Piping is een verschijnsel dat kan optreden bij hoge waterstanden van het buitenwater (rivier, kanaal, boezem, meer of zee), waarbij het verval (d.i. het verschil tussen buitenwaterstand en binnenwaterstand ofwel het verschil tussen buitenwaterstand en maaiveldhoogte c.q. polderpeil) zo groot is dat zandtransport als gevolg van terugschrijdende erosie onder een cohesieve deklaag plaats gaat vinden en een open kanaal ontstaat. Als gevolg van terugschrijdende erosie treden zandmeevoerende wellen op.
Een eerste voorwaarde voor piping is kwelstroming, van onder de dijk door naar het oppervlak. Het kwelwater treedt aan de binnendijkse kant uit, direct bij de dijkteen, in een sloot of in het achterland.
Het debiet dat onder de dijk door stroomt, is afhankelijk van de dikte en de doorlatendheid van de watervoerende zandlagen en het verhang dat over de dijk heen staat. De afvoer van grondwater door het cohesieve pakket hangt af van de verticale doorlatendheid van de deklaag zelf. Bij een opgebarsten deklaag zal het water via de scheuren naar boven dringen omdat hier de minste weerstand aanwezig is.
Bij het fenomeen piping is onderscheid te maken tussen stationaire (d.i. permanent, dus onafhankelijk van de tijd aanwezige) en instationaire (in de tijd veranderlijke) belasting. De belasting, d.i. de aandrijvende kracht die het erosieproces op gang houdt, is namelijk niet onmiddellijk aanwezig, maar moet zich eerst binnen een bepaalde tijd opbouwen en dan ook langere tijd aanwezig blijven om het pipingproces volledig te laten ontwikkelen.
Bij zeedijken wordt tijdens stormcondities de buitenwaterstand in het algemeen bepaald door de getijbeweging en de stormopzet. De getijamplitude varieert van springtij tot doodtij. Bovenop het getij moet nog de invloed van de storm opgeteld worden: de stormopzet. Het verloop in de tijd van de stormopzet kan van storm tot storm sterk verschillen. Een korte storm met een opzet gedurende enkele uren zal slechts één hoogwater beïnvloeden en dus één extreme piek in de waterstand tot gevolg hebben. Een storm van enkele dagen zal meerdere pieken veroorzaken, die echter niet allemaal even hoog hoeven te zijn. Er is geen relatie tussen de duur van de opzet en de hoogte van de opzet.
Het waterstandsverloop is bepalend voor de belastingduur. Dit verloop wordt door de waterstandsverlooplijnen beschreven. Als de reststerkte, d.i. de nog aanwezige sterkte na beperkte onderloopsheid van de dijk volgens het rekenmodel tot aan falen van de dijk (verlies van waterkerende functie) groter is dan de belastingduur, dan bezwijkt de dijk niet. Door de variërende waterstand kan een dijk gedurende een storm meerdere malen worden belast.
Bij rivierdijken treedt in het algemeen één langdurig hoogwater op met slechts weinig variërende waterstand. Het waterpeil stijgt langzaam tot aan de piekwaarde en bouwt zich dan langzaam weer af. De hele hoogwatergolf kan ongeveer twee weken duren.
In het benedenrivierengebied wordt de waterstand deels bepaald door de rivierafvoer en deels bepaald door de waterstand op zee, waardoor de invloed van het getij enigszins merkbaar is en bovendien een kort durende waterstandsverhoging door een storm kan optreden.
In essentie wordt de aandrijvende belasting gevormd door het waterstandsverschil over de kering en de tijdsduur waarover dit waterstandsverschil aanwezig is. Als gevolg van deze aandrijvende belasting veranderen de waterspanningen in en onder de dijk, de vervallen over de verschillende constructieonderdelen, danwel de gradiënten in de waterspanningen vormen uiteindelijk de belasting die de verschillende mechanismen laten optreden:
- Het verval over de deklaag achter de dijk laat deze opbarsten,
- De gradiënt in de wel maakt of er heave optreedt,
- De gradiënt bij het front van de pipe, zorgt ervoor dat de pipe groeit.
De belasting in en onder de dijk kan door bepaalde processen ook weer worden verlaagd ten opzichte van het niveau dat dan men op basis van het aanwezige waterstandsverschil zou verwachten. Zo kan de waterdruk minder hoog worden door elastische berging van water in het korrelskelet van het watervoerende pakket, door freatische berging in de nog onverzadigde zones van de dijkkern of door zwel van het dijkmateriaal.
In geval van freatische berging lekt het water door het slappe lagenpakket naar het dijklichaam, waardoor de toestroming naar het pipingkanaal beperkt wordt. Dit zijn steeds tijdsafhankelijk effecten waardoor de aandrijvende belasting tijdelijk kleiner wordt.
