Zoals beschreven in Effecten tijdsafhankelijke buitenwaterstand op terugschrijdende erosie hebben de duur en het verloop in de tijd van de hydraulische belastingen invloed op de wijze waarop verschillende processen zich rondom de waterkering ontwikkelen (“tijdsafhankelijkheid”). De belasting (buitenwaterstand) is hoog voor een beperkte tijdsduur. De stijghoogte reageert hierop vertraagd en . Daarnaast heeft ook terugschrijdende erosie tijd nodig om te leiden tot falen van een waterkering; hier zit de tijdsafhankelijkheid niet in de vertraagde grondwaterstroming maar in het erosieproces. Dit artikel gaat in op een aantal achtergronden met betrekking tot tijdsfafhankelijke grondwaterstroming.

De buitenwaterstand varieert daarnaast als gevolg van golven. Er bestaan verschillende typen golven die een verschillende tijdsduur hebben. De volgende golven kunnen worden onderscheiden:

• Windgolven.
  Tijdsduur is enkele seconden.
• Opslingeringen en seiches (halingen).
  Tijdsduur is minuten of tientallen minuten.
• Getijdegolven.
  Tijdsduur is meerdere uren.
• Storm gedomineerd hoogwater.
  Tijdsduur is een à twee dagen.
• Hoogwater door afvoergolven.
  Tijdsduur is meerdere dagen tot meerdere weken.

Bij het faalmechanisme piping heeft de tijdsafhankelijke component van de verandering van de grondwaterstand altijd invloed. Deze reageert niet op zeer korte belastingen. Daardoor worden bij piping de invloeden van windgolven, opslingeringen en seiches genegeerd.

De andere tijdsafhankelijke belastingen hebben mogelijk wel invloed op het faalmechanisme piping. De relevantie van tijdsafhankelijkheid dient in beschouwing te worden genomen. Daarbij is de eerste stap de bepaling van de tijdsafhankelijke eigenschappen van de belasting. Lees hiervoor verder in het artikel Buitenwaterstand.

De grondwaterstand (stijghoogte in watervoerend pakket) reageert vertraagd en gedempt op de verandering van de buitenwaterstand. Gedurende de periode dat de grondwaterstand zich nog aanpast aan de veranderde buitenwaterstand wordt gesproken van een niet-stationaire situatie. Als de nieuwe buitenwaterstand dusdanig lang aanhoudt dat de grondwaterstand een nieuw evenwicht bereikt wordt gesproken van een stationaire situatie.

Kenmerkend voor de stationaire situatie zijn:

• Volledig ontwikkelde verticale stroming naar de zandlaag toe door de afdekkende laag in het voorland.
• Volledig ontwikkelde verticale stroming vanuit de zandlaag naar het maaiveld (of de sloot) door de afdekkende laag in het achterland.
• Volledig ontwikkelde horizontale stroming in de zandlaag.

In een niet-stationaire toestand spelen naast genoemde stromingsverschijnselen meerdere tijdsafhankelijke aspecten een rol. Deze zijn geïnventariseerd door Bauduin en Barends [Bauduin, 1988]. Dit zijn:

• Negatieve consolidatie (zwel) van de afdekkende laag in het achterland.
• Consolidatie (compactie) van de afdekkende grondlaag in het voorland.
• Elastische berging in een zandlaag.
• Berging in het freatische grondwater door opvullen van de poriën in de bodem.

Aanvullend is ook de onderstaande factor van invloed:

• Berging in het oppervlaktewater, door verandering van waterpeilen.

Door Bauduin en Barends wordt gesteld dat de eerste twee factoren bepalend zijn voor het meenemen van de invloed van getij. De rekenwijze hiervan is overgenomen in het artikel Model voor stroming onder dijk, de respons op een sinusvormige hoogwatergolf (Model 4D). Er is tevens gesteld dat “De toplaag in het voorland veroorzaakt een extra weerstand: een aanzienlijke demping, maar vreemd genoeg nauwelijks vertraging.” Het meenemen van tijdsafhankelijke invloed van het voorland, anders dan demping, is daarmee (mogelijk) buiten het geldigheidsgebied.

De derde invloed (elastische berging) is van belang bij zeer kortdurende variaties, zoals bij pompproeven. De vierde is van belang wanneer de freatische grondwaterstand een grote invloed heeft en veel kan veranderen (bijvoorbeeld afschuiven van de bekleding bij dijken met een zandlichaam). De vijfde is van belang wanneer er aanwijzingen zijn dat het oppervlaktewater qua peil meebeweegt met het buitenwater.

Ter illustratie zijn in onderstaande figuur de waterspanningen langs een verticaal in het voorland en langs een verticaal in het achterland voor de niet stationaire toestand schematisch weergegeven. Het stijgende water geeft direct een toename van de waterspanning in de zandlaag. Omdat er ook direct een stroming ontstaat in de zandlaag van de rivierzijde naar het achterland, zal de stijging van de waterspanning in de zandlaag lager zijn dan de stijging van de buitenwaterstand. Hierdoor neemt de effectieve spanning in de afdeklaag toe. Dit leidt tot consolidatie van de afdeklaag, waardoor er water stroomt uit de afdeklaag naar de zandlaag. We kunnen dit opvatten als een schijnbaar grotere doorlatendheid van de kleilaag. Dit vertaalt zich in een tijdsafhankelijke spreidingslengte λ_1,t die kleiner is dan de spreidingslengte λ₁ in de stationaire situatie.