Politechnika Wrocławska Zamiejscowy Ośrodek Dydaktyczny w Legnicy Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii Kierunek - Górnictwo i Geologia |
Legnica, 02.01.2012 |
HYDROGEOLOGIA Laboratorium
Sprawozdanie z ćwiczenia pt:
„WSPÓŁCZYNNIK FILTRACJI
METODA PRZEPŁYWU NIEUSTALONEGO”
Wykonali:
Alan Walczak
Przemysław Pasionek
Piasecki Michał
Pieniążek Paweł
Cebulski Bartłomiej
Lewandowski Paweł
Grupa III (wtorek, godzina 915 - 1300)
Przeznaczenie
Uniwersalny Permeametr Kolumnowy UPK-99 przeznaczony jest do pomiarów współczynnika filtracji k utworów pylastych, piaszczystych oraz żwirowych w zakresie od 10-6 do 10-2 m/s. Oznaczenie k można wykonać zarówno metodą stałogradientową, jak i zmiennogradientową, przy dwóch kierunkach strumienia filtracji: z dołu do góry oraz z góry na dół. Badania wykonuje się w warunkach laboratoryjnych. Permeametr UPK-99 umożliwia przygotowanie próbki piasku do badać według jednolitej metodyki, przez co zapewniona zostaje saturacja i konsolidacja badanej próbki piasku.
Rysunek 1 Uniwersalny Permeametr Kolumnowy UPK-99
Objaśnienia: 1 - badana próbka piasku, 2 - próbnik z siatką filtracyjną do pobrania lub załadowania próbki piasku, 3 - kielichowy uchwyt próbnika, 4 - uszczelka pierścieniowa, 5 - zbiornik cylindryczny z końcówką do węża, 6 - podstawa, 7 - kolumna lewa do zasilania wodą, 8 - kolumna pomiarowa, 9 - kolumna prawa do zasilania wodą, 10 - nakładka pomiarowa na próbnik, 11 - zespół zasilania wodą, 12 - przelew nadmiarowy (pomiarowy), 13 - przelew pomiarowy (nadmiarowy).
Oznaczenie współczynnika filtracji
Do oznaczenia współczynnika filtracji można przystąpić dopiero po zakończeniu saturacji i konsolidacji badanej próbki piasku. Uniwersalny Permeametr Kolumnowy UPK-99 umożliwia oznaczenie współczynnika przy przepływie wody przez próbkę w dwóch kierunkach: z dołu ku górze oraz z góry na dół. Dla obu kierunków filtracji można wyznaczyć współczynnik filtracji metodą stało- i zmiennogradientową.
Filtracja wody w kierunku z dołu ku górze
Przygotowanie permeametru UPK-99 do oznaczenia współczynnika filtracji badanej próbki piasku (1) polega na:
· założeniu nakładki pomiarowej (10) na próbnik (2), tak głęboko, aby dno nakładki oparło się o górną krawędź próbnika,
· połączeniu wężem nakładki pomiarowej (10) z prawą kolumną zasilającą (9),
· zamontowaniu zespołu zasilania wodą (11) na lewej kolumnie zasilającej (7),
· ustawieniu przelewu nadmiarowego (12) oraz przelewu pomiarowego (13) na tym samym poziomie, mniej więcej na wysokości połowy skali nakładki pomiarowej (10),
· umocowaniu liniału z dwustronną skalą milimetrową do kolumny pomiarowej (8).
