]WATERBOUW ICONSTRUCTIEFONTWERP IBETONNEN DIJK- ENOEVERBEKLEDINGEN(vn)CONSTRUCTIEVE ONTWERPASPECTEN (B)(deel A is verschenen in Cement 1987 nr. 2)ir.K.W.Pilar?zyk, Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Hoofdafdeling Waterbouw:, 's-GravenhageAls laatste bijdrage in de serie Betonnen dijk- en oeverbekledingen wordt het tweededeel gebracht van de beschouwing over constructieve ontwerpaspecten. Behandeldworden de stabiliteit en de opbouw van gezette ofgestorte bekledingen, de daarbijvan toepassing zijnde typen bekledingsmateriaal en de onderlagen.Met het uitbrengen van deze serie artikelen is getracht het ontwerpen endimensioneren van bekledingsconstructies, nu deze meer en meer optechnisch-wetenschappelijke grondslag worden gestoeld, nader toe te lichten.Vanzelfsprekend is de huidige stand van zaken geen 'eindtoestand'. Nieuweontwikkelingen zullen de nodige aandacht blijven krijgen. Zo worden momenteelvoorbereidingen getroffen voor een proefmet collo?daal beton voor het versterkenvan de teenconstructie van de dijk tussen Enkhuizen .en Lelystad. Verder is eenpr?-adviescommissie van de CDR ingesteld ter bestudering van de mogelijkhedenvan cement-betonnen plaatbekledingen op dijken en oevers.4. Stabiliteit van gezette be-kledingenDe stabiliteit van een uit gezette ele-menten opgebouwde bekleding wordtdoor diverse variabelen be?nvloed, zoalsde eigenschappen van de constructie(bekleding plus onderlaag) en de hy-draulische randvoorwaarden (belastin-gen).Het kwantitatieve effect van de vele va-riabelen is nog onvoldoende bekend omdefinitieve regels voor het ontwerpenvan gezette bekledingen te geven. Hetpraktijk- en laboratoriumonderzoekheeftechter meer inzichtverschaftin desterkte en de bezwijkmechanismen Vande bekledingen,enheeftdeeerste aanzetgegeven voor het opstellenvan een inte-graal rekenmodelvoor geselecteerde ty-pen steenzettingen.Een constructie of constructiedeel be-zwijkt als de optredende belasting desterkte overtreft. Daarbij kan sprake zijnvan een direct bezwijken bij hoge belas-tingen of een bezwijken als gevolg vangematigde maarfrequentvoorkomendebelastingen (o.m. erosieverschijnselenvan onderlagen). Het eerste type van be-zwijken treedt vooral op bij de bekle-ding, het tweede begint bij de onderlaagen beschadigt indirect de bekleding.Cement 1987 nr. 3Het begrip stabiliteit moet worden be-zien voor individuele elementen envoor de glooiing als geheel. De weer-stand tegenuitlichtenvaneenafzonder-lijk element ontleent het aan het eigengewicht ervan, eventueel verhoogd metwrijvingskrachten door naastliggendeelementen. Wanneer de wrijvings-krachten tussen de elementen grootzijnof opeen andere wijze samenhang isverkregen (interlock-systemen), dan isniet het individuele element, maar deglooiing bepalend voor de stabiliteit.Voor koud tegen elkaar geplaatsteblok-ken is het een veilige benadering om bijde stabiliteitsbeschouwingen van hetlosliggende blok uit te gaan. Dit leidtechter vaak tot overdimensionering vande constructies, dus hoge aanlegkosten.De veiligheidsoverwegingen (zeedijk,binnendijk, oever, consequenties vanschade/doorbraak) kunnen hierbij eenbeslissende rol spelen.4.1 Stabiliteitscriteria ('black-box'benadering)De diverse ontwikkelde (en in ontwik-keling zijnde) rekenmodellen laten hetnog maar op beperkte schaal toe deZWaarte van de bekledingen te bereke-nen (zij mogen echter niet vergetenworden!). Vooralsnog is men hoofdza-kelijk aangewezen op uit proeven ver-kregen resultatenen uitanalyse door fY-sische verschijnselen verkregen inzich-ten. Door de in de literatuur vermeldeonderzoekgegevens te combineren metde nieuwe inzichten