte van het voorland op piping in kaart gebracht door naar de lengte van de ontstane pipe te kijken bij verschillende voorlandlengtes. Dit sluit aan bij de faaldefinitie van piping conform het WBI2017, zie Bijlage 7. Dit is de eerste schematisatie. Terwijl dit onder review was bij Dhr. Blinde (KPR/Deltares) is begonnen met de vervolgstap: in kaart brengen wat er gebeurd met de pipe als er een zwakte in het voorland zit. Dit kan natuurlijk komen door een lokaal zwakkere deklaag (denk hierbij aan een scheur, of een dunnere deklaag) of door een vergraving. Dit is de tweede schematisatie. De resultaten van zowel de eerste als tweede schematisatie staan in Bijlage 4. Hierna – op 29 november 2018 – kwam het review binnen vanuit Deltares op de eerste schematisatie. Het belangrijkste punten uit deze review waren de locatie en het type van de randvoorwaarden. Met name de rivier diende breder geschematiseerd te worden. Het effect van de randvoorwaarden is getest, en hoewel andere keuzes gemaakt hadden kunnen worden, had het type randvoorwaarde nauwelijks effect op het resultaat, zie ook 4.3.4. Deze zaken zijn getest met de tweede schematisatie.

17/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Gedurende dit proces is de wens uitgesproken door Waterschap Aa en Maas om naast de lengte van de ontstane pipe (conform het criterium voor piping in het WBI2017) ook het verval over de pipe in combinatie met het kritiek verval mee te nemen. Toen het kritiek verval werd bepaald bij de tweede schematisatie bleken er zeer hoge waarden uit te komen, dit sloot niet aan bij de verwachtingen. De verklaring voor dit hoge kritieke verval kan teruggelezen worden in Bijlage 4, sectie ‘ Aanvullende berekeningen: kritiek verval’. Om dit verder te onderzoeken is een groot aantal scenario’s geschematiseerd en berekend en is een bezoek gebracht aan Jonathan Nuttall van Deltares op 20 december 2018. Ten eerste zijn een deel van de bovengenoemde algemene opmerkingen, zie sectie 4.1, aan het licht gekomen. Ten tweede is een discussie gestart over de hoge waarden voor het kritiek verval. Uiteindelijk is uit overleg met de POV Piping en Deltares geconcludeerd dat wanneer een pipe voorbij een zwakke zone probeert te groeien het een onverwachte, en modelmatige, sterkte haalt uit het voorland. Dit leidt tot onrealistisch hoge kritieke vervallen wanneer enkel naar de eindwaarde van het kritiek verval wordt gekeken. Hierna is afgestemd met Dhr. Blinde om anders naar het kritiek verval te kijken: de curve voor het kritiek verval bestaat in zulke schematisaties uit een tweetraps curve.

Hierbij dient het eerste buigpunt als kritiek verval te worden genomen. Hier kan vervolgens ook de kritieke pipe-lengte bij worden gevonden, dat wil zeggen de maximale lengte die een pipe kan bereiken voor hij ‘doorschiet’ naar het intredepunt. Dit wordt toegelicht in 4.3.3 en Bijlage 7 waar ook de gehanteerde faaldefinities worden besproken. Na deze ontmoetingen heeft een derde schematisatie in overleg met Dhr. Blinde (KPR/Deltares, op 6 februari 2019) plaatsgevonden waarbij een gat in de deklaag is aangebracht om het intredepunt op het juiste punt te kunnen aanbrengen en direct realistische waarden voor het kritiek verval te kunnen berekenen. De waarden die uit deze sommen kwamen, lagen in de buurt van die van de Sellmeijer berekeningen en hadden de goede orde grootte. De resultaten zijn opgenomen in Bijlage 5. Echter, het gat in de deklaag heeft toch een onevenredig grote invloed op het modelresultaat. Dit betekent dat de derde schematisatie niet helemaal correct was. Dit heeft geleid tot een vierde schematisatie wederom in overleg met Dhr, Blinde (KPR/Deltares). Deze laatste schematisatie wordt in onderstaande paragraaf gepresenteerd en kan gezien worden als de best mogelijke schematisatie voor deze situatie. 4.3

Uitgangspunten D-Geo Flow simulaties

4.3.1

Controle opbarsting

Opbarsten van de deklaag is een vereiste voordat piping op kan treden. Om te verifiëren of dit plaatsvindt is in een opbarstberekening toegevoegd in

18/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Bijlage 6. Hieruit volgt dat inderdaad opbarsten plaatsvindt. 4.3.2

