Тема: Динамика подземных вод. Законы движения

Межпластовые подземные воды

Границами потоков ПВ являются нижний и верхний водоупоры.

Напорные потоки характеризуюся полным заполнением поперечного сечения водопроницаемого пласта водой, имеется пьезометрический уровень, движение воды происходит как под действием гравитации, так и за счет упругих свойств воды и водовмещающих пород, режим фильтрации – упругий.

Напорно-безнапорные потоки образуются при откачке воды из скважин, если пьезометрический уровень опускается ниже кровли напорного водоносного горизонта.

Фильтрационные показатели горных пород:

1. Коэффициент фильтрации.

2. Коэффициент водопроводимости.

3. Коэффициент пьезопроводности.

4. Коэффициент уровнепроводности.

Коэффициент фильтрации - это скорость фильтрации при напорном градиенте 1. В основном определяется геометрией пор, их размерами и формой. На значение коэффициента влияет вязкость и плотность фильтруемого флюида, минеральный состов грунтов, степень засоленности и прочее.

Основные факторы, влияющие на величину коэффициента фильтрации:

· Минеральны состав – через дисперсность и пористость. Добавление к песку 10% глинистых частиц снижает водопроницаемость более чем вполовину.

· Однородность гранулометрического состава. Линейный закон фильтрации соблюдается для грунтов с относительно большим коэффициентом фильтрации.

Грунты с выраженной ориентированной текстурой обладают анизотропией проницаемости по разным направлениям. Ленточные глины в горизонтальном направлении водопроницаемы, а в вертикальном – практически водоупорны. Лессовидные породы, наоборот, в горизонтальном направлении слабопроницаемы, а в вертикальном – легкопроницаемы. Анизотропия скальных грунтов обусловлена неравномерной трещиноватостью по разным направлениям.

Водопроницаемость изменяется при уплотнении под влиянием вышележащих масс горных пород или сооружений, а также при разуплотнении и высыхании. При увеличении геостатического давления происходит уплотнение грунтов и уменьшение размера пор, что приводит к развороту частиц и уплощению агрегатов в перпендикулярно прикладываемой нагрузке. Это причина, почему с глубиной и с ростом давления наблюдается общее уменьшение проницаемости.

Многие глинистые грунты при высыхании дают большую усадку, растрескиваются, их водопроницаемость резко возрастает. Также водопроницаесомть возрастает при растворении и выщелачивании солей или цементирующего вещества, а также при вытаивании льда из мерзлых пород.

Влияние обменных катионов глинистых грунтов

Диспергирующее действие натрия, уменьшение размера пор. Обменный натрий увеличивает годрофильность пород, то есть содержание связанной воды, уменьшает эффективный размер пор.

Водопроницаемость при всех прочих равных условиях зависит от состава (обменных катионов) и концентрации жидкости. Проницаемость глин при фильтрации чистой воды ниже, чем при фильтрации минерализированной воды (С до 2-3 н). Возрастание обусловлено сжатием слоев воды вокруг глинистых частиц. Дальнейшее увеличение концентрации раствора приводит к снижению коэффициента фильтрации, что обусловлено повышением вязкости раствора.

Влияние температуры

С ростом температуры от 0 до 90 градусов увеличивается коэффициент фильтрации в глинах.

Причины:

· Уменьшение вязкости поровой жидкости, в том числе связанной воды

· Переход воды из связанного состояния в свободное

· Увеличение агрегированности породы и размера пор

В высокодисперных грунтах (глины, торф) наблюдается отклонение от линейного закона, а фильтрация начинается лишь при превышении некоторого начального градиента наплра, называемого начальным градиентом фильтрации. Причиной является наличие слоев связанной воды с повышенной вязкостью. На снижение начального коэффициента влияет повышение температуры, концентрации порового раствора.

Методы определения коэффициента фильтрации грунтов

Лабораторные методы: основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора.

Приборы раделяются на два типа: с постоянным и переменным напором.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение потока жидкости, обычно используют для определения коэффициента фильтрации грунтв с малой водопроницаемостью. Основой прибора является одометр, с помощью которого на грунт передается давление. К одометру по трубкам подводится и после фильтрации отводится вода. Напор создается при помощи пьезометрических трубок. Простота и дешевизна лабораторных методов позволяют широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы: позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегация пород и циркуляции ПВ, что обеспечивает наиболее достоверные результаты. Полевые методы более трудоемкие и дорогие в сравнении с лабораторными. Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных горизонтов – методом налива воды с шурфы и нагнетанием воды в скважины. Опыты ведут при обеспечении постоянного столба воды 10 см, который обеспечивается специальными регуляторами до достижения установившегося расхода.

