dinsdag 8 juli 2014

Wat is Hydraulische geleidbaarheid?

Deze editie van de blog gaat in op de vraag Wat is hydraulische geleidbaarheid? Op nominale waarde is dit een vraag die wordt beantwoord in de meeste hydrogeologie of grondwaterboeken. Maar voor de praktiserend grondwateringenieur is een relevantere vraag wat de watergeleiding betekent in ons werk aan technische projecten. Dat is wat deze blog zal behandelen.

definities van hydraulische geleidbaarheid

Er moet eerst een terminologiepunt zijn. In geotechnische taal wordt hydraulische geleidbaarheid vaak aangeduid als coëfficiënt van permeabiliteit, meestal afgekort tot permeabiliteit. Dit kan soms leiden tot verwarring in de terminologie, zoals later zal worden vermeld.

in theoretische termen is hydraulische geleidbaarheid een maat voor hoe gemakkelijk water door bodem of gesteente kan gaan: hoge waarden geven doorlaatbaar materiaal aan waardoor water gemakkelijk kan passeren; lage waarden geven aan dat het materiaal minder doorlaatbaar is. Hydraulische geleidbaarheid wordt typisch gegeven het symbool k en heeft eenheden van snelheid, bijvoorbeeld meters / sec of meters / dag.

een belangrijk aspect van hydraulische geleidbaarheid is dat er een zeer breed scala aan waarden bestaat in natuurlijke bodems en gesteenten, misschien een bereik van 10-2 m/s (voor zeer open grind en kasseien) tot 10-11 m/s (niet-afgescheurde klei of massief niet-gebroken gesteente). Dit is een enorm bereik – een factor van een miljard! Dit is een veel groter bereik dan verwacht zou worden voor de meeste andere geotechnische parameters zoals schuifsterkte of samendrukbaarheid.

Het is ook belangrijk om te beseffen dat de manier waarop een vloeistof (zoals water) door een bodem of rotsmassa gaat, niet alleen afhangt van de eigenschappen van de bodem/rots, maar ook van de eigenschappen van de doordringende vloeistof. Dit betekent dat een bepaalde grond of gesteente zich anders zal gedragen als het doordrenkt is door verschillende vloeistoffen – bijvoorbeeld water of koolwaterstoffen (olie). Daarom is het gebruik van de term hydraulische geleidbaarheid nuttig, omdat het duidelijk is dat de term betrekking heeft op de stroom van water. Het probleem met de term ‘permeabiliteit’, op grote schaal gebruikt in geotechnische engineering, is dat in andere industrieën (zoals de olie – en gasindustrie) wordt aangenomen dat de ‘intrinsieke permeabiliteit’ die onafhankelijk is van de doordringende vloeistof – intrinsieke permeabiliteit heeft de SI-eenheden van m2, hoewel het vaak wordt beschreven in Darcy ‘ s (waar 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – en is een significant andere parameter voor hydraulische geleidbaarheid.

zelfs wanneer alleen water als doordringende vloeistof wordt behandeld, kunnen de eigenschappen van water een invloed hebben. De viscositeit van water varieert met de temperatuur, dus de hydraulische geleidbaarheid zal ook variëren met de temperatuur. In de meeste gevallen is het bereik van temperatuurvariaties in geotechnische problemen echter klein genoeg dat eventuele daaruit voortvloeiende veranderingen in de hydraulische geleidbaarheid redelijkerwijs kunnen worden verwaarloosd.

wat betekent hydraulische geleidbaarheid?

zoals veel geotechnische parameters, is hydraulische geleidbaarheid eenvoudig in concept, maar heeft een aantal zeer complexe aspecten in de praktijk, vooral wanneer het proberen om realistische metingen of schattingen van eigenschappen te verkrijgen.