Opzet van de berekeningen: parameterkeuze en schematisatie modelopbouw

Onderzocht is wat de invloed van de vergravingen in het voorland zijn op piping bij de primaire waterkering. In het ontwerp is als uitgangspunt genomen dat er in het voorland op 75 m ± 10 meter vanaf de buitenteen van de dijk geen vergravingen plaats zullen vinden. Met behulp van D-Geo Flow zijn diverse gevoeligheidsanalyses uitgevoerd om te bepalen hoe de vergraving het meest realistisch geschematiseerd kan worden en welke parameters bepalend zijn voor het ontstaan van piping. Een deel van de gevoeligheidsanalyses is toegevoegd in Bijlage 3. Keuze van locatie dwarsdoorsnede De opzet van de berekening in D-Geo Flow is gebaseerd op de uitgangspunten beschreven in Hoofdstuk 4, welke ook afgestemd zijn met waterschap Aa en Maas. Daarnaast is het geohydrologisch model van Acacia Water gebruikt om de invoerparameters te toetsen. Er is voor gekozen om één doorsnede te beschouwen. Hierbij is dijkpaal 440 gekozen, omdat hier de theoretisch benodigde kwelweglengte op basis van de Sellmeijer berekening binnen het plangebied het langst is. De onderbouwing van de gekozen modelopbouw staat in Bijlage 3. Schematisatie van het intredepunt Om tot de schematisatie te komen van het intredepunt is de deklaagkaart uit het geohydrologisch model, aangevuld met lokale bodeminformatie, gebruikt om een inschatting te maken van de kwaliteit van de deklaag.

Een deel van die kaart is weergegeven in Figuur 3. De volledige kaart is te vinden in Figuur 9.

Figuur 3: Deklaaginformatie uit het geohydrologisch model. De deklaaginformatie laat zien dat in een zone (zwarte en blauw lijn) van 80 m rond de dijk (oranje lijn met bolletjes) plekken met een deklaag dunner dan 2,5 m (rood) of tussen de 2,5 m en 3,0 m (oranje) voorkomen. Deze dikten zijn gevoelig voor scheuren en kunnen dus allemaal mogelijke intredepunten vormen. De volledige kaart is te vinden in Figuur 9.

Hieruit blijkt dat er meerdere zwakke punten in de deklaag zitten, óók binnen de zone van 80 m rondom de dijk. Dit zijn allemaal potentiele intredepunten. Gekeken is naar de situatie waarin één intredepunt op de 80 m grens gelegd wordt, dat wil zeggen 75 m ± 10 van de kruin, op basis van de voorgenomen vergravingen in het voorland. Dit is niet het meest conservatieve scenario dat uit deze data gedestilleerd kan worden. Immers kunnen op basis van de kaarten in Figuur 3 meerdere zwakke zones of intredepunten tot aan de teen van de dijk geschematiseerd

19/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

worden. Er is gekozen voor het 80 m punt omdat hier de rand van het projectgebied ligt en omdat in deze zone de dijkversterking voor hoogte en stabiliteit zal plaatsvinden. Geologische modelopbouw De geologische modelopbouw is schematisch weergegeven in Figuur 4. De meegenomen dikte van het watervoerende pakket is 80 meter omdat uitgegaan is van 0,5*Lbenodigd (minimaal benodigde kwelweglengte) waarbij de diepste stroomlijn cirkelvorming is. Uit REGIS II v2.2 volgt dat de totale dikte van het watervoerend pakket ongeveer 180 meter is. In verband met de waarden uit het geohydrologisch model (ongeveer 90 meter diep) en de daaruit volgende onderbouwing in Bijlage 1, de rekentijd, en de werkbaarheid van het model, is uitgegaan van één zandlaag met een beperkte dikte van 80 meter.

Figuur 4: Schematisatie van de modelopbouw. De totale lengte is 600 meter. De as van de rivier ligt op 450 meter van de buitenkruin.

4.3.3

Opzet van de berekeningen: randvoorwaarden

Figuur 5: De randvoorwaarden die gebruikt zijn bij de schematisatie.

Heave randvoorwaarde aan het uittredepunt De stijghoogte in het watervoerendepakket is meegenomen als heave randvoorwaarde aan de binnenteen. De 0,3D regel is meegenomen in de berekening11, volgens de formule: 𝑃 = 1000 ∗ 9,81 ∗ (ℎ𝑒𝑥𝑖𝑡 − 𝑧) + 0,3 𝐷 ∗ 1000 ∗ 9,81 Waarbij hexit de hoogte is van de deklaag bij de binnenteen van circa NAP +6,2 m, z de grens tussen het watervoerend pakket en de deklaag van NAP +4,0 m en D de dikte van de deklaag aan de binnenteen van 2,2 m. Hieruit volgt dat de weerstand die op de locatie van de binnenteen op 28,0 kPa ligt. Hierbij is de veiligheidsfactor van 0,3 meegenomen. Deze

