Stap 1: Definitiefase en Bronnenonderzoek

De definitiefase en het bronnenonderzoek bestaan in het bijzonder uit een selectie van geschikte methoden en proeven, het verzamelen van kennis en ervaring opgedaan in andere projecten waar ook sprake was van een hoger gehalte aan organische stof en zout, bronnenonderzoek naar het langetermijngedrag voor bestaande dijken waar kwelderklei en/of gerijpte baggerspecie is toegepast en het formuleren van functionele eisen, bij een hoger zoutgehalte en gehalte organische stof, in relatie tot opties voor het ontwerp van een BGD.

Het plan van aanpak van het project OGD is eigenlijk al vooruitgelopen op de aspecten formuleren van onderzoeksvragen, vaststellen scope en keuze te onderzoeken trajecten. Het formuleren van onderzoeksvragen heeft in de aanloop van dit project al plaatsgevonden, en zal binnen de andere projectonderdelen worden aangescherpt. Wat betreft de functionele eisen, die bij afwijkende klei als uitgangspunt kunnen worden genomen, is er een afbakening aangebracht, omdat het ontwerp van de Brede Groene Dijk al in grote lijnen bekend is. De focus ligt daarom op de functionele eisen ten aanzien van de erosiebestendigheid van en scheurvorming in het buitentalud. Er is onderzocht waar een relatie gelegd kan worden tussen de erosiebestendigheid uit een functionele test en de geotechnische classificatie in het kader van de toetsing op erosiebestendigheid.

Binnen deze onderzoekstap is gericht gezocht naar literatuur ten aanzien van:

• Achtergronden bij de vigerende eisen aan dijkenklei
  • Eisen aan klei bij aanleg van dijken
  • Relatie met uitkomsten uit roto-erosiemeterproeven
  • Consequenties bij afwijkende eigenschappen van klei
• Archiefonderzoek Dollarddijk
• Verzamelen ervaringen elders met afwijkende kleisoorten (hoger organisch stof gehalte, zout tot brak milieu, hoge lutumfractie)
• Adviezen t.a.v. functionele testen met richtwaarden als indicatoren voor erosiebestendigheid.

Het onderzoek heeft geleid tot de volgende conclusies:

Er is een aantal cases gevonden waarin is gewerkt met klei met een hoge lutum-fractie en/of hoog organisch stofgehalte en/of verhoogd zoutgehalte. In al deze cases is succesvol een grondlichaam gebouwd met klei uit baggerspecie of met kwelderklei. De erosiebestendigheid onder overloop (Dredgdike) beperkte golfaanval (Dollarddijk) bleek vrij goed te zijn, en de grasmat kwam na 1 à 2 jaren tot ontwikkeling. Er zijn wel flinke scheuren geconstateerd, mede vanwege het natter aanbrengen van de klei dan als optimaal wordt gezien.

Bij de proefophoging op de Maasvlakte waren er na 5 jaren geen doorgaande scheuren te zien en was de doorlatendheid van de klei nog steeds laag.

Wat betreft de geotechnische eigenschappen, is in het kader van het Kleirijperij onderzoek gesteld dat door verwijdering van een deel van het organische stof tijdens de rijping ook de vloeigrens, en in mindere mate de uitrolgrens zullen afnemen. Daarmee zal bij gelijkblijvend watergehalte ook de consistentie-index afnemen. Ontzilting heeft ook effect op de Atterbergse grenzen: met name de vloeigrens wordt lager. De aard van het organische stof verandert ook, maar dat is met de standaard geotechnische methoden niet goed vast te stellen. Het effect van ontzilting op het erosiegedrag in het laboratorium is echter nog niet onderzocht, maar lijkt wel nuttig.

Stap 2A: Materiaalonderzoek - Bestaande dijken

De Dollarddijk is meer dan 30 jaren geleden gebouwd met kwelderklei met een verhoogd zoutgehalte en organisch stof gehalte. Tevens is deze klei destijds te nat aangebracht. Een belangrijk aspect is ook dat destijds zand is bijgemengd bij de klei. Dit zand is niet homogeen verdeeld in de klei. Dit kan grote verschillen in erosiebestendigheid geven, met name tussen de monsters.

