Hydraulika podziemna

W hydrauliczny wód podziemnych jest dyscyplina geomechaniczne matematycznie studia naturalny przepływ grawitacyjny (web warstwy wodonośnej ...) lub indukowana ( drenaż , pompowanie ...) wolnej wody gruntowej - ani adsorbowane ani naczyń włosowatych - w przepuszczalnych nośników wirtualnych, w efekcie z ładunkiem lub gradient ciśnienia.

Opis

Wykorzystuje teoretyczne modele hydrodynamicznego kształtu i zachowania, które muszą być kompatybilne z realistycznymi modelami sieci naturalnych opisanymi przez hydrogeologię . Ten ostatni jakościowo bada obecność wolnej wody w podłożu , koncentrując się na charakterze litologicznym ( żwir , piasek , piaskowiec , wapień itp.) I stanie ( porowaty , spękany , krasowy itp.) Materiałów wodonośnych. Oraz jego obieg w rzeczywistych sieciach podziemnych, zorganizowanych zgodnie z budową geologiczną powierzchniowych warstw wodonośnych ( aluwialne warstwy wodonośne …) lub głębokich (uwięzione warstwy wodonośne…). Zatem podziemna hydraulika i hydrogeologia są nierozłączne, współzależne i uzupełniające się.

Przystępujemy do badania masy przepuszczalnego materiału wodonośnego, aby go eksploatować poprzez wpompowanie do studni lub odwiertu , odwodnienie, osuszenie wykopu, którego dno znajduje się poniżej poziomu wód gruntowych, zapobieżenie lub ponowne wchłonięcie zanieczyszczenia, aby zbudować tamę ... Celem pracy jest określenie urządzenia do wdrożenia - typu, lokalizacji, programu - w celu uzyskania pożądanego przepływu eksploatacyjnego, obniżenia poziomu wód gruntowych niezbędnego w całym obszarze roboczym, ewentualnie kontrolowania odległe skutki działania dla wód gruntowych (zmniejszenie lub nawet wysychanie źródeł, studni, odwiertów itp.) lub minimalny stopień przecieku zapory.

Krasowe masywy wapienne, gipsowe itp., Których pustki są bardzo duże i zorganizowane w chodniki, bez względu na to, czy są obciążone, czy nie, są oczywiście przepuszczalne, ale występujące tam przepływy są na ogół gwałtowne, burzliwe i bardzo zmienne w czasie i przestrzeni. Tak więc hydraulika zubożonych sieci krasowych nie może być rozwiązana przez hydraulikę podziemną; mogą być jakościowo przez hydrogeologię.

Historyczny

Prawo Darcy'ego zostało wyrażone w 1856 roku. Uwzględnia przepływ wody w środowisku wodonośnym przy niskim nachyleniu iw stanie ustalonym; określa przepuszczalność medium, parametr liniowo łączący natężenie przepływu z wysokością hydrauliczną lub gradientem ciśnienia.

Ogólną teorię ustalonego przepływu laminarnego warstwy wodonośnej w jednorodnym ośrodku nieskończonym przedstawił w 1863 r. Dupuit w związku z wykopem odwadniającym . W 1880 roku, po zrujnowaniu tamy Bouzey , Dumas określił podciśnienie, ciśnienie hydrostatyczne wody podziemnej pod konstrukcjami zakopanymi poniżej poziomu freatycznego.

W 1906 roku Thiem umożliwił uwzględnienie warunków brzegowych warstwy wodonośnej w stanie ustalonym. Podszedł Boussinesqa bez praktycznego rezultacie na początku XX -go  wieku, przepływ nieustalonych problemu wodonośnej został potraktowany przez Theis kiedyś w 1930 roku.

Ogólną teorię przepływu cieczy (ropa, gaz, woda) w ośrodkach porowatych opracowali w latach 194- / 5- Muscat, Houpper ...

Prawo Darcy'ego

Teoria hydrauliki podziemnej opiera się na prawie, które Darcy ustanowił w celu kalibracji filtrów piaskowych w zakładzie dystrybucji wody pitnej w Dijon, którym kierował. Skrupulatnie opisał swoje eksperymenty i ich wyniki, tak aby można było jeszcze ocenić znaczenie tego prawa.

