background image

7 marca 2007

Politechnika Szczecińska
Katedra Budownictwa Wodnego

Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego 

z hydrauliki

Ćwiczenie numer 3

Temat: Wyznaczanie współczynnika filtracji

Rok I
Semestr II 
Grupa I
Podgrupa 3
Skład:

Abramczuk Marcin 
Balcer Paweł
Gala Alicja
Kowalczyk Jarosław

background image

1.1. Część teoretyczna:

 

 

Współczynnik   filtracji   charakteryzuje   zdolność   przesączania   wody 

będącej w ruchu laminarnym przez skały porowate. Przesączanie odbywa się 
siecią   kanalików   utworzonych   z   porów   gruntowych.   Grunt   stawia   opór 
przesączającej się wodzie, opór ten zależy od właściwości gruntu – porowatości 
uziarnienia; właściwości filtrującej cieczy – lepkość. 

Wyznaczanie współczynnika filtracji metoda wzorów empirycznych: 
należy   uznać   skład   granulometryczny   posiadać   wykres   uziarnienia   i   wartość 
porowatości gruntu. Uzyskuje się ta metoda wartości orientacyjne.

Metody laboratoryjne: 
Przy użyciu aparatów filtracyjnych różnej konstrukcji- ze stałym i ze zmiennym 
spadkiem hydraulicznym. Aparaty ze stałym spadkiem stosuje się do gruntów 
dobrze przepuszczalnych a ze zmiennym do słabo przepuszczalnych. Badania 
przeprowadza   się   na   próbkach   o   strukturze   nienaruszonej   lub   naruszonej. 
Wyniki badań otrzymane na próbkach o strukturze nienaruszonej są zbliżone do 
wyników   badań   polowych   w   warunkach   naturalnych.   Podczas   pomiarów 
współczynnika filtracji należy określić temperaturę przesączającej się wody. Ze 
wzrostem temp cieczy zmniejsza się lepkość i zwiększa prędkość przepływu. 

Pomiar ze stałym spadkiem hydraulicznym: 
Badanie polega na przepuszczeniu wody przez próbkę o znanych wymiarach 
geometrycznych   i   na   pomiarze   wydatku   oraz   spadku   hydraulicznego. 

Współczynnik filtracji wyznacza się ze wzoru Darcy’ego: 

I

F

Q

k

*

=

, Q- wydatek 

t

V

Q

=

, F- powierzchnia  przekroju, I-spadek hydrauliczny

l

dt

I

=

. W aparacie do 

pomiaru możliwy jest przepływ wody przez próbkę w kierunku z góry na dół i 
odwrotnie. Istnieje możliwość zmiany kierunku przepływu w trakcie badania. 
Powolne   doprowadzanie   wody   do   próbki   od   dołu   ma   na   celu   usuniecie 
powietrza z porów gruntu. Badanie wykonuje się dla kilku różnych spadków 
hydraulicznych,   nie   zmieniających   się   w   trakcie   badania.   2-3   razy 
powtórzonych. 

Pomiar ze zmiennym spadkiem: 
W aparatach tego typu istnieje możliwość dużych spadków hydraulicznych, co 
ma szczególne znaczenie przy filtracji przez grunty słabo przepuszczalne. W 
gruntach   tych   w   przypadku   całkowitego   wypełnienia   porów   gruntu   woda 
związana ruch wody jest możliwy po przekroczeniu spadku początkowego I

0

Pomiaru dokonuje się w aparacie filtracyjnym obserwując opadanie poziomu 
wody w rurce o przekroju f w czasie t

i

 poziom wody obniży się do wysokości h

background image

z h

0

 utrzymując dolna wodę na poziomie przekroju C, ciśnienie piezometryczne 

w   tym   przekroju   będzie   równało   się   0.  W  tym   przypadku   prędkość   filtracji 
zmienia się w czasie, w zależności od wysokości h czyli wysokości położenia 
zwierciadła wody w rurce w danym momencie czasu. 

l

h

k

V

*

=

Metody polowe: 
Daje   najbardziej   miarodajne   wyniki.   Najkosztowniejsza   i   pracochłonna.   Do 
polowych metod należą: 
- próbne pompowanie studni z otworami obserwacyjnymi, 
- próbne pompowanie bez otworów obserwacyjnych, 
- krótkotrwałe pompowanie studni, 
- bezpośredni pomiar przepływu i otworu wiertniczego, 
- zalewanie szurfów i szybików, 
- sczerpywanie.

