0

publicatie: Filters in de waterbouw

1 Inleiding

1 Inleiding

1.1 Algemeen

1.1 Algemeen

Bij het toepassen van filters in de waterbouw is de beschikbaarheid van dimensioneringsregels en ervaringsgegevens relevant voor een goed functianerend filterontwerp. Deze informatie is nu voor veel situaties voorhanden. Zij is verkregen door algemeen filteronderzoek, dan wel onderzoek naar filters in specifieke constructies, zoals de Stormvloedkering Oosterschelde. Onderscheid wordt daarbij gemaakt tussen granulai- re filters en geotextielen. De ontwerper zal een keuze moetenmaken, zoals hij ook een keuze zal moeten maken ten aanzien van de te stellen criteria waaraan het filter zal moeten voldoen. Dit betekent dat een analyse zal moeten worden gemaakt van de mogelijke functies, die een filter wordt geacht te vervullen. De interactie tussen optredende belastingen, constructie-eigenschappen en kenmerken van het filtermateriaal bepalen vervolgens of een gekozen filter voldoet.
Een gebruikelijke filterconstructie bestaat uit één of meer filterlagen, aangebracht op het te beschermenmateriaal. De totale constructie is dus opgebouwd uit een toplaag en een ofmeerfilterlagen op het ondergrondmateriaal (zie fig. 1). Tot enkele decennia geleden waren de filterlagen uitsluitend opgebouwd uit granulair, dus loskorrelig materiaal. Tegenwoordig bestaat het alternatief van het vervangen van één of meer filterlagen door een geotextiel.
Een bijzondertype filter constructie is dat waarbij granulair materiaal ,verpakt' is in een geotextiel of een ander materiaal. Het geotextiel (of het andere materiaal) vervult hierbij een scheidende rol. Dit type filterconstructie wordt ook wel een hybride filter genoemd. Voorbeelden hiervan zijn de geprefabriceerde bodemmatten en de samen- gestelde drains. Een ander bijzonder type filterconstructie is het gebonden filter. Het granulaire filtermateriaal is bij deze filterconstructie aaneengekit met cement of bitumen. Een voorbeeld hiervan is de steenasfaltmat op een geotextiel. Dit type zal worden behandeld bij de hybride filters.
In het algemeen is het gebruikelijk om de laag die moet worden beschermd basislaag te noemen (index b) en de laag die bescherming moet bieden filterlaag (index f). Bij granulaire filterconstructies gaat het dan meestal om respectievelijk het onderliggende fijnkorreligste materiaal en het grofkorreliger filtermateriaal.
Belangrijke aspecten bij het ontwerpen van filters die verband houdenmet de functie(s) die een filter moet vervullen zijn het voorkomen van erosie (filterfunctie) en het mogelijk maken van de afvoer van overtollig water (drainagefunctie). Andere functies, zoals de al eerder genoemde scheidingsfunctie, zijn evenwel ook mogelijk.
Het vervullen van de filterfuncties stelt eisen ten aanzien van de korrelafmetingen bij granulaire filters of de karakteristieke openingsgrootte bij geotextielen.

Fig.1. Definitie filter.

