Предмет гидравлика и основные физические свойства жидкости. Основные физические свойства жидкости. Понятие об идеальной жидкости, страница 31

Несмотря на относительную незначительность запасов грунтовых вод, роль их в природе и в жизни человека весьма велика. Режим грунтовых вод в поверхностных слоях земли во многом определяет условия развития растительности и, следовательно, возможный   характер   сельского   хозяйства.   Грунтовые   воды   являются существенным источником водоснабжения. Весьма важен учет грунтовых вод.

Вода в грунте находится в различной форме:

1.  Вода в форме водяного пара.

2. Гигроскопическая вода - впитана частицами грунта (выделяется при нагреве до 100˚С).

3. Пленочная вода - при увеличении влажности вода обволакивает зерна грунта пленкой и может передвигаться под влиянием молекулярных сил.

4. При дальнейшем увеличении влажности вода заполняет узкие поры и может передвигаться под действием сил капиллярного давления – это капиллярная вода.

5. В дальнейшем мы будем рассматривать только гравитационную воду, называя ее грунтовой водой.

Если под грунтовым потоком расположена пористая среда с рат, то такой поток безнапорный (со свободной поверхностью). Когда грунтовый поток вступает в пространство, ограниченное сверху и снизу водонепроницаемым пластом, то давление станет больше рат, движение будет напорным.

Фильтрация в начальном периоде происходит при неустановившемся движении, а через некоторый период времени - при установившемся.

Рассмотрим фильтрацию через мелкопористый грунт, когда просачивание медленное с очень малым числом Re, а поэтому движение воды будет ламинарным (ламинарная фильтрация).

Движение через гравий, гальку будет турбулентное (не рассматриваем).

Если   фильтрация   не   зависит   от   направления   движения,   то   грунт изотропный, в противном случае - анизотропный.

Напорная линия в случае грунтовой воды совпадает с пьезометрической, т.е. J=Jn

Понятия гидравлического и пьезометрического напоров совпадают:

H=Hn=z+P

Рассмотрим трубу диаметра Д, заполненную песком и водой (рис. 1.102.). Под действием разности давлений на концах трубы вода движется (фильтруется) в этих порах.  

Рис. 1.102.   Схема фильтрации.

Рассмотрим сечение А-А, на котором сосредоточены 3 площади:

1.  Площадь сечения пор грунта ωпор - это площадь живого сечения потока.

2.  Площадь сечения частиц грунта ωчаст.

3.  Площадь сечения всей трубы ωгеом.

Тогда получаем:

.                                           (172)

В отдельной поре эпюра скоростей имеет вид (рис. 1.103.), однако на практике с этим не считаются и «действительную скорость» находят по формуле:

Рис. 1.103.  Схема фильтрации через грунт.

,                                                                          (173)

где: Q   - расход воды.

Наряду с этим вводят понятие - скорость фильтрации:

.                                                     (174)

Под  скоростью  фильтрации  понимают  отношение  объемного  расхода жидкости  Q, протекающей через сечение грунта, к общей площади этого сечения.

Как видно,  скорость фильтрации  U - есть фиктивная (воображаемая) скорость, получающаяся в том случае, если мы себе представим, что вода движется не только через поры; но и через частицы грунта, причем расход равен заданному (действительному расходу).

Проводя исследования. Дарси установил, что скорость фильтрации    в случае установившегося движения может быть определена по формуле Дарси:

U=KJ,                                                                                      (175)

где,    U- скорость фильтрации в точке потока;

J  - пьезометрический уклон в той же точке;

К – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом  фильтрации.

Коэффициент фильтрации - это скорость фильтрации при уклоне J равном единице. Т.е. скорость фильтрации прямо пропорциональна уклону в первой степени.

Формула (174) относится к ламинарной фильтрации и имеет границы применимости.

Для воды, при вязкости   ν = 0,01 см2/с, соотношение должно находиться в пределах:

Ud < 0,01…0,07, где,    U – скорость, см/с,

d - средний диаметр частиц грунта, см.