Тема 2.
Определение коэффициента фильтрации песка с помощью прибора "КФЗ".
Общие положения. Коэффициент фильтрации - важнейшая гидрогеологическая характеристика горной породы, определяющая ее способность пропускать через себя воду с той или иной скоростью. Коэффициент фильтрации обозначается буквой "k" и входит в уравнение Дарси в качестве коэффициента пропорциональности. Коэффициент фильтрации равен скорости движения воды в породе при единичном напорном градиенте.
Самым точным методом определения коэффициента фильтрации породы является экспериментальная откачка воды из скважины, пробуренной в этой породе, с проведением наблюдений за изменением положения уровня воды во времени.
Для получения ориентировочных значений коэффициента фильтрации пользуются эмпирическими формулами, учитывающими размер зерен породы, или привозят образец породы в лабораторию и испытывают с помощью специальных приборов. Одним из таких приборов является прибор "СПЕЦГЕО", детали которого показаны на рис. 5. Сущность опыта состоит в измерении времени, за которое через колонку грунта пройдет определенный объем воды.
Проводить эксперимент с сухим песком нельзя. Предварительно песок нужно намочить "снизу". Если наливать воду сверху, внутри колонки песка останется защемленный воздух, который исказит результат.
Количество воды, прошедшее за время t через колонку грунта (расход воды) во время опыта измеряется в миллилитрах в секунду (кубических сантиметрах в секунду). В природе процесс фильтрации происходит медленно, в связи с чем принято выражать расходы потоков подземных вод в метрах в сутки. Окончательный результат - коэффициент фильтрации песка - должен быть выражен в м/сут.
Для того чтобы иметь возможность сравнивать различные породы по их коэффициенту фильтрации, определение последнего должно производиться при стандартных условиях. В частности, температура воды должна составлять 10 градусов цельсия. При учебном лабораторном эксперименте используется, как правило, вода комнатной температуры, поэтому полученное значение кроэффициента фильтрации должно пересчитываться на стандартные условия.
Ход выполнения лабораторной работы:
Подготовить таблицу по приведенному ниже образцу:
№ измерения
I
V1, мл
V2, мл
V, мл
(V1-V2)
t, сек
k, см/сек
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Собрать прибор "СПЕЦГЕО", соединив внутренний и наружный стаканы (цилиндры) корпуса с помощью резьбы. На дно внутреннего стакана положить сито. Прибор поставить в стеклянную чашку.
Насытить грунт водой методом промачивания снизу. Для этого наполнить корпус прибора водой на максимальную высоту. В узкий стальной стакан без резьбы насыпать сухого песка примерно на четверть объема и погрузить его во внутренний (верхний) цилиндр корпуса прибора. Завинчивая резьбу, опускать внутренний цилиндр корпуса относительно наружного, до тех пор, пока уровень воды не будет выше поверхности песка. Дождаться потемнения песка. Дополнить стакан следующей порцией сухого песка примерно до половины объема, погрузить в воду, дождаться потемнения песка. Повторять процедуру до тех пор, пока стакан не будет наполнен сырым песком до верха, вровень с кромкой. После этого накрыть стакан ситом.
Не выливая воды из корпуса прибора, завинтить внутренний цилиндр корпуса прибора в наружный не менее чем на половину высоты. При этом установить напорный градиент (I) так, чтобы его значение, выгравированное на поверхности внутреннего цилиндра корпуса прибора, совпадало с уровнем воды в наружном цилиндре корпуса. Если уровень находится ниже, долить воды через прорезь внешнего цилиндра корпуса (рис.6).
Накрыть стальной стакан с песком кольцом фиксатора. Приготовить секундомер.
Установить сосуд мариотта, наполненный водой, в верхнюю часть прибора - в кольцо фиксатора - отверстием вниз. Вид прибора, подготовленного к работе, показан на рисунке 7.
Дождаться появления пузырьков воздуха, поднимающихся вверх в сосуде мариотта.
Включить секундомер. Засечь промежуток времени (t), за который уровень воды опускался от деления со значением V1 до деления со значением V2 (шкала нанесена на поверхности сосуда мариотта). За время понижения уровня в сосуде мариотта необходимо успеть засечь три промежутка времени. Значения V1 и V2 каждый раз выбираются произвольно и не должны повторяться. По ходу работы показания заносятся в таблицу.
Изменить напорный градиент, переместив внутренний стакан корпуса относительно наружного. Проверить соотвектствие положения уровня воды в корпусе прибора выбранному делению шкалы градиентов. Вновь наполнить сосуд мариотта водой и трижды снять замеры времени фильтрации. Затем повторить всю процедуру третий раз при третьем произвольно выбранном значении напорного градиента. Всего в таблице должно быть не менее 9 замеров времени (по три при каждом из трех напорных градиентов).
Вычислить и занести в последний столбец таблицы значения коэффициента фильтрации
F - сечение колонки грунта (площадь дна стального стакана без резьбы), нанесено на поверхности стакана.
Найти среднее по всем измерениям значение k. Измерение расхода воды проводится не менее девяти раз по причине низкой точности снимаемых показаний, то есть создается статистическая совокупность измерений одной и той же величины. В том случае, если одно или несколько расчитанных значений коэффициента фильтрации оказывается существенно отличным от основного ряда (на порядок и более), эти значения не учитываются при подсчете среднего.
Перевести k (окончательное среднее значение) в метры в сутки.
Сделать поправку на температуру воды.
К
оэффициент
фильтрации песка при температуре воды
10 град. Цельсия определяется по формуле:
Т - температура воды при эксперименте.
Рис.5
Рис.6
Занятие 3.
Обработка результатов химического анализа проб воды.
Вводные замечания.
Природная вода всегда содержит растворенные соли и другие химические соединения. Соли в растворе распадаются на ионы. Положительно заряженные ионы - катионы - чаще бывают представлены металлами (натрий-ион, магний-ион); отрицательно заряженные ионы - анионы - кислотными остатками (гидрокарбрнат-ион, сульфат-ион). Причем для всех природных вод Земли (дождевых, морских подземных) соблюдается следующая закономерность. В преобладающем количестве по сравнению со всеми остальными компонентами в воде находятся только шесть ионов. Они называются макрокомпонентами.
Таблица 1. Макрокомпоненты в составе природных вод.
К а т и о н ы |
А н и о н ы |
||
1 натрий-ион |
Na+ |
1 хлорид-ион |
Cl- |
2 кальций-ион |
Ca2+ |
2 сульфат-ион |
SO42- |
3 магний-ион |
Mg2+ |
3 гидрокарбонат-ион |
HCO3- |
Для определения состава воды первоначально проводят сокращенный анализ. При сокращенном анализе выявляется содержание основных шести компонентов раствора и одного или нескольких вторичных компонентов, выбор которых зависит от цели исследования. Затем, для более детальных исследований может быть проведен полный анализ, включающий неограниченное число веществ, как органических, так и неорганических.
В учебной задаче результаты лабораторного исследования состава воды (сокращенного анализа) представлены в виде таблицы, в первом столбце которой перечислены ионы, во втором - их содержания в мг/л. Для того чтобы воду в дальнейшем можно было классифицировать по составу, а также оценить ее свойства, весовое содержание компонентов переводят в эквивалентную форму.