En artikel som jag även har publicerat på min LinkedIn. Den beror relationen mellan uttag (flöde) ur ett grundvattenmagasin och hur grundvattentrycket i magasinet reagerar. Man kan gå i fällan att tro att ett litet flöde inte kan innebära stora problem…

Relationen mellan tryck och flöde – fokus på slutna grundvattenmagasin och schakter

Jag vill skriva något om detta med relationen mellan flöde och tryck men vet inte helt exakt vad det är som jag vill sätta ord på utan jag får prova mig fram. Jag vill ju gärna skriva om kluriga saker som varit viktiga för mig att greppa för att öka min förståelse för grundvattenproblem. Min förhoppning är att det kan vara till hjälp för någon annan om jag lyckas sätta ord på det jag lärt mig. Jag vill formulera det enkelt, på ett sätt som man kanske inte kan läsa sig till i läroböckerna eller på Wikipedia. Det jag skriver baseras på mina erfarenheter och min kunskap, och naturligtvis finns det många som har betydligt av det än vad jag har men även det omvända. Återkom gärna om ni har funderingar eller feedback. Risken är – när det kommer till mig – att det blir långt och lite vindlande eftersom jag vill dela med mig av så mycket och har svårt att sätta punkt. Jag tar mig den friheten eftersom artikelfunktionen på LinkedIn erbjuder det, i inläggen måste jag ju hålla mig så kortfattad.

Relation mellan flöde och tryck – vad menar jag?

Alltså det här med flöde och tryck. Vad är det då jag tänker på? Inledningsvis menar jag grundvattentrycknivå i ett grundvattenmagasin (tryck) och flöde ur en brunn eller inläckaget till schakt i det magasinet (flöde). Hur grundvattentrycknivån i grundvattenmagasinet sänks när vatten lämnar magasinet via en pumpbrunn eller schakt. Vatten lämnar grundvattenmagasinet antingen för att vi aktivt pumpar bort det ur en brunn, eller för att det läcker in till en schakt och sedan leds bort därifrån.

Jag upplever att det uppstår missförstånd och missar i frågeställningar kring schakter, grundvattensänkningar och länshållning just när det kommer till just relationen mellan flöde och tryck. Och det är inte konstigt, för flöde och tryck hänger inte alltid ihop på ett intuitivt sätt. Med den menar jag exempelvis att något som uppfattas som ett litet flöde kan innebära en stor trycksänkning, och att ett stort flöde kan innebära en liten trycksänkning beroende på grundvattenmagasinets egenskaper.

Varför läcker det in grundvatten?

Varför läcker det in grundvatten till schaktet? Finns det en otäthet såsom skarvar, glipor, glapp, så finns det läckageväg för vatten. Man kan räkna med att det uppkommer ett visst mått av otätheter även i schaktväggar som tätas för att minska grundvatteninläckaget. Om schaktet hålls torrt, det vill säga att man arbetar i torrhet och inte under vatten, och schaktbotten är lägre än grundvattentrycknivån i det omgivande grundvattenmagasinet, då kommer grundvatten att rinna genom de otätheter som finns in till schaktet. Dvs är schaktbottens nivå lägre än grundvattentrycknivån runt om OCH det finns minsta lilla otäthet så rinner grundvatten i till schaktet.

Grundvattnet i magasinet rinner från områden med högre grundvattentrycknivå till områden med lägre grundvattentrycknivå. Jag brukar tänka att naturen strävar efter att jämna ut tryckskillnaderna, och vatten rinner därför från hög grundvattentrycknivå till låg i syfte att jämna ut så att trycknivån blir samma. Och en schaktgrop har lokalt sett en väldigt låg grundvattentrycknivå, nämligen noll. Det innebär att om det finns minsta lilla otäthet, minsta lilla öppning eller porositet eller sprickighet, kommer grundvatten från omgivande grundvattenmagasin att rinna in till schaktet.

Missar och spretiga uppfattningar om vad som är stort och litet

En vanlig miss som uppkommer är att man kan tro att om flödet är litet, så är sänkningen av grundvattentrycket liten eller har liten utbredning. Vad som är ”lite” och ”mycket” inläckage av vatten varierar också baserat på vilken kunskap och erfarenhet man har med sig i bagaget. Jag redovisade en gång ett mycket litet påverkansområde kring en grund schakt nära ett ytvattendrag, påverkansområdet beräknades till drygt 20 meter ut från schaktet, ovanligt litet i mina ögon. Men beställaren bemötte det med ”Det är fullständigt orimligt att det blir så mycket påverkan!”.

Exempel

Överlag upplever jag att det är vanligare att kollegor från andra kompetenser tycker att påverkansområdena jag redovisar är väldigt stora, och jag hamnar väldigt sällan under 100 meters radie från schaktet, ofta ett par hundra meter. Storleken på påverkansområdet beror på massa saker: schaktdjup, grundvattenmagasin, hydrauliska ränder till magasinet, genomsläppligheten och mäktigheten i magasinet, grundvattenbildningens storlek, och flera andra aspekter och antagande. Men jag kan ändå göra den reflektionen att det är väldigt sällan jag kan minnas att jag landat i något som varit mindre än 100 meter. Om det är ett problem eller inte, att grundvattentrycknivån sänks av inom 100 meter radie, beror på vad det finns som är beroende av grundvattentrycknivån i det grundvattenmagasinet inom det området.