11 Zoals beschreven in van Beek, V., Use of the 0.3D rule in D-Geo Flow. Delft : Deltares, 2018. 11200575-028-GEO-

003

20/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

weerstand wordt als heave randvoorwaarde toegekend aan het uittredepunt aan het begin van de pipe. Riverside-head boundary voor de buitenwaterstand Als riverside-head boundary is een hoogwatergolf gebruikt. Het verloop van een hoogwatergolf is bepaald aan de hand van de WBI Waterstandsverlooptool voor de Bovenmaas traject Maas_5. Het verloop is afgeleid voor de ontwerpwaterstand voor 2075 van NAP +10,6 m, zie Figuur 6 en Tabel 4. Met behulp van het geohydrologisch model is een berekening gemaakt om de invloed van de vergravingen op de stijghoogte in de binnenteen van de dijk te bepalen. Ook in de geohydrologische berekeningen is uitgegaan van onderstaande hoogwatergolf. Tabel 4: Waterstandsverloop Maas_5 WBI aangepast aan de ontwerpwaterstand voor 2075 naar NAP +10,6 m. Tijdsverloop – ontwerpwaterstand 2075

Stijging (m)

Waterstand (m +NAP)

1-8-2018 00:00

0

7

4-8-2018 18:00

3,2

10,2

7-8-2018 06:00

0,4

10,6

8-8-2018 07:00

-0,2

10,4

14-8-2018 03:00

-3,4

7

Maas Waterstand (m +NAP)

11 10,5 10 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 1-08-2018

3-08-2018

5-08-2018

7-08-2018

9-08-2018

11-08-2018

13-08-2018

Figuur 6: Verloop hoogwatergolf

Daarnaast is het kritieke verval bepaald. Wanneer dit verval overschreden wordt, ontstaat een doorgaande pipe. Het kritieke verval is bepaald door de riverside-head boundary te veranderen van een hoogwatergolf naar een lineair stijgende functie. Bij een voldoende aantal tijdstappen kan zo het faalpunt (pipe-lengte en kritiek verval) worden bepaald. Naar gelang de schematisatiekeuze is dit een ‘twee-traps’ of ‘enkel-traps’ grafiek, zie Figuur 8d,e,f. In alle gevallen dient het eerste buigpunt als kritieke pipe-lengte en kritiek verval te worden beschouwd. Wanneer een pipe onder een zwakke zonde wordt geschematiseerd, zoals in zie Figuur 8a,b, leidt het gebruik van het maximaal berekende kritieke verval tot onrealistisch hoge kritieke vervallen, zie Bijlage 4.

21/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Polder level boundary voor binnendijks peil Er wordt een constant polderpeil aangenomen gelijk aan de maaiveldhoogte (NAP +6,2 m ). Dit komt overeen met een volle sloot. Polder side dike boundary voor kruin en binnendijks talud van de dijk Deze randvoorwaarde maakt kwel door de dijk heen mogelijk. Hier hoeven geen waterstanden voor te worden gedefinieerd. No-flow boundary voor overige randen De overige randen zijn als no-flow randvoorwaarde gedefinieerd. Het gebruik van deze randvoorwaarde is geverifieerd met een gevoeligheidsanalyse, zie 4.2 en 4.3.4. 4.3.4 Effect van modeldimensies op het modelresultaat Er is gekeken wat het effect is van de modeldimensies op het modelresultaat. Het verlengen van de rivierzijde tot 0,5*rivierbreedte (80 m), en het verlengen van de binnendijkse zijde tot 125 m uit de binnenteen heeft niet geleid tot een significant andere pipe-lengte. De huidige keuzes leiden tot een conservatievere inschatting. 4.3.5 •

•

•

•

Aanvullende uitgangspunten simulaties Het voorland van dijkpaal 440 is in de huidige situatie circa 380 meter. In de ontwerpsituatie, na het vergraven van de deklaag, heeft het voorland nog een lengte van 75 à 85 meter. De dikte van de deklaag in het voorland is ongeveer 3,5 m, lokaal bevinden zones waar de deklaag dikker of dunner is. De waarden voor de doorlatendheid van de deklaag op het voorland zijn bepaald op basis van het advies van Dhr. J. Blinde van het KPR d.d. 11 juli 2018. Door Dhr. J. Blinde is aangegeven dat de doorlatendheid van het voorland moeilijk te bepalen is. Omdat het voorland gedurende een groot deel van het jaar droog staat, kunnen scheuren in de deklaag ontstaan. Hierdoor wordt de deklaag meer doorlatend en zal de lengte van het voorland dat in rekening gebracht mag worden afnemen. Als eerste indicatie is geadviseerd om een berekening uit te voeren met een doorlatendheid van 1·10-4 à 1·10-5 m/s (5 m/d). De deklaag is in verband met modeltechnische redenen opgedeeld in delen met dezelfde kenmerken: voorland, achterland, deklaag-dijk. Wanneer hoog doorlatende zones zijn geschematiseerd, zijn alleen de doorlatendheden aangepast. De doorlatendheid van een afsluitende deklaag is gezet op 0,05 m/dag. Voor een hoge doorlatendheid is op advies van KPR 5 m/dag aangenomen.

