tiistai 8.7.2014

mikä on hydraulinen johtavuus?

tässä blogin painoksessa pohditaan, mitä on hydraulinen johtavuus? Nimellisarvosta tämä on kysymys, johon vastataan useimmissa hydrogeologian tai pohjaveden oppikirjoissa. Mutta harjoittelevalle pohjavesiinsinöörille olennaisempi kysymys on, mitä hydrauliikan johtavuus tarkoittaa työelämässämme insinöörihankkeissa? Sitä tässä blogissa käsitellään.

hydraulisen johtavuuden määritelmät

ensin täytyy olla jokin termistön kohta. Geoteknisessä kielenkäytössä hydraulisella johtavuudella tarkoitetaan usein permeabiliteettikerrointa, joka yleisimmin lyhennetään permeabiliteettiin. Tämä voi joskus aiheuttaa sekaannusta terminologiassa, kuten myöhemmin mainitaan.

teoreettisesti hydraulinen johtavuus on mitta siitä, kuinka helposti vesi pääsee kulkemaan maaperän tai kallion läpi: korkeat arvot osoittavat läpäisevää materiaalia, jonka läpi vesi pääsee helposti; matalat arvot osoittavat, että materiaali on vähemmän läpäisevää. Hydraulinen johtavuus merkitään tyypillisesti tunnuksella k ja sillä on nopeuden yksikköjä, esimerkiksi metriä sekunnissa tai metriä päivässä.

hydraulisen johtavuuden kannalta keskeinen seikka on se, että luonnontilaisilla mailla ja kivillä on hyvin laaja arvoalue, ehkä 10-2 m/S (Hyvin avoimilla sorilla ja mukulakivillä) ja 10-11 m / s (sekoittumattomilla savilla tai massiivisilla murtumattomilla kivillä). Tämä on valtava valikoima-kerroin miljardi! Tämä on paljon suurempi vaihteluväli kuin useimpien muiden geoteknisten parametrien, kuten leikkauslujuuden tai kokoonpuristuvuuden, osalta voitaisiin odottaa.

on myös tärkeää ymmärtää, että se, miten neste (kuten vesi) kulkee maa-tai kivimassan läpi, riippuu paitsi maa-aineksen / kallion ominaisuuksista myös läpäisevän nesteen ominaisuuksista. Tämä tarkoittaa, että tietty maa – aines tai kiviaines käyttäytyy eri tavalla, jos sitä läpäisevät erilaiset nesteet-esimerkiksi vesi tai hiilivedyt (öljy). Siksi käyttämällä termiä hydraulinen johtavuus on hyödyllinen, koska on selvää, että termi liittyy veden virtausta. Geoteknisessä tekniikassa yleisesti käytetyn termin ”permeabiliteetti” ongelmana on se, että muilla teollisuudenaloilla (kuten öljy – ja kaasuteollisuudessa) sen katsotaan tarkoittavan ”sisäistä permeabiliteettia”, joka on riippumaton läpäisevästä nesteestä – sisäisellä permeabiliteetilla on m2: n SI-yksiköt, vaikka se on yleisesti kuvattu darcysissa (jossa 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – ja se on merkittävästi erilainen parametri kuin hydraulinen johtavuus.

silloinkin, kun käsitellään pelkästään vettä läpäisevänä nesteenä, veden ominaisuuksilla voi olla vaikutusta. Veden viskositeetti vaihtelee lämpötilan mukaan, joten myös hydraulinen johtavuus vaihtelee lämpötilan mukaan. Useimmissa tapauksissa geoteknisten ongelmien lämpötilavaihtelut ovat kuitenkin niin pieniä, että niistä johtuvat muutokset Hydraulisessa johtavuudessa voidaan kohtuudella jättää huomiotta.

mitä hydraulinen johtavuus tarkoittaa?

kuten monet Geotekniset parametrit, hydraulinen johtavuus on käsitteeltään yksinkertainen, mutta sillä on joitakin hyvin monimutkaisia näkökohtia käytännössä, varsinkin kun yritetään saada realistisia mittauksia tai arvioita ominaisuuksista.

