CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Zdolność skał do przepuszczania wody, nazywa się wodoprzepuszczalnością. Ruch wód podziemnych w przyrodzie odbywa się zarówno w szczelinach i próżniach w skałach zwięzłych, jak i w porach skał luźnych. Woda gruntowa, na pewnej długości, ma poziomy o różnych wysokościach zwierciadeł, wtedy powstaje dążenie do ich wyrównania i woda przesącza się przez pory w gruncie od wyższego do niższego poziomu. Takie zjawisko nazywa się filtracją i powstaje zawsze w gruntach mniej lub bardziej przepuszczalnych.

Wielkość filtracji wyrażona objętością wody przepływającej, w jednostce czasu przez dany przekrój, jest określona wzorem Darcy:

gdzie:

Q - ilość wody przechodzącej przez skałę w jednostce czasu,

K - współczynnik filtracji
,

I - spadek hydrauliczny,

l - wysokość próbki,

H - różnica poziomów wody,

V - prędkość filtracji.

Według prawa Darcy prędkość filtracji jest wprost proporcjonalna do współczynnika filtracji i spadku hydraulicznego. Przyjmując w powyższym wzorze I=1, współczynnik filtracji liczbowo jest równy prędkości filtracji. Wyrażany jest w takich jednostkach jak:
miarą wodoprzepuszczalności gruntu jest zatem współczynnik filtracji, zwany też stałą Darcy'ego.

Współczynnik filtracji K jest wielkością charakterystyczna dla danego ośrodka gruntowego tj. nie zależy od spadku hydraulicznego I, zależy natomiast od porowatości gruntu, jego uziarnienia, oraz od temperatury przepływającej wody.

Współczynnik filtracji zmienia się przy zagęszczaniu gruntu, oraz nieco przy spadku temperatury wody. Zjawisko to tłumaczy się zwiększaniem lepkości wody przy niższych temperaturach. Ponieważ współczynnik filtracji K ulega zmianom przy różnych temperaturach, podaje się jego wartość odpowiadającą temperaturze +10°C.

Aby dane z doświadczenia można było porównać, należy otrzymaną wartość K sprowadzić do temperatury +10°C, poprzez pomnożenie otrzymanej z doświadczenia wielkości K przez tzw. poprawkę na temperaturę τ, równą:

Podział skał wg własności filtracyjnych.

CHARAKTER PRZEPUSZCZALNOŚCI	WSPÓŁCZYNNIK FILTRACJI [m/s]
BARDZO DOBRA: rumosze, żwiry, żwiry piaszczyste, gruboziarniste i równoziarniste piaski, skały masywne z bardzo gęsta siecią drobnych szczelin	>10^-3
DOBRA: piaski gruboziarniste, nieco ilaste, piaski równoziarniste, piaski średnioziarniste, kruche, słabo spojone gruboziarniste piaskowce, skały magmowe z gęsta siecią szczelin	10^-3 - 10^-4
ŚREDNIA: piaski drobnoziarniste, równomiernie uziarnione, less	10^-4 - 10^-5
SŁABA: piaski pylaste, gliniaste, mułki, piaskowce, skały magmowe z rzadką siecią drobnych spękań	10^-5 - 10^-6
SKAŁY PÓŁPRZEPUSZCZALNE: gliny, namuły, mułowce, iły piaszczyste	10^-6 - 10^-^8
SKAŁY NIEPRZEPUSZCZALNE: iły, iłołupki, zwarte gliny ilaste, margle ilaste, skały masywne, niespękane	<10^-8

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA APARATU VIŁUNA

Laboratoryjne określenie współczynnika filtracji K przeprowadza się a aparacie Viłuna. Aparat ten składa się z następujących części:

• cylinder zewnętrzny,

• cylinder wewnętrzny,

• podstawka perforowana,

• pierścień, w którym umieszcza się próbkę,

• dwa sita, zakładane na dnie i pod pokrywą pierścienia,

• nakrętki uszczelniające.

