تدفق المياه عبر التربة - النفاذية والعوامل التي تؤثر على النفاذية

المقدمة

النفاذية هي واحدة من الخصائص الفيزيائية الهامة للتربة حيث ترتبط ببعض المشاكل الرئيسية لميكانيكا التربة بها مباشرة. تصميم الطرق السريعة والمطارات والسدود الترابية وبناء الأساس تحت المياه - الجدول والعائد من البئر وتسوية الأساس وما إلى ذلك تعتمد على نفاذية التربة. ومن ثم ، يصبح مهندس التربة جيدًا معرفة النفاذية أمرًا ضروريًا للغاية. يقال أن المادة قابلة للنفاذ إذا كانت تحتوي على فراغات مستمرة. بما أن هذه الفراغات موجودة في جميع أنواع التربة بما في ذلك الطين الصخري ، فإن كل هذه النفايات قابلة للاختراق. الحصى هي نفاذية بدرجة عالية والطين الصلب هو التربة الأقل نفاذية.

أهمية النفاذية:

معرفة النفاذية مهمة للمشاكل الهندسية التالية:

(1) التسرب من السدود الترابية والقنوات.

(2) عدم وجود ضغط تحت الهيكل الهيدروليكي والسلامة ضد الأنابيب

(3) معدل تسوية طبقة التربة القابلة للضغط المشبعة.

(4) العائد من بئر وصرف المياه المسجلة بالأراضي الزراعية.

(5) استقرار منحدرات السدود في المراحل الأولى والنهائية.

تعريفات:

نفاذية:

النفاذية هي خاصية التربة التي تسمح للماء بالمرور عبر الفراغات المترابطة.

تدفق الصفحي:

التدفق الذي تتحرك فيه جميع جزيئات الماء في مسارات متوازية دون عبور مسار الجزيئات الأخرى.

الجريان المضطرب:

التدفق الذي تتحرك فيه كل جزيئات الماء في مسار التعرج.

التدرج الهيدروليكي:

ويطلق على الرأس الهيدروليكي لكل وحدة مسافة تدفق تدرج هيدروليكي. النظر في تدفق مشبع من خلال كتلة التربة المسامية موحدة من طول 'L' وترك H P1 و H P2 يكون الرأس البيزومترية أو "رئيس الضغط" في وجه الدخول والخروج على التوالي. دع + Z 1 و - Z 2 يكون رأس الارتفاع في وجه الدخول والخروج بافتراض مستوى المياه في اتجاه مجرى النهر كخط البيانات. إن رأس السرعة للتدفق خلال التربة لا يكاد يذكر.

تحديد التدرج الهيدروليكي:

إجمالي الرأس = رأس الضغط + رأس الارتفاع

الرأس الكلي في وجه الإدخال

H 1 = hp 1 + Z 1

إجمالي الرأس عند مخارج الوجه

H 2 = hp 2 - Z 2 = 0

فرق الرأس الكلي

H = h 1 -h 2 = h P1 + z 1 -0 = h P1 + z 1

[••• hp 2 = Z 2 ]

ويشار إلى هذا الاختلاف الكلي للرأس مثل الرأس الهيدروليكي أو "فقدان الرأس" أو "هبوط الرأس". يمكن اختيار أي ارتفاع للمرجع ، كأساس لرؤوس الارتفاع. تتمثل مزايا اختيار مستوى المياه في أسفل المجرى كمسند أن إجمالي الرأس عند المخارج يصبح صفرًا وأن ارتفاع الماء في مقياس الضغط في أي نقطة في التربة مقاسة فوق خط المسند يعطي رأس الهيدروليكي مباشرة

h = hp ± z

حيث حصان = رأس Piezometric

ض = رئيس الارتفاع

يسمى فقدان الرأس لكل وحدة مسافة تدفق (أو على طول طول التدفق) التدرج الهيدروليكي. تدل عليه كلمة "أنا"

أنا = ح / ل

أين

ح = فقدان الرأس

L = الطول على طول مسار التدفق الذي يكون فيه فقدان الرأس h.

قانون دارسي:

في منتصف القرن الثامن عشر ، درس دارسي في باريس دراسة تجريبية لتدفق الماء من خلال التربة. للتدفق الصفحي من خلال التربة المشبعة ، أثبت دارسي تجريبًا أن معدل التدفق "q" عبر منطقة مقطعية "A" للتربة يتناسب مع التدرج الهيدروليكي ".

ف = كي

أو س / أ = كي

أو V = كي

حيث V = سرعة التدفق

K = معامل النفاذية

ط = التدرج الهيدروليكي

قانون دارسي صالح طالما أن التدفق صفحي. يتم تطبيقه على جزء التربة أدق من الحصى الجميلة.