matemaattisesti hydraulinen johtavuus on todellisuudessa Darcyn laissa oleva kerroin, joka suhteuttaa veden virtausnopeuden hydrauliseen gradienttiin laminaarisissa virtausolosuhteissa. Tämä on helppo ymmärtää virtaus läpi isotrooppinen lohko huokoinen media kuten saatat nähdä tekstikirjassa, jossa hydraulinen johtavuus on sama kaikissa kohdissa (yhtenäinen ja homogeeninen) ja kaikkiin suuntiin (isotrooppinen).

luonnollisesti veden virtaus maaperän tai kivien läpi on kaikkea muuta kuin homogeeninen ja harvoin isotrooppinen.

maaperässä rakenne koostuu kosketuksessa olevista mineraalihiukkasista, jotka muodostavat maan tukirangan, jonka välitilassa on toisiinsa yhteydessä olevien huokosten verkosto.

idealisoitu näkymä maahiukkasista (mustana) ja ympäröivästä huokostilasta

veden on kuljettava usein mutkittelevaa polkua pitkin hiukkasten välisiä epäsäännöllisiä huokosia. Darcyn lain ja hydraulisen johtavuuden käsitteen käyttöä on perusteltu ”loitontamalla” ja käsittelemällä maa-aineksia suhteellisen homogeenisina huokoisina väliaineina, mutta on tärkeää ymmärtää, että pohjaveden virtaus maaperässä voi olla hyvin monimutkaista pienessä mittakaavassa. Virtausta voi vaikeuttaa entisestään maan rakenne tai kangas, kuten kerrospukeutuminen, laminointi tai rapautuminen.

tapaa, jolla vesi virtaa maamassan huokosten läpi, kutsutaan joskus ”primaariseksi läpäisevyydeksi” tai rakeiden väliseksi virtaukseksi. Sen sijaan useimmissa murtuneissa kivissä pohjaveden pääasiallinen virtaamistapa ei ole kallioon muodostuvien mineraalihiukkasten välisissä tiloissa (kivimassalla itsessään on yleensä hyvin alhainen hydraulinen johtavuus). Sen sijaan veden on kuljettava pitkin halkeamia, murtumia tai epäjatkuvuuksia sisällä kivimassa. Tällaista virtausta kutsutaan joskus ”sekundaariseksi permeabiliteetiksi” tai halkeamavirtaukseksi.

idealisoitu näkemys kalliomassan halkeamista tai murtumista

aivan kuten maaperässä veden virtauksen kivien läpi on usein kuljettava mutkittelevaa polkua pitkin epäsäännöllisiä halkeamia pitkin, ja jälleen Darcyn lain ja hydraulisen johtavuuden käsitteen käyttöä on perusteltu ”loitontamalla” ja käsittelemällä maa-aineksia vastaavina huokoisina väliaineina. On kuitenkin muistettava, että pohjaveden virtaus murtuneessa Kalliossa voi olla hyvin monimutkaista pienissä, keskisuurissa ja suurissa mittakaavoissa, erityisesti silloin, kun murtumissuuntaa, taajuutta ja aukon leveyttä säätelevät kallion rakenne ja rasitukset tai jos kivet ovat vesiliukoisia (kuten liitu ja kalkkikivet), jossa halkeamat ovat voineet laajentua vuosituhansien luonnollisen pohjaveden virtauksen.

miksi hydrauliikan johtavuus on tärkeää insinööreille?

hydrauliikan johtavuus voi olla mielenkiintoinen teoreettinen ongelma, mutta miksi sen pitäisi kiinnostaa geoteknisiä insinöörejä?

ilmeinen vastaus on, että se on keskeinen tekijä määritettäessä vedenpoistotarvetta ja pohjaveden säännöstelyä. Esimerkiksi kaivaukset pohjaveden pinnan alapuolella maaperässä, jossa on korkea hydraulinen johtavuus, tarvitsevat enemmän vedenpoistopumppausta kuin kaivaukset maaperässä, jossa on alhainen hydraulinen johtavuus. Useimmat pohjaveden Valvontaa koskevat oppikirjat ja ohjeasiakirjat liittyvät erilaisten vedenpoistotekniikoiden soveltuvuuteen tavalla tai toisella takaisin hydrauliikan johtavuuteen.

vähemmän ilmeinen vastaus on, että koska hydraulinen johtavuus ohjaa maaperän tai kallion kuivatusnopeutta, sillä on merkittävä vaikutus geoteknisiin vakausongelmiin (tukimuurit, rinteet, pengerrykset, perustukset).

