11834

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ФІЛЬТРАЦІЇ ГРУНТУ

Лабораторная работа

География, геология и геодезия

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ФІЛЬТРАЦІЇ ГРУНТУ Визначення коефіцієнта фільтрації грунту. Методичні вказівки до лабораторної роботи № 16 з дисциплін Гідравліка відкритих русел Гідрологія та гідрометрія Гідравліка гідрологія гідрометрія для студентів базових напрямів...

Украинкский

2013-04-12

326.5 KB

43 чел.

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ФІЛЬТРАЦІЇ ГРУНТУ

Визначення коефіцієнта фільтрації грунту. Методичні вказівки до лабораторної роботи № 16 з дисциплін "Гідравліка відкритих русел", "Гідрологія та гідрометрія", "Гідравліка, гідрологія, гідрометрія" для студентів базових напрямів 6.0926 "Водні ресурси", 6.0921 "Будівництво" / Укладачі В.І. Желяк, А.Я. Регуш, Б.С. Піцишин.– Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2004. – 12 с.

Укладачі: Желяк В.І., канд.  техн.  наук, доцент,

Регуш А.Я., асистент,

Піцишин Б.С., асистент

Відповідальний  за  випуск: В. М. Жук,  канд.  техн.  наук, доцент

Рецензенти:  О. В. Вербовський, канд.  техн.  наук, доцент

                                 О. Т. Возняк,  канд.  техн.  наук, доцент

МЕТА  РОБОТИ

Ознайомлення з процесом фільтрації води через шпарувате середовище й експериментальне визначення коефіцієнта фільтрації ґрунту на приладі Дарсі.

1. ОСНОВНІ  ПОЛОЖЕННЯ

Фільтрацією називається процес руху рідини у шпаруватому середовищі. Частковим випадком фільтрації є рух ґрунтових вод. Фільтрація відбувається через шпари ґрунту і може бути обмежена знизу і зверху водонепроникними шарами. Така фільтрація називається напірною. Якщо водонепроникний шар обмежує потік тільки знизу, то така фільтрація називається безнапірною. Поверхня фільтраційного потоку називається депресійною поверхнею, а крива вільної поверхні – кривою депресії.

Як і у відкритих руслах, рух води у шпаруватому середовищі може бути стаціонарним та нестаціонарним, рівномірним та нерівномірним. Частіше безнапірний рух ґрунтовиих вод буває нерівномірним, так як гідравлічний похил I звичайно не рівний похилу водоупору і.

Фільтрація може бути ламінарною чи турбулентною. Ламінарний рух характеризується втратами напору прямо пропорційними до швидкості фільтрації. Такий рух буває у дрібнозернистих ґрунтах (глини, суглинки, піски). У крупнозернистих пісках і матеріалах (гравій, галька, щебінь), як правило, встановлюється турбулентна фільтрація, при якій втрати напору пропорційні до швидкості у степені вищій за першу.

При фільтрації вода проходить через шпари, які утворюють частинки ґрунту. Позначимо площу шпар у перерізі фільтраційного потоку , а всю площу перерізу – . Відношення площі шпар до усієї площі перерізу називається коефіцієнтом поверхневої пористості (шпаруватістю) грунту р:

.

(1)

Для однорідного ґрунту коефіцієнт поверхневої пористості практично рівний коефіцієнту об’ємної пористості, який являє собою відношення об’єму пор ґрунту до усього об’єму, що займає ґрунт (тобто, до сумарного об’єму частинок ґрунту та шпар).

Швидкість руху води у шпарах ґрунту  визначається за формулою:

,

(2)

де Q – фільтраційна витрата.

У практичних розрахунках користуються умовною швидкістю, яка називається швидкістю фільтрації, і являє собою відношення витрати до усієї площі фільтраційного потоку:

.

(3)

Порівнюючи залежності (2) та (3) із урахуванням (1) отримаємо

.

(4)

Так як р<1, то швидкість фільтрації V менша за дійсну швидкість руху води у шпарах ґрунту.

