Opmaat Deltabeslissingen: Risico’s ‘piping’ mogelijk overschat bij toetsing rivierdijken

De stabiliteit van de huidige dijken zou door piping worden ondermijnd omdat er niet wordt voldaan aan de kritieke kwelweglengte (L), waarbij L wordt berekend met verschillende formules Sellmeijer en Bligh. Volgens Bligh zou bij L>18H geen piping optreden (H=verval). Met Sellmeijer kunnen wat grotere (veiliger) waarden voor L worden gevonden en in de Verenigde Staten bestaan nog veiliger waarden voor L. Daarnaast zouden resultaten van probabilistische (kans)berekeningen aantonen dat piping een onderschat probleem is. Probabilistische berekeningen met betrekking tot het falen van dijken worden uitgevoerd door verschillende faalmechanismen in de berekeningen in te voeren. Voor piping is daarbij het zogenoemde lengte-effect van essentieel belang. Hoe langer de dijk (dijkvak), hoe groter de kans dat er ergens een wel (en piping) ontstaat. Hoe minder bekend is van de ondergrond en afdekkende lagen vóór en achter de dijk en de dijk zelf, hoe groter het lengte-effect en hoe groter de berekende kans op piping.
Ter illustratie: Waalbandijk
Aan de hand van het ontwerp van de Waalbandijk (linkeroever van Nijmegen tot Dreumel; circa 30 km) kunnen we laten zien hoe de veiligheidstoetsing tot stand komt. Er is gekozen voor de Waalbandijk omdat de kennis met betrekking tot dit dijkontwerp kon worden achterhaald. In de zeventiger jaren werd door een ingenieursbureau een (goedgekeurd) ontwerp gemaakt dat ondermeer was gebaseerd op resultaten van geo-electrisch onderzoek (vaststelling discontinuïteiten ondergrond), op grond waarvan met name diepboringen en sonderingen werden gepland. Tevens werd uitvoerig aandacht geschonken aan het bepalen van de dikte van de slecht doorlatende deklaag vóór (uiterwaarden) en achter de dijk. In het laboratorium werden grondanalyses en triaxiaalproeven uitgevoerd en werden met (elektrische) modellen grondwaterstroming en grondwaterdrukken gesimuleerd. De verschillende gegevens werden gebruikt voor het ontwerpen van een stabiele dijk bij Maatgevende Hoogwaterstanden (MHW). Daar waar nodig werd aanberming van achtertaluds in het ontwerp opgenomen ter verkrijging van grondmechanische stabiliteit van de dijk en ter voorkoming van het opbarsten van de deklaag tot circa 50 meter achter de dijk. Tevens werd vastgesteld dat ruimschoots werd voldaan aan de indertijd gehanteerde rekenregels (Bligh en Turnbull van US Corps of Engineers). 