Po otwarciu zasilania permeametru wodą (11) należy przelew nadmiarowy (12) ustawić w położeniu wyższym, zaś przelew pomiarowy (13) w położeniu niższym. Różnica poziomów wody ΔH w kolumnie pomiarowej (8) i w nakładce pomiarowej (10) decyduje o warunkach filtracji wody przez badaną próbkę piasku. Zawór w zespole zasilania wodą (11) należy ustawić w takim położeniu, aby na przelewie nadmiarowym (12) wystąpić stały nadmiarowy strumień wody, stabilizujący górny poziom wody w permeametrze. Przed przystąpieniem do pomiarów natężenia filtracji wody poprzez badaną próbkę piasku należy ustabilizować strumień filtracji. Czas stabilizacji natężenia strumienia filtracji należy dobrać w zależności od granulacji badanej próbki piasku. Dla żwirów i piasków gruboziarnistych wystarczy 5 minut, natomiast w przypadku piasków drobnoziarnistych lub pylastych trzeba stabilizować strumień filtracji co najmniej 30 min.
Metoda stałogradientowa
Oznaczenie współczynnika filtracji k [cm/s] metodą stałogradientową polega na:
· zmierzeniu wysokości badanej próbki piasku Δl [cm] ,
· zmierzeniu różnicy wysokości hydraulicznych ΔH [cm],
· zmierzeniu wydatku wody przez badaną próbkę piasku Q [cm3/s].
Wysokość badanej próbki piasku Δl [cm] należy odczytać na skali umieszczonej na próbniku (2).
Różnicę wysokości hydraulicznych ΔH [cm] można określić na podstawie odczytu poziomów wody w kolumnie pomiarowej (8) i nakładce pomiarowej (10).
ΔH = |H1 + H2|
Natężenie filtracji wody Q [cm3/s] przez badaną próbkę piasku należy oznaczyć poprzez pomiar czasu t [s] przefiltrowania objętości wody V [cm3]:
Q = V / t
Do pomiaru czasu t należy zastosować stoper, natomiast pomiar objętości V można wykonać za pomocą wyskalowanej menzurki. Ważny jest dobór odpowiedniej menzurki w zależności od natężenia filtrującej wody. Im mniejszy natężenia filtracji tym menzurka powinna być mniejsza i mieć mniejszą średnicę. W znacznym stopniu wpływa to na dokładność pomiarów. Można obliczyć k [cm/s] ze wzoru:
Metoda zmiennogradientowa
W permeametrze UPK-99 (wersja laboratoryjna) średnica d1 = 60 mm, natomiast d2 = 40 mm, więc:
Przygotowanie permeametru do oznaczenia współczynnika filtracji metodą zmiennogradientową wymaga: ustabilizowania strumienia filtracji, a następnie zamknięcia zaworu zespołu zasilania wodą (11). Oba przelewy: nadmiarowy (12) i pomiarowy (13) pozostają w niezmienionym położeniu. Wykonanie oznaczenia współczynnika filtracji k [cm/s] polega na:
· zmierzeniu wysokości badanej próbki piasku
l [cm],
· zmierzeniu różnicy wysokości hydraulicznych
H=h0 [cm],
· zmierzeniu depresji s [cm],
· zmierzeniu czasu
t [s], po którym zwierciadło wody obniży się o depresję s [cm].
Wysokość badanej próbki piasku
l [cm] należy odczytać na skali umieszczonej na próbniku (2). Różnicę wysokości hydraulicznych
H = h0 [cm] można zmierzyć analogicznie jak w metodzie stałogradientowej, korzystając z podziałek na rurach. Depresję s [cm] można odczytać przy na skali milimetrowej, natomiast czas
t należy zmierzyć za pomocą stopera. Do obliczenia wartości liczbowej współczynnika filtracji k potrzebna jeszcze będzie wartość początkowej wysokości zwierciadła wody h0, która jest równa różnicy wysokości hydraulicznych
H. Wartość współczynnika filtracji k oblicza się ze wzoru (8). Podczas badania współczynnika filtracji należy kontrolować temperaturę wody T [oC]. Pomiary temperatury najlepiej przeprowadzić w prawej kolumnie zasilającej (9).