De in de afgelopen decennia opgedane kennis en ervaring met het ontwerpen van filters is nog onvoldoende voor alle ontwerpsituaties die mogelijk zijn.
De kennis die ontbreekt en aangevuld moet worden is geïnventariseerd. Dit betreft de leemten in de kennis inzake filterconstructies, filterfuncties, bezwijkmechanismen en beschikbare modellen.
Inventarisering en evaluatie van bestaande kennis en selectie van relevante ontbrekende kennis is mogelijk gebleken met behulp van de betrouwbaarheidsanalyse en faalkansberekeningen. Een dergelijke aanpak dwingt tot het opstellen van foutenbomen, waarin op systematische wijze bezwijkmechanismen en de gevolgen daarvan zijn gegroepeerd. Voor de diverse bezwijkmechanismen kan vervolgens worden nagegaan of een model voorhanden is. Ontbrekende modellen komen daardoor automatisch aan het licht.
De commissie heeft getracht door het uitvoeren van een probabilistische studie te bepalen welke deelaspecten bepalend zijn voor de kans op bezwijken. Deze studies moesten antwoord geven op de vraag waar eventueel onderzoek ter uitbreiding van de kennis op gericht moest zijn, ten einde in relatie tot het filterontwerp te resulteren in het grootste rendement. Aan de op deze wijze vastgestelde ,witte vlekken' zijn prioriteiten toegekend. De resultaten van de werkzaamheden in de inventariserende fase zijn vastgelegd in het [Interimrapport, 1991].
Vervolgens heeft de commissie in een tweede fase gericht onderzoek laten uitvoeren, ten einde een aantal van de leemten in de kennis op te vullen. Dit gericht onderzoek betrof zowel experimenteel onderzoek in een fysisch schaalmodel als een bureaustudie. Nieuwe regels, verkregen op basis van het aanvullend onderzoek, hebben te zamen met de resultaten van het inventariserend onderzoek geleid tot dit rapport. Allereerst wordt in hoofdstuk 2 een overzicht gegeven van de filterregels. Aspecten die aan de orde komen, betreffen doorlatendheid, interne stabiliteit en grensvlakstabiliteit. Daarna worden in hoofdstuk 3 de materiaaleigenschappen van filters behandeld, direct gevolgd in hoofdstuk 4 door een beschrijving van de aspecten die samenhangen met de uitvoering van filterconstructies. De probabilistische ontwerpmethode en de daaraan ten grondslag liggende veiligheidsfilosofie worden in hoofdstuk 5 behandeld. Voor een vijftal constructietypen, te weten: bodemverdedigingen, taludbekledingen, dammen en dijken, monolietconstructies en verticale drains, wordt vervolgens in hoofdstuk 6 een werkwijze aanbevolen. Zaken die aan de orde komen, betreffen hydraulische belasting, schademechanismen, toepassing van ontwerpregels, overgangsconstructies, uitvoeringsmethoden en beheer en onderhoud. Voorbeelden worden in hoofdstuk 7 gepresenteerd als illustratie van de behandelde ontwerpmethoden.

Samenvattend:
Het onderhavige rapport mag worden beschouwd als een State-of-the-Art verslag van de huidige kennis, waarbij in sommige gevallen ,winst' kan worden behaald. Deze winst is winst in de zin van kennis winst, wat wil zeggen dat het mogelijk is een verantwoorder filterontwerp te maken, omdat filterregels soepeler kunnen worden toegepast. In sommige gevallen zal dit kunnen leiden tot goedkoper construeren en tijd winst bij de bouw.

Erkend moet echter worden dat er nog altijd witte vlekken resteren. Voorbeelden van relevante witte vlekken zijn: criteria waaronder het toelaatbaar is een geotextiel toe te passen met een geringere doorlatendheid dan de ondergrond, grensvlakinstabiliteit in geval van sterk waterdoorlatende geotextielen bij cyclische belastingen en bij een hellend grensvlak, interne stabiliteit van granulaire filters met brede gradering bij cyclische belastingen en eisen te stellen aan de basislaag in relatie tot het dichtslibben van een geotextiel. Het verdient aanbeveling in de toekomst aan deze aspecten nader aandacht te besteden.
Voor de volledigheid ten slotte wordt erop gewezen dat in het kader van de activiteiten van de commissie niet alle aspecten van filters konden worden behandeld. Zo komen grondmechanische stabiliteit en onderhoudsregels slechts zijdelings aan de orde in het rapport.

1.2 Filterfuncties en werking

1.2 Filterfuncties en werking

In de Nederlandse waterbouw hebben granulaire filters en geotextielen meestal ten doel:

  • het voorkomen van erosie (filterfunctie);
  • het mogelijk maken van de afvoer van overtollig water (drainagefunctie).