over de invloedenvan de verschillende variabelen (fig. 8)kanworden getrachteenempirische be-schrijving op te stellen.De ter beschikking staande gegevensworden hieronder in grote lijnen opge-somd. Gezien de steeds aanwezige on-duidelijkheid omtrent de vertaling vande resultaten van kleinschalige model-len naar prototype, zijn alleen degroot-schalige proeven hier meegenomen.De stabiliteit van een steenzetting is bijbenadering evenredig met zijn dikte(D)en de relatieve dichtheid onder water(~). De fysische betekenisvan(~D)ishet'onderwater gewicht' van de glooiingper oppervlakte-eenheid (dus de maxi-male eigen druk, uitgedrukt in meterwaterkolom).Om de onderlinge verge4jking moge-lijk te makenwordtde golfhoogtewaar~mee een steenzetting wordt belast aan-gegeven in de dimensieloze sterkte-pa-rameter:H/liD. Dewaardevanhetquo-ti?nt Hl~D geeft inzicht in de sterktevan een glooiing. Een hoge waarde van15l,-m_'fl._JE-~RB__O_UW_. 1CONSTRUCTIEF ONTWERP IHs cos a t-05AD ~ z 'voor ~z < 3Bij hetopstellenvan eenempirische sta-biliteitsrelatie voor steenzettingenwordt verder uitgegaan van de relatie(fig. 9}.Aangezien deze resultaten afkomstigzijn van de sterk geschematiseerdeproefopstellingen, verdient het aanbe- .veling hier bovenop een veiligheids-co?ffici?nt van ca. 1,25 toe te passen. DeDoor de vermelde onderzoekgegevenste combineren, kunnen de indicatieve 2isdeinvloedvancosateverwaarlozen).Met deze relatie kan tevens de sterktevan de verschillende typen steenzettin-gen worden vergeleken met die vanstortsteenbekledingen.Voor ~z > 3 kan veiligheidshalve (voorzovernietanders bekendis) de constanteH,/AD-waarde bij ~z - 3 worden aan-gehouden (N.B. voor sommige typenzettingen kunnen de HiAD-waardensterk toenemen bij grote ~).Om de onderlinge vergelijking tussende verschillende constructies bij dezelf-de omstandigheden mogelijk te maken,wordt gebruik gemaakt van de 'surfsi-milarity parameter' die een duidelijkbeeld geeftvanhetbrekertypeop het ta-lud. Deze wordt gedefinieerd door:tan a tan a~ = JHILo = Jzn HIgT21,25T= tana JHzich als ??n geheel gaan gedragen.Hierdoorwordtde momentanebelas-ting gespreid (= gemiddeld) over eengroter oppervkk, waardoor de scha~degolfhoogte kan toenemen.Slechts uitgebreide analyse van de zorg-vuldige drukregistratie (op en onder deblokken) kan uitsluitsel geven over deonderlinge verhouding van deze facto-ren.acceptabel ? )Cn.;cee,+-_-----'potentieel instabiel?neeneedit quoti?nt ten opzichte van een glooi-ingvan los gezette betonblokken op de-zelfde ondergrond, geeft aan dat erblijkbaar extra sterkte ontleend wordtaan de samenstellingvan de toplaag. Uitde reeds verkregen inzichten blijkt datde voornaamste factoren die deze extrasterkte veroorzaken, zijn [1,5]*:- een grote doorlatendheid van de top-laag door de aanwezigheid van 0J;lenruimten tussen of in Je blokken (ditlevert een reductie van de opwaartsebelasting door waterdrukken);- een lage waterdoorlatendheid van deonderlaag (bijv. klei of mijnsteen)waardoor de opwaartse druk kleinerwordt;- een dunne doorlatende onderlaag re-duceert de opwaartse druk maar ver-groot de interne gradi?nten (internestabiliteit onderlagen wordt minder);- klemkrachten tussen de blokken, aldan niet veroorzaakt door wrijvingeu/of vul- of inwas-materiaal, waar-door grotere delen van het oppervlak*Literatuuropgavenstaanzowel aanhet eindvandit deel, als in het vorige deel van het artikel(Cement nr. 2, 1987)8 Stroomschemataludbeldedingsontwerp (sterkte)Hierin is: 6). Het ge-drag van de onderliggende laag/filterkan echter een beperkende factor zijn.Bij geklemde en/of ingewassen zettin-gen dienen de evenwichtsbeschouwin-gen