Principes filterontwerp - Dimensioneren

Filters moeten migratie van materiaal uit de ondergrond voorkomen en waterdoorlatend zijn. Dit zijn de belangrijkste functionele eisen. Daarnaast kunnen met het oog op de uitvoering sterkte-eisen worden gesteld. Als het filter wordt toegepast om afschuiving te voorkomen (als er geen kleilaag is), dan is de dikte van de laag het belangrijkste.

Een belangrijke basiskeuze bij filterontwerp is het ontwerpcriterium voor de gronddichtheid geometrisch-dicht of geometrisch-open:

• Bij een geometrisch-dicht filter zijn de korrels van de ondergrond groter dan de openingen in de filterconstructie, zodat materiaaltransport fysiek onmogelijk is, onafhankelijk van de belasting.

• 	=	leklengte	[m]
  b	=	dikte van de filterlaag	[m]
  D	=	dikte van de toplaag	[m]
  k	=	doorlatendheid van het filter	[m/s]
  k’	=	doorlatendheid van de toplaag	[m/s]

  Voor een geometrisch-open filter gelden minder strenge regels: er wordt rekening gehouden met een maatgevende belasting en de filterconstructie wordt zodanig ontworpen dat bij die maatgevende belasting geen materiaaltransport zal optreden.

  Bij elk van beide ontwerpcriteria horen ontwerpregels voor de verhouding van de openingsgrootte van de filterconstructie en de korrelgrootte van de ondergrond. De openingsgrootte wordt voor een geokunststof uitgedrukt in de karakteristieke openingsgrootte O90 (zie paragraaf 16.11). Bij een granulair filtermateriaal zijn de afmetingen van de fijne fractie representatief voor de openingsgrootte. Hiervoor wordt de karakteristieke korreldiameter Df15 gebruikt, waarin het subscript f staat voor ‘filter’ (zie paragraaf 16.8 en 16.12). Verder is de porositeit n van belang. Voor de korrelgrootte van de ondergrond is een maat nodig voor de gemiddelde of grove fractie. Afhankelijk van de ontwerpregel wordt gewerkt met de karakteristieke korreldiameters D50, D60, D85 en D90.

  Voor een hydraulisch-dicht maar geometrisch-open filter speelt daarnaast de hydraulische

  belasting een rol.

  Bij granulaire filters gelden nog aanvullende eisen voor de korrelverdeling: niet alleen de filterwerking ten opzichte van de ondergrond is van belang, maar er moet ook worden voldaan aan ontwerpcriteria voor de interne stabiliteit en ontwerpcriteria voor

  materiaaltransport vanuit de filterconstructie naar de bovenliggende laag (vaak de toplaag). Dit laatste mechanisme wordt ‘materiaaltransport vanuit de granulaire laag’ genoemd. Met het oog op de interne stabiliteit gelden regels voor de verhouding tussen de fijne en grove fractie van het materiaal zelf. Met het oog op materiaaltransport naar de bovenliggende laag gelden eisen aan de gemiddelde of grove fractie (bijvoorbeeld D50 of groter).

  Tenslotte moet rekening worden gehouden met de waterdoorlatendheid: de filterconstructie moet niet minder waterdoorlatend zijn dan de ondergrond om opbouw van waterspanning te voorkomen. Daarnaast is de doorlatendheid van het filter ook van belang voor potentiele drukopbouw (stijghoogteverschil) onder de toplaag.