Filtracja wody w kierunku z góry na dół
Przygotowanie permeametru UPK-99 do oznaczenia współczynnika filtracji badanej próbki piasku (1) przy przepływie w kierunku z góry na dół wymaga przestawienia zespołu zasilania wodą (11) z lewej kolumny zasilającej (7) na prawą kolumnę zasilającą (9). Oba przelewy zamieniają się teraz funkcjami: Przelew (12) będzie przelewem pomiarowym, natomiast przelew (13) będzie pełnią funkcję przelewu nadmiarowego. Przelew (13) należy zatem podnieść w górę, a przelew (12) obniżyć w dół.
Metoda stałogradientowa
Badanie współczynnika filtracji przy przepływie wody w kierunku z góry na dół odbywa się analogicznie jak przy przepływie z dołu do góry. Przelewy należy ustawić tak, aby wyższy poziom wody był teraz w prawej kolumnie zasilającej (9) oraz w nakładce pomiarowej (10), natomiast w kolumnie pomiarowej (8) oraz w lewej kolumnie zasilającej (7) poziom wody powinien być niższy.
Metoda zmiennogradientowa
Badanie współczynnika filtracji przy przepływie wody w kierunku z góry na dół odbywa się analogicznie jak przy przepływie z dołu do góry. Podczas badania współczynnika filtracji k , przy przepływie wody w kierunku z góry na dół, należy także kontrolować temperaturę wody T, najlepiej w lewej kolumnie zasilającej (7).
Sporządzenie protokołu pomiarów i obliczenie wyników
Po obliczeniu średniej wartości współczynnika filtracji k należy przeprowadzić korektę temperaturową na podstawie pomiarów temperatury wody T [oC]:
Wzór ten pozwala przeliczyć wartości współczynnika filtracji k dla wody o temperaturze T [oC], na wartość współczynnika filtracji k10 dla wody o temperaturze 10 oC.
Wyniki
Tabela 1. Wyniki oznaczenia współczynnika filtracji metodą zmiennogradientową.
Kierunek filtracji |
Nr pomiaru |
T |
|
Wysokość położenia przelewu H1 |
Górny poziom opadającego zwierciadła wody H2 |
Dolny poziom opadającego zwierciadła wody H3 |
h0 = |H2 - H1| |
h1 = |H3 - H1| |
|
k |
|
|
|
oC |
cm |
cm |
cm |
cm |
cm |
cm |
s |
cm/s |
m/s |
z dołu do góry |
1 |
19,5 |
9,9 |
13,2 |
2,0 |
4,0 |
11,2 |
9,2 |
113,31 |
0,0248 |
0,00025 |
|
2 |
19,5 |
9,9 |
13,2 |
2,0 |
4,0 |
11,2 |
9,2 |
112,84 |
0,0249 |
0,00025 |
z góry do dołu |
1 |
19,5 |
9,9 |
13,0 |
2,0 |
5,0 |
11,0 |
8,0 |
102,17 |
0,0446 |
0,00045 |
|
2 |
19,5 |
9,9 |
13,0 |
2,0 |
5,0 |
11,0 |
8,0 |
101,32 |
0,0449 |
0,00045 |
Wartość średnia k |
0,0348 |
0.00035 |
|||||||||
Wartość średnia k10 |
0,0272 |
0,00027 |
Tabela 2. Wyniki oznaczenia współczynnika filtracji metodą stałogradientową.
Kierunek filtracji |
Nr pomiaru |
T |
|
H1 |
H2 |
|
V |
Vśr |
t |
k |
|
|
oC |
cm |
cm |
cm |
cm |
cm3 |
cm3 |
s |
cm/s |
z dołu do góry |
1 |
19,5 |
9,9 |
3,2 |
7,4 |
4,2 |
15,5 |
15,75 |
59,96 |
0,0219 |
|
2 |
|
|
|
|
|
16,0 |
|
|
|
|
3 |
19,5 |
9,9 |
3,6 |
11,1 |
7,5 |
31 |
31 |
60 |
0,0241 |
|
4 |
|
|
|
|
|
31 |
|
|
|
z góry do dołu |
5 |
19,5 |
9,9 |
3,2 |
8,0 |
4,8 |
18 |
18 |
59,97 |
0,0219 |
|
6 |
|
|
|
|
|
18 |
|
|
|
|
7 |
19,5 |
9,9 |
3,6 |
11,3 |
7,7 |
31 |
31 |
60,1 |
0,0235 |
|
8 |
|
|
|
|
|
31 |
|
|
|
Wartość średnia k |
0,02285 |
|||||||||
Wartość średnia k10 |
0,01784 |
Analiza błędów.
