Способность грунта пропускать через себя воду

Водопроницаемость и водоподъемная способность почв

Водопроницаемость и водоподъемная способность почв

Водопроницаемость почв – способность почв и грунтов впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. В процессе поступления воды в почву и дальнейшего передвижения ее можно выделить 2 этапа: 1) поглощение воды почвой и прохождение ее от верхнего слоя к слою в ненасыщенной водой почве; 2) фильтрацию воды сквозь толщу насыщенной водой почвы. При этом первый этап представляет собой впитывание почвы и характеризуется коэффициентом впитывания. Второй этап – это собственно фильтрация. Интенсивность прохождения воды в почвенно-грунтовой толще, насыщенной водой, характеризуется коэффициентом фильтрации.

В природных условиях четко выделить отдельные этапы водопроницаемости практически невозможно. Значительно чаще при этом идет впитывание воды почвой, фильтрация же имеет место только в случае выпадения большого количества осадков, при орошении большими нормами и при снеготаянии. Границей между впитыванием почв и фильтрацией считают момент установления постоянной скорости фильтрации.

Водопроницаемость почв находится в тесной зависимости от их грану-лометрического состава и химических свойств почв, их структурного состояния, плотности, порозности, влажности и длительности увлажнения. В почвах тяжелого гранулометрического состава она всегда (при прочих равных условиях) меньше, чем в легких. Сильно снижает водопроницаемость почв присутствие набухающих коллоидов, особенно насыщенных Na+ или Mg2+, поскольку при увлажнении такие почвы быстро набухают и становятся практически водонепроницаемыми. Почвы оструктуренные, рыхлые характеризуются большими коэффициентами впитывания и фильтрации.

Водопроницаемость почв измеряется объемом воды, который проходит через единицу площади поперечного сечения в единицу времени. Величина эта очень динамичная и сильно варьирует как по профилю почв, так и пространственно. Оценить водопроницаемость почв тяжелого механического состава можно по шкале, предложенной Н. А. Качинским (1970):

В ненасыщенных водой почвах для количественной характеристики водопроницаемости почв пользуются коэффициентом водопроводимости, или влагопроводности. Он определяется как коэффициент пропорциональности между скоростью потока воды и градиентом сил, вызывающих передвижение воды (давление, гидравлический напор и т. п.). Коэффициент влагопроводности зависит от влажности почв: увеличивается с увеличением ее влажности и достигает максимума во влагонасыщенной почве. В этом случае его и называют коэффициентом фильтрации. Можно сказать, что коэффициент влагопроводности аналогичен коэффициенту фильтрации, но применяется он для ненасыщенных водой почв.

Так, в почвах при утяжелении их гранулометрического состава водо-подъемная сила будет сначала расти до определенного предела, а затем она начнет уменьшаться.

Объясняется это тем, что капиллярная вода передвигается не во всем объеме пор, а лишь в действующем их просвете. В любых порах по мере уменьшения их радиуса капиллярные силы сначала будут расти в связи с увеличивающейся кривизной менисков, но в дальнейшем начнут падать. При малом размере пор (1 мкм и менее) весь их внутренний просвет (или большая его часть) заполнен связанной пленочной водой и активные действующие поры либо совсем исчезают, либо просвет их становится настолько мал, что всасывающая сила мениска компенсируется силами трения движущейся капиллярной воды о стенки пленок жидкости, сорбированной почвой, и передвижение капиллярной воды, а следовательно, и капиллярного подъема происходить не может. Вода в таких порах может передвигаться только как пленочная, т. е. очень медленно.

Поведение воды в почве, ее физическое состояние, передвижение в профиле по вертикали и горизонтали, ее доступность растениям, вообще говоря, подчиняются очень сложным закономерностям схотастического (вероятностного) характера и могут быть описаны в терминах различных методологических подходов: водобалансового – изменения водозапасов почвы и приходорасходных статей водного баланса; гидродинамического – скорости и плотности водных потоков в почве; термодинамического – изменения термодинамических потенциалов почвенной воды.

Первый из указанных подходов наиболее широко используется в почвоведении и является традиционным в почвенных исследованиях, будучи основанным на периодических измерениях почвенной влажности; второй больше всего принят в почвенно-мелиоративных работах, когда инженеры имеют дело с потоками подаваемой в почву или отводимой из почвы воды. Термодинамический подход интенсивно разрабатывается в последнее время и сейчас рассматривается как наиболее перспективный и теоретически обоснованный, поскольку он не только позволяет описывать состояние и поведение воды в почве в данный момент времени в наиболее обобщенном виде на базе фундаментальной физической теории, рассматривая весь водообмен природных экосистем в единых терминах, но и допускает количественный прогноз водообменных процессов, что особенно важно для суждений о водообеспеченности и водопотреблении растений. На основе этого подхода возможно автоматизированное управление водным режимом почв в условиях искусственного увлажнения (орошения) или осушения (дренажа). Существо термодинамического подхода сводится к использованию понятий полного и частных термодинамических потенциалов почвенной воды, поддающихся инструментальному измерению, т. е. количественной энергетической оценке сил взаимодействия между водой и вмещающей ее твердой фазой почвы.

Поскольку вода в почве находится под одновременным сложным воз-действием нескольких силовых полей – адсорбционных, капиллярных, осмотических, гравитационных, – для характеристики их суммарного действия и оценки энергетического состояния воды в почве введено понятие термодинамического, или полного, потенциала почвенной воды.

Полный потенциал почвенной воды fV/) – это количество работы, Дж*кг-1, которую необходимо затратить, чтобы перенести единицу свобод-ной чистой воды обратимо и изотермически из стандартного состояния So в то состояние Sn, в котором она находится в рассматриваемой точке почвы. Иными словами, эта величина выражает способность воды в почве производить большую или меньшую работу по сравнению с чистой сво-бодной водой. За стандартное состояние So при этом принимается резервуар с чистой (без солей, т. е. с осмотическим давлением П = 0) свободной (т. е. не подверженной влиянию адсорбционных и капиллярных сил) водой при температуре То, высоте ho и давлении Ро. Потенциал почвенной воды – величина отрицательная, поскольку необходима работа (положительного знака) по его преодолению. Вместо понятия «потенциал» в почвоведении принято использовать понятие «давление почвенной воды», которое измеряется в паскалях.

