Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2008 (Szerk: Török Á. & Vásárhelyi B.)
Szivárgási tényező meghatározása különféle módszerekkel Hajnal Géza BME, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék,
[email protected]
Görög Péter BME, Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék
[email protected]
Jobbágy Réka BME, Építőmérnöki Kar,
[email protected]
Kőszely Ágnes BME, Építőmérnöki Kar,
[email protected]
ÖSSZEFOGLALÁS: Az építőmérnöki gyakorlatban egyre gyakoribb feladat a talajvízfelszín alatti rétegek szivárgási tényezőjének meghatározása. A mélyépítési munkák költségbecslésekor a munkagödör víztelenítési módját kívánja előre meghatározni a beruházó, a másik gyakori cél pedig a kitermelhető vízkészlet megállapítása a tervezett épület hűtéséhez-fűtéséhez. A geotechnikusok és a hidrogeológusok a szivárgási tényezőt a talajmintán végzett laboratóriumi mérésekkel, illetve helyszíni vizsgálatokkal tudják meghatározni (Ubell 1954, 1958, Kovács 1972, Bear 1979). Utóbbiaknál két fő csoport különíthető el: a nyeletéses és a leszívásos eljárások. Az adatok feldolgozásához többféle szoftver is forgalomban van. Az alábbiakban egy konkrét területen végzett vizsgálat, többféle eljárás alapján kiértékelt eredményeit vetjük össze. Kulcsszavak: szivárgási tényező, próbaszivattyúzás, kútképlet, nyeletés, Dupuit, Porchet, CooperJacob 1. BEVEZETÉS Megbízást kaptunk, hogy egy Buda környéki területen történő beruházásnál a víztelenítési mód meghatározása céljából helyszíni mérésekkel állapítsuk meg a talajréteg(ek) szivárgási tényezőjét. Mivel a területen még addig nem készült talajmechanikai szakvélemény, és nem ismertük a földtani rétegződést, klasszikus próbaszivattyúzást irányoztunk elő, szűrőzött anyakút és 3-3 észlelőkút telepítésével. A kutak kiképzését és a próbaszivattyúzást alvállalkozó végezte. A határidő szorítása miatt, csak nagyon rövid idejű vizsgálatokra volt lehetőség, és igen ellentmondásos eredményeket kaptunk. Ezek tapasztalati kiértékelésével leadtuk szakvéleményünket, de a probléma nem hagyott nyugodni bennünket. Bár a területen megindultak a kivitelezési munkálatok, szerencsére a talajvízszint észlelő kutak megmaradtak, így megbízónk engedélyével saját kedvtelésünkre kísérletezhettünk, több szivattyúval felszerelkezve újból nekiláttunk a terepi vizsgálatoknak. Közben a talajmechanikai vizsgálatok is elkészültek (részben mi is laboráltattunk talajmintákat), így sokféle eredmény összevetésére nyílt lehetőségünk. 2. KUTAK ELRENDEZÉSE A kutak elrendezése az 1-3. ábrán látható. A 4F jelű anyakút 125 mm átmérőjű, 12 méter mély, alján iszapzsákkal, felette 2 m szűrőzött résszel. Rá merőlegesen helyezkedik el a 3-3 észlelőkút. a várható depressziós tölcsér észlelésére alkalmas arányos távolságokra (8 – 12 – 16 méter). Az észlelőkutak 6 méter mélyek és 110 mm átmérőjűek.
Hajnal-Görög-Jobbágy-Kőszely
1. ábra. A kutak elrendezésének vázlata
2. ábra. A narancssárga 4F jelű anyakút és az 5F, 6F és 7F jelű észlelőkutak elrendezése
2
Szivárgási tényező
3. ábra. Az 1F, 2F és 3F észlelőkutak elhelyezkedése 3. TALAJRÉTEGZŐDÉS, LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATOK A talajmechanikai azonosító laborvizsgálatok (plasztikus index meghatározására) csak az anyakút rétegsorán készültek. A munkagödör kiemelésekor a helyszínen két rétegből mi is vettünk mintát, amin laboratóriumi azonosító és vízáteresztőképességi vizsgálatokat végeztettünk. A rétegsort a laborvizsgálatok és a fúrásnaplók alapján készítettük el, ami szerint egy felső sovány agyag réteg alatt iszapos durva homok réteg található 15 % iszaptartalommal, majd egy viszonylag vékony homokos közepes agyag réteg és végül a szürke kiscelli agyag (4-5. ábra).
