Waterspanningsmeting - Eenvoudige gevallen van tijdsafhankelijke grondwaterstroming

De grondwaterdrukken in diverse lagen worden, afhankelijk van de doorlatendheid van de betreffende laag en het tijdsbestek waarbinnen verande­ringen van de grondwaterdruk optreden, gemeten met een open peilbuis of met behulp van een bepaald type waterspanningsmeter.

C-8 .l Peilbuizen

Een peilbuis bestaat uit een filter dat in de betreffende grondlaag wordt geplaatst, opgelengd met buizen tot iets boven het maaiveld.
Doordat de buis boven open is, zal de waterspiegel in de buis zich in­stellen op een niveau, dat overeenkomt met de stijghoogte (= druk) van het grondwater in de betreffende laag.
Indien de grondwaterdruk verandert, zal de hoogte van de waterspiegel in de peilbuis evenveel veranderen. Dit betekent dat er een vrij grote hoeveelheid water door het filter moet toe- of afstromen.

In een doorlatende grondslag (grind en zand) geeft de peilbuis reeds na redelijk korte tijd (enkele minuten tot enkele uren) de nieuwe stand aan. Bij een minder doorlatende grondslag (veen, klei) zou dit veel dagen en bij zeer ondoorlatende grond zelfs weken vergen.

Is de zogenaamde aanpassingstijd van een peilbuis te lang, dan dient gebruik gemaakt te worden van een waterspanningsmeter. Deze hebben een veel geringer waterverbruik, dat wil zeggen de hoeveelheid water, die door het filter moet toe- of afstromen als functie van de verandering in de te registreren grondwaterdruk. Bij alle meetapparatuur is het voor het meten van een drukverandering nodig, dat er water door het filter toe- of afstroomt.

De peilbuizen zijn, naar de wijze van plaatsen, te onderscheiden in 2 groepen:

• peilbuizen, die in de grond worden weggedrukt;
• peilbuizen, die in een boorgat worden afgesteld.

Aflezing kan geschieden:

• met de hand dat wil zeggen met een peilklokje of elektrisch peil­klokje met meetlicht;
• een of andere vorm van automatische registratie (vlotterschrijver, niveauvolger, elektrische opnemer).

C-8.2 Waterspanningsmeters

Er zijn twee typen waterspanningsmeters:

• manometer waterspanningsmeter;
• elektrische waterspanningsmeter.

M a n o m e t e r t y p e

Een Bourdon waterspanningsmeter is niets anders dan een in de grond weggedrukte 3/4" peilbuis met filter, die aan de bovenkant afgesloten is en waarop een manometer is aangesloten. De buis is geheel met water gevuld (gesloten systeem). Teneinde dit te kunnen controleren bestaat het bovenste gedeelte van de buis uit een zogenaamd opzetstuk, waarin zich een peilglas bevindt (zie fig. C.12).

figuur C.12

Bovenin het opzetstuk is een vuldop aangebracht. De manometeraansluiting bevindt zich ter hoogte van de onderkant van het peilglas. De Bourdon manometer heeft meestal een bereik van -100 tot +50 kN/m².

Het bovenstaande impliceert, dat de stijghoogte van het water in de grondlaag, waarin het filter zich bevindt, gelijk is aan het niveau van de manometer, vermeerderd met de aflezing.

Zodra echter de waterstand in het opzetstuk lager is dan het niveau van de manometer, gaat deze regel niet meer op en moet water worden bijge­vuld. De aanpassingstijd van dit type waterspanningsmeter varieert van enkele uren in kleihoudend zand tot enkele dagen in de klei. Dit komt omdat de manometer toch nog betrekkelijk veel water gebruikt.

De nauwkeurigheid van een goed geïnstalleerde en onderhouden Bourdon waterspanningsmeter kan in het algemeen circa 0,2 à 0,3 mwk bedragen. Een voordeel ten aanzien van de controle op de juistheid van aflezing is dat het meetgedeelte zich boven de grond bevindt, zodat dit gemakkelijk vervangen kan worden. Als nadeel ten opzichte van een elektrische meter geldt de gevoeligheid voor temperatuurwisselingen en gasinsluitingen.

De lange benodigde aanpassingstijd maakt hem echter ongeschikt om veranderingen in stijghoogte, die binnen enkele uren, of soms zelfs vele dagen plaatsvinden meteen aan te geven. Afhankelijk van de doorlatendheid van de samendrukbare lagen en het tempo van ophogen kan dit type waterspanningsmeter goed worden gebruikt voor het bepalen van de toename van de waterspanning ten gevolge van ophogingen en dergelijke. Hiermee kan de stabiliteit van de ophoging worden beoordeeld, alsmede de nog te verwachten zetting. Ook voor zettingsprognoses zijn dergelijke metingen veelal onmisbaar. Mede door de relatief lage kosten heeft dit type een groot toepassingsgebied gevonden.

E 1 e k t r i s c h e  w a t e r s p a n n i n g s m e t e r s

Diverse typen meters worden toegepast, de opnemers van deze typen berusten alle op verschillende principes. In tegenstelling met de Bourbon bevindt het meetlichaam (de opnemer) zich niet boven maaiveld, maar direct achter het filter. Het kenmerk van de elektrische waterspannings­meter is in het algemeen dat het waterverbruik van de opnemer aanzienlijk lager is dan het van de Bourdonmanometer zodat de aanpassingstijd aanmerkelijk korter is. Alle elektrische meters worden als regel in grond gedrukt door middel van buizen, waar de meetkabel doorheen loopt. Het huis, waarin de opnemer is ingebouwd, heeft een uitwendige diameter in de orde van 32 à 36 mm, evenals de oplengbuizen, die elk 1 meter lang en van inwendige schroefdraad voorzien zijn. Omdat de oplengbuizen een grotere wanddikte hebben, kan met een grotere kracht gepenetreerd worden dan bij de Bourdon.

Ten gevolge van zettingen en mantelwrijving kan de buis meezakken, waar­ door de meting kan worden verstoord.

Het aflezen gebeurt meestal met een batterijgevoed afleeskastje; de totale nauwkeurigheid bedraagt afhankelijk van het type in de orde van circa 0,2 mwk.

Behalve het bij de Bourdon genoemde toepassingsgebied, strekt het ge­bruik van de elektrische meters zich o.a. uit tot het bepalen van de afvoer-, getij- of neerslaginvloeden op de waterspanning in dijken.

Een recente versie is die met een zogenaamde piezoresistieve opnemer. Dit type opnemer bevat een silicium membraan met daarop 4 halfgeleider rekstrookjes in een brugschakeling. Membraan en rekstrookjes vormen één geheel (diffusietechniek). Het door de waterdruk doorbuigend membraan veroorzaakt een weerstandsverandering van de rekstrookjes, waardoor een uitgangsspanning ontstaat die lineair afhankelijk is van de heersende waterdruk. De opnemer heeft voor het volledige meetbereik slechts een waterverplaatsing nodig van 0,1 mm³. Hierdoor is dit type zeer geschikt voor het meten van dynamische verschijnselen (tot 1000 Hz). Het standaard bereik bedraagt 500 kN/m² (50 mwk). De 50 m nauwkeurigheid ligt lager dan 1 kN/m² (0,10 m).

Voor verdere informatie wordt verwezen naar lit. C.6.