Полный, или термодинамический, потенциал почвенной воды равен сумме частных потенциалов, связанных с разными силовыми полями, — адсорбционного; капиллярного; осмотического; гравитационного; тензометрического давления.

Потенциал или давление почвенной воды в сильной степени зависит от водосодержания почвы, причем каждая почва в зависимости от своего гранулометрического, минералогического и химического состава и сложения имеет свою собственную характеристическую кривую зависимости давления почвенной воды от влажности почвы, которая получила название кривой водоудерживания. Кривая водоудерживания считается основной гидрофизической характеристикой почвы. Чем меньше воды в почве, тем сильнее она удерживается твердой фазой, тем ниже ее потенциал (больше абсолютное значение отрицательного давления воды). Кривые водоудерживания показывают очень быстрый рост водного потенциала от крайне низких отрицательных значений давления вплоть до нуля в полностью насыщенной водой почве.

Наименьший полный потенциал почвенной влаги (наибольшее абсолютное значение отрицательного давления порядка (2-5)-108 Па) отмечается для монобимолекулярных слоев адсорбированной воды (прочно связанная вода, «нерастворяющий объем» – часть гигроскопической воды). При давлении почвенной воды ниже – 107 Па, согласно И. И. Судницыну, вода в почве практически полностью представлена двойным электрическим слоем мономолекулярной, бимолекулярной толщины, описываемым теорией Гельмгольца, а количество адсорбированной воды определяется удельной поверхностью почвенных частиц при весьма слабой роли обменных катионов.

Невыровненность потенциалов почвенной воды в разных точках является непосредственной причиной движения воды в почвах: вода перемещается в сторону наиболее низкого потенциала, в общем случае из более влажных участков в более сухие.

Существует определенная связь почвенно-гидрологических констант с давлением почвенной воды. Например, наименьшей влагоемкости почвы соответствует давление от -104 до –3*104 Па, а влажности завядания от –6*105 до -2,5*106 Па.

В почве, насыщенной влагой и не содержащей солей, давление почвенной влаги равно нулю. При снижении влажности почвы оно приобретает все большие по абсолютной величине отрицательные значения. По мере иссушения у почвы появляется способность при соприкосновении с водой поглощать ее. Такая способность почв получила название сосущей силы почвы. Величина, характеризующая эту силу, получила название всасывающего давления почвы. Всасывающее давление (сосущая сила) почвы численно равно давлению почвенной воды, но выражается положительной величиной.

Всасывающее давление почвы измеряется при любых влажностях, начиная от полного насыщения почвы и кончая почти сухой почвой, специальными приборами. Чаще всего для этой цели используют тензиометры и капилляриметры. Выражается всасывающее давление, как и давление почвенной воды, в паскалях, атмосферах, сантиметрах водного столба или в барах (1 Па=105 бар = 9,87 •106 атм = 7,5*103 мм рт. ст. = 0,102 мм вод. ст.).

Всасывающее давление сухой почвы приближается к 107 см вод. ст., или 109 Па. Оперировать с величинами такого порядка неудобно и Р. К. Скофилд (1935) предложил выражать всасывающее давление почвы не числом сантиметров водного столба, а десятитысячным логарифмом этого числа pF. Тогда у почвы, почти полностью насыщенной пресной влагой, при давлении, равном 103 Па, pF=1, давлению в 105 Па будет соответствовать pF=3, а в сухой почве, когда давление приближается к 109 Па, pF приближается к своему верхнему пределу, равному 7. Скофилд показал, что между значениями влажности, подвижности и доступности почвенной влаги для растений и всасывающим давлением существует довольно тесная зависимость.

В настоящее время считают, что определенным водно-физическим характеристикам и формам воды соответствуют следующие значения pF: максимальная гигроскопическая вода – 4,5; влажность завядания – 4,2; наименьшая влагоемкость для почв:

тяжелого механического состава – 2,7– 3,0; среднесуглинистых – 2,5; песчаных – 2,0; вода прочносвязанная – 5,0– 7,0; вода капиллярная связанная– 3,5– 5,0; свободная– 1,75– 3,50; вода гравитационная– 1,75.

Оценка физического состояния почвенной воды по потенциалу или по всасывающему давлению является более правильной, нежели по абсолютному содержанию воды. Обусловлено это тем, что по значениям pF можно произвести объективную сравнительную качественную оценку состояния воды в почве с различными физико-механическими и водно-физическими свойствами. Почвы, обладающие одинаковыми pF, можно считать эквивалентно влажными, т. е. близкими по содержанию воды той или иной категории физиологической доступности, хотя абсолютное содержание воды в почве может быть различным.

Поэтому константы – достаточно условная категория в почвенной гидрологии, унаследованная от тех времен, когда энергетической характеристики почвенной воды еще не применяли. Для понимания поведения воды в почве, ее доступности для растений достаточно использовать энергетическую концепцию. Так, потенциал влаги завядания для злаков (пшеница, ячмень, рожь) в среднем равна 1500 кПа, для таких пород деревьев, как ель, сосна, дуб, береза, осина — 2400 кПа. Энергетическое состояние воды в почве позволяет быстро оценить водный режим растений. Потребление растениями воды из почвы определяется их сосущей силой. Сосущая сила зависит от осмотического давления в клетках растения за вычетом тургорного давления, которое препятствует поступлению воды в клетку. Осмотическое давление в клетках корней достигает 1000 кПа, а в листьях -4000 и даже 6000 кПа в листьях ясеня зеленого на светло-каштановых почвах Ергеней. Именно разница в потенциале воды в почве и растении определяет поступление воды в растение из почвы. Иллюстрацией сказанного может служить распределение значений потенциала в почве и тканях тополя берлинского на темно-каштановых почвах Уральской области, по данным Н.А. Взиуздаева. В исследованной почве в слое 0-50см потенциал почвенной воды равен -1500 кПа, в слое 50-100 см -500 — — 1000кПа, в слое 100-150 см -200 ч- -500 кПа, в слое ниже 150 см -200 кПа. У тополя потенциал воды в листьях равен -2400 ч-3200 кПа, в лубе ствола -1800 -г- -2600 кПа, в корнях – 1600 -г- – 900кПа.

