Bergings-, afvoer- en infiltratiecapaciteit van een ondergrondse doorlatende vrijvervalleiding

Bergingscapaciteit infiltratie- en transportleidingen (IT-riool) Voor het bepalen van de bergingscapaciteit in een ondergrondse infiltratieleiding wordt vaak alleen rekening gehouden met de inhoud van de infiltratieleiding. De berging in de grondverbetering rondom de leiding wordt hierbij meestal niet meegenomen, maar onder bepaalde voorwaarden kan dat wel. Infiltratieleidingen kunnen bijvoorbeeld in een cunet met een grondverbetering van grof zand of granulaat liggen. Dit betekent dat de effectieve bergingscapaciteit voor hemelwater vaak groter is dan alleen de inhoud van de leiding. Bergingscapaciteit met en zonder grondverbetering De bergingscapaciteit zonder bodemverbetering berekent u als volgt: Figuur A Formule voor de berekening van de berging in een infiltratieleiding Vergroot afbeelding De inhoud van de grondverbetering, en hoe deze kan worden meegerekend, is onder meer afhankelijk van de porositeit van het vulmateriaal. De bergingsruimte in de grondverbetering kunt u meerekenen als die zich kan vullen voordat de berging in de infiltratieleiding gaat overlopen. De bergingscapaciteit in een infiltratieleiding met grondverbetering berekent u met de volgende formule: Figuur B Formule voor de berekening van de berging in een infiltratieleiding met grondverbetering Vergroot afbeelding Voor de berekening van de inhoud van de leiding gaat u uit van de inhoud ervan beneden het overloopniveau. Afvoercapaciteit infiltratie- en transportleidingen (IT-riool) De afvoercapaciteit van een volledig gevulde leiding kunt u berekenen met behulp van de formule van Chézy: Figuur C Formule voor de berekening van hydraulisch drukverhang voor een geheel gevulde leiding Vergroot afbeelding Hierbij zijn de diameter, het verhang en de wandruwheid van het materiaal bepalende factoren. Infiltratiesnelheid van de bodem: verzadigde en onverzadigde zone Naast de grondsoort en de bodemstructuur bepaalt vooral de plek waar het hemelwater infiltreert de infiltratiesnelheid: in de onverzadigde zone (boven de freatische grondwaterstand  ) of in de verzadigde zone (beneden de grondwaterstand). De doorlatendheid of k-waarde (in m/dag) en dus ook de infiltratiecapaciteit is in de verzadigde zone groter dan in de onverzadigde zone. De k-waarde van de verzadigde zone kan tot vijf keer zo groot zijn als die van de onverzadigde zone. De k-waarde zoals die in de literatuur en in dit kennisbankonderdeel voorkomt, refereert aan de doorlatendheid van de verzadigde bodem. Ondergrondse infiltratieleidingen met (aanzienlijke) berging liggen in de onverzadigde zone. Bij droog weer staat er geen water in. Wanneer het gaat regenen en de berging zich vult met hemelwater, begint ook de infiltratie. Hemelwater stroomt vanuit de leiding naar de holle ruimte of de poriën tussen het bodemmateriaal en verdringt de lucht. Op dat moment is sprake van infiltratie in de onverzadigde bodem. Als de bodem rondom de voorziening voldoende gevuld is met water, gaat de infiltratie over naar de verzadigde zone.  De infiltratiecapaciteit in de verzadigde zone is afhankelijk van: het infiltratieoppervlak (als de bodem dichtslibt, wordt het infiltratieoppervlak kleiner); de k-waarde van de bodem; het verschil tussen de waterstand in de voorziening en de grondwaterstand. Verschillende k-waarden Bij de infiltratiecapaciteit in de onverzadigde zone speelt ook de vochtspanning een rol. De vochtspanning is niet constant en kan per uur verschillen. De infiltratiecapaciteit van de onverzadigde zone kan dus ook per uur verschillen. Bij een lage initiële vochtspanning in de zomer is de infiltratiecapaciteit groter dan bij een hoge initiële vochtspanning in de winter. In combinatie met scheurvorming in de bodem door droogte en een uitgebreid wortelstelsel kunnen ondergrondse infiltratievoorzieningen in de zomer ook in de onverzadigde zone hoge infiltratiedebieten hebben. De aanname is dat bij de maatgevende neerslag de bodem snel verzadigd raakt en dat u daarom kunt rekenen met de k-waarde van de verzadigde zone. Voorafgaand aan het functioneel ontwerp laat u de doorlatendheid van de bodem bepalen. Tabel A geeft u een globaal overzicht van de doorlatendheid per grondsoort. Om geschikt te zijn voor infiltratie (infiltratiecapaciteit van 1 mm/h of een ledigingstijd van maximaal 24 uur), is een minimale k-waarde van 1 m/d noodzakelijk. Grondsoort Doorlatendheid (of k-waarde) in m/d Zware klei 1 ∙ 10-4 Matig zware klei 1 ∙ 10-2 Zandige klei / Leem / Löss 5 ∙ 10-2 Veen   Lichte zavel 0,5 Fijn zand 1 à 10 Duinzand 7 Grof zand 10 à 50 Schelpen 30 Fijn grind 1 ∙ 103 à 1 ∙ 104 Grof grind 1 ∙ 104 à 1 ∙ 105 Voor het bepalen van de werkelijke infiltratiecapaciteit moet de ontwerper onzekerheden incalculeren en er rekening mee houden dat voorzieningen kunnen dichtslibben door vervuiling. Houd bij voorkeur een veiligheidsfactor aan van 2 à 3 op de gemeten infiltratiewaarden. Drainageleidingen Drainerende capaciteit De capaciteit van drainageleidingen wordt eveneens bepaald door de doorlatendheid van de bodem en de inhoud en de afvoersnelheid in de leiding. Een