Дренажные воронки

При откачке воды вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня. Образуется воронка, имеющая в плане форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается кривыми депрессии, кривизна которых возрастает по мере приближения к точке откачки.

Установление границ депрессионной воронки имеет большое практическое значение при оценке фильтрационных свойств породы, выделении зон санитарной охраны, определении площадей, которые осушаются дренажами, расстояний между соседними водозаборами.

Радиус депрессионной воронки – радиус влияния R

Размер депрессионной воронки, а также крутизна кривых депрессии зависят от водопроницаемости пород. Хорошо водопроницаемые гравий и песок, в которых меньше трение воды о частицы, характеризуются широкими воронками с большим радиусом влияния, для слабопроницаемых суглинков свойственны более узкие воронки с небольшим значением R.

Величина радиуса влияния Rвходит во многие расчетные формулы при проектировании водозаборов строительных или дренажных сооружений.

Радиус влияния можно определить:

· По формулам (расчет Кусакина – для ненапорной воды,

где S–понижение уровня при откачке по центру воронки, м

H– мощность слоя грунтовой воды, м

К_ф – коэффициент фильтрации, м/сут)

· Бурением скважин. Бурение дает точные значения, но эти работы трудоемки и затратны.

Водозаборные сооружения

Для водоснабжения и водопонижения чаще всего используют колодцы и буровые скважины. Принцип их работы одинаковый. Движение ПВ к ним в период откачки происходит в форме радиального потока.

Прогноз возможного притока грунтовых вод к водозаборным колодцам имеет большое практическое значение, так как позволяет спроектировать наиболее рациональную систему водозабора или мероприятия по понижению УГВ.

В зависимости от конфигурации строительные котлованы можно разделить на квадратные и прямоугольные. Первые в таком случае рассматривают как колодцы, т.е. вертикальные выработки определенного диаметра, а вторые больше отвечают горизонтальным выработкам типа траншеи или канавы.

Существует два типа водосбросов: колодцы и траншеи.

Колодцы и траншеи, дно которых достигает водоупоров, называют совершенными. Уровень воды в колодце до откачки называют статичным, а в процессе откачки – динамическим.

Приток воды (дебит) к совершенному колодцу:

В несовершенный колодец вода поступает через стенки и дно, что усложняет расчет водопритока. Дебит таких колодцев меньше дебита совершенных.При откачке вода поступает только из части водоносного слоя, которую называют активной зонойН_о. Глубину активной зоны принимаю за 4/3 высоты столба воды в колодце до его откачки.

Расход воды несовершенного колодца по Дюпюи, в интерпретации Паркера:

Колодец отдает воду в объеме своего дебита лишь в том случае, если соседние колодцы будут расположены от него на расстоянии не менее двух радиусов влияния.

Поглощающий колодец (скважины, шурфы) необходимы для сброса с поверхности сточных вод, для пополнения запасов ПВ путем закачки в него воды, а также для оценки водопоглощения неводоносных пород, например, на полях фильтрации.

Опытами установлено, что поглощать воду могут не только безводные (сухие) водопроницаемые слои, но и водоносные горизонты (безнапорные). При поглощении воды колодцем вокруг него возникает воронка поглощения, по форме аналогичная депрессионной, но обращенная выпуклостью вверх.

Дебит определяется по формуле Дюпюи как несовершенного колодца, так можно оценить потери сточных вод на полях орошения – их фильтрацию.

R – радиус депрессионного влияния, м

Траншеи (канавы) предназначены для понижения УГВ. Они входят в систему дренажных устройств. При расчете притока воды следует учитывать, что канавы могут быть совершенного и несовершенного вида и приток воды к ним может быть с одной или двух сторон.

Несовершенная канава имеет расход воды меньше совершенной канавы.

Расход совершенной канавы при притоке с двух сторон определяется по формуле:

С одной стороны:

 

Q – расход воды, м³/сут

K_ф – коэффициент фильтрации, м/сут

L – длина канавы, м

H – мощность грунтовой воды, м

h – столб воды в канаве, м

R – радиус влияния, м

Дренажные траншеи могут быть открытые и закрытые. Открытые более мелкие (менее 2.5 метров) траншеи чаще называют канавами. Закрытые имеют больную глубину и чаще используются на городских территориях. Вода сбрасывается по уложенным в траншеи трубам. Дренажные канавы будут эффективно осушать территорию только лишь если расстояние между канавами будет менее двойного влияния радиуса, то етсь при условии пересечения кривых депрессионных воронок.

