wtorek 8 lipca 2014

Co to jest przewodność hydrauliczna?

w tej edycji bloga zadajemy pytanie Czym jest przewodnictwo hydrauliczne? Jeśli chodzi o wartość nominalną, jest to pytanie, na które odpowiada większość podręczników hydrogeologii lub wód podziemnych. Ale dla praktykującego inżyniera wód podziemnych bardziej istotną kwestią jest to, co oznacza przewodność hydrauliczna w naszym życiu zawodowym nad projektami inżynieryjnymi? To jest to, co ten blog będzie adres.

definicje przewodności hydraulicznej

najpierw musi być punkt terminologiczny. W języku geotechnicznym przewodnictwo hydrauliczne jest często określane jako współczynnik przepuszczalności, najczęściej skracany do przepuszczalności. Może to czasami prowadzić do nieporozumień w terminologii, o czym wspomnę później.

w kategoriach teoretycznych przewodność hydrauliczna jest miarą tego, jak łatwo woda może przechodzić przez glebę lub skałę: wysokie wartości wskazują na przepuszczalny materiał, przez który woda może łatwo przechodzić; niskie wartości wskazują, że materiał jest mniej przepuszczalny. Przewodność hydrauliczna jest zwykle oznaczana symbolem k i ma jednostki prędkości, na przykład metry / sek lub metry / dzień.

kluczowym aspektem przewodności hydraulicznej jest to, że bardzo szeroki zakres wartości występuje w naturalnych glebach i skałach, być może w zakresie od 10-2 m/s (dla bardzo otwartych żwirów i bruków) do 10-11 m/s (nieosłonięte gliny lub masywne niefrakcyjne skały). Jest to ogromny zakres-czynnik miliardowy! Jest to znacznie większy zakres niż można by się spodziewać dla większości innych parametrów geotechnicznych, takich jak wytrzymałość na ścinanie lub ściśliwość.

ważne jest również, aby zdać sobie sprawę, że sposób, w jaki płyn (taki jak woda) przechodzi przez glebę lub masę skalną, zależy nie tylko od właściwości gleby/skały, ale także od właściwości płynu przenikającego. Oznacza to, że dana gleba lub skała zachowa się inaczej, jeśli zostanie przeniknięta przez różne płyny – na przykład wodę lub węglowodory (olej). Dlatego użycie terminu przewodność hydrauliczna jest przydatne, ponieważ jest oczywiste, że termin odnosi się do przepływu wody. Problem z pojęciem „przepuszczalność”, szeroko stosowanym w inżynierii geotechnicznej, polega na tym, że w innych gałęziach przemysłu (takich jak przemysł naftowy i gazowy) oznacza się „wewnętrzną przepuszczalność”, która jest niezależna od płynu przepuszczającego – wewnętrzna przepuszczalność ma jednostki SI m2, chociaż jest powszechnie opisywana w Darcys (gdzie 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – i jest znacząco innym parametrem niż przewodność hydrauliczna.

nawet jeśli mamy do czynienia wyłącznie z wodą jako płynem przenikającym, właściwości wody mogą mieć wpływ. Lepkość wody zmienia się w zależności od temperatury, więc przewodność hydrauliczna będzie również zmieniać się w zależności od temperatury. Jednak w większości przypadków zakres wahań temperatury w problemach geotechnicznych jest na tyle mały, że wszelkie wynikające z tego zmiany przewodności hydraulicznej można racjonalnie pominąć.

co oznacza przewodność hydrauliczna?

podobnie jak wiele parametrów geotechnicznych, przewodność hydrauliczna jest prosta w koncepcji, ale ma kilka bardzo złożonych aspektów w praktyce, szczególnie przy próbie uzyskania realistycznych pomiarów lub szacunków właściwości.

matematycznie przewodność hydrauliczna jest w rzeczywistości współczynnikiem w prawie Darcy ’ ego, który odnosi prędkość przepływu wody do gradientu hydraulicznego w warunkach przepływu laminarnego. Jest to łatwe do zrozumienia dla przepływu przez izotropowy blok porowatych mediów, jak można zobaczyć w książce tekstowej, gdzie przewodność hydrauliczna jest taka sama we wszystkich punktach (jednorodna i jednorodna) i we wszystkich kierunkach (izotropowa).

