2014. július 8., kedd

mi a hidraulikus vezetőképesség?

a blog ezen kiadása arra a kérdésre foglalkozik, hogy mi a hidraulikus vezetőképesség? Névértéken ez egy olyan kérdés, amelyre a legtöbb hidrogeológiai vagy felszín alatti tankönyv válaszol. De a gyakorló talajvízmérnök számára relevánsabb kérdés az, hogy mit jelent a hidraulikus vezetőképesség a mérnöki projekteken végzett munkánk során? Ez az, amit ez a blog fog foglalkozni.

A hidraulikus vezetőképesség meghatározása

először terminológiának kell lennie. A geotechnikai nyelv hidraulikus vezetőképesség gyakran nevezik együttható permeabilitás, leggyakrabban rövidített permeabilitás. Ez néha zavart okozhat a terminológiában, amint azt később megemlítjük.

Az elméleti feltételek, hidraulikus vezetőképesség az intézkedés milyen könnyen víz sem juthat át a talaj -, vagy rock: magas értékek azt jelzik, áteresztő anyag, amelyen keresztül a víz egyszerűen át; alacsony értékek azt jelzik, hogy az anyag kevésbé áteresztő. A hidraulikus vezetőképesség jellemzően k jellel van ellátva, és sebességegységekkel rendelkezik, például méter/sec vagy méter/nap.

a hidraulikus vezetőképesség egyik legfontosabb szempontja, hogy a természetes talajokban és kőzetekben nagyon sokféle érték létezik, talán 10-2 m/s-tól (nagyon nyitott sírok és macskakövek esetében) 10-11 m/s-ig (nem szabadított agyag vagy masszív, nem frakcionált szikla). Ez egy hatalmas tartomány-egy milliárd tényező! Ez sokkal nagyobb tartomány, mint a legtöbb más Geotechnikai paraméter, például a nyírószilárdság vagy a összenyomhatóság esetében várható.

fontos felismerni azt is, hogy a folyadék (például víz) talajon vagy kőzettömegen való áthaladásának módja nemcsak a talaj/kőzet tulajdonságaitól, hanem az Áthatoló folyadék tulajdonságaitól is függ. Ez azt jelenti, hogy egy adott talaj vagy kőzet másképp viselkedik, ha különböző folyadékok – például víz vagy szénhidrogének (olaj) – áthatolják. Ezért hasznos a hidraulikus vezetőképesség kifejezés használata, mert egyértelmű, hogy a kifejezés a víz áramlására vonatkozik. A probléma az a kifejezés, hogy ‘képesség’, széles körben használják a geotechnikai mérnöki, hogy más iparágakban (pl. olaj, gáz, ipari) venni, hogy a ‘belső permeabilitás, amely független a átható folyadék – belső permeabilitás van az SI egység m2, bár ez általánosan leírt Darcys (ahol 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – jelentősen különböző paraméter hidraulikus vezetőképesség.

még akkor is, ha kizárólag vízzel, mint áteresztő folyadékkal foglalkozik, a víz tulajdonságai befolyásolhatják. A víz viszkozitása a hőmérséklettől függ, így a hidraulikus vezetőképesség a hőmérséklettől is változik. A legtöbb esetben azonban a geotechnikai problémák hőmérsékletváltozásainak tartománya elég kicsi ahhoz, hogy a hidraulikus vezetőképesség bármilyen változása ésszerűen elhanyagolható legyen.

mit jelent a hidraulikus vezetőképesség?

mint sok Geotechnikai paraméter, a hidraulikus vezetőképesség koncepcióban egyszerű, de a gyakorlatban nagyon összetett szempontokkal rendelkezik, különösen akkor, ha reális méréseket vagy becsléseket próbál elérni a tulajdonságokról.

matematikailag a hidraulikus vezetőképesség valójában együttható a Darcy törvényében, amely a víz áramlási sebességét a lamináris áramlási körülmények közötti hidraulikus gradienshez kapcsolja. Ezt könnyű megérteni, az áramlást egy izotróp blokk porózus média, mint lehet látni egy könyv, ahol a hidraulikus vezetőképesség ugyanaz pontok (egységes, homogén), valamint minden irányban (izotróp).

