Dienstag, 8. Juli 2014

Was ist hydraulische Leitfähigkeit?

Diese Ausgabe des Blogs befasst sich mit der Frage Was ist hydraulische Leitfähigkeit? Auf den Nennwert ist dies eine Frage, die in den meisten Hydrogeologie- oder Grundwasserlehrbüchern beantwortet wird. Aber für den praktizierenden Grundwasseringenieur ist eine relevantere Frage: Was bedeutet hydraulische Leitfähigkeit in unserem Arbeitsleben bei Ingenieurprojekten? Das ist es, was dieser Blog ansprechen wird.

DEFINITIONEN DER HYDRAULISCHEN LEITFÄHIGKEIT

Es muss zuerst ein Punkt der Terminologie sein. In der geotechnischen Sprache wird die hydraulische Leitfähigkeit oft als Permeabilitätskoeffizient bezeichnet, am häufigsten verkürzt auf Permeabilität. Dies kann manchmal zu Verwirrung in der Terminologie führen, wie später erwähnt wird.

Theoretisch ist die hydraulische Leitfähigkeit ein Maß dafür, wie leicht Wasser durch Boden oder Gestein hindurchtreten kann: Hohe Werte zeigen durchlässiges Material an, durch das Wasser leicht hindurchtreten kann; niedrige Werte zeigen an, dass das Material weniger durchlässig ist. Die hydraulische Leitfähigkeit wird typischerweise mit dem Symbol k angegeben und hat Geschwindigkeitseinheiten, beispielsweise Meter / s oder Meter/Tag.Ein Schlüsselaspekt der hydraulischen Leitfähigkeit ist, dass in natürlichen Böden und Gesteinen ein sehr breiter Bereich von Werten existiert, vielleicht ein Bereich von 10-2 m / s (für sehr offene Kiese und Kopfsteinpflaster) bis 10-11 m / s (ungerissene Tone oder massives ungerissenes Gestein). Das ist eine riesige Bandbreite – ein Faktor von einer Milliarde! Dies ist ein viel größerer Bereich, als für die meisten anderen geotechnischen Parameter wie Scherfestigkeit oder Kompressibilität zu erwarten wäre.

Es ist auch wichtig zu erkennen, dass die Art und Weise, wie eine Flüssigkeit (z. B. Wasser) durch eine Boden- oder Gesteinsmasse fließt, nicht nur von den Eigenschaften des Bodens / Gesteins, sondern auch von den Eigenschaften der permeierenden Flüssigkeit abhängt. Dies bedeutet, dass sich ein bestimmter Boden oder Gestein anders verhält, wenn er von verschiedenen Flüssigkeiten durchdrungen wird – zum Beispiel Wasser oder Kohlenwasserstoffe (Öl). Aus diesem Grund ist die Verwendung des Begriffs hydraulische Leitfähigkeit nützlich, da klar ist, dass sich der Begriff auf den Wasserfluss bezieht. Das Problem mit dem Begriff ‚Permeabilität‘, der in der Geotechnik weit verbreitet ist, besteht darin, dass in anderen Branchen (wie der Öl– und Gasindustrie) die ‚intrinsische Permeabilität‘ verstanden wird, die unabhängig von der permeierenden Flüssigkeit ist – die intrinsische Permeabilität hat die SI-Einheiten von m2, obwohl sie üblicherweise in Darcys beschrieben wird (wobei 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – und ein signifikant anderer Parameter als die hydraulische Leitfähigkeit ist.

Auch wenn es sich ausschließlich um Wasser als Permeationsflüssigkeit handelt, können die Eigenschaften von Wasser einen Einfluss haben. Die Viskosität von Wasser variiert mit der Temperatur, daher variiert auch die hydraulische Leitfähigkeit mit der Temperatur. In den meisten Fällen ist der Bereich der Temperaturschwankungen bei geotechnischen Problemen jedoch so klein, dass daraus resultierende Änderungen der hydraulischen Leitfähigkeit vernünftigerweise vernachlässigt werden können.

WAS BEDEUTET HYDRAULISCHE LEITFÄHIGKEIT?Wie viele geotechnische Parameter ist die hydraulische Leitfähigkeit einfach im Konzept, hat aber in der Praxis einige sehr komplexe Aspekte, insbesondere wenn versucht wird, realistische Messungen oder Schätzungen von Eigenschaften zu erhalten.Mathematisch ist die hydraulische Leitfähigkeit tatsächlich ein Koeffizient im Darcy’schen Gesetz, der die Wasserströmungsgeschwindigkeit mit dem hydraulischen Gradienten unter laminaren Strömungsbedingungen in Beziehung setzt. Dies ist für die Strömung durch einen isotropen Block poröser Medien leicht zu verstehen, wie Sie es in einem Lehrbuch sehen können, wo die hydraulische Leitfähigkeit an allen Punkten (gleichmäßig und homogen) und in allen Richtungen (isotrop) gleich ist.

