Gliwice, 22.11.2011

Laboratorium z przedmiotu

Hydrogeologia i zagrożenia wodne

Temat ćwiczenia: WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA FILTRACJI `K' METODĄ LABORATORYJNĄ.

Sekcja nr 1

Skład sekcji: Magdalena Jantas

Ewelina Janiga

Specjalność: GGiP

Rok akademicki 2011/12

1. Wstęp teoretyczny

Wodoprzepuszczalność jest to zdolność skał do przepuszczania wody. Łączy się z tym zjawisko filtracji, polegające na tym, że woda dąży do wyrównania poziomów różnych wysokości zwierciadeł wód gruntowych, z poziomu wyższego do niższego. Zjawisko to zachodzi zawsze w gruntach mniej lub bardziej przepuszczalnych.

Poprzez wielkość filtracji rozumiemy objętość wody przepływającej przez dany przekrój

w jednostce czasu. Jest ona określana wzorem Darcy:

Q=KFJ

gdzie:

Q - ilość wody przechodzącej przez skałę w jednostce czasu [m³/s]

K - współczynnik filtracji [m/s]

F - powierzchnia przekroju próbki [cm²]

J - spadek hydrauliczny

Spadek hydrauliczny jest to stosunek różnicy poziomów wody do wysokości próbki. Jest on proporcjonalny do prędkości filtracji.

Współczynnik filtracji nie zależy od spadku hydraulicznego, natomiast jest on zależny od właściwości gruntu takich jak: porowatość i uziarnienie, a także od temperatury przepływającej wody.

Ze względu na własności filtracyjne skały dzielimy na:

• Skały o bardzo dobrej przepuszczalności - m.in. żwiry, żwiry piaszczyste,

• Skały o dobrej przepuszczalności - m.in. piaski gruboziarniste, nieco ilaste,

• Skały o średniej przepuszczalności - m.in. piaski drobnoziarniste, równomiernie uziarnione,

• Skały o słabej przepuszczalności - m.in. piaski pylaste, gliniaste, mułki, piaskowce,

• Skały półprzepuszczalne - gliny, namuły, mułowce, iły piaszczyste,

• Skały nieprzepuszczalne - m.in. iły, iłołupki, zwarte gliny ilaste, margle ilaste.

2. Cel i opis ćwiczenia

Celem naszego ćwiczenia było wyznaczenie współczynnika filtracji `k' metodą laboratoryjną. Do jego wykonania posłużyłyśmy się znajdującym się w laboratorium tzw. aparatem Wiłuna, którego schemat przedstawiony jest poniżej:

1. cylinder zewnętrzny

2. cylinder wewnętrzny

3. podstawka

4. filtr dolny i siatka grubości 0,1 mm

5. pierścień

6. filtr górny

7. obciążnik

8. końcówki i rurki gumowe odpowietrzające spód próbki

9. nakrętka

10. uszczelka gumowa

11. siatka o oczkach 0,2 mm

12. podziałka milimetrowa

13. dopływ wody

14. przelew

Na samym początku, wsypałyśmy do pierścienia odpowiednią ilość suchego piasku, który był przedmiotem naszego ćwiczenia. Na wierzch próbki nałożyłyśmy siatkę o drobnych oczkach oraz filtr górny. Pierścień wypełniony próbką umieściłyśmy w cylindrze wewnętrznym za pomocą specjalnych śrub, a następnie założyłyśmy obciążnik. Następnie nalewałyśmy wodę za pomocą odpowiedniej rurki do cylindra zewnętrznego, starając się utrzymać cały czas jednakowy poziom wody (woda przesączając się przez próbkę trafiała do cylindra wewnętrznego, powodując obniżenie poziomu wody w cylindrze zewnętrznym). Kiedy woda w obu cylindrach uregulowała się, odczytałyśmy jej poziom z podziałki milimetrowej, odpowiednio dla cylindra wewnętrznego jak i zewnętrznego.

Równocześnie mierzony był stoperem czas przelewania się wody wypływającej z przelewu do specjalnego naczynia, wypełniając go do 300cm³. Te czynności powtarzałyśmy pięciokrotnie. Była to metoda pomiaru współczynnika filtracji przy przepływie z dołu do góry.

Robiąc pomiary przy przepływie z góry do dołu, postępowałyśmy analogicznie z tą różnicą, że najpierw napełniałyśmy cylinder wewnętrzny. Woda przesączała się przez próbkę z góry do dołu, napełniając cylinder zewnętrzny.

3. Obliczenia:

• Spadek hydrauliczny- J:

J= ΔH/h

gdzie: ΔH- różnica poziomów wody [cm]

h- wysokość próbki [cm]

J₁= 4,76/3,5 = 1,36

J₂= 9,5/3,5 = 2,71

• Powierzchnia przekroju badanej próbki- F [cm²]

F= ∏r²

gdzie: r- promień próbki

F= ∏(5,7)² = 102,02 [cm²]

• Współczynnik filtracji- K [cm/s]

K= Q/FJt

gdzie: Q- objętość wody, która przepływa przez próbkę w czasie t [cm³]

t_śr- średni czas przepływu wody [s]

K₁= 300/102,02 * 1,36 * 95 ≈ 0,023[cm/s]

K₂= 300/102,02 * 2,71 * 60 ≈ 0,018 [cm/s]

• Współczynnik filtracji K obejmujący poprawkę na temperaturę τ:

τ = 0,7 + 0,03*T

gdzie: T- temperatura wody [°C]

τ = 0,7 + 0,03*15 = 1,15

K₁ = 0,023 / 1,15 = 0,02 = 2,0 * 10^-2 [cm/s]

K₂ = 0,018 / 1,15 = 0,16 = 1,6 * 10^-2 [cm/s]

4. Wnioski

Podstawą naszego ćwiczenia było wyznaczenie współczynnika filtracji `k' dla pewnej próbki gruntu. Badanie odbywało się dwoma sposobami: przelewem wody z dołu do góry i odwrotnie - z góry do dołu.

W pierwszym przypadku, przelewając wodę z dołu do góry, spadek hydrauliczny wyniósł średnio J₁= 1,36, natomiast obliczony współczynnik filtracji z uwzględnioną poprawką na temperaturę to K₁ = 2* 10^-2 cm/s. Z kolei w przypadku przepływu wody z góry do dołu, średnia wartość spadku hydrauliczne go wyniosła J₂= 2,71, a współczynnik filtracji uwzględniający poprawkę na temperaturę K₂ = 1,6 * 10^-2 cm/s.

Porównując nasze wyniki z tabelką przedstawiającą wartości współczynników filtracji

wg Beskowa stwierdziłyśmy, że badana przez nas próbka składa się z piasku drobnoziarnistego. Oznacza to także, że skała ta bardzo dobrze przepuszcza wodę.

---