Wat is het

Piping kan worden voorkomen door te verhinderen dat zand uitspoelt. Dit kan worden bereikt door een filter aan te brengen bij het uittredepunt. Dit is weergegeven in de onderstaande figuur. Het filter kan bestaan uit een granulair filter, opgebouwd volgens de filterregels. Het kan ook bestaan uit een filterdoek (geotextiel) met een afdeklaag.

Filters hebben meestal ten doel:

• Het voorkomen van erosie (filterfunctie).
• Het mogelijk maken van de afvoer van overtollig water (drainagefunctie).

Hoe te bepalen

Voor een goede werking van deze methode zijn twee aspecten van groot belang:

• Het filter dient zanddicht te zijn.
• Het filter moet meer waterdoorlatend zijn dan de omliggende grond.

Beide aspecten zijn belangrijk bij de preventie van piping. De bedoeling is dat materiaaltransport wordt voorkomen, terwijl overmatige wateroverdrukken worden beperkt. Een erosiewerend filter moet dus tevens een drainerende functie hebben.

Het filter moet worden aangebracht ter plaatse van het uittredepunt, daarom is het van belang zeker te weten waar het grondwater uit zal treden. Door de filterconstructie wordt migratie van zanddeeltjes vanuit de zandlaag voorkomen. Hierbij is in acht te nemen dat deze filterconstructie niet verstopt mag raken omdat deze anders kan opbarsten en piping alsnog kan optreden.

Er zijn twee soorten filters:

• Geometrisch dichte filters.
• Geometrisch open filters.

Bij het eerste type is transport van materiaal onmogelijk, omdat de poriegrootte tussen in het filter zodanig klein is dat geen materiaaltransport kan optreden ongeacht de hydraulische belasting. Dit type filter berust dus op geometrische principes. Een nadeel van dit type is dat watertransport meer wordt gehinderd, daardoor zal de waterspanning verder op kunnen lopen, wat invloed kan hebben op andere faalmechanismes.

Bij open filters is de poriegrootte wel voldoende voor zandtransport, maar de verwachtte hydraulische belasting is te laag om transport van deeltjes op te wekken. Het voordeel van dit type filter is dat watertransport gemakkelijker is, waardoor waterspanningen minder ver oplopen.

Aan de verhoudingen van de openingen in het filter moeten eisen worden gesteld. Deze mogen niet te groot zijn want anders kan er materiaaltransport optreden. Een voldoende zanddichtheid wordt verkregen door toepassing van de filterregels. De aansluitingen van het filter op de omgeving dienen voldoende aandacht te krijgen. Handvatten voor ontwerp zijn opgenomen in Ontwerp- en beoordelingsrichtlijn Drainagetechnieken [Bart, 2022]. Formules voor het ontwerp van granulaire filters zijn beschreven door Verheij en Hoffmans in [Verheij, 2011]. In CUR-rapport 161 ‘Filters in de waterbouw’ [CUR, 1993] wordt een uitgebreid overzicht gegeven van ontwerpregels voor geometrisch dichte filters inclusief voorbeelden. CUR-rapport 233 ’Interface stability of granulair filters’ [CUR, 2010] presenteert een formule voor granulair open filters. Ter voorkoming van het uitspoelen van zanddeeltjes kan ook gedacht worden aan het toepassen van geotextiel, zie hiervoor CUR-publicaties C174 [CUR, 2009] en C217 [CUR, 2006]. Geotextiel filters bieden in principe dezelfde mogelijkheden als granulaire filters en hebben het voordeel van een geringere constructiedikte.

Eisen aan dichte erosiewerende filters

Voor dichte erosiewerende filters zijn volgende eisen belangrijk:

• Interne stabiliteit, dat wil zeggen het filtermateriaal zelf mag niet gaan bewegen.
• Externe stabiliteit, dat wil zeggen voorkomen moet worden dat gronddeeltjes door het filtermateriaal heen worden getransporteerd.
• Waterdoorlatendheid; het filter moet waterdoorlatend zijn om te voorkomen dat door de opbouw van waterspanningen op een andere plaats opbarsten optreedt.

Details zijn te vinden in de genoemde literatuur.

Verticale filteroplossingen

Mogelijke verticale technieken zijn :

• Het toepassen van grover grondmateriaal in de baan van het erosiekanaal;
• Het toepassen van een verticaal geotextiel in de baan van het erosiekanaal;
• Het toepassen van een filterscherm in de baan van het erosiekanaal.

In de volgende alineas worden de verschillende technieken in detail toegelicht met een schematische weergave. Hierin is uitgegaan van een referentiesituatie met sloot in het achterland, waarbij de deklaag in de sloot significant dunner is dan in de rest van het achterland zodat opbarsten altijd bij de sloot plaatsvindt.

Werking van het ingraven van grover materiaal

Het toepassen van grover grondmateriaal in de baan van het erosiekanaal wordt ook wel een grofzandbarrière (GZB) genoemd. De werking van een GZB is schematisch weergegeven in onderstaande figuur. Bij deze filtertechniek wordt op enige afstand van de binnenteen een deel van de deklaag en de onderliggende zandlaag vervangen door grover materiaal.