Таким образом, в листьях потенциал воды всегда меньше потенциала корней, что определяет постоянное движение воды от корней к листьям. В засушливых почвах физическое испарение может привести к тому, что водный потенциал почвы будет намного меньше потенциала корня, и потребление воды из почвы станет невозможным.

Источник

Коэффициент фильтрации и водопроницаемость грунта

Коэффициент фильтрации (Кф) демонстрирует, как быстро проходит жидкость через слой грунта при его полном водонасыщении и градиенте напора, равном единице. Измеряется он в метрах на секунду (м/с) или сантиметрах на секунду (см/с). Градиент напора вычисляется соотношением падения напора (давления) воды к толщине грунтового слоя, через который она фильтруется.

Коэффициент фильтрации определяют при всех видах строительных работ. Он помогает понять, не будет ли вода застаиваться в верхних слоях массива после осадков, подтапливать фундамент , провоцировать разрушение дорожного полотна, дамбы или плотины. Детальнее о показателе и его значении вы узнаете из нашей статьи.

Что такое коэффициент фильтрации и водопроницаемость грунтов

Коэффициент фильтрации — это показатель, который в конкретных цифрах демонстрирует свойство водонасыщенных грунтов пропускать жидкость. Вода в массиве движется через открытые сообщающиеся поры, каверны и трещины, под влиянием градиента напора.

Закономерности фильтрации описывает закон Дарси:

Закон Дарси актуален не только для линейной, но и для объемной фильтрации. Ведь вода проходит сквозь толщу массива, который имеет свою высоту, ширину и длину. Скорость передвижения жидкости в этой ситуации будет зависеть от двух коэффициентов – фильтрации и проницаемости.

Рассчитывают ее по формуле:

Соотношение между коэффициентами фильтрации и проницаемости выражается уравнением:

На практике чаще измеряют линейную , а не объемную фильтрацию. Она дает представление о водопроницаемости грунта и не требует дополнительных данных. Но в некоторых случаях можно встретить вычисления на основе объемной скорости. Поэтому стоит знать о разнице между двумя коэффициентами – фильтрации и проницаемости. В нашей статье мы уделим внимание более практичному коэффициенту фильтрации.

От чего зависит коэффициент фильтрации

Водопроницаемость грунтов зависит от множества факторов.

Сильнее всего на нее влияют:

• Минеральный состав
• Гранулометрический состав
• Пористость
• Слоистость
• Состав фильтруемой жидкости
• Температура
• Гидростатический напор

Детальнее о каждом из факторов вы можете прочитать в продолжении текста.

Минеральный состав

От минерального состава зависит дисперсность – степень измельчения твердых грунтовых частиц. Например, скальные грунты из слабо выветрелых горных пород не обладают дисперсностью, у них монолитное строение. По мере разрушения в массивах появляются трещины. В процессе дальнейших преобразований порода измельчается, в ней появляются первичные и вторичные глинистые минералы. Их влияние на проницаемость грунта для воды одно из самых существенных. Всего 10% глины в песке может очень сильно снизить его проницаемость для воды.

Мелкие глинистые частицы связывают воду. Грунт перестает ее пропускать и, наоборот, начинает накапливать. Наблюдается отклонение от линейного закона фильтрации. Только под влиянием определенного начального градиента напора связанная вода может перемещаться и переходить в свободное состояние.

Самые низкие показатели фильтрации в глинах, содержащих высокие количества положительно заряженных ионов Na (например, монтмориллонитовые). Этот элемент повышает дисперсность грунта и его свойство связывать воду. Ионы Ca, Al и Fe, наоборот, повышают водопроницаемость в 95-280 раз по сравнению с Na-содержащими грунтами.

Гранулометрический состав

Высокой водопроницаемостью обладают крупнообломочные грунты и пески. Уменьшение диаметра песчаных частиц ведет к снижению показателя. У глинистых и пылеватых грунтов он перестает подчиняться линейному закону и зависит от начального градиента напора.

Больше всего на водопроницаемость влияет однородность гранулометрического состава. Самый высокий коэффициент фильтрации будет у грунтов с округлыми частицами почти одинакового диаметра. Появление более мелкого наполнителя ведет к падению показателя. Это связано с уменьшением числа пор и изменением их формы.

Пористость

Вода фильтруется через грунтовые поры. Скорость прохождения жидкости напрямую зависит от их форм и размеров. Легче всего она проникает через крупные прямолинейные трещины и пустоты , которые встречаются в трещиноватых скальных грунтах. Крупные поры характерны для гравия, галечника, щебня, гравелистых и крупнозернистых песков. Такие породы обладают хорошей водопроницаемостью.

В мелких порах вода может задерживаться, а в капиллярах – даже подниматься в верхние слои под влиянием поверхностного натяжения. Такая ситуация наблюдается в глинистых и пылеватых (лёссовидных) грунтах.

Вода также не проникает через замкнутые пустоты, которые встречаются в глинах, лёссах, скальных грунтах. Препятствуют фильтрации и пузырьки воздуха, перекрывающие мелкие поры.

Слоистость

Многие грунты имеют слоистое строение. Их частицы ориентированы в определенном направлении. От этого зависит водопроницаемость материала. Например, в ленточных глинах вода свободно проходит в горизонтальном направлении. Сверху вниз жидкость практически не проникает.

В лёссовидных грунтах слои ориентированы вертикально. Поэтому жидкость легко перемещается сверху вниз. В горизонтальном направлении лёссы плохо пропускают воду.