  Naarmate de stroming in het filter geringer is, is het stijghoogteverschil ook kleiner. De stroming wordt onder andere beperkt door een kleine dikte van de filterlaag of een lage doorlatendheid van het filter. Hierbij van belang is een kleine verhouding tussen de doorlatendheid van het filter en de doorlatendheid van de toplaag, want dan kan het met moeite door het filter stromende water bijna ongehinderd door de toplaag wegstromen. Het bijna ongehinderd wegstromen wil zeggen: zonder groot stijghoogteverschil. Deze doorlatendheidsverhouding komt ook terug in de belangrijkste constructie-beschrijvende parameter, de leklengte. Hierdoor is deze parameter een maat voor de grootte van het stijghoogteverschil over de toplaag bij een gegeven golfbelasting:

  

  Met daarin:

  Behalve de verhouding tussen de doorlatendheden k en k', zijn in deze parameter ook de dikte van de toplaag en de filterlaag opgenomen. Deze zijn namelijk mede bepalend voor de stroming.

  In een constructie met een grote leklengte treden grotere stijghoogteverschillen over de toplaag op dan in een constructie met een kleine leklengte. Dit is vooral een gevolg van de verhouding k/k' in de leklengteformule. De grootte van de leklengte ligt in de meeste gevallen tussen 0,3 en 2 meter.

  Als er geen granulair filter aanwezig is, zoals bij een toplaag op een geotextiel op zand of blokken op klei, is de leklengteparameter onbepaalbaar omdat de grootte van b en k niet te bepalen is. Bij dit type constructie is de fysische beschrijving van de stroming anders.

  De aanpak met een leklengte is van toepassing zolang de doorlatendheid van de toplaag veel kleiner is dan die van het filter en de doorlatendheid van het filter groter is dan circa 5 mm/s.

  Conflicterende eisen aan korrelverdeling

  Bij een granulair filter worden vanuit de verschillende ontwerpcriteria mogelijk conflicterende eisen gesteld aan de korrelverdeling. Bij een ondergrond van fijn materiaal is een kleine Df15 nodig (tegen uitspoeling vanuit de ondergrond). Bij een open toplaag met golfbelasting is een grote Df50 nodig (tegen uitspoeling door de toplaag heen), en het quotiënt van die twee moet niet te groot zijn vanwege de eisen voor interne- stabiliteit. Een granulair filter kan in zo'n geval vaak alleen aan de eisen voldoen als het bestaat uit meerdere lagen, elk met intern stabiele korrelverdelingen die onderling op elkaar zijn afgestemd. In de praktijk wordt een geotextiel toegepast om uitspoeling van fijn materiaal uit de ondergrond te voorkomen. Hierdoor is vaak een meerlaagse granulaire laag ten behoeve van uitspoeling niet meer noodzakelijk.

  Een keuze voor een geometrisch-open/hydraulisch-dicht filter leidt tot minder strenge filtereisen, waardoor mogelijk minder filterlagen nodig zijn. Deze keuze kan overigens pas worden gemaakt als de filterconstructie volgens beide ontwerpcriteria is gedimensioneerd.

  Conflicterende eisen aan korrelverdeling

  Bij een granulair filter worden vanuit de verschillende ontwerpcriteria mogelijk conflicterende eisen gesteld aan de korrelverdeling. Bij een ondergrond van fijn materiaal is een kleine Df15 nodig (tegen uitspoeling vanuit de ondergrond). Bij een open toplaag met golfbelasting is een grote Df50 nodig (tegen uitspoeling door de toplaag heen), en het quotiënt van die twee moet niet te groot zijn vanwege de eisen voor interne- stabiliteit. Een granulair filter kan in zo'n geval vaak alleen aan de eisen voldoen als het bestaat uit meerdere lagen, elk met intern stabiele korrelverdelingen die onderling op elkaar zijn afgestemd. In de praktijk wordt een geotextiel toegepast om uitspoeling van fijn materiaal uit de ondergrond te voorkomen. Hierdoor is vaak een meerlaagse granulaire laag ten behoeve van uitspoeling niet meer noodzakelijk.

  Een keuze voor een geometrisch-open/hydraulisch-dicht filter leidt tot minder strenge filtereisen, waardoor mogelijk minder filterlagen nodig zijn. Deze keuze kan overigens pas worden gemaakt als de filterconstructie volgens beide ontwerpcriteria is gedimensioneerd.