4. ábra. Az 1F – 4F fúrások menti rétegszelvény A terület alpkőzetének a szürke kiscelli agyag tekinthető, a helyszíni mintavételkor ez volt az egyik réteg, amit vizsgáltunk. A másik az iszapos homok réteg volt, amelyből szemeloszlási és
3
Hajnal-Görög-Jobbágy-Kőszely áteresztőképességi vizsgálat készült. Az áteresztőképességet mind a kiscelli agyagon, mind az iszapos durva homokon triaxiális cellában állandó nyomáson vizsgáltattuk. Meg kell jegyezni, hogy a szemcsésebb rétegből zavartalan mintát nem sikerült venni, így az áteresztőképesség laboratóriumi meghatározása tömörített mintán történt. A tömöríthetőség szempontjából kedvező szemeloszlása, illetve természetes víztartalma miatt elképzelhető, hogy a vizsgálat előtti tömörítésnél nagyobb tömörséget értünk el, mint természetes állapotban. Ezek alapján az iszapos durva homok vízáteresztő képessége 10-6 m/s, a kövér agyagé 10-9 m/s.
5. ábra. A 4F – 7F fúrások menti rétegszelvény A laborvizsgálatok alapján a szűrőzött anyakút 2,1 m-ig sovány agyagban mélyült, alatta 5,1 méterig iszapos durva homok, majd 6,4 méterig közepes agyag található, alatta a szürke kövér agyag települt. Az észlelőkutak általában nem érték el a kövér agyagot. Az észlelőkutak csövezése 110 mm átmérőjű PVC csővel készült, a furat ennél nagyobb átmérőjű volt, a kettő közötti rés eltömése nem készült el megbízhatóan, így az egyes rétegekben lévő talajvíz keveredhetett az észlelőkutakban, azaz a próbaszivattyúzás és nyeletés eredményei az összlet legnagyobb vízáteresztőképességű rétegére vonatkoznak. A iszapos durva homokra a szemeloszlási görbe segítségével többféle közelítő számítást is alkalmaztunk (Richter-Varga 2008): Jáky szerint:
k = 100 ⋅ Dm2 cm/s,
(1)
ahol D m a mértékadó szemcseátmérő, cm. Terzaghi szerint:
k = 200 De2 e 2 cm/s,
(2)
ahol De a hatékony szemcsenagyság, amely szemeloszlási görbén a S = 10%-hoz tartozó szemcseátmérő, az „e” a talaj hézagtényezője. Alhazen szerint: 2 k = 116D10 ,
(3)
ahol D10 cm, k cm/s. Az eredmények rendre a 1,9x10-3, 1,1x10-4, 2,0x10-4 m/s-ra adódtak. (Ezek az értékek csak a 4-es kút kivételével elfogadhatók, mivel az a kövér agyagban van szűrőzve!)
4
Szivárgási tényező 4. HELYSZÍNI VIZSGÁLATOK A bevezetőben említett megbízásra történő vizsgálat 2008.09.18-án készült. Ekkor az anyakutat szivattyúzták 16 l/p hozammal, majd fojtva a szivattyú teljesítményét 5 l/p hozammal a visszatöltődés után ismét leürítették. Mivel az észlelőkutakban nem alakult ki depresszió, kérésünkre a két legtávolabbi észlelőkutat is kiszivattyúzták.