Дарсі на основі своїх дослідів із фільтрації води через шари дрібнозернистого піску встановив, що швидкість фільтрації V прямо пропорційна до гідравлічного похилу :

.

(5)

Формула (5) називається лінійним законом фільтрації, а коефіцієнт пропорційності  – коефіцієнтом фільтрації. Так як гідравлічний похил є безрозмірною величиною, коефіцієнт фільтрації має розмірність швидкості і чисельно рівний швидкості фільтрації при гідравлічному похилі .

Було зроблено немало спроб теоретичного визначення коефіцієнта фільтрації. В основному всі розрахунки базувалися на заміні реального шпаруватого середовища різними схематичними моделями і на застосуванні до цих моделей закономірностей руху рідини по капілярних трубках.

При усій наглядності заміна реального шпаруватого середовища моделями, геометрична структура яких значно відрізняється від геометричної структури реального шпаруватого середовища, не дозволяє врахувати специфічний характер руху рідини у шпаруватому середовищі, який і визначається своєрідністю його геометричної структури.

Так як коефіцієнт фільтрації у більшій мірі залежить від структури шпаруватого сере-довища, то теоретично підраховані значення  значно відрізнялись від дослідних. Проте теоретичні розрахунки допомогли виявити основні фактори, від яких залежить коефіцієнт фільтрації. Це підтвердилось і експериментальними дослідженнями. Виявилось, що коефіцієнт фільтрації  залежить, з однієї сторони, від властивостей шпаруватого середовища: його шпаруватості, розмірів і форми частинок, із яких воно складається, а з іншої – від властивостей рухомої рідини: її в’язкості. Було встановлено, що коефіцієнт фільтрації обернено пропорційний в’язкості рідини :

,

(6)

де  – питома вага рідини; – коефіцієнт проникності, який залежить від властивостей шпаруватого середовища пропускати рідину. Коефіцієнт проникності має розмірність площі.

Межі застосування формули Дарсі недостатньо вивчені, і в літературі зустрічаються різні рекомендації по критерію переходу від ламінарної фільтрації до турбулентної. Одним із таких критеріїв є критерій Рейнольдса . Якщо

,

(7)

встановлюється ламінарна фільтрація, а при – турбулентна фільтрація.

У формулі (7)  – середній діаметр частинок грунту. Н.Н. Павловський рекомендував приймати критерій ламінарної фільтрації у вигляді:

.

(8)

При розгляді залежностей (7), (8) із урахуванням того, що коефіцієнт шпаруватості , кінематична в’язкість води см2/с (при оС), а розміри частинок дрібно-зернистих грунтів рівні 1–2 мм і менше, можна показати, що при ламінарній фільтрації швидкості фільтрації є незначними і звичайно вимірюються величинами порядку декількох міліметрів на секунду і менше. Тому у фільтраційних розрахунках нехтують величиною швидкісного напору і вважають, що повний напір рівний п’єзометричному, а гідравлічний похил рівний п’єзометричному похилу.

При більших швидкостях руху рідини через крупнозернисті шпаруваті матеріали не спостерігається пряма пропорційність між швидкістю фільтрації та гідравлічним похилом, тобто існує турбулентний режим фільтрації. Так, А.А. Краснопольський встановив, що при фільтрації води у тріщинуватих породах справедлива залежність:

,

(9)

де – постійний коефіцієнт. У дослідженнях Смрекера було встановлено, що

,

(10)

де – коефіцієнт пропорційності. Деякі дослідники – С.В. Ізбаш, Гугентоблер та ін. – дійшли висновку, що у загальному випадку рух рідин у зернистих шарах відповідає закону:

,

(11)

де – коефіцієнт пропорційності, а показник степеня  змінюється від 1 до 0,5. При  режим фільтрації буде ламінарним, а  при інших значеннях – турбулентним. Значення та  визначають дослідним шляхом.

