Определение коэффициента фильтрации

Определение коэффициента фильтрации производят в полевых условиях, путем непосредственных наблюдений, и необходим для всех расчетов связанных с движением подземных вод.

Если постановка таких наблюдений затруднительна, то более или менее правильные значения коэффициента фильтрации (Кф) могут быть получены при лабораторных исследованиях грунтов.Рассмотрим методы определения коэффициента фильтрации.Для непосредственных наблюдений в полевых условиях существует несколько методов.

Читай далее водопроницаемость грунтов

Прежде всего должно быть определено направление движения подземных вод. С этой целью пробуривают три скважины и устанавливают в них отметки воды( смотри рис-1).Предположим, что отметки уровня воды в трех скважинах 24,00; 23,00 и 22,00.Тогда на линии АС найдем точку, в которой уровень воды находится на отметке 23,00.

Рисунок-1. К определению направления движения воды по трем скважинам

Линия ВD, следовательно будет представлять собой линию гидроизогипсы , а перпендикулярная ей линия АЕ-линию тока. На линии тока пробуривают две скважины и наблюдают за скоростью движения воды. если расстояние между скважинами -l, уровни воды в скважинах h1 и h2 и время движения воды -t, то скорость движения будет V=l/t и скорость фильтрации q=ln/t=Kф(h1-h2)l, где t-пористость в долях единицы. Отсюда может быть получен Кф.

Для замеров скорости движения воды применяют колориметрический, химический и электролитический методы.Колориметрический метод заключается в следующем: в пусковую ( верхнюю) скважину запускают некоторое количество легкорастворимой краски. В щелочных водах применяют флюоресцин, флюаротрин, эозин, в кислых-метиленовую синьку, голубую анилиновую и другие.Чаще всего применяют флюоресцин, так как он заметен при самых ничтожных концентрациях (1: 10 000 000).Раствор краски погружается в скважину в стекляной бутылке, которую затем разбивают буровым наконечником, и замеряют время.Появление окраски в воде второй ( нижней) скважины позволяет установить время движения воды от первой скважины ко второй.

Рисунок-2. Схема расположения приборов при электростатическом способе определения скорости движения подземных вод:

1-фильтр; 2- коммутатор; 3-стержень

Химический метод заключается в определении концентрации раствора соли в наблюдательной скважине химическим анализом. В качестве растворимого вещества, вводимого в пусковую скважину, чаще всего используют хлористый натрий, хлористый кальций а также хлористый аммоний.В неминерализованной воде применяют более точный метод электролитов, заключающийся в том, что в верхнюю скважину заливают раствор легкорастворимой соли и следят за изменением концентрации соли во второй скважине.Чем больше содержится соли в воде, тем выше ее электропроводность.

В качестве электролита применяют хлористый аммоний или поваренную соль.Для замеров электропроводности в нижнюю скважину опускают электрод, изолированный от стенок обсадной трубы и соединяют сеть по схеме , показанной на рис-2.Электрический метод позволяет непрерывно следить за изменением концентрации раствора в наблюдательной скважине.

Рисунок-3. Схема расположения опытного куста скважин для определения коэффициента фильтрации ( стрелка показывает направление движения грунтовых вод).

Еще более точным является метод опытных откачек. Он более сложен, но позволяет определить не только коэффициент фильтрации, но и радиус депрессии. Пробуривают четыре луча скважин, ( смотри рисунок-3), два луча перпендикулярно линии тока, два -по линии тока, расстояние между скважинами постепенно увеличивают, например 5, 10 и 15 м.Так как в центральной скважине, из которой производится откачка, наблюдается перепад воды, то замеры производят из заложенной в непосредственной близости затрубной скважины ( прифильтрового пъезометра).***

Откачку производят до тех пор, пока в скважинах не установится постоянный уровень при сравнительно небольшом понижении в центральной скважине (6-30 см). Потом производят второе понижени е и так далее. После этого строят поперечные разрезы по лучам и на них наносят кривые депрессии.Так как замерены все величины, кроме коэффициента фильтрации, его величина может быть получена из формулы дебита:
Для грунтовой скважины

Кф=[Q(lgx2-lgx1)]/[1,366(2H-S1-S2)(S1-S2)]=0,73Q(lgx2-lgx1)/[(2H-S1-S2)(S1-S2)]      (формула №1)

Для артезианской скважины (понижении выше кровли водоносного горизонта)

Кф=[Q(lgx2-lgx1)]/2,73M(S1-S2)=0,366Q[(lgx2-lgx1)/M(S1-S2)]     (формула №2)

где Q-дебит центральной скважины; х1 и х2-расстояния от центральной до контрольной скважин; S1 и S2- понижение воды в контрольных скважинах; М-мощность напорного горизонта.После того как определен коэффициент фильтрации, можно принять Xn=R и Sn=0, и определить радиус депрессии.В дальнейшем будет показано, что небольшая ошибка в определении радиуса депрессии для радиального потока не имеет большого значения, так как в расчетные формулы он входит под знаком логарифма.

Поэтому в ряде случаев применяют пробные откачки из одиночной скважины, подставляя в формулы 1 и 2 значения х1=r₀и S2=0.Другие методы определения коэффициента фильтрации в полевых условиях изложены в другой статье.В лабораторных условиях коэффициент фильтрации определяется непосредственным измерением движения воды через образец грунта.Постановка лабораторного определения коэффициента фильтрации различна для разных грунтов.

