Hidrológiai Közlöny 1967 (47. évfolyam)

10. szám - Dr. Keserű Zsolt: A kritikus szivárgási sebesség vizsgálatának új szemlélete és módszerei

Hidrológiai Közlöny 1967. 10. sz. 443 A kritikus szivárgási sebesség vizsgálatának új szemlélete és módszerei Dr. KESSEKŰ ZSOLT* Bevezetés Laza, szemcsés kőzetben elhelyezkedő folyadék megcsapolásánál felmerül a kérdés, milyen maximális folyadéksebességek mellett kerülhető el a kőzet ineg nem engedhető kimosása a megcsapoló berendezés környezetében. Bevezetve a szivárgás teljes keresztmetszetére vonatkoztatott, ún. szivárgási sebességet, az irodalom a talajtöréshez tartozó szivárgási sebességet leggyakrabban kritikus szivárgási sebességnek nevezi. E kérdést számos kutató vizsgálta, legáltalánosabban ismert ós alkalmazott Sicliardt tapasztalati képlete, mely a kritikus szivárgási sebességet egyetlen kőzetjellemző, a szivárgási tényező négyzetgyökével arányosnak tekinti [1, 5], Újabb kísérletek és megfigyelések szerint ez az egyváltozós kapcsolat általánosan nem alkalmazható [11]. Jól szemlélteti ezt Schmieder tanulmánya, mely nagyszámú hazai artézi kút adatait vizsgálja [15]. Hazai és külföldi szerzők rámutattak több más hatótényezőre, elsősorban kőzetjellemzőre, a szemcseszerkezetre, a hézagtórfogatra, a szemcse alaki tényezőre. A különböző kavicsköpenyekre és szűrőszerkezetre vonatkozó, ún. szűrőszabályok [5], ha burkoltabb formában is, de a szűrőszerkezet és a kritikus szivárgási sebesség közötti kapcsolatra utalnak. Közismert a dinamikus hatások szerepe kutak homokolásánál, továbbá az is, hogy a megcsapolás céljától és módjától is függ a megengedhető kihomokolódás mértéke. További fontos lépés volt öllős hidrodinamikai szemléletű vizsgálata, mely elsősorban a kútpalást menti sebessógeloszlás szempontjából jelentős [11]. Az eddigi vizsgálatok számos hatótényezőt feltártak. Ez értékes részletvizsgálatok szélesebb körben történő gyakorlati felhasználását, általánosítását, valamint továbbfejlesztését azonban ma már jelentősen gátolja egy olyan szemlélet hiánya, mely valamennyi jelenséget értelmezheti és alkalmas a gyakorlat számára általánosan alkalmazható összefüggések feltárására. •» A hiányolt szemlélet a jelenség lényegéből kiindulva alakítható ki. 1. A kritikus szivárgási sebesség vizsgálatának szemlélete A jelenség lényegét tekintve talajtörés, tehát ezt a kérdést a talajok, kőzetek, illetve kőzetszemcsék határegyensúlyának vizsgálati módszereivel lehet és kell vizsgálni. így vizsgálták ezt szabad szintes felületen történő kiszivárgásnál [6] és az így kapott eredmények a megfigyelésekkel jó egyezést mutatnak. Célravezetőbb minden más esetben, például kutak környezetében is így szemlélni. E módszer feltételezi, hogy a kőzetszemcsék egyensúlyát befolyásoló, valamennyi lényeges külső és belső, adott esetben dinamikus erőt együttesen kell vizsgálni. Az előbbiekből következik, hogy a talajtörést nemcsak a szivárgási nyomás ós az anyagi jellemzőktől is függő megengedhető belső erők (törési feltétel), hanem a kőzetnyomás is befolyásolja, nincs tehát a kőzetnyomástól független szivárgási sebesség. A hatótényezőkre vonatkozó alapvető megállapításból kiindulva a kritikus szivárgási sebesség vizsgálatára alkalmas módszerek is megválaszthatok. * Bányászati Kutató Intézet, Budapest. 2. A vizsgálat lehetséges módszerei Mindenekelőtt arra a kérdésre kell választ adni, lehet-e a felvetett kérdést kizárólag elméleti megfontolásokból kiindulva vizsgálni. 2.1. Az elméleti vizsgálatok lehetőségei és korlátai Az elméleti vizsgálatok lehetősége korlátozott. Egyrészt: a törési feltétel csak kísérletekkel meghatározható anyagjellemző [4]. Másrészt: a szivárgási nyomás és a kőzetnyomás együttes hatását tükröző eredő feszültségállapot is csak számos olyan egyszerűsítő feltevéssel vizsgálható elméleti módszerekkel, mely egyszerűsítő feltevések éppen a kutak közvetlen környezetében, azaz a kritikus keresztmetszetben nem engedhetők meg [5, 12, 3]. Viszont elméleti megfontolások alapján lehet meghatározni a jelenséget ténylegesen befolyásoló és vizsgálandó hatótényezőket. Elvi megfontolásokból következik mindenekelőtt az, hogy a szivárgási nyomás az eredő feszültségállapotnak csak egyik komponense (függőleges kutak esetében például csak a legkisebb főfeszültség egyik komponense). A tnásik feszültségkomponens (a kőzetnyomás) és a törési feltétel ismerete nélkül a határegyensúly nem vizsgálható. Ezt szemlélteti az 1. ábra, mely a T — g diagramban a szokásos Mohr-féle körökkel a feszültségállapotot és a törési feltételt ábrázolja. Következik az előbbiekből az is, hogy a talajtörés elkerülése érdekében nemcsak a szivárgási nyomást lehet korlátozni, de elkerülhető a talajtörés a kőzetnyomásviszonyok célszerű befolyásolásával is. Ismert és alkalmazott ez az elv például földműveknél nyomópadkák, mentett oldali kőszórások stb. formájában, miért nem vizsgálhatnánk ennek a lehetőségét megcsapolóberendezések vonatkozásában is. A párhuzamba állított jelenségek között elvi különbség nincs, legfeljebb a megcsapolóberendezések környezetében gyakran több tényező bonyolultabb kölcsönhatását kell figyelembe venni. Az előbbiekből következik, hogy elvi megfontolások alapján a vizsgálatok szempontjából minddia gramban Abb. 1. Die Bruchbedingung und der Spannungsziistand im Dingramm Fig. 1. The riterion of failure and stress conditions in the t—<5 diagram