tisdag 8 juli 2014

Vad är hydraulisk ledningsförmåga?

denna utgåva av bloggen tar upp frågan Vad är hydraulisk ledningsförmåga? På nominellt värde är detta en fråga som besvaras i de flesta hydrogeologi-eller grundvattenböcker. Men för den praktiserande grundvatteningenjören är en mer relevant fråga Vad betyder hydraulisk ledningsförmåga i våra arbetsliv på ingenjörsprojekt? Det är vad den här bloggen kommer att ta upp.

definitioner av hydraulisk konduktivitet

det måste finnas en terminologipunkt först. I geotekniskt språk kallas hydraulisk ledningsförmåga ofta som permeabilitetskoefficient, oftast förkortad till permeabilitet. Detta kan ibland leda till förvirring i terminologin, vilket kommer att nämnas senare.

i teoretiska termer är hydraulisk ledningsförmåga ett mått på hur lätt vatten kan passera genom jord eller sten: höga värden indikerar permeabelt material genom vilket vatten lätt kan passera; låga värden indikerar att materialet är mindre permeabelt. Hydraulisk ledningsförmåga ges vanligtvis symbolen k och har hastighetsenheter, till exempel meter/sek eller meter/dag.

en viktig aspekt av hydraulisk ledningsförmåga är att det finns ett mycket brett spektrum av värden i naturliga jordar och stenar, kanske ett intervall från 10-2 m/s (för mycket öppna grus och kullersten) till 10-11 m/s (ofri leror eller massiv ofrakturerad sten). Detta är ett stort utbud-en faktor på en miljard! Detta är ett mycket större intervall än vad som skulle förväntas för de flesta andra geotekniska parametrar som skjuvstyrka eller kompressibilitet.

det är också viktigt att inse att det sätt på vilket en vätska (som vatten) passerar genom en jord eller bergmassa beror inte bara på jordens/bergets egenskaper utan också på egenskaperna hos den genomträngande vätskan. Detta innebär att en viss jord eller sten kommer att bete sig annorlunda om den genomträngs av olika vätskor – till exempel vatten eller kolväten (olja). Det är därför som man använder termen hydraulisk ledningsförmåga är användbar, eftersom det är tydligt att termen avser flödet av vatten. Problemet med termen ’permeabilitet’, som ofta används inom geoteknisk teknik, är att det i andra industrier (såsom olje – och gasindustrin) menas den ’inneboende permeabilitet’ som är oberoende av den genomträngande vätskan – inneboende permeabilitet har SI-enheterna m2, även om det ofta beskrivs i Darcys (där 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – och är en signifikant annan parameter än hydraulisk ledningsförmåga.

även när man enbart arbetar med vatten som genomträngande vätska kan vattnets egenskaper påverka. Viskositeten hos vatten varierar med temperaturen, så hydraulisk ledningsförmåga varierar också med temperaturen. Men i de flesta fall är temperaturvariationerna i geotekniska problem tillräckligt små för att eventuella resulterande förändringar i hydraulisk ledningsförmåga rimligen kan försummas.

vad betyder hydraulisk ledningsförmåga?liksom många geotekniska parametrar är hydraulisk ledningsförmåga enkel i konceptet, men har några mycket komplexa aspekter i praktiken, särskilt när man försöker få realistiska mätningar eller uppskattningar av egenskaper.

matematiskt är hydraulisk ledningsförmåga faktiskt en koefficient i Darcys lag, som relaterar vattenflödeshastighet till hydraulisk gradient under laminära flödesförhållanden. Detta är lätt att förstå för flöde genom ett isotropiskt block av porösa medier som du kan se i en textbok, där hydraulisk ledningsförmåga är densamma vid alla punkter (enhetlig och homogen) och i alla riktningar (isotrop).naturligtvis är flödet av vatten genom jord eller stenar allt annat än homogent och är sällan isotropiskt.

i jordar består strukturen av mineralpartiklar i kontakt för att bilda jordskelettet, med ett nätverk av sammankopplade porer i utrymmet mellan.

idealiserad vy av jordpartiklar (i svart) och omgivande porutrymme

vatten måste ta en ofta slingrande väg längs oregelbundna porer mellan partiklarna. Användningen av Darcys lag och begreppet hydraulisk ledningsförmåga motiveras genom att’ zooma ut ’ och behandla jordblock som relativt homogena porösa medier, men det är viktigt att inse att grundvattenflödet i marken kan vara mycket komplext i liten skala. Flödet kan kompliceras ytterligare av markstruktur eller tyg som skiktning, laminering eller förväxling.

det sätt på vilket vatten strömmar genom porerna i en jordmassa kallas ibland ’primär permeabilitet’ eller intergranulärt flöde. Däremot är det i de flesta brutna bergarter det huvudsakliga sättet att grundvattnet strömmar inte genom utrymmena mellan mineralpartiklarna som bildar berget (själva bergmassan tenderar att ha en mycket låg hydraulisk ledningsförmåga). Istället måste vattnet passera längs sprickor, sprickor eller diskontinuiteter inom bergmassan. Denna typ av flöde kallas ibland sekundär permeabilitet eller sprickflöde.