سرعة التدفق (أو سرعة التصريف):

إنها سرعة واضحة تساوي متوسط ​​معدل التدفق عبر المساحة الإجمالية للوحدة في التربة.

معدل التدفق هو حجم تدفق المياه لكل وحدة زمنية.

سرعة الصفحة السريعة:

سرعة النزف هي السرعة الفعلية أو الحقيقية التي يتدفق الماء من خلال فراغات التربة.

Le A v تكون منطقة الفراغات و

تكون المساحة الإجمالية للتربة متعامدة مع اتجاه التدفق. قد يكون مساويا معدل التدفق كما q = VA = A V .V S

أو V s = V × A / A V

أو V S = V / n

طول التدفق هو نفسه لكل من الحالة و n = حجم الفراغات / الحجم الإجمالي]

أو V S = (1 + e / e) V

حيث V سرعة التدفق

V S = سرعة الصفحة

ه = نسبة الفراغ

ن = المسامية

بما أن (1 + e / e) دائمًا أكبر من الوحدة ، Vg دائمًا أكبر من V.

معايرة النفاذية:

نحن نعرف q = KIA (قانون دارسي)

وضع A = 1 و I = 1 في المعادلة التي نحصل عليها

ك = ف

أي أنه يمكن تعريف كفاءة النفاذية المشتركة ، والمعروفة أيضًا بالتوصيل الهيدروليكي ، بأنها معدل تدفق المياه في ظروف التدفق الصفحي من خلال منطقة مستعرضة للوحدة في وسط مسامي تحت وحدة التدرج الهيدروليكي وظروف درجة الحرارة القياسية (عادة 27 درجة مئوية في الهند). تشبه وحدة K تلك السرعة ، أي m / s أو cm / s إلخ.

العلاقة التجريبية بين K و D 10 التي طورتها Hazen (1911) للرمال النظيفة و الرخوة هي

K = CD 10 2

حيث K = كفاءة المشاركة في النفاذية (cm / s)

C = معامل هازن = 0.8 إلى 1.2 (1.0 شائع الاستخدام)

D 10 = حجم فعال للتربة

الكفاءة في المشاركة من Percolation:

سرعة التسرب تتناسب أيضا مع التدرج الهيدروليكي.

العوامل التي تؤثر على النفاذية :

يمكن الحصول على النفاذية من المعادلة النظرية لـ Kozeny-Carman للتدفق عبر وسط مسامي

K = CD 2 0 (e 3 + 1 + e) ​​γw / n ………… (4.3)

حيث C = عامل الشكل المركب

D 0 = حجم الجسيم التمثيلي

ه = نسبة الفراغ

γ w = كثافة الماء ،

ن = لزوجة الماء

العوامل التي تؤثر على النفاذية هي:

(ط) خصائص السائل المسامي

(2) حجم وشكل الجسيمات

(3) نسبة الفراغ من التربة

(رابعا) الترتيب الهيكلي لجسيمات التربة

(v) درجة التشبع

(6) المياه الممتازة

(ثامنا) التقسيم الطبقي

(1) خصائص سائل المسام:

من المعادلة 4.3 ، من الواضح أن الكثافة واللزوجة هما الخواص الفيزيائية للسائل المسام (أو الماء) الذي يؤثر على النفاذية. معامل النفاذية يتناسب طرديا مع كثافة الماء ويتناسب عكسيا مع لزوجته. لا تتغير قيمة كثافة الماء كثيراً مع تغير درجة الحرارة ولكن هناك اختلاف كبير في اللزوجة. تنخفض اللزوجة مع زيادة في درجة الحرارة ، وبالتالي زيادة النفاذية مع زيادة في درجة الحرارة.

(2) حجم وشكل الجسيمات:

نفاذية التربة تتناسب طرديا مع مربع حجم الجسيم كما هو موضح في المعادلة 4.3. هذا هو أهم عامل يؤثر على نفاذية التربة لأنها تحدد نسبة الفراغ وحجم وشكل المسام في كتلة التربة. تحتوي التربة الخشنة على أحجام مسامية أكبر ، وهنا يكون معامل النفاذية أعلى من K أي من التربة الدقيقة الحبيبات.

(3) نسبة الفراغ من التربة:

التأثير التجريبي لنسبة الفراغ على نفاذية التربة كما هو موضح في المعادلة 4.3 تم التحقق منه تجريبياً.

