Коэффициент фильтрации: как определить водопроницаемость грунта
Коэффициент фильтрации - важный показатель при любом строительстве. От него зависит прочность фундаментов, работа дренажа, надежность коммуникаций. Читайте в нашей подробной статье, что он означает, как определить и для чего нужен.
Что такое коэффициент фильтрации и зачем его определять
Коэффициент фильтрации показывает, как быстро вода проходит сквозь водонасыщенный слой грунта при градиенте напора, равном 1. Измеряется в м/сутки.
Градиент напора - это отношение падения давления воды к толщине грунтового слоя. Вода движется сквозь поры и полости под воздействием этого давления.
Закон Дарси описывает закономерности линейной и объемной фильтрации. Скорость движения воды прямо пропорциональна градиенту напора и коэффициенту фильтрации, обратно пропорциональна длине фильтрационного пути.
Линейная фильтрация происходит перпендикулярно фронту движения воды. При объемной фильтрации учитывается ширина и высота водоносного слоя.
По ГОСТ 25100-2020 грунты классифицируются так:
| Коэффициент фильтрации | Тип грунта |
| > 5 м/сут | Высокопроницаемый |
| 0,5-5 м/сут | Среднепроницаемый |
| < 0,5 м/сут | Низкопроницаемый |
Типичные значения коэффициента фильтрации:
- Галечники, гравий - 250-300 м/сут
- Крупные пески - 25-250 м/сут
- Мелкие пески - 1-25 м/сут
- Супеси - 0,25-1 м/сут
- Суглинки - 0,01-0,25 м/сут
- Глины - <0,01 м/сут
Коэффициенты фильтрации песков обычно 10-50 м/сут. Для коэффициентов фильтрации грунтов это средние значения. В каждом конкретном случае они могут сильно отличаться.
Факторы, влияющие на коэффициент фильтрации
На водопроницаемость грунта влияют:
- Минеральный и гранулометрический состав
- Температура
- Состав воды
- Структура и текстура
- Плотность и пористость
- Влажность
- Гидростатическое давление
- Направление потока
Глина резко снижает водопроницаемость грунта. Уже 10% глины в песке падает в 95-280 раз!
При нагреве до 75°С коэффициент фильтрации увеличивается в 2-3 раза из-за уменьшения вязкости воды и расширения пор.
Максимальная скорость фильтрации при концентрации солей 140-150 г/л. Но если концентрация натрия >10%, коэффициент резко падает.
Важное значение имеет однородность грансостава. Чем он разнообразнее, тем ниже коэффициент.
С увеличением плотности грунта и уменьшением пористости скорость фильтрации снижается.
При увеличении влажности до полного водонасыщения коэффициент сначала растет, затем падает.
Методы определения коэффициента фильтрации
Существуют полевые и лабораторные методы определения коэффициента фильтрации. Рассмотрим основные из них.
Полевые методы
- Откачка или нагнетание воды в скважины
- Инфильтрометрия
- Гидрометрическая расходометрия
При откачке в центре участка оборудуют скважину, доходящую до водоносного слоя. Рядом делают несколько наблюдательных скважин. Из центральной откачивают или нагнетают воду и фиксируют ее расход.
При инфильтрометрии в грунте выкапывают шурф и поливают его водой под давлением. Определяют объем впитавшейся жидкости.
Гидрометрическая расходометрия позволяет выявить в массиве участки с повышенной водопроницаемостью.
Лабораторные методы
В лаборатории испытывают пробы грунта. Основные методики:
- С постоянным градиентом напора
- С переменным градиентом напора
- Метод падающего напора
- Компрессионная фильтрация
Порядок определения коэффициента фильтрации в полевых условиях
Рассмотрим подробней методику откачки или нагнетания воды в скважины. Для этого на участке должны быть выполнены определенные требования.
Требования к скважинам и фильтрам
Центральная скважина должна иметь диаметр не менее 100 мм и глубину до водоносного слоя. Она оснащается фильтрами из песка или гравия для предотвращения заиливания.
Наблюдательные скважины монтируются на расстоянии 1-5 м от центральной. Их диаметр - не менее 50 мм, глубина - 60-80% от глубины центральной скважины.
Необходимое оборудование
Для проведения испытаний понадобится:
- Водоотливные установки и насосы
- Емкости для воды объемом 200-1000 л
- Манометры, вакуумметры и термометры
- Расходомеры и секундомеры
- Водоводы, трубопроводы, шланги
Подготовительные работы
Перед началом необходимо:
- Установить скважины и фильтры
- Замерить уровни грунтовых вод
- Определить расход воды
- Подготовить журналы регистрации
Порядок откачки или нагнетания воды
Откачку ведут в течение 3 суток в напорных водоносных слоях и 7 суток - в безнапорных. Периодически измеряют расход и уровень воды.
При нагнетании закачивают воду в скважину с разным давлением и фиксируют объем и скорость фильтрации.
Лабораторные методы определения коэффициента фильтрации
Для лабораторных испытаний отбирают пробы ненарушенного грунта. Рассмотрим методику с постоянным градиентом напора.
Оборудование
Необходима установка, состоящая из:
- Фильтрационной колонки с грунтом
- Емкости с водой
- Системы для подачи и измерения расхода воды
Проведение эксперимента
В колонку помещают грунт и полностью водонасыщают. Затем ступенями увеличивают градиент напора от 0,2 до 1.
На каждой ступени замеряют объем фильтровавшейся за определенное время воды. По полученным данным строят график.
Обработка данных
На основе графика вычисляют коэффициент фильтрации для каждого значения градиента напора. Если прямая линия получилась, значит опыты проведены верно.
Как интерпретировать полученные значения
Коэффициент фильтрации позволяет оценить водопроницаемость грунта на участке и использовать эти данные на практике.