Определение коэффициента фильтрации

24. Коэффициент фильтрации и методы его определения

Современная теория движения подземных вод основывается на применении закона Дарси

Q = k_фF(H₁-Н₂)/l = k_фFI,

Q — расход воды или количество фильтрующейся воды в единицу времени, м3/сут; к_ф — коэффициент фильтрации, м/сут; F—площадь поперечного сечения потока воды, м2; дельтаН — разность напоров, м; I — длина пути фильтрации, м.(!см.рис. уч-ка на стр.267!)

Как следует из основного з-на движения подземных вод, коэффициент фильтрации- это скорость фильтрации при напорном градиенте I= 1.(Отношение разности напора дельта H к длине пути фильтрации lназ-т гидравлическим уклоном или гидравлическим градиентом I) Коэффициент фильтрации грунтов в основном определяется геометрией пор, т. е. их размерами и формой. На значение коэффициента фильтрации влияют также свойства фильтрующейся воды (вязкость, плотность), минеральный состав фунтов, степень засоленности и др. Вязкость воды, в свою очередь, зависит от температуры, поэтому нередко вводится поправочный температурный коэффициент (0,7—0,03) для приведения водопроницаемости к единой температуре 10 °С.

Методы определения

Для получения обоснованных значений коэффициента фильтрации применяют расчетные, лабораторные и полевые методы. 1)Расчетнымпутем КФ определяют преимущественно для песков и гравелистых пород. Расчетные методы являются приближенными и рекомендуются лишь на первоначальных стадиях исследования. Для расчетов используют одну из м ногочисленных эмпирических фор- мул, связывающих КФ грунта с его гранулометрическим составом, пористостью, степенью однородности и т. д.

2)Лабораторныеметоды(!см рис на стр 271!) основаны ни изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы идя лабораторного определения КФ могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным.

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение (приборы Тима, Тима-Каменского, трубка конструкции СПЕЦГЕО), применимы в основном для грунтов с высокойводопроницаемостью, например для песков. Принцип работы приборов следующий. В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П1и П2 помещают испытуемый грунт. Через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент I и измерив расход профильфовавшейся воды Q, находят КФ по формуле

Q= kфIF: кф= Q/FI= QL/F(h₁—h₂),

h1 и h₂ —показания пьезометров; L —расстояние между точками их присоединения. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ИНГ (рис. На стр 272), позволяющие определять к_ф образцов с нарушенной и не нарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение КФ в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения КФ связных грунтов с малой водопроницаемостью. Это компрессионно-фильтрационные приборы типа Ф-1M. Они позволяют вести наблюдения при изменении напорного градиента от 50 до 0,1 в образцах, находящихся под определенным давлением.

Основной частью прибора является одометр, с помощью которого на грунт передается давление, К одометру по трубкам подводится и после фильтрации отводится вода. Напор создается с помощью пьезометрических трубок.Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений КФ.

Полевые методы позволя-ют определить КФв условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты. Вместе с тем полевые методы более трудоемкие и дорогие в сравнении с лабораторными. КФ водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносныхгрунтов — методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины

StudFiles.ru

Определение коэффициента фильтрации

Во все формулы предыдущего параграфа, определяющие скорость фильтрации, входит коэффициент фильтрации , имеющий исключительно большое значение во всех фильтрационных расчетах. Величина этого коэффициента обычно определяется опытным путем на установке, подобной изображенной на рис.4. Установку загружают опытным образцом грунта и, измеряя расход фильтрации и потерю напора, путем непосредственного вычисления по формуле (9.3) находят коэффициент фильтрации:

Для теоретического определения коэффициента фильтрации различными авторами предложен ряд эмпирических расчетных формул. Некоторые из них, применимые только для песчаных грунтов, приводятся ниже. В этих формулах k –коэффициент фильтрации, см/с; –абсолютная вязкость жидкости, П.

Одной из таких формул является формула Газена

, (9.11)

где d_e –эффективный диаметр, см, определяемый по указанному выше методу; с –некоторый коэффициент, учитывающий пористость грунта иимеющий следующие значения: для очень плотных песков с=0,8, для песков средней пористости с=1,55, для песков, составленных из округленных частиц, почти одинакового диаметра.

Для воды формула Газена может быть представлена в следующем виде:

, (9.12)

где t –температура воды в С.

Следует иметь в виду, что формула Газена применима для грунтов с эффективным диаметром от 0,1 до 3 мм.

Приведем формулу Слихтера

, (9.13)

где –коэффициент, зависящий от пористости т и просвета фиктивного грунта и равный .

