Методическое руководство по опытному изучению явлений фильтрации и инфильтрации

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСТЕТ КАФЕДРА ГИДРОГЕОЛОГИИ, ИНЖЕНЕРНОЙ И НЕФТЕГАЗОВОЙ ГЕОЛОГИИ

Сианисян Э.С., Горлачёв И.А., Медведева В.Б. МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО ОПЫТНОМУ ИЗУЧЕНИЮ ЯВЛЕНИЙ ФИЛЬТРАЦИИ И ИНФИЛЬТРАЦИИ

РОСТОВ-НА-ДОНУ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ОПЫТНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ИНФИЛЬТРАЦИИ (ПО Г.Н.КАМЕНСКОМУ) 1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Инфильтрационной водой называется вода, передвигающаяся в сухих породах под действием силы тяжести или гидростатического и капилярного давления. Она существует в породах, обладающих влажностью выше максимальной влагоёмкости. Связанная вода не передаёт гидростатического давления и по своим свойствам значительно отличается от свободной воды. Максимальное количество связанной воды в породе определяется максимальной молекулярной (для песков) или нулевой (для глин) влагоёмкостью. При повышении этой влажности в породе появляется свободная или гравитационная вода, передвигающаяся под действием силы тяжести или капилярных сил. Движение воды в сухих породах называется инфильтрацией. Каменский Г.Н. предлагает различать: свободное просачивание и нормальную инфильтрацию. В первом случае при небольших количествах воды, поступающих в породу, движение воды идёт при частичном заполнении пор водой, и основным фактором движения является сила тяжести (рис.1,зона 1). При поступлении в породы значительных количеств воды просачивание осуществляется сплошным потоком, поры все заполнены водой и на границе “мокрой” и “сухой” зон развиваются капилярные силы, создающие в насыщенной зоне разряжение, под действием которого и совершается капилярное всасывание (рис.1, зона 2). Сила всасывания характеризуется величиной капилярного давления, которое ускоряет процесс инфильтрации. Величина напорного градиента при этом определяется по формуле:

J=(∆h+Hk)/l ,

(1)

где: ∆h-разность пьезометрических напоров (рис. 1)

∆h=h1-h2

, (2) Hк-капилярное давление, равное по величине половине высоты капилярного поднятия (табл.1), l-путь пройденный инфильтрующейся водой. При влажности пород зоны аэрации меньше нулевой влагоёмкости в процессе инфильтрации часть влаги расходуется на повышение влажности пород. При инфильтрационном движении, особенно если оно идёт с большими градиентами, происходит защемление воздуха, находящегося в порах пород, что резко затрудняет процесс инфильтрации.

Таблица1 Порода

Тяжёлый суглинок

Капиллярное давление (Нк,м.) Около 1,00

Лёгкий суглинок

0,80

Тяжёлая супесь

0,60

Лёгкая супесь

0,40

Песок мелкозернистый, глинистый

0,30

Песок среднезернистый

0,10

Песок крупнозернистый

0,05

2.ПРОВЕДЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №1 Необходимое оборудование и материалы: стеклянная трубка, штатив, марля, сосуды для воды, секундомер, линейка. 1.Стеклянную трубку, закрытую с нижней стороны марлей или сеткой, заполнить доверху песком, оставив свободным 5-10 см. (рис.2); 2.Осторжно прилить сверху немного воды и, поддерживая уровень постоянным, наблюдать за скоростью просачивания и расчитать её; 3.Замерить в течение опыта несколько раз длину пути инфильтрующейся воды и определить величину напорного градиента, при которой идёт инфильтрация. Расчёт напорного градиента записать в журнале(табл.2).Охарактеризовать процесс инфильтрации и главные факторы, определяющие движение воды; 4.Все этапы опыта записать и зарисовать в тетради.

Таблица2 Форма журнала для расчёта напорного градиента. №№ Путь опыта фильтрации 1 (см)

Разность Капилярнапора ное дав∆h (см) ление Нк (см)

Величина напорного градиента J

Скорость инфильтрации v (см/с)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 ОПЫТНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРАЦИИ (ЗАКОН ДАРСИ) 1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Движение подземных вод в условиях полного заполнения пор и трещин водой называется фильтрацией (рис.1, зона 3).Она протекает от мест с большим пьезометрическим напором h1 к местам с меньшим напором h2. Разность пьезометрических напоров, называется напорным градиентом и вычисляется по формуле:

J=(h1-h2)/l=∆h/l,

(3) Основным законом, характеризующим условия фильтрации подземных вод, является закон Дарси:

Q=kF·(∆h/l),

(4) где: Q-расход или количество воды, фильтрующееся через породу в единицу времени; k-коэффициент фильтрации, постоянная величина, зависящая от свойств породы и фильтрующейся жидкости; F-площадь поперечного сечения потока. Разделив величину расхода на площадь поперечного сечения, получим выражение для скорости фильтрации:

v=Q/F=k(∆h/l),

(5) Закон Дарси можно записать иначе - скорость пропорцианальна напорному градиенту в первой степени:

v=kJ,

(6)

фильтрации

Скорость фильтрации не является действительной скоростью движения воды в породах, так как расход отнесён ко всему сечению потока без учёта того, что часть породного пространства занята скелетом грунта. Среднее значение действительной скорости U можно получить, если значение площади F умножить на величину эффективной пористости породы n. Последняя характеризует свободную часть пор, не занятую связанной водой:

U=v/n,

(7)

2. ПРОВЕДЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №2 Необходимое оборудование и материалы: стеклянная трубка с краниками (рис.3), заполненная песком, штатив, секундомер, мерные сосуды. 1.В стеклянной трубке, постоянно поддерживая уровень воды над песком, установить фильтрацию (капёж с нижнего конца трубки). Указать какое изменение произошло в факторах, определяющих движение воды; 2.Замерить разность напоров, при которой идёт фильтрация. Вычислить величину напорного градиента; 3.Измерить разность напоров, погрузив нижний конец трубки в сосуд с водой. Вычислить величину напорного градиента. Определить, является ли она в опыте величиной постоянной; 4.Определить коэффициент фильтрации; 5.Все этапы опытов зарисовать и описать в тетради, заполнить журнал наблюдений. Таблица3 Форма журнала наблюдений. № Путь опыта фильтрации ∆l,(см)

Разность Величинапоров на напор∆h, (см) ного градиента J

Расход жидкости Q (cм2/v)

Площадь сечения фильтрующейся жидкости

Коффициент фильтрации k