Till saken, så här kan problemuppställningen vara

Säg nu då att man har ett schakt som går ner genom jordlagren, och det finns lager eller skikt av jordmaterial som är mer vattenförande än lera i jordlagerföljden. Som ett moränlager under leran. Det finns alltså minst ett materiallager i jordprofilen som utgör ett grundvattenmagasin. Schaktet utförs kanske inom spont, det har kanske dessutom utförts extra tätningsåtgärder såsom tätning i spontskarvar och/eller jetpelare mellan spontens underkant och bergöverytan.

Man schaktar sig ner inom stödkonstruktionen och pumpar kanske bort lite grundvatten ur en brunn som går ner genom lerlagret till moränen. Pumpningen görs för att ha en stabil schaktbotten på vägen ner. Och så ser man när man kommer ner till nivån där grundvattenmagasinet finns under leran att det läcker in lite vatten genom spontens skarvar. Det är så lite vatten som läcker in så det utgör inte något problem alls för arbetena, det är ju inte som att det forsar in. Utan det pumpas enkelt bort från någon pumpgrop i schaktbotten tillsammans med regnvatten och processvatten. Då drar man kanske slutsatsen att sponten är så gott som tät, och det är så lite vatten som läcker in så det kan inte vara några problem på något sätt. Man tror att schaktet inte innebär någon nämnvärd påverkan på grundvattensituationen i omgivningen. Det kan vara en förhastad slutsats och falsk trygghet att det inte är några problem eftersom det är så gott som inget vatten som läcker in.

Tankevurpan är

Missen är att man förutom flödet (inläckagets storlek) också måste lägga till

1) vad det är för jordarter utanför och vad deras hydrogeologiska egenskaper är och

2) vilka objekt som finns runt om och hur beroende de är av en viss grundvattentrycknivå, innan man kan avgöra om det är för mycket eller OK lite vatten som läcker in.

Man kan alltså inte avgöra hur mycket som händer utanför den ”så gott som täta” sponten baserat på att det ”inte läcker in nästan någonting”. Och vem vet förresten ens hur stort inläckaget av grundvatten är om sipprar in lite diffust i fuktiga partier i schaktväggarna och sedan blandas med annat vatten på schaktbotten?

Exempel

Som ett exempel på förhållande mellan flöde och tryck tar jag ett projekt där omfattande tätningsåtgärder projekterades på grund av att schaktet utförs i tät och känslig stadsmiljö. Projektet hade kommit fram till att man måste täta på mycket som möjligt för att undvika skador i omgivningen, och hade även sökt tillstånd för att leda bort det grundvatten. Det var tätningslister i spontskarvar, jetpelare mellan bergöverytan och sponten, tätning med hög ambition av berget. Där är bedömningen vi landat i att trots de omfattande tätningsåtgärderna, och om de lyckas hyfsat bra utan stora glapp eller glipor, blir inläckaget cirka 2 liter per minut till en 30 meter djup schakt. Och det inläckaget orsakar just i det fallet men de antaganden som gjordes där, att grundvattentrycknivån sänks av inom ett område upp till 200 meter bort från schaktet. Inläckaget 2 liter per minut, över en total schaktväggarea om väldigt många kvadratmeter lär ju knappast märkas.

Vad som händer i grundvattenmagasinet och hur dess egenskaper spelar roll

Jag tänker i fortsättning av artikeln fokusera på första punkten i tankevurpan ovan: De hydrogeologiska egenskaperna. Med hydrogeologiska egenskaper menar jag de vattenförande jordlagrens egenskaper hydraulisk konduktivitet K och specifik magasinskoefficient S_s. Och om grundvattenmagasinet, det vattenförande jordlagret, är slutet eller öppet. Man kan läsa mer om öppna och slutna magasin i min artikel: https://www.linkedin.com/pulse/grundvattenmagasin-ord-begrepp-och-n%C3%A5gra-medskick-%C3%B6dlund-eriksson/

Om schaktet går genom ett lerlager och ner i friktionsjord som underlagrar leran, så utgör friktionsjorden ett så kallat slutet undre magasin. Slutna magasin är vattenmättade, grundvatten fyller porerna i jordskelettet, och har en grundvattentrycknivå som ligger högre än själva magasinets ovankant. Trycknivån är ofta kring markytan men kan även vara högre (så kallat artesiskt tryck). När grundvattentrycket sänks på grund av att vatten läcker från magasinet till schaktet, expanderar vattnet i porerna i jorden, vilket i sin tur trycker ihop kornskelettet.

