tirsdag 8 juli 2014

Hva Er Hydraulisk Ledningsevne?

denne utgaven av bloggen tar opp spørsmålet hva er hydraulisk ledningsevne? På pålydende er dette et spørsmål som besvares i de fleste hydrogeologi eller grunnvann lærebøker. Men for den praktiserende grunnvannsingeniøren er et mer relevant problem hva betyr hydraulisk ledningsevne i våre arbeidsliv på ingeniørprosjekter? Det er hva denne bloggen vil ta opp.

DEFINISJONER AV HYDRAULISK LEDNINGSEVNE

det må være et terminologipunkt først. I geoteknisk språk er hydraulisk ledningsevne ofte referert til som permeabilitetskoeffisient, oftest forkortet til permeabilitet. Dette kan noen ganger føre til forvirring i terminologi,som det vil bli nevnt senere.teoretisk sett er hydraulisk ledningsevne et mål på hvor lett vann kan passere gjennom jord eller stein: høye verdier indikerer permeabelt materiale gjennom hvilket vann kan passere lett; lave verdier indikerer at materialet er mindre permeabelt. Hydraulisk ledningsevne er vanligvis gitt symbolet k og har hastighetsenheter, for eksempel meter / sek eller meter / dag.et viktig aspekt ved hydraulisk ledningsevne er at et meget bredt spekter av verdier finnes i naturlig jord og bergarter, kanskje et område fra 10-2 m / s (for svært åpne grus og brostein) til 10-11 m / s (unfissured leire eller massiv ubruddsstein). Dette er et stort utvalg-en faktor på en milliard! Dette er et mye større område enn det som forventes for de fleste andre geotekniske parametere som skjærstyrke eller komprimerbarhet.

det er også viktig å innse at måten en væske (som vann) passerer gjennom en jord eller bergmasse, ikke bare avhenger av egenskapene til jord / stein, men også av egenskapene til den gjennomtrengende væsken. Dette betyr at en gitt jord eller stein vil oppføre seg annerledes hvis den gjennomsyres av forskjellige væsker – for eksempel vann eller hydrokarboner (olje). Det er derfor bruk av begrepet hydraulisk ledningsevne er nyttig, fordi det er klart at begrepet gjelder vannstrømmen. Problemet med begrepet ‘permeabilitet’, mye brukt i geoteknikk, er at i andre næringer (som olje – og gassindustrien) er det tatt for å bety ‘indre permeabilitet’ som er uavhengig av gjennomtrengende væske – indre permeabilitet har si-enheter av m2, selv om det er ofte beskrevet I Darcys (der 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – og er en betydelig annen parameter til hydraulisk ledningsevne.

selv når du arbeider utelukkende med vann som gjennomtrengende væske, egenskapene til vann kan ha en innflytelse. Viskositeten til vann varierer med temperatur, så hydraulisk ledningsevne vil også variere med temperatur. I de fleste tilfeller er imidlertid temperaturvariasjonene i geotekniske problemer små nok til at eventuelle endringer i hydraulisk ledningsevne med rimelighet kan overses.

HVA BETYR HYDRAULISK LEDNINGSEVNE?som mange geotekniske parametere er hydraulisk ledningsevne enkel i konsept, men har noen svært komplekse aspekter i praksis, spesielt når man prøver å oppnå realistiske målinger eller estimater av egenskaper.Matematisk er hydraulisk ledningsevne faktisk en koeffisient I Darcys lov, som relaterer vannstrømningshastighet til hydraulisk gradient under laminære strømningsforhold. Dette er lett å forstå for strømning gjennom en isotrop blokk av porøse medier som du kanskje ser i en lærebok, hvor hydraulisk ledningsevne er den samme på alle punkter (uniform og homogen) og i alle retninger (isotrop).selvfølgelig er strømmen av vann gjennom jord eller bergarter alt annet enn homogen og er sjelden isotrop.

i jord består strukturen av mineralpartikler i kontakt for å danne jordskjelettet, med et nettverk av sammenkoblede porer i mellomrommet mellom.

Idealisert visning av jordpartikler (i svart) og omkringliggende porerom

Vann må gå en ofte kronglete vei langs irregulære porer mellom partiklene. Bruken Av Darcys lov og begrepet hydraulisk ledningsevne er begrunnet ved å ‘zoome ut’ og behandle jordblokker som relativt homogene porøse medier, men det er viktig å innse at grunnvannstrømmen i jord kan være svært kompleks i liten skala. Flyt kan bli ytterligere komplisert av jordstruktur eller stoff som lagdeling, lamineringer eller forvitring.

måten vann strømmer gjennom porene i en jordmasse kalles noen ganger ‘primær permeabilitet’ eller intergranulær strømning. I motsetning til dette, i de fleste brutte bergarter er den viktigste måten at grunnvannet strømmer ikke gjennom mellomrommene mellom mineralpartiklene som danner fjellet (bergmassen selv har en svært lav hydraulisk ledningsevne). I stedet må vannet passere langs sprekker, brudd eller diskontinuiteter i bergmassen. Denne typen flyt kalles noen ganger sekundær permeabilitet eller fissurstrøm.