természetesen a talajokon vagy sziklákon keresztül történő vízáramlás nem más, mint homogén, és ritkán izotróp.

a talajban a szerkezet ásványi részecskékből áll, amelyek érintkeznek a talajvázzal, összekapcsolt pórusok hálózatával a köztük lévő térben.

idealizált nézet a talajrészecskék (fekete) és a környező pórustér

a víznek gyakran kanyargós úton kell haladnia a részecskék közötti szabálytalan pórusok mentén. A Darcy-törvény alkalmazását és a hidraulikus vezetőképesség fogalmát azzal indokolják, hogy a talajtömböket viszonylag homogén porózus közegként kezelik, de fontos felismerni, hogy a talajvíz-áramlás kis léptékben nagyon összetett lehet. Az áramlást tovább bonyolíthatja a talajszerkezet vagy a szövet, például rétegezés, laminálás vagy időjárás.

a talajtömeg pórusain átfolyó vizet néha “elsődleges permeabilitásnak” vagy intergranuláris áramlásnak nevezik. Ezzel szemben a legtöbb törött kőzetben a talajvíz áramlásának fő módja nem a kőzetet alkotó ásványi részecskék közötti terek (maga a kőzettömeg általában nagyon alacsony hidraulikus vezetőképességgel rendelkezik). Ehelyett a víznek hasadékokon, töréseken vagy megszakításokon kell haladnia a kőzettömegen belül. Ezt a fajta áramlást néha “másodlagos permeabilitásnak” vagy hasadékáramnak nevezik.

Idealizált kilátás repedések vagy törések a kő tömeges

mint a talaj, a víz áramlását keresztül sziklák kell gyakran egy kanyargós ösvény mentén szabálytalan repedések, majd újra a használata Darcy törvény, valamint a koncepció a hidraulikus vezetőképesség indokolja ‘közelben’ kezelése blokkok talaj egyenértékűnek porózus média. Azonban nem szabad elfelejteni, felszín alatti vízáramlás a törött kő is nagyon összetett, a kis, közepes vagy nagy méretű, különösen ott, ahol a törés iránya, gyakorisága, nyitási szélesség által ellenőrzött rock szerkezet, valamint hangsúlyozza, vagy ahol a sziklák, vízoldható (pl. kréta, limestones), ahol a repedések válhat a megnagyobbodott által évezredek során a természetes felszín alatti vizek áramlási.

miért fontos a hidraulikus vezetőképesség a mérnökök számára?

A hidraulikus vezetőképesség érdekes elméleti problémát jelenthet, de miért kellene aggodalomra ad okot a geotechnikai mérnökök gyakorlása?

a nyilvánvaló válasz az, hogy ez kulcsfontosságú tényező a víztelenítés és a talajvíz-ellenőrzés szükségességének meghatározásában. Például a magas hidraulikus vezetőképességű talajban a talajvíz szintje alatt végzett ásatásoknak több víztelenítő szivattyúzásra van szükségük, mint az alacsony hidraulikus vezetőképességű talajban végzett ásatások. A talajvíz-Szabályozással kapcsolatos legtöbb tankönyv és útmutató dokumentum a különböző víztelenítési technikák alkalmazhatóságát a hidraulikus vezetőképességhez valamilyen módon visszavezeti.

kevésbé nyilvánvaló válasz az, hogy mivel a hidraulikus vezetőképesség szabályozza a talaj vagy a kőzet vízelvezetésének sebességét, jelentős hatással van a geotechnikai stabilitási problémákra (támfalak, lejtők, töltések, alapok).