Deze gerijpte afwijkende kwelderklei is onderzocht om inzicht te krijgen in de erodeerbaarheid. De erodeerbaarheid van deze klei onder golfaanval is een belangrijke functionele eigenschap. Dit is onderzocht met behulp van onderzoek in de Deltagoot. Het is gewenst om ook met behulp van kleinschalige proeven de erodeerbaarheid van de klei te onderzoeken. Dit kan met behulp van de roto-erosiemeter, welke in het verleden ingezet is bij het bepalen van de erosiebestendigheid van reguliere dijkenklei onder stromingsbelasting. Er kan dan een vergelijking worden gemaakt met de resultaten uit de Deltagootproeven, om aan te tonen of deze kleinschalige proeven ook zinvol zijn bij het voorspellen van het erosiegedrag onder golfaanval, wat wezenlijk anders is dan puur een stromingsbelasting.

Er zijn 3 profielkuilen onderzocht, ongeveer 50 meter ten westen van waar de Deltagootklei is gestoken. Er zijn profielkuilbeschrijvingen gemaakt volgens het Deltares protocol dat is opgenomen in [Deltares 2022a]. Op basis van deze profielkuilinspecties zijn de monstername dieptes vastgesteld, en kan inzicht worden verkregen in de heterogeniteit, ook op kleinere schaal. Monsternamediepte en heterogeniteit kunnen weer leiden tot verschillen in erosiebestendigheid.

Het doel is dit aspect mee te nemen in de interpretatie van de roto-erosiemeterproeven. 

Het doel van onderhavige roto-erosiemeterproeven is om voor deze afwijkende Dollarddijk klei de erosiebestendigheid te bepalen, waarbij gebruik wordt gemaakt van de klassen uit eerder onderzoek aan reguliere klei. Tevens is het doel te onderzoeken hoe deze erosiebestendigheid ruimtelijk varieert, waarbij profielkuilonderzoek en geotechnische bepalingen op gestoken monsters zijn gebruikt. De erodeerbaarheid kan niet voor alle gevallen worden bepaald, aangezien de erosie soms te snel verloopt en er dan te weinig meetpunten zijn. Tevens kan het effect van structuurvorming maar beperkt worden gemeten, omdat de monsters relatief klein zijn.

Stap 2B: Materiaalonderzoek - Aanleg proefdijk

Verslaglegging van uitvoeringsaspecten en verdichtingsmetingen van een Proefdijk bestaande uit gebiedseigen klei uit de Eems-Dollard

Resultaten laboratoriumproeven op klei proefdijk:

Het doel van het onderzoek op de vier kleisoorten uit de proefdijk (stap 2b OGD) is om vast te stellen hoe de voor de erosie relevante eigenschappen zich hebben ontwikkeld in de eerste periode na aanleg. Doel is ook vast stellen of er kenmerken zijn die duiden op de wijze van aanleg en de eigenschappen van de klei daarbij.

Het is gewenst om met behulp van kleinschalige proeven de erodeerbaarheid van de vier typen klei te onderzoeken. Dit kan met behulp van de roto-erosiemeter, die in het verleden ingezet is bij het bepalen van de erosiebestendigheid van reguliere dijkenklei onder stromingsbelasting. Er kan dan gebruik  worden gemaakt van de erosieklassen uit historisch onderzoek. Uiteindelijk moet een vergelijking worden gemaakt met de resultaten uit de Deltagootproeven (op Klutenplasklei en Valgenwegklei), om aan te tonen of deze kleinschalige proeven ook zinvol zijn bij het voorspellen van het erosiegedrag onder golfaanval, wat wezenlijk anders is dan puur een stromingsbelasting.