Под эффективным диаметром d_e в этой формуле, в отличии от формулы Газена, понимают средний весовой диаметр частиц, определенный по весовой кривой, т. е. такой диаметр, который весовые количества частиц мельче и крупнее его поровну.

Для воды при t = 10° С, когда = 0,01333 П, формула Слихтера принимает вид

. (9.14)

При приближенных расчетах можно принимать следующие средние значения коэффициента фильтрации , см/с:

для грунтов очень большой проницаемости (средний и крупный гравий с примесью очень крупного песка) – 0,5-1;

грунтов большой проницаемости (крупный песок с мелким гравием) –0,2-0,5;

грунтов средней проницаемости (среднезернистый песок, чистый мелкий песок) – 0,1-0,2;

грунтов малой проницаемости (слабоглинистый песок, очень мелкий песок) – 0,01-0,02.

Для грунтов очень малой проницаемости Н. Н. Павловский рекомендует следующие значения, см/с:

для песчаных грунтов с некоторой примесью глины – 0,006-0,007;

песчано-глинистых грунтов – 0,003-0,004;

проницаемых глин – 0,001.

studopedia.ru

Определение коэффициента фильтрации

Существенное влияние на точность фильтрационных расчетов оказывает определение достоверных значений коэффициента фильтрации. В общем случае имеются следующие способы его определения: по справочным данным, по эмпирическим формулам, в которые входят данные гранулометрического состава грунта, лабораторным путем (исследования грунта на специальных приборах), в натурных условиях по данным пробных откачек. Первый способ используется для весьма приближенных расчетов.

Ориентировочные значения коэффициента фильтрации k, см/с, для некоторых грунтов следующие:

Гравий разной крупности . ................................................ 0,1—3,0

Пески чистые......................................................................................... 0,001—0,1

Супеси . . ........................................................ 0,0001—0,001

Суглинки...................................................................................... 0,00001—0,0001

Глины . . ...............................................

Вычисление коэффициента фильтрации по эмпирическим формулам требует данных гранулометрического состава грунта и производится при предварительных расчетах. Из многочисленных эмпирических формул коэффициента фильтрации k, м/сут, часто применяется зависимость А. Хазена

k = c*d2 ₁₀t, (9)

где с* – коэффициент «загрязнения» песка глинистыми фракциями (для загрязненных песков с* = 700 ¸500, для чистых песков с* = 1000 ¸ 700); τ —температурный коэффициент (τ = 0,70 + 0,03t), температура воды t здесь в градусах Цельсия; d₁₀— эффективный, или действующий, диаметр частиц грунта, мм, соответствующий 10% на графике гранулометрического состава. Формула Хазена справедлива при выполнении условий: 0,1 мм £ d₁₀ £ 3,0 mm; d₆₀/d₁₀ £ 5,

где диаметр d₆₀ соответствует 60% на графике гранулометрического состава грунта.

При определении коэффициента фильтрации лабораторным путем образец грунта помещается между двумя сетками в металлический корпус прибора аналогичного схеме установки А. Дарси (рис. 1). Жидкость поступает в левую часть прибора при постоянной для данного опыта отметке H₁. Отметка свободной поверхности в правой части прибора также постоянная H₂, что обеспечивается с помощью переливной трубы. Измерения производятся при установившемся режиме. Разность уровней представляет собой потери напора h_w = H₁—H₂по длине образца l. Тогда в соответствии с законом Дарси значение k определяется по формуле k = Q/ωI, где ω — площадь поперечного сечения образца; I — пьезометрический уклон; Q — расход жидкости. Лабораторный способ более точен, однако необходимость наличия приборов, сложность получения образца с ненарушенной естественной структурой приводят к погрешностям при вычислении k. B ответственных случаях значения коэффициента фильтрации определяются в натурных условиях (см. далее).

В некоторых случаях используется понятие коэффициент проницаемости k_п, который связан с коэффициентом фильтрации k соотношениями ,

где η, n – динамический и кинематический коэффициенты вязкости. Поскольку коэффициент фильтрации имеет размерность скорости (м/с), k_n имеет размерность площади (см2). Используется также единица Дарси (1 Д = 1,02×10-8 см2 = 1 мкм2 ), которая может быть определена как проницаемость такой среды, где при перепаде давления Dp = 0,1 МПа на длине Δl = 1 см и при коэффициенте динамической вязкости η = 0,001 Па×с скорость фильтрации v = 1см/с. Для воды с температурой 200 C коэффициенту проницаемости в 1 Д (или 1 мкм2) соответствует значение коэффициента фильтрации 0,86 м / сут.

studopedia.ru

Определение коэффициента фильтрации грунтов опытными наливами в шурфы.