Состав фильтруемой жидкости

В природе не встречается чистой дистиллированной воды. В ней всегда присутствуют соли и другие химические элементы. От состава и концентрации раствора в порах зависит водопроницаемость грунта.

При наличии в воде хлоридов натрия и кальция в концентрации 140-150 г/л, коэффициент фильтрации увеличивается на порядок по сравнению с чистой водой. Это связано с тем, что соли провоцируют образование агрегатов из мелких частиц грунта , увеличивают его пористость и водопроницаемость. Если концентрация солей натрия больше 10%, показатель падает. Ионы Na способны связывать воду, увеличивают вязкость раствора.

Температура

При увеличении температуры в пределах 0-90° водопроницаемость грунта увеличивается. Наиболее интенсивно этот процесс происходит при температуре 65-75°С.

Это связано с:

• Уменьшением вязкости воды в порах
• Разрывом коллоидных связей между жидкими и твердыми компонентами грунта, переходом связанной воды в свободную
• Увеличением количества грунтовых агрегатов (слипшихся между собой зерен)
• Повышением пористости

Наиболее выражена зависимость водопроницаемости от температуры в глинах.

При снижении температуры вода в грунте замерзает, пористость уменьшается, лед препятствует прохождению жидкости. Но после оттаивания коэффициент фильтрации резко повышается.

Гидростатический напор

Гидростатический напор воды в грунте возникает из-за гравитации. Он также создается искусственно – поливом мощной струей под давлением. При высоком гидростатическом напоре проницаемость грунта для воды повышается. В скальных породах она остается неизменной на протяжении всего времени его действия.

В дисперсных грунтах коэффициент фильтрации меняется с течением времени. Сначала он увеличивается. Затем структура грунта начинает меняться. Частицы смещаются и утрамбовываются. Сложение становится более компактным, снижается пористость, что ведет к падению водопроницаемости.

Классификация грунтов по коэффициенту фильтрации

Классификация грунтов по коэффициенту фильтрации приведена в ГОСТ 25100-2020. Вы можете увидеть ее в таблице.

В следующей таблице вы найдете средние показатели коэффициента фильтрации для некоторых грунтов.

Далее мы подробно опишем, как вычисляют коэффициент фильтрации.

Методы определения коэффициента фильтрации

Коэффициент фильтрации определяют непосредственно на участке или в лаборатории. О каждом способе вы можете прочитать дальше.

Полевые методы исследования коэффициента фильтрации

Непосредственно на участке получают наиболее точные результаты. Коэффициент фильтрации определяется на всем массиве , а не на отдельном образце небольшого объема. Исследуемый грунт должен быть сухим. Поэтому лучшее время проведения изысканий – летние месяцы (конец июня, июль, август).

Порядок работы описан в ГОСТ 23278-2014.

Полевые методы исследований, которые применяются для определения коэффициента фильтрации:

• Опытная откачка (налив) – кустовая либо одиночная
• Налив в шурф
• Нагнетание воды в скважины интервалами
• Расходометрия скважин

Методы предназначены для разных зон грунтового массива. Два первых считаются основными, остальные – дополнительными.

Правила описаны в таблице.

Опытная откачка (налив)

В центре массива оборудуется скважина, достигающая водоносного горизонта (грунтового пласта, в котором накапливается влага). Воду будут откачивать из нее или наливать внутрь. Скважину оснащают фильтрами и отстойником.

Фильтры не обязательны, если исследуются свойства прочных скальных грунтов. В массивах дисперсных грунтов вокруг них делают обсыпку из песка или ПГС, очищенного от глинистых и пылеватых частиц. Верхняя часть обсыпки должна находиться над фильтрами.

Требования к центральной скважине:

• Диаметр – от 219 мм
• Диаметр фильтра – от 1 68 мм
• Длина фильтра – 6 м (для интервальных испытаний – 3 м); в маломощных массивах допускается длина, равная толщине водоносного слоя
• Длина отстойника – от 1,5 м

Рядом с центральной оборудуют несколько наблюдательных скважин. Они должны отходить в разные стороны от центра, как лучи. Такой метод называется кустовым.

Требования к наблюдательным скважинам:

• Диаметр – до 132 мм
• Диаметр фильтра – от 89 мм
• Длина фильтра – от 3 м

Правила установки скважин для наблюдения:

• В скальных массивах делают один луч из трех наблюдательных скважин.
• Если в массиве выражена анизотропия (слои направлены в разные стороны, под разными углами), необходимо установить два луча скважин.
• Самую близкую от центральной скважину располагают на расстоянии 2-5 м.
• Дальнюю скважину устанавливают на расстоянии от центра, равном 1,5 толщины грунтового массива.
• Если массив неоднородный, рядом с наблюдательными скважинами устанавливают дополнительные с ярусными фильтрами. Расстояние от центральной скважины к дополнительной равно 0,8 толщины массива.
• Две скважины для наблюдения с укороченными фильтрами устанавливаются под свободной поверхностью массива. Они опускаются в безнапорный и субнапорный пласты. Рядом с ними находятся скважины с фильтрами, достигающими нижних слоев водоносного горизонта.
• Еще две наблюдательные скважины оборудуют в соседних водоносных пластах (сверху и снизу от исследуемого). Важно следить, чтобы вода из них не перетекала в основные.

Длительность откачивания или налива воды в напорном слое (ограниченном сверху водоупорной породой) – 3 суток, в безнапорном и субнапорном – 7 суток. Допускается увеличение времени опыта до двух недель.

При одиночной опытной откачке устанавливают одну скважину для отведения или налива воды.

Ее параметры:

• Диаметр – от 168 мм
• Диаметр фильтра – от 108 мм
• Длина фильтра – от 3 м
• Длина отстойника – от 1,5 м

Продолжаться одиночная откачка, или налив должна не меньше, чем 8 часов.

