Stap 4: de buitenwaterstand stijgt verder en pipes ontstaan - Piping

Wanneer de buitenwaterstand verder stijgt, wordt het zand over de rand van de wel gegooid en zet zich op het maaiveld af en er ontstaan zandmeevoerende wellen. In deze fase begint de vorming van een pipingkanaal. Een pipingkanaal is een zeer ondiepe holle ruimte (meerdere korreldiameters diep) aan de bovenkant van het zandpakket. De breedte van het pipingkanaal kan van geval tot geval veel verschillen. In het algemeen neemt de breedte van het pipingkanaal met de lengte toe en kan bij grote dijken wel eens meerdere centimeters zijn. Bovendien gaat de pipe bij grotere dijken ook lateraal migreren. De dijk of de samenhangende deklaag vormt het dak van het kanaal, dat als gevolg van cohesie en boogwerking stabiel blijft.

In principe zijn hier twee verschillende deelaspecten aan de orde. We maken hierbij onderscheid tussen initiatie en progressie: het starten van een pipe en het doorgroeien van een pipe.

Het kanaaltje moet zich eerst in een intact zandpakket kunnen ontwikkelen: het zand moet uit het korrelskelet worden losgemaakt. Bij de situatie waarbij een deklaag aanwezig is, zal dit vrijwel direct volgen op het proces van opbarsten, omdat de stroomsnelheid in het zandpakket hoog is nabij de scheur. Wanneer er geen deklaag aanwezig is, en er dus ook geen sprake is van opbarsten, is de initiatie van de pipe de eerste stap. Het zand moet lokaal gefluïdiseerd worden om pipe-vorming te faciliteren. Hiervoor moet eerst bij de uittredepunt een groep zandkorrels omhoog worden getild. Deze groep korrels moet hiervoor aan de heave gradiënt onderhevig zijn.

Als zich door dit initiatieproces dan een kanaaltje heeft kunnen vormen, kan dit kanaaltje in evenwicht komen: de pipe groeit niet verder bij het aanwezige verval. Om te begrijpen hoe dit komt, kijken we naar de processen die een rol spelen bij het doorgroeien van een pipe.

Het doorgroeien van een kanaaltje wordt bepaald door twee processen: primaire en secundaire erosie. Primaire erosie beschrijft het erosie proces aan het front van het kanaaltje, dus het groeiproces in lengte, secundaire erosie beschrijft het proces van verbreding en verdieping van het bestaande kanaaltje.

Een kanaaltje kan langer worden als de korrels aan het front van de pipe loskomen. Dit kan optreden wanneer de gradiënt voor het front van de pipe zo groot is dat fluïdisatie optreedt. Nabij het uittredepunt door een deklaag zijn de gradiënten altijd hoog, omdat het water van alle kanten naar dit punt stroomt. Is er aanvankelijk een radiale stroming naar een enkel punt, als een of meerdere kanaaltjes zich ontwikkelen uitgaande van het opbartskanaal, dan ontwikkelt de stroming zich meer richting uniforme stroming waarbij de gradiënten wat lager zijn. Hierdoor kan het kanaaltje stoppen met groeien.

Het kanaal zelf heeft echter ook invloed op de stroming nabij het front. Het kanaal werkt in principe als een drain (Figuur 4.13). Naarmate de pipe langer wordt, neemt geleidelijk de gemiddelde gradiënt over het resterende zandpakket toe. Als de pipe de kritieke lengte voorbij is, kan de pipe door de steeds toenemende gradiënt nabij het front niet meer stoppen met groeien. Secundaire erosie bepaalt de doorsnede van de pipe en daarmee de drainagecapaciteit van de pipe. Hoe sterker de pipe het zand draineert, des te lager de drukval in de pipe en des te hoger de stroomsnelheid aan de kop van de pipe.

Op dit moment wordt alleen secundaire erosie beschouwd in de modellering van het proces. Hierbij wordt de veronderstelling gemaakt dat de pipe niet in lengte kan groeien wanneer de korrels op de bodem van de pipe in evenwicht zijn.

Of het zandtransport op de bodem van de pipe door kan blijven gaan, hangt van het korrelgewicht van de korrels af. De korrels worden door hun eigen gewicht op hun plek gehouden. Wanneer water door de pipe stroomt, wordt er een sleepkracht op de korrel uitgeoefend. Hoe groter de korrel hoe groter de kracht die de korrel op zijn plek houdt en des te groter de sleepkracht van het water moet zijn om de korrel in beweging te brengen. Deze sleepkracht wordt bepaald door de stroming van het water in de pipe. De waterstroom in de pipe wordt gevoed door de waterstroom in het zandpakket. Hoe doorlatender het zand, hoe makkelijker het water erdoor heen stroomt en hoe groter dus de sleepkracht op de korrels. De grootte van de sleepkracht neemt uiteraard ook met toenemend waterstandsverschil toe. De afmetingen van het zandpakket (de dikte van de zandlaag en de afstand tussen intrede- en uittredepunt (kwelweglengte)) hebben ook invloed op de sleepkracht evenals de heterogeniteit van de ondergrond. Als er bijvoorbeeld onder de zandlaag een zeer doorlatende grindlaag aanwezig is, zal hierdoor veel water worden aangevoerd naar de pipe. De pipe moet dit water afvoeren en de belasting op de korrels is dan groter.