Voor teruggelegde klei ter plaatse van de afgegraven geulen is een doorlatendheid van 2 m/dag aangenomen. De dikte van de deklaag aan de binnenteen is 2,2 m, bepaald aan de hand van boring B0312. In verband met de waarden uit het geohydrologisch model en de daaruit volgende onderbouwing in Bijlage 3, vanwege de rekentijd, en de werkbaarheid van het model, is uitgegaan van een constante dikte en doorlatendheid van de deklaag in het voorland.

12 B01-B15_Boorprofielen. Gebiedsontwikkeling Demen Dieden 17M7013

22/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

•

4.3.6

In het geohydrologisch model is een onderdoorlatende laag geschematiseerd op een diepte van NAP -10 m. De aanwezigheid van deze laag is onzeker. Uit een gevoeligheidsanalyse (zie Bijlage 3) komt naar voren dat de aanwezigheid van de ondoorlatende laag een gunstig effect heeft op het risico voor piping (het risico neemt af). Dit sluit aan bij de verwachting op basis van de relatie tussen de parameters in de Sellmeijer som. Omdat niet met zekerheid gezegd kan worden dat deze laag aanwezig is, is er in voorliggende berekeningen vanuit gegaan dat de ondoorlatende laag niet aanwezig is. Schematisatie referentiesituatie en vergraving in D-Geo Flow

In deze casus is een zone van 80 meter als minimale voorlandlengte na afgraving gehanteerd en een totale voorlandlengte van 380 meter in de huidige situatie. De situatie waarin een zwak stuk van de deklaag aan de 80 meter zone grenst en tevens als intredepunt fungeert, is schematisch weergegeven in Figuur 7. Echter kan dit met de huidige software niet doorgerekend worden: het intredepunt dient aan een randvoorwaarde te grenzen, waardoor de deklaag ter plaatse van het intredepunt onderbroken dient te zijn in het model. Verschillende mogelijkheden zijn getest, zie Bijlage 4 en Bijlage 5. Na een aantal gevoeligheidsanalyses gericht op het vinden van de correcte schematisatie, zie sectie 4.2, is uiteindelijk de opzet gehanteerd van Figuur 8.

Figuur 7: Schematisering zwakke plek in deklaag binnen net buiten de 80 meter zone, met daaronder het intredepunt. De locatie van de zone met hoge doorlatendheid (rood) kan gevarieerd worden. WVP 1 staat voor watervoerend pakket 1. Ook het coördinatensysteem dat gehanteerd wordt is aangegeven.

23/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Figuur 8: De definitieve schematisaties voor de referentiesituatie (a), en vergravingen (b,c) bij DemenDieden. De vorm van de kritieke vervallen versus de lengte van de pipe is weergegeven in (d,e,f). Merk de ‘twee-traps’ vorm op voor scenario (a,b) wanneer een pipe onder een zwakke zone door wordt geschematiseerd. (a) Schematisatie van de referentiesituatie: De zwakke zone heeft een breedte van 25 meter, zodat dit overeenkomt met de breedte van een gridcel in het grondwatermodel, en een doorlatendheid van 5 m/dag (overige deklaagdelen K=0,05 m/dag). Daar het grondwatermodel is aangescherpt met lokale informatie, en dit nog steeds cellen geeft met deklaagdikten kleiner dan 2,5 meter, is dit een veilige aanname die hier goed bij aansluit. Hier wordt nog eens benadrukt dat gekozen is om slechts één zwakke plek te schematiseren op 80 meter van de dijk, en dat uit aanwezige informatie ook tot een andere schematisatie kan worden gekomen waarbij een zwakke plek dichter bij de dijk zou kunnen liggen. Omdat als uitgangspunt is gehanteerd dat er binnen 80 m van de dijk geen vergravingen plaats zullen vinden en de dijkverstering in deze zone plaats vindt, is deze schematisatie binnen de scope van dit project het meest geschikt. Dit scenario is tweemaal doorgerekend. Éénmaal met een hoogwatergolf. Andermaal om het kritiek verval te bepalen.

(b),(c) Vanwege de uitkomsten bij de gevoeligheidsanalyse van het effect van de breedte van het gat, zijn twee schematisaties gemaakt voor de vergraven situatie. Ook hierbij geldt weer dat in de zone van 80 m rond de dijk eventuele extra intredepunten kunnen worden geschematiseerd op basis van de beschikbare bodemgegevens. Met andere woorden, in deze situatie wordt ervanuit gegaan dat in de 80 meter zone geen doorlatende zones / intredepunten zijn. Volgens Figuur 3 kan dit ook conservatiever gekozen worden. Opmerking: Na de vergraving wordt klei teruggeplaatst. Het is daarom beter om met schematisatie (b) te rekenen. Er is een aanname gedaan voor de weerstand die deze teruggebrachte klei biedt: 2 m/dag of 5 m/dag.