М.А. Веліканов, І.А. Чарний та інші дослідники вважають, що найкраще співпадання з дослідними даними по фільтрації крізь ґрунти дає формула виду:

,

(12)

де  та  – постійні величини, які визначаються дослідним шляхом і являють собою величини обернені відповідно до коефіцієнта фільтрації при ламінарному режимі  та квадрата коефіцієнта фільтрації при турбулентному режимі . При зменшенні швидкості фільтрації другий член у правій частині рівняння спадає швидше ніж перший, і при малих значеннях швидкості стає настільки малим, що ним можна знехтувати. Тоді формула (12) описує лінійний закон фільтрації:

.

(13)

При великих швидкостях фільтрації другий член стає значно більший за перший і формула (12) описує квадратичний закон фільтрації:

.

(14)

Порушення лінійного закону фільтрації при збільшенні швидкості фільтраційного потоку пов’язано із зростанням інерційних сил.

Формула (12) показує, що опір руху рідини у шпаруватому середовищі завжди складається з двох компонент: опору в’язкого тертя та інерційного опору.

На практиці коефіцієнти фільтрації визначають одним із трьох методів: польовим методом; лабораторним методом; методом використання емпіричних формул.

Польовий метод використовується при проведенні вишукувальних робіт. Суть його в штучному створенні кривої депресії шляхом відкачування води із спеціального колодязя або накачування води у цей колодязь, вимірюванні параметрів цієї кривої і обчисленні значення коефіцієнта фільтрації. При цьому ґрунт знаходиться у природному стані і визначення коефіцієнта фільтрації є достатньо точним.

При лабораторному методі коефіцієнт фільтрації визначається на установці Дарсі, яка являє собою циліндр із дірчастим дном і виведеними із бокової поверхні п’єзометрів. Циліндр заповнюється ґрунтом, вилученим із шурфу при дотриманні умов збереження його природної структури. При пропусканні через циліндр води визначають втрати напору в шарі завантаження, об’ємну витрату води та коефіцієнт фільтрації.

Метод використання емпіричних формул оснований на розрахунку коефіцієнта фільтрації за формулами, які запропоновані для подібних умов. У частковому випадку, для різнозернистого піску застосовується формула Хезена:

,

(15)

де  – коефіцієнт, який враховує розмірність коефіцієнта фільтрації;  – коефіцієнт, який залежить від степені забруднення піску глиняними частинками і приймається в межах 500÷1000 (із збільшенням вмісту глиняних частинок у піску  зменшується;  – коефіцієнт, який враховує зміну в’язкості зі зміною температури води; – ефективний діаметр частинок ґрунту, мм, в якому міститься лише 10% частинок (за масою) із даним або меншим діаметром.

У даній лабораторній роботі коефіцієнт фільтрації визначається лабораторним методом.

2. ОПИС  ЛАБОРАТОРНОЇ  УСТАНОВКИ

Лабораторна установка (рис. 1) складається з металевого циліндра (1) із досліджуваним ґрунтом, у бічній стінці якого передбачені три отвори з приєднаними п'єзометрами (3). Вставлені в циліндр сітки (2) підтримують засипаний у циліндр досліджуваний ґрунт. Фільтраційна здатність ґрунту може досліджуватись при двох різних напрямках руху води: зверху вниз і знизу вгору. Напрямок руху води встановлюють вентилями (5), (6), (7) і (8). Для визначення об'ємної витрати відфільтрованої води використовується мірний бак (9).

Відстань між точками приєднання п’єзометрів  см, площа перерізу ґрунту  см2.

Рис. 1. Схема лабораторної установки: 1 – металевий циліндр із досліджуваним ґрунтом; 2 – сітки; 3 – п’єзометри; 4, 5, 6, 7, 8 – вентилі; 9 – мірний бак

3. ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Повністю відкривають вентиль (4). Вентилями (5), (6), (7) та (8) встановлюють напрямок фільтрування води.

2. В залежності від напрямку фільтрування води, вентилем (5) чи (6) встановлюють максимальну різницю рівнів води у п'єзометрах.

3. У журнал роботи записують покази п'єзометрів  та , об'єм води  і час .

4. Вентилем (5) або (6) змінюють швидкість фільтрування води, проводять необхідні заміри і результати записують в журнал.

