45, 46 Закон ламинарной фильтрации грунтовых вод. Гидравлический градиент. Закон Дарси.

Закон ламинарной фильтрации. Гидравлический градиент.

Фильтрация воды в грунтах представляет собой сложный процесс. Действительно, поры в разнозернистом грунте образуют извилистые каналы переменного сечения, соединяющиеся между собой в различных направлениях. Следовательно, и траектории движения воды в этих каналах будут крайне сложными. В пылевато-глинистых грунтах пленки связанной воды, окружающие глинистые частицы и связанные с ними силами электростатического притяжения, могут образовывать пробки, перекрывающие поровые каналы в некоторых сечениях и затрудняющие движение свободной воды. Действительная скорость движения воды в разных сечениях грунта может быть различной и, строго говоря, будет неопределенной, поэтому математическое описание фильтрации воды в грунте связано со схематизацией этого процесса и основывается на результатах экспериментов.

При прочих равных условиях при физическом строении с меньшим содержанием пор, и при преобладании в составе частиц глины водопроницаемость будет меньшей, нежели у пористых и песчаных грунтов соответственно. Нельзя недооценивать данный показатель, т.к. в строительстве он влияет на устойчивость земляных сооружений и обуславливает скорость уплотнения грунтов оснований, суффозию грунта и оползневые явления (в т.ч. и на сопротивление растяжению).

Напорные грунтовые воды. Здесь Н1 и Н2 – напоры; L – длина пути фильтрации; Н = Н2 - Н1 – потеря напора или «действующий напор».

Если линии токов воды (движения частиц в потоке) нигде не пересекаются друг и другом, то такое движение называется ламинарным, при наличии пересечений и завихрений движение называется турбулентным. В грунтах в большинстве случаев движение воды будет ламинарным (опыты Пуазейля, Дарси и другие).

Ламинарное движение воды происходит с тем большей скоростью, чем больше уклон поверхности уровня грунтовых вод (так называемый «гидравлический градиент»).

Гидравлический градиент равен отношению потери напора Н= Н2- Н1 к длине пути фильтрации L:

Закон ламинарной фильтрации (закон Дарси): расход воды в единицу времени через единицу площади поперечного сечения грунта (скорость фильтрации) прямо пропорционален гидравлическому градиенту i:

vф = kф · i;

где kф - коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации при градиенте i = 1 [см/сек, см/год]. Коэффициент фильтрации зависит от типа грунта и определяется экспериментально.

48. Действительная скорость фильтрации грунтовых вод

СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ДЕЙСТВИТЕЛЬНАЯ (ИСТИННАЯ) — скорость движения подземных вод в порах или трещинах г. п. Определяется при помощи индикаторов, вводимых в водоносный пласт, или делением расхода подземного потока на действительную площадь фильтрующего сечения. ФИЛЬТРАЦИЯ подземных— движение подземных вод в пористых или трещиноватых горных породах под действием силы тяжести. Скорость фильтрации, определяемая объёмным расходом жидкости через единицу площади поперечного сечения пласта, пропорциональна градиенту давления, проницаемости горных пород и обратно пропорциональна вязкости фильтрующейся через горные породы жидкости. Скорость фильтрации всегда меньше истинной скорости движения жидкости. V=k•i2, где

V — скорость фильтрации;

i — гидравлический градиент;

k — коэффициент фильтрации

Водопроницаемость — способность пропускать гравитационную воду через поры грунтов и трещины скальных грунтов. Чем больше размер пор и трещин, тем выше водопроницаемость пород. Песок способен пропускать воду, а глина её не пропускает. Водопроницаемость грунтов (или их фильтрационные свойства) характеризуется коэффициентом фильтрации Кф (см/с, м/ч или м/сут), представляющим собой скорость движения подземной воды при гидравлическом градиенте, равном 1. Кф водовмещающих пород определяется различными методами: в лаб. условиях, полевых.По величине Кф грунты разделяют на: 1) водопроницаемые – Кф> 1 м/сут (галечники, гравий, песок, трещиноватые породы); 2) полупроницаемые – Кф= 1 – 0,001 м/сут (глинистые пески, лёсс, торф, рыхлые разности песчаников, реже пористые известняки, мергели); 3) непроницаемые – Кф< 0,001 м/сут (скала, глины). Непроницаемые грунты являются водоупорами, а полупроницаемые и водопроницаемые – водоносными горизонтами. Современная теория движения подземных вод базируется на законе Дарси: , где – расход воды или количество фильтрующейся воды в единицу времени, м3/сут; Кф – коэффициент фильтрации, м/сут; А – площадь поперечного сечения потока воды, м2; ΔH – разность напоров, м;– длина пути фильтрации, м.