Az általunk készített második vizsgálat 2008. október 13-án történt meg. Szivattyúztuk az 1F, 4F és 7F kutakat 12 l/p hozammal, és nyeletési kísérletet végeztünk a 2F, 4F és a 6F kutakban. 5. EREDMÉNYEK 0.1
Első méréssorozat
Az első vizsgálatsor leszívási és visszatöltődési görbéit a 6. és 7. ábrán mutatjuk be. 147,50 147,00 146,50 vízszint [mBf]
146,00 145,50 145,00 144,50
7F kút 1F kút
144,00 143,50 -10
0
10
20
30
40
50
60
70
idő [perc]
6. ábra. Az 1F és 7F kút leszívási és visszatöltődési görbéje 16 l/p hozam mellett 148
146
vízszint [mBf]
144
142
140 4F kút 5 l/s 4F kút 16 l/s
138
136 -150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
idő [perc]
7. ábra. A 4F leszívási és visszatöltődési görbéi 16 l/p és 5 l/p hozam mellett Mivel az észlelőkutakban nem alakult ki depresszió, a Porchet módszerrel (ennek lényege, hogy a leszívás és a visszatöltődés jelleggörbéinek időbeli ábrázolásakor kapott háromszögek metszeteinek hányadosaként számítható a kutak hozama), és Dupuit alábbi
5
Hajnal-Görög-Jobbágy-Kőszely R Q , r k= 2 2 π H1 − H 2 ln
(4)
képletével számoltunk, ahol Q a szivattyúzott vízhozam (m3/s), R a leszívás hatástávolsága (m), r a kút sugara (m), H vízoszlop magassága (m). 16 l/p hozamú szívás esetén három, 5 l/p hozamú szívásnál öt nagyságrendnyi eltérés mutatkozott a két módszer eredményei között. A teljes vizsgálatsor eredményeit az 1. táblázat tartalmazza. A szakvélemény készítésekor a 10-7 és a 10-8 m/s nagyságrendű eredményeket fogadtuk el, utólag kiderült, hogy nem tévedtünk, mert az anyakút a kötött agyagból táplálkozik talajvízzel. 0.2
Második méréssorozat
A 8.-16. ábrákon mutatjuk be a második méréssorozat leszívási és visszatöltődési görbéit kutanként, valamint a Cooper-Jacob vizsgálat eredményeit, szétválasztva a leszívást és a visszatöltődést (Vasvári 2004). Mindegyik kútnál meghatároztuk a szivárgási tényezőt, vagy a transzmisszivitást, a fent ismertetett Porchet és Dupuit, illetve a Cooper-Jacob módszerrel. A transzmisszivitást a T =
2,3 ⋅ Q 2 m /s, 4π ⋅ ∆ s
(5)
a tározási tényezőt
S= Sr =
2,25 ⋅ T ⋅ t0 , valamint az r2 2,3 ⋅ Q t ⋅ lg , 4π T t'
(6)
(7)
képlettel számítottuk, melyekben
∆ s a kiegyenlítő egyenesen az egy nagyságrendnyi időváltozáshoz tartozó vízszintváltozás, t0 és t/t’ a kiegyenlítő egyenes 0 leszíváshoz illetve visszatöltődéshez tartozó értéke. Az azonos rétegek vizsgálata (1-es és 7-es kút) közel azonos eredményeket szolgáltat ezzel a módszerrel. A visszatöltődések jobb korrelációt mutatnak mint a leszívások.
6
Szivárgási tényező 147
146,5
vízszint [mBf]
146
145,5
145
144,5
17:30
17:10
16:50
16:30
16:10
15:50
15:30
15:10
14:50
14:30
14:10
13:50
13:30
13:10
12:50
144
8. ábra. Az 1F leszívási és visszatöltődési görbéje 12 l/p hozam mellett
vízszint a nyugalmihoz képest [m]
0
-0,5
-1
-1,5
-2 2
R = 0,8458
-2,5 1
10
100
1000
idő [sec]
9. ábra. Az 1F kút leszívásának vizsgálata Cooper-Jacob módszerrel 0 0,2 visszatöltődés (m)
0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 1,00
2
R = 0,9126
10,00
100,00
t/t'
10. ábra. Az 1F kút visszatöltődésének vizsgálata Cooper-Jacob módszerrel
7
Hajnal-Görög-Jobbágy-Kőszely 148
vízszint [mBf]
146 144 142 140 138
16:30:00
16:00:00
15:30:00
15:00:00
