Глава 11. Фильтрация жидкости
11.1. Общие представления о фильтрации
Изучение фильтрации воды в грунтах и различных пористых материалах представляет большой практический интерес при решении многочисленных инженерных задач в области гидротехники, строительства сооружений водоснабжения и водоотведения. Фильтрационные расчеты используются при проектировании подпорных гидротехнических сооружений (земляные плотины, перемычки, дамбы), водопроводящих каналов, дренажных систем, при осушении грунтового основания и т.п. В водоснабжении фильтрационные расчеты применяются для определения притока воды к водозаборным сооружениям (колодцы, шахты, галереи, дрены) и нахождения их оптимальных размеров. Фильтрационные расчеты позволяют определить необходимое оборудование и выбрать способ производства работ при понижении уровня грунтовых вод в строительных котлованах и в основаниях инженерных сооружений при использовании дренажных систем.
Фильтрацией называется движение жидкости или газа в пористой и трещиноватой средах. В пористой среде имеются пустоты произвольных размеров и форм.
Пористая среда может быть представлена рыхлыми и трещиноватыми породами, искусственными сыпучими материалами, волокнистыми минеральными и синтетическими изделиями и другими телами, содержащими внутри себя поры. Движение жидкости в ней возможно только в том случае, когда поры и трещины сообщаются между собой. На свойства пористой среды влияют размер, форма и объем пор, удельная поверхность твердой составляющей, ее химический состав. Жидкость, фильтрующаяся в ней, в свою очередь обладает различными физическими свойствами (плотность, вязкость, упругость, насыщение инородными веществами).
Пористая среда вместе с находящейся в ней жидкостью, на которую действуют массовые и поверхностные силы, представляет собой гидравлическую фильтрационную систему.
Количество жидкости в пористой среде, физико-механические ее свойства и силы, действующие на нее, определяют степень подвижности жидкости.
Сыпучий материал или рыхлый грунт, состоящий из твердых частичек, характеризуется гранулометрическим составом и пористостью.
Пористость материала - отношение объема пор Wп ко всему объему W, т.е.
(11.1)
Жидкость в виде реального потока, перемещающегося в пористой среде, движется непосредственно через поры. Поровые каналы в материалах и горных породах имеют разнообразные формы и размеры. В связи с этим не представляется возможным отобразить истинное движение жидкости в пористой среде. Это обстоятельство значительно усложняет изучение движения жидкости. Поэтому считается, что жидкость движется, полностью заполняя весь объем пористого материала, грунта.
Исходя из этого реальный расход жидкости, проходящей через поры всего объема материала, заменяется фиктивным расходом. Расход реального потока через определенную площадь, выделенную в его объеме, будет равен фиктивному расходу, проходящему через ту же площадь.
Фиктивный расход получил название фильтрационного расхода. Средняя скорость в порах среды
(11.2)
где V - фиктивная скорость.
Фиктивная скорость V называется скоростью фильтрации.
Фильтрационный
расход жидкости через произвольную
площадку
,
выделенную в пористой среде,
. (11.3)
Давление, создаваемое на площадку реальным потоком, будет равно давлению от фиктивного потока жидкости. Гидравлические сопротивления, возникающие при движении реального потока через определенный объем пористой среды, равны сопротивлению от фиктивного фильтрационного потока.
Область пористой среды, заполненная движущейся жидкостью, называется областью фильтрации. Если в области фильтрации гидростатические напоры и скорости изменяются во времени, то такая фильтрация является неустановившейся. Фильтрация считается установившейся, если напоры и скорости в определенных точках области фильтрации не зависят от времени.
Частным случаем фильтрации является движение подземных вод в пористых и трещиноватых горных породах. Подземными водами называют воды, находящиеся ниже поверхности земли. Они подразделяются на грунтовые и артезианские.
Фильтрация жидкости может быть безнапорной и напорной.
В случае безнапорной фильтрации область фильтрации ограничивается сверху свободной поверхностью, давление на которую равно атмосферному давлению. Напорная фильтрация имеет место, если давление на граничные поверхности области фильтрации будет больше атмосферного давления. Примером напорной фильтрации является фильтрационный поток, ограниченный сверху и снизу водонепроницаемыми слоями горной твердой породы или грунтами. Если в фильтрационное пространство, ограниченное водонепроницаемыми слоями, например, установить пьезометр в виде скважины, то уровень воды в ней поднимется выше верхнего водонепроницаемого слоя (рис. 11.1). Артезианские воды, залегающие на большой глубине от поверхности земли, всегда являются напорными водами. Эти воды являются источником для целей водоснабжения.
Рис. 11.1. Схема напорного фильтрационного потока:
А - водоупор; Б - пьезометрические скважины; В - напорный водоносный пласт; Г - струйка жидкости