úterý 8. července 2014

co je hydraulická vodivost?

toto vydání blogu se zabývá otázkou, co je hydraulická vodivost? V nominální hodnotě je to otázka, která je zodpovězena ve většině učebnic hydrogeologie nebo podzemních vod. Ale pro praktikujícího inženýra podzemních vod je důležitější otázkou, Co znamená hydraulická vodivost v našem pracovním životě na inženýrských projektech? To je to, co tento blog bude řešit.

definice hydraulické vodivosti

nejprve musí být bod terminologie. V geotechnickém jazyce je hydraulická vodivost často označována jako koeficient propustnosti, nejčastěji zkrácený na propustnost. To může někdy vést ke zmatku v terminologii, jak bude uvedeno později.

V teoretické oblasti, hydraulická vodivost je měřítkem toho, jak snadno se může voda projít půdy nebo rock: vysoké hodnoty naznačují, prodyšný materiál, přes který voda může projít snadno; nízké hodnoty naznačují, že je materiál méně propustný. Hydraulická vodivost je obvykle dána symbolem k a má jednotky rychlosti, například metry / s nebo metry / den.

klíčovým aspektem hydraulické vodivosti je, že velmi široké spektrum hodnot, které existují v přírodní půdy a skály, možná v rozmezí od 10-2 m/s (pro velmi otevřené štěrky a valouny) 10-11 m/s (unfissured jíly nebo masivní, avšak ne rozbitou skálu). To je obrovský rozsah-faktor miliardy! Jedná se o mnohem větší rozsah, než by se očekávalo u většiny ostatních geotechnických parametrů, jako je pevnost ve smyku nebo stlačitelnost.

je také důležité si uvědomit, že tak, že tekutina (jako voda) prochází přes půdy nebo rock hmoty závisí nejen na vlastnostech půdy/horniny, ale také na vlastnostech prostupuje tekutina. To znamená, že daná půda nebo hornina se bude chovat odlišně, pokud bude pronikána různými tekutinami – například vodou nebo uhlovodíky (olejem). Proto je užitečné používat termín hydraulická vodivost, protože je zřejmé, že tento termín se týká toku vody. Problém s termínem propustnost‘, široce používané v geotechnice, je, že v jiných průmyslových odvětvích (např. v odvětví ropy a zemního plynu) se rozumí vnitřní propustnost‘, který je nezávislý na prostupující tekutiny – vnitřní propustnost má jednotkách SI m2, i když je běžně popsána v Darcyovi (kde 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – a je výrazně odlišný parametr hydraulické vodivosti.

i když se jedná pouze o vodu jako prostupující tekutinu, vlastnosti vody mohou mít vliv. Viskozita vody se mění s teplotou, takže hydraulická vodivost se také mění s teplotou. Ve většině případů je však rozsah teplotních výkyvů v geotechnických problémech dostatečně malý, že jakékoli výsledné změny hydraulické vodivosti lze rozumně zanedbat.

Co znamená hydraulická vodivost?

stejně Jako mnoho geotechnické parametry, hydraulická vodivost je jednoduchý koncept, ale má některé velmi složité aspekty v praxi, zejména, když se snaží získat realistické měření či odhady nemovitostí.

matematicky je hydraulická vodivost ve skutečnosti koeficientem Darcyho zákona, který spojuje rychlost proudění vody s hydraulickým gradientem za podmínek laminárního proudění. To je snadné pochopit pro průtok izotropním blokem porézních médií, jak můžete vidět v textové knize, kde hydraulická vodivost je stejná ve všech bodech (jednotná a homogenní) a ve všech směrech (izotropní).

samozřejmě tok vody půdami nebo horninami je něco jiného než homogenní a zřídka izotropní.

v půdách je struktura tvořena minerálními částicemi, které jsou v kontaktu, aby vytvořily půdní kostru, se sítí vzájemně propojených pórů v prostoru mezi nimi.

Idealizovaný pohled na půdní částice (v černém) a okolní pórového prostoru

Voda se musí často klikatá cesta podél nepravidelné póry mezi částicemi. Použití Darcyho zákon a pojem hydraulické vodivosti je odůvodněno ‚zoom out‘ a léčení bloků z půdy jako relativně homogenní porézní média, ale je důležité si uvědomit, že proudění podzemní vody v půdě může být velmi složité v malém měřítku. Tok může být dále komplikován strukturou půdy nebo tkaninou, jako je vrstvení, laminování nebo zvětrávání.

způsob, jakým voda protéká póry půdní hmoty, se někdy nazývá „primární propustnost“ nebo intergranulární tok. Naproti tomu ve většině zlomených hornin hlavní způsob, jakým proudí podzemní voda, není přes mezery mezi minerálními částicemi tvořícími horninu (samotná horninová hmota má tendenci mít velmi nízkou hydraulickou vodivost). Místo toho musí voda procházet podél trhlin, zlomenin nebo diskontinuit v horninové hmotě. Tento typ toku se někdy nazývá „sekundární permeabilita“ nebo fissure flow.