oczywiście przepływ wody przez gleby lub skały nie jest jednorodny i rzadko jest izotropowy.

w glebie struktura składa się z cząstek mineralnych w kontakcie, tworząc szkielet gleby, z siecią połączonych ze sobą porów w przestrzeni między nimi.

wyidealizowany widok cząstek gleby (w kolorze czarnym) i otaczającej przestrzeni porów

woda musi podążać często krętą ścieżką wzdłuż nieregularnych porów między cząstkami. Zastosowanie prawa Darcy 'ego i pojęcia przewodności hydraulicznej jest uzasadnione przez „powiększanie” i traktowanie bloków gleby jako względnie jednorodnych porowatych mediów, ale ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że przepływ wód gruntowych w glebach może być bardzo złożony na małą skalę. Przepływ może być dodatkowo utrudniony przez strukturę gleby lub tkaniny, takie jak warstwowanie, laminowanie lub wietrzenie.

sposób, w jaki woda przepływa przez pory masy glebowej, jest czasami nazywany „pierwotną przepuszczalnością” lub przepływem międzykrystalicznym. W przeciwieństwie do tego, w większości skał pękniętych głównym sposobem przepływu wód gruntowych nie jest przepuszczanie przez przestrzenie między cząstkami mineralnymi tworzącymi skałę (sama masa skalna ma zwykle bardzo niską przewodność hydrauliczną). Zamiast tego woda musi przejść wzdłuż szczelin, pęknięć lub nieciągłości w masie skalnej. Ten rodzaj przepływu jest czasami nazywany „przepuszczalnością wtórną” lub przepływem szczelinowym.

wyidealizowany widok szczelin lub pęknięć w masie skalnej

podobnie jak w glebie przepływ wody przez skały często musi przebiegać krętą ścieżką wzdłuż nieregularnych szczelin, a ponownie użycie prawa Darcy 'ego i pojęcia przewodności hydraulicznej jest uzasadnione przez „powiększanie” i traktowanie bloków gleby jako równoważnych porowatych mediów. Należy jednak pamiętać, że przepływ wód gruntowych w pękniętej skale może być bardzo złożony w małej, średniej i dużej skali, zwłaszcza gdy kierunek pękania, częstotliwość i szerokość otworu są kontrolowane przez strukturę skał i naprężenia lub gdy skały są rozpuszczalne w wodzie (takie jak kreda i wapienie), gdzie szczeliny mogły zostać powiększone przez tysiąclecia naturalnego przepływu wód gruntowych.

dlaczego przewodność hydrauliczna jest ważna dla inżynierów?

przewodnictwo hydrauliczne może stanowić interesujący problem teoretyczny, ale dlaczego miałoby być problemem dla praktyków geotechnicznych?

oczywistą odpowiedzią jest to, że jest to kluczowy czynnik w określaniu potrzeby odwadniania i kontroli wód gruntowych. Na przykład wykopaliska poniżej poziomu wód gruntowych w glebie o wysokiej przewodności hydraulicznej będą wymagały większego pompowania odwadniającego niż wykopaliska w glebie o niskiej przewodności hydraulicznej. Większość podręczników i wytycznych dotyczących kontroli wód podziemnych odnosi się do zastosowania różnych technik odwadniania z powrotem do przewodności hydraulicznej w taki czy inny sposób.

mniej oczywistą odpowiedzią jest to, że ponieważ przewodność hydrauliczna kontroluje szybkość odwadniania gleby lub skał, ma to znaczący wpływ na problemy stabilności geotechnicznej (mury oporowe, zbocza, nasypy, fundamenty).

