Dit artikel beschrijft het faalproces in meer detail, zie ook Beschrijving faalproces piping bij kunstwerk. Vertrekpunt hierbij is dat het kunstwerk deels of geheel gesloten is en hierdoor een verval over het kunstwerk kan ontstaan.

Initiërende gebeurtenis

Het faalproces start met een toename van de hydraulische belasting op het kunstwerk. De belasting op het kunstwerk wordt gevormd door het verval over het kunstwerk, zijnde het verschil tussen de buitenwaterstand en de waterstand aan de binnenzijde van het kunstwerk. Bij toenemend verval neemt de grondwaterstroming onder en/of naast het kunstwerk toe. Dit leidt tot een geconcentreerde grondwaterstroming onder en/of naast het kunstwerk. In het voorbeeld van een sluis in Figuur 1 is links te zien dat het water vlak onder de bodem van het kunstwerk sneller zal stromen (pijlen dichter op elkaar) dan dieper in de ondergrond. Ter hoogte van het benedenhoofd komt het water weer aan de oppervlakte en is er sprake van concentratie van grondwaterstroming. Hier is het gevaar voor erosie dus het grootst en begint het pipingproces. In Figuur 1 is rechts een bovenaanzicht van hetzelfde kunstwerk getekend. Vlak naast het kunstwerk treedt een concentratie aan stroomlijnen op, waar erosieproblemen zich het eerste voor zullen doen als er geen maatregelen zijn getroffen.

Mocht er direct achter het kunstwerk ter plaatse van het uittredepunt een afsluitende, cohesieve laag zitten dan moet deze laag eerst opbarsten voordat uitspoeling op kan treden (analoog aan het pipingproces bij dijken).

Naast het verval over het kunstwerk – veroorzaakt door het verschil tussen de waterstand aan buiten- en binnenzijde van het kunstwerk – speelt de belastingduur uiteraard ook een rol. De opbouw van waterspanningen in de ondergrond vraagt immers tijd en het verval over het kunstwerk moet dus lang genoeg in stand blijven om een grondwaterstroming te laten ontstaan. Hier wordt in paragraaf ‘Tijdsafhankelijkheid’ van dit artikel nader op ingegaan.

Vervolggebeurtenissen en falen van het kunstwerk

De weerstand tegen piping bestaat uit twee componenten: de lengte van de kwelwegen onder en/of naast het kunstwerk en de eigenschappen van de ondergrond waarop het kunstwerk gefundeerd is. Beide dragen bij aan de weerstand die de grondwaterstroming onder en naast het kunstwerk ondervindt.

De kwelweglengte is direct gerelateerd aan het kunstwerk zelf en wordt gevormd door de mate waarin de kwelstroom wordt geforceerd een langere route af te leggen door de ondergrond (kwelweg). Dit wordt bepaald door de geometrie en funderingswijze van het kunstwerk. De hoofdafmetingen van het kunstwerk worden doorgaans bepaald door de functie; met behulp van kwelschermen onder en naast het kunstwerk kan de kwelweg vervolgens verlengd worden. De fundatiewijze bepaalt of het deel van de kwelweg dat onder de constructie zit ook bijdraagt aan de weerstand die de grondwaterstroming onder en naast het kunstwerk ondervindt. Bij kunstwerken die op staal zijn gefundeerd is dit wel het geval. Bij kunstwerken die op palen zijn gefundeerd kan het voorkomen dat de ondergrond wel zakt en het kunstwerk niet. Hierdoor ontstaat een spleet tussen kunstwerk en ondergrond, waardoor de weerstand over dit deel van de kwelweg sterk afneemt. Dit deel van de kwelweg draagt dan veel minder bij aan de weerstand die de grondwaterstroming onder en naast het kunstwerk ondervindt.

De weerstand die de grondwaterstroming onder en naast het kunstwerk ondervindt is ook sterk afhankelijk van het materiaal waaruit de ondergrond bestaat. In cohesieve, slecht doorlatende grondlagen is de grondwaterstroming zeer klein. Daarnaast zorgt de onderlinge samenhang ervoor dat er geen gronddeeltjes uitspoelen. Cohesieve, slecht doorlatende grondlagen zijn daarom niet gevoelig voor piping. In niet-cohesieve, goed doorlatende grondlagen (zand, grind) is de grondwaterstroming veel groter. Daarnaast is er geen onderlinge samenhang tussen de deeltjes, zodat gronddeeltjes makkelijk door de grondwaterstroming kunnen worden meegevoerd.