Mathematisch is hydraulische geleidbaarheid eigenlijk een coëfficiënt in Darcy ‘ s wet, die waterstroomsnelheid relateert aan hydraulische gradiënt onder laminaire stroomomstandigheden. Dit is gemakkelijk te begrijpen Voor stroom door een isotroop blok van poreuze media zoals je zou kunnen zien in een tekstboek, waar de hydraulische geleidbaarheid is hetzelfde op alle punten (uniform en homogeen) en in alle richtingen (isotroop).

natuurlijk is de stroming van water door bodems of rotsen allesbehalve homogeen en zelden isotroop.

in de bodem bestaat de structuur uit minerale deeltjes die in contact komen om het bodemskelet te vormen, met een netwerk van onderling verbonden poriën in de ruimte ertussen.

geïdealiseerde weergave van bodemdeeltjes (in zwart) en omringende poriënruimte

Water moet een vaak kronkelend pad nemen langs onregelmatige poriën tussen de deeltjes. Het gebruik van de wet van Darcy en het concept van hydraulische geleidbaarheid wordt gerechtvaardigd door’ uitzoomen ‘ en het behandelen van blokken van de bodem als relatief homogene poreuze media, maar het is belangrijk om te beseffen dat grondwater stroom in de bodem kan zeer complex op kleine schaal. De stroming kan verder worden bemoeilijkt door bodemstructuur of stof zoals gelaagdheid, laminering of verwering.

de manier waarop water door de poriën van een bodemmassa stroomt, wordt soms ‘primaire permeabiliteit’ of intergranulaire stroming genoemd. In de meeste gebroken gesteenten daarentegen stroomt het grondwater niet in de eerste plaats door de ruimten tussen de minerale deeltjes die het gesteente vormen (de rotsmassa zelf heeft meestal een zeer lage hydraulische geleidbaarheid). In plaats daarvan moet het water langs scheuren, breuken of discontinuïteiten binnen de rotsmassa passeren. Dit type stroom wordt soms ‘secundaire permeabiliteit’ of spleetstroom genoemd.

geïdealiseerd beeld van scheuren of breuken in de rotsmassa

net als in de bodem moet de waterstroom door rotsen vaak een kronkelend pad langs onregelmatige scheuren volgen, en opnieuw wordt het gebruik van Darcy ’s wet en het concept van hydraulische geleidbaarheid gerechtvaardigd door uitzoomen en grondblokken te behandelen als gelijkwaardige poreuze media. Er moet echter aan worden herinnerd dat de grondwaterstroom in gebroken gesteente op kleine, middelgrote en grote schaal zeer complex kan zijn, met name wanneer de breukrichting, – frequentie en-openingsbreedte worden geregeld door rotsstructuur en-spanningen of wanneer het gesteente oplosbaar is in water (zoals krijt en kalksteen), waar scheuren kunnen zijn vergroot door millennia natuurlijke grondwaterstroom.

waarom is hydraulische geleidbaarheid belangrijk voor ingenieurs?de hydraulische geleidbaarheid kan een interessant theoretisch probleem vormen, maar waarom zou dit van belang zijn voor praktiserende geotechnici?

het voor de hand liggende antwoord is dat het een belangrijke factor is bij het bepalen van de behoefte aan ontwatering en grondwaterbeheersing. Bijvoorbeeld, opgravingen onder het grondwaterniveau in een bodem met een hoge hydraulische geleidbaarheid zal meer ontwatering pompen dan opgravingen in de bodem met een lage hydraulische geleidbaarheid nodig. De meeste handboeken en handleidingen over grondwaterbeheersing relateren de toepasbaarheid van verschillende ontwateringstechnieken op de een of andere manier aan hydraulische geleidbaarheid.

een minder voor de hand liggend antwoord is dat, omdat de hydraulische geleidbaarheid de afvoersnelheid van bodem of gesteente regelt, dit een belangrijke invloed heeft op geotechnische stabiliteitsproblemen (keerwanden, hellingen, dijken, funderingen).