W czterech eksperymentach, o których pisze, Darcy zmierzył ustalony przepływ wody Q przez pionowy filtr piaskowy o wysokości 2,5  mi 0,35  m średnicy (powierzchnia S), zmieniając rodzaj i granulometrię piasku, wysokość materiału filtrującego (długość przesączania) L, obciążenie wodą Δh; obliczył odpowiednie stosunki Q / Δh i wyprowadził z nich zależność Q ~ k * Δh * S / L. W rzeczywistości wyniki pierwszego eksperymentu dotyczącego dziesięciu pomiarów można przedstawić w postaci Δh ~ 0,3Q + 0,003Q²: człon kwadratowy był rzeczywiście wystarczająco słaby, aby można go było pominąć przy niskich natężeniach przepływu; pomijając ten termin, niedokładność jego wyników dla około dwudziestu pomiarów jest rzędu 15%; wydedukował z tego z rozwagą, o której praktyce zapomnieliśmy: „Wydaje się zatem, że w przypadku piasku tego samego rodzaju możemy przyjąć, że wyładowywana objętość jest proporcjonalna do obciążenia i odwrotnie proporcjonalnie do grubości przekraczanej warstwy. "; Według samego autora, to bardzo deterministyczne prawo nie jest więc takie duże: aby było ważne, przepływy muszą być laminarne i trwałe, co stało się warunkiem koniecznym ważności prawa Darcy'ego na warunkach jego Obecne wykorzystanie. Oczywiście, wraz ze wzrostem przepływu, termin drugiego stopnia, który tłumaczy przepływ turbulentny, staje się coraz bardziej wpływowy i nie możemy go dłużej lekceważyć; można to łatwo zauważyć pod koniec testów Lefranca lub podczas pompowania w otworach wiertniczych, kiedy poziom wody nagle spada blisko granicznego natężenia przepływu konstrukcji.

Przepuszczalność

Wszystkie geomateriały są porowate lub spękane, mniej lub bardziej przepuszczalne, mniej lub bardziej wodonośne; w zależności od wymiarów pustek, ich wzajemnego połączenia i stanu nasycenia woda jest mniej lub bardziej ruchliwa: wolna woda wypełnia je mniej lub bardziej i może tam krążyć pod wpływem gradientu; woda kapilarna wypełnia ściany nienasyconych pustek pod wpływem napięcia powierzchniowego, w większej lub mniejszej ilości w zależności od temperatury i ciśnienia; zaadsorbowana woda przytwierdzona do ścian poprzez przyciąganie molekularne jest uruchamiana jedynie przez ekstremalne zmiany warunków fizycznych; wodę konstytucyjną zintegrowaną w sieć krystaliczną można uruchomić tylko w wyniku reakcji chemicznej.

Materiał jest przepuszczalny, jeśli jego pory lub pęknięcia są otwarte i połączone ze sobą, tak że może przez nie przepływać wolna woda; wszystkie geomateriały, w tym najsuchsze iły, mają takie puste przestrzenie, które zawierają mniej lub więcej wolnej wody, a zatem mogą być mniej lub bardziej przepuszczalne. Współczynnik przepuszczalności k materiału nasyconego charakteryzuje łatwość przepływu wody przez niego pod wpływem gradientu hydraulicznego.

Prawo Darcy'ego określa współczynnik przepuszczalności k = (Q / S) / (Δh / L) lub k = V / I, gdzie I = Δh / L gradient hydrauliczny i V = Q / S prędkość przepływu; oznacza to, że reżim przepływu jest laminarny, trwały, jednolity, a zatem gradient i fizyczna prędkość wody są niskie i praktycznie stałe; naturalny gradient rzadko przekracza 2/1000; szybkość może wahać się od kilku m / dw wysokoprzepuszczalnych warstwach wodonośnych do mniej niż 0,01 m / dw zasadniczo nieprzepuszczalnych warstwach wodonośnych.

Współczynnik przepuszczalności jest empirycznym i złożonym parametrem praktycznych obliczeń, którego wartość z założenia zależy tylko od materiału warstwy wodonośnej, charakteru, struktury, wymiarów i wskaźnika pustek; ma wymiary [LT −1 ], ale nie ma charakteru prędkości; V nie jest efektywną fizyczną prędkością przepływu wody w materiale, ale wygodną abstrakcją do zastąpienia w obliczeniach tensorowych stosunku Q / S, czyli ilości wody, która przepływa przez jednostkową powierzchnię materiału prostopadle do linii prądu, w jednostce czasu. W rzeczywistości użyteczna kaliber strumienia wody, a tym samym rzeczywista prędkość przepływu, zależą od wskaźnika pustki materiału: przepuszczalność materiału maleje, gdy jego wskaźnik pustki zmniejsza się przez ściskanie i odwrotnie - w ten sposób geomechanika określa konsolidację materiału, który modelują za pomocą testu edometrycznego.

