Водопроницаемость грунтов

Проницаемость грунтов — способность грунтов пропускать воду за счёт градиента напора.

Закономерности проницаемости

Закономерности фильтрации воды в водонасыщенных грунтах при ламинарном течении описываются законом Дарси: v = k_ф∙ gradI, где v — линейная скорость фильтрации, см/с; k_ф — коэффициент фильтрации, см/с; gradI — градиент напора, равный отношению величины падения напора (ΔH) к длине пути фильтрации (L), т.е. gradI = ΔH/L. Коэффициент фильтрации является основной характеристикой водопроницаемости грунтов и измеряется в см/c или м/сут.

Для объёмной скорости фильтрации (v_об), измеряемой в см³/c (или в м³/сут), закон Дарси имеет вид: v_об = k_ф∙S∙gradI = k_п∙ρ_w∙g∙S∙gradI/η , где k_п — коэффициент проницаемости грунта, в дарси (Д); S — площадь поперечного сечения, см²; ρ_w — плотность воды, г/см³; η — динамической коэффициент вязкости воды, спз; g — ускорение свободного падения, м/с².

Коэффициент проницаемости (k_п) имеет размерность площади и в системе СИ измеряется в м², а в СГС — в см². На практике чаще используется другая единица измерения коэффициента проницаемости — дарси (Д); 1 Д = 1,02∙10⁻¹² м² = 1,02∙10⁻⁸ см². Соотношение между k_ф и k_п следует из выражения: k_ф = k_п∙ρ_w∙g/η. Уравнение Дарси в простой форме справедливо лишь в определенных пределах скоростей фильтрации, определяемых диапазоном числа Рейнольдса Re = 1 — 10.

Факторы проницаемости

Проницаемость грунтов зависит от большого числа факторов. Наиболее существенно на k_ф влияют структурно-текстурные особенности грунта: гранулометрический состав, его однородность, форма и размер пор, ширина раскрытия трещин и т.п. В зависимости от этих факторов коэффициент фильтрации различных грунтов меняется в очень широких пределах (см. табл.). Увеличение геостатического давления приводит к уплотнению грунтов, уменьшению их пор, следствием чего является общее снижение k_ф грунтов с глубиной. Наличие защемлённых газов уменьшает k_ф. На величину k_ф также влияют и особенности фильтрующейся жидкости, а также условия фильтрации. Среди внешних факторов наибольшее влияние на k_ф оказывает температура: с её ростом происходит увеличение k_ф.

Проницаемость различных грунтов (по Н.Н. Маслову)

Грунты	kф, м/сут	Характеристика грунтов по водопроницаемости
Глины, монолитные скальные грунты	< 5 •10−5	Практически непроницаемые
Суглинки, тяжелые супеси, нетрещиноватые песчаники	до 5 •10−3	Весьма слабопроницаемые
Супеси, слаботрещиноватые глинистые сланцы, песчаники, известняки	до 0,5	Слабопроницаемые
Пески тонко- и мелкозернистые, трещиноватые скальные грунты	до 5	Проницаемые
Пески среднезернистые, скальные грунты повышенной трещиноватости	до 50	Хорошо проницаемые
Галечники, гравелистые пески, сильно трещиноватые скальные грунты	> 50	Сильнопроницаемые

Определение коэффициента проницаемости

1. Лабораторные эксперименты:
   1. Испытание на проницаемость постоянного уровня (англ. Constant Head Permeability Test). Проводится для гравийных и крупных песков. Возможно использование только грунтов нарушенной структуры, так как грунт переформовывается в цилиндры для теста.
   2. Испытание на низкоуровневую проницаемость.(англ. The falling head permeability test )^[1] Возможно использование грунтов как нарушенной так и ненарушенной структуры. Проводится для гравийных и крупных песков. Подходит для глин и илов, обладающих низкой водопроницеомостью.
   3. Испытание на горизонтальную проницаемость.

1. Полевые эксперименты:
   1. Свободный водоносный горизонт,
   2. Напорный водоносный горизонт.