Kleinere faalkans door tijdsafhankelijke pipegroei

Piping, oftewel het erosieproces in de dijkondergrond, neemt tijd in beslag en leidt daardoor tijdens een hoogwatergebeurtenis niet altijd tot een dijkdoorbraak en overstroming. Het kwantificeren van de tijdsafhankelijke aspecten van piping helpt de dijkbeheerder om de omvang van de versterking te beperken en zo sneller en goedkoper aan de veiligheidsnormen te voldoen.

Piping is een geleidelijk erosieproces. Het begint als kwelwater zoveel zand erodeert dat er een klein kanaaltje of ‘pipe’ (enkele mm groot) ontstaat dat kan doorgroeien tot deze verbinding maakt met de rivierzijde. Bij beoordelingen en ontwerpen van dijken wordt geen rekening gehouden met de tijd die piping nodig heeft om zich te ontwikkelen. Hierdoor kunnen deze berekeningen te conservatief zijn, vooral als:

• hoogwaters relatief kort zijn, of
• piping wordt gestopt door tijdige noodmaatregelen.

De tijdsafhankelijke aspecten van piping heb ik onderzocht met drie methoden:

• Laboratoriumexperimenten op kleine (50 cm) en grote (10 m) schaal vergroten onze kennis van de erosieprocessen in de pipe, laten zien welke factoren de erosiesnelheid beïnvloeden, en helpen bij het valideren van pipegroeimodellen.
• Een eenvoudig pipegroeimodel helpt bij het voorspellen van pipegroei voor dijkeigenschappen en waterstanden buiten het bereik van de experimenten.
• Met probabilistische methoden worden onzekerheden in bijvoorbeeld hoogwaterduur, dijkeigenschappen en de kwelweglengte expliciet meegenomen om te bepalen in hoeverre een bepaalde dijk aan de veiligheidsnormen voldoet.

Rekening houden met de tijd die nodig is voor de ontwikkeling van piping kan de faalkans aanzienlijk verkleinen. Niet alleen in kustgebieden met korte stormen, maar onder bepaalde voorwaarden, zoals effectieve noodmaatregelen, ook in riviergebieden.

De zes hypothetische cases, waarin nog enkele conservatieve aannames zitten, geeft al een goed inzicht onder welke omstandigheden de benodigde tijd voor pipegroei een relevante factor is, en hoeveel deze de faalkans beïnvloedt.

Ten slotte vraagt het rekenen met de factor tijd voor piping een ander manier van denken: er is niet alleen een kritische waterstand, maar combinaties van piekwaterstand en hoogwaterduur die geleidelijk tot falen leiden.

Aangezien dit onderzoek nog gaande is, gebruik ik momenteel de experimentele gegevens om de fysische basis van het eenvoudige pijpontwikkelingsmodel te verbeteren. Verder bestudeer ik de effecten van pijpontwikkeling onder meerdere hoogwatergebeurtenissen. Deze bevindingen kunnen het mogelijk maken de conservatieve aanname dat er al tot 1/2 van de kwellengte een pijp aanwezig is, los te laten.

Een nuttige stap voor de praktijk zou zijn om de onderzoeksresultaten te gebruiken om vereenvoudigde regels af te leiden om de effecten van tijd mee te nemen in dijkveiligheidsbeoordelingen. Bijvoorbeeld een reductiefactor op de berekende faalkans, afhankelijk van de heersende hoogwaterduur, kwellengte en funderingsbodem.

Omdat hoogwaterbestrijding een belangrijke factor blijkt te zijn in het rivierengebied, is een discussie nodig wanneer we die informatie willen gebruiken in het dijkontwerp. Als we het willen meenemen, moet de effectiviteit (detectienauwkeurigheid en benodigde tijd) van ingrepen verder worden gekwantificeerd en verbeterd.

•  Progression rate of backward erosion piping in laboratory experiments and reliability analysis  (publicatie over een eerdere versie van de faalkansanalyse)
•  Temporal Development of Backward Erosion Piping in a Large-Scale Experiment  (publicatie over grote schaal proef)
• Voor meer informatie kunt u natuurlijk contact met mij opnemen; dit onderzoek loopt nog en we werken nog aan publicaties hierover.