Tevens is het doel te onderzoeken hoe de erosiebestendigheid ruimtelijk varieert, waarbij verbanden worden gelegd met uitgevoerde profielkuilonderzoek

In voorliggend rapport zijn de resultaten gerapporteerd van de uitgevoerde laboratoriumexperimenten op de klei van de proefdijk bij de Dollard. De proefdijk is opgebouwd uit twee verschillende soorten gerijpt baggerslib, klei uit de kwelder en één referentieklei.

Naast roto-erosieproeven zijn krimpgrensbepalingen en triaxiaalproeven uitgevoerd. De triaxiaalproeven zijn uitgevoerd ter bepaling van de ongedraineerde schuifsterkte en de beoordeling van het verschil in rijpingsgraad tussen de monsters.

Ook zijn in deze rapportage de resultaten opgenomen van bepalingen van het water- en zoutgehalte van drie monsters op verschillende dieptes in elk van de vier delen van de proefdijk ter beoordeling van heterogeniteit en eventuele uitspoeling van zouten.

In een aanpalend onderzoek zijn in situ bepalingen gedaan van de ongedraineerde schuifsterkte met behulp van de torvane en pocket penetrometer uitgevoerd in profielkuilen die in elk van de vakken van de proefdijk gegraven zijn. Deze resultaten zijn ter vergelijking opgenomen in dit rapport.

Stap 3: Probabilistische berekeningen - OpenFOAM berekeningen voor invloed van waterstand en golfhoogte op erosiesnelheid

Binnen het OGD wordt een koppeling gelegd met de Pilot Kleirijperij waarin onderzocht wordt hoe slib om te vormen tot klei. In de Deltagoot van Deltares is in 2021 de erosiesnelheid bepaald van klei uit de kleirijperij, van de huidige Dollarddijk en van de Groene dijk bij Blija in Friesland. Als vervolg op dat onderzoek zijn in de onderhavige rapportage berekeningen beschreven met het numerieke rekenmodel OpenFOAM. Het aantal proeven in de Deltagoot was namelijk vrij beperkt, maar door daarbij ook numerieke berekeningen uit te voeren, is het toepassingsbereik van de proefresultaten verbreed.

Met OpenFOAM is de invloed berekend van de waterstand en de golfhoogte op de grootte van de erosiesnelheid. Op basis daarvan kan de erosieformule voor klei verbeterd worden, gericht op deze specifieke klei, taludhelling en grootte van de golven. De invloed van de golfhoogte op de erosiesnelheid is nodig om probabilistische berekeningen te kunnen maken voor het bepalen van de faalkans van de kleilaag van het ontwerp van de Brede Groene Dijk.

Uit de analyse van de berekeningen met OpenFOAM blijkt dat de door Van Steijn e.a. (2021) aangepaste formule van Mourik (2020) goed aansluit op de huidige OpenFOAM berekeningen en derhalve gebruikt kan worden voor het ontwerp van de Brede Groene Dijk.

Stap 4: Structuurvorming in klei van Kleirijperij na versnelde seizoenen

In het kader van het onderzoek naar de toepasbaarheid en voorspelbaarheid van lokaal gewonnen kweldermateriaal en gerijpte baggerspecie voor dijken is onderzoek gedaan naar de structuurvorming in klei van diverse bronnen. Met structuurvorming wordt bedoeld het proces waarbij in de loop der jaren door het zwellen en krimpen van de klei, in combinatie met biologische en chemische processen, de klei scheuren gaat vertonen. Deze scheuren kunnen in het natte seizoen weliswaar dichtgaan door het zwellen van de klei, maar blijven toch zwakke plekken ten aanzien van de erosie van de klei tijdens golfaanval.

Het onderzoek is uitgevoerd met een nog niet eerder toegepaste methode, namelijk door de klei in bakken van 1x1 m² te doen in een laag met een dikte van 26 à 29 cm op een laagje zand. Vervolgens is de klei versneld onderworpen aan de invloed van de seizoenen door eerst de klei gedurende een bepaalde periode enkele keren per dag nat te sproeien, vervolgens zo’n zelfde periode koud en droog weg te zetten bij een temperatuur van ongeveer 6° en tenslotte zo’n zelfde periode te verwarmen tot omstreeks 30°. Er zijn drie cycli van elk ongeveer een maand op deze wijze doorlopen.

