Hidrológiai Közlöny 1958 (38. évfolyam)

5. szám - A. Melzer: A talajvízmozgás vizsgálatával kapcsolatos kismintakísérletek problémái

A. Melzer: A talajvízmozgás kismintavizsgálata Hidrológiai Közlöny 1958. 5. sz. 355 lyesztés esetében ezekben a szabad hézagtérfogat már az összes hézagtérfogat 85%-át is eléri. Azokban a rétegekben, amelyek nagy mennyiségben tartalmaznak finom szemcséket, mint pl. a homokos agyag, vagy különösen az agyag és iszaprétegek, a hézagtérfogatnak maximálisan csak 30%-a válik szabaddá az 1 m-nél kisebb szintcsökkenések esetében. A víznek a szemcsés anyagokban létrejövő szabad mozgásával kapcsolatos fenti elemzése világosan megmutatja, hogy semmiféle hasonlóság nem létezik a valóság és a vízmozgást csökkentett méretű modellen vizsgáló rendszer között, sem a víz sebességében, sem pedig az áramlás hozamában. Darcy törvénye — aki különben kísérleteihez durva szemcséjű homokot használt (17%<2 mm, 12% 2 mm—1,1 mm, 13% 1,1 mm—0,77 mm, és 58%<<0,77 mm) — minden hézagtérfogatnál csak nagy sebességekre érvényes még gömb alakú szabályos szemcsék és homogén eloszlás esetében is, mint azt Schneebeli kísérleteiben bizonyította [5]. A Dupuit-féle elméletben, amelynek alapja a Darcy-törvény, egy kút vagy általánosságban egy megcsapolási hely felé tartó depressziós görbe alapja független az áteresztő képességtől, tehát elméletileg — ami a kísérletezéseknek ezt a külső formáját illeti — a kismintáknak jó hasonlóságot kell mutatniok a valóságos jelenséghez. Ez azonban csak azoknak a kismintáknak az esetében következik be, amelyek megtartják a határfeltételeket biztosító külső méretek hasonlóságát, mint pl. a gátak alatti szivárgás vizsgálatára szolgáló kisminták. Azoknak a kismintáknak az esetében, amelyekben ezeknek a külső méreteknek az arányai távolról sem állandóak, mint pl. a kutak felé történő vízmozgás vizsgálata során, az eredmények nagyon kétesek, különösen akkor, ha a valóságban és a kismintán alkalmazott leszívások különbsége nagy. Ez pedig a legtöbb esetben bekövetkezik, mert míg a valóságban átlagosan 4—5 m-es leszívással kell számolnunk, addig a kismintákban a leszívások 10—15 cm rendűek. A fenti tényt igazolják a tiszalöki vízlépcső építkezéseivel kapcsolatos vizsgálatok, amint ezt a 3. ábra mutatja. Az ábrán a talajvízszintsülylyesztés hatására előálló depresszió számított, kismintakísérlettel meghatározott és a valóságban kialakult felszíngörbéjét tüntettük fel. Láthatjuk hogy a valóságos depressziós görbe nemcsak magassági helyzetében, hanem alakjában, jellegében is különbözik a kisminta-kísérlettel meghatározott és a számított görbétől [6]. Ugyanerre az eredményre jutott Schneebeli is a Serre—Poncon-i völgyzárógátakkal kapcsolatosan végzett szivárgási kismintakísérletek alapján [7]. Ezekben a kísérletekben Schneebeli a depressziós görbék formáit illetően igen kedvező azonosságot állapított meg, ugyanakkor azonban azt találta, hogy a kapillaritás erősen megváltoztatja a vízhozamokat és természetesen a sebességeket is. Az idézett cikkből közöljük az alábbiakat : ,,A hidraulikus kisminták (szemcsés közegben) miként a gyakorlat mutatja, teljesen alkalmatlanok vízhozamok vizsgálatára", a továbbiakban pedig „mégis tökéletlenségük ellenére a kisminták arra késztetnek bennünket, hogy igényt tartsunk az általuk meghatározható jelenségek vizsgálatára és ezen keresztül pótolhatatlan eszközünkké válnak a kísérletezések során." A kisminták szerepének ezzel a felfogásával egyetérthetünk, azzal a kikötéssel, hogy ne adjuk fel azt a törekvésünket, amelynek célja a kismintában és a valóságban kialakuló vízmozgás egyre fokozottabb hasonlóságának a biztosítása, azaz a dinamikai hasonlóság lehető legtökéletesebb biztosítása a kisminta és a prototípus között. Az előzőekben kitűzött cél elérése valószínűnek látszik, ha figyelembe vesszük mindazokat a tényezőket, amelyek a szemcsés közeg tényleges hézagtérfogatát befolyásolják, vagyis ha a szabad átfolyási területnek a változását nemcsak a laza szemcsés kőzet szemeloszlásával hozzuk kapcsolatba, hanem a víznyomás és a talajvízfelszín ingadozásának mértékével is. Érdekes dolog megállapítani, hogy a kismintákon eddig végzett kísérletek és a műszaki irodalomban róluk megjelent beszámolók nem tettek említést az áteresztőképesség hirtelen és nagymértékű változása által előidézett különbségről a kisminta és a valóság között, nem mutattak rá a hasonlóság teljes hiányára, amelyet a nyomások és a szintkülönbségek eltérő volta miatt tapasztalhattak. Szintén érdekes megjegyezni, hogy azok a kutatók, akik egy kút felé meginduló vízmozgás törvényszerűségeit vizsgálták kismintákon •— mint Ehrenberger [8], Boulton [9], Hall [10], Lampl [6], Nahrgang [11] és mások — egyáltalán nem foglalkoztak a hasonlóság kérdésével és az általuk vizsgált kisminta modelltörvényeivel. A Darcy-törvény érvényességi tartományának Scselkacsov és Pavlovszkij által végrehajtott vizsgálata, amelynek alapján javaslatot dolgoznak ki a szivárgás lineáris és turbulens tartományának a szivárgás lamináris tartományától való szétválasztására és amelyben a határértékeket a szivárgó vízmozgásra jellemző Reynolds-szám kritikus értékeivel jellemzik, független volt a többi kutatók által végrehajtott gyakorlati célokat szolgáló vizsgálatoktól, azoktól a kutatásoktól tehát, amelyekben a víztermelő berendezések felé történő vízmozgás, illetőleg a gátak környezetében kialakuló szivárgást tanulmányozták. Azoknak a modern kísérleteknek a során, amelyeknek célja a műtárgyak környezetében, illetőleg a kutak közvetlen közelében meginduló szivárgás vizsgálata volt, hogy megállapítsák a homokszemek elsodrása szempontjából kritikus sebességet, általában nem vették figyelembe azt, hogy a kismintában a mozgást deciméter-rendű szintkülönbségek hozzák létre, míg a természetben a vizsgálni kívánt építmények környezetében ezek a szintkülönbségek méterrendűek. Ez az eltérés pedig erősen megváltoztatja a szabad átfolyás felületét, és ezzel együtt természetesen a szemcsék között kialakuló tényleges sebességet, teljesen függetlenül a külső geometriai hasonlóságtói. Az ilyen vizsgálatok során felmerülő kérdésekre az elektromos kisminták és a hozzá hasonló más kísérletezési módszerek sem adhatnak olyan adatokat,