K α e 3/1 + e

من المعادلة أعلاه ، من الواضح أن K يتناسب طرديا مع نسبة الفراغ ، أي أن نسبة الفراغ من التربة أكثر ستكون النفاذية. توجد أيضًا علاقة شبه قياسية بين K و e. إن القطعة من السجل K (مقياس اللوغاريتمي) Vg e (المقياس الخطي) هي عبارة عن خط مستقيم تقريباً لكل من الحبيبات الخشنة الحبيبية والراقية.

(4) الترتيب الهيكلي لجسيمات التربة:

يختلف الترتيب الهيكلي لجسيمات التربة ، بنفس نسبة الفراغ ، اعتمادًا على طريقة ضغط كتلة التربة. قد تكون نفاذية العينة المضطربة مختلفة عن عينة العينة غير المضطربة بنفس نسبة الفراغ. تأثير الاضطراب الهيكلي على النفاذية واضح للغاية في التربة الحبيبية الدقيقة.

(v) درجة التشبع:

لوحظ أن نفاذية التربة تختلف مباشرة مع مكعب درجة التشبع. وبالتالي كلما زادت التربة المشبعة ، سيكون هناك المزيد من النفاذية. ومع ذلك ، فإن ضغط الهواء المحبب في مسام التربة يعرقل تدفق المياه.

(6) المياه الممتازة:

وتحيط بأجزاء من الماء الممتز جزيئات دقيقة من الطين. تعمل قوى الامتصاص وتطوير طبقة أيون منتشرة حول جزيئات الطين على خلق طبقات مائية هيدروديناميكية ثابتة ، وبالتالي تقليل مساحة المسام الفعالة المتاحة للتسرب.

(السابع) التقسيم الطبقي:

تتمتع التربة ذات الطبقات بخصائص نفاذية مختلفة. تكون نفاذية نفس التربة أكثر عندما يكون التدفق موازيا للطبقة من النفاذية عندما يكون التدفق عموديًا على الطبقة.

طريقة تحديد كفاءة النفاذية:

يمكن تحديد معامل النفاذية بالطرق التالية:

(أ) الطرق المختبرية [الطرق المباشرة]

(ط) اختبار نفاذية الرأس المستمر

(الثاني) اختبار هبوط الرأس.

(ب) الأساليب الميدانية

(ط) اختبارات الضخ

(ثانيا) الضخ في الاختبارات

(ج) "الطرق غير المباشرة

(1) حساب من الحبوب (K = CD 10 2 ) الحجم

(2) اختبار القابلية الأفقية

(3) بيانات الاختبار الموحد.

اختبار نفاذية الرأس الثابتة:

يوضح الشكل 4.3 تمثيلًا تخطيطيًا للاختبار.

يتكون تدفق المياه من الخزان العلوي من ثلاثة أنابيب: مدخل ومخرج وأنبوب فيض. يتم الحفاظ على رأس ثابت 'h' طوال الاختبار. وبما أن طول عينة التربة 'L' ثابت طوال الاختبار ، فإن التدرج الهيدروليكي 'i' يبقى ثابتًا طوال الاختبار

نحن نعرف I = h / L

حيث h = فرق مستوى الماء من الخزان العلوي وخزان القاع. إذا كانت Q هي الكمية الإجمالية للتدفق في فترة زمنية "، فلدينا قانون Darcy.

يتم قياس Q بعد الوصول إلى الحالة الثابتة. يتم تكرار الاختبار مرتين أو ثلاث مرات ويتم أخذ متوسط ​​قيمة Q لحساب K. هذا الاختبار مناسب للتربة الخشنة الحبيبية حيث يمكن جمع تفريغ معقول في وقت معين.

اختبار نفاذية الرأس المتساقط:

اختبار هبوط الرأس مناسب للتربة الأقل نفاذية. يتم تركيب ماسورة الوقوف لمنطقة المقطع العرضي المعروفة 'a' مع جهاز Permeameter ويسمح للماء بالهروب من خلال هذا الأنبوب. يسقط مستوى الماء في أنبوب الحامل باستمرار مع تدفق المياه. تبدأ الملاحظات بعد وصول حالة التدفق المستمر. الرأس في أي وقت لا يساوي الفرق في مستويات المياه في أنبوب الحامل والصهريج السفلي.

يجب أن يكون h 1 و h 2 على رأس الفترات الزمنية t 1 و t 2 على التوالي (t 1 > t 2 ). دع h يكون الرأس في أي فاصل زمني متوسط ​​t و -dh يكون التغيير في الرأس في "dt" فاصل زمني أصغر (تم استخدام علامة ناقص منذ h تقليل كلما زاد t). من قانون دارسي ، يتم إعطاء معدل التدفق q

تتكون الملاحظات المعملية من قياس الرؤوس h 1 و hg على فترتين زمنيتين مختارتين t 1 و t 2 . يتم أخذ متوسطات الفواصل الزمنية للحسابات.