Оборудование

Для полевых исследований необходимо следующее оборудование:

• Насос с водоподъемником для откачки воды; жесткая трубка для налива
• Приборы, измеряющие уровень воды и ее расход
• Приспособления , с помощью которых воду подводят к скважине или отводят от нее
• Пьезометрическая труба, через которую спускают измерительные приборы; она будет хранить аппаратуру от повреждений

Для обработки результатов исследований обязательно готовят рабочее место со столом и стульями, переносными компьютерами.

Подготовительная работа

Перед началом опытов в полевых условиях проводят следующие подготовительные работы:

• В земле бурят скважины, очищают их и устанавливают фильтры.
• Скважину прокачивают в течение 2 часов, пока из нее не будет вытекать чистая вода.
• Измеряют уровень жидкости.
• Верхние части труб прикрепляют к скважинам. От них будут измерять уровень воды.
• Устанавливают измерительную рейку.
• Монтируют оборудование для налива, откачивания и отведения воды.
• Приборы для измерений устанавливают и налаживают.
• В течение двух часов воду откачивают и следят за ее уровнем. Это пробная откачка для проверки работы скважины и оборудования.
• Затем смотрят, когда уровень воды после пробного откачивания восстанавливается. Для наблюдений в массивах с коэффициентом фильтрации больше 2 м/с выделяют 4 часа, с меньшим – 10 часов.

Во время испытаний можно делать плановые остановки водоотводного оборудования, но не более, чем через сутки после начала опыта. Первая остановка должна длиться до 10 мин, последующие (через 2 суток) – до 30 мин.

Скважина должна иметь изоляцию, чтобы предотвратить перетекание воды. Откачанную воду следует отводить в такое место, где она не будет влиять на результаты опыта.

При полевых испытаниях обязательно нужно наблюдать за уровнем подземных вод вне зоны их проведения и на горизонтах, расположенных по соседству с участком. При необходимости следят за уровнем ближайшего водоема.

Порядок работ

Перед началом работы необходимо обязательно проверить, на каком уровне расположена вода в скважине.

Дальше в журнале фиксируют следующую информацию:

• Изменение уровня воды при ее откачивании, наливе, а также после прекращения работы
• Изменение уровня воды в близлежащем водоеме
• Данные о функционировании аппаратуры
• Погоду, осадки, паводки , атмосферное давление
• Аварии
• Графики с изменениями высоты водного столба в скважине, давления, объемов налива и откачки
• Углубление или измельчание скважин после откачки (налива)

При откачивании важно следить, чтобы фильтры и насосы не становились сухими, а при наливе – чтобы вода не переливалась.

Расход и уровень воды фиксируют через определенные промежутки времени:

• Первые 6 минут – ежеминутно
• От 6 до 15 минут – каждые 2 минуты
• От 15 до 30 минут – каждые 5 минут
• От 30 до 80 минут – каждые 10 минут
• После 80 минут – каждые полчаса
• После 6 часов – ежечасно
• После 10 часов – каждые 2 часа

Через такие же промежутки времени фиксируют восстановление уровня воды после завершения испытаний. В самом конце проводят контрольную откачку или налив, для проверки фильтров.

Налив воды в шурф

Метод налива воды в шурф используют, чтобы определить фильтрацию в зоне аэрации, толщина которой превышает 2 м. Сначала определяют влажность, объемный вес, влагоемкость, гранулометрический состав грунта и высоту капиллярного подъема в массиве.

Методика подходит для однородных грунтов с приблизительно равными размерами зерен. Массив промачивают выше уровня капиллярной каймы.

Существует несколько вариантов испытаний:

• С постоянным напором
• Со стабилизированным расходом воды
• С нестабильным расходом воды
• С одномоментным наливом , когда уровень воды в шурфе понижается свободно

Оборудование

Для исследования необходимы:

• Концентрические кольца диаметром 35-50 см (инфильтрометры)
• Прибор для подачи жидкости в инфильтрометр
• Бур для скважины с возможностью определения глубины промачивания массива
• Место для обработки результатов, оборудованное компьютером

Порядок работы

В массиве проделывают шурф и отсыпают его крупным песком. На дно ставят кольца и вдавливают их на глубину 2 см. Внешний диаметр инфильтрометра засыпают грунтом. Подготавливают систему, через которую будет подаваться вода и измеряться ее уровень.

Когда все готово, переходят непосредственно к испытанию:

• Кольца заполняют водой на 10-20 см.
• Подают воду без перерывов, чтобы поддерживать ее постоянный уровень.
• Постоянно контролируют расход и высоту водного столба в инфильтрометре. На протяжении первого часа это делают каждые 10 мин, дальше – каждые 20-30 мин. Погрешность не должна превышать 5%, а перепады уровня – 1 см.
• Если проводится налив с постоянным напором, строится график зависимости расхода воды (Q) от времени проведения эксперимента (t), а также от объема воды, накопившейся в грунте за все время опыта (W).
• Исследование прекращают через 6 часов после того, как расход жидкости стабилизировался или график зависимости QW вышел на прямую.
• При методе со свободным снижением уровня график выстраивают на основе зависимости высоты столбика воды в кольце (h) от времени (t). Исследование в этом случае прекращают, когда инфильтрометр станет сухим.

Нагнетание воды в скважины

В природе редко встречаются однородные массивы грунтов. Кроме того, под напором воды их проницаемость изменяется. Чтобы зафиксировать коэффициент фильтрации и его изменения в таких условиях, используется методика нагнетания воды в скважины.

Для нагнетания воды применяют 2 способа:

• С напором 10 м водного столба – для изучения разницы фильтрации в разных слоях массива
• Под давлением 1 00 м водного столба – для определения изменений показателя вследствие воздействие гидростатического напора

Оборудование

Для проведения работ понадобятся:

• Изоляционный тампон
• Трубы для воды
• Прибор для регулировки расхода жидкости
• Измерительный прибор, определяющий силу напора, расхода жидкости и ее уровень
• Насосы

Порядок работы

В грунте делают скважину и изолируют ее тампонами. Затем монтируют установку, через которую будут нагнетать воду. На протяжении четверти часа в скважину наливают воду, чтобы проверить работу оборудования.