5. Будують графік залежності  (рис. 2). Пряма лінія відповідає лінійному режиму фільтрації, а крива – турбулентному режиму. З формули (5) визначають коефіцієнт фільтрації для ламінарного режиму руху води в ґрунті , а з формули (12) – значення  для турбулентного режиму.

З огляду на те, що швидкість руху води в ґрунті незначна і швидкісним напором можна знехтувати, гідравлічний похил приймається рівним п'єзометричному.

4. МАТЕМАТИЧНА ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ

1. Витрату визначають об’ємним методом, який полягає у замірах об’єму  витікаючої у вимірний бак (9) води, см3, за певний час , с. Отже, об’ємна витрата:

,  см3/с.                                            

(16)

2. Швидкість фільтрації визначають за формулою

,  см/с.                                            

(17)

3. Втрати напору визначають за формулою:

, см.                                            

(18)

4. Обчислюють значення гідравлічного похилу за формулою:

.                                            

(19)

5. Значення коефіцієнта фільтрації для ділянки ламінарного режиму:

, см/с.                                       

(20)

6. Значення коефіцієнта фільтрації для ділянки турбулентного режиму:

, см/с.                                       

(21)

ЖУРНАЛ  ЛАБОРАТОРНОЇ  РОБОТИ  № 16

п/п

Об'єм

рідини

, см3

Час

,

с

Покази

п'єзометрів, см

Витрата

,

см3

Втрати

напору

,

см

П’єзометричний похил

Коефіцієнт

фільтрації,

см/с

1

2

3

4

5

6

Висновки: _________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

КОНТРОЛЬНІ  ПИТАННЯ

1. Який процес називається фільтрацією?

2. Які існують види фільтрації?

3. Дайте визначення коефіцієнта  поверхневої пористості грунту.

4. Що таке швидкість фільтрації?

5. Сформулюйте лінійний закон фільтрації.

6. Що характеризує коефіцієнт фільтрації і яка його розмірність?

7. Від чого залежить  коефіцієнт фільтрації?

8. Що характеризує коефіцієнт проникності і яка його розмірність?

9. Які існують методи визначення коефіцієнта фільтрації?

10. За якими формулами обчислюється коефіцієнт фільтрації при ламінарному та турбулентному режимах?

ЛІТЕРАТУРА

1. Константінов Ю.М., Гіжа О.О. Технічна механіка рідини і газу.–К.: Вища школа, 2002.–277 с.

2. Чугаев Р.Р. Гидравлика (Техническая механика жидкости).– М.-Л.: Энергоиздат, 1982.– 672 с.

3. Левицький Б.Ф., Лещій Н.П. Гідравліка. Загальний курс. – Львів: Світ, 1994.– 264 с.

4. Науменко І.І. Технічна механіка рідини і газу. – Рівне: РДТУ, 2002. – 528 с.

5. Минц Д.М., Шуберт С.А. Гидравлика зернистых материалов. М., 1955. – 112  с.

6. Справочник по гидравлике./ В.А. Большаков, Ю.М. Константинов, В.Н. Попов и др.– 3-е изд., перераб. и доп.– К.: Вища школа, 1984.

НАВЧАЛЬНЕ  ВИДАННЯ

Визначення коефіцієнта ФІЛЬТАЦІЇ ГРУНТУ

МЕТОДИЧНІ  ВКАЗІВКИ

до лабораторної роботи № 16

з дисциплін "Гідравліка відкритих русел",

"Гідрологія та гідрометрія", "Гідравліка, гідрологія, гідрометрія"

для  студентів  базових напрямів

6.0926 "Водні ресурси", 6.0921 "Будівництво"

Укладачі: Володимир Іванович Желяк, доцент

                  Андрій Ярославович Регуш, асистент

                  Богдан Степанович Піцишин, асистент

Редактор

Комп’ютерне складання

Здано у видавництво ХХ.ХХ.ХХХХ. Підписано до друку ХХ.ХХ.ХХХХ.