Afhankelijk van het type waterbouwkundige constructie zal de nadruk liggen op een van beide functies. De filterfunctie speelt de hoofdrol in oever- en dijkbekledingen, bodemverdedigingen en golfbrekers, dat wil zeggen bij een relatief open toplaag (zie fig. 2). Het belangrijkste aspect hierbij is de bescherming van het basismateriaal tegen erosie. Essentieel is dat er dan geen opbouw plaatsvindt van overmatige wateroverdrukken. Daartoe kan een erosiewerend filter tevens een drainerende eigenschap hebben, maar kan ook een speciaalfilter met een drainagefunctie eronder aangelegd zijn, zoals bij gesloten toplagen van taludbekledingen, fundaties onder monolietconstructies en verticale drains (zie fig. 3). Soms zal het granulaire filter of het geotextiel daarbij zelf fungeren als waterafvoerend element, zoals bij drains; in andere gevallen slechts als omhullend materiaal voor de eigenlijke drainagebuis. De eerste functie heeft slechts ten doel materiaalverlies te voorkomen.
Filters kunnen als hoofddoel ook het voorkomen van vermenging van afzonderlijke filterlagen hebben (scheidingsfunctie). In de waterbouw wordt van deze functie voornamelijk gebruik gemaakt om uitvoeringstechnische redenen. Een voorbeeld hiervan zijn de geotextielen in de geprefabriceerde filtermatten onder de pijlers van de Oosterscheldekering.
Ten slotte is de afdichtingsfunctie te onderscheiden. De hiervoor bedoelde materialen, meestal geomembranen, worden geacht water-en zanddicht te zijn. Zij vinden vooral toepassing in de milieutechniek, bij irrigatiekanalen en bij drinkwaterbekkens. Omdat zij geen of vrijwel geen water doorlaten, is het de vraag of zij als filters mogen worden betiteld. In dit rapport worden zij niet behandeld.
Dit rapport zal zich beperken tot de filter- en de drainagefunctie. Verder zullen enige opmerkingen worden gemaakt over faalmechanismen.

Fig. 2. Voorbeelden van erosiewerende functie van een filter.

Fig. 3. Voorbeelden van de waterafvoerende functie van een filter.

Wering van erosie
Een belangrijk aspect bij het ontwerpen van filtersis de analyse van de inwendige en uitwendige stabiliteit, dat wil zeggen het beperken/voorkomen van erosie van het basismateriaal en van het filtermateriaal zelf. Een erosiewerend filteris daarbij gedefinieerd als een grensvlak met (eventueel) een zekere dikte, waaraan stabiliteitseisen worden gesteld. Deze eisen betreffen dan niet alleen de stabiliteit van het materiaal van de basislaag op het grensvlak tussen filter- en basislaag, maar ook de stabiliteit van het materiaal in de filterlaag zelf (interne stabilileit) of van geërodeerd basismateriaal dat in het filtermateriaal is terechtgekomen.
Het doel ,wering van erosie' is niet een doel op zich. Het hoofddoel van een filter is ervoor te zorgen, dat onder maatgevende (hydraulische) belastingen aan een constructie geen schade wordt aangebracht. Een filter is dus niet een op zich zelfstaande constructie, het is slechts een onderdeel van een groter geheel.
Het voorkomen van schade kan op verschillende manieren worden bereikt:

  • zorgen dat transport van materiaal onmogelijk is;
  • zorgen dat transport van materiaal niet optreedt door de te verwachten hydraulische omstandigheden voldoende klein te houden;
  • zorgen dat, als erosie optreedt, deze beperkt blijft, zodat de constructie aan zijn doel, hetzij primair, hetzij secundair, kan blijven voldoen.

De eerste manier berust op geometrische principes van een korrelpakket of geotextiel. Filters die op deze manier werken, worden daarom geometrisch-dichte filters genoemd, dat wil zeggen de openingen van het filter zijn te klein om het basismateriaal te laten passeren. De tweede en derde manier van werken zijn afhankelijk van de hydraulische belastingen die worden opgelegd. De filters die volgens deze principes werken, worden geometrisch-open filters genoemd. Daarbij worden filters die werken volgens de tweede manier stabiele geometrisch-open filters (in het vervolg kortweg geometrisch-open filters) genoemd. Bij die filters zal geen erosie optreden, want de lokale hydraulische belasting is te gering. Filters die volgens het derde principewerken, worden instabiele geometrisch-open filters of zakkingsfilters genoemd (zie fig. 4).

Fig. 4. Relatie tussen verschillende filtertypen.

Bij dit type wordt in beperkte mate transport toegelaten. Het zakkingsfilter is te beschouwen als een bijzonder geval van een geometrisch-open filter.
De werking van filters berust op het feit dat, om erosie te laten optreden, er gelijktijdig aan twee voorwaarden moet worden voldaan:

  • de basiskorrels moeten fysiek gezien door de openingen in het filtermateriaal heen kunnen;
  • er moet op de basiskorrels een voldoende grote belasting werken om ze in beweging te krijgen.