als een bodem een hoge hydraulische geleidbaarheid heeft, zal bij een belasting (totale belasting) de door de belasting gegenereerde overdruk van het poriewater snel verdwijnen. In de terminologie van de bodemmechanica zal de bodem zich gedragen op een ‘gedraineerde’ manier, met relatief hoge effectieve belastingen, die op hun beurt de afschuifsterkte van de bodem of gesteente verhogen, waardoor deze sterker wordt. Omgekeerd, als een bodem heeft een lage hydraulische geleidbaarheid, wanneer een belasting (totale spanning) wordt toegepast op een bodem de overtollige poriewaterdrukken gegenereerd door de belasting kan niet snel verdwijnen. In de terminologie van de bodemmechanica zal de bodem zich op een ‘ongedraineerde’ manier gedragen, met een hoge overmaat aan poriewaterdruk die wordt gegenereerd door de toegepaste belasting, die vervolgens langzaam verdwijnt in de tijd (in sommige gevallen duurt het enkele jaren of zelfs decennia om te verdwijnen). Hoge overtollige porie waterdrukken resulteren in lage effectieve spanningen, het verminderen van de afschuifsterkte van de bodem of gesteente, waardoor het zwakker en het verhogen van het risico van instabiliteit of mislukking.

het belang van hydraulische geleidbaarheid bij geotechnische problemen wordt soms over het hoofd gezien omdat het vaak wordt “verpakt” in een andere parameter, zoals consolidatiecoëfficiënt cv, die de afvoersnelheid (gecontroleerd door hydraulische geleidbaarheid) kan combineren met andere factoren.

schatting van de hydraulische geleidbaarheid

Het is duidelijk belangrijk om realistische schattingen van de hydraulische geleidbaarheid te hebben voor veel geotechnische problemen. Er zijn echter verschillende complicaties bij het schatten van hydraulische geleidbaarheid.

• De hydraulische eigenschappen van de grond kunnen over korte afstanden van plaats tot plaats verschillen en kunnen anisotroop zijn (verschillend in verschillende richtingen).
• Bodemweefsel (gelaagdheid, laminering, verwering) en rotsstructuur (scheuren, fouten, karstkenmerken) kunnen van invloed zijn op de hydraulische geleidbaarheid.
• het boren van een boorgat of het nemen van een monster kan de bodem/gesteente verstoren en de waargenomen waarde beïnvloeden.
• hydraulische geleidbaarheid wordt niet direct gemeten. In werkelijkheid worden fysische parameters (zoals waterstanden of debieten) direct gemeten, waarna de hydraulische geleidbaarheid wordt berekend of geïnterpreteerd. Dit betekent dat er twee soorten potentiële fouten zijn: fouten bij de meting van de ruwe gegevens en fouten bij de berekening van de hydraulische geleidbaarheid, vooral wanneer een analysemethode wordt gebruikt die niet geschikt is voor de test-of monsteromstandigheden.

methoden voor het schatten van de hydraulische geleidbaarheid

het verkrijgen van realistische waarden van de hydraulische geleidbaarheid is moeilijk, maar is nog steeds de moeite waard, en zou een belangrijk onderdeel moeten zijn van geotechnisch onderzoek.

Er kunnen verschillende benaderingen worden gevolgd om de hydraulische geleidbaarheid te schatten:

• visuele beoordeling – Beoordeling van het bodemtype of de indeling en, op basis van ervaring of gepubliceerde waarden, schatting van een benaderend bereik van de hydraulische geleidbaarheid.
• korrelgroottecorrelaties – gebruik van empirische correlaties om deeltjesgrootteverdelingen in korrelige bodems te relateren aan hydraulische geleidbaarheid.
• laboratoriumtests – permeametertests op kernmonsters.
• boorgat proeven-in-situ proeven (oplopende kop, vallende kop, constante kop proeven) uitgevoerd in boorgaten tijdens het boren of later in controleputten.
• Pomptests – gecontroleerd en zorgvuldig gemonitord pompen uit een of meer putten, waarbij de afname in gepompte doorstroming in observatieputten wordt geregistreerd.

methoden voor het schatten van de hydraulische geleidbaarheid zullen in latere blogs worden beschreven.