De mate waarin niet-cohesieve grondlagen gevoelig zijn voor piping hangt af van de korreldiameter. Hierin spelen twee tegengestelde effecten een rol. De weerstand van de individuele korrel tegen uitspoelen neemt toe als de korrelgrootte toeneemt. De doorlatendheid van de ondergrond, en hiermee de grondwaterstroming, neemt echter ook toe bij toenemende korreldiameter. Het eerste (weerstandbiedende) effect is echter sterker, waardoor fijnkorrelige materialen gevoeliger zijn voor piping dan grofkorrelige.

Het faalproces van initiatiefase tot bezwijkfase

De grondwaterstroming onder en/of naast het kunstwerk neemt toe als bij stijgende buitenwaterstanden het verval over het kunstwerk toeneemt. Ter plaatse van het uittredepunt van de geconcentreerde grondwaterstroming (zie Figuur 1) neemt het debiet en hiermee de stroomsnelheid van het uittredende grondwater toe. In eerste instantie gaat het om ‘schoon’ grondwater en worden geen gronddeeltjes meegenomen. Wanneer de grondwaterstroming krachtig genoeg is dan worden de volgende processen in gang gezet (zie Figuur 2):

• Erosie van de zandlaag.
  Bij kunstwerken met een benedenstrooms kwelscherm ontstaat een situatie waarbij het zand tussen de onderzijde van het kwelscherm en het uittredepunt in gefluïdiseerde toestand raakt (heave, zie plaatje linksboven in Figuur 2). Individuele zandkorrels worden meegevoerd en rondom de uitstroomopening van de wel afgezet. Dit wordt welvorming genoemd, zie plaatje rechtsboven in Figuur 2. In de zandlaag ontstaat hierdoor een holle ruimte ter plaatse van het uittredepunt, die zich later bovenin de zandlaag direct onder het kunstwerk in vorm van kanaaltjes (pipes) in bovenstroomse richting (richting buitenwater) uitbreidt. Dit wordt terugschrijdende erosie genoemd en is schematisch weergegeven het derde plaatje van Figuur 2.
• Het ontstaan van doorgaande pipes.
  Bij voldoende groot verval over het kunstwerk blijven de erosiekanaaltjes groeien, tot ze het buitenwater bereiken. Er is dan een open verbinding tussen buitenwater en uittredepunt ontstaan, waardoor het kunstwerk onderloops is geworden. Het mechanisme onderloopsheidof piping is daarmee een feit.
  Een hypothese is dat de kanaalvorming in eerste instantie een reducerende werking op het erosieproces heeft, doordat stromingsgradiënten afnemen zodat (bij gelijk blijvende buitenwaterstand) de terugschrijdende erosie tot stilstand komt. Wanneer het verval over de kering echter groot genoeg is, zal de terugschrijdende erosie zich zover doorzetten dat het erosieproces niet gereduceerd wordt, maar juist versterkt. Het verval, waarbij het proces van terugschrijdende erosie nog net stopt, wordt het kritieke verval genoemd. In de IJkdijkproeven is echter waargenomen dat als eenmaal een zandmeevoerende wel is ontstaan, het pipingproces niet meer tot stilstand komt. Bij gelijkblijvend verval stopt het zandtransport niet meer en de lengte van het kanaal blijft toenemen. Er ontstaat dus geen evenwichtssituatie. Dit lijkt in tegenspraak met de eerste hypothese.
• Verbreden van het doorgaande kanaal in benedenstroomse richting.
  Zodra het kanaaltje contact maakt met het water aan de bovenstroomse zijde van het kunstwerk (buitenzijde) treedt het ruimproces op. Onder ‘ruimen’ wordt het proces verstaan waarbij het kanaaltje door een drukgolf, die met de stroom meeloopt, vanaf de bovenstroomse naar de benedenstroomse kant versneld verder gaat eroderen. Deze drukgolf ontstaat als gevolg van het verdwijnen van het laatste stukje weerstand aan de bovenstroomse zijde van het kunstwerk.
• Bezwijken van het kunstwerk of naastliggende grondlichaam.
  Zodra het ruimproces de benedenstroomse zijde heeft bereikt, resulteert dit in een forse toename van zandtransport en debiet. In geval van achterloopsheid zal naast zand ook klei meespoelen en er vormt zich een zogenaamde modderfontein. Water stroomt met groot geweld door het geruimde kanaal. In dat geval ontstaat een onbeheersbaar proces dat mogelijk leidt tot bezwijken van (delen van) het kunstwerk.
  In geval van achterloopsheid zal het proces vergelijkbaar zijn met dat bij dijken. Bij dijken treden in de dijk grote scheuren op en de dijk zakt in elkaar. Dit leidt uiteindelijk tot verlies van het waterkerende vermogen van de waterkering met bresvorming tot gevolg.
  Bij onderloopsheid van het kunstwerk moet als gevolg van erosie van grond onder en langs het kunstwerk de overall-stabiliteit van het kunstwerk onvoldoende worden, waarna kantelen of afschuiven van het hele kunstwerk optreedt. Ook kan een proces in gang worden gezet waarbij successievelijk delen van het kunstwerk constructief bezwijken, met het falen van de kering als uiteindelijk gevolg. Bij voldoende hoge waterstand zal dan een bres in de waterkering ontstaan ter plaatse van het kunstwerk.