Wyjaśnienie pojęć:

Lepkość- właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich 

opór   wewnętrzny   przeciw   płynięciu.   Lepkością   jest   opór   przeciw 
płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia. Lepkość 
jest jedną z najważniejszych cech olejów.

Ruch laminarny-   tory cząstek mało różnią się od siebie. Pozostające w ruchu 

medium   można   traktować   jako   zbiór   oddzielnych   warstw, 
poruszających   się   względem   siebie   z   różną   prędkością   i   nie 
mieszających się ze sobą. 

background image

Porowatość- Cecha utworów skalnych wynikająca z obecności w nich pustek 

wzajemnie   skomunikowanych,   dostępnych   dla   przepływu   rodu 
(filtracji).   Ilościowo   wyraża   się   ją   współczynnikiem   porowatości, 
rzadziej   wskaźnikiem   porowatości.   Genetycznie   wyróżnia   się: 
porowatość pierwotną i wtórną. Na podstawie cech morfologicznych 
wyróżnia się: - w skałach okruchowych porowatość międzyziarnową; 
-   w   skałach   zwięzłych   porowatość   szczelinową.   Ze   względu   na 
możliwość   przepływu   wody   wyróżnia   się:   porowatość   ogólną, 
wynikającą z obecności całkowitej przestrzeni porowej, porowatość 
otwartą - pustek kontaktujących się ze sobą, porowatość zamkniętą - 
pustek   niepołączonych,   porowatość   efektywną   -   pustek   biorących 
udział   w   filtracji.   W   wąskim   znaczeniu   pod   tym   pojęciem 
rozumiemy porowatość międzyziarnową (intergranularną). 

Pory- wolne przestrzenie występujące w skale między ziarnami mineralnymi - 

pory międzyziarnowe. W szerszym znaczeniu pojęcie to rozumiemy 
jako wszelkie pustki w skale a więc pory właściwe międzyziarnowe, 
szczeliny   i   kawerny.   Ze   względu   na   ruch   wody   i   działania   sił 
międzycząsteczkowych   dzieli   się   pory   na:

 

- nadkapilarne o średnicy większej niż 0,5 mm; woda porusza się w 
nich

 

pod

 

działaniem

 

siły

 

ciężkości;

 

- kapilarne o średnicy 0,5 - 0,0002 mm; ruch wody odbywa się pod 
działaniem   siły   ciężkości   i   sił   molekularnych   (ruch   kapilarny);  
- subkapilarne o średnicy mniejszej niż 0,0002 mm; woda zostaje 
całkowicie   związana   i   unieruchomiona   działaniem   sił 
cząsteczkowych.

Filtracja-metoda   oddzielania   substancji   stałych   od   cieczy   i   gazów,   poprzez 

mechaniczne   zatrzymanie   jednego   ciała   stałego   w   przegrodach 
porowatych (filtrach) przy użyciu odpowiednich aparatów. Ciecz lub 
gaz   otrzymywane   po   filtracji   nazywa   się   filtratem.   Kluczowym 
kryterium rozdziału rodzajów filtracji jest wielkość cząstek.

Piezometr-   przyrząd   do   pomiaru   ciśnienia   pomniejszonego   o   ciśnienie 

atmosferyczne  

Równanie   Bernoulli'ego-   matematyczny   zapis   zasady   zachowania   energii 

całkowitej w przepływie. Stosowane jest ono dla cieczy idealnych tj. 
pozbawionych lepkości, nieściśliwych. W granicach dopuszczalnego 
błędu można je jednak stosować dla cieczy rzeczywistych. 

background image

Prawo   Darcy’ego-   Liniowe   doświadczalne   prawo   filtracji   wyrażające 

proporcjonalność   prędkości   filtracji   do   spadku   hydraulicznego. 
Prawo

 

Darcy’ego

 

wyraża

 

się

 

wzorem:

 

J

k

v

=

gdzie: v - prędkość filtracji, 
k - współczynnik filtracji, 
J - spadek hydrauliczny wyrażający się wzorem: 

s

H

J

=

gdzie: H - wysokość hydrauliczna, 
s - droga filtracji. 
W zapisie różniczkowym prawo Darcy’ego. ma postać:

s

H

k

v

=

Prędkość filtracji (przesączania)- Fikcyjna makroskopowa prędkość przepływu 

wody   podziemnej   w   ośrodku   nasyconym.   Wyraża   natężenie 
strumienia   filtracji   przypadające   na   jednostkowy   przekrój 
poprzeczny (ortogonalny do linii prądu) ośrodka porowatego (skały) 
a nie do przekroju efektywnej przestrzeni porowej którą płynie woda: 

skałk

A

Q

v

=

]

