Pochopení koeficientu filtrace (propustnosti) zemin a hornin je klíčové pro řadu aplikací v hydrogeologii a stavebnictví, zejména pak pro návrh systémů odvádění dešťových vod a řízení vodních zdrojů. Schopnost pórovitého prostředí propouštět kapalinu o určitých vlastnostech, jako je podzemní voda, se nazývá propustnost. Míru této propustnosti lze vyjádřit pomocí koeficientu filtrace.
Základní principy koeficientu filtrace
Koeficient filtrace k představuje směrnici lineární závislosti rychlosti proudění na hydraulickém gradientu v Darcyho zákoně. Tento zákon je základem popisu transportu vzduchu nebo vody v zemině.
Darcyho zákon je formulován jako:
v = k * i
kde:
Čtěte také: aktuální normy pro tepelně izolační vlastnosti konstrukcí
- v - rychlost proudění kapaliny porézní složkou skeletu
- n - pórovitost
- Kr - relativní koeficient filtrace matice hydraulické vodivosti, jejíž prvky jsou koeficienty filtrace plně nasyceného prostředí kx, ky, které mohou být obecně různé ve směru jednotlivých os
- i - gradient celkové výšky
Celková výška v daném bodu oblasti proudění je dána součtem svislé souřadnice a tlakové výšky a udává tak polohu hladiny v tenké trubici (piezometru) v daném bodě. V celém zvodněném systému je tlak hydrostatický (p=H.g).
Koeficient propustnosti K je geometrickou konstantou zeminy, která není závislá na vlastnostech proudící tekutiny v hornině a je ovlivněna teplotou a hustotou přírodních tekutin (voda, plyn, ropa). Koeficient filtrace a propustnosti hornin je označován jako tzv. filtrační koeficient, který je součinem propustnosti a specifické tíhy kapaliny. Horniny s vysokými hodnotami koeficientu filtrace (např. nad 10-4 m/s) jsou označovány jako kolektory, zatímco horniny s koeficientem filtrace menším než 10-8 m/s jsou označovány jako izolátory.
Příklady hodnot koeficientu filtrace pro různé zeminy (podle Myslivce)
Níže uvedená tabulka ilustruje typické hodnoty koeficientu filtrace pro různé druhy zemin, což podtrhuje, jak výrazně se rychlost proudění vody liší v závislosti na složení materiálu.
| Typ zeminy | Koeficient filtrace [m/den] | Pohyb vodní částice o 1 cm při hydraulickém gradientu i=1 za čas |
|---|---|---|
| Jemný písek | 102 - 106 | s - 10 min |
| Jílnatý písek | 10-1 - 10-2 | 100 min - 18 hod. |
| Sprašová hlína | 10-2 - 10-4 | 18 hod. - 70 dní |
| Hlína | 10-4 - 10-5 | 70 dní - 2 roky |
| Jílovitá zemina | 10-5 - 10-6 | 2 roky - 20 roků |
| Jíl | 10-6 - 10-7 | 20 roků - 200 roků |
Metody stanovení koeficientu filtrace
Stanovení hodnoty koeficientu filtrace je možné mnoha způsoby, které lze rozdělit do čtyř hlavních skupin:
a) Laboratorní měření
Pro rozsah koeficientu filtrace od 104 do 10-6 m/den se používají různé typy permeametrů. Tyto metody jsou přesné, ale pracují s malými vzorky, které nemusí být vždy reprezentativní pro celé zkoumané prostředí.
Čtěte také: Složení betonu
b) Polní zkoušky
Tyto zkoušky zahrnují čerpací či vsakovací zkoušky a měření filtračních rychlostí proudění. Jsou vhodné pro rozsah koeficientu filtrace od 106 do 1 m/den a poskytují údaje z reálného prostředí.
c) Stanovení pomocí empirických vzorců
Empirické vzorce jsou vhodné pro nesoudržné zeminy v rozsahu koeficientu filtrace od 106 do 10 m/den a poskytují pouze orientační hodnoty. Příkladem je Terzaghiho vzorec:
k = C * d10^2 * e^3 / (1+e)
kde:
- k - koeficient filtrace [cm/s]
- d10 - průměr efektivního zrna [cm]
- e - číslo pórovitosti [-]
d) Stanovení výpočtem z časového průběhu konsolidace
Tato metoda vyžaduje znalost součinitele konsolidace cv a konsolidační křivky (semilogaritmická závislost mezi časem a deformací).
Čtěte také: Štěrk a beton: Co potřebujete vědět
Význam koeficientu filtrace ve stavebnictví a hydrogeologii
Koeficient filtrace je zásadní pro návrh drenážních systémů, které vysušují krajinu, nebo pro správné orání brázd, jež by neměly zrychlovat odtok vody. Dále je nezbytný pro návrh systému odvádění dešťových vod, kde je nutno určit hodnoty objemu dešťové srážky v závislosti na době trvání deště a jeho intenzity.