De veronderstelling is dat, zolang het korrelgewicht van de korrels niet in evenwicht is met de sleepkracht die de korrels in beweging brengt, de pipe steeds langer zal worden. Vanaf het binnendijkse maaiveld lijkt het erop dat er ter plaatse van de zandmeevoerende wel maar één kanaaltje terug groeit richting het intredepunt. Dit is echter niet het geval. Onder de dijk zijn veelal meerdere vertakkingen van dit ene hoofdkanaaltje aanwezig. De vorm waarin het hoofdkanaaltje vertakt, is wisselend. De kanaaltjes zelf zijn zeer klein van afmetingen, hooguit enkele tientallen zandkorrels dik. De breedte van het kanaal is sterk afhankelijk van de grootte van het systeem (zoals kwelweglengte, verval en uitstroomopening).

Het kanaal groeit niet altijd recht van de polder naar het buitenwater, het kanaal vertakt zich ook in zijwaartse richtingen. De continuïteit van het zandtransport kan wisselen omdat bijvoorbeeld het open kanaaltje verzandt en daardoor in doorlatendheid weer afneemt. Hierdoor kan het zandtransportproces even stagneren. Bij aanwezigheid van meerdere wellen kunnen deze afwisselend actief zijn.

Het kritieke verval is gedefinieerd als het verval waarboven de pipe-vorming niet stopt bij gelijkblijvende belasting. Voor de Gedetailleerde toets wordt het bereiken van het kritieke verval aangemerkt als faaldefinitie.

In de praktijk kan het voorkomen dat het proces net in evenwicht komt, doordat de wel het zand niet meer over de rand van de zandkrater kan transporteren. De zandmeevoerende wel kist zich – bij wijze van spreken - zelf op. De rand van de zandkrater wordt hoger, waardoor ook het waterpeil in de krater omhoog gaat. Hierdoor neemt het verval tussen buitenwater en kraterpeil af, en het terugschrijdende erosieproces komt tot stilstand. Wanneer de rand van de zandkrater echter om wat voor een reden instort en lager wordt, zakt ook weer het waterpeil in de krater en gaat het erosieproces weer door.

Als een wel op een lokale zwakke plek in de deklaag ontstaat, kan er al bij een relatief lage waterstand zand meegenomen worden, omdat alle stroming naar dit uittredepunt gaat en geconcentreerd uittreedt en zandkorrels meevoert. Dit hoeft niet te betekenen dat het kritiek verval al bereikt is. Bij een locatie waar de uitstroming van water meer gespreid is, zoals bij een situatie zonder deklaag, is een zandafzetting op het maaiveld een serieuze waarschuwing voor het benaderen van het kritiek verval.

Andere redenen dat het kanaal, hoewel zichtbaar, toch niet doorgroeit naar het intredepunt zijn obstakels in het zand of heterogeniteit. Vooral bij de grote rivieren is de zandondergrond waarin piping optreedt relatief heterogeen wat betreft de korrelgrootte van het zand.

Veelal had de rivier in het verleden een veranderend vlechtend of meanderend patroon als gevolg van sedimentatie en erosie. Deze processen en veranderende stroomsnelheden van de rivier hebben er toe geleid dat er afwisselend fijne en grove zanden zijn gesedimenteerd die voor heterogeniteit in alle richtingen zorgen. Hierdoor zal het terug groeien van de kanaaltjes in dit soort heterogene systemen anders verlopen dan in meer modelmatige omstandigheden. Het is goed denkbaar dat het kanaaltje bij het teruggroeien grovere zandbanen tegenkomt. Deze grovere zandbanen hebben een hogere erosieweerstand en kunnen ervoor zorgen dat het kanaal niet verder naar de bovenstroomse kant doorgroeit. Het kanaal groeit dan bijvoorbeeld evenwijdig aan de grove zandbaan verder en er ontstaan meer vertakkingen van het kanaal benedenstrooms. Hierdoor blijft visueel nog steeds een zandmeevoerende wel bij het uittredepunt zichtbaar, alleen is het terug groeien van het kanaal gestopt. Deze situatie is op basis van visuele waarnemingen dus niet te onderscheiden.

In de progressiefase treedt geen evenwichtssituatie meer op zodat de pipe bij gelijkblijvende belasting zal doorgroeien.