24/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

4.4

Resultaten D-Geo Flow

De resultaten van bovenstaande scenario’s zijn samengevat in Tabel 5. Tabel 5: Samenvatting van de resultaten van de modelscenario's. W zone = breedte van de zwakke zone, Lpipe = lengte ontstane pipe. Kzone en Kdek refereert naar de doorlatendheid van de zwakke zone en de intacte deklaag. LMHW, HMHW = lengte pipe en verval over de pipe bij gebruik van de hoogwatergolf. L crit, Hcrit = kritieke pipe-lengte en kritiek verval. 0,3 D is gelijk aan 66 cm. Scenario

Naam

Wzone

Kzone

Kdek

Lpipe

H+0.3D

Ratio MHWKritiek

Voor

Test4a (MHW)

25

5 m/d

0,05 m/d

LMHW

Lcrit

HMHW

Hcrit

12,5

54,3

3,7+0,66

5,6+0,66

6,26/4,36

= 4,36

= 6,26

= 1,4

3,7+0,66

4,72+0,66

5,38/4,36

= 4,36

= 5,38

= 1,2

3,7+0,66

4,41+0,66

5,07/4,36

= 4,36

= 5,07

= 1,2

3,5+0,66

3,5+0,66

4,16/4,16

= 4,16

= 4,16

=1

Test4b (Hcrit) Na

Test4c (MHW)

280

2 m/d, 5m/d

0,05 m/d

18,1

54,3

Test4d (Hcrit) Na

Test4e (MHW)

280

5 m/d, 5m/d

0,05 m/d

21,2

45,9

Test4f (Hcrit) Na

Test4g (MHW

280

oneindig

0,05 m/d

= Hcrit)

4.5

44,7

44,7

Conclusies modelstudie D-Geo Flow

De Sellmeijersommen voor dit dijktraject hebben een benodigde veiligheidsfactor van 1,33 (OI2014v4) en een schematiseringsfactor van circa 1,1 (TR grondmechanisch schematiseren bij dijken en Addendum I bij de Leidraad Rivieren). De totale gehanteerde factor is daarmee 1,33 maal 1,1 = 1,46. In de D-Geo Flow sommen geldt dat in de referentiesituatie de ratio tussen het kritische verval (waarbij een doorgaande pipe ontstaat) Hcrit en het verval over de pipe tijdens MHW, HMHW, 1,4 is. Dit is niet gelijk aan een veiligheidsfactor, maar wel indicatief voor de marge die beschikbaar is voordat het kritiek verval bereikt wordt. Dit kan worden omschreven als een krappe marge wanneer de huidige schematisatie gevolgd wordt. De schematisatie is namelijk niet zo conservatief mogelijk gekozen (zie toelichting van Figuur 3, Figuur 8 en paragraaf 4.3.2). Er is dus een reële kans dat de factor lager uitvalt. Daarom wordt aanbevolen om dit mee te wegen in de beoordeling van de huidige situatie. Dat wil zeggen dat er voor de referentiesituatie wordt aanbevolen om maatregelen tegen piping te onderzoeken. Na vergraving wordt de factor verkleind tot 1,2. Dit betekent een verslechtering van de situatie. De verslechtering lijkt niet zodanig dat dit extra maatregelen noodzakelijk maakt bovenop de al voorziene maatregelen in het project ‘Meanderende Maas’.

Zeker wanneer de voorziene waterstandsdaling die de vergraving met zich meebrengt wordt meegenomen.

25/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Op basis van: 1. de noodzaak voor pipingmaatregelen in de huidige situatie, 2. de capaciteit van de mogelijke dijkversterkingsmaatregelen om ook effectief te zijn in een verslechterende situatie en 3. de waterstandsverlaging die de vergraving oplevert (circa 6 cm), wordt geoordeeld dat de vergraving leidt tot een kleine toename van het pipingrisico maar dat de vergraving niet bepalend zal zijn voor het ontstaan van doorgaande pipes.

26/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

5 Gebiedsdekkende analyse De daadwerkelijk aanwezige kwelweglengte is een belangrijke parameter in een pipinggevoeligheidsanalyse. Het is daarom van belang te kijken waar intrede- en uittredepunt precies gesitueerd kunnen zijn langs het dijktraject en wat voor invloed de vergraving in het voorland hierop heeft. Er wordt aangenomen dat de locatie van het intredepunt ligt waar de deklaag de laagste weerstand heeft. Dit betekent dat deze ofwel een geringe dikte heeft, ofwel van een meer doorlaatbaar materiaal is dan de omliggende zones. De grenswaarden zijn gebaseerd op advies van KPR (2,5 m dik is een minimum voor een veilige deklaag, voor een deklaag met scheuren is een doorlatendheid van 5 m/dag aangenomen). De locatie van het binnendijkse uittredepunt is afhankelijk van het voorkomen van opbarsten van de binnendijkse deklaag. Om een kwalitatief inzicht te krijgen is hiervoor de verandering in de stijghoogte net onder de deklaag gebruikt, tijdens MHW. Deze gegevens komen uit het geohydrologisch model van Acacia Water. Om een gebiedsdekkend beeld te krijgen van mogelijke zwakke plekken die al aanwezig zijn in de huidige situatie èn na afgraving, zijn inputparameters uit het geohydrologisch model in combinatie met ArcGIS en D-Geo Flow gebruikt om risicogebieden aan te geven. 5.1