Als aan beide eisen wordt voldaan, kan erosie optreden. Erosie kan dus worden voorkomen door aan een van beide eisen niet te voldoen. Wat betreft de eerste eis zal erosie optreden als de openingen in het filter groter zijn dan de basiskorrels. Filters waarbij dit juist wordt voorkomen, zijn geometrisch-dichte filters. Om aan de tweede eis te voldoen, moet gelden dat er een voldoende grote sleepkracht op de korrels wordt uitgeoefend. Deze sleepkracht hangt af van de snelheid waarmee het water langs de basiskorrels stroomt. Filters waarin juist wordt voorkomen dat de sleepkracht te groot wordt, zijn de stabiele geometrisch-open filters. Bij instabiele geometrisch-open filters of zakkingsfilters zal zo nu en dan de sleepkracht wel te groot worden. De omvang van de schade dient dan beperkt te blijven. Het zal duidelijk zijn dat de criteria ten aanzien van de aan het filter te stellen eisen wat betreft het voorkomen van erosie bij geometrisch-dichte filters strenger zijn dan bij geometrisch-open filters.
Onderscheid dient bij die criteria te worden gemaakt in (zie fig. 5):

  • transport loodrecht op het grensvlak;
  • transport evenwijdig aan het grensvlak.

Welke transportvorm domineert, hangt af van de locatie van het filter in de constructie en de hydraulische omstandigheden. Transport evenwijdig aan het grensvlak is het belangrijkst bij oever- en dijkbekledingen, bodemverdedigingen en golfbreker- bekledingen. Transport loodrecht op het grensvlak is dominant bij drainagefilters, filterkaden, perskaden en fundatiebedden of delen daarvan onder golfbrekers en monolietconstructies.

Fig. 5. Stromingsomstandigheden.

Afvoer van water
De doelstelling bij de waterafvoerende functie van een filter, die afhankelijk is van het constructietype, kan tweeledig zijn:

  • het optreden van een te hoge waterdruk voorkomen;
  • zorgen voor voldoende ontwatering van een grondpakket.

In het eerste geval staat de stabiliteit van de filterconstructie voor op. Te hoge waterdrukken kunnen resulteren in schade aan de constructie. Deze doelstelling is in die zin bij filters, waarbij deze functie een rol speelt, maar het in eerste instantie gaat om erosiewering, van secundair belang.
Dit ligt anders bij overgangsconstructies, een filterkade in het binnentalud van een rivierdijk en drainerende lagen in een reservoirdam. Daar leidt een te hoge freatische lijn in het grondlichaam tot afschuivingen elders in het grondlichaam; echter niet specifiek bij het filter. Bij dergelijke constructies speelt dan ook met name het tweede doel, zorg dragen voor ontwatering de hoofdrol. Een zo snel mogelijke waterafvoer staat daarbij centraal.
De werking van een filter, voor wat betreft de waterafvoer, is gebaseerd op:

  • voldoende afvoercapaciteit, dat wit zeggen dat de openingen en de dikte van het filter voldoende groot moeten zijn;
  • aanwezigheid van een drukgradiënt, die een waterstroming doet optreden.

Afvoer van water is onmogelijk als niet wordt voldaan aan één van beide voorwaarden. Een afname van de drukgradiënt reduceert de waterafvoer, evenals een te grote hydraulische weerstand van het filter. Bij filters die een permanente ontwateringstaak hebben, zal de hydraulische weerstand ook in de loop der tijd niet mogen toenemen.
Betreffende de water afvoerende rol van een filter is de doorlatendheid ten opzichte van de omringende materialen van belang. Te onderscheiden zijn de permittiviteit (waterdoorlatendheid door het filter in loodrechte richting op het vlak ervan) en de transmis- siviteit (waterdoorlatendheid in het vlak van het filter). Afhankelijk van de plaats en oriëntatie van het filter in de constructie zal een van beide maatgevend zijn.