14:30:00
14:00:00
13:30:00
13:00:00
12:30:00
12:00:00
11:30:00
11:00:00
10:30:00
10:00:00
136
11. ábra. A 4F leszívási és visszatöltődési görbéje 12 l/p hozam mellett 0
vízszint a nyugalmihoz képest [m]
-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 2
R = 0,6606
-9 -10 1
10
100
1000
idő [sec]
12. ábra. A 4F kút leszívásának vizsgálata Cooper-Jacob módszerrel 0 1
visszatöltődés [m]
2 3 4 5 6 7 8 9
2
R = 0,9383
10 1
10 t/t'
100
13. ábra. A 4F kút visszatöltődésének vizsgálata Cooper-Jacob módszerrel
8
Szivárgási tényező 146,5
vízszint [mBf]
146 145,5 145 144,5 144
17:50:00
17:20:00
16:50:00
16:20:00
15:50:00
15:20:00
14:50:00
14:20:00
13:50:00
13:20:00
12:50:00
12:20:00
11:50:00
11:20:00
143,5
14. ábra. A 7F leszívási és visszatöltődési görbéje 12 l/p hozam mellett
vízszint a nyugalmihoz képest [m]
0
-0,5
-1
-1,5
-2 2
R = 0,8824
-2,5 1
10
100
1000
10000
100000
idő [sec]
15. ábra. A 7F kút leszívásának vizsgálata Cooper-Jacob módszerrel 0 0,2
visszatöltődés [m]
0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 2
R = 0,9789
1,8 2 1
10
100
1000
t/t', ahol t' a leszívás időtartama
16. ábra. A 7F kút visszatöltődésének vizsgálata Cooper-Jacob módszerrel
9
Hajnal-Görög-Jobbágy-Kőszely A 17.-19. ábrán a nyeletési vizsgálatok lefolyását ábrázoltuk. Teljesen zavartalan mérést csak a 2-es kútban tudtunk végezni, de a 7-es kútban mért eredmények is megfelelőek. 148,4 148,2 148
vízszint [mBf]
147,8 147,6 147,4 147,2 147 146,8 146,6 15:00
14:50
14:40
14:30
14:20
14:10
14:00
13:50
13:40
13:30
13:20
13:00
13:10
146,4
17. ábra. A 2F kút nyeletési vizsgálata 147,6 147,4
vízszint [mBf]
147,2 147 146,8 146,6 146,4 146,2 146
17:08
17:06
17:04
17:02
17:00
16:58
16:56
16:54
16:52
16:50
16:48
16:46
16:44
16:42
16:40
16:38
16:36
16:34
16:32
16:30
16:28
16:26
16:24
16:22
16:20
145,8
18. ábra. A 4F kút nyeletési vizsgálata 147,6 147,4
Vízszint [mBf]
147,2 147 146,8 146,6 146,4 146,2
19. ábra. A 6F kút nyeletési vizsgálata
10
15:10
15:00
14:50
14:40
14:30
14:20
14:10
14:00
13:50
13:40
13:30
13:20
13:10
13:00
12:50
12:40
12:30
12:20
12:10
12:00
11:50
11:40
11:30
146
Szivárgási tényező A különféle eljárások összehasonlításakor a következő megállapításokat tehetjük. A Porchet, a három közelítő talajmechanikai és a nyeletéses vizsgálatok azonos nagyságrendű eredményeket adtak, függetlenül a vizsgálatok idejétől és a szivattyúzás hozamától, egyöntetűen 10 -4 m/s-re adódott a szivárgási tényező. A Cooper-Jacob vizsgálat is hasonló eredményeket hozott a transzmisszivitásra, 10-5 m2/s értékkel, ami szintén elfogadható. A Dupuit képlet alkalmazása szintén azonos nagyságrendű (10 -7 m/s) eredményeket adott, ám ez az érték csak a 4-es kútnál tűnik helyesnek a kövér agyag jelenléte miatt. Az eredmények értékelésekor meg kell jegyeznünk, hogy a 4-es kút vizsgálata segített az ellentmondások észlelésében: sokkal gyorsabb volt például a visszatöltődés, mint amit a 10-7 m/s-os vízáteresztés indokolna. A kút rosszul lett kiképezve anyakúttá, a talajmechanikai ismeretek hiánya miatt. A leszívás hatótávolságának (R) meghatározására többféle képlet ismert: Sichard R = 3000 ⋅ s ⋅
k , ahol
(8)
s – leszívás a kútban (m), k – szivárgási együttható (m/s). Kusakin R = 575 ⋅ s ⋅ T .
