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:

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

gdzie:

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

$k_{10}$ – 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:

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

gdzie:

$Q$ – wydatek,

$Q=V/t=v\cdot F,$

$V$ – objętość [m³],

$t$ – czas [s],

$v$ – prędkość filtracji [m/s],

$F$ – powierzchnia przekroju,

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

$h$ – różnica poziomów [m],

$l$ – 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 $I_{0}.$ Pomiaru dokonuje się w aparacie filtracyjnym obserwując opadanie poziomu wody w rurce o przekroju $f$ w czasie $t_{i}$ poziom wody obniży się z wysokości $h_{0}$ do $h_{1}.$ 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:

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

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.