marți 8 iulie 2014

ce este conductivitatea hidraulică?

această ediție a blogului abordează întrebarea Ce este conductivitatea hidraulică? La valoarea nominală aceasta este o întrebare la care se răspunde în majoritatea manualelor de hidrogeologie sau ape subterane. Dar pentru inginerul practicant al apelor subterane, o problemă mai relevantă este ce înseamnă conductivitatea hidraulică în viața noastră de lucru pe proiecte de inginerie? Aceasta este ceea ce acest blog va aborda.

definițiile conductivității hidraulice

trebuie să existe mai întâi un punct de terminologie. În limbajul geotehnic conductivitatea hidraulică este adesea denumită coeficient de permeabilitate, cel mai frecvent scurtat la permeabilitate. Acest lucru poate duce uneori la confuzie în terminologie, așa cum va fi menționat mai târziu.în termeni teoretici, conductivitatea hidraulică este o măsură a cât de ușor poate trece apa prin sol sau rocă: valorile ridicate indică materialul permeabil prin care apa poate trece cu ușurință; valorile scăzute indică faptul că materialul este mai puțin permeabil. Conductivitatea hidraulică este de obicei dată simbolul k și are unități de viteză, de exemplu metri/sec sau metri/zi.

un aspect cheie al conductivității hidraulice este că există o gamă foarte largă de valori în solurile și rocile naturale, poate o gamă de la 10-2 m/s (pentru pietrișuri și pietrișuri foarte deschise) la 10-11 m / s (argile nefisurate sau roci masive nefracturate). Aceasta este o gamă uriașă-un factor de un miliard! Aceasta este o gamă mult mai mare decât s-ar aștepta pentru majoritatea celorlalți parametri geotehnici, cum ar fi rezistența la forfecare sau compresibilitatea.

de asemenea, este important să ne dăm seama că modul în care un fluid (cum ar fi apa) trece printr-un sol sau o masă de rocă depinde nu numai de proprietățile solului/rocii, ci și de proprietățile fluidului permeabil. Aceasta înseamnă că un anumit sol sau rocă se va comporta diferit dacă este pătruns de diferite fluide – de exemplu apă sau hidrocarburi (ulei). De aceea, utilizarea termenului de conductivitate hidraulică este utilă, deoarece este clar că termenul se referă la fluxul de apă. Problema cu termenul ‘permeabilitate’, utilizat pe scară largă în ingineria Geotehnică, este că în alte industrii (cum ar fi industria petrolului și a gazelor) se înțelege’ permeabilitatea intrinsecă ‘ care este independentă de fluidul permeabil – permeabilitatea intrinsecă are unitățile SI DE m2, deși este descrisă în mod obișnuit în Darcys (unde 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – și este un parametru semnificativ diferit de conductivitatea hidraulică.

chiar și atunci când se ocupă exclusiv de apă ca fluid permeabil, proprietățile apei pot avea o influență. Vâscozitatea apei variază în funcție de temperatură, astfel încât conductivitatea hidraulică va varia și în funcție de temperatură. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, gama de variații de temperatură în problemele geotehnice este suficient de mică încât orice modificare rezultată a conductivității hidraulice poate fi neglijată în mod rezonabil.

ce înseamnă conductivitatea hidraulică?

ca mulți parametri geotehnici, conductivitatea hidraulică este simplă în concept, dar are câteva aspecte foarte complexe în practică, mai ales atunci când se încearcă obținerea unor măsurători realiste sau estimări ale proprietăților.matematic, conductivitatea hidraulică este de fapt un coeficient în Legea lui Darcy, care leagă viteza de curgere a apei de gradientul hidraulic în condiții de curgere laminară. Acest lucru este ușor de înțeles pentru curgerea printr-un bloc izotrop de medii poroase, așa cum ați putea vedea într-o carte de text, unde conductivitatea hidraulică este aceeași în toate punctele (uniformă și omogenă) și în toate direcțiile (izotropă).

desigur, fluxul de apă prin soluri sau roci este altceva decât omogen și este rareori izotrop.

în soluri, structura este alcătuită din particule minerale în contact pentru a forma scheletul solului, cu o rețea de pori interconectați în spațiul dintre.

vedere idealizată a particulelor de sol (în negru) și a spațiului porilor din jur

apa trebuie să ia o cale adesea sinuoasă de-a lungul porilor neregulați dintre particule. Utilizarea legii lui Darcy și a conceptului de conductivitate hidraulică este justificată prin micșorarea și tratarea blocurilor de sol ca fiind medii poroase relativ omogene, dar este important să ne dăm seama că fluxul de apă subterană în soluri poate fi foarte complex la scară mică. Fluxul poate fi complicat și mai mult de structura solului sau de țesături, cum ar fi stratificarea, laminările sau intemperiile.

modul în care apa curge prin porii unei mase de sol este uneori numit ‘permeabilitate primară’ sau flux intergranular. În schimb, în majoritatea rocilor fracturate, principalul mod în care curge apa subterană nu este prin spațiile dintre particulele minerale care formează roca (masa de rocă în sine tinde să aibă o conductivitate hidraulică foarte scăzută). În schimb, apa trebuie să treacă de-a lungul fisurilor, fracturilor sau discontinuităților din masa rocii. Acest tip de flux este uneori numit ‘permeabilitate secundară’ sau flux de fisură.