Idealisert syn på sprekker eller brudd i bergmasse

akkurat som i jord strømmen av vann gjennom bergarter må ofte ta en kronglete sti langs uregelmessige sprekker, og igjen bruk Av Darcys lov og begrepet hydraulisk ledningsevne er berettiget ved å ‘zoome ut’ og behandle blokker av jord som ekvivalente porøse medier. Imidlertid må det huskes grunnvannsstrømmen i brukket stein kan være svært kompleks i liten, middels og stor skala, spesielt hvor bruddretning, frekvens og åpningsbredde styres av bergstruktur og spenninger eller hvor bergarter er vannløselige (som kritt og kalkstein), hvor sprekker kan ha blitt forstørret av årtusener av naturlig grunnvannstrøm.

HVORFOR ER HYDRAULISK LEDNINGSEVNE VIKTIG FOR INGENIØRER?

Hydraulisk ledningsevne kan være et interessant teoretisk problem, men hvorfor skal det være av interesse for å praktisere geotekniske ingeniører?

det åpenbare svaret er at det er en nøkkelfaktor for å bestemme behovet for avvanning og grunnvannskontroll. For eksempel vil utgravninger under grunnvannsnivået i en jord med høy hydraulisk ledningsevne trenge mer avvanningspumping enn utgravninger i jord med lav hydraulisk ledningsevne. De fleste lærebøker og veiledningsdokumenter om grunnvannskontroll relaterer bruken av ulike avvanningsteknikker tilbake til hydraulisk ledningsevne på en eller annen måte.et mindre åpenbart svar er at fordi hydraulisk ledningsevne styrer dreneringen av jord eller stein, har det en betydelig innvirkning på geotekniske stabilitetsproblemer (støttemurer, bakker, dike, fundament).

hvis en jord har en høy hydraulisk ledningsevne, vil det overskytende porevannstrykket som genereres av lasten raskt forsvinne når en belastning (total spenning) påføres en jord. I jordmekanikk terminologi jord vil oppføre seg i en ‘drenert’ måte, med relativt høy effektiv påkjenninger, som i sin tur øke skjær styrke jord eller stein, noe som gjør det sterkere. Omvendt, hvis en jord har lav hydraulisk ledningsevne, når en belastning (total spenning) påføres en jord, kan det overskytende porevannstrykket som genereres av lasten, ikke raskt løsne seg. I jordmekanikk terminologi jord vil oppføre seg i en ‘undrained’ måte, med høy overflødig pore vanntrykk generert av den påførte belastning, som deretter spre sakte over tid(i noen tilfeller tar flere år eller tiår å spre). Høyt overskudd av porevannstrykk resulterer i lave effektive påkjenninger, reduserer skjærstyrken til jord eller stein, noe som gjør den svakere og øker risikoen for ustabilitet av svikt.betydningen av hydraulisk ledningsevne i geotekniske tekniske problemer blir noen ganger oversett fordi det ofte er pakket inn i en annen parameter, for eksempel konsolideringskoeffisient cv, som kan kombinere dreneringshastighet (styrt av hydraulisk ledningsevne) med andre faktorer.DET er klart viktig å ha realistiske estimater av hydraulisk ledningsevne for mange geotekniske problemer. Det er imidlertid flere komplikasjoner med estimering av hydraulisk ledningsevne.

• grunnens hydrauliske egenskaper kan variere fra sted til sted over korte avstander og kan være anisotropiske (forskjellige i forskjellige retninger).
• Jord stoff (lagdeling, lamineringer, forvitring) og stein struktur (sprekker, feil, karst funksjoner) kan påvirke hydraulisk ledningsevne.
• handlingen med å bore et borehull eller å ta en prøve kan forstyrre jord / stein og påvirke den observerte verdien.
• Hydraulisk ledningsevne måles ikke direkte. I virkeligheten måles fysiske parametere (som vannstand eller strømningshastigheter) direkte, og hydraulisk ledningsevne beregnes eller tolkes. Dette betyr at det er to typer potensielle feil-feil i måling av rådata og feil i beregning av hydraulisk ledningsevne, spesielt hvis en analysemetode brukes som ikke passer til test-eller prøvebetingelsene.METODER FOR Å ESTIMERE HYDRAULISK LEDNINGSEVNE Å Oppnå realistiske verdier av hydraulisk ledningsevne Er vanskelig, men er fortsatt verdt å gjøre, og bør være en viktig del av geotekniske undersøkelser.

  Flere forskjellige tilnærminger kan tas for å estimere hydraulisk ledningsevne:

  • Visuell vurdering-vurdere jordtype eller gradering og, basert på erfaring eller publiserte verdier, estimere et omtrentlig utvalg av hydraulisk ledningsevne.
  • Partikkelstørrelseskorrelasjoner – ved hjelp av empiriske korrelasjoner for å relatere partikkelstørrelsesfordelinger i granulære jordarter til hydraulisk ledningsevne.
  • Laboratorietester-permeameter testing på kjerneprøver.
  • Borehullstester-in-situ-tester (stigende hode, fallende hode, konstante hodetester) utført i borehull under boring eller senere i overvåkingsbrønner.
  • Pumping tester – kontrollert og nøye overvåket pumping fra en eller flere brønner, opptak drawdown i observasjon brønner pumpet flow rate.

  metoder for estimering av hydraulisk ledningsevne vil bli beskrevet i senere blogger.