Współczynnik filtracji

Współczynnik filtracji (k) – wielkość charakteryzująca zdolność przesączania wody będącej w ruchu laminarnym przez skały porowate i jest miarą przepuszczalności hydraulicznej skał (gruntów). Przesączanie odbywa się siecią kanalików utworzonych z porów gruntowych. Grunt stawia opór przesączającej się wodzie, opór ten i współczynnik filtracji zależy od właściwości gruntu:

• rodzaju ośrodka gruntowego,
• porowatości,
• uziarnienia,
• struktury gruntu,
• właściwości filtrującej cieczy – lepkości.

Współczynnik filtracji jest miarą przepuszczalności wyłącznie dla wody i nie powinno się go stosować w przypadku innych płynów, do których odnosi się współcześnie stosowana wersja formuły Darcy’ego.

Wyznaczanie współczynnika filtracji

Metoda wzorów empirycznych

Należy uznać skład granulometryczny, posiadać wykres uziarnienia i wartość porowatości gruntu. Uzyskuje się tą metodą wartości orientacyjne.

Metody laboratoryjne

Przy użyciu aparatów filtracyjnych różnej konstrukcji – ze stałym i ze zmiennym spadkiem hydraulicznym. Aparaty ze stałym spadkiem stosuje się do gruntów dobrze przepuszczalnych a ze zmiennym do słabo przepuszczalnych. Badania przeprowadza się na próbkach o strukturze nienaruszonej lub naruszonej. Wyniki badań otrzymane na próbkach o strukturze nienaruszonej są zbliżone do wyników badań polowych w warunkach naturalnych. Podczas pomiarów współczynnika filtracji należy określić temperaturę przesączającej się wody. Ze wzrostem temp cieczy zmniejsza się lepkość i zwiększa prędkość przepływu:

${\displaystyle k_{T}=k_{10}(0{,}7+0{,}03\ T),}$

gdzie:

${\displaystyle k_{T}}$ – współczynnik filtracji uzyskany dla wody o temperturze T [°C],

${\displaystyle k_{10}}$ – zredukowany współczynnik filtracji w odniesieniu do temperaturze wody 10 °C.

Pomiar ze stałym spadkiem hydraulicznym

Badanie polega na przepuszczeniu wody przez próbkę o znanych wymiarach geometrycznych i na pomiarze wydatku oraz spadku hydraulicznego. Współczynnik filtracji wyznacza się ze wzoru Darcy’ego:

${\displaystyle k={\frac {Q}{F\cdot I}},}$

gdzie:

${\displaystyle Q}$ – wydatek,

${\displaystyle Q=V/t=v\cdot F,}$

${\displaystyle V}$ – objętość [m³],

${\displaystyle t}$ – czas [s],

${\displaystyle v}$ – prędkość filtracji [m/s],

${\displaystyle F}$ – powierzchnia przekroju,

${\displaystyle I}$ – spadek hydrauliczny, ${\displaystyle I=\Delta h/l,}$

${\displaystyle h}$ – różnica poziomów [m],

${\displaystyle l}$ – długość pozornej drogi filtracji liczona w linii prostej od jej początku do końca, niezależnie od krętości kanałów porowych [m].

W aparacie do pomiaru możliwy jest przepływ wody przez próbkę w kierunku z góry na dół i odwrotnie. Istnieje możliwość zmiany kierunku przepływu w trakcie badania. Powolne doprowadzanie wody do próbki od dołu ma na celu usunięcie powietrza z porów gruntu. Badanie wykonuje się dla kilku różnych spadków hydraulicznych, nie zmieniających się w trakcie badania (po 2–3 powtórzenia).

Pomiar ze zmiennym spadkiem

W aparatach tego typu istnieje możliwość dużych spadków hydraulicznych, co ma szczególne znaczenie przy filtracji przez grunty słabo przepuszczalne. W gruntach tych w przypadku całkowitego wypełnienia porów gruntu wodą związaną ruch wody jest możliwy po przekroczeniu spadku początkowego ${\displaystyle I_{0}.}$ Pomiaru dokonuje się w aparacie filtracyjnym obserwując opadanie poziomu wody w rurce o przekroju ${\displaystyle f}$ w czasie ${\displaystyle t_{i}}$ poziom wody obniży się z wysokości ${\displaystyle h_{0}}$ do ${\displaystyle h_{1}.}$ Utrzymując dolna wodę na poziomie przekroju C, ciśnienie piezometryczne w tym przekroju będzie równało się 0. W tym przypadku prędkość filtracji zmienia się w czasie, w zależności od wysokości H, czyli wysokości położenia zwierciadła wody w rurce w danym momencie czasu, co opisuje wzór:

${\displaystyle v={k\cdot {\frac {h}{l}}}.}$

Metody polowe

Dają najbardziej miarodajne wyniki. Są najkosztowniejsze i pracochłonne. Do polowych metod należą: próbne pompowanie studni z otworami obserwacyjnymi, próbne pompowanie bez otworów obserwacyjnych, krótkotrwałe pompowanie studni, bezpośredni pomiar przepływu i otworu wiertniczego, zalewanie szurfów i szybików, sczerpywanie.

Bibliografia

• Zdzisław Pazdro, Bohdan Kozerski, Hydrogeologia ogólna, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa 1990, ISBN 83-220-0357-9.