vedere idealizată a fisurilor sau fracturilor din masa rocilor

la fel ca în soluri, fluxul de apă prin roci trebuie să ia adesea o cale sinuoasă de-a lungul fisurilor neregulate și, din nou, utilizarea legii lui Darcy și a conceptului de conductivitate hidraulică este justificată prin „micșorarea” și tratarea blocurilor de sol ca fiind medii poroase echivalente. Cu toate acestea, trebuie amintit că fluxul de apă subterană în roca fracturată poate fi foarte complex la scară mică, medie și mare, în special acolo unde direcția fracturii, frecvența și lățimea deschiderii sunt controlate de structura rocii și solicitări sau unde rocile sunt solubile în apă (cum ar fi Creta și calcarele), unde fisurile s-ar fi putut mări cu milenii de flux natural de apă subterană.

de ce este importantă conductivitatea hidraulică pentru ingineri?

conductivitatea hidraulică poate prezenta o problemă teoretică interesantă, dar de ce ar trebui să fie îngrijorătoare practicarea inginerilor geotehnici?

răspunsul evident este că este un factor cheie în determinarea nevoii de deshidratare și controlul apelor subterane. De exemplu, săpăturile sub nivelul apei subterane într-un sol cu conductivitate hidraulică ridicată vor avea nevoie de mai multă pompare de deshidratare decât săpăturile din sol cu conductivitate hidraulică scăzută. Majoritatea manualelor și documentelor de orientare privind controlul apelor subterane se referă la aplicabilitatea diferitelor tehnici de deshidratare înapoi la conductivitatea hidraulică într-un fel sau altul.

un răspuns mai puțin evident este că, deoarece conductivitatea hidraulică controlează rata de drenaj a solului sau a rocii, are un impact semnificativ asupra problemelor de stabilitate Geotehnică (ziduri de sprijin, versanți, terasamente, fundații).

dacă un sol are o conductivitate hidraulică ridicată, atunci când o sarcină (stres total) este aplicată unui sol, presiunile excesive ale apei porilor generate de sarcină se vor disipa rapid. În terminologia mecanicii solului, solul se va comporta într-o manieră drenată, cu solicitări eficiente relativ ridicate, care la rândul lor cresc rezistența la forfecare a solului sau a rocii, făcându-l mai puternic. În schimb, dacă un sol are o conductivitate hidraulică scăzută, atunci când o sarcină (stres total) este aplicată unui sol, presiunile excesive ale apei porilor generate de sarcină nu se pot disipa rapid. În terminologia mecanicii solului, solul se va comporta într-o manieră nedesenată, cu presiuni ridicate ale apei porilor în exces generate de sarcina aplicată, care apoi se disipează încet în timp (în unele cazuri durează câțiva ani sau chiar decenii pentru a se disipa). Presiunile excesive ale apei porilor au ca rezultat solicitări eficiente scăzute, reducând rezistența la forfecare a solului sau a rocii, făcându-l mai slab și crescând riscul de instabilitate a eșecului.

importanța conductivității hidraulice în problemele de inginerie geotehnică este uneori trecută cu vederea, deoarece este adesea înfășurată în interiorul unui alt parametru, cum ar fi coeficientul de consolidare cv, care poate combina rata de drenaj (controlată de conductivitatea hidraulică) cu alți factori.

estimarea conductivității hidraulice

este clar important să existe estimări realiste ale conductivității hidraulice pentru multe probleme geotehnice. Cu toate acestea, există mai multe complicații cu estimarea conductivității hidraulice.proprietățile hidraulice ale solului pot varia de la un loc la altul pe distanțe scurte și pot fi anizotrope (diferite în direcții diferite).

metode de estimare a conductivității hidraulice

obținerea unor valori realiste ale conductivității hidraulice este dificilă, dar merită încă făcută și ar trebui să fie o parte cheie a investigațiilor geotehnice.

pot fi luate mai multe abordări diferite pentru estimarea conductivității hidraulice:

• evaluare vizuală – evaluarea tipului de sol sau a gradării și, pe baza experienței sau a valorilor publicate, estimarea unui interval aproximativ de conductivitate hidraulică.
• corelațiile dimensiunii particulelor-folosind corelații empirice pentru a raporta distribuțiile dimensiunii particulelor în solurile granulare la conductivitatea hidraulică.
• teste de laborator – testarea permeametrului pe probe de bază.
• teste de foraj-teste in-situ (cap în creștere, cap care se încadrează, teste de cap constant) efectuate în foraje în timpul forajului sau mai târziu în puțuri de monitorizare.
• teste de pompare-controlate și atent monitorizate de pompare de la unul sau mai multe sonde, înregistrarea tragerii în puțuri de observare pompat debit.

metodele de estimare a conductivității hidraulice vor fi descrise în blogurile ulterioare.