De hydraulische belastingen aan de buitenzijde van het kunstwerk bepalen in combinatie met de binnenwaterstand, de geometrie van het kunstwerk en de eigenschappen van de ondergrond de grondwaterstroming die onder en naast het kunstwerk tot stand komt. Ook de tijdsduur van de belasting speelt hierbij een rol. Op beide wordt in onderstaande paragrafen nader ingegaan.

Opgemerkt wordt dat ook andere omstandigheden (denk aan belastingsituaties die samenhangen met beheer en onderhoud) kunnen leiden tot langdurige vervallen over het kunstwerk. Deze belastingsituaties vallen buiten het kader van deze leidraad.

Verval over het kunstwerk

Het verval wordt bepaald door de combinatie van de buitenwaterstand en de binnenwaterstand.

Piping kan optreden bij hoge buitenwaterstanden, waarbij het verval over de waterkering langdurig groot is. Golven en stroming spelen geen rol bij het faalmechanisme piping.

Voor de binnenwaterstand moet dan rekening worden gehouden met een waarde die past bij de hoogwatersituatie. Deze kan worden beïnvloed door het gevoerde peilbeheer vlak vóór en tijdens hoogwater en de oriëntatie van het binnenwater. Bij ontwerpen moet rekening worden gehouden met eventuele verlagingen van het waterpeil binnen de ontwerplevensduur. Tevens moet rekening worden gehouden met de invloed van afwaaiing en afmaling op het verval in de diverse ontwerpsituaties.

Naast hydraulische belastingen spelen er geen andere belastingen (zoals bijvoorbeeld verkeersbelastingen) een rol bij het faalmechanisme piping.

Tijdsduur van de belastingen

Voor een overstroming door het fenomeen piping moet de aandrijvende kracht die het erosieproces op gang houdt zich eerst opbouwen en dan langere tijd aanwezig blijven zodat het pipingproces zich volledig kan voltrekken. De duur van de belasting is van invloed op de ontwikkeling van de waterspanningen in de watervoerende en pipinggevoelige lagen onder en naast het kunstwerk:

• Bij waterstanden van ‘lange’ duur, veroorzaakt door zogeheten trage stochasten zoals afvoeren en meerpeilen, is sprake van quasi-stationaire grondwaterstroming.
• Bij waterstanden van ‘beperkte’ duur, veroorzaakt door zogeheten snelle stochasten zoals wind (stormopzet), is sprake van niet-stationaire ofwel tijdsafhankelijke grondwaterstroming.

Het is belangrijk te realiseren dat de trage stochasten bij de meren, delta’s, benedenrivieren en kust veel lagere maximale waterstanden veroorzaken dan de snelle stochasten. Het verschil kan lokaal (bijvoorbeeld op het Ketelmeer) oplopen tot meer dan een meter.

Bij niet-stationaire grondwaterstroming zal de waterspanning in de watervoerende bodemlagen onder en achter de kering bij een gelijke top(buiten)waterstand minder hoog zijn dan bij stationaire grondwaterstroming. Dit is afhankelijk van het bergend vermogen van de bodemlagen (freatische berging in de onverzadigde grondlagen en elastische berging binnen het korrelskelet), de doorlatendheid en dikte van de bodemlagen en de duur van de belasting. Dit betekent dat bij niet-stationaire stroming de kracht op de korrels – en hiermee de kans op piping – kleiner is dan bij stationaire grondwaterstroming.

Tijdsafhankelijkheid van belastingsysteem

Hieronder wordt per belastingsysteem aangegeven of en in welke mate tijdsafhankelijkheid een rol speelt:

• Bovenrivierengebied. In het bovenrivierengebied is de belasting afvoergedomineerd en langdurig, waardoor tijdsafhankelijkheid nauwelijks een rol speelt en stationaire grondwaterstroming optreedt. In het algemeen treedt één langdurig hoogwater op. Het waterpeil stijgt langzaam tot aan de piekwaarde en bouwt zich dan langzaam weer af. De hele hoogwatergolf kan ongeveer twee tot drie weken duren. Hier speelt tijdsafhankelijkheid voor maatgevende omstandigheden dus nauwelijks een rol en kan stationair worden gerekend.
• Benedenrivierengebied. In het benedenrivierengebied ten westen van Schoonhoven, Gorinchem en Waalwijk kan tijdsafhankelijkheid een rol spelen. Hier 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 kortdurende waterstandsverhoging door een storm boven zee kan optreden. Dit is het begin van het bergingsgebied van de benedenrivieren waar lagere afvoeren in combinatie met storm aan zee de meest bedreigende situatie opleveren. Er is dus sprake van een combinatie van stormgedomineerde (dus kortdurende) en afvoergedomineerde (dus langdurende) belasting.
• IJsselmeergebied, Zeeuwse wateren. In de meren en estuaria wordt de waterstand voornamelijk door windopzet bij storm bepaald. Er is dus sprake van een korte belastingduur, waardoor onder hoogwateromstandigheden vrijwel altijd sprake is van een niet-stationaire grondwaterstroming. In de westelijke delen van de meren, waar opwaaiing vooral optreedt bij oostelijke windrichtingen, kan het echter ook gebeuren dat de extreme waterstanden primair bepaald worden door het meerpeilverloop (langdurige belasting maar met veel lagere maxima dan de piekwaterstanden).
• Zee. Aan zee speelt tijdsafhankelijkheid een grote rol. Bij zeedijken wordt tijdens stormcondities de waterstand 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 duidelijke relatie tussen de duur van de opzet en de hoogte van de opzet.