Naast het feit dat er in de huidige ontwerppraktijk verschillende methodieken worden toegepast, is er voor primaire waterkeringen onlangs een nieuwe ontwerprichtlijn vastgesteld: POVM Publicatie Langsconstructies (PPL). Het biedt kansen om deze kennis waar mogelijk te implementeren in het verbeterontwerp van regionale waterkeringen. De wens van het Hoogheemraadschap was de beschikbare methodieken te onderzoeken, te vergelijken en te komen tot een ontwerprichtlijn op maat. Een van de belangrijkste speerpunten in de ontwikkeling van de richtlijn is het realiseren van een goede koppeling met zowel de ontwerp- als uitvoeringspraktijk. 

De richtlijn is opgesteld aan de hand van een casus uit het kadeverbeteringsproject de Gors en Vurige Staart, waar een typische opgave ligt voor het verbeteren van de stabiliteit van de waterkering. De praktische ervaringen uit deze casus zijn direct toegepast om de richtlijn te verbeteren, aan te scherpen en te verduidelijken.

Het kadeverbeteringsproject de Gors en Vurige Staart verbetert de regionale waterkeringen ten westen en oosten van Ilpendam, in landelijk en stedelijk gebied. De lengte van het traject is circa 12 kilometer. De waterkering is afgekeurd op het faalmechanisme stabiliteit binnenwaarts en lokaal is de hoogte onvoldoende.

De waterkering kenmerkt zich door een smalle dijk op een dik en slap veenpakket. Deze twee factoren zorgen voor uitdagingen in het ontwerp en de uitvoering. De smalle kruin vormt een beperking voor het aan- en afvoeren van materiaal en materieel. Het veenpakket in combinatie met aanwezige bebouwing zorgt ervoor dat een verbetering in grond hier niet inpasbaar is. 

In het onderzoekstraject is één kadevak uit het project gebruikt (zie de afbeelding hierboven). In dit vak wordt een stabiliteitsscherm aangebracht in het binnentalud. In het onderzoek zijn vier stappen doorlopen: 
1.    Onderzoek stap 1 – inventarisatie: inventarisatie beschikbare rekenmethodieken uit de praktijk.
2.    Onderzoek stap 2 – berekeningen: uitvoeren van berekeningen met verschillende
rekenmethodieken voor de casus.
3.    Onderzoek stap 3 – analyse: resultaten analyseren en vaststellen voorkeursmethodiek.
4.    Onderzoek stap 4 – uitwerking: uitwerken van de ontwerprichtlijn op maat voor het programma van het Hoogheemraadschap.

Men gebruikt verschillende methodieken om de stabiliteit en sterkte van een stabiliteitsscherm en het grondlichaam te controleren. Op hoofdlijnen zijn vier methodieken te onderscheiden:

Forbidden line
In een D-Geo Stability berekening wordt de positie van het stabiliteitsscherm vastgesteld door een forbidden line te modelleren en de glijvlakken boven- en onderlangs te controleren. In D-Sheet Piling wordt vervolgens het stabiliteitsscherm ontworpen.

Stabiliteitstekort als lijnlast op stabiliteitsscherm
Deze aanpak komt grotendeels overeen met methode Forbidden line. Aanvullend hierop worden horizontale lijnlasten toegevoegd in de D-Sheet Piling berekening waarmee het stabiliteitstekort uit de initiële situatie wordt uitgedrukt. Hierbij zijn de horizontale lijnlasten vermenigvuldigd met de arm opgeteld gelijk aan het overschot aan aandrijvend moment. Deze methode beoogt de interactie tussen de stabiliteit van het talud en de belasting op het scherm te modelleren, waar methode 1 deze interactie verwaarloost.

Ontwerprichtlijn Stabiliteitsschermen in Primaire Waterkeringen (OSPW)
Deze richtlijn uit 2013 gaat uit van berekeningen met Eindige Elementen Methode (EEM). De richtlijn is specifiek geschreven voor één dijkversterkingsproject, maar kan worden vertaald naar andere situaties, waaronder regionale waterkeringen. Een EEM model heeft als voordeel dat de taludstabiliteit inclusief stabiliteitsscherm en de sterkte van het stabiliteitsscherm gecontroleerd kunnen worden met hetzelfde model.

