Permeabilitatea pământurilor

Capitolul IV.  Noțiuni generale de HIDROGEOLOGIE

4.1. Permeabilitatea rocilor. Apele subterane și formele lor de existența.

Proprietatea rocilor de a permite circulația apei prin masa lor se numește permeabilitatea. Se deosebesc pământuri:

-     permeabile (pietriș, prundiș, nisip, roca stâncoasă fisurată);

-     greu permeabile (loess, sol nisipo-lutos, pământ argilo-nisipos, gresii, calcare fisurate);

-  impermeabile (argile, rocile stâncoase nefisurate).

Apa liberă sau apa gravitațională este apa, care se deplasează în pământ sub influența gravitației. Spre deosebire de apă legată și apa capilară, care sunt reținute la suprafața particulelor de pământ prin adsorbție și, respectiv, prin tensiune superficială, apa gravitațională este liberă față de scheletul mineral, fiind prezentă îndeosebi în porii pământurilor necoezive.

Apa freatică se găsește în primul strat acvifer din apropierea suprafeței terenului. Nivelul apei freatice este liber și el apare la săparea puțurilor și la executarea forajelor.

Apa de adâncime se găsește într-un strat acvifer situat între două straturi impermeabile. Alimentarea cu apă a acestor strate se face prin capetele de strat permeabile. Apa de adâncime poate să aibă nivel liber, atunci când golurile stratului permeabil sunt ocupate de apă numai pe o parte a grosimii lui. Când golurile sunt pline de apă pe toată grosimea stratului permeabil, adică până la parte inferioară a stratului impermeabil numit acoperișul stratului acvifer, apa de adâncime se va găsi la acest nivel sub o presiune corespunzătoare nivelului sursei de alimentare a apei de adâncime. Apa de adâncime care se găsește sub presiune se mai numește și apa captivă.

Nivelul până la care se ridică apele de adâncime într-un tub de foraj se numește nivel piezometric. Când nivelul piezometric se găsește deasupra nivelului terenului, apele de adâncime se numesc arteziene, iar dacă nivelul piezometric atinge cel mult cota nivelului terenului se numesc ascensionale.

Apa capilară apare în golurile dintre particulele solide ale pământului, care formează canale cu dimensiuni capilare. Este cunoscut fenomenul de ridicare a apei în tuburile subțiri numite tuburi capilare (fig.4.2). Coloana de apă de înălțime h_c este susținută de forța de tensiune superficială (T), care se dezvoltă pe circumferința meniscului ce se formează la contactul între apă și peretele tubului capilar de rază r :    .   Luând  α=0,  ρ_w·g=1 g/cm³,  T=0,075 g/cm. Înlocuind în relația pentru h_c rezultă:     [cm].  

Golurile pământului – porii – pot fi asimilate cu niște tuburi capilare cu secțiune neregulată. Empiric se consideră că dimensiunea medie a porilor unui pământ este egală cu aproximativ 1/5 din diametrul mediu al particulelor. În virtutea acestei reguli, un pământ nisipos având diametrul mediu al granulelor de 1mm are pori de circa 0,2mm,...

Înălțimile uzuale de ridicare capilară observate la pământuri sunt:

-     la pământuri nisipoase, 10...100cm;

-     la pământuri prăfoase, 2...3m;

-     la pământuri argiloase, 4...5m.

Mișcarea apei în pământ se face sub influența unei diferențe de presiune ce poate fi asimilată cu o anumită adâncime de coloană de apă. Astfel, diferența dintre două presiuni p₁ – p₂ se poate exprima prin H₁ – H₂ (fig.4.3).

Fig.4.3. Mișcarea apei în pământ.