Natürlich ist der Wasserfluss durch Böden oder Gesteine alles andere als homogen und selten isotrop.

In Böden besteht die Struktur aus mineralischen Partikeln, die in Kontakt stehen, um das Bodenskelett zu bilden, mit einem Netzwerk miteinander verbundener Poren im Raum dazwischen.

Idealisierte Sicht auf Bodenpartikel (in schwarz) und den umgebenden Porenraum

Wasser muss einen oft gewundenen Weg entlang unregelmäßiger Poren zwischen den Partikeln nehmen. Die Verwendung des Darcyschen Gesetzes und des Konzepts der hydraulischen Leitfähigkeit wird durch das Herauszoomen und die Behandlung von Bodenblöcken als relativ homogene poröse Medien gerechtfertigt, Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass der Grundwasserfluss in Böden in kleinem Maßstab sehr komplex sein kann. Die Strömung kann durch Bodenstruktur oder Gewebe wie Schichten, Laminierungen oder Verwitterung weiter erschwert werden.Die Art und Weise, wie Wasser durch die Poren einer Bodenmasse fließt, wird manchmal als primäre Permeabilität oder interkristalliner Fluss bezeichnet. Im Gegensatz dazu ist in den meisten gebrochenen Gesteinen der Hauptweg, dass Grundwasser fließt, nicht durch die Räume zwischen den Mineralpartikeln, die das Gestein bilden (die Gesteinsmasse selbst neigt dazu, eine sehr geringe hydraulische Leitfähigkeit zu haben). Stattdessen muss das Wasser Risse, Brüche oder Diskontinuitäten innerhalb der Gesteinsmasse passieren. Diese Art der Strömung wird manchmal als sekundäre Permeabilität oder Fissurenfluss bezeichnet.

Idealisierte Sicht auf Risse oder Brüche in der Gesteinsmasse

Genau wie in Böden muss der Wasserfluss durch Gesteine oft einen gewundenen Weg entlang unregelmäßiger Risse nehmen, und wieder wird die Verwendung des Darcy-Gesetzes und des Konzepts der hydraulischen Leitfähigkeit durch „Herauszoomen“ und Behandeln von Bodenblöcken als gleichwertige poröse Medien gerechtfertigt. Es muss jedoch daran erinnert werden, dass der Grundwasserfluss in gebrochenem Gestein im kleinen, mittleren und großen Maßstab sehr komplex sein kann, insbesondere dort, wo Bruchrichtung, Häufigkeit und Öffnungsbreite durch Gesteinsstruktur und Spannungen gesteuert werden oder wo die Gesteine wasserlöslich sind (wie Kreide und Kalksteine), wo Risse durch Jahrtausende natürlichen Grundwasserflusses vergrößert worden sein können.

WARUM IST HYDRAULISCHE LEITFÄHIGKEIT FÜR INGENIEURE WICHTIG?

Hydraulische Leitfähigkeit kann ein interessantes theoretisches Problem darstellen, aber warum sollte es für praktizierende Geotechniker von Belang sein?

Die offensichtliche Antwort ist, dass es ein Schlüsselfaktor für die Bestimmung der Notwendigkeit der Entwässerung und Grundwasserkontrolle ist. Beispielsweise erfordern Ausgrabungen unterhalb des Grundwasserspiegels in einem Boden mit hoher hydraulischer Leitfähigkeit mehr Entwässerungspumpen als Ausgrabungen in Böden mit niedriger hydraulischer Leitfähigkeit. Die meisten Lehrbücher und Leitfäden zur Grundwasserkontrolle beziehen die Anwendbarkeit verschiedener Entwässerungstechniken auf die eine oder andere Weise auf die hydraulische Leitfähigkeit zurück.

Eine weniger offensichtliche Antwort ist, dass die hydraulische Leitfähigkeit, da sie die Entwässerungsrate von Boden oder Gestein steuert, einen erheblichen Einfluss auf geotechnische Stabilitätsprobleme (Stützmauern, Hänge, Böschungen, Fundamente) hat.