Нужного напора достигают увеличением его силы одной или несколькими ступенями. При этом перерывы между ступенями должны быть минимальными, а давление стабильным. Каждые 10 минут проверяют уровень воды, ее расход, контролируют изоляцию. На протяжении часа расход воды должен стать стабильным. При нагнетании под давлением 100 м водного столба стабилизацию нужно зафиксировать спустя 10 минут.

Данные об изменениях напора воды и ее расхода во времени вносят в график.

Метод расходометрии

Методику используют в неоднородных массивах, чтобы выявить участки с повышенной водопроницаемостью. Перед началом работ скважины прокачивают и укрепляют их стенки.

Оборудование

Для расходометрии понадобятся:

• Приспособление для спуска в скважину расходометра (прибора, измеряющего объем и массу расходуемой жидкости)
• Оборудование для налива либо откачивания воды
• Расходометр с измерительным пультом
• Каверномер-профилемер для определения диаметра скважины и объема пространства за ее пределами, контролирования технического состояния, поиска каверн и желобов
• Прибор для контроля уровня воды
• Источник электрического тока

Допустимые погрешности аппаратуры:

• Расходометр с порогом чувствительности не больше 0,05 л/с – 2,5%
• Прибор, определяющий уровень воды, – не более 1 см или 0,1%

Порядок работ

Сначала монтируют оборудование, прокачивают скважину, замеряют ее глубину после монтажа и настоящий диаметр (без поправки на оборудование). Затем измеряют р асход воды при спуске расходометра на разную глубину. После завершения подготовительных работ ждут, когда уровень воды в скважине стабилизируется.

После подготовительной работы переходят к непосредственному исследованию. Его проводят двумя способами – динамическим и статическим. В первом случае расходометр опускается в скважину без пауз, во втором – ступенями по 0,2-10 м.

Динамический способ:

• Запускают опытную откачку или налив.
• Режим фильтрации определяют постоянными замерами уровня воды.
• При спуске расходометра записывают сигнал, констатирующий расход воды, чтобы выявить его резкое увеличение либо уменьшение (динамическая расходометрия).
• Чтобы определить, на какой глубине проводить опыт, ориентируются на данные замеров каверномера и расходометра.
• Контролируют количество жидкости, которую залили в скважину.
• Все полученные данные записывают в журнал.

Статический метод:

1. Наливают либо откачивают воду. Выжидают 5-10 минут и начинают измерения.
2. Выбирают глубину определения расхода воды с учетом данных, полученных при исследовании скважины каверномером и после пробного налива (откачки) воды.
3. Расходометр стараются не размещать в местах, где скважина резко меняет диаметр. В точках, где расход воды значительно изменяется, ступень продвижения измерительного прибора сокращают до 0,2-1 м.
4. Каждую ступень выдерживают до момента, когда крыльчатка расходометра перестанет вращаться. По скорости ее вращения и определяется расход воды. Погрешность при измерении не должна превышать 10%.
5. Параллельно с основными измерениями проводят контрольные. Их количество должно быть не меньше 10% от числа основных. Погрешность, определенная при контрольных измерениях, не должна превышать 2,5%.
6. Данные расходометрии фиксируют на графике.

После завершения испытаний рассчитывают коэффициент фильтрации по формуле Дарси, приведенной выше.

Лабораторные методики определения коэффициента фильтрации

В лаборатории изучают образцы как с ненарушенным сложением, так и с заданными параметрами плотности и пористости.

Предварительно в них определяют:

• Влажность
• Плотность частиц
• Плотность скелета (высушенного грунта с естественным сложением)
• Коэффициент пористости
• Коэффициент водонасыщения
• Плотность на границе текучести и раскатывания (для глинистых грунтов)

На первом этапе образцы насыщаются водой, которую подводят снизу. Пески исследуют при стабильном или переменном градиенте напора, глинистые грунты – только при переменном и заданном давлении. При насыщении водой глины важно следить , чтобы она не набухала.

Воду для эксперимента берут непосредственно с массива, определив предварительно состав. Минерализация не должна превышать 2 г/л. Допускается также использование обычной питьевой воды. Из нее нужно удалить пузырьки воздуха, прокипятив, отстояв сутки или поместив в вакуумную установку.

Определение коэффициента фильтрации песчаных грунтов при постоянном напоре

Этим методом определяют показатель в песчаном грунте.

Оборудование и приборы

Для проведения опыта лаборатория должна быть оснащена следующими приборами:

• Фильтрационным прибором
• Лабораторными аналитическими весами
• Термометром (погрешность измерения температуры не должна превышать 0,5°С)
• Секундомером
• Прямым стальным ножом
• Лопаткой
• Винтовым прессом
• Плоскими гладкими пластинками

Фильтрационный прибор состоит из:

• Прямого полого цилиндра с заостренным краем
• Дна с перфорациями
• Латунной муфты
• Баллона с мерной шкалой для определения объема фильтрующейся воды
• Устройства для насыщения влагой грунта и регулировки градиента напора с подставкой, винтом и градуированной шкалой
• Корпуса

Подготовка к испытаниям

Грунт и воду выдерживают в помещении, чтобы довести их температуру до комнатной. Цилиндр извлекают из фильтрационного прибора, взвешивают и заполняют его испытуемым материалом.

Правила засыпки грунта с ненарушенным строением:

1. Поверхность выравнивают.
2. Цилиндр ставят сверху и заостренным концом обозначают границы испытуемого образца.
3. Материал срезают по обозначенным границам , чтобы образовался столбец с диаметром на 0,5-1 мм большим, чем диаметр цилиндра. Высота столбца около 10 мм.
4. Одновременно со срезанием грунта на столбец насаживают цилиндр, не допуская перекосов.
5. Верхний край образца зачищают и накрывают его пластиной вместе с цилиндром.
6. Цилиндр переворачивают и закрывают второй конец пластиной.
7. Емкость взвешивают с грунтом и пластинами, определяют плотность материала.