POVM Publicatie Langsconstructies (PPL)
Deze richtlijn uit 2020 vervangt voor primaire waterkeringen de OSPW. Het belangrijkste verschil met de OSPW is dat in de rekenfasering wordt uitgegaan van ongedraineerd grondgedrag (Shansep grondmodel). Daarnaast is op basis van ervaringen met de OSPW in de PPL een aantal aanpassingen doorgevoerd in de aanpak. Voor regionale waterkeringen kan de PPL toegepast worden, maar moet in de rekenfasering niet overgestapt worden op ongedraineerd grondgedrag. Dit sluit immers niet aan bij de vigerende normen en richtlijnen voor regionale waterkeringen.

Aanvullend op deze methodieken onderzochten het Hoogheemraadschap en Iv-Infra of de methode bewezen sterkte direct meegenomen kon worden in de nieuwe richtlijn. Het idee achter de (aangepaste) methode voor bewezen sterkte is dat de versterking van de waterkering minimaal een vergroting van de weerstand dient op te leveren die gelijk is aan het verschil tussen de dagelijkse en maatgevende belasting. In de huidige situatie worden in veel gevallen onder dagelijkse omstandigheden relatief lage stabiliteitsfactoren berekend, terwijl de waterkering buiten stabiel is en er geen schades worden aangetroffen. De toepassing van deze methode is in de praktijk niet altijd evident omdat een beheerdersoordeel over de staat van de waterkering subjectief is. Het is beter om meerjarige metingen van geometrische kenmerken te benutten, en te beschouwen of er enkel autonome degradatie is en geen overmatige degradatie. Alleen indien er voldoende zekerheid is over een dagelijkse stabiele situatie kan de bewezen sterkte methode toegepast worden.

Bovengenoemde vier methodieken en methode 4 (PPL) inclusief bewezen sterkte zijn toegepast in de casus. Op deze manier is inzicht ontstaan in de verschillen in rekenmethodieken en de consequenties hiervan voor de afmetingen van het stabiliteitsscherm. 

In de resultaten vallen vooral methode 1 en methode 4 met bewezen sterkte op vanwege de aanzienlijk lichtere en kortere damwand. In het kadevak worden onder dagelijkse omstandigheden relatief lage stabiliteitsfactoren berekend. Een realistischere modellering met bewezen sterkte, waarbij de dagelijkse situatie als ‘stabiel’ wordt beschouwd, levert een aanzienlijke winst. 

De verklaring voor de lichtere constructie in methode 1 is een verschil in de in rekening gebrachte belasting tussen de vier methodes. Methode 1 controleert de sterkte en stabiliteit van de constructie in D-Sheet Piling. De grondbelasting op het scherm bestaat dan uit de actieve wig achter de damwand. Omdat in de casus een damwand relatief laag in het binnentalud aangebracht wordt, is deze actieve wig als berekend in D-Sheet Piling kleiner dan het glijvlak dat voorkomen dient te worden (situatie 2 in onderstaand figuur). Hiermee wordt de feitelijke belasting op de damwand onderschat. 

De methodes 2,3 en 4 brengen wel de volledige belasting in rekening. Methode 2 overschat deze belasting doordat in de horizontale lijnlast de belasting uit het glijvlak meegenomen wordt en D-Sheet Piling de belasting uit de actieve wig hierbij optelt. Ook in de passieve weerstand is deze dubbeling aanwezig. Een EEM model  (methode 3 of 4) voorkomt deze dubbeling van weerstand en belastingen. Deze methodes geven een betrouwbaarder resultaat bij het behalen van de vereiste veiligheid. 

Een analyse van de resultaten uit de casus leidt tot de volgende conclusies:

Methode 1
Bij deze methode is alleen expliciet aantoonbaar te maken dat aan de eisen van de behorende IPO klasse wordt voldaan in situaties waarbij het maatgevende glijvlak binnen de actieve wig van het stabiliteitsscherm valt (situatie 1 in bovenstaand figuur). Als het glijvlak groter is dan de actieve wig, wordt de belasting op het stabiliteitsscherm mogelijk onderschat.

