Infiltracja

– wsiąkanie wody pochodzącej z opadów atmosferycznych, z cieków i

zbiorników powierzchniowych oraz z kondensacji pary wodnej z powierzchni terenu do
strefy aeracji, a następnie (po oddaniu części tych wód do atmosfery Ewapotranspiracja)
przesączanie do strefy saturacji

Filtracja

– to ruch wód gruntowych, który zachodzi w ośrodku porowatym. Woda występuje

w gruncie w różnych formach (woda kapilarna, zawieszona, higroskopijna itp.) jednakże
zjawisko filtracji obserwujemy gdy woda jest w stanie wolnym (w strefie saturacji),
wypełnia wszystkie pory gruntu, pory mają odpowiednią wielkość i woda może się w nich
poruszać pod wpływem sił ciężkości lub zróżnicowanego ciśnienia.

Pory w gruncie są połączone, więc przepływ wody możliwy jest nawet w
najbardziej zagęszczonych gruntach naturalnych. W próbce gruntu woda może
przepływać z punktu A do punktu B, jednakże nie po linii prostej i ze stałą
prędkością, lecz od poru do poru po krzywej.

Przybliżona droga
przepływu (widziana
gołym okiem)

Rzeczywista droga
przepływu (widziana
przez mikroskop)

A

B

Droga przepływu w gruncie.

Filtrację najczęściej traktuje się jako ruch

laminarny

czyli warstwowy. W ruchu

laminarnym cząsteczki wody poruszają się równolegle do siebie i do osi przewodu. Ruch
laminarny występuje przy niewielkich prędkościach przepływu cieczy gdy

liczba

Reynoldsa

nie przekracza tzw. wartości krytycznej. W miarę wzrostu prędkości, powyżej

pewnej wielkości zwanych granicznym spadkiem hydraulicznym igr i prędkością
graniczną vgr obserwuje się pojawienie ruchu

burzliwego

(turbulentnego). W przypadku

tego ruchu cząsteczki wody obok ruchu postępowego wykonują też ruchy poprzeczne do
wypadkowego kierunku przepływu oraz ruchy wirowe.

Maksymalną wielkością niewymiarowej liczby Reynoldsa przy której zachodzi w
gruncie ruch laminarny jest liczba 5 liczona ze wzoru:

Re = (v*d)/υ

gdzie :
v – prędkość przepływu wody w całym polu przekroju prostopadłego do kierunku
prędkości
d – miarodajna średnica ziaren
υ – kinematyczny współczynnik lepkości wody

Doświadczenie Darcy’ego.

kiA

A

L

h

h

k

q

4

3

=

−

=

L

h

h

i

4

3

−

=

gdzie:
q - wydatek przepływu,
k - stała, współczynnik proporcjonalności, zwany

współczynnikiem filtracji

,

h

3

- wysokość ponad poziomem porównawczym, do której nastąpiło podniesienie

wody w piezometrze umieszczonym powyżej próbki

,

h

4

- wysokość jak h

3

lecz w piezometrze poniżej próbki,

L - długość próbki,
A - pole całkowite poprzecznego przekroju,

- spadek hydrauliczny.

Poziom porównawczy

q

wpływu

q

wypływu

Piasek

L

h

3

h

4

4

1
2
3

kiA

q =

Wykorzystując powyższe wielkości można następująco wyrazić prawo Darcy
na prędkość filtracyjną:

gdzie
k jest współczynnikiem filtracji zależnym od rodzaju gruntu (wielkości i kształtu ziaren) oraz od rodzaju cieczy
(gęstości i

lepkości

).

i – spadek hydrauliczny

LEPKOŚĆ

– czyli TARCIE WEWNĘTRZNE jest to zdolność płynu do przenoszenia naprężeń stycznych między sąsiednimi

warstwami płynu, poruszającymi się z różnymi prędkościami względem siebie.

k*i

v =

współczynnik filtracji:

k = vi

Oznaczanie współczynnika filtracji w aparacie ITB-ZW-K

2

Trudności odtworzenia w warunkach laboratoryjnych rzeczywistych

warunków przepływu wody przez ośrodek gruntowy powodują, że określone w ten
sposób wartości współczynnika filtracji obarczone mogą być znacznym błędem.
Dlatego też do określenia rzeczywistych wartości współczynników filtracji stosuje się

metody polowe

.

Metoda próbnego pompowania

W przypadku górotworu zbudowanego z gruntów sypkich, jednorodnych i

izotropowych, spoczywającego na utworach nieprzepuszczalnych, wokół studni
opartej na stropie gruntów nieprzepuszczalnych wytwarza się symetryczny lej
depresji – R.

