Strefa występowania

Typy wód

Stan fizyczny wody

Rodzaje wód wg ośrodka skalnego

aeracji

wody higroskopijne
wody błonkowate
wody kapilarne

wody związane

wody porowe
wody szczelinowe
wody szczelinowo-krasowe
wody krasowe

wody wsiąkowe
wody zawieszone

wody wolne

saturacji

wody przypowierzchniowe
wody gruntowe

wody swobodne

wody wgłębne
wody głębinowe

wody naporowe

aeracji

saturacji

A. Wody związane

wody higroskopijne - związane siłami molekularnymi z ziarnami mineralnymi skał. Powstają na drodze

adsorbcji przez ziarna drobin pary wodnej z powietrza. Gęstość 1,2-2,4 g/cm

3

, temperatura zamarzania

-78 st.C. Nie przenoszą ciśnienia hydrostatycznego, nie mają zdolności rozpuszczania, ani zdolności do
ruchu. Mogą otaczać ziarno mineralne częściowo lub całkowicie. Całkowite wysycenie powierzchni
ziarn drobinami wody nazywamy maksymalną wilgotnością higroskopijną;

wody błonkowate (wody adhezyjne) - woda otaczająca błonką ziarna mineralne, powierzchnia których jest

wysycona wodą higroskopijną. Z ziarnem mineralnym wiążą je siły elektryczne przyciągające drobiny
wody. Grubość błonki nie przekracza 0,5 µm. Gęstość wód błonkowatych jest większa niż wody
wolnej, temperatura zamarzania niższa od 0 st.C. Nie podlega sile ciężkości, nie przenosi ciśnienia, ma
ograniczoną zdolność rozpuszczania. Zdolność wiązania wody błonkowatej to wodochłonność
molekularna, a ilość wody błonkowatej w skale to wilgotność molekularna.

Wody strefy aeracji:

wody kapilarne - występują w strefie aeracji w porach i szczelinach o wymiarach kapilarnych. Poruszają

się pod wpływem sił spójności i przylegania tworząc na granicy strefy saturacji i strefy aeracji strefę
wzniosu kapilarnego. Wody kapilarne podlegają sile ciężkości, przekazują ciśnienie, mają zdolność
rozpuszczania, zamarzają w temperaturze nieco niższej od 0 st.C. Wyróżnia się: wodę kapilarną
właściwą - nieoderwaną od wody wolnej w strefie saturacji i wody kapilarne zawieszone - tworzące
soczewki w strefie aeracji;

B. Wody wolne

wody wsiąkowe – ich występowanie związane jest z częstotliwością i wielkością opadów atmosferycznych

oraz przepuszczalności skał w tej strefie. Wody wsiąkowe zapełniają większe tzw. niekapilarne
przestwory skalne i przesuwa się w dół pod wpływem sił grawitacji. Ruch ten występuje po uprzednim
wypełnieniu wszystkich kapilarów glebowych

wody zawieszone – powstają wtedy, gdy w strefie tej występują soczewki skał nieprzepuszczalnych, na

których zatrzymuje się i gromadzi woda wsiąkowa. Woda wolna zawieszona porusza się we wszystkich
kierunkach: wyparowywuje, spływa na wszystkie strony soczewki i w pewnej części przesiąka do wód
gruntowych.

Wody strefy aeracji:

wody zaskórne (wierzchówki) – tworzące się na niewielkich głębokościach (do 2 m) w zagłębieniach
terenu, w dolinach rzecznych i na brzegach jezior wskutek obfitych opadów. Podlegają dobowym
wahaniom temperatury i silnemu parowaniu. Często zanikają w okresach posusznych. Nie tworzą ciągłego
zwierciadła tzn. występują lokalnie, najczęściej w miejscach o pogorszonych warunkach infiltracyjnych.

Wody strefy saturacji:

wody gruntowe – położone poniżej strefy aeracji. Zwierciadło podlega wahaniom sezonowym, naśladuje
formy rzeźby powierzchni (jest współkształtne z powierzchnią ziemi). Obficie zasilają rzeki i jeziora. W
głębszych warstwach wody gruntowe są dobrze przefiltrowane (wody freatyczne – studzienne).

wody wgłębne – położone poniżej spągu warstw nieprzepuszczalnych, zasilane wodami przesiąkającymi
przez szczeliny uskoków tektonicznych, okna hydrogeologiczne. Ze względu na izolację od warunków
zewnętrznych nie podlegają wahaniom temperatury lub zaznaczają się tylko zmiany sezonowe (dla płycej
występujących). Charakteryzują się napiętym zwierciadłem, dostosowanym do kształtu nadległych warstw
nieprzepuszczalnych. Różnica poziomów najniżej i najwyżej położonych punktów zwierciadła umożliwia
powstawanie efektu artezyjskiego i subartezyjskiego.

wody głębinowe – wody uwięzione w warstwach skalnych w przeszłości geologicznej, całkowicie
odizolowane od czynników zewnętrznych. Zazwyczaj są silnie zmineralizowane, niekiedy ogrzane
ciepłem Ziemi.

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.

A

B

Droga przepływu w gruncie.

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.

Przybli

ż

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, 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

ruch laminarny

ruch burzliwy

Poziom porównawczy

q

wpływu

q

wypływu

Piasek

L

h

3

h

4

4

1
2
3

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.

kiA

q

=

Wykorzystując powyższe wielkości można wyrazić prawo Darcy w następujący sposób:

prędkość filtracyjna:

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 =

v

i

Prawo Darcy: prędkość filtracji jest wprost proporcjonalna do współczynnika
filtracji i spadku hydraulicznego.

Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń Darcy opracował zależność między
wydatkiem Q wody przepływającej przez bryłę gruntu a spadkiem ciśnienia
piezometrycznego J (spadkiem hydrauliczny).

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

(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, 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):

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

-

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 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.

sufozję chemiczną

, której mechanizm polega na

zubażaniu profilu glebowego w spoiwo (CaCO3)

poprzez

jego

chemiczne

rozpuszczanie

i

wynoszenie poza profil;

sufozję mechaniczną

, której mechanizm jest

podobny, z tą różnicą, że 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), 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.

Najlepszym przykładem niszczycielskiej siły sufozji może 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 $