ten aanzien van het opdrijven (op-lichten) nu nietophetenkele blok, maarop een aantal blokken te worden be-trokken. Hierdoor neemt de stabiliteitvan de zetting sterk toe.Vooral bij hetaanbrengenvan bekledin-gen die dankzij een betrouwbareinklemming een hoge stabil?teit ondergolfaanval bezitten, dient de sterkte vanandere delen van de constructie niet tewordenverwaarloosd. Deze kunnen na-melijk toch het bezwijken van de con-structie inleiden. Zo is het denkbaar datde voor de steenzetting toelaatbare (ho-ge) golven in de onderliggende laag/fil-Bij hogere belastingendan ll, ~ 1,5 miseen goed gegradeerde steenlaag op eengeotextiel aan te bevelen. De dikte vaneen steenlaag hangt afvan de belasting(hiervoor kan het model STEENZEThulp bieden). Bij belastingen 1,5 < H,< 2,5 m moet menwel aan de diktevanten minste 0,20 ? 0,30 m denken. Omhet beste stabiliteitsvoordeel te behalenkan de doorlatendheid van de toplaagworden afgestemd op de doorlatend-heid van de tussenlaag (model STEEN-ZET).5.6 Mijnsteen.Een goede oplossing, speciaal bij hogebelastingen, kan worden verkregendoor toepassing van een dikke laagmijnsteen (orde van grootte 0,5 m).Mijnsteen heeft een relatieflage doorla-tendheid die zelfs in de loop van de tijdnogverder kan afnemen door verpulve-ringseffecten. Wegens uitvoeringseisen(vlakheid) moetopde mijnsteenlaag eendun (5 ? 10 cm) laagje grind ofsteenslagaangebracht worden. Een onzekere fac-tor is nog steeds het lange-termijn ge-drag (veroudering) van mijnsteen. Doorverpulvering neemt. het aantal kleinefracties toe; deze fracties zoudendan af-hankelijkvan de mate van openheid vande toplaag uitgespoeld kunnen worden,wat aanleiding kan geven tot zakkingvan de fundatielaag enverstoring vandetoplaag. Het verpulveringsproces ver-loopt echter zeer langzaam. Inspectievan onderlagen kan eventueel aangevenwanneer en welke herstelmaatregelennodig zijn.5.7 Granulair fllterDe beste oplossing voor onderlagenbiedt het granulaire filter, ontworpenvolgens de standaard filter-regels (geo-metrisch dicht, zanddicht en water-doorlatend). Deze oplossing is echterkostbaar en moeilijk re~liseerbaar, spe-ciaal voor het onder water aanbrengen.Hetlopendfilteronderzoekzou moetenaangeven hoe ver een bepaalde afwij-king van deze regels, in relatietotde be-lastingen toelaatbaar is. Een vervangen-de oplossing is een geotextiel met eenbepaalde dikte van gegradeerd steenslag-----------------"'--' ofeen filter van zandasfalt ofgebitumi-Een goede verdichting van het zand is neerd zand met (voor zover nodig) eenvan essentieel belang. Slecht verdicht uitvlaklaag van steenslag ofgrind.zandkan gemakkelijk tot afschuiving ofzelfs verweking van het zandlichaamleiden (de hele glooiing kan als zodanigwegvloeien).Met de huidige stand van kennis om-trent het inleiden van afschuiving en!ofverweking van zand is hetaan te bevelende toepassing van blokken direct opzand te beperken tot een golfhoogte vanll, ~ 1,2 m.Cement 1987 nr. 3 19IWATERBOUW ICONSJRUCTIEFONTWERP I~~~~~~~~~_Belangrijke voordelen van blokken-matten:- hoge stabiliteit;- geen losliggende blokken;- mechanische plaatsing, ookonderwa-ter (waar de 'normale' steenzettingenniet van toepassing zijn);- extra(reserve)stabiliteitbij 'cabledsys-tems';- mogelijkheid voor hergebruiklher-zetten (bijv. nadat de zakking van deondergrond is voltooid).Een (voorlopig) nadeel is alleen nog deonderlinge aansluiting van de matten.Deze laat nog wel eens te wensen overwaardoor een solide naadafwerkingontbreekt. In het huidige stadium vanontwikkeling, om de problemen bij derandentevoorkomen, is hetaan te beve-len de halve blokken langs de randenvan de blokkenmatten te vermijden(eventueel vervangen door anderhalveblokken) en het gewicht (de dikte) ca..25% te verhogen.Door de eventuele inwassing van blok-kenmattenwordtde belasting op de ka~bels verminderd. Hierdoor kunnen dekabels, bij goede kwaliteit, ingeschakeldworden bij het opvangen van extreme(maar laag-frequente) belastingen(- reserve stabiliteit).Net als bij de andere ingeklemde syste-men, zijn eengoedontwerpeneenjuisteuitvoeringvan onderlageneenessenti?