Z.w.g.

S

0

h

H

z

dz

dr

r

r

z

r

0

R

Warstwa wodonośna

Warstwa nieprzepuszczalna

(

)

o

r

R

h

H

q

k

ln

2

2

−

=

π

gdzie:
q – wydajność studni,
H– grubość warstwy wodonośnej,
S

0

– obniżenie zwierciadła wody

przy ściance studni,
R – zasięg leja depresji,
r

o

– promień studni.

W warunkach polowych do
określania współczynnika filtracji
wykorzystać

można również

wyniki pomiarów poziomu
zwierciadła wody w otworze
wiertniczym.

Zakładając, że w

otworze o średnicy wewnętrznej d,
zagłębionym poniżej zwierciadła
wód gruntowych na niewielkiej
długości L < 1.5 m, w czasie t
poziom wody podniósł od wartości
h

1

do wartości h

2

, wartość

współczynnika filtracji określić
można ze wzoru (Hvorslev, 1951):

L

h

1

h

2

d

z.w.g.

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

2

1

ln

11

h

h

t

d

k

π

lub (Ernst, 1950):

t

y

L

d

L

y

r

L

k

Δ

Δ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ −

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

=

2

2

20

20

L

d

z.w.g.

Δy

y

gdzie:
y – średnia odległość poziomu wody w otworze od
poziomu zwierciadła wód gruntowych w czasie Δt, w
którym zmienił się on o wartość Δy

Orientacyjne wartości współczynnika filtracji

Nazwa gruntu

Współczynnik

wodoprzepuszczalności

k

m/s

Drobny żwir

10

-2

10

-3

Piasek gruboziarnisty i średnioziarnisty

10

-3

- 10

-4

Piasek drobnoziarnisty

10

-4

- 10

-5

Piasek pylasty

10

-5

-10

-6

Less o strukturze nienaruszonej

10

-5

- 10

-6

Less o strukturze przerobionej

10

-7

- 10

-9

Pyły

10

-6

- 10

-8

Gliny

10

-8

- 10

-10

Gliny zwięzłe

10

-9

- 10

-11

Iły

10

-10

- 10

-12

-

¾

Kurzawka

¾

Sufozja

¾

Kolmatacja

¾

Przebicie hydrauliczne

Kurzawka

(upłynnienie gruntu) jest to drobnoziarnisty luźny osad, np. piasek lub

mułwymieszany z wodą, o konsystencji galarety, słabo związany z gruntem.
Podczas prowadzenia robót górniczych kurzawka zachowuje się jak gęsta ciecz. Kurzawkę
zwalcza się zamrażając grunt lub drenując. Spowodowana jest zaistnieniem krytycznego spadku
hydraulicznego i niewystępowaniem naprężeń efektywnych w gruncie.

Sufozja

to zjawisko polegające na wynoszeniu przez filtrującą wodę drobnych cząstek gruntu

(przesunięcie ich na inne miejsce lub wyniesione poza obręb gruntu). W rezultacie sufozji
powiększają się pory, wzrasta współczynnik filtracji i prędkość wody. Woda o większej
prędkości może poruszać coraz większe ziarna gruntu i powodować dalszy rozwój procesu
sufozji aż do utworzenia się kawern lub kanałów w gruncie. Zjawisko przybiera wtedy cechy
przebicia hydraulicznego.

Rodzaje sufozji:

* mechaniczna - tworzą się podziemne próżnie (korytarze), po ich zapadnięciu doły sufozyjne
* chemiczna - rozmywanie chemiczne polegające na rozpuszczaniu węglanów, głównie wapnia -
następuje ubytek masy glebowej i osiadanie gruntu.

Kolmatacja

związana jest głównie ze zjawiskiem sufozji, wędrujące cząstki gruntu zatykają pory

osadu pierwotnego (filtru gruntowego), jeżeli granulacja ziaren tego osadu jest sprzyjająca.

Przebiciem hydraulicznym

nazywa się zjawisko tworzenia się kanału (przewodu) w masie

gruntowej, wypełnionego gruntem o naruszonej strukturze (w końcowej fazie zjawiska –
zawiesiną), łączącego miejsca o wyższym i niższym ciśnieniu wody w porach. Na powierzchni
terenu przebicie hydrauliczne jest widoczne w postaci źródła. Zjawisko przebicia występuje
przeważnie w gruntach mało spoistych podścielonych gruntami przepuszczalnymi.

warstwa mało przepuszczalna

warstwa przepuszczalna

1

2

Przykład warunków geologicznych, w których może nastąpić przebicie:
1 – miejsce zagrożenia przebiciem.