,

,

[

a

m

h

m

s

m

Prędkość efektywna (rzeczywista)- Prędkość makroskopowa przepływu wody 

podziemnej odniesiona do przekroju przestrzeni porowej, liczbowo 
równa   stosunkowi   prędkości   filtracji   do   porowatości   efektywnej. 
Wyraża   więc   rzeczywistą   prędkość   średnią   wody   w   przestrzeni 
porowej. 

background image

2. Kolejność wykonania czynności:

 

 

I. Pomierzyć geometryczne parametry stanowiska

II. Otworzyć   dopływ   wody   do   stanowiska   i   odczekać,   aż   woda 

podniesie się do połowy skarpy

III. Otworzyć   odpływ   wody   ze   stanowiska   i   jednocześnie   i 

jednocześnie kontrolować poziom wody na dopływie

IV. Zmierzyć wydatek

V. Pomierzyć poziomy wody w rurkach piezometrycznych 

background image

3. Przykładowe obliczenia:

 

 

obliczenia dla pomiaru pierwszego (h=20 cm)

22

,

4

60

3

,

253

=

=

Q

]

[

3

s

cm

39

,

0

77

,

10

22

,

4

=

=

q

]

[

2

s

cm

36

,

0

3

,

5

20

)

0

170

(

39

,

0

2

2

2

1

=

=

k

]

[

s

cm

34

,

0

3

,

5

20

)

0

160

(

39

,

0

2

2

2

2

=

=

k

]

[

s

cm

31

,

0

3

,

5

20

)

0

150

(

39

,

0

2

2

2

3

=

=

k

]

[

s

cm

28

,

0

3

,

5

19

)

0

140

(

39

,

0

2

2

2

4

=

=

k

]

[

s

cm

31

,

0

3

,

5

8

,

18

)

0

130

(

39

,

0

2

2

2

5

=

=

k

]

[

s

cm

32

,

0

3

,

5

9

,

17

)

0

120

(

39

,

0

2

2

2

6

=

=

k

]

[

s

cm

33

,

0

3

,

5

1

,

17

)

0

110

(

39

,

0

2

2

2

7

=

=

k

]

[

s

cm

34

,

0

3

,

5

1

,

16

)

0

100

(

39

,

0

2

2

2

8

=

=

k

]

[

s

cm

34

,

0

3

,

5

4

,

15

)

0

90

(

39

,

0

2

2

2

9

=

=

k

]

[

s

cm

35

,

0

3

,

5

3

,

14

)

0

80

(

39

,

0

2

2

2

10

=

=

k

]

[

s

cm

35

,

0

3

,

5

5

,

13

)

0

70

(

39

,

0

2

2

2

11

=

=

k

]

[

s

cm

35

,

0

3

,

5

8

,

12

)

0

60

(

39

,

0

2

2

2

12

=

=

k

]

[

s

cm

38

,

0

3

,

5

4

,

11

)

0

50

(

39

,

0

2

2

2

13

=

=

k

]

[

s

cm

40

,

0

3

,

5

3

,

10

)

0

40

(

39

,

0

2

2

2

14

=

=

k

]

[

s

cm

47

,

0

3

,

5

8

,

8

)

0

30

(

39

,

0

2

2

2

15

=

=

k

]

[

s

cm

50

,

0

3

,

5

7

,

7

)

0

20

(

39

,

0

2

2

2

16

=

=

k

]

[

s

cm

background image

46

,

0

3

,

5

7

,

6

)

0

10

(

39

,

0

2

2

2

17

=

=

k

]

[

s

cm

17

=

k

k

śr

]

[

s

cm

38

,

0

17

53

,

6

=

=

śr

k

]

[

s

cm

obliczenia dla pomiaru drugiego (h=30 cm)

39

,

10

60

3

,

623

=

=

Q

]

[

3

s

cm

96

,

0

77

,

10

39

,

10

=

=

q

]

[

2

s

cm

38

,

0

2

,

6

30

170

96

,

0

2

2

2

1

=

=

k

]

[

s

cm

36

,

0

2

,

6

30

160

96

,

0

2

2

2

2

=

=

k

]

[

s

cm

33

,

0

2

,

6

30

150

96

,

0

2

2

2

3

=

=

k

]

[

s

cm

32

,

0

2

,

6

7

,

29

140

96

,

0

2

2

2

4

=

=

k

]