idealiserad syn på sprickor eller sprickor i bergmassa

precis som i jordar måste flödet av vatten genom stenar ofta ta en slingrande väg längs oregelbundna sprickor, och återigen motiveras användningen av Darcys lag och begreppet hydraulisk ledningsförmåga genom att ”zooma ut” och behandla jordblock som likvärdiga porösa medier. Man måste dock komma ihåg att grundvattenflödet i sprickad sten kan vara mycket komplext i liten, medelstor och stor skala, särskilt där sprickriktning, frekvens och öppningsbredd styrs av bergstruktur och spänningar eller där klipporna är vattenlösliga (som krita och kalkstenar), där sprickor kan ha förstorats av årtusenden av naturligt grundvattenflöde.

varför är hydraulisk ledningsförmåga viktig för ingenjörer?

hydraulisk ledningsförmåga kan utgöra ett intressant teoretiskt problem, men varför skulle det vara av intresse för att öva geotekniska ingenjörer?

det uppenbara svaret är att det är en nyckelfaktor för att bestämma behovet av avvattning och grundvattenkontroll. Till exempel kommer utgrävningar under grundvattennivån i en jord med hög hydraulisk ledningsförmåga att behöva mer avvattningspumpning än utgrävningar i jord med låg hydraulisk ledningsförmåga. De flesta läroböcker och vägledningsdokument om grundvattenkontroll relaterar tillämpligheten av olika avvattningstekniker tillbaka till hydraulisk ledningsförmåga på ett eller annat sätt.

ett mindre uppenbart svar är att eftersom hydraulisk ledningsförmåga styr dräneringshastigheten för mark eller sten har den en betydande inverkan på geotekniska stabilitetsproblem (stödmurar, sluttningar, vallar, fundament).

om en jord har en hög hydraulisk ledningsförmåga, när en belastning (total stress) appliceras på en jord kommer överskottet av porvattentryck som genereras av lasten snabbt att försvinna. I markmekanik terminologi jorden kommer att bete sig på ett’ dränerat ’ sätt, med relativt höga effektiva påfrestningar, vilket i sin tur ökar skjuvhållfastheten i marken eller berget, vilket gör det starkare. Omvänt, om en jord har en låg hydraulisk ledningsförmåga, när en belastning (total stress) appliceras på en jord kan överskottet av porvattentryck som genereras av lasten inte snabbt försvinna. I markmekanik terminologi jorden kommer att bete sig på ett’ outrained ’ sätt, med högt överskott porvattentryck som genereras av den applicerade belastningen, som sedan skingras långsamt över tiden (i vissa fall tar flera år eller till och med årtionden att skingra). Högt överskott av porvattentryck resulterar i låga effektiva påfrestningar, vilket minskar skjuvstyrkan i marken eller berget, vilket gör den svagare och ökar risken för instabilitet av misslyckande.betydelsen av hydraulisk ledningsförmåga i geotekniska tekniska problem förbises ibland eftersom det ofta är inslaget i en annan parameter, såsom konsolideringskoefficient cv, som kan kombinera dräneringshastigheten (kontrollerad av hydraulisk ledningsförmåga) med andra faktorer.

uppskattning av hydraulisk ledningsförmåga

det är tydligt viktigt att ha realistiska uppskattningar av hydraulisk ledningsförmåga för många geotekniska problem. Det finns emellertid flera komplikationer med uppskattning av hydraulisk ledningsförmåga.

• jordens hydrauliska egenskaper kan variera från plats till plats över korta avstånd och kan vara anisotropa (olika i olika riktningar).
• Jordväv (skiktning, laminering, vittring) och bergstruktur (sprickor, fel, karstfunktioner) kan påverka hydraulisk ledningsförmåga.att borra ett borrhål eller ta ett prov kan störa marken / berget och påverka det observerade värdet.
• hydraulisk ledningsförmåga mäts inte direkt. I verkligheten mäts fysiska parametrar (såsom vattennivåer eller flödeshastigheter) direkt och hydraulisk ledningsförmåga beräknas eller tolkas sedan. Detta innebär att det finns två typer av potentiella fel-Fel vid mätning av rådata och fel vid beräkning av hydraulisk ledningsförmåga, särskilt om en analysmetod används som inte är lämplig för test-eller provförhållandena.

metoder för att uppskatta hydraulisk ledningsförmåga

att få realistiska värden på hydraulisk ledningsförmåga är svårt, men är fortfarande värt att göra och bör vara en viktig del av geotekniska undersökningar.

flera olika metoder kan vidtas för att uppskatta hydraulisk ledningsförmåga:

• visuell bedömning – bedömning av jordtyp eller klassificering och, baserat på erfarenhet eller publicerade värden, uppskattning av ett ungefärligt intervall av hydraulisk ledningsförmåga.
• partikelstorlekskorrelationer – använda empiriska korrelationer för att relatera partikelstorleksfördelningar i granulära jordar till hydraulisk ledningsförmåga.
• laboratorietester-permeametertestning på kärnprover.
• borrhålstester-in situ-tester (stigande Huvud, fallande Huvud, konstant huvudtest) utförda i borrhål under borrning eller senare i övervakningsbrunnar.
• Pumptester-kontrollerad och noggrant övervakad pumpning från en eller flera brunnar, inspelning av neddragning i observationsbrunnar pumpad flödeshastighet.

metoder för att uppskatta hydraulisk ledningsförmåga kommer att beskrivas i senare bloggar.