Nog veiliger ontwerp
Door allerlei maatschappelijke discussies werd het betreffende dijkontwerp niet uitgevoerd, maar werd het opnieuw in beschouwing genomen na de hoge waterstanden in de Rijn (1993, 1995). Nog veel meer veld- en laboratoriumgegevens werden verzameld, op grond waarvan een meer gedetailleerd ontwerp kon worden gemaakt. Op sommige plaatsen werd de dijk extra versterkt door damwanden en aanberming van het voortalud. Dit tweede ontwerp, dat eind jaren negentig werd gerealiseerd, werd (nog) veiliger geacht dan het eerste ontwerp uit de zeventiger jaren.
Vertekend beeld
Evenals veel andere dijken werd dit dijktraject in 2006 toch afgekeurd.  Mede uit gegevens van het waterschap blijkt dat, in overeenstemming met de toetsingsvoorwaarden, de dijken in 2006 werden getoetst op een afvoercapaciteit van 16000 m3/s bij Lobith (doelstelling Ruimte voor de Rivier, te voltooien in 2015) in plaats van 15000 m3/s, waarop de bestaande dijk werd ontworpen. Op deze wijze werd de dijk uiteraard te laag bevonden. Daar het project Ruimte voor de Rivier beoogt dijkverhoging te voorkomen (geen verhoging van MHW), kan worden gesteld dat afkeuring van de dijk in 2006 om deze reden een vertekend beeld geeft van de veiligheidssituatie. Deze conclusie geldt in feite voor veel dijken in het rivierengebied. Waarom de betreffende Waalbandijk in 2011 (waarbij eveneens werd uitgegaan van een afvoer van 16000 m3/s) weer gedeeltelijk werd goedgekeurd, is niet duidelijk. 
Veiliger dan gedacht
Het gevaar voor piping zou mogelijk een tweede reden kunnen zijn voor afkeuring van de betreffende dijken. Uit de huidige toetsingsvoorschriften blijkt dat het effect van afdekkende kleilagen in de uiterwaarden niet mag worden meegenomen in berekening van de kritieke kwelweglengte, tenzij de beheerder van de dijk (waterschap) tevens de beheerder van de uiterwaarden is. Dit laatste is niet het geval, omdat het beheer van uiterwaarden ligt bij Rijkswaterstaat.  In het verleden werd echter wel degelijk met afdekkende lagen in de uiterwaarden rekening gehouden (verlenging kwelweglengte). Bij de betreffende ontwerpen werd (met instemming van Rijkswaterstaat) dan ook aangegeven welk deel van de uiterwaarden als essentieel onderdeel van het ontwerp moest worden aangemerkt.  De huidige toetsingen zouden naar verwachting dus resulteren in een hoog risico met betrekking tot piping. Het waterschap blijkt bij de toetsing van de betreffende Waalbandijk in 2006 echter wel een afdekkende kleilaag in de uiterwaarden in de berekening van de kritieke kwelweglengte te hebben opgenomen;  de dijk voldoet hierdoor aan de eisen met betrekking tot piping. Het ziet er naar uit dat bij veel rivierdijken wel degelijk het effect van afdekkende kleilagen in de uiterwaarden werd verdisconteerd, waardoor piping een minder groot gevaar zou zijn dan uit de toetsingsvoorschriften zou zijn af te leiden.
Gebrek aan gegevens
Hoewel resultaten van probabilistische berekeningen tot op heden niet worden gebruikt bij de vijfjaarlijkse toetsing van dijken, hebben de resultaten van deze berekeningen opnieuw de aandacht gevestigd op het gevaar voor piping. Op grond van meerdere bronnen wordt echter de indruk verkregen dat ook bij deze berekeningen het effect van afdekkende lagen in de uiterwaarden (vergroting kwelweglengte) niet wordt meegenomen en dat tengevolge van beperkte gegevens men te maken heeft met een groot lengte-effect. Een relatief groot berekend risico met betrekking tot piping zou dan het resultaat zijn. Voor veel dijken, zoals het hier besproken traject van de Waalbandijk, zou gebrek aan gegevens nauwelijks een rol kunnen spelen. Het moet echter niet worden uitgesloten dat veel gegevens uit het verleden moeilijk toegankelijk zijn of verloren zijn gegaan (opschonen van archieven). 
Discussie over rekenregels noodzakelijk
Toch wordt in dit artikel geen pleidooi gehouden om het probleem van piping niet serieus te nemen. Met name in die gevallen, waar bij hoge waterstanden in de rivier gevaarlijke zandmeevoerende wellen dicht achter de dijken ontstaan, lijkt het gevaar voor piping reëel.  Alle voorgestelde maatregelen, zoals aanbermingen aan de binnenzijde van de dijk, zijn echter al gerealiseerd  in de oorspronkelijke dijkontwerpen (waaronder de Waalbandijk). Het lijkt daarom zinvol de indertijd gemaakte dijkontwerpen en de rekenregels met betrekking tot het gevaar van piping nog eens kritisch tegen het licht te houden. Niet alleen het gevaar voor piping, maar ook stabiliteitsverlies door andere oorzaken, zou aan een nadere beschouwing moeten worden onderworpen. Daarbij zou opnieuw de discussie gevoerd moeten worden over de gehanteerde veiligheidscoëfficiënten bij de stabiliteitsberekeningen.  
   
G.E.Kamerling en G.A. Beaufort, Oud-medewerkers van Rijkswaterstaat
In de rubriek ‘Opmaat Deltabeslissingen’ stellen experts op persoonlijke titel belangrijke onderwerpen met het oog op de waterveiligheid aan de orde. Dit najaar neemt de politiek cruciale beslissingen die onze veiligheid in de toekomst moeten garanderen. WaterForum wil met deze rubriek een bijdrage leveren aan weloverwogen Deltabeslissingen. Deze keer deel II van de visie van oud-medewerkers van Rijkswaterstaat G.E. Kamerling en G.A. Beaufort.