Deklaagdikte

In de huidige situatie komen deklagen dunner dan 2,5 meter regelmatig voor, zie Figuur 9 en Figuur 10. Wanneer als eis 3,0 meter wordt aangehouden, verandert het plaatje aanzienlijk, zie Figuur 10, en valt een groot deel van het projectgebied én de zone van 80 meter (voorlandlengte bij volledige afgraving) rond de dijk, in het zwakke gedeelte. Dit is met name zo in het oostelijke deel van het gebied. De totale toename bedraagt ongeveer 28%.

27/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Figuur 9: Dikte van de deklaag in meters. In zwart het projectgebied en in lichtblauw de zone van 80 meter rond de kering waar geen afgraving plaats gaat vinden. Deze twee lijnen overlappen bij het projectgebied. De kering zelf is als een oranje lijn ingetekend.

Figuur 10: Kaart met alle locaties waar de laagdikte kleiner is dan 2,5 meter (rood gestreept). In rood de gedeelten die er nog bij komen wanneer de grens naar 3,0 meter dikte wordt verplaatst.

Figuur 9 en Figuur 10 zijn gebaseerd op de maaiveldhoogte en kleilaagdiepte volgens het geohydrologisch model. De grondopbouw van de deklaag in het geohydrologisch model in de

28/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

uiterwaarden is gebaseerd op geïnterpoleerde metingen/boringen van K3Delta13. Aan de binnendijkse zijde zijn hiervoor waarden uit het regionaal grondwatermodel gebruikt. Na afgraving verandert er binnendijks niets. Buitendijks natuurlijk wel. Dit is weergegeven in Figuur 11, waarvoor rivierkundige data is gebruikt als nieuwe hoogte van het maaiveld in het winterbed en de dieptegegevens van de kleilaag uit het geohydrologisch model. Voor de volledigheid is ook de vergelijking van deklaagdikte in de uiterwaarden voor en na afgraving bij een grenswaarde van 2,5 meter weergegeven in Figuur 12.

Figuur 11: Deklaag dikte in de uiterwaarde na afgraving. Opnieuw zijn lagen dunner dan 2,5 meter, en dunner dan 3,0 meter aangegeven.

13 2015 door Meet B.V. grondonderzoek op het voorland

29/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Figuur 12: Verandering in deklaag < 2,5 meter, voor en na afgraving. Dit is op basis van de rivierkundige berekeningen voor Demen-Dieden en de kleilaagdiepte van het geohydrologisch model.

In Figuur 12 is te zien dat vooral in het oostelijke deel van het projectgebied, de zwakke zone (en dus het intredepunt) ook al in de huidige situatie dicht bij de dijk ligt. 5.2

Stijghoogte De stijghoogte verschilt tussen de -4 cm en +90 cm ten opzichte van de referentiesituatie bij Toetspeil conform WBI2017, zie Figuur 13. Dit is berekend op basis van de gegevens uit het geohydrologisch model (RWS Maas-beno_mkov15_5-v4). Vooral in het oostelijke projectgebied is de stijging opvallend.

30/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Figuur 13: Toe/afname van de stijghoogte in meters net onder de deklaag.

5.3

Conclusies gebiedsdekkende analyse

Er komen in de huidige situatie locaties voor met een dunne deklaag (2,5 meter of dunner) in de zone rond de dijk waarin geen afgraving plaats zal vinden. Wanneer een conservatievere waarde wordt aangehouden van 3,0 meter of dunner (worst case), valt een bijna 30% groter gebied in de risicozone in de huidige situatie. Dit betekent dat op die locaties het meest waarschijnlijke intredepunt al zeer dicht (<80 meter) op de dijk ligt. Na afgraving komt het intredepunt in veel gevallen dus niet dichter bij de dijk te liggen, wat bij een gelijkblijvend uittredepunt betekent dat de faalkans niet toeneemt. Dit is vermoedelijk ook de reden waarom de dijk voor faalmechanisme piping niet aan de norm voldoet14. De stijghoogteverschillen aan de binnenteen variëren tussen de -4 en +90 cm, met de grootste verschillen in het oostelijk projectgebied. De overige delen van het dijktraject laten minder significante veranderingen zien.

14 NRD Meanderende Maas: https://www.meanderendemaas.nl/wp-content/uploads/2018/10/NRD-Meanderende-

Maas.pdf?v=3

31/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

6 Beoordeling haalbaarheid DemenDieden Er is een uitgebreide effectstudie gedaan naar de risico’s op het optreden van het faalmechanisme piping. Het onderzoek is in samenwerking met waterschap Aa en Maas uitgevoerd. Er is regelmatig overleg geweest met Deltares en KPR, zie sectie 4.2. De uiteindelijke schematisaties van de referentiesituatie en de vergraving worden hieronder in Figuur 14 herhaald.