Metoda różniczki zupełnej
Przepływ ustalony
Tabela 3. Niepewności związane z poszczególnymi wielkościami pomiarowymi.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cm/s |
cm/s |
cm/s |
cm/s |
cm/s |
cm/s |
cm/s |
cm/s |
- |
0,00139 |
0,0002211 |
0,00007299 |
0,0005214 |
0,00003652 |
0,002242 |
0,00178 |
0,00139 |
7,8 |
0,000778 |
0,0002436 |
0,00008041 |
0,0003216 |
0,0000402 |
0,001464 |
|
|
|
0,001216 |
0,0002212 |
0,00007298 |
0,0004561 |
0,0000365 |
0,002003 |
|
|
|
0,0007566 |
0,0002369 |
0,00007818 |
0,0003046 |
0,00003902 |
0,001415 |
|
|
|
Przepływ nieustalony
Tabela 4. Niepewności związane z poszczególnymi wielkościami pomiarowymi.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cm/s |
cm/s |
cm/s |
cm/s |
cm/s |
cm/s |
cm/s |
cm/s |
cm/s |
- |
0,00003819 |
0,00002546 |
0,0002508 |
0,0000219 |
0,001127 |
0,001572 |
0,003034 |
0,003293 |
0,004242 |
12,41 |
0,00003835 |
0,000042557 |
0,0002518 |
0,00002209 |
0,001132 |
0,001377 |
0,002847 |
|
|
|
0,00006857 |
0,00004571 |
0,0004502 |
0,00004363 |
0,001272 |
0,001749 |
0,00363 |
|
|
|
0,00006915 |
0,00004609 |
0,000454 |
0,00004436 |
0,001283 |
0,001764 |
0,00366 |
|
|
|
Wnioski
Na podstawie przeprowadzonych badań współczynnika filtracji gruntu piaszczystego w aparacie
UPK sformułowano następujące wnioski:
1. Oznaczona wartość współczynnika filtracji w aparacie UPK metodą przepływu ustalonego
wynosi k10 = 0,01784 ± 0,0014 cm/s.
2. W metodzie przepływu ustalonego największe niedokładności w oznaczeniu współczynnika
filtracji związane są z pomiarem różnicy poziomów wody oraz objętości przepływającej
wody.
3. Oznaczona wartość współczynnika filtracji w aparacie UPK metodą przepływu nieustalonego
wynosi k10 = 0,03416 ± 0,00425 cm/s.
4. W metodzie przepływu nieustalonego największe niedokładności w oznaczeniu
współczynnika filtracji związane są z odczytem poziomów wody przy opadaniu zwierciadła
wody.
5. Błąd w oznaczeniu współczynnika filtracji różni się i wynosi dla metody przepływu ustalonego prawie 8%, a dla metody przepływu nieustalonego ok. 12%.
6. Uzyskane wartości współczynnika filtracji przy przepływie wody z góry na dół i z dołu do
góry nieznacznie się różnią.
7. Uzyskane wartości współczynnika filtracji określone metodą przepływu ustalonego i
nieustalonego różnią się.
8. Pomiary zostały wykonane prawidłowo, gdyż wszystkie oznaczenia współczynnika filtracji
mieszczą się w zakresie określonym poprzez przeprowadzoną analizę błędów.