Pro dimenzování potrubí vnitřní kanalizace se používá mezní hodnota intenzity deště 300 l/(s.ha). Tato hodnota zajišťuje bezpečnost střešní konstrukce proti přetížení dešťovou vodou, zatékání do střešního pláště nebo zaplavení objektu. Při návrhu areálové kanalizace nebo v koncových větvích veřejných stok je třeba tuto intenzitu uvažovat i pro celý areál nebo koncovou větev stokové sítě. Nižší hodnoty odtoku ve veřejné stokové síti se používají z ekonomických důvodů na základě zkušeností předchozích generací.
Pro návrh akumulace a využití dešťových vod se používají údaje o dlouhodobých srážkových úhrnech. Protože srážky zasáhly celou českou kotlinu, projevil se odtok z povodí součtem odtoků vody všech přítoků. Celkový objem dešťové vody, která napršela za několik dní, byl větší, než mohlo být v povodí zadrženo v přehradách a přirozených akumulačních prostorech. Proto je výhodné akumulaci rozdrobit - začínají se budovat retenční nádrže pod vozovkami a akumuluje se voda na pozemcích.
Nejlevnější způsob zachycení dešťové vody na pozemku vsakováním je vhodné řešení terénních úprav a vytvoření terénní prohlubně s drenážní vrstvou na vlastním pozemku. Velmi důležitým podkladem pro návrh vsakování je znalost hydrogeologických podmínek řešeného místa. Kolmatace filtrační vrstvy je běžný jev a závisí na množství prachových jílovitých částic, které se do systému vsakování spláchnou. Nejmenší množství takových splavenin lze očekávat na střechách budov, největší bývá ve splachu z nezpevněných svahů. Při výstavbě skladového areálu v bývalém zemníku se průzkumem zjistilo, že na okraji areálu je staré úložiště odpadu s velkou mezerovitostí. Přes toto místo byla navržena objezdná komunikace a zároveň bylo geologem doporučeno využít toto místo ke vsakování vody. Bohužel však rychlým průtokem vody dochází k prosedávání úložiště, které se projevuje propadáním vozovky. Problematika odvodňování nemovitostí vsakováním vyžaduje důkladné prověření celé lokality.
Kořenové čističky a filtrační štěrkové lože
Výstavba kořenové čističky je snadná. Předčištěná voda protéká filtračním ložem, které tvoří nádrž izolovaná fólií a vyplněná štěrkem (nejčastěji kačírkem). Štěrk bývá hustě osázený rostlinami velkého vzrůstu (nejčastěji rákos), které se pravidelně stříhají. Pro čištění splaškových vod z domácnosti fungují kořenové čističky poměrně dokonale. Hlavní důvody, proč kořenové čističky fungují pro jezírko pouze krátkodobě nebo vůbec, spočívají v nutném předčištění vody a nemožnosti čištění štěrkového lože. Obrovským problémem je také štěrk jako filtrační materiál. Není porézní, takže jako plocha pro bakterie se využije pouze jeho povrch. Usazeniny mezi jednotlivými kameny je ve větší vrstvě nemožné vyčistit (možná je jen úplná výměna). Přeceňovaná je i účinnost čištění rostlinami, které jsou ve štěrkovém loži zasazeny. Využívají sice ke svému růstu čpavek, dusičnany a ostatní látky, ale jen ve velmi nízké míře a pouze po část roku, kdy jsou aktivní. Ve spojení s odpovídajícím bubnovým filtrem se nabízí použití pro čištění opravdu velkých jezírek (200 m3 a více). Zde tvoří z důvodu potřebného velkého filtračního objemu alternativní a většinou jedinou možnou biologickou filtraci.
Legislativní a normativní rámec
Při návrhu malých vodních nádrží (MVN) a suchých nádrží (SN) je zapotřebí dodržovat ustanovení závazných předpisů, kterými jsou především zákony, vyhlášky a nařízení vlády, dále pak příslušné metodické pokyny. Současně je ve většině případů účelné dodržovat ustanovení a doporučení souvisejících platných norem, technických standardů a typizačních předpisů. Obecně závaznými předpisy upravujícími v ČR oblast související s vodními díly jsou v současnosti především zákon č. 254/2001 Sb., o vodách, ve znění pozdějších předpisů, a jeho prováděcí předpisy (vyhlášky). Účelem zákona o vodách je chránit povrchové a podzemní vody, stanovit podmínky pro hospodárné využívání vodních zdrojů a pro zachování i zlepšení jakosti povrchových a podzemních vod, vytvořit podmínky pro snižování nepříznivých účinků povodní a sucha a zajistit bezpečnost vodních děl. Zajištění bezpečnosti vodního díla je jedním z prvořadých cílů, které má zajistit jeho návrh. Odpovídající bezpečnost je vyžadována i při provozu vodního díla.
tags: #koeficient #filtrace #sterk #vysvětlení