ورقة الملاحظة عن اختبار نفاذية الرأس الوقوع:

نفاذية التربة الطبقية:

عندما يتألف شكل التربة من عدد من الطبقات ذات نفاذية مختلفة ، فإن نفاذية التربة أو مكافئتها تختلف في الاتجاه الموازي والطبيعي للطبقات. بالنسبة للتدفق المتوازي للطبقات ، يكون التدرج الهيدروليكي في كل طبقة هو نفسه ، ومعدل التدفق الإجمالي هو مجموع معدلات التدفق في جميع الطبقات الثلاث.

حيث K x = نفاذية مكافئة أو متوسطة في اتجاه موازٍ للطبقات. بالنسبة للتدفق الطبيعي للطبقات ، يجب أن يكون معدل التدفق متماثلاً في جميع الطبقات للتدفق الثابت ، وبما أن منطقة التدفق "A" ثابتة ، فإن سرعة التدفق عبر الطبقة هي نفسها أيضًا.

حيث K z = نفاذية مكافئة للتدفق الطبيعي للطبقات. لذلك فإن النفاذية المكافئة للتدفق المتوازي للطبقة تكون أكبر دائمًا من التدفق الطبيعي للطبقة أي ، K x دائمًا أكبر من K z .

مثال محلول:

مثال 4.1:

في اختبار نفاذية الرأس الساقط على عينة 6 سم و 50 سم 2 في مساحة المقطع العرضي ، انخفض مستوى الماء في أنبوب الحامل ، 0.8 سم 2 في المساحة الاقطاعية ، من ارتفاع 60 سم إلى 20 سم في 3 دقائق 20 يرى. العثور على النفاذية.

مثال 4.2:

أثناء اختبار متنبئ الرأس المستمر ، يتم قياس تدفق Q من 160 سم ^ في 5 دقائق تحت ثابت ، رئيس 15 سم. يبلغ طول العينة 6 سم وتبلغ مساحة المقطع 50 سم 2. المسامية n 1 من العينة هي 42٪. تحديد النفاذية ، وسرعة التدفق V وسرعة النوم V s . تقدير K 2 لـ n 2 = 35٪.

الحل: نظرا Q = 160 سم 3

L = 6 سم

المثال 4.3:

تتكون الرواسب الرملية من ثلاث طبقات أفقية ذات سماكة متساوية. نفاذية الطبقات العلوية والسفلية هي 2 × 10 سم / ث ، وطبقة الوسط هي 3.2 × 10 -2 سم / ثانية. أوجد النفاذية المكافئة في الاتجاه الأفقي والعمودي ونسبها.

المثال 4.4:

حساب قيمة معامل نفاذية التربة مع ديا فعالة 0.5 ملم. حل:

لدينا ارتباط هازن K = CD 2 10 سم / ثانية

C = 1.0

D 10 = 0.5 ملم

ك =؟

K = 1.0 X (0.5) 2 cm / s = 0.25 cm / s Ans.

مثال 4.5:

تم اختبار عينة من التربة في جهاز قياس ثابت للرأس. كان قطر وطول العينة 3 سم و 15 سم على التوالي. تحت رأس 30 سم ، تم العثور على التفريغ ليكون 80 سم مكعب في 15 دقيقة.

حساب:

(ط) معامل النفاذية

(2) نوع التربة المستخدمة في الاختبار

(2) قيمة K تقع بين 10-1 إلى 10-1 . تتكون التربة من الرمل الخشن الرفيع والرمال المتوسطة والناعمة.

مثال 4.6:

عينة من التربة 5 سم في الطول و 60 سم في منطقة مستعرضة ، يتم تثقيب الماء خلال العينة في 10 دقائق هو 480 مل تحت رأس ثابت من 40 سم. وزن عينة الفرن المجففة هو 498 جم والثقل النوعي للتربة = 2.65.

حساب:

(ط) معامل النفاذية

(2) سرعة تسرب.

مثال 4.7:

تم العثور على معامل النفاذية لعينة من التربة في 1 × 10 -3 سم / ثانية عند معدل الفراغ 0.4. تقدير نفاذه عند معدل الفراغ 0.6. الحل: نحن نعرف ذلك:

K α e 3/1 + e

المثال 4.8:

إذا حدث أثناء اختبار النفاذية على عينة تربة مع جهاز قياس الرأس الساقط ، يتم ملاحظة فترات زمنية متساوية لقطرات الرأس من h 1 و h 2 ومرة أخرى من h 1 إلى h 2 ، ابحث عن علاقة بين h 1 و h 2 و h 3 .

الحل: لسقوط الرأس من h 1 و h 2