Deze procedure heeft tot gevolg gehad dat de klei gaat krimpen en zwellen, waardoor scheuren ontstaan. Naarmate er meer scheuren ontstaan, is de verwachting dat de klei sterker gestructureerd zal raken in de loop der jaren.

Het onderzoek heeft geleid tot de conclusie dat de gerijpte baggerspecie afkomstig van 

Stap 5: Evaluatie en tussenrapportage

Stap 6/7: Krimpgrens en erosiemeterproeven en onderzoek diverse parameters

Roto-erosieproeven op Valgenweg- en Klutenplasklei:

Uit de voorbereidingen van het demonstratieproject blijkt dat extra onderzoek in Nederland nodig is om de toepasbaarheid (en voorspelbaarheid van de uiteindelijke functionele eigenschappen) van lokaal gewonnen kweldermateriaal en gerijpte baggerspecie te vergroten. De verwachting is dat een aantal van deze eigenschappen verbeteren in de loop van de tijd. Bij de start van een rijpingsproces is er inzicht gewenst of er een geschikt bouwmateriaal van te maken is. Met name het hoge zoutgehalte en organisch stof gehalte maken dat deze klei niet voldoet aan de gestelde eisen.

Een belangrijke functionele eigenschap is de erodeerbaarheid van de klei onder golfaanval. Dit is onderzocht met behulp van onderzoek in de Deltagoot. Het is gewenst om ook met behulp van kleinschalige proeven de erodeerbaarheid van de klei te onderzoeken. Dit kan met behulp van de roto-erosiemeter, welke in het verleden is ingezet bij het bepalen van de erosiebestendigheid van reguliere dijkenklei onder stromingsbelasting. Er kan dan een vergelijking worden gemaakt met historische gegevens in het plasticiteitsdiagram.

De resultaten uit de erosieproeven kunnen tevens vergeleken worden met de resultaten uit de Deltagootproeven, om aan te tonen of deze kleinschalige proeven ook zinvol zijn bij het voorspellen van het erosiegedrag onder golfaanval, wat wezenlijk anders is dan puur een stromingsbelasting.

De hier gerapporteerde werkzaamheden bestaan uit erosiemetingen uitgevoerd met het roto-erosieapparaat op twee soorten gerijpte klei: Valgenweg- en Klutenplas klei welke afkomstig was uit de in de Deltagoot beproefde klei. De resultaten zijn gebruikt om erosieparameters af te leiden en te onderzoeken of er een verband kan worden gevonden met het verschil in erodeerbaarheid tussen deze twee kleisoorten zoals waargenomen in de Deltagootproeven. Tevens zijn de korrelverdeling en de krimpgrens van het de monsters bepaald.

Er zijn twee serie proeven uitgevoerd, de eerste serie bestaat uit standaard proeven die in het verleden zijn gebruikt om de erosiecategorieën vast te stellen. De tweede serie proeven bestaat uit gedetailleerde proeven waarbij toerentallen langer zijn volgehouden en meer waarnemingen zijn verricht. Zowel de standaard als de gedetailleerde proeven zijn bruikbaar gebleken om een indeling te maken in de erosieklassen op basis van bezwijktoerental, analoog aan wat gedaan is met de eerder genoemde historische gegevens. De gedetailleerde proeven geven een nauwkeuriger inzicht in de erosie bij toerentallen waarbinnen het erosie zich bij dat monster zich afspeelt, zodat de in de literatuur gangbare erosieparameters kunnen worden afgeleid.