Если нет возможности определить плотность пробы с ненарушенным сложением, коэффициент фильтрации определяют при предельно рыхлом и плотном состоянии. В первом случае грунт засыпают в цилиндр с высоты 5-10 см, во втором – заполняют емкость слоями по 1-2 см и трамбуют их постукиванием по стенкам.

Заполнение цилиндра материалом с нарушенным сложением:

1. Надевают на цилиндр латунное дно с перфорациями.
2. Засыпают грунт слоями по 1-2 см.
3. Вычисляют нужную массу материала по одной из формул:

После заполнения цилиндра корпус фильтрационного прибора заполняют водой до отметки градиента напора 1. На цилиндр надевают латунное дно с перфорированной сеткой, если это не было сделано до засыпки грунта. Постепенно емкость опускают в корпус до отметки градиента напора 0,8. Когда грунт увлажнится, на цилиндр натягивают муфту и с помощью грунта полностью его опускают. Образец оставляют на 15 минут, чтобы достичь полного водонасыщения. Затем переходят к непосредственным опытам и вычислениям.

Порядок работы

Скорость фильтрации определяют ступенями. Сначала цилиндр поднимают до отметки градиента напора 0,2. Специальный баллон с отметками объема заполняют водой, закрывают горлышко пальцем и переворачивают на поверхность грунта. Затем палец отодвигают, чтобы вода свободно стекала в грунт.

Когда уровень воды в баллоне достигнет ровной отметки (например, 20 см3), включают секундомер. Засекают время до момента, когда жидкость опустится до следующей ровной отметки (например, 19 см3). Опускают цилиндр и повторяют эксперимент при других градиентах напора – 0 , 4; 0,6; 0,8; 1. Данные записывают в журнал.

Обработка результатов

Сначала определяют скорость фильтрации для каждого из опытов с разным градиентом напора по формуле:

Данные скорости фильтрации заносят в график, где на оси ординат отмечена скорость (v), а на оси абсцисс – градиент напора (J). Если исследования проведены корректно, соединенные точки образуют прямую линию.

Вычисляют коэффициент фильтрации для каждого опыта:

Если испытания проводились при температуре 10°С, рассчитывают коэффициент фильтрации К₁₀:

Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта при переменном напоре

Для проведения исследований понадобятся:

• Фильтрационный прибор
• Весы
• Термометр
• Секундомер
• Посудина для воды на 8-10 л
• Линейка из металла на 300 мм
• Нож с прямым стальным лезвием

Фильтрационный прибор состоит из цилиндрической трубки, съемного дна из латуни, пьезометра с делениями, подставки для трубки, поддона и стакана.

Подготовка к испытаниям

Грунт и воду доводят до комнатной температуры. Цилиндрическую трубку взвешивают и засыпают в нее испытуемый материал, чтобы получился столбик высотой 100 мм. Повторно взвешивают уже заполненную посудину и определяют плотность грунта.

На поверхность грунта укладывают гравий фракции 2-5 мм. Толщина слоя должна быть 5-10 мм. Трубку ставят на подставку, а затем в стакан, который медленно наполняют водой. Когда жидкость поднимется на 10-15 мм выше гравия, доливают дополнительную порцию , чтобы она заполнила третью часть посудины. После этого трубку вместе со стаканом устанавливают на поддон.

Проведение испытания

В трубку доливают воду, чтобы она поднялась на 5 мм выше отметки «0». Дальше ждут, когда столбик опустится до «0», и включают секундомер. Затем фиксируют время, за которое уровень жидкости снижается на 10 мм, 20 мм, 30 мм, 40 мм, 50 мм. Вода не должна находиться ниже слоя гравия.

Если снижение уровня жидкости на 50 мм длится больше 10 минут, испытание проводят при большем градиенте напора. Трубку с грунтом для этого вынимают из стакана и ставят просто на поддон.

Обработка результатов

Все результаты испытаний вносят в журнал. На их основании строят график.

На оси ординат графика откладывают значения, высчитанные по формуле ln*(Ho/Ho-S), где ln – натуральный логарифм, Но – начальная высота уровня воды в пьезометре, S – высота, на которую снизился уровень воды.

На оси абсцисс откладывают значения Сt, где t – время, за которое водный столбик снизился на высоту S. С высчитывают по формуле С=Fk/Fnlk, где Fk – площадь сечения грунтовой пробы, Fn – площадь сечения трубки над пробой, lk – высота грунтовой пробы.

На графике фиксируют точки, которые затем соединяют линией. При правильно проведенных испытаниях она получается прямой.

Коэффициент фильтрации при комнатной температуре вычисляют по формуле Кф= ln*(Ho/Ho-S)/Сt. Кф10 вычисляют по формуле К₁₀=864*(К/Т), которая использовалась в предыдущей методике.

Коэффициент фильтрации глинистых грунтов

Опыты проводятся в фильтрационно-компрессионных установках, которые позволяют создавать нагрузку и переменный градиент напора.

Детали фильтрационно-компрессионной установки:

• Поддон с посудиной, в которую через боковой кран (штуцер) подается вода
• Кольцо с острым нижним краем для срезки грунта
• Металлический фильтр, через который свободно поступает и отводится жидкость
• Крышка для кольца
• Пьезометры (полые трубки с делениями); их стандартный диаметр – 0,4 см (для быстрой фильтрации его увеличивают до 1 см , для медленной уменьшают до 0,1-0,2 см)
• Прибор, предотвращающий набухание глины (арретир)
• Измерительный прибор с делениями по 0,01 мм, фиксирующий вертикальную деформацию
• Приспособления для создания вертикальной нагрузки

Все детали установки герметичные, в них не должно быть защемленных воздушных пузырьков. Изготавливают элементы из нержавеющего металла. Прибор должен обеспечивать и сохранять определенный градиент напора и стабильное давление. Вода в установку может подаваться как сверху, так и снизу. Образец нагружается строго по центру, давление передается непрерывно или ступенями.

Подготовка к испытаниям

Грунт и воду доводят до комнатной температуры. Кольцо смазывают изнутри жиром, ставят на выравненную поверхность грунта и отделяют столбик, как описано в предыдущих испытаниях. Обязательно учитывают природное расположение слоев в массиве. От этого будет зависеть величина коэффициента фильтрации.

