Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Водоснабжение и водоотведение»

Определение коэффициента фильтрации грунтов

Учебно-методическое пособие

к выполнению лабораторной работы №13

по дисциплине «Прикладная механика жидкости и газа»

для студентов специальностей 270112 «Водоснабжение и водоотведение»,

270102 «Промышленное и гражданское строительство»,

270205 «Автомобильные дороги» всех форм обучения

Уфа

2012

Содержание

1. Общие сведения……………………………………………………………..

2. Описание опытной установки……………………………………………….

3. Порядок проведения работы и обработки опытных данных……………...

4. Расчетные формулы………………………………………………………….

5. Вопросы для самопроверки…………………………………………………

Литература

Учебно-методическое пособие подготовлено в соответствии с рабочими программами дисциплин «Гидравлика и гидрология транспортных сооружений», «Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения» и предназначено для развития навыков самостоятельной работы бакалавров.

Данное учебно-методическое пособие знакомит бакалавров с базовыми понятиями раздела «Движение грунтовых вод», знакомит с лабораторным определением коэффициентов фильтрации и проницаемости грунтов.

Составитель Лапшакова И.В., доц., канд. техн. наук

Рецензент Мартяшова В.А., доц., канд. техн. наук

©Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2012

Цель работы: определение опытным путем коэффициента фильтрации и коэффициента проницаемости модельного грунта.

1. Общие сведения

Фильтрацией называется движение (просачивание) жидкости, газа или газожидкостной смеси через пористую среду. Это движение возможно, если некоторые из пор или трещин твёрдого тела сообщаются между собой. Такое движение жидкости встречается в самых разнообразных областях техники: в нефтепромысловом деле, водоснабжении и водоотведении, в мелиорации и гидротехнике и т. д.

Знание законов движения грунтового потока позволяет решать такие вопросы, как устойчивость плотин и других гидротехнических сооружений, положение уровня грунтовых вод после постройки каналов, приток воды к артезианским и шахтным колодцам, водосборным галереям и т. д.

Движение жидкости в порах, так же как и движение в руслах и каналах, может быть установившимся и неустановившимся, равномерным и не равномерным, ламинарным и турбулентным.

Если проницаемый пласт залегает на непроницаемом основании и сверху не ограничен непроницаемым слоем, фильтрация происходит с образованием свободной поверхности, давление на которой равно атмосферному (рис.1.1). Такое движение называют безнапорным.

Напорное движение наблюдается, если фильтрация происходит в пласте, заключенном между двумя пластами (рис.1.2) .

Рисунок 1.1 – Безнапорный фильтрационный поток

Рисунок 1.2 – Безнапорный фильтрационный поток

При равномерном движении жидкости уклоны свободной поверхности I и отдельных струек параллельны уклону подстилающего водонепроницаемого пласта i (рис. 1.3) i=I.

При неравномерном движении грунтового потока I i (рис. 1.4). Линия свободной поверхности грунтового потока в этом случае называется кривой депрессии.

Рисунок 1.3 - Равномерное движение грунтовой воды

Рисунок 1.4 - Случай неравномерного движения грунтовой воды

Основной задачей при практических расчетах в области фильтрации является определение расхода фильтрующей жидкости Q и скорости фильтрации υ.

Скорость фильтрации называется фиктивная (воображаемая) скорость, под которой понимают расход жидкости через единицу площади поперечного сечения всего фильтрующего слоя (включая как сам грунт, так и поры между его частицами)

.

Скорость фильтрации отличается от физической скорости движения частиц жидкости по поровым каналам u, которую называют истинной скоростью. Осредненную истинную скорость определяют по формуле

где – площадь живого сечения порового пространства.

Установим связь между истинной скоростью и скоростью фильтрации. Отношение площади пор живого сечения к общей площади сечения S называется коэффициентом поверхностной пористости, или просветностью

Из-за сложности определения коэффициента поверхностной пористости его заменяют коэффициентом объемной пористости, равным отношению объема пор грунта к общему объема грунта

Использование коэффициента объемной пористости вместо коэффициента поверхностной пористости не вносит большой погрешности в расчеты, т.к. значения этих коэффициентов близки друг к другу, а для однородного грунта они равны.

Тогда площадь живого сечения порового пространства можно выразить через коэффициент объемной пористости

и осредненную истинную скорость представить в виде

и получить соотношение между скоростью фильтрации и истинной скоростью

При ламинарном режиме движения скорость фильтрации определяется по формуле А. Дарси

где i – гидравлический уклон.

При равномерном движении фильтрационного потока гидравлический уклон i будет равен отношению потерь напор к длине пути фильтрации

В случае неравномерного движения гидравлический уклон записывается в дифференциальной форме

и закон А. Дарси принимает вид:

Коэффициент пропорциональности в формуле А. Дарси называется коэффициентом фильтрации.

Коэффициент фильтрации, имеющий размерность скорости, физически представляет собой скорость фильтрации при уклоне, равном единице. Коэффициент фильтрации характеризует как свойства пористой среды, так и свойства так и свойства фильтрующейся жидкости.

Свойства пористой среды характеризует также коэффициент проницаемости, который отражает способность грунта пропускать через себя жидкость или газ под действием перепада давления. Коэффициент проницаемости измеряется в единицах площади или в Дарси (1 Дарси= = м ).

Коэффициент фильтрации и коэффициент проницаемости связаны между собой соотношением

где – плотность жидкости;

и – динамический и кинематический коэффициенты вязкости жидкости;

– ускорение силы тяжести.

Закон Дарси неприменим при фильтрации в весьма мелкозернистых глинистых грунтах с очень малыми скоростями, когда начинают заметно сказываться капиллярные силы поверхностного натяжения.

Закон Дарси нарушается также в случае движения жидкости с большими скоростями. С увеличением скорости движения возрастает роль сил инерции и происходит переход к турбулентному режиму, что может иметь место в крупнотрещиноватых и крупнопористых породах (например, в галечниках и скальных породах).

При турбулентном режиме фильтрации скорость фильтрации определяется по формуле

где – коэффициент, изменяющийся от 1 (при ламинарном режиме) до 0,5 (при турбулентном режиме в зоне квадратичного сопротивления).

Режим фильтрации определяется сопоставлением числа Рейнольдса Re с критическим числом Рейнольдса Re_кр. Если Re < Re_кр , то режим фильтрации – ламинарный, если Re > Re_кр – турбулентный. Число Рейнольдса находится по эмпирическим формулам. Например, по формуле В.Н. Щелкачева

,

.

Ламинарный режим фильтрации в этом случае сохраняется при < .