Faalmechanismen
Een filter faalt als het een of meer van zijn functies niet (meer) vervult, dus als er (teveel) materiaaltransport plaatsvindt of als er te weinig water wordt afgevoerd. De volgende mechanismen zijn te onderkennen:

  • materiaaltransport door verlies aan interne stabiliteit van een granulair filter;
  • materiaaltransport door instabiliteit van het grensvlak tussen filtermateriaal (granulair of geotextiel) en basismateriaal;
  • te beperkte waterafvoer loodrecht op het vlak van het filter;
  • te beperkte waterafvoer in het vlak van het filter.

Falen van het filter als gevolg van een van deze mechanismen kan diverse oorzaken hebben. Uiteraard zijn er ook gevolgen. Op deze problematiek zal in hoofdstuk 5 warden teruggekomen.
Er zijn ook nog andere mechanismen die kunnen leiden tot het falen van een filter. Te noemen zijn bij voorbeeld: falen door mechanische of chemische beschadiging van het filter en falen door macro-instabiliteit, zoals afschuiven en zetting van de ondergrond. Op deze mechanismen zal niet verder worden ingegaan.

1.3 Filtertypen

1.3 Filtertypen

Afhankelijk van de functie en de daarbij te stellen eisen kunnen filters als volgtworden ingedeeld:

  • - Erosiewerende filters:
    • geometrisch-dichte filters;
    • geometrisch-open filters;
    • zakkingsfilters.
  • Waterafvoerende filters.

De filters kunnen zijn opgebouwd uit granulair materiaal, een geotextiel, een composiet (een combinatie van diverse geotextielen) of opgebouwd als een hybride constructie, waarbij granulair materiaal wordt ,verpakt' in een geotextiel of een ander materiaal. Kort zal nu op de diverse typen worden ingegaan.

Geometrisch-dichte filters
Het doel van dit type filters is het voorkomen van welke erosie dan ook. Dit wordt op de volgende manier bereikt. Om onafhankelijk van de grootte van het verhang in het filter ervoor te zorgen dat geen erosie kan optreden, mogen de basiskorrels niet door de openingen in het filter kunnen glippen. Dientengevolge moeten de openingen in het filter zodanig klein zijn, dat de korrels van het basismateriaal qua afmeting die openingen niet kunnen passeren. De manier waarop dit kan worden bereikt, hangt af van het type filter.
In het geval van granulaire filters worden de openingen bepaald door de grootte van de kanaaltjes die poriënholten (lege ruimten tussen de korrels) verbinden. Blokkering van het basismateriaal treedt op als de doorsnede van de poriënkanaaltjes kleiner is dan een karakteristieke afmeting van het basismateriaal. Bij geotextielen kan direct gebruik worden gemaakt van de grootte van de openingen in het geotextiel zelf. Deze wordt met een standaardproef bepaald. Dit is ook het geval bij samengestelde filters (composieten), maar dan dienen zij wel als totaalconstructies te worden getest.
Hybride filters bestaan uit zowel geotextiel of geotextiel-achtige onderdelen, zoals doeken of kooien, maar zij bestaan ook voor een deel uit granulair materiaal. Voorbeeden van dergelijke constructies zijn granulaire filtermatrassen en gabions(al of niet met geotextiel), steenasfalt op geotextiel. Voor matrassen zijn twee soorten constructies mogelijk. De erosiewering wordt daarbij verzorgd door het zij het granulaire materiaal, het zij het geotextiel.
In het eerste geval wordt de erosiewering verzorgd door het granulaire materiaal. Het geotextiel dient er dan slechts voor dat het granulaire materiaal bijeen blijft. Het geotextiel heeft hierbij geen erosiewerende functie. De eisen die aan het granulaire materiaal worden gesteld, zijn gelijk aan die bij een granulair filter.
In het tweede geval heeft het geotextiel de erosiewerende functie. Het granulaire materiaal dient slechts als ballast om te voorkomen dat het geotextiel wordt weggespoeld. De eisen die aan het geotextiel worden gesteld, betreffen de erosiewerende functie. Bij gabions zal, in het geval dat er een geotextiel aanwezig is, dit geotextiel zorg dragen voor de erosiewering. Het granulaire materiaal in de gabions heeft daarbij geen functie. Als er geen geotextiel is toegepast, zal het granulaire materiaal de erosiewerende functie moeten vervullen.
Bij steenasfaltmatten op geotextiel wordt de erosiewering door het geotextiel bepaald. Het steenasfalt fungeert als ballast.