Aparat składa się zasadniczo z dwóch współśrodkowo umieszczonych cylindrów, większego zewnętrznego i mniejszego wewnętrznego. Cylindry połączone są ze sobą za pomocą przelewów, tak że możliwy jest przepływ z cylindra zewnętrznego do wewnętrznego i odwrotnie. W środku cylindra wewnętrznego znajduje się pierścień, w którym umieszcza się próbkę gruntu, dla której chcemy wyznaczyć współczynnik filtracji K. Po wmontowaniu pierścienia z wysuszona próbką, doprowadza się do aparatu wodę (powoli) od spodu do cylindra zewnętrznego, która przechodząc przez próbkę wypełnia cylinder wewnętrzny. Po ustaleniu się różnicy poziomów H w obu cylindrach, otwieramy wylot cylindra wewnętrznego i dokonujemy pomiarów wydatku wody Q w czasie. Jest to metoda pomiaru współczynnika filtracji przy przepływie wody z dołu do góry.

Analogicznie postępuje się przy pomiarach przepływu z góry do dołu, z tą różnicą, że najpierw napełniamy cylinder wewnętrzny. Woda przechodzi przez próbkę od góry do dołu, wypełniając cylinder zewnętrzny. Otwieramy wylot cylindra zewnętrznego i po ustaleniu się filtracji dokonujemy pomiarów wydatku wody Q w czasie t.

PRZEBIEG BADAŃ I OBLICZENIA

Do wykonania ćwiczenia niezbędne są następujące przyrządy:

• aparat Viłuna,

• cylinder miarowy,

• stoper,

• termometr.

Laboratoryjne określenie współczynnika filtracji przeprowadza się na podstawie pomiaru ilości wody przesączonej przez próbkę w jednostce czasu wg wzoru:

gdzie:

V - objętość wody w cm³, która przepływa przez próbkę w czasie t,

A - powierzchnia przekroju próbki [cm²],

I - spadek hydrauliczny.

Wykonujemy po 6 pomiarów wydatku wody V w czasie t przy dolnym i górnym przepływie. Wyniki należy przeliczyć wg wzorów, a otrzymana w ten sposób wartość współczynnika filtracji K redukuje się na K₁₀.

Pomiar z góry do dołu

lp.	czas t[s]	V [cm^3]	H [cm]	l [cm]	2R [cm]	t [°C]	τ	I	A [cm^2]	K [cm/s]	K10 [cm/s]	K10 Śr [m/s]
1	19	200	4,5	4,5	11,27	19	0,79	1,0	99,75	10,55*10^-2	8,33*10^-2	8,49*10^-4
2	19	200	4,5	4,5	11,27	19	0,79	1,0	99,75	10,55*10^-2	8,33*10^-2
3	18	200	4,5	4,5	11,27	19	0,79	1,0	99,75	11,14*10^-2	8,80*10^-2
4	19	200	4,5	4,5	11,27	19	0,79	1,0	99,75	10,55*10^-2	8,33*10^-2
5	18	200	4,5	4,5	11,27	19	0,79	1,0	99,75	11,14*10^-2	8,80*10^-2
6	19	200	4,5	4,5	11,27	19	0,79	1,0	99,75	10,55*10^-2	8,33*10^-2

Pomiar z dołu do góry

lp.	czas t[s]	V [cm^3]	H [cm]	l [cm]	2R [cm]	t [°C]	τ	I	A [cm^2]	K [cm/s]	K10 [cm/s]	K10 Śr [m/s]
1	23	200	2,9	4,5	11,27	19	0,79	0,64	99,75	13,62*10^-2	10,76*10^-2	10,54*10^-4
2	25	200	2,9	4,5	11,27	19	0,79	0,64	99,75	12,53*10^-2	9,89*10^-2
3	24	200	2,9	4,5	11,27	19	0,79	0,64	99,75	13,05*10^-2	10,31*10^-2
4	23	200	2,9	4,5	11,27	19	0,79	0,64	99,75	13,62*10^-2	10,76*10^-2
5	23	200	2,9	4,5	11,27	19	0,79	0,64	99,75	13,62*10^-2	10,76*10^-2
6	23	200	2,9	4,5	11,27	19	0,79	0,64	99,75	13,62*10^-2	10,76*10^-2

WNIOSKI

Analizując makroskopowo próbę stwierdzono, że badana substancja to piasek średnioziarnisty z dodatkiem żwiru. Obliczone współczynniki filtracji przy dolnym i górnym przepływie potwierdzają przeprowadzoną makroskopowa analizę. Badana próbka ma współczynnik filtracji K w zakresie od 10^-3 do 10^-4 [m/s], świadczy to o dobrej przepuszczalności.

---