Jos maa-aineksella on suuri hydraulinen johtavuus, kun maa-ainekseen kohdistuu kuormitus (kokonaisjännitys), kuormituksen synnyttämä ylimääräinen huokosveden paine haihtuu nopeasti. Maannosmekaniikan termistössä maaperä käyttäytyy ”valutetulla” tavalla, jossa on suhteellisen suuri efektiivinen rasitus, joka puolestaan lisää maa-aineksen tai kiven leikkauslujuutta tehden siitä vahvemman. Vastaavasti, jos maa-aineksella on alhainen hydraulinen johtavuus, kun maa-ainekseen kohdistuu kuormitus (kokonaisjännitys), kuormituksen aiheuttama ylimääräinen huokosveden paine ei voi nopeasti haihtua. Maannosmekaniikan termistössä maaperä käyttäytyy ”puhdistamattomalla” tavalla, jossa käytetyn kuorman aiheuttama ylimääräinen huokosveden paine on suuri ja joka sitten hajoaa hitaasti ajan myötä (joissakin tapauksissa kestää useita vuosia tai jopa vuosikymmeniä). Suuri ylimääräinen huokosvedenpaine aiheuttaa vähäistä tehokasta rasitusta, mikä vähentää maaperän tai kallion leikkauslujuutta, tekee siitä heikomman ja lisää epävakauden riskiä.

hydraulisen johtavuuden merkitys geoteknisissä teknisissä ongelmissa jätetään joskus huomiotta, koska se usein ”kääritään” toisen parametrin, kuten konsolidointikertoimen cv: n sisään, jossa voidaan yhdistää kuivatusnopeus (jota ohjataan hydraulisella johtavuudella) muihin tekijöihin.

hydraulisen johtavuuden arvioiminen

on selvästi tärkeää saada realistiset arviot hydraulisesta johtavuudesta monille geoteknisille ongelmille. Hydraulisen johtokyvyn arvioimiseen liittyy kuitenkin useita komplikaatioita.

• maan hydrauliset ominaisuudet voivat vaihdella paikasta toiseen lyhyillä etäisyyksillä ja ne voivat olla anisotrooppisia (erilaisia eri suuntiin).
• maakangas (kerrostuminen, laminointi, sää) ja kivirakenne (halkeamat, viat, karst-ominaisuudet) voivat vaikuttaa hydrauliseen johtokykyyn.
• porakaivon poraaminen tai näytteenotto voi häiritä maaperää / kalliota ja vaikuttaa havaittuun arvoon.
• hydraulista johtavuutta ei mitata suoraan. Todellisuudessa fysikaaliset parametrit (kuten vedenkorkeudet tai virtausnopeudet) mitataan suoraan, minkä jälkeen hydraulinen johtavuus lasketaan tai tulkitaan. Tämä tarkoittaa, että mahdollisia virhetyyppejä on kahdenlaisia: raakatietojen mittauksessa on virheitä ja hydraulisen johtavuuden laskennassa virheitä, varsinkin jos käytetään määritysmenetelmää, joka ei sovellu testi – tai näyteolosuhteisiin.

menetelmät hydraulisen johtavuuden arvioimiseksi

realististen arvojen saaminen hydrauliselle johtavuudelle on vaikeaa, mutta kannattaa silti tehdä, ja sen pitäisi olla keskeinen osa geoteknisiä tutkimuksia.

hydraulisen johtavuuden arviointiin voidaan soveltaa useita erilaisia lähestymistapoja:

• silmämääräinen arviointi – maalajin tai luokituksen arviointi ja kokemusten tai julkaistujen arvojen perusteella hydraulisen johtavuuden likimääräisen vaihteluvälin arviointi.
• Particle size correlations – using empirical correlations to relate particle size distributions in rakeinen maaperä to hydraulic conductivity.
• laboratoriokokeet – permeametritestaus ydinnäytteillä.
• porakaivotestit – In-situ-testit (nouseva Pää, laskeva Pää, jatkuva pääkoe), jotka tehdään porakaivoissa porauksen aikana tai myöhemmin kaivojen valvonnassa.
• Pumppaustestit – valvottu ja huolellisesti valvottu pumppaus yhdestä tai useammasta kaivosta, joka tallentaa havaintokaivojen pumppausvirran noston.

menetelmiä hydraulisen johtavuuden arvioimiseksi kuvataan myöhemmissä blogeissa.