Формат 70×100/16. Папір офсетний. Друк на різографі.

Умовн. друк. арк. ХХ.ХХ. Обл. вид. арк. ХХ.ХХ.

Наклад … прим. Зам …

Видавництво Національного університету "Львівська політехніка"

Поліграфічний центр

Видавництво Національного університету "Львівська політехніка"

вул. Ф. Колесси, 2, 79000, Львів


EMBED Рисунок AutoCAD 14  

EMBED Рисунок AutoCAD 14  

Рис. 2. Графік залежності швидкості фільтрації  EMBED Equation.3   від гідравлічного похилу  EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1544. Экономические концепции. Предшественники: меркантилисты и физиократы 104 KB
  Предшественники: меркантилисты и физиократы. Экономическое учение А. Смита (1723 – 1790). К. Маркс как исследователь. Основы маржинализма. Дж. М. Кейнс. Возникновение кейнсианства. Монетаристы и неоклассики.
1545. Строительство вертикальных стволов 184.5 KB
  Определение нагрузок на крепь вертикального ствола. Расчетное сопротивление горных пород сжатию. Коэффициент влияния угла залегания породы. Выбор взрывчатых материалов. Расчет количества воздуха по наибольшей численности людей. Расход воздуха по минимальной скорости движения в призабойном пространстве. Фазы проведения ствола при совмещенной технологической схеме.
1546. Безопасность и экологичность строительного проекта 56.9 KB
  Мероприятия по охране окружающей среды при строительстве жилого дома. Мероприятия по исключению чрезвычайных ситуаций при возведении 9-ти этажного жилого дома. Возможные причины аварий, чрезвычайных ситуаций при строительстве объекта. Мероприятия по исключению чрезвычайных ситуаций при строительстве 9-ти этажного жилого дома.
1547. Моделирование программного обеспечения 100.15 KB
  Создание контекстной диаграммы (используя IDEF0). Выполнение процесса декомпозиции модели по результатам разработки контекстной диаграммы. Создание диаграммы вариантов использования и описание потоков. Построение диаграммы вариантов использования.
1548. Русская литература ХІХ века. Известные личности 227.16 KB
  Южные поэмы А.С. Пушкина. Драматургия А.П. Чехова. М.Ю. Лермонтов. Лирика. Новаторство драматургии Н.А. Островского. Новаторство прозы А.П. Чехова. Поэзия Ф.И. Тютчева. Л.Н. Толстой. Война и мир. Сюжет и образы. М.Ю. Лермонтов. Роман Герой нашего времени. Сюжет и композиция.
1549. Фінанси та фінансова система України 88.09 KB
  Сутність, особливості функціонування та інструменти грошового ринку. Попит на гроші: сутність, цілі та мотиви попиту на гроші. Чинники, що впливають на попит на гроші. Крива попиту на гроші. Поняття та призначення валютних систем. Елементи національної валютної системи. Розвиток валютної системи в Україні. Небанківські фінансово-кредитні установи, їх види, та особливості функціонування в Україні.
1550. Установка числа корней полинома (с учетом их кратности) 101.35 KB
  Бесконечная и конечная многоугольные области. Геометрические условия, определяющие распределение корней. Алгебраические соотношения, определяющие распределение корней.
1551. Психология и педагогика высшей школы 195 KB
  Психология и педагогика высшей школы: предмет, объект, задачи, категории. Связь с другими науками. Основные направления реформирования образования 21 века и проблемы современной высшей школы. Образовательные уровни и образовательно-квалификационные уровни. Уровни аккредитации и типы вузов. Развитие студенческой группы, характеристика студенческого коллектива. Межличностные отношения в студенческой группе.
1552. Грошово-кредитна політика України 191 KB
  Суть, призначення і цілі грошово-кредитної політики. Концепція виникнення грошей. Роль держави у творенні грошей. Розвиток форм грошей. Їх різновиди і характеристика. Причини та значення демонетизації Gold. Сутність, грошового обороту, його економічна основа, визначальні риси. Грошовий обіг на макро- і мікрорівнях.