-le voorwaarde voor een succesvolle toe-passing van deze systemen. HierdoorwordtdenoodzaakVanfrequentrepare-ren/herstellen sterk verminderd.6. Acceptatie van schade eneen 'loSliggend blok'De zwaarte van een dijkbekledingwordt in de praktijk veelal vanuit de er-varing bepaald. Deze praktijkervaringheeft in feite alleen betrekking op watmen min of meer 'gebruiksomstandig-heden'zoukunnennoemen. De rappor-ten van de Deltacommissie gaan daar-entegen uit van een ontwerpstorm, dieonze ervaring verre te boven gaat.Uit ervaring is echter ookweer bekend,dat onder de gebruiksomstandighedenbij steenzettingen zo af en toe schadewordt geconstateerd. Meestal is dezeschade wel zodanig plaatselijkbegrensddat de steenzetting tijdig voor de vol-gende storm kan worden hersteld. Ditzou tot de gedachte kunnen leiden datop de lagere niveaus vrij grote bezwijk-kansen geaccepteerd kunnen worden.Deze denkwijze gaat echter voorbij aanhet feit dat ook een superstorm als eenkleine storm begint. Schadedieoptreedtop de lagere niveaus kan dan natuurlijktijdens die storm niet worden hersteld.De op lager niveau optredende schadezal tot gevolg hebben dat ook op hogereniveaus schade ontstaat, hoe veilig dezedelen ook zijn geconstrueerd.Decondusie is, dat inNederland zeldenofnooit schade aan steenzettingen zoumogen optreden. Aangezien dit w?l hetgeval is, zou de consequentie zijn dat inNederland zeer grote dden vanhuidigedijkbekledingen opnieuw, volgens denieuwe normen, herbekleed zoudenmoeten worden. De financi?le conse-quenties zouden enorm zijn.De meeste schade treedt op voor steen-zettingen bestaande uit zgn. losse blok-ken.Deze blokkenzijn meestal niet echtlos maar hebben eenbepaalde graad vanklemmingmetde omringendeblokken,en bezitten daardoor met elkaar eengrotere stabiliteit dan losse blokken. Bijdit systeem is wel de kans op de aanwe-zigheid van ??n los blokhet grootst, datdan een zwakke schakel vormt in de to-tale ketting van blokken. Het opsporenvan los liggende blokkenis echter op ditmoment nog niet goed mogelijk.Voor de bestaande glooiingen kan dekans op het 'losliggende blok' verkleindworden door het inwassen van alleglooiingen. Bij kleine spleten kan datmet grofzand, bij grote spleten met kif.Bij grote hersteVvervangingswerken ofbij nieuwe werken, zou het toepassenvan systemen die een goed gedefinieer-delbetrouwbare interlock bezitten (inelkaar grijpende systemen ofpolygoon-vormigesystemenmetinwassen)serieusoverwogen moetenworden. Dan name-lijk kan er sprake zijn van een goed ge~definieerd, homogeen glooiingssys-teem, zonder losliggende elementen.Al deze aspecten worden in het kadervan het lopende steenzettingsonder-zoek nader uitgewerkt (fig. 12).I randvoorwaardenIzeedijken I oeversI externe belastingenI I interne belastingenI I externe belastingenII .1 studies I I1ImodellenI1sc haa lef fectenI II ware grootte I I grote gootI I groot modelI I ware grootte II semi .. blacL box"I I analytische oplossingI I semi ..black _ box ..IJ, J, wI toepassingenl mathematisch model I toepassingen I1I f ilters/ondergro nd .~ verificatie ~ materiaal-eigenschappen Iwijziging-------.-I opgedane ervaringoperationeellange _termijn effecten IJLc, I