Nadat een beginnend erosiekanaal is gevormd onder de deklaag worden zandkorrels op het grensvlak van de pipinggevoelige zandlaag en de deklaag meegevoerd door de grondwaterstroming richting de wel in het achterland. Zodra het erosiekanaal tot aan de grofzandbarrière is gegroeid komt het erosiekanaal als het ware een muur van grof materiaal tegen, waardoor het pipingproces op verschillende manieren wordt bemoeilijkt. De eerste manier is dat het barrièremateriaal uit grotere korrels bestaat waardoor er dus meer weerstand tegen erosie aanwezig in het filter dan in het origineel aanwezige zand (ook wel achtergrondzand genoemd). De tweede reden is dat de stromingsbelasting op korrels in de grofzandbarrière relatief klein is, omdat de barrière een hoge doorlatendheid heeft in vergelijking met het achtergrondzand. Hierdoor kan het achtergrondzand het filter niet passeren. Het grootste deel van het verval tussen de buitenwaterstand en het polderpeil in het achterland wordt opgenomen door het relatief fijne achtergrondzand bovenstrooms van de grofzandbarrière. Voor de grofzandbarrière geldt dat hoe groter het verschil in doorlatendheid is tussen het barrièrezand en het achtergrondzand, hoe effectiever de barrière is.

Werking van een verticaal zanddicht geotextiel

Een verticaal zanddicht geotextiel (VZG) wordt bij de toepassing als filtertechniek verticaal ingebracht nabij de teen van de dijk. Dit is schematisch weergegeven in onderstaande figuur.

Na het opbarsten van de deklaag in het achterland, ontstaat een erosiekanaal onder de deklaag richting de rivier. Naarmate de buitenwaterstand toeneemt, zal het erosiekanaal verder groeien richting de buitenzijde van de dijk. Door de toepassing van een VZG in de baan van het erosiekanaal, wordt zandtransport, en daarmee de groei van het erosiekanaal tegengehouden. De grootte van de perforaties in het geotextiel zijn zo groot dat het kwelwater hier makkelijk doorheen stroomt, maar ook klein genoeg dat het achtergrondzand niet kan passeren. Hierdoor wordt kortsluiting van het erosiekanaal tussen de binnenzijde en buitenzijde van de dijk voorkomen. Daarnaast is de waterdoorlatendheid van een VZG groot, waardoor de geohydrologie (stijghoogte) niet wordt beïnvloed.

Werking van een filterscherm

Een andere toepassing van een filtertechniek is een filterscherm. Dit is in feite een heavescherm met holle kokers waarin een filterconstructie is opgenomen. Door middel van ‘gaten’ in de kokers van het scherm kan water de filterconstructie passeren, maar zandkorrels niet. De toepassing van een filterscherm is schematisch weergegeven in onderstaande figuur.

Het filterscherm is gebaseerd op het filterwerkingsprincipe van een granulair geometrisch gesloten filter. Het bestaat uit brede kunststof damwandplanken die voorzien zijn van holle kokers in de vorm van een honingraat. De wanden van de kokers zijn over een beperkte lengte voorzien van verticale sleuven (hierna perforaties genoemd), waardoor het scherm waterdoorlatend is. De holle kokers worden gevuld met filterzand waarvan de samenstelling is afgesteld op het achtergrondzand. Het aangebrachte filterzand zorgt voor een filterwerking, waarbij het grondwater het scherm kan passeren maar zandtransport wordt verhinderd.

Zie voor de toepassing van de genoemde verticale oplossingen Halbmeijer et al, 2025.

Relatie met andere faalmechanismes

Een filterconstructie ter plaatse van het uittredepunt zorgt ervoor dat de waterspanning onder de dijk verlaagd wordt. Dit heeft een positief effect op de stabiliteit van het binnentalud.

Aandachtspunten en geldigheidsgebied

Aandacht dient uit te gaan dat de onderzijde van het filter ook in contact staat met de watervoerende laag en dat er geen slechtdoorlatende (klei-)lagen resteren onder de onderzijde van het filter.

Er dient zekerheid te zijn dat tussen de dijk en het filter geen nieuw uittredepunt ontstaat. Daarvoor moet voldoende zekerheid zijn over de bodemopbouw op dit deel en de stijghoogtes die hier kunnen optreden. Risico’s bestaan dan ook uit (sterk) variërende deklagen, wisselende afstanden tussen de filtertechniek en het uittredepunt en het (onzekere) effect van een filterconstructie op de stijghoogte.

Als een sloot wordt aangelegd met als doel piping te controleren, dan zal deze sloot als ontlastsloot functioneren. De potentiaal in de zandlaag daalt hierdoor. Er moet rekening worden gehouden met een toename van de kwelstroom. Bij het ontwerp zal moeten worden nagegaan of het kwelwater kan worden geborgen of dat het moet worden afgevoerd.