Encyklopedia

Ruch wody w skałach porowatych, odbywający się pod wpływem siły ciężkości, w przypadku, gdy :

•  w strefie jej przepływu wszystkie pory gruntu są wypełnione wodą nazywamy filtracją gdy jest to ruch laminarny lub
•  fluacją - gdy jest to ruch turbulentny.

Ruch laminarny, czyli warstwowy jest to ruch cieczy, w którym cząstki wody poruszają się po torach równoległych do siebie i do osi przewodu, cząstki nie mieszają się, a ich drogi nie krzyżują się. Ruch laminarny występuje tylko przy małych prędkościach cząstek wody. Przy większych prędkościach nie zostają zachowane: warunki ruchu laminarnego i zachodzi ruch turbulentny, czyli burzliwy.
Filtracja ma miejsce zazwyczaj w skałach z porowatością intergranularną, a więc i w gruntach, fluacja - w skałach ze szczelinowatością i krasowatością. Woda w gruncie porusza się zawiłymi kanalikami o nieregularnych przekrojach. Określenie rzeczywistych prędkości i długości dróg takiego ruchu jest niemożliwe, wobec czego posługujemy się pojęciem prędkości fikcyjnej. Wyznaczamy ją przyjmując umownie, że przepływ wody odbywa się nie tylko poprzez kanaliki zbudowane z porów między ziarnami, lecz przez cały przekrój strumienia - a więc łącznie z polami zajętymi przez te ziarna. Różnice pomiędzy wartościami fikcyjnymi i rzeczywistymi są uwzględnione w definicji, we wprowadzonym do równania filtracji współczynniku proporcjonalności, zwanym współczynnikiem filtracji. Pierwszym, który zajął się zjawiskiem filtracji był francuski badacz Darcy. Na podstawie swych badań Darcy stwierdził, że ilość wody przepływającej przez środowisko porowate w jednostce czasu jest proporcjonalna do spadku hydraulicznego, przekroju poprzecznego środowiska filtracyjnego i współczynnika filtracji (rys. 1).

 
Rys. 1. Spadek hydrauliczny zwierciadła wody gruntowej. Gdzie: h1,.h2  - wysokość zw.w.g. w I i II profilu,  powyżej poziomu odniesienia 0-0; L- odległość pomiędzy profilami.

Ilość wody przesączającą się przez grunt w jednostce czasu oblicza się ze wzoru:

Q = k ∙ J ∙ F    

gdzie:

• Q - ilość wody przesączająca się przez grunt w jednostce czasu,
• k - współczynnik filtracji, 
• F - powierzchnia całego poprzecznego przekroju strumienia wody (łącz­nie z polami zajętymi przez ziarna gruntu),
• J - spadek hydrauliczny (rys. 1)

Spadek hydrauliczny jest to :

gdzie:

• Δh - różnica poziomu zwierciadła wody między dwoma przekrojami prze­pływu wody,
• L   - odległość między przekrojami.

Podstawiając Q/F = v otrzymujemy matematyczną postać podstawowego prawa filtracji, które nazywamy prawem Darcy:

v = k ∙ J

gdzie:   v - prędkość przepływu wody w gruncie (fikcyjna).
Wyraża ono liniową zależność fikcyjnej prędkości filtracji od spadku hy­draulicznego, dlatego równanie to nazywa się liniowym prawem filtracji. Prawo Darcy ważne jest jedynie w warunkach ruchu laminarnego (przy małych prędkościach cząstek wody). Łatwo wykazać, że prędkość fikcyjna v i pręd­kość rzeczywista v_rz  przepływu wody w gruncie, spełniają związek :

v = n_e ∙  v_rz

gdzie:    n_e -  porowatość efektywna.
Jeżeli spadek hydrauliczny J = 1, wówczas:                                v = k
Z powyższej równości wynika, że współczynnik filtracji ma wymiar prędkoś­ci. Najczęściej wyrażamy go w m/s lub w m/dobę.
Współczynnik filtracji zależy ód filtracyjnych właściwości ośrodka gruntowe­go, a przede wszystkim od wielkości i równomierności uziarnienia oraz od fizycznej właściwości filtrującej cieczy, mianowicie jej ciężaru właściwe­go, temperatury i lepkości. A więc ten sam ośrodek gruntowy, w zależności od cieczy w nim przepływają­cej może wykazywać różne wartości współczynnika filtracji. Dążąc do określe­nia filtracyjnej zdolności podłoża gruntowego niezależnej od fizycznych własności cieczy, wprowadzono pojęcie współczynnika wodoprzepuszczalności. Współczynnik filtracji w stosunku do współczynnika wodoprzepuszczalności po­zostaje w następującej relacji:

gdzie:     k - współczynnik filtracji,
            ℵ   - współczynnik przepuszczalności.

Wymiarem współczynnika przepuszczalności jest cm² ,  lub jednostka mniejsza zwana darcy, oznaczana literą δ. Ośrodek gruntowy posiada przepuszczalność 1 darcy gdy 1 cm² przekroju przepuści w ciągu 1 sekundy 1 cm³ cieczy o lepkości 1 centypuaza przy różnicy ciśnień 1 at na długości 1 cm.
Współczynniki filtracji i przepuszczalności są miernikami własności filtra­cyjnych ośrodka porowatego. Jakkolwiek wszystkie grunty będąc ośrodkiem porowatym posiadają zdolność przewodzenia wody, jednak te z nich, które zdolne są filtrować minimalne ilości wody, przyjęto nazywać nieprzepusz­czalnymi (tab. 1).

Tablica 1. Podział skał i gruntów wg przepuszczalności (wg Z. Pazdry)

Pod względem przepuszczalności, przepływu czy eksploa­tacji wód podziemnych znaczenie mają grunty charakteryzujące się współczynnikiem filtracji większym od 10^-3 m/s.