Приложение №3 «Определение коэффициента фильтрации грунтов опытными наливами в шурфы»

Основные положения метода

Для определения коэффициента фильтрации неводонасыщенных грунтов, т.е. грунтов, залегающих в зоне аэрации, используется метод налива воды в шурф.

Сущность метода заключается в создании вертикального фильтрационного потока, просачивающегося через сухой грунт вниз от дна шурфа, измерении площади сечения потока, расхода и гидравлического уклона, т.е. всех параметров закона Дарси кроме К_ф.

У словия движения воды в зоне аэрации существенно отличаются от условий её движения в водонасыщенных грунтах. Вода, поступающая в шурф, впитывается в сухой грунт и движется в нём не только под действием сил тяжести, направленных вниз, но и капиллярных сил, которые могут действовать во всех направлениях. Благодаря действию этих сил вода, просачиваясь из шурфа в сухой грунт, растекается, образуя увлажнённую зону (фигура увлажнения), форма которой изменяется во времени, вытягиваясь вниз.

По мере увеличения глубины промачивания темп изменения фигуры увлажнения замедляется, и расход воды на инфильтрацию из шурфа стабилизируются. Однако даже при постоянном расходе линии токов инфильтрационного потока не параллельны между собой, т.е. площадь горизонтального сечения потока, а значит и его скорость меняются с глубиной. Влияние растекания ограничивают специальной схемой опытных установок или учитывают в расчётных формулах. Таким образом, существующие методы позволяют установить величину коэффициента фильтрации только приближенно, но с точностью, вполне приемлемой для практических целей.

При инженерных изысканиях используются методы наливов, разработанные А.К. Болдырёвым, Н.К. Гиринским, Н.С. Нестеровым, Н.Н. Биндеманом, Н.Н. Веригиным. Все они предназначены для случая инфильтрации воды из шурфа в однородную толщу, не содержащую гравитационную и капиллярную влагу, при глубине залегания уровня подземных вод свыше 5 м от дна шурфа. Опыты ведут при постоянной высоте столба воды в шурфе Н=10 см, который обеспечивается специальными регуляторами до достижения установившегося расхода (принимается расход, не отличающийся от среднего за период 2 последних часовых наблюдений более чем на 10%)

Метод Нестерова несколько сложнее, но совершеннее других. Он основан на предположении, что благодаря конструкции прибора, состоящего из двух концентрически вдавливаемых в грунт цилиндров, на растекание расходуется вода, поступающая в грунт из кольцевого зазора, а вода внутреннего цилиндра просачивается вертикально вниз, т.е. площадь фильтрационного потока равна площади внутреннего цилиндра. На основании этого допущения замеряют и регистрируют в журнале опыта расход только из внутреннего цилиндра.

Значение коэффициента фильтрации определяется по формуле

К_ф=Q_уст/I, где Q_уст – установившийся расход во внутреннем цилиндре, м³/сут, см³/мин;

 - площадь поперечного сечения внутреннего цилиндра, м²;

I - гидравлический уклон.

Конструкция прибора Нестерова

Прибор состоит из двух цилиндров диаметром 25 и 50 см и высотой 20-25 см, располагаемых концентрически на дне шурфа. Цилиндры вдавливают в дно на 5-8 см для защиты от размыва. На внешний цилиндр устанавливается подставка, на которой размещаются два сосуда Мариотта для автоматического поддержания уровня воды в цилиндрах на одинаковой высоте (Н=10 см). На сосудах имеется прозрачная шкала, с помощью которой измеряется объём воды V, профильтровавшийся в грунт за определённой время t.

Журнал наблюдений

Время замера t, мин	Объём профильтрованной воды V, л	Время начала опыта t, с	Интервал замеров t, мин	Единичный объём V, л	Расход Q=V /t, л/мин
9,00	0	0	0	0	-
9,05	1,000	5	5	1,000	0,20
9,10	1,875	10	5	0,725	0,145
9,15	2,600	15	5	0,725	0,145
9,20	3,275	20	5	0,675	0,135
9,25	3,875	25	5	0,600	0,120
9,30	4,400	30	5	0,525	0,105
9,35	4,875	35	5	0,475	0,095
9,40	5,325	40	5	0,450	0,090
9,45	5,725	45	5	0,400	0,080
9,50	6,075	50	5	0,350	0,070
9,55	6,425	55	5	0,350	0,070
10,00	6,725	60	5	0,300	0,060
10,05	7,025	65	5	0,300	0,060
10,10	7,325	70	5	0,300	0,060
10,15	7,600	75	5	0,275	0,055
10,20	7,875	80	5	0,275	0,055
10,25	8,150	85	5	0,275	0,055
10,30	8,425	90	5	0,275	0,055
10,35	8,700	95	5	0,275	0,055
10,40	8,975	100	5	0,275	0,055

Расчёт коэффициента фильтрации К=Q_р/=1,765*0,01/0,04=0,44125 м/сут