Визначення напрямку руху підземних вод. Розрахунок коефіцієнту фільтрації

 

Мета роботи: опанувати методику практичного визначення напрямку руху підземних вод та способи визначення коефіцієнту фільтрації.

 

Підземні води рухаються за напрямом ухилу вільної поверхні грунтового потоку (при безнапірному русі фільтраційний потік обмежений зверху вільною поверхнею, всі точки якої перебувають під постійним тиском, звичайно атмосферним). При рівномірному русі ухил вільної поверхні дорівнює ухилу водопрониклого шару, який не завжди має однаковий напрям з ухилом земної поверхні.

Для визначення напрямку руху підземних вод користуються так званим методом трикутника. При цьому на досліджуваній території у вершинах рівностороннього трикутника з довжиною сторін 100-300 м бурять три свердловини до досягнення грунтових вод. В вершинах свердловин за допомогою нівеліра визначають відмітки поверхні землі. Віднявши від відміток поверхні відстань до води, вираховують відмітки вільної поверхні води в свердловинах. Знайшовши на сторонах трикутника точки з однаковими відмітками грунтових вод, сполучають їх і отримують лінії, що називаються гідроізогіпсами. Лінія напрямку руху грунтових вод перпендикулярна до гідроізогіпс.(рис.9.1)

 

 

 

 

Рис. 9.1. Схема визначення напрямку руху підземних вод

 

Витрата Q грунтового потоку, що фільтрується через грунт при ламінарній фільтрації визначається за формулою Дарсі:

Q = ωk_фІ (9.1)

де ω - площа живого перетину потоку, що включає як площу пор ωпор, так і площу скелету ω_ск, тобто ω= ω_пор + ω_ск;

k_ф - коефіцієнт фільтрації, що залежить від фізичних властивостей грунту;

I - гідравлічний ухил, який через невелику величину швидкісного напору при ламінарній фільтрації дорівнює п'єзометричному ухилу.

 

В свою чергу

V = k_фІ, де (9.2)

V-середня швидкість руху підземних вод.

З формули (9.2) видно, що k_ф має розмірність швидкості і дорівнює V при I = 1

Коефіцієнт фільтрації k_ф можна визначити лабораторними і польовими методами, причому останнім надається перевага.

 

Визначення коефіцієнту фільтрації за механічним складом грунтів

Це один з лабораторних методів. Грунт, для якого визначають, kф, аналізують за механічним складом. На основі аналізу вираховують так званий діючий ефективний діаметр d₁₀. Він дорівнює величині отвору сита, через який просіюється 10% ваги найдрібніших частинок грунту. Потім використовують формулу Хозена:

k_ф= С d₁₀ (0,7 + 0,03 t) (м/добу), де (9.3)

С - емпіричний коефіцієнт, що залежить від гранулометричного складу грунту. Він змінюється від 400 до 1200 (зростає із збільшенням крупності частинок).

t - температура води, 0C

d₁₀ знаходило при наявності даних про механічний склад. Нижче наведено приклад для його розрахунку на основі даних табл.9.1

Таблиця 9.1

Розподіл загальної ваги грунту за фракціями, %

Розмір фракцій, мм	0,1-0,25	0,25-0,10	0,10-0,05	0,05-0,01	<0,01
Ваговий вміст, %	48,4	44,1	3,2	2,9	1,4

 

Сумарна вага фракцій < 0,1 мм становить 7,5%, тобто на 2,5%

менша від 10%. Отже, d₁₀ міститься в фракції 0,25-0,10 мм.

d₁₀ = 0,10 + 2,5(0,25-0,10)/44,1 = 0,1085 = 0,11 мм

 

Визначення коефіцієнту фільтрації методом відновлення рівня води в свердловині після відкачування.

Це найпоширеніший польовий спосіб визначення k_ф при неглибокому заляганні грунтових вод. На досліджуваній ділянці лопатевим буром пробурюють дві свердловини (одна з них - контрольна) діаметром d приблизно 20см. Через добу, коли вода в свердловині підійметься до рівня грунтових вод, вимірюють глибину свердловини L, глибину стояння дзеркала грунтових вод від поверхні h, глибину води в свердловині H. Потім воду з свердловини вичерпують чи відкачують так,щоб її рівень понизився не менше, як на 0,5 - 0,7м. Після відкачування швидко вимірюють відстань від поверхні землі до рівня води y1 і записують час заміру. В міру прибування води через певні інтервали (спочатку 2-5 хв, потім через 10-15хв) відзначають одночасно час і рівень грунтових вод (y₂,y₃...y₄). Це продовжують доти, доки вода не наблизиться до попереднього рівня (звичайно не менше 5 вимірів).