Uit de resultaten blijkt Valgenwegklei een minder grote weerstand tegen erosie te bezitten dan Klutenplasklei. Ondanks dit vallen beide kleisoorten in de categorie matig tot weinig erosiegevoelig op basis van alle proefresultaten. Op basis van alleen de tweede serie proeven zou Klutenplasklei als weinig erosiegevoelig worden geclassificeerd. Dit geeft een beeld van het effect van het verhoogde zoutgehalte en organisch stof gehalte op de erosiegevoeligheid, waarbij een vergelijking is gemaakt met historische gegevens.

Stap 8: Mineralogisch onderzoek en analyse gevolgen afwijkende parameters

Onderzoek structuurvorming bakkenklei:

Het doel van het onderzoek op de vier kleisoorten uit de proefdijk (stap 2b OGD) is om vast te stellen hoe de voor de erosie relevante eigenschappen zich hebben ontwikkeld in de eerste periode na aanleg. Doel is ook vast stellen of er kenmerken zijn die duiden op de wijze van aanleg en de eigenschappen van de klei daarbij.

Het is gewenst om met behulp van kleinschalige proeven de erodeerbaarheid van de vier typen klei te onderzoeken. Dit kan met behulp van de roto-erosiemeter, die in het verleden ingezet is bij het bepalen van de erosiebestendigheid van reguliere dijkenklei onder stromingsbelasting. Er kan dan gebruik  worden gemaakt van de erosieklassen uit historisch onderzoek. Uiteindelijk moet een vergelijking worden gemaakt met de resultaten uit de Deltagootproeven (op Klutenplasklei en Valgenwegklei), om aan te tonen of deze kleinschalige proeven ook zinvol zijn bij het voorspellen van het erosiegedrag onder golfaanval, wat wezenlijk anders is dan puur een stromingsbelasting.

Tevens is het doel te onderzoeken hoe de erosiebestendigheid ruimtelijk varieert, waarbij verbanden worden gelegd met uitgevoerde profielkuilonderzoek

In het voorliggend rapport zijn de resultaten gerapporteerd van het uitgevoerde mineralogisch onderzoek op 6 kleisoorten die eerder getest zijn op structuurvorming onder invloed van gesimuleerde natte en droge seizoenen. Het achterliggende idee hierbij is dat structuurvorming een sterkte relatie met erosiegevoeligheid heeft. Structuurvorming is het gevolg van rijping en zal altijd in meer of mindere mate in klei plaatsvinden. Hoe sterker de structuurvorming, hoe erosiegevoeliger de klei is het algemene beeld.

Stap 9: Meting erosiebestendigheid deltaklei met Deltagootproeven

In het kader van het Onderzoek Geschiktheid Deltaklei (onderdeel van het demonstratieproject Brede Groene Dijk) zijn twee series proeven uitgevoerd in de Deltagoot waarmee de erosiesnelheid is gemeten van vier kleisoorten:

• Eerste proevenserie (gestort en verdicht):
  • lokaal gewonnen kweldermateriaal uit de “Klutenplas”, zonder gras
  • gerijpte baggerslib van de Kleirijperij aan de “Valgenweg”, zonder gras
• Tweede proevenserie (aangebracht in ongeroerde blokken van 2x2 m²):
  • gestructureerde klei in ongeroerde staat van de Dollarddijk, inclusief gras
  • gestructureerde klei in ongeroerde staat van de Groene Dijk bij Blija, inclusief gras

Het kweldermateriaal uit de “Klutenplas” is recent gewonnen uit de kwelder langs de Dollard, terwijl de klei uit de Dollarddijk dezelfde oorsprong heeft, maar daar al sinds de tachtiger jaren in de dijk zit. De klei uit de Groene Dijk bij Blija is ook kweldermateriaal, maar dan van een andere locatie. Deze dijk is deels opgebouwd met de klei van de oude dijk (van voor de dijkversterking in de jaren 80). Het kleitekort is destijds aangevuld door deze te winnen uit een sleuf langs de buitenteen, die daarna is opgevuld met zand.

