tirsdag 8 juli 2014

Hvad er hydraulisk ledningsevne?

denne udgave af bloggen behandler spørgsmålet Hvad er hydraulisk ledningsevne? Pålydende værdi er dette et spørgsmål, der besvares i de fleste hydrogeologi-eller grundvandsbøger. Men for den praktiserende grundvandsingeniør er et mere relevant spørgsmål, Hvad betyder hydraulisk ledningsevne i vores arbejdsliv på ingeniørprojekter? Det er, hvad denne blog vil tage fat på.

definitioner af hydraulisk ledningsevne

der skal først være et terminologipunkt. I geoteknisk sprog kaldes hydraulisk ledningsevne ofte permeabilitetskoefficient, oftest forkortet til permeabilitet. Dette kan undertiden føre til forvirring i terminologi, som det vil blive nævnt senere.

teoretisk set er hydraulisk ledningsevne et mål for, hvor let vand kan passere gennem jord eller sten: høje værdier indikerer permeabelt materiale, gennem hvilket vand let kan passere; lave værdier indikerer, at materialet er mindre permeabelt. Hydraulisk ledningsevne gives typisk symbolet k og har hastighedsenheder, for eksempel meter/sek eller meter/dag.

et nøgleaspekt ved hydraulisk ledningsevne er, at der findes en meget bred vifte af værdier i naturlige jordarter og klipper, måske et interval fra 10-2 m/s (til meget åbne grus og brosten) til 10-11 m / s (ufraktioneret ler eller massiv ufraktioneret sten). Dette er et stort udvalg – en faktor på en milliard! Dette er et meget større interval, end man kunne forvente for de fleste andre geotekniske parametre, såsom forskydningsstyrke eller kompressibilitet.

det er også vigtigt at indse, at den måde, hvorpå en væske (såsom vand) passerer gennem en jord-eller stenmasse, ikke kun afhænger af jordens/stenens egenskaber, men også af egenskaberne af den gennemtrængende væske. Dette betyder, at en given jord eller sten vil opføre sig anderledes, hvis den gennemsyres af forskellige væsker – for eksempel vand eller kulbrinter (olie). Derfor er det nyttigt at bruge udtrykket hydraulisk ledningsevne, fordi det er klart, at udtrykket vedrører vandstrømmen. Problemet med udtrykket ‘permeabilitet’, der i vid udstrækning anvendes i geoteknisk teknik, er, at det i andre industrier (såsom olie – og gasindustrien) forstås den ‘indre permeabilitet’, som er uafhængig af den gennemtrængende væske – indre permeabilitet har SI-enhederne på m2, skønt det almindeligvis beskrives i Darcy (hvor 1 Darcy = 1 10-12 m2) – og er en markant anden parameter end hydraulisk ledningsevne.

selv når man udelukkende beskæftiger sig med vand som gennemtrængende væske, kan vandets egenskaber have indflydelse. Viskositeten af vand varierer med temperaturen, så hydraulisk ledningsevne vil også variere med temperaturen. Imidlertid er rækkevidden af temperaturvariationer i geotekniske problemer i de fleste tilfælde lille nok til, at eventuelle resulterende ændringer i hydraulisk ledningsevne med rimelighed kan overses.

hvad betyder hydraulisk ledningsevne?

som mange geotekniske parametre er hydraulisk ledningsevne enkel i konceptet, men har nogle meget komplekse aspekter i praksis, især når man prøver at opnå realistiske målinger eller estimater af egenskaber.matematisk er hydraulisk ledningsevne faktisk en koefficient i Darcy ‘ s lov, der relaterer vandstrømningshastighed til hydraulisk gradient under laminære strømningsforhold. Dette er let at forstå for strømning gennem en isotrop blok af porøse medier, som du måske ser i en tekstbog, hvor hydraulisk ledningsevne er den samme på alle punkter (ensartet og homogen) og i alle retninger (isotrop).

selvfølgelig er strømmen af vand gennem jord eller klipper alt andet end homogen og er sjældent isotrop.

i jord består strukturen af mineralpartikler i kontakt for at danne jordskelettet med et netværk af sammenkoblede porer i rummet imellem.

idealiseret visning af jordpartikler (i sort) og omgivende porerum

vand skal tage en ofte snoet vej langs uregelmæssige porer mellem partiklerne. Anvendelsen af Darcy ‘s Lov og begrebet hydraulisk ledningsevne begrundes ved at ‘lufte ud’ og behandle jordblokke som relativt homogene porøse medier, men det er vigtigt at indse, at grundvandsstrømmen i jord kan være meget kompleks i lille skala. Strømning kan kompliceres yderligere af jordstruktur eller stof, såsom lagdeling, lamineringer eller forvitring.

den måde, hvorpå vand strømmer gennem porerne i en jordmasse, kaldes undertiden ‘primær permeabilitet’ eller intergranulær strømning. I modsætning hertil er den vigtigste måde, hvorpå grundvand strømmer, i de fleste brudte klipper ikke gennem mellemrummet mellem mineralpartiklerne, der danner klippen (selve klippemassen har en meget lav hydraulisk ledningsevne). I stedet skal vandet passere langs sprækker, brud eller diskontinuiteter inden for klippemassen. Denne type strømning kaldes undertiden ‘sekundær permeabilitet’ eller fissurstrøm.