[

s

cm

31

,

0

2

,

6

29

130

96

,

0

2

2

2

5

=

=

k

]

[

s

cm

28

,

0

2

,

6

7

,

28

120

96

,

0

2

2

2

6

=

=

k

]

[

s

cm

30

,

0

2

,

6

3

,

27

110

96

,

0

2

2

2

7

=

=

k

]

[

s

cm

30

,

0

2

,

6

26

100

96

,

0

2

2

2

8

=

=

k

]

[

s

cm

30

,

0

2

,

6

9

,

24

90

96

,

0

2

2

2

9

=

=

k

]

[

s

cm

30

,

0

2

,

6

3

,

23

80

96

,

0

2

2

2

10

=

=

k

]

[

s

cm

30

,

0

2

,

6

22

70

96

,

0

2

2

2

11

=

=

k

]

[

s

cm

31

,

0

2

,

6

3

,

20

60

96

,

0

2

2

2

12

=

=

k

]

[

s

cm

32

,

0

2

,

6

4

,

18

50

96

,

0

2

2

2

13

=

=

k

]

[

s

cm

34

,

0

2

,

6

3

,

16

40

96

,

0

2

2

2

14

=

=

k

]

[

s

cm

background image

38

,

0

2

,

6

8

,

13

30

96

,

0

2

2

2

15

=

=

k

]

[

s

cm

41

,

0

2

,

6

5

,

11

20

96

,

0

2

2

2

16

=

=

k

]

[

s

cm

45

,

0

2

,

6

9

10

96

,

0

2

2

2

17

=

=

k

]

[

s

cm

17

=

k

k

śr

]

[

s

cm

33

,

0

17

69

,

5

=

=

śr

k

]

[

s

cm

background image

4.

Tabelaryczne zestawienie wyników:

 

 

Tabela 1. Pomiar 1.

Numer

piezometru

z

i

[cm]

V

[cm

3

]

t

[s]

b

[cm]

q

]

[

2

s

cm

k

]

[

s

cm

k

śr

]

[

s

cm

1

20

2

20

3

20

4

19

5

18,8

6

17,9

7

17,1

8

16,1

9

15,4

10

14,3

11

13,5

12

12,8

13

11,4

14

10,3

15

8,8

16

7,7

17

6,7

18

5,3

253,3 60 10,77

0,39

0,36
0,34
0,31
0,28
0,31
0,32
0,33
0,34
0,34
0,35
0,35
0,35
0,38
0,40
0,47
0,50
0,46

0,38

Tabela 2. Pomiar 2.

Numer

piezometru

z

i

[cm]

V

[cm

3

]

t

[s]

b

[cm]

q

]

[

2

s

cm

k

]

[

s

cm

k

śr

]

[

s

cm

1

30,0

2

30,0

3

30,0

4

29,7

5

29,0

6

28,7

7

27,3

8

26,0

9

24,9

10

23,3

11

22,0

12

20,3

13

18,4

14

16,3

15

13,8

16

11,5

17

9,0

18

6,2

623,3 60 10,77

0,96

0,38
0,36
0,33
0,32
0,31
0,28
0,30
0,30
0,30
0,30
0,30
0,31
0,32
0,34
0,38
0,41
0,45

0,33

background image

5. Analiza błędów

 

 

Błędy   pomiarowe   w   ćwiczeniu,   które   miało   na   celu   wyznaczenie 
współczynnika filtracji mogą powstać z powodu:

a)

niedokładności stopera użytego do pomiaru czasu t,

b) czas reakcji studenta włączającego stoper,

c)

niedokładności   odczytu   poziomu   wody   w   poszczególnych   rurkach 
piezometrycznych,

d)

niedokładności pomiarów geometrycznych parametrów stanowiska, 

e) niedokładność odczytu objętości przefiltrowanej wody.

background image

6. Wzory do obliczeń

 

 

Wydatek:

b

Q

q

=

]

[

2

s

m

Q- wydatek
b- szerokość stanowiska

Natężenie przepływu:

t

V

Q

=

]

[

3

s

m

V- objętość przefiltrowanej wody w czasie t=60 s 
t- czas 

Współczynnik filtracji:

2

1

2

2

1

2

)

(

2

z

z

x

x

q

k

=

]

[

s

m

q- wydatek
(x

2

-x

1

)- różnica odległości między rurkami piezometrycznymi

(z

2

2

-z

1

2

)- różnica kwadratów wysokości wody w rurkach piezometrycznych 

x

1

= const.

x

1

= 0

z

1

= const.