jeśli gleba ma wysoką przewodność hydrauliczną, gdy obciążenie (naprężenie całkowite) zostanie przyłożone do gleby, nadmiar ciśnienia wody porowej generowanego przez obciążenie szybko się rozproszy. W terminologii mechaniki gleby gleba będzie zachowywać się w sposób „osuszony”, ze stosunkowo wysokimi efektywnymi naprężeniami, które z kolei zwiększają wytrzymałość na ścinanie gleby lub skały, czyniąc ją silniejszą. Z drugiej strony, jeśli gleba ma niską przewodność hydrauliczną, gdy obciążenie (naprężenie całkowite) jest przyłożone do gleby, nadmiar ciśnienia wody porowej generowanego przez obciążenie nie może szybko zniknąć. W terminologii mechaniki gleby gleba będzie zachowywać się w sposób „nieskrępowany”, z wysokim nadmiarem ciśnienia wody porowej generowanym przez przyłożone obciążenie, które następnie z czasem powoli się rozprasza (w niektórych przypadkach rozpraszanie trwa kilka lat, a nawet dziesięcioleci). Wysokie nadmierne ciśnienie wody porowej powoduje niskie naprężenia skuteczne, zmniejszając wytrzymałość na ścinanie gleby lub skały, czyniąc ją słabszą i zwiększając ryzyko niestabilności awarii.

znaczenie przewodności hydraulicznej w problemach geotechnicznych jest czasami pomijane, ponieważ często jest „owinięte” w inny parametr, taki jak współczynnik konsolidacji cv, który może łączyć szybkość drenażu (kontrolowanego przez przewodność hydrauliczną) z innymi czynnikami.

szacowanie przewodności hydraulicznej

w przypadku wielu problemów geotechnicznych ważne jest posiadanie realistycznych szacunków przewodności hydraulicznej. Istnieje jednak kilka komplikacji związanych z szacowaniem przewodności hydraulicznej.

• właściwości hydrauliczne podłoża mogą się różnić w zależności od miejsca na krótkich dystansach i mogą być anizotropowe (różne w różnych kierunkach).
• Tkanina Glebowa (warstwowanie, laminowanie, wietrzenie) i struktura skał (szczeliny, usterki, cechy krasowe) mogą wpływać na przewodność hydrauliczną.
• czynność wiercenia otworu wiertniczego lub pobrania próbki może zaburzać glebę / skałę i wpływać na obserwowaną wartość.
• przewodność hydrauliczna nie jest mierzona bezpośrednio. W rzeczywistości parametry fizyczne (takie jak poziom wody lub natężenie przepływu) są mierzone bezpośrednio, a przewodność hydrauliczna jest następnie obliczana lub interpretowana. Oznacza to, że istnieją dwa rodzaje potencjalnych błędów – błędy w pomiarze nieprzetworzonych danych i błędy w obliczeniach przewodności hydraulicznej, zwłaszcza jeśli stosowana jest Metoda analizy, która nie jest odpowiednia do warunków badania lub Próbki.

metody szacowania przewodności hydraulicznej

uzyskanie realistycznych wartości przewodności hydraulicznej jest trudne, ale nadal warto to robić i powinno być kluczowym elementem badań geotechnicznych.

można zastosować kilka różnych metod szacowania przewodności hydraulicznej:

• ocena wizualna – ocena typu gleby lub klasyfikacji oraz, na podstawie doświadczeń lub opublikowanych wartości, oszacowanie przybliżonego zakresu przewodności hydraulicznej.
• korelacje wielkości cząstek-wykorzystanie korelacji empirycznych do powiązania rozkładów wielkości cząstek w glebach ziarnistych z przewodnością hydrauliczną.
• badania laboratoryjne – badania permeametrowe na próbkach rdzeniowych.
• testy otworów wiertniczych-testy in situ (Głowica wznosząca, Głowica opadająca, Głowica stała) przeprowadzane w otworach wiertniczych podczas wiercenia lub później w studniach monitorujących.
• testy pompowania – kontrolowane i starannie monitorowane pompowanie z jednej lub więcej studni, rejestrujące spadek wydajności pompowanych studni obserwacyjnych.

metody szacowania przewodności hydraulicznej zostaną opisane w późniejszych blogach.