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 róŜnych formach (woda kapilarna, zawieszona, higroskopijna itp.) jednakŜe
zjawisko filtracji obserwujemy gdy woda jest w stanie wolnym (w strefie saturacji),
wypełnia wszystkie pory gruntu, pory mają odpowiednią wielkość i woda moŜe się w nich
poruszać pod wpływem sił cięŜkości lub zróŜnicowanego ciśnienia.
A
B
Droga przepływu w gruncie.
Pory w gruncie są połączone, więc przepływ wody moŜliwy jest nawet w
najbardziej zagęszczonych gruntach naturalnych. W próbce gruntu woda moŜe
przepływać z punktu A do punktu B, jednakŜe nie po linii prostej i ze stałą
prędkością, lecz od poru do poru po krzywej.
Przybli
Ŝ
ona droga
przepływu (widziana
gołym okiem)
Rzeczywista droga
przepływu (widziana
przez mikroskop)
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, powyŜej
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 teŜ 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 powyŜej próbki
,
h
4
- wysokość jak h
3
lecz w piezometrze poniŜej 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 powyŜsze wielkości prawo Darcy moŜna
wyrazić następująco:
gdzie
k jest współczynnikiem filtracji zaleŜnym 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 napręŜeń stycznych między sąsiednimi
warstwami płynu, poruszającymi się z róŜnymi prędkościami względem siebie.
k*i
v =
współczynnik filtracji:
k =
v
i
na prędkość filtracyjną
Oznaczanie współczynnika filtracji w aparacie ITB-ZW-K
2
Trudności odtworzenia w warunkach laboratoryjnych rzeczywistych
warunków przepływu wody przez ośrodek gruntowy powodują, Ŝe określone w ten
sposób wartości współczynnika filtracji obarczone mogą być znacznym błędem.
Dlatego teŜ do określenia rzeczywistych wartości współczynników filtracji stosuje się
metody polowe
.
Metoda próbnego pompowania
(do głębokich pokładów wodonośnych
)
Metoda pomiarów poziomu zwierciadła wody w otworze
wiertniczym
(do płytkich pokładów wodono
ś
nych)
L
h
1
h
2
d
z.w.g.
Zakładając, Ŝe w otworze o średnicy wewnętrznej
d,
zagłębionym
poniŜej
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 moŜna ze wzoru (Hvorslev, 1951):
Orientacyjne wartości współczynnika filtracji
Nazwa gruntu
Współczynnik
wodoprzepuszczalności
k
m/s
Drobny Ŝwir
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
-
Kurzawka
Sufozja
Kolmatacja
Przebicie hydrauliczne
Kurzawka
(upłynnienie gruntu) jest to drobnoziarnisty luźny osad, np. piasek lub muł
wymieszany z wodą, o konsystencji galarety, słabo związany z gruntem.
Podczas prowadzenia robót górniczych kurzawka zachowuje się jak gęsta ciecz. Kurzawkę
zwalcza się zamraŜając grunt lub drenując. Spowodowana jest zaistnieniem krytycznego spadku
hydraulicznego i niewystępowaniem napręŜeń 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 moŜe poruszać coraz większe ziarna gruntu i powodować dalszy rozwój procesu
sufozji aŜ do utworzenia się kawern lub kanałów w gruncie. Zjawisko przybiera wtedy cechy
przebicia hydraulicznego.
sufozję chemiczną
, której mechanizm polega na
zubaŜaniu profilu glebowego w spoiwo (CaCO3)
poprzez
jego
chemiczne
rozpuszczanie
i
wynoszenie poza profil;
sufozję mechaniczną
, której mechanizm jest
podobny, z tą róŜnicą, Ŝe zamiast wymywania
chemicznego
następuje
tu
mechaniczne
wynoszenie koloidalnego spoiwa;
erozja krasowa
, której efektem są liczne jaskinie na obszarach zbudowanych ze skał
węglanowych. Jaskinie te powstały poprzez długoletnie, stopniowe wymywanie CaCO3 z
masywu skalnego.
Kolmatacja
związana jest głównie ze zjawiskiem sufozji, wędrujące cząstki gruntu zatykają pory
osadu pierwotnego (filtru gruntowego), jeŜeli 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 wyŜszym i niŜszym ciśnieniu wody w porach. Na powierzchni
terenu przebicie hydrauliczne jest widoczne w postaci źródła. Zjawisko przebicia występuje
przewaŜnie w gruntach mało spoistych podścielonych gruntami przepuszczalnymi.
warstwa mało przepuszczalna
warstwa przepuszczalna
1
2
Przykład warunków geologicznych, w których moŜe nastąpić przebicie:
1 – miejsce zagroŜenia przebiciem.
Najlepszym przykładem niszczycielskiej siły sufozji moŜe być zniszczona w
1976 r, w Stanach Zjednoczonych zapora Teton Dam.
Od chwili pojawienia się wycieku na skarpie do całkowitego zniszczenia zapory minęły?
2 godziny = ponad 1 Miliard US $