Geometrisch-open filters
Voor het verhinderen van erosie kan ook gebruik worden gemaakt van het feit dat er een voldoende grote sleepkracht op de basiskorrels moet werken, om ze in beweging te krijgen. Kernpunt is dat een korrel, die niet in beweging komt, geen erosie veroorzaakt. De kracht op de basiskorrels wordt veroorzaakt door het water dat langs de korrels stroomt. Het water oefent hierbij een sleepkracht uit op de korrels. Deze sleepkracht is evenredig met de grootte van de watersnelheid. Er zijn naast de sleepkracht nog andere krachten werkzaam op de korrels. Afhankelijk van de oriëntatie van het scheidingsvlak tussen basis en filter is dit de zwaartekracht en de wrijvingskracht tussen de korrels onderling. Zolang de sleepkracht op de korrels kleiner is dan de wrijving tussen de korrels en/of de zwaartekracht, kan er geen erosie optreden. Derhalve kan erosie worden voorkomen door de sleepkracht voldoende klein te houden, wat te bereiken is met voldoende laag houden van de watersnelheid, waar de sleepkracht door wordt opgeroepen.
Het reguleren van de watersnelheid vindt plaats via de doorlatendheid van de materialen of door het aanpassen van de dikte van het pakket. De doorlatendheid van een materiaal hangt van een tweetal factoren af: de grootte van de openingen in het materiaal en het aantal openingen per oppervlaktemaat.
Ook is hierbij van belang de oriëntatie van de stroming ten opzichte van het grensvlak en de stromingsomstandigheden. Bij het laatste wordt bedoeld of er sprake is van stationaire, niet-stationaire of cyclische stromingsomstandigheden.
Bij granulaire materialen is de doorlatendheid een functie van de korreldiameter. Hoe fijner het materiaal, deste kleineris de doorlatendheid. AIs het verval over de filterconstructie constant is, zal door het afnemen van de doorlatendheid ook de watersnelheid afnemen. Dus hoe fijner het materiaal, des te lager is de watersnelheid en des te meer is het filter in staat erosie te weren. Derhalve kan ook voor de werking van geometrisch-open filters een criterium worden geformuleerd in de vorm van een verhouding tussen de korreldiameters. Deze verhouding is anders dan bij geometrisch-dichte filters, afhankelijk van de grootte van de watersnelheid.
Bij geotextielen is het mechanisme dat de sleepkracht reduceert iets anders. Hier is niet zozeer de absolute grootte van de openingen in het geotextiel van belang, maar de grootte ten opzichte van de karakteristieke korreldiameter van het basismateriaal. Voor composieten en hybride filters geldt hetzelfde als hetgeen voor deze typen filters is gezegd in het hoofdstuk over geometrisch-dichte filters, met dien verstande dat nu uiteraard sprake moet zijn van een geometrisch-open filter.