W przypadku małych przepuszczalności natężenie przepływu jest praktycznie zerowe, jeśli gradient jest mały i / lub występuje tylko przez krótki czas; takie warunki mogą dotyczyć praktycznej nieprzepuszczalności geomateriału, który nigdy nie jest całkowity. W naszych skalach powierzchniowych i czasowych materiał jest praktycznie przepuszczalny dla k> 10-4 m / s i nieprzepuszczalny dla k < 10-6 m / s. Jeśli jednak powierzchnia i czas przesiąkania są bardzo duże, wolna woda może krążyć bardzo wolno w materiałach o znacznie niższej przepuszczalności: przepływ przez wał margli o grubości 1  m , którego przepuszczalność wynosi 10-9 m / s, poddano obciążeniu hydraulicznym 1, b wynosi około 3000  m ł / ha / rok, co stanowi znaczny na skali z sedymentacyjny i geologicznej; jest oczywiście nieistotny w skali terenu geotechnicznego i czasu.

Przepływ wody w przepuszczalnym środowisku

Zakłada się, że w przepuszczalnym środowisku przepływ wody podlega prawu Darcy'ego w ramach ogólnej teorii hydraulicznej; analityczne rozwiązanie dwóch równań określających wektor prędkości przepływu umożliwia skonstruowanie sieci dwóch rodzin krzywych prostopadłych, linii prądu oraz linii poziomu lub ciśnienia; Stamtąd rozwiązanie każdego problemu związanego z przepływem wód gruntowych jest w zasadzie możliwe, jeśli utworzono dobrą sieć, ale nie zawsze jest to łatwe; dlatego lepiej jest rozwiązywać problemy związane z przepływami / spadkami, które często się pojawiają i które się do tego nadają, za pomocą specjalnych metod.

Najprostszym i najwygodniejszym jest Dupuit do obliczania stałego przepływu elementarnych struktur zubożeniowych, rowów odwadniających, studni itp. W funkcji spadków ciśnień w obszarach i dla prostych warunków brzegowych, oczywiście wprowadzając założenia upraszczające: jeśli poziom statyczny lustra wody powierzchniowej swobodnej i jego ściany są poziome, a jeśli stały przepływ w studni jest co najwyżej równy stałemu dopływowi na granicy strefy zakłóconego przepływu przez pobieranie próbek, Dupuit przyznaje, że w pewnej odległości y od struktura, składowa pionowa prędkości przepływu wynosi zero, a zatem prędkość jest stała pod względem wielkości i kierunku na tym samym ekwipotencjale: w płaszczyźnie pionowej ekwipotencjały są pionowe, a bieżące linie są poziome; przy Q stałym przepływie konstrukcji, odległościach y1 i y2 do konstrukcji, wysokościach wody z1 i z2 ponad poziomą nieprzepuszczalną ścianą, otrzymujemy Q = πk * (z2²-z1²) / ln (y2 / y1). Układy złożonych konstrukcji modelowane są jako duże, proste konstrukcje: wykop odwadniający dla rzędu studni, studnie o bardzo dużej średnicy do obniżania lustra wód gruntowych z dużych wykopów itp.

Zasadniczo wynik tego obliczenia obowiązuje tylko dla nieskończonego czasu pompowania przy stałym przepływie. Stały stan przepływu oczywiście nie ustala się natychmiastowo - w rzeczywistości nawet się nie ustala, ponieważ poziom wody w studni teoretycznie dąży do wartości asymptotycznej; problem przepływu w trybie nieustalonym jest traktowany metodą Theis; W praktyce rzadko jest to uzasadnione: możemy prościej przyznać, że spadek i promień wpływu rosną jako pierwiastek lub logarytm czasu.

Przepływ staje się burzliwy, jeśli gradient przekracza gradient Sicharda; Prawo Darcy'ego nie ma już wtedy zastosowania, a obliczenia dotyczące hydrauliki podziemnej są niewystarczające.

Pomiar przepuszczalności

Naturalne geomateriały o bardzo niskiej spójności, takie jak piaski i poważne warstwy wodonośne, są prawie niemożliwe do pobrania za pomocą sondowań; w związku z tym praktycznie niemożliwe jest zmierzenie ich przepuszczalności w laboratorium. Badania laboratoryjne mniej lub bardziej gliniastych materiałów rdzenia są trudne do przeprowadzenia, a ich wyniki są niepewne, ponieważ wpływa na nie fizykochemia używanej wody oraz kontakt materiału ze ścianą urządzenia, który jest strefą uprzywilejowanego przepływu; edometrze umieszczone mogą być stosowane jako obciążenie permeameter jest zmienna Test kompresji. W ten sposób sprawdza się również, czy przepuszczalność materiału maleje, gdy zwiększa się jego zwartość i odwrotnie.

