Определения, термины и закономерности
Фильтрацией называется движение жидкости или газа в пористой среде. Под средой подразумевается твёрдая фаза.
Большинство сред являются пóристыми: грунты, бетон, кирпич и т.д. Но не в каждой пористой среде происходит фильтрация. Движение жидкости или газа происходит только по сообщающимся между собой порам (не замкнутым). Кроме того, размер пор должен быть достаточным для пропуска жидкости или газа. Среды с такими порами называются фильтрующими или проницаемыми. Примерами фильтрующих сред могут служить некоторые грунты (пески, сýпеси, суглúнки), строительные материалы (щебень, пористый бетон, кирпичная кладка). Проницаемость пористой среды определяется опытным путём.
Водоупором называют грунт, практически не пропускающий воду. Глины часто являются водоупорными, так как поры в них замкнутые и малого размера. Непроницаемый же строительный материал принято именовать гидроизоляционным (а не водоупорным). Так, в качестве гидроизоляции используют цементный раствор, различные битумные мастики, толь, рубероид.
Теория фильтрации применительно к водоснабжению и строительству рассматривает закономерности фильтрации воды с целью проведения количественных расчётов:
— притока подземных вод к водозаборным сооружениям (скважинам, колодцам и т.д.);
— работы фильтров на станции водоподготовки при приготовлении питьевой воды;
— при прогнозах подтопления подземными водами территорий застройки;
— при выборе систем строительного водопонижения для котлованов, траншей или подземных проходок в водонасыщенных грунтах;
— при проектировании дренажных систем (дренажéй), понижающих уровень грунтовых вод (УГВ) для защиты подземных сооружений и помещений зданий от подтопления.
Термины теории фильтрации во многом совпадают с гидравлическими. Движение жидкости при фильтрации принято рассматривать каксплошной поток, будто бы твёрдых частиц пористой среды нет. Поэтому фильтрационные потоки формально имеют сходство с потоками в трубах и каналах.
Перечислим элементы фильтрационных потоков (термины).
Свободная поверхность — это граница раздела между полностью водонасыщенной пористой средой и осушенной её частью (рис. 17). На этой границе давление равно атмосферному pатм . Особенностью является то, что над свободной поверхностью в пористой среде имеется капиллярная зона высотой hк , которая не полностью водонасыщена, но где часть влаги удерживается капиллярными силами пор.
Все фильтрационные потоки делятся на:
— напорные (без свободной поверхности);
— безнапорные(со свободной поверхостью).
Примерами напорных фильтрационных потоков могут служить артезианские подземные воды, которые при бурении скважин дают фонтан. Примером безнапорных потоков является грунтовые воды, просачивающиеся в котлованы и траншеи, что рассмотрено ниже.
Определения линии тока, площади живого сечения потока w (м2) и фильтрационного расхода Q (м3/сут) можно использовать гидравлические (см. гидродинамику, с. 13). Но в отношении w нужно учитывать, что это площадь вся — и пор, и твёрдой фазы, так как в теории фильтрации принято считать поток сплошным (условие сплошности).
Движение потока при фильтрации всегда происходит под влиянием разности напоров DH (м), от большего напора к меньшему.
Фильтрационный напор H (м) находится формально как гидростатический:
,
так как в нём обычно не учитывается скоростная составляющая напора hv(см. гидродинамический напор, с. 15) из-за малых скоростей движения жидкости по порам. В грунтовых водах напор в метрах по высоте может отсчитываться от водоупора, если поверхность последнего можно принять за горизонтальную плоскость (рис. 18), но может также приниматься как абсолютная геодезическая отметка свободной поверхности потока (см. с. 12).
Фильтрационный поток по ходу движения всегда теряет напор из-за внутреннего трения жидкости. Отношение потерь напора DH (м) к длине пути фильтрации l (м) называется пьезометрическим уклоном или градиентом напора (величина безразмерная).
I = DH / l .
Скоростью фильтрацииvф (м/сут) называется отношение фильтрационного расхода Q (м3/сут) к площади живого сечения потока w (м2):
vф = Q/w .
Теперь, имея вышеперечисленные термины теории фильтрации, приведём её основной закон.
Закон Дарсú (основной закон фильтрации) связывает скорость фильтрации vф (м/сут) с коэффициентом фильтрации пористой среды kф (м/сут), разностью напоров (потерями напора) DH (м) и длиной пути фильтрации l так:
.
Фильтрационные характеристики пористых сред определяются опытным путём. Некоторые из них приведены в таблице.
Коэффициент фильтрации kф характеризует проницаемость пористой среды.
Коэффициент водоотдачи mв (величина безразмерная) показывает, сколько воды может отдать при осушении грунт в долях единицы его объёма.
Пористая среда | Коэффициент фильтрации kф, м/сут | Коэффициент водоотдачи mв |
Водоупорные глины, плотный бетон | Менее 0,01 | Менее 0,05 |
Суглúнки | 0,01 — 0,5 | 0,05 — 0,1 |
Сýпеси | 0,5 — 2 | 0,1 — 0,2 |
Пески | 2 — 50 | 0,2 — 0,25 |
ЛЕКЦИЯ 5
Дата добавления: 2015-11-10; просмотров: 936;