remmende factor hierbij is de intreeweerstand. De intreeweerstand is de weerstand die grondwaterstroming van direct buiten de omhulling van de drainageleiding tot in de drainageleiding zelf ondervindt. De intreeweerstand is onder meer afhankelijk van het oorspronkelijke bodemateriaal, het materiaal in het eventueel aangebrachte cunet, de toestroom van het water en de staat van het onderhoud van de drainageleiding. In de praktijk is de intreeweerstand meestal 0,05 m à 0,1 m. Hanteer daarom een intreeweerstand van 0,1 m. Incidenteel loopt de intreeweerstand op tot 0,4 m. Hierbij gaat het om gebieden met een grote toestroom van kwel of drangwater, zoals de binnenduinranden. Ontwerpen in zulke gebieden vragen om een ontwerper met specifieke kennis op dit vlak. Effect drainage op grondwaterstand In de praktijk kan drainage een ander effect op de grondwaterstand hebben dan bij het ontwerp is bedoeld. Als de drainage beter functioneert dan verwacht, kan dit een lagere grondwaterstand tot gevolg hebben. Bij houten paalfunderingen kunnen paalkoppen dan droog komen te staan en in gebieden met ondiepe klei- of veenlagen kunnen aanvullende zettingen optreden. Als de drainage minder goed functioneert dan verwacht, kunnen juist problemen met optrekkend vocht ontstaan of bijvoorbeeld wegen sneller verzakken. Met grondwaterstandmetingen vóór en na aanleg van de drainageleidingen kunt u nagaan wat het effect is van de drainage, en de regulering van het grondwaterpeil aan de hand daarvan bijstellen. Hydraulische controleberekening De exacte beoordeling van de bergings-, afvoer-, infiltatie en/of drainagecapaciteit van een hemel- en grondwaterstelsel doet de ontwerper met behulp van een hydraulische controleberekening. Diameters infiltratie- en transportleidingen Maatgevende neerslag en hemelwaterleidingen Relevant voor de diameters van infiltratie- en transportleidingen zijn de maatgevende neerslag en het aangesloten afvoerend oppervlak. De maatgevende neerslag volgt uit het programma van eisen. Vervolgens bepaalt de hoeveelheid afvoerend oppervlak de hoeveelheid water die getransporteerd moet worden. In tabel A zijn ter indicatie de hemelwaterafvoer en leidingdiameter tegen elkaar uitgezet. Tabel A Hemelwaterafvoer en leidingdiameters, bij een wandruwheid van 3,0 mm en een afschot van 1 promille Hemelwaterafvoer (l/s) Leidingdiameter (mm) 5 160 9 200 17 250 27 300 59 400 106 500 173 600 260 700 371 800 507 900 670 1.000 Maatgevende afvoer en drainage Het hydraulisch functioneren van een drainagestelsel wordt getoetst door de opstuwing in de leiding tijdens een maatgevende afvoersituatie (3,0 mm/dag) te bepalen. Tijdens die afvoer mag de opstuwing in het meest bovenstrooms gelegen punt binnen een gebied met één drainage-instelniveau niet groter zijn dan enkele centimeters (2 tot 5 cm). Dan blijft voor circa 90% van de tijd het drainage-instelniveau gehandhaafd. Voor drainage voor sportvelden en begraafplaatsen gelden andere eisen, die per project worden vastgesteld. Voor duingebieden en langs rivieren met een sterk wisselend waterpeil geldt dat toestroom van elders mogelijk is; dit wordt getoetst met een grondwatermodel. De maatgevende afvoer komt overeen met de gemiddelde dagelijkse grondwateraanvulling in het winterhalfjaar, rekening houdend met klimaatverandering. Het neerslagoverschot in de maanden november, december, januari en februari was tot voor kort 2,3 mm/dag. In verband met de klimaatverandering is dit verhoogd tot 3,0 mm/dag.  Grotere maatgevende neerslag overbodig Een maatgevende afvoer van meer dan 3,0 mm/dag heeft weinig toegevoegde waarde. Drainage in stedelijk gebied voert niet meer dan 4 à 6 mm/dag af, ook als de aanvulling groter is. De hoeveelheid grondwater die een drain afvoert, wordt niet bepaald door de drain zelf maar door de grondwaterstroming naar de drain toe. De stijgende grondwaterstand vangt de extra neerslag boven de 4 à 6 mm/dag tijdelijk op. Er is een grotere opbolling nodig om meer water af te voeren. Als de opstuwing groter is dan de maatgevende opstuwing van 2 tot 5 cm, moet de ontwerper het ontwerp aanpassen door leidingen te vergroten, extra lozingspunten op te nemen of door extra leidingen te plaatsen. De volgende zaken spelen een rol bij het kiezen van de diameter van de drainageleiding: de toegankelijkheid voor onderhoud; het af te voeren debiet  ; de gevoeligheid voor slibafzetting. In de openbare ruimte worden minimale diameters van 200 mm aanbevolen, plús het plaatsen van inspectieputten, in verband met de toegankelijkheid en de mogelijkheid tot inspectie van de leidingen. Op particulier terrein volstaan kleinere leidingen, maar worden wel doorspuitpunten geplaatst. De minimale diameter van een buis om hier voor onderhoud met een doorspuitlans in te kunnen is 100 mm. Kleinere diameters zijn erg gevoelig voor dichtslibben en zijn daarom niet aan te bevelen. Bij grondwaterstelsels zullen de voor beheer minimaal benodigde diameters voor drainageleidingen doorgaans voldoende zijn voor de afvoer van grondwater. Verzamelleidingen in het stelsel voeren meer water af. Daarom is hierbij aandacht voor de dimensionering extra belangrijk.