Ha egy talaj magas hidraulikus vezetőképességgel rendelkezik, amikor terhelést (teljes stresszt) alkalmaznak a talajra, a terhelés által generált felesleges pórusvíznyomás gyorsan eloszlik. A talajmechanikai terminológiában a talaj “lecsapolt” módon viselkedik, viszonylag nagy hatékonyságú feszültséggel, ami viszont növeli a talaj vagy a szikla nyírási szilárdságát, erősebbé téve. Ezzel szemben, ha egy talaj alacsony hidraulikus vezetőképességgel rendelkezik, amikor terhelést (teljes stresszt) alkalmaznak a talajra, a terhelés által generált felesleges pórusvíznyomás nem képes gyorsan eloszlatni. A talajmechanikai terminológiában a talaj “korlátlanul” viselkedik, az alkalmazott terhelés által generált magas felesleges pórusvíznyomással ,amely az idő múlásával lassan eloszlik(egyes esetekben több évig vagy akár évtizedekig is eltarthat). A magas pórusvíz-nyomás alacsony effektív feszültségeket eredményez, csökkenti a talaj vagy a szikla nyírószilárdságát, gyengébbé teszi, és növeli a kudarc instabilitásának kockázatát.

A fontosságát, hidraulikus vezetőképesség a geotechnikai mérnöki problémák néha figyelmen kívül hagyni, mert gyakran ‘csomagolni’ be egy másik paraméter, mint például a együtthatója konszolidáció önéletrajz, amely lehet kombinálni mértéke a vízelvezető (által vezérelt hidraulikus vezetőképesség) egyéb tényezők.

A hidraulikus vezetőképesség becslése

nyilvánvalóan fontos, hogy reális becslések legyenek a hidraulikus vezetőképességről számos Geotechnikai problémára. A hidraulikus vezetőképesség becslésével azonban számos szövődmény van.

• a talaj hidraulikus tulajdonságai rövid távolságokon helytől helyig változhatnak, és lehetnek anizotróp (különböző irányokban eltérőek).
• a talajszövet (rétegezés, laminálás, időjárás) és a kőzet szerkezete (repedések, hibák, karsztos jellemzők) befolyásolhatja a hidraulikus vezetőképességet.
• a fúrólyuk fúrása vagy a minta felvétele zavarhatja a talajt/sziklát, és befolyásolhatja a megfigyelt értéket.
• a hidraulikus vezetőképességet nem közvetlenül mérik. A valóságban a fizikai paramétereket (például a vízszintet vagy az áramlási sebességet) közvetlenül mérik, majd a hidraulikus vezetőképességet kiszámítják vagy értelmezik. Ez azt jelenti, hogy kétféle lehetséges hiba-hiba van a nyers adatok mérésében, valamint hibák a hidraulikus vezetőképesség kiszámításában, különösen akkor, ha olyan elemzési módszert alkalmaznak, amely nem felel meg a vizsgálat vagy a minta feltételeinek.

a hidraulikus vezetőképesség becslésének módszerei

a hidraulikus vezetőképesség reális értékeinek megszerzése nehéz, de még mindig érdemes megtenni, és a geotechnikai vizsgálatok kulcsfontosságú részének kell lennie.

a hidraulikus vezetőképesség becslésére többféle megközelítés alkalmazható:

• vizuális értékelés-a talaj típusának vagy osztályozásának értékelése, valamint a tapasztalatok vagy a közzétett értékek alapján a hidraulikus vezetőképesség hozzávetőleges tartományának becslése.
• részecskeméret-korrelációk-empirikus korrelációk segítségével a szemcsés talajokban a részecskeméret-eloszlásokat a hidraulikus vezetőképességhez kapcsolják.
• laboratóriumi vizsgálatok-permeameter vizsgálat magmintákon.
• fúrólyuk – vizsgálatok-in-situ vizsgálatok (emelkedő fej, leeső fej, állandó fej vizsgálatok) végzett fúrás során, vagy később ellenőrző kutak.
• szivattyúzási vizsgálatok-ellenőrzött és gondosan ellenőrzött szivattyúzás egy vagy több kutak, felvétel lehívás megfigyelési kutak szivattyúzott áramlási sebesség.

a hidraulikus vezetőképesség becslésének módszereit a későbbi blogokban ismertetjük.