Idealizovaný pohled na trhliny nebo zlomeniny v rock hmotnost

Stejně jako v půdách průtok vody přes kameny musí často klikatá cesta podél nepravidelné trhliny, a znovu využití Darcyho zákona a pojem hydraulické vodivosti je odůvodněno ‚zoom out‘ a léčení bloků z půdy jako rovnocenné porézní média. Nicméně, je třeba připomenout, proudění podzemní vody v prasklá skála může být velmi složité v malých, středních a velkých, zejména tam, kde zlomenina směr, frekvence a šířka otevření jsou řízeny rock strukturu a zdůrazňuje, nebo tam, kde kameny jsou rozpustné ve vodě (jako jsou křídy a vápence), kde pukliny mohou stát rozšířené o tisíce let přirozeného proudění podzemní vody.

proč je hydraulická vodivost důležitá pro inženýry?

Hydraulická vodivost může představovat zajímavý teoretický problém, ale proč by se měla týkat praktických geotechnických inženýrů?

zřejmá odpověď je, že je klíčovým faktorem při určování potřeby odvodnění a kontroly podzemních vod. Například, výkopy pod hladinou podzemní vody v půdě, vysoké hydraulické vodivosti bude potřebovat více odvodňování čerpání, než vykopávky v půdě nízká hydraulická vodivost. Většina učebnic a pokynů pro kontrolu podzemních vod se týká použitelnosti různých technik odvodnění zpět na hydraulickou vodivost tak či onak.

méně zřejmá odpověď je, že proto, hydraulické vodivosti řídí rychlost odvodnění půdy nebo rock má významný vliv na geotechnické problémy se stabilitou (opěrné zdi, svahy, náspy, základy).

pokud má půda vysokou hydraulickou vodivost, při zatížení (celkové napětí) se na půdu rychle rozptýlí nadměrné tlaky vody z pórů generované zátěží. V půdě mechaniky terminologie půdy se bude chovat v ‚vypustit‘ způsobem, s relativně vysokou efektivní napětí, což představuje nárůst smykové pevnosti půdy nebo rock, takže je silnější. Naopak, pokud má půda nízkou hydraulickou vodivost, když je na půdu aplikováno zatížení (celkové napětí), nadměrné tlaky vody z pórů generované zatížením se nemohou rychle rozptýlit. V půdě mechaniky terminologie půdy se bude chovat v ‚hodnotu‘ způsobem, s vysokou přebytek pórů vody tlaků generovaných aplikované zatížení, které se pak rozptýlí se pomalu v průběhu času (v některých případech s ohledem na několik let nebo dokonce desetiletí rozptýlit). Vysoké nadměrné tlaky vody pórů mají za následek nízké účinné namáhání, snížení smykové pevnosti půdy nebo horniny, což je slabší a zvyšuje riziko nestability selhání.

význam hydraulické vodivosti v geotechnické problémy je někdy přehlížena, protože to je často zabalené uvnitř další parametr, jako je součinitel konsolidace cv, které se mohou kombinovat rychlost odvodnění (ovládané hydraulické vodivosti) s dalšími faktory.

odhad hydraulické vodivosti

je jednoznačně důležité mít realistické odhady hydraulické vodivosti pro mnoho geotechnických problémů. Existuje však několik komplikací s odhadem hydraulické vodivosti.

• hydraulické vlastnosti země se mohou lišit od místa k místu na krátké vzdálenosti a mohou být anizotropní(různé v různých směrech).
• půdní tkanina (vrstvení, laminování, zvětrávání) a struktura hornin (trhliny, poruchy, krasové prvky) mohou ovlivnit hydraulickou vodivost.
• úkon vrtání vrtu nebo odebrání vzorku může narušit půdu / horninu a ovlivnit pozorovanou hodnotu.
• Hydraulická vodivost se neměří přímo. Ve skutečnosti se přímo měří fyzikální parametry (jako jsou hladiny vody nebo průtoky) a poté se vypočítá nebo interpretuje hydraulická vodivost. To znamená, že existují dva typy možných chyb – chyby v měření surových dat a chyby ve výpočtu hydraulické vodivosti, zejména v případě, že metoda je použita analýza, která není vhodná k testu nebo vzorku podmínek.

metody odhadu hydraulické vodivosti

získání realistických hodnot hydraulické vodivosti je obtížné, ale stále stojí za to a mělo by být klíčovou součástí geotechnických výzkumů.

Několik různých přístupů může být užíván pro odhad hydraulické vodivosti:

• Vizuální posouzení – posouzení typu půdy nebo třídění, a na základě zkušenosti nebo zveřejněny hodnoty, odhad, přibližný rozsah hydraulické vodivosti.
• korelace velikosti částic – použití empirických korelací pro vztah distribuce velikosti částic v granulovaných půdách s hydraulickou vodivostí.
• laboratorní testy-permeametrové testování na jádrových vzorcích.
• zkoušky vrtů-in-situ zkoušky (stoupající hlava, padající hlava, konstantní zkoušky hlavy) prováděné ve vrtech během vrtání nebo později v monitorovacích vrtech.
• Čerpací zkoušky – řízené a pečlivě sledovat čerpání z jednoho nebo více vrtů, nahrávání čerpání v pozorovacích vrtů čerpána průtok.

metody odhadu hydraulické vodivosti budou popsány v pozdějších blozích.