Het doel van de proeven is om de toepasbaarheid (en voorspelbaarheid) van het lokaal gewonnen kweldermateriaal en gerijpte baggerspecie te vergroten en tevens een bijdrage te leveren aan de beoordeling van de Groene Dijk van het Wetterskip Fryslân (dijkvak Noorderleeg-Blija op het dijktraject Koehool-Lauwersmeer).

Het kweldermateriaal en de gerijpte baggerspecie voldoen niet (volledig) aan de voorschriften van de TR Klei voor dijken (TAW, 1996). Toch zijn er dijken waar dergelijke afwijkende materialen al vele jaren liggen en waar de dijk naar behoren functioneert. De vraag is of door een aangepast ontwerp, adequate uitvoering en een afgestemd beheer en onderhoud gekomen kan worden tot een waterveilige dijk.

Voor de Groene Dijk van het dijkvak Noorderleeg-Blija geldt dat deze net niet door de periodieke beoordeling in het kader van WBI 2017 komt met de huidige beoordelings­methodiek, die eigenlijk niet geheel geschikt is voor de flauwe taludhelling, de dikke kleilaag en zware golfaanval. De Deltagootproeven kunnen aantonen of de dijk toch voldoende veiligheid geeft.

Daarnaast blijkt uit het demonstratieproject Brede Groene Dijk dat de waarde van een erosiecoëfficiënt in het huidige rekenmodel van afwijkende kleisoorten niet kan worden bepaald aan de hand van standaard kleiparameters. Ook blijkt het toegepaste rekenmodel niet geschikt voor taluds flauwer dan 1:5 en voor hoge golven (H_m0 > 1,5 m). De huidige proeven leveren daarom de benodigde informatie om het rekenmodel te verbeteren.

Voor de proeven is de Brede Groene Dijk op werkelijke schaal nagebouwd. Het model is opgesplitst in twee helften zodat twee soorten klei gelijktijdig naast elkaar zijn beproefd. Van elke klei is een laag van 1,85 m aangebracht over een taludlengte van 26 m en een breedte van 2,25 m (eerste proevenserie) en 2,00 m (tweede proevenserie).

Stap 10: Eindrapportage

Voorliggend rapport is het eindrapport van dit onderzoek. In dit rapport zijn de onderzoeksstappen samengevat en zijn de opgedane inzichten gebundeld. Tevens bevat het een groene versie van een protocol (handreiking) voor het verantwoord gebruik van afwijkende kleien met betrekking tot ontwerp, uitvoering en beheer. Deze handreiking gaat in op de meerwaarde van de proeven/onderzoeken die in het OGD zijn uitgevoerd. Het eindrapport geeft daarmee ook een handelingsperspectief voor de toepassing van afwijkende kleien in de dijkenbouw in de rest van Nederland. 

Na het OGD zijn nog niet alle vragen beantwoord. Dit zijn zowel vragen uit het oorspronkelijke onderzoeksplan als nieuwe vragen die gedurende het onderzoek zijn opgekomen. Dit betreft onder andere de ontwikkeling van structuurvorming van de klei van de BGD op langere termijn en het precieze effect van structuurvorming op erosiebestendigheid. Tevens zijn er nog vragen over het kunnen voorspellen van de erosiebestendigheid van nieuw (nog niet aangebracht) materiaal. Hoe de erosiebestendigheid samenhangt met de geotechnische en mineralogische eigenschappen van verschillende soorten klei is ook nog niet volledig bekend. In het nieuwe Onderzoek Erodeerbaarheid Klei (OEK) bij waterschap Noorderzijlvest zal hier op verder worden gegaan.

Tenslotte vindt in de periode 2022–2025 ter plaatse van de aangelegde BGD een driejarig monitoringsprogramma plaats. Deze monitoring na aanleg focust zich op de ontwikkeling van de structuur in de klei, de ontwikkeling van de vegetatie (gras enkruiden) en richt zich tevens op eventuele schadegevallen na optredende stormen. In het laatste jaar van de monitoring vindt uitgebreid profielkuilonderzoek plaats.