(9)
Weber R = c⋅
T⋅t , ahol S t – szivattyúzás ideje (s), c – dimenzió nélküli konstans (2,82 < c < 3,46).
(10)
Utóbbi kettőbe az 1-es kútnál kapott eredményeket helyettesítve R=3,3 és R=0,76 m-t kapunk, ami igazolja, hogy nem jött létre depresszió a szomszédos kútban. A Sichard képlet alkalmazásával viszont újabb ellentmondásba ütközünk, mivel 10-4 m/s esetén R=55 m távolhatásnak kellene létrejönnie. (A Dupuit képlet viszont egyáltalán nem érzékeny a távolhatásra az lnR-lnr kifejezéssel!) 1. táblázat. A vizsgálatok kiértékelésének eredményei Kút jele
Dátum Számítás
1F 1F 1F
Dupuit Porchet Cooper-Jacob
2F 4F 4F 4F 4F
2008.09.18. 2008.09.18. 16 (l/p) 5 (l/p) 2 k (m/s), (T (m /s)) 7,4x10-7 4,8x10-4
2008.10.13. 12 (l/p)
2008.10.13. nyeletés
3,8x10-7 1,5x10-3 (4,0x10-5) (5,8x10-5) 4,4x10-5 2,8x10-4
Dupuit Porchet Cooper-Jacob
-7
1,5x10 1,1x10-4
Jáky Terzaghi Alhazan
-8
4,8x10 2,1x10-3
-8
8,4x10 1,6x10-5 (1,7x10-6) (2,8x10-4) 1,9x10-3 1,1x10-4 2,0x10-4
3,7x10-4
3,7x10-4
6F 7F 7F
Dupuit Porchet
7F
Cooper-Jacob
-7
5,2x10 5,9x10-4
-7
4,0x10 4,6x10-3, 7,9x10-4 (4,7x10-5) (4,1x10-5)
11
Hajnal-Görög-Jobbágy-Kőszely 6. ÖSSZEFOGLALÁS Egyre sűrűbben felmerülő igény, hogy határozzuk meg a talajok k szivárgási tényezőjét. Véleményünk szerint csak többféle módszer összehasonlításával tudjuk nagyságrendileg pontosan meghatározni a vízáteresztőképességet. Fontos tapasztalat, hogy csak részletes talajmechanikai adatszolgáltatás birtokában szabad vizsgálati tervet készíteni, és kiválasztani az alkalmazandó módszereket. Kevésbé kötött talajoknál továbbra is a többkutas próbaszivattyúzást tartjuk a legalkalmasabb eljárásnak, de ekkor is pontos talajmechanikai elővizsgálatok szükségesek a kútmélységek, és a távolságok meghatározásához. Kötött talajok esetén kevesebb kútra van szükség, és nagy gonddal kell eljárni a szűrőzött réteg meghatározásánál. A későbbiekben tervezzük adataink kiértékelését többféle hidrogeológiai szoftver felhasználásával. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönetet mondunk a Petik és Társai Mérnöki Szolgáltató Kft. szakembereinek és a Módosék Kft. ügyvezetőjének a szakmai támogatásért és a mérőeszközök rendelkezésre bocsátásáért. Hajnal Géza kutatómunkájához anyagi támogatást nyújt a Bolyai János Kutatási Ösztöndíj (BO00063/08/6). IRODALOMJEGYZÉK Bear J. 1979: Hidraulics of Groundwater. Kovács Gy. 1972: A szivárgás hidraulikája, Akadémiai Kiadó, Budapest Ubell K. 1954: A víztartó rétegek vízadóképességének meghatározására szolgáló módszerek összehasonlítása, Vízügyi Közlemények, 1954. 2. Ubell K. 1958: Az elméleti kúthidraulika módszereinek gyakorlati alkalmazása, Vízügyi Közlemények, 1958. 3. Richter L. – Varga Gy. 2008: A talajok „k” szivárgási tényezője meghatározásának problémái és egyszerűbb módjai a vízgazdálkodási létesítményekhez, XXVI. Országos Vándorgyűlés, Miskolc Vasvári V. 2004: Próbaszivattyúzások kiértékelése, Kézirat
12
