Лабораторная работа № 9 определение коэффициента фильтрации
1. Сущность и цель работы
Движение жидкости в пористой среде называется фильтрацией. Фильтрация имеет место как при движении грунтовых вод, так и при движении воды под телом гидротехнических сооружений, через земляные плотины, дамбы, водопроводные песчаные фильтры и т.п.
Законы движения грунтовых вод находят широкое применение при решении различных инженерных задач, например, при определении количества воды, притекающей к колодцам или водонапорным галереям, при определении размеров фильтров буровых скважин, при расчете понижения горизонта воды в колодцах, при откачке грунтовых вод и т.п.
Весьма важную роль играют законы движения грунтовых вод при расчете устойчивости гидротехнических сооружений и фильтрации под ними.
Расход фильтрационного потока Q выражается эмпирической формулой, называемой основным законом фильтрации
. (1)
Здесь
– коэффициент фильтрации, зависящий
от рода грунта и температуры воды;
J – гидравлический уклон, представляющий собой потерю напора по длине на единицу длины фильтрационного потока
; (2)
m – показатель степени (m=1 при ламинарной фильтрации, m=1…0,5 – турбулентной).
Из формулы (1) можно выразить скорость фильтрации
. (3)
Из
формулы (3) вытекает физический
смысл коэффициента фильтрации
.
Он характеризует скорость фильтрации
при гидравлическом уклонеJ=1
и имеет размерность скорости.
При ламинарной фильтрации (m=1) зависимости (1) и (3) могут быть представлены формулами Дарси:
. (4)
Коэффициент
фильтрации
определяется различными методами:
1) полевой;
2) лабораторный;
3) метод использования эмпирических формул.
Полевой метод используется геологами в полевых условиях, где грунт находится в естественном состоянии, поэтому этот метод наиболее точен.
Метод
использования эмпирических формул –
это расчет коэффициента фильтрации
по определенной формуле для сходных
условий. В частности, для разнозернистого
песка применяется формула Хэзена:
,
м/сутки (5)
где
– числовой коэффициент, принимаемый
равным единице, при определении
коэффициента в метрах/сутки;
–постоянная
для данного грунта, принимаемая для
чистых песков в пределах 1000…700;
–эффективная
величина зерна в мм, принимаемая равной
размеру такого зерна, меньше которого
в данном грунте содержится всего лишь
10% зерен (по весу);
принять равным 0,5 мм;
–коэффициент,
учитывающий вязкость воды по Хэзену:
, (6)
где
– температура в градусах Цельсия.
Формула
Хэзена применима для песков, имеющих
мм.
Есть
и другие эмпирические формулы для
определения коэффициента фильтрации
(Е.А. Замарина, М.И. Зауэрбрея и
др.).
В лабораторном методе коэффициент фильтрации определяется на приборе Дарси.
Целью
настоящей работы
является определение коэффициента
фильтрации
по эмпирической формуле Хэзена и опытным
путем на приборе Дарси, а также сравнение
полученных результатов.
2. Описание установки
Прибор
Дарси (рис. 15) представляет собой
цилиндр 1, диаметра
,
заполненный грунтом, извлеченным из
шурфа с сохраненной его естественной
структурой. Образец грунта лежит на
сетке 2.
|
Рис. 15 |
Установившийся
режим движения обеспечивается поддеранием
постоянной отметки поверхности воды в
приборе благодаря сбросу излишков воды
через сбросную трубу 3. Но боковой
поверхности цилиндра на расстоянии
друг от друга установлены пьезометры
4.