Methode 2
Deze methode kan worden toegepast in situaties waarbij het maatgevende glijvlak buiten de actieve wig van het stabiliteitsscherm valt. Nadeel van de methode is dat het bijna onmogelijk is de actieve belastingen op het stabiliteitsscherm en de passieve weerstand goed mee te nemen zonder dat onder- of overschatting van de belastingen plaatsvindt. 

Methode 3
De methode is geschikt voor situaties waarbij het maatgevende glijvlak buiten de actieve wig van het stabiliteitsscherm valt en levert realistischere uitkomsten dan methode 2.

Methode 4
Deze methode is vergelijkbaar met methode 3, wanneer het ongedraineerde grondgedrag buiten beschouwing wordt gelaten. In methode 4 zijn de meest recente inzichten verwerkt. Specifieke voorbeelden hiervoor zijn het versoepelen van de vervormingseis voor onverankerde constructies en een gewijzigde toetsing van het verticaal draagvermogen voor verankerde constructies. Door deze inzichten is enige optimalisatie in de dimensies van het stabiliteitsscherm mogelijk.

Met deze resultaten en conclusies is vastgesteld dat methode 4 de beste keuze is voor de nieuwe richtlijn. Voor eenvoudigere situaties waarbij het glijvlak bij norm binnen de actieve wig van de wand valt volstaat methode 1.

Na stap 3 is het onderzoek uitgewerkt tot volwaardige richtlijn. Het beschrijft middels het stappenplan hieronder hoe de ontwerpberekeningen uitgevoerd moeten worden Per stap is in de richtlijn uitgelegd hoe een adviseur hier invulling aan kan geven. De PPL is de basis, maar vanwege de toepassing in regionale waterkeringen, geeft de richtlijn nadere uitleg bij afwijkingen ten opzichte PPL. De grootste afwijking is de veiligheidsfilosofie, deze moet immers aansluiten bij de vigerende normen en richtlijnen van regionale waterkeringen. Een tweede belangrijke afwijking is het rekenen met gedraineerd grondgedrag.

De ontwerprichtlijn bevat verder adviezen over de keuze van een constructietype, materiaalkeuze en uitvoeringsaspecten. Projectervaringen zijn vastgelegd en er zijn enkele standaarden van het Hoogheemraadschap opgenomen. Bijvoorbeeld het advies voor het plaatsen van stalen damwanden als dubbele planken los van elkaar (zie de afbeelding hieronder). Er zijn dan minder damwandplanken nodig vanwege de open ruimte. De damwandplanken worden dan wel zwaarder. Uiteindelijk levert dit voordeel op omdat dikkere damwandplanken minder gevoelig zijn voor corrosie (behoudt meer sterkte en bespaart staal) en dat de zwaardere planken beter uitvoerbaar zijn. Tevens is de invloed op de freatische grondwaterstand minimaal.

De nieuwe richtlijn beschrijft een eenduidig en herleidbaar ontwerpproces dat gekoppeld is aan reeds bekende ontwerpmethodieken en geeft handreikingen voor de uitvoeringspraktijk. Het hoogheemraadschap heeft de richtlijn via verschillende vakgroepen intern laten vaststellen. De richtlijn wordt nu binnen de verschillende projecten toegepast. De eerste conclusies zijn dat de constructies overwegend lichter zijn ontworpen dan voorheen. Bewezen sterkte wordt nog niet toegepast bij methode 4, maar het hoogheemraadschap wil dit wel nader beschouwen. De damwand is immers aanwezig om toekomstige belastingen op te vangen en de kade ligt er onder dagelijkse omstandigheden in veel gevallen goed bij.

Het hoogheemraadschap heeft de richtlijn gedeeld met de STOWA. Deze beschouwt de richtlijn als zeer welkom, omdat deze invulling geeft aan bestaande vragen over dit onderwerp. Ten tijde van het schrijven van dit artikel is de richtlijn door de STOWA met andere waterschappen gedeeld met de vraag wat zij nog missen om tot een landelijke richtlijn te komen. De intentie is dat deze richtlijn na het verwerken van opmerkingen en wensen opgewaardeerd wordt tot een landelijke richtlijn voor stabiliteitsschermen in regionale waterkeringen.