Testy in situ, test Lefranca lub przepuszczalności, test Lugeona i test studni filtrującej umożliwiają pomiar przepuszczalności materiałów sypkich, takich jak piaski i żwir, lub materiałów kruchych, takich jak spękane skały, których nie można pobrać prawidłowo.

Próbę Lefranca przeprowadza się na dnie odwiertu podczas wykonywania, w materiałach pęcherzowych, warstwach wodonośnych, pod ciśnieniem atmosferycznym. W tym celu tworzymy pod stopą obudowy latarnię mniej więcej wysoką w zależności od stabilności materiału i zgodnie z naturalnym poziomem piezometrycznym pompujemy lub wtryskujemy wodę z progresywnymi stałymi prędkościami i poziomami. Podobne testy można przeprowadzić w suchych materiałach metodą wtrysku, ale wyniki tego typu testów nie są zbyt dokładne, ponieważ wystarczająco duża objętość materiału musiałaby zostać nasycona wokół punktu testowego, aby uzyskać stan ustalony.

Aby przeprowadzić test Lugeona w spękanych skałach o niskiej przepuszczalności, woda jest wtryskiwana ze stałym wzrostem, a następnie malejącym ciśnieniem i natężeniem przepływu, do nieosłoniętego segmentu wiercenia, izolowanego pojedynczą lub podwójną przesłoną.

Testy Lefranca i Lugeona są jednorazowe; tylko tymi metodami, nawet mnożąc je w danym miejscu, trudno jest oszacować ogólną średnią przepuszczalność materiału wodonośnego zawierającego zwierciadło wody lub nawet jednego z jego małych sektorów. Osiąga się to poprzez wykonanie próby pompowania przy wzrastających szybkościach i stałych poziomach, w miarę możliwości w stabilnych etapach, na studni filtrującej otoczonej piezometrami, w miarę możliwości rozmieszczonymi regularnie w całym badanym sektorze; powoduje to wypłatę arkusza. Wzór Dupuita jest stosowany do różnic poziomów mierzonych na wszystkich dostępnych parach studnia / piezometr i piezometr / piezometr w celu obliczenia średniej przepuszczalności materiału między każdym urządzeniem.

Pobór wód gruntowych

W praktyce pobór lub wyczerpanie wód podziemnych stwarza problem relacji przepływ / pobór w danej strukturze i sytuacji; parametrami używanymi w obliczeniach hydrauliki podziemnej są gradient przepływu, który można łatwo zmierzyć z sieci piezometrów założonych wokół punktu wydobycia oraz współczynnik przepuszczalności warstwy wodonośnej, który można zmierzyć tylko prawidłowo in situ .

Badania dotyczą wdrażanego urządzenia, rodzaju, umiejscowienia, przepływu, w celu uzyskania przepływu roboczego lub obniżenia poziomu lustra wody niezbędnego na całym obszarze roboczym, ewentualnie poprzez kontrolę odległych skutków działania praca na stole wodnym. W przypadku złożonych projektów i długotrwałych operacji z bardzo uciążliwymi skutkami korzystne może być wykonanie obliczeń numerycznych za pomocą elementów skończonych ze szczegółowych sieci przepływowych; aby je zszorstkować i zbadać mniej skomplikowane, można zadowalać się przybliżonymi wykresami wodociągów za pomocą ręcznych obliczeń ze skończonymi różnicami w sieciach schematycznych; dla aktualnych badań wyczerpania wyrobisk tymczasowych łatwiej jest uzyskać akceptowalne szacunki zrzutów za pomocą formuł generalnie wyprowadzonych z metody Dupuita.

Niedokładności danych terenowych i założeń obliczeniowych są takie, że podstawowe wyniki podziemnych obliczeń hydraulicznych są tylko rzędy wielkości w dużej mierze wystarczające do określenia zasad i metod praktycznych interwencji; są sprawdzane i określane w terenie za pomocą prób pompowania konstrukcji w celu dostosowania urządzeń do zapotrzebowania, ustalenia programów działania i modulacji natężenia przepływu; Na wstępie zawsze musimy zaplanować struktury nadmiarowe, jeśli pozwala na to grubość, przepuszczalność i zaopatrzenie warstwy wodonośnej (eksploatacja) lub narzucają to (wyczerpanie).

Bibliografia

Dokument użyty do napisania artykułu : dokument używany jako źródło tego artykułu.

Uwagi i odniesienia

  1. Henri Darcy, Publiczne fontanny miasta Dijon - przypis D , Victor Dalmont, redaktor, Paryż, 1856.

Powiązane artykuły