Figuur 14: De definitieve schematisaties voor de referentiesituatie (a), en vergravingen (b,c) bij DemenDieden. De vorm van de kritieke vervallen versus de lengte van de pipe is weergegeven in (d,e,f). Merk de ‘twee-traps’ vorm op voor scenario (a,b) wanneer een pipe onder een zwakke zone door wordt geschematiseerd. Een uitgebreide toelichting staat in Figuur 8.

De berekende pipe-lengtes en vervallen zijn hieronder samengevat in Tabel 6.

32/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Tabel 6: Samenvatting modelresultaten. Wzone = breedte van de zwakke zone, Lpipe = lengte ontstane pipe. Kzone en Kdek refereert naar de doorlatendheid van de zwakke zone en de intacte deklaag. L MHW, HMHW = lengte pipe en verval over de pipe bij gebruik van de hoogwatergolf. L crit, Hcrit = kritieke pipe-lengte en kritiek verval. 0,3 D is gelijk aan 66 cm Scenario

In Figuur

Lpipe

H+0.3D

Ratio MHW-Kritiek

Voor

LMHW

Lcrit

HMHW

Hcrit

Figuur 8a / Figuur 14a

12.5

54.3

4.36

6.26

1.4

Figuur 8b / Figuur 14b

18.1

54.3

4.36

5.38

1.2

Figuur 8b / Figuur 14b

21.2

45.9

4.36

5.07

1.2

Figuur 8c / Figuur 14c

44.7

44.7

4.16

4.16

1

(referentiesituatie) Na (Kvergraving= 2m/dag) Na (Kvergraving= 5m/dag) Na (Kvergraving= oneindig) * de pipe-lengte na vergraving is op twee manieren gesimuleerd: wanneer de gehele deklaag wordt verwijderd en wanneer een zwakke zone wordt gemodelleerd die ontgraving simuleert. Het scenario van de ontgraving als zwakke zone is met twee verschillende doorlatendheden doorgerekend. Dit is toegelicht in Figuur 8 / Figuur 14.

De conclusies zijn als volgt: •

•

•

•

De schematisatie is afgestemd met KPR, en is niet zo conservatief mogelijk gekozen (zie toelichting van Figuur 3, Figuur 8 en paragraaf 4.3.2). Op basis van de projectscope en het lopende dijkversterkingsproject is afgestemd om aan te nemen dat in de zone 80 m buiten de buitenteen geen intredepunt ligt. Op basis van het geotechnisch onderzoek, kan dit echter niet gegarandeerd worden. Er is dus een reële kans dat het kritieke verval in de huidige situatie lager is dan weergegeven in Tabel 6. Geadviseerd wordt om de resultaten van de uitgevoerde berekeningen dus relatief met elkaar te vergelijken. Dit sluit aan bij het advies van Deltares, om (de beta versie van) D-Geo Flow te gebruiken ter aanvulling om gevoeligheden in het gebied te kunnen bepalen. Zowel de huidige situatie en de varianten met betrekking tot de vergraving vragen om het onderzoeken van pipingmaatregelen. Dit volgt zowel uit de Sellmeijerberekeningen als de D-Geo Flow simulaties. o Het voorland biedt daarbij onvoldoende weerstand om piping tegen te gaan. In de referentiesituatie laat D-Geo Flow een krappe marge zien in de ratio tussen het verval tijdens MHW en het kritieke verval Na vergraving verslechtert de situatie. De verslechtering lijkt niet zodanig dat deze extra maatregelen noodzakelijk maakt bovenop de al voorziene maatregelen in het dijkversterkingsproject ‘Meanderende Maas’.

33/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

• •

Opbarsten van de deklaag in het achterland vindt nu al plaats. De stijghoogteverandering als gevolg van de vergraving leiden niet tot een ander oordeel. Uitvoeren van de vergraving leidt tot een waterstandsdaling in de rivier, dit heeft een positief effect op de waterveiligheid.

Op basis van: 1. de noodzaak voor pipingmaatregelen in de huidige situatie, 2. de capaciteit van de maatregelen om ook effectief te zijn in een verslechterende situatie, 3. de huidige gevoeligheid voor opbarsten in de binnenteen en 4. het positieve effect van de waterstandsverlaging die de vergraving oplevert, wordt geoordeeld dat de vergraving leidt tot een kleine toename van het pipingrisico maar dat de vergraving niet bepalend zal zijn voor het ontstaan van doorgaande pipes ten opzichte van de huidige situatie.

34/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Bijlage 1 Sellmeijer sommen voor zeven dwarsprofielen In onderstaande afbeeldingen is de sheet van de Sellmeijer berekeningen weergegeven. Deze zijn gebruikt om de minimaal benodigde kwelweg te berekenen. Vandaar dat allen de tekst ‘Voldoet’ laten zien. De daadwerkelijk aanwezige kwelweglengte is in alle gevallen korter.