Для определения коэффициента фильтрации неводонасыщенных грунтов. Т.е. грунтов, залегающих в зоне аэрации, используется метод налива воды в шурфы.

Сущность метода заключается в создании вертикального потока, просачивающегося через сухой грунт вниз до дна шурфа, измерении площади сечения потока, расхода и гидравлического уклона, т.е. всех параметров закона Дарси, кроме К_ф.

Конструкция прибора Нестерова: На дне шурфа располагают 2 цилиндра диаметрами 25 и 50 см. Их вдавливают в дно на 5-8 см для защиты от размыва. На внешний цилиндр устанавливается подставка, на котором размещаются 2 сосуда Мариотта для автоматического поддержания уровня воды в цилиндрах на одинаковой высоте (Н=10 см). на сосудах имеется прозрачная шкала, с помощью которой измеряется объем воды, профильтровавшейся за определенное время.

Определение коэффициента фильтрации грунтов опытными откачками воды из скважин.

Наиболее распространенный метод.

Откачки обычно проводятся при 2-3 понижениях уровня воды в центральной скважине. Величина каждого понижения в центральной скважине в сильноводопроницаемых грунтах не менее 1 м, в средне- и малопроницаемых 1,5-2 м.

При кустовой откачке бурят центральную скважину (закреплена обсадной трубой с фильтром), из которой производиться откачка воды насосом, и ряд наблюдательных скважин (также закрепленных трубами с фильтрами), по которым следят за изменением уровня воды во время откачки. Для замеров уровня воды применяют электроуровнеметры.

Гидрогеологические исследования

Опытные гидрогеологические исследования включают:

- определение коэффициента фильтрации грунтов в зоне аэрации методом инфильтрации (методы налива воды в шурфы);

- определение коэффициента фильтрации грунтов в водоносном горизонте методом опытных откачек.

Геофизические методы работ

Геофизические исследования включают:

- работу с одноканальной сейсмической установкой ОСУ- 1;

- электроразведочные работы методом вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ);

К числу самостоятельно выполняемых относятся:

- проходка буровых скважин методом бурения;

- испытание грунтов динамическим зондированием;

- проведение цикла фильтрационных наблюдений.

3. Геология Подмосковья.

1.Рельеф Подмосковья

Московский регион включает: Москва и Московская область (25 млн. человек). Находится в центре Русской платформы. Русская платформа простилается от Урала до Днепра и от Северного Ледовитого Океана до Кавказа.

Рельеф равнинный, с отметками от 100 до 250-300м над уровнем моря. Рельеф Подмосковья сформирован в результате вертикальных тектонических движений земной коры в Палеозойскую и Мезозойскую эры, а также в Кайнозойскую под действием поверхностной эрозии.

В пределах Подмосковья по рельефу выделяется ряд регионов:

1) Клинско-Дмитровская холмистая гряда.

Находится на северо-западе от Москвы и имеет вид волнистой равнины с сильно развитой овражной системой. Сформирован реками Клязьма, Истра, Москва, Яхра. А также ледниками.

Абсолютные отметки поверхности от 200 до 300 м. Реки в этом районе на 150-170м врезаны от водораздела.

Четвертичные отложения незначительные.

2) Западная Моренная равнина.

Простилается к западу и юго-западу от Москвы.

Имеет равнинный рельеф (абсолютные отметки 190-200м.). Глубинные отложения мощностью 60м.

3) Теплостанская возвышенность.

На юге Москвы и Московской области, занимает правый берег р. Москвы (на отметке примерно 270м).

Рельеф палеозойских и мезозойских отложений.

В этом районе выделяется Татаровская холмистая возвышенность.

4) Левобережье реки Пахры.

Расположено на юге и юго-востоке, занимает бассейн рек Пахры и Десны.

Рельеф равнинный (отметки 170-190м).

5) Мещерская низина.

На северо-востоке Московской области между рекой Окой и рекой Москвой. Абсолютные отметки 100-120м.

Вся территория заболочена.

6) Долина реки Москвы (самый большой регион).

Река Москва берет свое начало в 321 километрах к западу от Москвы. Протяженность реки 500 км. Впадает в районе Коломны в Оку. Ширина 20-30 м. на востоке, при разливе ширина достигает 3 км. Продольные террасы расположены ассиметрично её руслу и сложены песчаными отложениями. Река Москва имеет значительную извилистость с крутыми поворотами русла (сильно миандрирует). Ширина террас от 100 до 1000м. Выделаются 3 террасы по течению (в пределах Москвы):

- пойма (122м.),

- 1-ая надпойменная терраса (130м.),

- 2-ая надпойменная терраса (140м.),

- 3-я надпойменная терраса (150м.).

StudFiles.ru