Wenn ein Boden eine hohe hydraulische Leitfähigkeit aufweist, werden die durch die Last erzeugten überschüssigen Porenwasserdrücke schnell abgebaut, wenn eine Last (Gesamtspannung) auf einen Boden aufgebracht wird. In der Terminologie der Bodenmechanik verhält sich der Boden entwässert mit relativ hohen effektiven Spannungen, die wiederum die Scherfestigkeit des Bodens oder Gesteins erhöhen und ihn stärker machen. Umgekehrt, wenn ein Boden eine niedrige hydraulische Leitfähigkeit hat, wenn eine Last (Gesamtspannung) auf einen Boden aufgebracht wird, können die überschüssigen Porenwasserdrücke, die durch die Last erzeugt werden, nicht schnell abgeführt werden. In der Terminologie der Bodenmechanik verhält sich der Boden in einer ‚undrainierten‘ Weise, mit hohen überschüssigen Porenwasserdrücken, die durch die aufgebrachte Last erzeugt werden, die sich dann langsam im Laufe der Zeit auflösen (in einigen Fällen dauert es mehrere Jahre oder sogar Jahrzehnte, um sich zu zerstreuen). Hohe überschüssige Porenwasserdrücke führen zu niedrigen effektiven Spannungen, wodurch die Scherfestigkeit des Bodens oder Gesteins verringert wird, wodurch es schwächer wird und das Risiko einer Instabilität des Versagens erhöht wird.

Die Bedeutung der hydraulischen Leitfähigkeit bei geotechnischen Problemen wird manchmal übersehen, da sie oft in einem anderen Parameter, wie dem Konsolidierungskoeffizienten cv, eingeschlossen ist, der die Entwässerungsrate (gesteuert durch die hydraulische Leitfähigkeit) mit anderen Faktoren kombinieren kann.

SCHÄTZUNG DER HYDRAULISCHEN LEITFÄHIGKEIT

Es ist eindeutig wichtig, realistische Schätzungen der hydraulischen Leitfähigkeit für viele geotechnische Probleme zu haben. Es gibt jedoch mehrere Komplikationen bei der Schätzung der hydraulischen Leitfähigkeit.

• Die hydraulischen Eigenschaften des Bodens können über kurze Strecken von Ort zu Ort variieren und anisotrop sein (in verschiedene Richtungen unterschiedlich).
• Bodengewebe (Schichtung, Laminierung, Verwitterung) und Gesteinsstruktur (Risse, Verwerfungen, Karstmerkmale) können die hydraulische Leitfähigkeit beeinflussen.
• Das Bohren eines Bohrlochs oder die Entnahme einer Probe kann den Boden/das Gestein stören und den beobachteten Wert beeinflussen.
• Die hydraulische Leitfähigkeit wird nicht direkt gemessen. In Wirklichkeit werden physikalische Parameter (wie Wasserstände oder Durchflussraten) direkt gemessen und die hydraulische Leitfähigkeit berechnet oder interpretiert. Dies bedeutet, dass es zwei Arten von potenziellen Fehlern gibt – Fehler bei der Messung der Rohdaten und Fehler bei der Berechnung der hydraulischen Leitfähigkeit, insbesondere wenn eine Analysemethode verwendet wird, die nicht für die Test- oder Probenbedingungen geeignet ist.

METHODEN ZUR SCHÄTZUNG DER HYDRAULISCHEN LEITFÄHIGKEIT

Das Erhalten realistischer Werte der hydraulischen Leitfähigkeit ist schwierig, lohnt sich aber dennoch und sollte ein wesentlicher Bestandteil geotechnischer Untersuchungen sein.

Zur Abschätzung der hydraulischen Leitfähigkeit können verschiedene Ansätze gewählt werden:

• Visuelle Beurteilung – Beurteilung des Bodentyps oder der Einstufung und, basierend auf Erfahrungen oder veröffentlichten Werten, Schätzung eines ungefähren Bereichs der hydraulischen Leitfähigkeit.
• Partikelgrößenkorrelationen – Verwendung empirischer Korrelationen, um Partikelgrößenverteilungen in körnigen Böden mit der hydraulischen Leitfähigkeit in Beziehung zu setzen.
• Labortests – Permeametertests an Kernproben.
• Bohrlochtests – In-situ-Tests (Tests mit steigendem Kopf, fallendem Kopf, konstantem Kopf), die in Bohrlöchern während des Bohrens oder später in Überwachungsbohrlöchern durchgeführt werden.
• Pumptests – gesteuert und sorgfältig überwacht Pumpen von einem oder mehreren Brunnen, Aufnahme Drawdown in Beobachtungsbrunnen gepumpt Durchflussrate.

Methoden zur Schätzung der hydraulischen Leitfähigkeit werden in späteren Blogs beschrieben.