Сверху и снизу грунт прикрывают увлажненной фильтровальной бумагой, вырезанной кружком с диаметром, равным диаметру кольца.

Кольцо устанавливают на металлические фильтры, закрывают прокладками и крышкой, зажимают гайками. Опускают на образец арретир, чтобы предотвратить набухание. При испытании с нагрузкой дополнительно устанавливают упор, индикатор и стойку с держателем.

Пьезометр подключают к верхнему крану (при изучении фильтрации сверху вниз) или нижнему крану (для фильтрации снизу вверх). Свободный кран прикрепляют шлангом из резины к посудине с водой, расположенной у верхнего края пьезометра или над ним.

После завершения монтажа открывают кран, соединенный с посудиной, наполненной водой, и начинают насыщать грунт влагой. Супеси увлажняют 2 суток, суглинки – 5 суток, глины – по индивидуальному плану. Процедура не нужна, если природное водонасыщение грунта превышает показатель 0,98.

Кран перекрывают, когда грунт полностью насытится влагой. Дальше заливают материал в пьезометре водой из верхнего крана до самой крышки. Давление струи увеличивают ступенчато.

При опытах с грунтом нарушенного сложения его сначала разминают, чтобы не оставалось комков с диаметром больше 2 мм.

Массу материала с природной влажностью высчитывают по формулам m=Vρ или m=V*(1+ω/1+e)*ρs.

При испытаниях высушенного грунта для определения массы используют формулу:

Дальше грунт взвешивают , отбирают нужное количество материала и трамбуют его в кольце. При необходимости пробу прессуют.

Порядок работы

Пьезометр наполняют водой и устанавливают стартовый напор (по разнице уровней в пьезометре и сливе). Далее подключают кран (нижний при восходящем потоке, верхний – при нисходящем). Затем наполняют еще один пьезометр и ставят его рядом, чтобы контролировать испарение.

Кран, который соединяет пьезометр с фильтрационно-компрессионным прибором, и кран слива откручивают. Засекают момент начала фильтрации. Через ровные отрезки времени измеряют температуру воды и воздуха с точностью до 0,5°С.

Периодически фиксируют уровень воды в двух пьезометрах. При быстрой фильтрации это делают каждые 5, 10, 15, 30 и 60 минут, при медленной – после начала и в конце рабочего дня. Записей об уровне жидкости в течение всего исследования должно быть не меньше шести.

Если вода опускается на одно деление быстрее, чем за 40 с, его заменяют на более узкий. Испарение фиксируют на дополнительном пьезометре. Затем вычитают его значение из показателя фильтрации (снижения уровня жидкости в главной трубке).

Вычисление результатов

На основе данных опытов строят график. Его принцип такой же, как и при испытании с переменным градиентом напора. Коэффициент фильтрации рассчитывают по формуле Кф= ∆ln*(Ho/Ho-S)/∆Сt, где ∆ln*(Ho/Ho-S) и ∆Сt – разница между координатами двух точек на прямой линии графика.

Дальше вы узнаете, в каких ситуациях следует определять коэффициент фильтрации.

Практическое значение коэффициента фильтрации

Вычисление коэффициента фильтрации – один из обязательных этапов геодезических исследований.

Водопроницаемость грунта изучают в таких ситуациях:

• Перед проектированием и постройкой частных домов
• Перед строительством крупных жилых и промышленных комплексов
• Перед прокладкой трасс , железных дорог, грунтовок, взлетных полос аэродромов
• При планировке дренажных систем
• При планировке септиков и канализаций
• При обустройстве водохранилищ
• При возведении дамб и плотин
• При планировании мелиорации и осушении грунтов

При строительстве зданий и прокладке дорог важно знать, насколько быстро вода из верхних слоев во время осадков будет поступать в нижние, не будет ли она застаиваться и подмывать основания. Также учитывается возможность подъема грунтовых вод через толщу массива, особенно во время весеннего паводка или интенсивных дождей. Для этого изучают водопроницаемость грунта для нисходящих и восходящих потоков.

В дренажных системах важно так обустроить слои, чтобы вода свободно проходила в трубы и выводилась за пределы участка. Но при этом нужно предотвратить вынос мелких частиц и засорение труб. Поэтому муфту вокруг дренажа делают из грунтов с разным коэффициентом фильтрации – песка, мелкого и крупного щебня, гравия. Подробнее об этом вы можете прочитать в соответствующих статьях нашего сайта.

При обустройстве канализаций и септиков коэффициент фильтрации помогает понять, на какой объем сточных вод рассчитана система. Она должна проходить сквозь толщу грунта за определенное время. При быстром прохождении стоки не смогут достаточно очищаться, грунтовые воды буду загрязняться. При слишком медленной фильтрации септик переполняется и требует частой очистки.

При обустройстве водохранилищ важно знать, не будут ли они осушаться из-за быстрой фильтрации. Если необходимо, дно таких водоемов выстилают грунтами, которые плохо пропускают воду.

В дамбах и плотинах также постоянно происходит фильтрация воды. Изучение коэффициента позволяет правильно рассчитать нагрузку на сооружения, особенно при поднятии уровня водоемов.

Скорость фильтрации помогает рассчитать и распланировать мелиоративные системы. От нее зависит, насколько быстро будет снижаться уровень грунтовых вод, какие шансы его повторного подъема при интенсивных осадках.

Определение коэффициента фильтрации – это сложный процесс. Качественно его провести могут только специалисты. Самостоятельно можно приблизительно оценить, насколько хорошо вода проходит сквозь массив. Если известен тип грунта на участке , легче взять готовые данные из таблиц, приведенных в этой статье. Но часто массив неоднородный, коэффициент и скорость фильтрации меняется в разных его участках. В таких случаях лучше заказать профессиональные гидрогеологические изыскания, чтобы правильно спланировать тип фундамента, дренаж, септик и канализацию.

Источник