Zakkingsfilters
In dit type filters mag enig transport optreden. De grootte van het transportmoet echter beperkt blijven. Zakkingsfilters worden nog niet zoveel toegepast. Een bekend voorbeeld zijn ,falling aprons' aan de teen van taludbekledingen of aan de rand van bodem- verdedigingen van kribben. Bij eventuele erosie van het basismateriaal zakt de ,falling apron' en blijft toch een beschermende afdeklaag aanwezig. In de vorm van geotextielen zijn er, voor zover bekend, nog geen zakkingsfilters gerealiseerd.
Korrels komen in beweging als de sleepkracht op de korrels groter is dan de maximaal mobiliseerbare reactiekrachten. De basiskorrels kunnen onder die voorwaarde worden versneld en door het water worden afgevoerd (zie fig. 6). De watersnelheid moet hiervoor groter zijn dan de kritieke watersnelheid; ,kritiek' houdt in dat bij die watersnelheid nog net geen korrels in beweging komen. Is dit het geval, dan erodeert het basismateriaal en is er sprake van transport van materiaal. Het transport, de hoeveelheid getransporteerd materiaal per tijdseenheid, neemt progressief toe bij overschrijding van de kritieke watersnelheid.
In een constructie die is blootgesteld aan geringe variaties in de watersnelheid en waarbij evenmin sprake is van geometrische variaties, is een zakkingsfilter meestal niet toepasbaar, omdat gedurende de levensduur van de constructie de hoeveelheid getransporteerd materiaal lineair met de tijd toeneemt. Soms kan echter alsnog een zakkingsfilter worden toegepast, omdat de geometrie van de constructie wijzigt. Dit kan leiden tot een afname van de belasting. Er is dan sprake van ,evenwicht'. Het toepassingsgebied voor zakkingsfilters ligt veel meer bij constructies, waarin de watersnelheid aan fluctuaties onderhevig is. Volgens de klassieke ontwerpmethode moet er in zo'n geval op de pieken worden ontworpen. Dit houdt in dat de kritieke watersnelheid van het beoogde filter hoger moet zijn dan de maximaal optredende watersnelheid. Bij zakkingsfilters behoeft dit niet het geval te zijn. Hier wordt het filter bij voorbeeld gedimensioneerd op een belasting die eens per vijf jaar voorkomt. Alle belastingen, die frequenter voorkomen, leveren geen schade aan de constructie op. Het filter is evenwel voor hogere belastingen, die bij voorbeeld eens per 20 jaar voorkomen, vanuit het hydraulische standpunt niet geschikt, want er zal transport optreden, omdat de filtersnelheid bij die belasting groter is dan de kritieke filtersnelheid. Dit wordt bewust zo gedimensioneerd. Het idee hierachter is dat de duur van de belasting, die eens per 20 jaar optreedt, echter zo kort is, dat de erosie geen noemenswaardige schade aan de rest van de constructie kan aanrichten.
Het zal duidelijk zijn dat de ontwerpmethode afwijkt van die van geometrisch-dichte en geometrisch-open filters. Bij een zakkingsfilter wordt uit de grootte en de duur van de hydraulische belastingen bepaald hoe groot het in de tijd geaccumuleerde transport is bij een bepaalde keuze van het filtermateriaal.

Fig. 6. Voorbeeld van erosie van basismateriaal (bovenaanzicht, stroming van boven naar beneden).

Waterafvoerende filters
Centraal bij deze filters staat de waterafvoerende functie en niet, zoals in het voorgaande, de erosiewerende functie. Het doel is de grondwaterstroming te reguleren of de wateroverdrukken te verminderen. Uiteraard dient wel te worden voorkomen, dat teveel gronddeeltjes worden getransporteerd.
Bij de toepassing van waterafvoerende filters kan het filter fungeren als omhullende van het eigenlijke waterafvoerende element, zoals bij drains, maar het filter zelf kan ook als afvoerend element fungeren.
De werking van een granulair waterafvoerend filter berust op de aanwezigheid van een drukgradiënt en de doorlatendheid (zie fig. 7). De doorlatendheid wordt bepaald door de porositeit en het aantal openingen per oppervlaktemaat en is een functie van de karakteristieke korreldiameter van het filtermateriaal. Hoe fijner het materiaal, des te lager is de doorlatendheid.
Als een granulair filter zelf als afvoerend element optreedt, speelt ook de dikte of de breedte van het filter een rol, afhankelijk van de stromingsoriëntatie. De dikte is met name van belang bij overgangsconstructies. Een te grote dikte kan dan een te hoge stromingsweerstand betekenen. De breedte is belangrijk bij drainagefilters in verband met de totale afvoercapaciteit.
De waterafvoerende capaciteit van geotextielen wordt bepaald door de doorlatendheid in het vlak van het geotextiel of de loodrechte doorlatendheid van het geotextiel, de dikte van het geotextiel en het doorstroomoppervlak. De doorlatendheid van een specifiek geotextiel kan worden vastgesteld met relatief eenvoudige proeven. Voor composieten geldt hetzelfde.

Fig. 7. Granulair waterafvoerend filter.

Een hybride waterafvoerend filter kan zijn opgebouwd uit een granulair filter dat is omhuld door een geotextiel. Het granulaire filter vervult daarbij de functie van waterafvoerend element. Deze taak kan worden overgenomen door een geotextiel(zie fig. 8).

Fig. 8. Hybride drainagefilters.