In Figuur 2 is dit proces gevisualiseerd voor het ontstaan van een doorgaande pipe onder het kunstwerk (onderloopsheid). Indien sprake is van pipevorming naast het kunstwerk op het grensvlak met een cohesieve laag (achterloopsheid) is het verloop van het pipingproces analoog aan het verloop van het pipingproces bij dijken. In paragrafen 4.3 en 4.6 van het Onderzoeksrapport zandmeevoerende wellen [Förster, et al., 2012] wordt het pipingproces voor dijken in meer detail beschreven.

Bovenstaande beschrijving is gebaseerd op een kunstwerk dat zich in een zandige laag bevindt. Indien het kunstwerk is opgenomen in een ondoorlatend pakket, dan kan piping optreden vanuit de hieronder gelegen watervoerende zandlagen. In paragraaf 4.3 van het Onderzoeksrapport zandmeevoerende wellen is het bijbehorende faalproces beschreven. Dit faalproces is in principe hetzelfde als piping in het dijkenspoor.

Ook voor het faalmechanisme piping bij kunstwerk geldt in principe dat falen van het kunstwerk is gekoppeld aan het optreden van overstromingsgevolgen, oftewel wanneer het kombergend vermogen niet meer toereikend is en er substantiële schade optreedt en/of er dodelijke slachtoffers vallen. In de praktijk wordt meestal aangenomen dat bezwijken van het kunstwerk of het naastliggende grondlichaam altijd leidt tot overschrijding van het kombergend vermogen en hiermee tot substantiële schade en/of slachtoffers (overstroming). Indien men het kombergend vermogen toch in het ontwerp of de beoordeling wil betrekken dan wordt verwezen naar de Technische Leidraad Hoogte bij kunstwerk (zie Inleiding faalmechanisme overslag en/of overloop bij kunstwerk) en Handleiding Hoogte bij kunstwerk.

Tijdsafhankelijkheid

Zoals uit bovenstaande paragraaf blijkt, moeten meerdere processen hun beslag krijgen voordat het kunstwerk bezwijkt na het overschrijden van het kritieke verval. Allereerst moet een doorgaande pipe worden gevormd onder of naast het kunstwerk. Uit experimenteel onderzoek bij dijken volgt dat het kanaal bij constant verval langzaam in bovenstroomse richting groeit. De snelheid waarmee kanaaltjes groeien is afhankelijk van het verval. Zodra het kanaaltje dat vanaf de benedenstroomse zijde stroomopwaarts is gegroeid en contact maakt met het water aan de bovenstroomse zijde van de dijk (buitenzijde, tijdsduur meerdere dagen in de IJkdijkproef), treedt het ruimproces op. Bij constant verval duurt het vervolgens nog geruime tijd (meer dan 24 uur in de IJkdijkproef) voordat het geruimde kanaal de benedenstroomse zijde bereikt. Dit proces zou sneller kunnen verlopen als het kritieke verval ruim wordt overschreden.

Zodra het ruimproces de benedenstroomse zijde heeft bereikt, resulteert dit in een forse toename van zandtransport en debiet. Wat dan gebeurt, is slecht te voorspellen. In geval van achterloopsheid zal het proces vergelijkbaar zijn met dat bij dijken en vrij snel bezwijken van het grondlichaam optreden. Bij onderloopsheid van het kunstwerk zal het erg afhangen van de fundatie en opbouw van de constructie hoe snel het bezwijkproces zal gaan. De volgende aspecten spelen een rol:

• Fundatie van het kunstwerk.
  Een kunstwerk dat op palen staat zal minder snel (deels) bezwijken dan een kunstwerk dat op staal gefundeerd is. Aan de andere kant gaat het proces van pipevorming bij kunstwerken op palen naar verwachting weer sneller indien sprake is van een spleet onder het kunstwerk.
• Aanwezigheid van kwelschermen.
  Het proces van pipevorming en ruiming van de doorgaande pipe gaat langzamer naarmate er meer of diepere kwelschermen aanwezig zijn.
• Geometrie van het kunstwerk.
  Een kort kunstwerk zal sneller kantelen of afschuiven dan een lang kunstwerk.

Concrete handvatten ontbreken echter om een enigszins betrouwbare inschatting te kunnen maken van de tijdsduur van het bezwijkproces van (delen van) het kunstwerk.