Для кожного заміру вираховують час, що пройшов від початку спостережень і визначають різницю y між глибинами стояння грунтових вод після відкачування (y₁, y₂...y_n) і глибиною їх природного залягання h, тобто y'= y₁ - h; y''= y₂ - h;..y_n = y_n - h.

 

Результати спостережень обробляються і заносяться в таблицю (табл. 9.2)

На рис. 9.2 зображено схему замірів рівнів води в свердловині.

Таблиця 9.2

Відомість обробки даних спостережень при визначенні kф методом відкачування води з свердловини

№ спос-тере-ження	Перше відкачування	Друге відкачування
Час t, хв	yn	lg(y'/y^n)	Час t, хв	yn	lg(y'/y^n)
			0,03			0,04
			0,08			0,09
			0,13			0,15
			0,18			0,22
			0,30			0,31

 

За матеріалами таблиці для кожного відкачування будують графіки залежності lg(y'/yⁿ) від часу t. Через нерівномірність надходження води в свердловину точки на графіку будуть дещо розкидані, тому проводимо спрямлюючу пряму. На ній вибирають будь-яку точку і за її координатами визначають середні для даного відкачування значення lg(y'/yⁿ) і t.Потім визначають умовний тангенс кута (tg α), який є відношенням отриманих середніх величин.

tg α = lg(y₀/y_n)/t (9.4)

Середній tgα розраховують за двома прямими, що відповідають I i II відкачуванню.

Коефіцієнт фільтрації визначають за формулою Х.А.Писарькова:

К_ф = 32,6 r²tgα/H, де (9.5)

К_ф- коефіцієнт фільтрації, см/хв

r - радіус свердловини, см

H - глибина води в свердловині до відкачування, см

 

Визначення коефіцієнту фільтрації методом наливів води (методом інфільтрації)

Цей польовий метод використовується при глибокому заляганні грунтових вод. Серед багатьох різновидів цього методу розглянемо спосіб Болдирєва.

На ділянці викопують шурф, на дні його роблять круглу (діаметром ≈ 0,5 м) чи прямокутну (зі сторонами ≈ 0,3 – 0,5 м) виїмку (зумпф) глибиною 0,20 - 0,25 м. На дно зумпфа насипають 2-см шар піску і в випадку нестійких грунтів закріплюють його стінки. Біля стінки зумпфа встановлюють рейку, нуль якої співпадає з його дном, або в центрі зумпфа забивають кілок з поділками.

В зумпф обережно наливають шар води висотою 10см. В міру просякання води в грунт її доливають до попереднього рівня, не допускаючи при цьому зниження шару води менше 9 см. Кількість води, що доливалася, реєструють. Дослідження проводять доти, доки не стабілізується кількість води на доливання, тобто коли можна вважати, що вільне просочування перейшло в фільтрацію (для пісків

 

 

приблизно 5-10год, суглинків - 1-2 доби). Коефіцієнт фільтрації вираховують за формулою:

k_ф= Q_вст / ω (см/c), де (9.6)

Q_вст - витрата води, що встановилася, см ³/с;

ω - площа фільтрації, см 2

Витрату води на просочування Q визначають:

Q = W/t (cм³/с), де (9.7)

W - об'єм долитої в зумпф води, см³; t- час між доливами,сек.

За Q_вст беруть таке Q, значення якого стабілізувалося.

Площа фільтрації ω визначається за формулами:

- для круглого зумпфа з закріпленими стінками: ω = πr²

- для круглого зумпфа з незакріпленими стінками: ω = πr(r+2h)

- для прямокутного шурфа з закріпленими стінками: ω = ab

- для прямокутного шурфа з незакріпленими стінками ω =ab+2h(a+b), де

r- радіус круглого зумпфа, см;

a,b- ширина і довжина шурфа, см;

h - висота постійного шару води, см (найчастіше 10см)

Дані спостережень заносяться в таблицю (табл.9.3)

Таблиця 9.3

Відомість обробки даних спостережень при визначенні k_ф методом інфільтрації

Площа фільтрації – 317,27 см2

Номер доливу	Час доливу води, год хв	Долито води, см^3	Час між доливами,с	Фільтрацій-на витрата см^3/с	Коефіцієнт фільтрації, см/с
	16-47			0,45	0,00136
	17-14			0,43
	17-43			0,43

 

***

ЗАВДАННЯ

На основі індивідуального завдання визначається:

1. Напрям руху грунтових вод методом трикутника.

2. Коефіцієнт фільтрації:

а) за механічним складом грунтів;

б) методом відкачування води з свердловин;

в) методом інфільтрації.

 

 

Рис. 9.2. Визначення k_ф методом відкачування води з свердловини

 

 

Рис. 9.3. Визначення k_ф методом наливів води (інфільтрації0