Vattnet som rinner in genom skarven kommer sig inte av att porerna i jordskelettet dräneras (för grundvattentrycknivån ligger fortfarande högt ovanför själva grundvattenmagasinet och porerna i kornskelettet är vattenmättade). Vattnet som rinner in genom den otäta skarven kommer från att vatten pressas ur de vattenmättade porerna i jordskelettet när jordskelettet komprimeras. Det är ganska intuitivt att det är en väldigt liten volym vatten som pressas ut ur exempelvis en bottenmorän på det här sättet. Väldigt lite vatten släpps ur grundvattenmagasinet. Det är det som gör att grundvattentrycket sänks inom ett stort avstånd från schaktet, för att det krävs en stor volym grundvattenmagasin för att kompensera för flödet som läcker in till schaktet. Och denna beskrivning gäller alltså för slutna grundvattenmagasin, det vill säga ett vattenförande lager som är omslutet av täta jord-/bergarter.

Om grundvattenmagasinet hade varit öppet istället

Om grundvattenmagasinet inte hade överlagrats av lera, utan sträckt sig ända upp till markytan, så hade det varit ett så kallat öppet grundvattenmagasin. När man tar ut vatten ur ett öppet grundvattenmagasin, exempelvis att det läcker in grundvatten till schaktet, så är det som sker att porerna i jordskelettet dräneras. Alltså att porerna töms på dränerbart vatten (för den del vatten blir kvar i jorden). Det innebär att de betydligt större volym vatten släpps vid en sänkning av grundvattenytan än från det slutna magasinet ovan. Ett magasin i öppna förhållanden kan släppa 100-10.000 gånger mer vatten vid en viss trycksänkning än vad ett slutet magasin gör (baserat på att magasinskoefficienten i slutna magasin ofta är mellan 0.00001 och 0.001, medan den i öppna kan vara kring storleksordningen 0.1). Vilket i sin tur innebär att påverkansområdet blir mindre i ett öppet magasin, eftersom det räcker med en mindre volym öppet grundvattenmagasin än slutet grundvattenmagasin för att kompensera inläckaget. Sedan är det också så att i ett öppet grundvattenmagasin minskar den vattenframledande förmågan ju mer grundvattennivån sänks, beroende på att den vattenmättade mäktigheten i magasinet minskar när grundvattennivån sänks. Det kan också bidra till att det inte blir så stort påverkansområdet i ett öppet magasin.

Hur mycket läcker det in?

Hur mycket grundvatten kan läcka in till schaktet? Det kan aldrig läcka in mer än vad grundvattenmagasinet kan mata fram, och hur mycket det kan mata fram beror på vilken hydraulisk konduktivitet det har i kombination med vilken mäktighet det har (10 meter mäktighet kan mata fram tio gånger mer vatten än en meter mäktighet). Förutom hydraulisk konduktivitet spelar tryckförhållandena roll också. Nämligen hur stor tryckskillnaden, den så kallade hydrauliska gradienten, är inom magasinet. Man kan säga att gradienten är det som driver på grundvattenflödet och styr riktningen på grundvattenströmningen. Gradient är storleken på tryckskillnaden över ett visst avstånd delat med avståndet.

Utan något hinder för grundvattenflöde genom magasinet bestäms flödet av Darcys lag Q=K*A*dh/dl. Om man stoppar in ett hinder för grundvattenflödet genom magasinet, så som en ”så gott som tät stödkonstruktion”, så minskar flödesmöjligheten kraftigt genom den väggen, vilket gör att vattenströmningen delvis hindras. Man kan se ”den så gott som täta väggen” som att arean öppen för vattenströmning minskar, alltså tvärsnittsarean som vatten kan flöde genom. Från att ha kunnat rinna genom magasinets mäktighet är det kanske bara ett antal mindre luckor i tätskärmen som vattnet kan rinna genom. Eller så kan man se det som att stödkonstruktionen har en låg hydraulisk konduktivitet (ett slags medelvärde mellan tätt – stålplanken – och öppet i gliporna), så att den hydrauliska konduktiviteten minskar över väggen. I själva verket är det väldigt svårt att säga hur mycket exempelvis en spont hindrar flödet. Det kan faktiskt bli tätt, det är väldigt lite som krävs för att det inte ska bli tätt. Det allra lurigaste är om schaktet ska gå ända ner till bergöveryta, mot bergöverytan har stödkonstruktionen definitivt inte slutit tätt.

Summering

• Förhållandet mellan flöde och tryck (inläckage av grundvattentrycksänkning utanför) är inte intuitivt
• Grundvattenmagasinets egenskaper avgör, tillsammans med flödet, hur mycket trycket påverkas utanför schaktet
• Hur reaktionen på trycksänkning/inläckage blir beror på om magasinet är öppet eller slutet. I ett slutet magasin blir påverkansområdet stort, för det krävs en stor volym grundvattenmagasin för att kompensera för inläckaget (på grund av att det inte släpps så mycket vatten från magasinets vattenmättade porer när trycket sänks)