Mișcarea apei urmează, până la anumite limite, legea lui Darcy conform căreia printr-o secțiune A, perpendiculară pe direcția curentului de apă, trece într-un timp (T) o cantitate de apă (Q) exprimată prin relația:

Q = A·T·i·k_f, [cm³] ,

unde i = Δh / L este gradientul hidraulic, care exprimă pierderea presiunii (Δh) pe lungimea filtrației (L); k_f – coeficientul de filtrație (permeabilitate) [cm/s].

Se admite faptul că, în cele mai multe pământuri curgerea apei este de tip laminar, adică molecule de apă descriu linii de curent continue, paralele. În acest caz legea lui Darcy are forma mai simplă:

v = i · k_f , [cm/s]

și exprimă legea de filtrație laminară: viteza de filtrație este proporțională gradientului hidraulic. În funcție de valoarea coeficientului de filtrație se deosebesc rocile:

permeabile	pietriș, prundiș, nisip, roca stâncoasă fisurată	kf = a·10-1... a·10-4  cm/s
greu permeabile	loess, sol nisipo-lutos, gresii, calcare fisurate	kf = a·10-3... a·10-6  cm/s
	pământ argilo-nisipos	kf = a·10-5... a·10-8  cm/s
impermeabile	argilă, rocă stâncoasă nefisurată	kf = a·10-7... a·10-10 cm/s

Nota: a poate fi orice număr de la 1 până la 9,9.

Luând în calcul datele scrise mai sus, prin legea lui Darcy obținem că cantitatea de apă care trece într-o groapă de fundare prin suprafața de 1m² în timpul zilei pentru i=1 este:

·     8,6 m³ la nisipuri cu k_f = a·10^-2 cm/s;

·     8,6 cm³ la argile cu k_f = a·10^-8 cm/s.

Concluzii: în cazul nisipurilor trebuie de folosit un sistem puternic de pompare și eliminare a apei din groapa de fundare; în cazul argilelor filtrarea apei în groapa de fundare poate fi neglijată.

Valoarea coeficientului de filtrație se determină prin încercări făcute în laborator sau la fața locului și este condiționată de componența mineralogică, granulozitate și densitatea pământului.

Aparatele folosite la încercările de laborator sunt permeametrele, care pot fi cu nivel constant sau variabil. Primele se folosesc pentru încercări cu pământuri necoezive, cu permeabilitate mai mare, iar celelalte pentru încercări cu pământuri necoezive cu granulația mai fină, precum și pentru pământuri coezive.

Metode folosite la fața locului dau valori lui k_f mai exacte, dar sunt mult mai costisitoare, necesitând lucrări și aparatura mai complexă.

Fig.4.3. Determinarea coeficientului de filtrație prin încercări la fața locului într-un strat acvifer cu nivel liber.

Întrebări pentru autoevaluare

1.    Ce este permeabilitatea rocilor?

2.    Cum se clasifică rocile în funcție de valoarea coeficientului de filtrație (de permeabilitatea lor)?

3.    Explicați noțiunile de apa freatică și apa de adâncime ca formele de existență a apelor subterane.

4.    Apa subterană cu nivel liber și apa subterană sub presiune ce înseamnă?

5.    Explicați fenomenul de ridicare capilară a nivelului apelor subterane. Care sunt înălțimile uzuale de ridicare capilară în diferite tipuri de pământ?

6.    Explicați noțiunea de presiunea hidrodinamică.

7.    Legea lui Darcy (explicații, schema și formula de calcul) în forma generală și pentru filtrație laminară.

8.    Care este caracteristica principală a permeabilității pământurilor?

9.    Cum se determină valoarea coeficientului de filtrație (k_f)?

Elevii a efectuat autoevaluare în forma scrisă în caite sau în format electronic.

Tema este studiată cu bine: nota 10 - 9 elevi, nota 9 - 6 elevi, nota 8 - 5 elevi, nota 7 - 2 elevi.

Pentru vizualizarea temei integrale și realizarea sarcinii mergeți pe următorul link în ClassRoom

https://classroom.google.com/w/NTUxOTYyNjYwNDJa/t/all