35/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

36/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

37/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

38/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

39/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

40/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

41/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

42/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Bijlage 2 HR 2075 (aangeleverd door Meanderende Maas) Waterstand excl. Dijkpaal Maatregelen (2075) 384 395 404 414 424

11.56 11.33 11.25 11.12 10.91

434 444 456 465 474 485

10.78 10.54 10.53 10.52 10.51 10.50

496 505 515 524 533 543

10.35 10.22 10.18 10.19 10.16 10.03

553 564 573 581 592 599

9.93 9.59 9.38 9.14 8.95 8.93

607 614 625 636

8.91 8.87 8.84 8.84

43/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

Bijlage 3 Onderbouwing modelopbouw D-Geo Flow Inleiding Om te verifiëren dat de simulaties en opgedane kennis in de rapportage toe te passen is op het projectgebied, is een vergelijking gemaakt met het geohydrologisch model van Acacia Water en beschikbare data van Waterschap Aa en Maas. Dit vormt de basis voor de opzet van de D-Geo Flow modellen. Opbouw van het model Dijkprofiel Het dijkprofiel is ingemeten door waterschap Aa en Maas. Ter hoogte van dijkpaal 440 ziet (een deel van) dit profiel er uit zoals in Figuur 15.

Figuur 15: Dijkprofiel volgens de legger (rood) en ingemeten (zwart). De bovenste getallenrij is de afstand tot de kruinlijn, waarbij negatieve getallen in binnendijkse richting gaan. De positieve getallen staan buitendijks. De tweede rij getallen is de hoogte van het maaiveld in m +NAP.

44/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

De hoogte van de dijk boven het buitendijks maaiveld bedraagt ongeveer 3,5 meter, in vergelijking met het binnendijks maaiveld is dit 4,1 meter. De lengte van de dwarsdoorsnede van het dijklichaam loopt van ongeveer -25 meter tot 11 meter (36 meter lang). Dit zijn ook de waarden die in D-Geo Flow zijn gebruikt. Bodemopbouw geohydrologisch model Het geohydrologisch model beslaat een totale dikte van ongeveer 90 meter (e-mail communicatie met Annemieke van Doorn, Acacia Water). De schematische opbouw van de bodem (binnendijks) ziet er als volgt uit.

Figuur 16: Binnendijkse bodemopbouw geohydrologisch model Acacia Water, via Annemieke van Doorn. Transmissiviteit (horizontaal) is weergegeven voor de watervoerende pakketten. De weerstanden van de (onderbroken) kleilagen en de deklaag is ook aangegeven.

Buitendijks zijn hier meetresultaten van boringen aan toegevoegd. Deze beslaan voornamelijk de deklaag en een deel van het eerste watervoerend pakket. Buitendijks ligt het maaiveld ongeveer op NAP +7 m, binnendijks op ongeveer NAP +6,2 m. De diepere bodemopbouw van het geohydrologisch model gaat door tot ongeveer NAP – 80 m, waarbij de diepere ondergrond verdeeld is over drie watervoerende pakketten met scheidende lagen. Daarbovenop ligt de deklaag. Waar de scheidende lagen precies liggen, en of ze doorlopen is onzeker. Deklaag Het geohydrologisch model gebruikt verschillende waarden voor horizontale en verticale doorlatendheid. De deklaag wordt modelmatig in tweeën gedeeld met betrekking tot de verticale doorlatendheid, weergegeven als weerstand. De delen boven NAP +4,9 m worden als klei met een lagere weerstand (100 dagen/m) beschouwd. De delen onder dit niveau krijgen een weerstand van 1000 dagen/m mee. De totale verticale weerstand op een specifiek punt is dus gelijk aan:

45/67 — 17M7013-R-001 — Demen-Dieden — 3 — 4 april 2019

𝑅𝑡 = ∑ 𝑅𝑖 =

𝑑𝑖 𝐾𝑦𝑖

Met Rt als totale weerstand, Ri als weerstand van laag i, di de dikte van laag i en Kyi de verticale doorlatendheid van laag i. In D-Geo Flow wordt gerekend met doorlatendheden, niet met weerstanden. Deze omrekening komt neer op: 𝐷𝑡 𝐾𝑦𝑡 = 𝑅𝑡 Met Rt als totale weerstand, Dt de dikte van de gehele laag en Kyt de effectieve verticale doorlatendheid van de gehele laag. Daar de dikte van de kleilaag en de effectieve weerstand bekend zijn als raster in ArcGIS, kan een verticale doorlatendheid Kyt bepaald worden voor het gehele gebied, maar ook per profiellijn (dwars op de dijk). Bij de lengteprofielen rond dijkpaal 440 varieert de verticale doorlatendheid buitendijks tussen de 0 en 0,1 m/dag in de referentiesituatie, en tussen de 0 en 4 m/dag na afgraving, zie Figuur 17 en Figuur 18.