idealiseret billede af sprækker eller brud i stenmasse

ligesom i jord skal strømmen af vand gennem klipper ofte tage en snoet sti langs uregelmæssige sprækker, og igen er brugen af Darcy ‘s Lov og begrebet hydraulisk ledningsevne berettiget ved at’ sprænge ud ‘ og behandle jordblokke som ækvivalente porøse medier. Det skal dog huskes grundvandsstrøm i brudt sten kan være meget kompleks i lille, mellemstor og stor skala, især hvor brudretning, frekvens og åbningsbredde styres af klippestruktur og spændinger, eller hvor klipperne er vandopløselige (såsom kridt og kalksten), hvor sprækker kan være blevet forstørret af årtusinder af naturlig grundvandsstrøm.

hvorfor er hydraulisk ledningsevne vigtig for ingeniører?

hydraulisk ledningsevne kan udgøre et interessant teoretisk problem, men hvorfor skulle det være bekymrende at praktisere geotekniske ingeniører?

det indlysende svar er, at det er en nøglefaktor til bestemmelse af behovet for afvanding og grundvandskontrol. For eksempel vil udgravninger under grundvandsniveauet i en jord med høj hydraulisk ledningsevne have brug for mere afvandingspumpning end udgravninger i jord med lav hydraulisk ledningsevne. De fleste lærebøger og vejledningsdokumenter om grundvandskontrol relaterer anvendeligheden af forskellige afvandingsteknikker tilbage til hydraulisk ledningsevne på en eller anden måde.

et mindre indlysende svar er, at fordi hydraulisk ledningsevne styrer dræningshastigheden af jord eller sten, har den en betydelig indvirkning på geotekniske stabilitetsproblemer (støttemure, skråninger, dæmninger, fundamenter).

hvis en jord har en høj hydraulisk ledningsevne, når en belastning (total stress) påføres en jord, vil det overskydende porevandstryk, der genereres af belastningen, hurtigt forsvinde. I jordmekanikterminologi vil jorden opføre sig på en’ drænet ‘ måde med relativt høje effektive belastninger, hvilket igen øger jordens eller klippets forskydningsstyrke, hvilket gør den stærkere. Omvendt, hvis en jord har en lav hydraulisk ledningsevne, når en belastning (total stress) påføres en jord, kan det overskydende porevandstryk, der genereres af belastningen, ikke hurtigt forsvinde. I jordmekanikterminologi vil jorden opføre sig på en’ udrænet ‘ måde med højt overskydende porevandstryk genereret af den påførte belastning, som derefter forsvinder langsomt over tid (i nogle tilfælde tager det flere år eller endda årtier at sprede sig). Højt overskydende porevandstryk resulterer i lave effektive belastninger, hvilket reducerer jordens eller stenens forskydningsstyrke, hvilket gør det svagere og øger risikoen for ustabilitet ved svigt.

betydningen af hydraulisk ledningsevne i geotekniske tekniske problemer overses undertiden, fordi den ofte ‘indpakkes’ inde i en anden parameter, såsom konsolideringskoefficient cv, som kan kombinere dræningshastighed (styret af hydraulisk ledningsevne) med andre faktorer.

estimering af hydraulisk ledningsevne

det er klart vigtigt at have realistiske skøn over hydraulisk ledningsevne for mange geotekniske problemer. Der er dog flere komplikationer med estimering af hydraulisk ledningsevne.

• jordens hydrauliske egenskaber kan variere fra sted til sted over korte afstande og kan være anisotropiske (forskellige i forskellige retninger).
• jordstof (lagdeling, lamineringer, forvitring) og stenstruktur (sprækker, fejl, karstfunktioner) kan påvirke hydraulisk ledningsevne.
• handlingen med at bore et borehul eller tage en prøve kan forstyrre jorden/klippen og påvirke den observerede værdi.
• hydraulisk ledningsevne måles ikke direkte. I virkeligheden måles fysiske parametre (såsom vandniveauer eller strømningshastigheder) direkte, og hydraulisk ledningsevne beregnes eller fortolkes derefter. Dette betyder, at der er to typer potentielle fejl – fejl i måling af rådataene og fejl i beregning af hydraulisk ledningsevne, især hvis der anvendes en analysemetode, der ikke passer til test-eller prøvebetingelserne.

metoder til estimering af hydraulisk ledningsevne

det er vanskeligt at opnå realistiske værdier for hydraulisk ledningsevne, men det er stadig værd at gøre og bør være en vigtig del af geotekniske undersøgelser.

der kan tages flere forskellige tilgange til estimering af hydraulisk ledningsevne:

• visuel vurdering – vurdering af jordtype eller klassificering og baseret på erfaring eller offentliggjorte værdier estimering af et omtrentligt interval af hydraulisk ledningsevne.
• partikelstørrelseskorrelationer – ved hjælp af empiriske korrelationer til at relatere partikelstørrelsesfordelinger i granulære jordarter til hydraulisk ledningsevne.
• laboratorietest – gennemtrængningstest på kerneprøver.
• borehulstest-in situ-test (stigende hoved, faldende hoved, konstante hovedprøver) udført i borehuller under boring eller senere i overvågningsbrønde.
• Pumpetest – kontrolleret og nøje overvåget pumpning fra en eller flere brønde, registrering af træk i observationsbrønde pumpet strømningshastighed.

metoder til estimering af hydraulisk ledningsevne vil blive beskrevet i senere blogs.