Песчаные грунты помещают в трубку и пропускают через нее воду; при этом используют два приема. При первом приеме грунт, помещенный в трубку, находится под действием тока воды при условии поддержания постоянного напора. Тогда по количеству профильтровавшейся воды по времени фильтрации может быть определен коэффициент фильтрации. Второй прием заключается в том, что над грунтом помещают определенное количество воды и следят за понижением напора.

Для определения коэффициента фильтрации глинистых пород из образца породы с ненарушенной структурой вырезают цилиндр и помещают его в специальный прибор, через который под определенным напором пропускают воду. Коэффициент фильтрации может быть также определен по эмпирическим формулам в зависимости от гранулометрического состава породы и ее пористости.Метод определения коэффициента фильтрации по формулам наименее точен и может быть применен только для предварительных расчетов.

Для песков с эффективным размером частиц de от 0,1 до 3,0 мм при коэффициенте неоднородности Кн< 5 применяют формулу Хазена:

Кt=Cde²(0,70 + 0,3 t),

где Кt- коэффициент фильтрации при температуре воды t°C, m/cут; С-эпирический коэффициент, который по данным Среднеазиатского института водного хозяйства можно принять по таблице-1; de-эффективный размер частиц, мм; t- температура фильтрующейся воды, °C.

Таблица-1. Значения коэффициента С в формуле Хазена

О.К. Ланге рекомендует принимать значения коэффициента С из выражения : С=400+40 (n-26), где n-пористость исследуемого грунта,%.Величины d10 b d60 определяют графически( по графику однородности) или вычисляют по формуле : dx=d1+(d2-d1)(x-Ф1)/(Ф2-Ф1); где d1 и d2-нижний и верхний пределы размеров частиц, между которыми находится искомый размер dx;Ф1 и Ф2-суммы процентного содержания фракций для d1 и d2. x-искомое процентное содержание частиц , то есть 10 или 60 %.

Для среднезернистых песков может быть применена также формула Крюгера.При температуре фильтрующейся воды t=10°C эта формула имеет вид:

где К10-коэффициент фильтрации, м/сут; n-пористость, доли единицы; θ-суммарная поверхность всех частиц, содержащихся в 1 см³ объема грунта

где N-число фракций, полученных при анализе ; gi-доляучастия фракции порядка i в составе породы,%; di-средний размер фракций, равный (di+di+1)/2,см. Формулу Крюгера можно также применять для глинистых песков и супесей, но результат будет менее точным, чем для среднезернистых песков.
Е.А.Замарин предложил раздельные формулы для определения коэффициентов фильтрации песков и суглинков(м/сут):
Для песков : К10=5572(na²dz²)/1-n;

для суглинков:

Где n-пористость, доли единицы; а-эмпирический коэффициент, учитывающий роль воды, не участвующей в фильтрации и равный от 1,275n до 1,5 n; θ-суммарная поверхность частиц породы, определяемая так же, как и в формуле Крюгера , см²;dz-действующий размер частиц определяемый по формуле:

Где d1-размер наименьшей фракции; g1-доля участия фракции с размерами от 0 до d1; di и di-1-наибольший и наименьший размеры фракций порядка i в составе породы;gi-для участия фракции порядка I,%; N—число фракций на которые разделена порода.

Определение радиуса депрессии

Для определения радиуса влияния водосборного сооружения (радиуса депрессии) многие авторы предлагают различные формулы, полученные ими после соответствующих экспериментов. Для практических целей можно при определении радиуса депрессии колодца пользоваться формулой И.П. Кусакина:
R=575(H-h0)√(HКф), (1)

где Н-пьезометрический непониженный уровень воды , м; h0-уровень воды у стенки колодца, м; Кф-коэффициент фильтрации, м/с.Ориентировочные значения радиуса депрессии для различных пород, м, слкдующие:

Мелкие пески  ………….50-100
Среднезернистые пески …….100-200
Крупнозернистые пески …………200-400
Очень крупные пески, галечники и сильнотрещиноватые породы ………..400-600

Часто величину коэффициента фильтрации принимают в м/сут.Тогда, учитывая что 1 сут=86400 с и Н-ho=S, выражение (1) примет вид :

R=2S√HKф (2).

Величина радиуса депрессии , определяемая по формуле И.П. Кусакина , дает наиболее точные значения для грунтовых колодцев.Для артезианских и грунтово -артезианских колодцев величину радиуса определяют по той же формуле, но с менее точными результатами. Величина радиуса влияния канавы с достаточной точностью может быть принята равной половине ширины грунтового потока или вычислена по формуле К.Э.Лембке, предложенной им в 1886г.
R=√(3НКфt)/μоб;

где Н-мощность водоносного слоя ,м; Кф-коэффициент фильтрации , м/сут;t-время осущения; ?об-водоотдача, доли единицы. Формула К.Э.Лембке неудобна тем, что дает величину радиуса влияния в зависимости от времени осушения.

Для определения установившегося расхода воды в горизонтальный водосбор ( канал, канаву, штрек) можно воспользоваться понятием среднего гидравлического уклона потока.

Выражение Q=BKф(Н²-h0²)/2R может быть преобразовано следующим образом:

Q=KфВ(Н²-h0²)/2R=KфВ[(H+h0)/2] I;

По опытным данным, средний гидравлический уклон I в пределах влияния горизонтального водосбора можно принять следующим :

Наиболее проницаемые грунты -0,003-0,006;
Пески -0,006-0,020;
Песчаные грунты -0,020-0,050;
Суглинистые грунты 0,050-0,100;
Глинистые грунты-0,100-0,150;
Тяжелые глины -0,150-0,200

Читай продолжение статьи : расчет водопритоков в строительных котлованов

***** РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!

*****