 

Взаимодействие водозаборов

Эффективность работы водозаборов зависит от расстояния между ними. Если расстояние между водозаборными колодцами будет больше двух депрессионных радиусов, то каждый колодец даст  воду на уровне своего дебита. При водопонижении действуют в точности наоборот – расстояние между водозаборами добжно быть менее двух радиусов, тогда депрессионные воронки пересекаются, что обеспечивает понижение УГВ на всей стройплощадке.

Водопонижение уровней грунтовых вод (УГВ) на строительных площадках

Гидрогеологические изыскания, проводимые перед проектированием и строительством, устанавливают возможное влияние грунтовых вод на здания и сооружения. Во многих случаях необходимость в этих работах появляется в связи с подъемом УГВ уже на застроенных территориях. В тех случаях, когда ГВ осложняют строительство и будут мешать в дальнейшем, принимают решение о понижении их уровня.

Понижение УГВ на строительных площадках осществляют разными способами:

1. Самотеком воды

2. Принудительной откачкой открытым или закрытым способом - насосы

3. Отводом воды по горизонтали или вертикали (дренажные траншеи, колодцы, буровые скважины)

4. Откачкой воды дренажами, которые обеспечивают сохранение уровней постоянно в пониженном положении

Самотек грунтовой воды всецело зависит от реьефа местности. Водоносный слой может быть сверху вниз по склону прорезан откосной дренажной траншеей. Свободный выход воды приводит к снижениж УГВ в пределах депрессионных понижений. Такой свободный выход воды осуществляется с помощью подземных галерей, которые закладываются в глубину склона и прорезают водоносные слои. Подземные галереи чаще всего применяют на оползневых склонах с целью их осушения и предотвращения движения грунтовых масс. Принудительную откачку воды осуществляют с помощью насосов. Открытая откачка воды осуществляется непосредственно из стрроительного котлована насосом, который установлен а его пределами.

Отвод воды из района строительного котлована может осуществляться как по горизонтали с помощью дренажных траншей, так и по вертикали с помощью колодцев и буровых скважин.

Горизонтальные дренажные траншеи заглубляются в водоносные слои и бывают открытыми и закрытыми. Закрытые дренажи типичны для городских территорий.

Снижение уровней воды по вертикали обеспечивается либо откачной воды насосами вверх, либо самотеком. Этот способ может быть эффективным только при определенном геологическом строении участка, когда под первым от дневной поверхности водоупорном слоем, на котором располагается грунтовая вода, находится слой песка.

Недостатоком всех закрытых дренажей является непродолжительный срок их работы из-за заиления фильтрующих засыпок.

В отдельных случаях целесообразно создать комбинированные типы водопонизителей, соединяя вместе отвод воды по горизонтали и вертикали.

Система дренажей

Система дренажей – расположение дренажных устройств в плане по отношению к зданиям и сооружениям. На защищаемых от подтопления территориях в зависимости от особенностей рельфа и конкретных геологических условий, характера застройки, степени освоенности подземного пространства, условий движения ПВ со стороны водораздела и берега водоема применяют следующие основные схемы дренирования (за счет самотека):

1. Однолинейная

2. Двухлинейная

3. Многолинейная

4. Кольцевая

5. Комбинированная

Тема: Динамика подземных вод. Законы движения

Динамика подземных вод – раздел гидрогеологии, изучающий закономерности движения подземных вод (ПВ).

Движение ПВ подчиняется определенным законам с присущими им определенными формами передвижения:

1. За счет инфильтрации (в зоне аэрации). Движение происходит при частичном заполнении пор воздухом или водяными парами.

2. За счет фильтрации (в зоне насыщения). Движение при полном заполнении пор или трещин водой. Масса этой движущейся воды создает фильтрационный поток.

 

Типы фильтрационных потоков:

1. Ламинарный (по закону Дарси). Наблюдается в водоносных слоях – галечнике, песке, супеси, суглинке, трещиноватых породах – и имеет параллельно-струйчатый характер.

2. Турбулентный (вихревой). Наблюдается при наличии крупных пустот и трещин.

Характер ПВ по типу движения:

1. Установившийся. Скорость, расход, направление фильтрационного потока условно постоянны по времени.

2. Неустановившийся. Элементы потока зависят от времени и координат пространства.

3. Переменный. Поток приобретает такой характер под действием внешних факторов (неравномерная инфильтрация атмосферных осадков, откачка воды из скважины, сброс сточных вод на поля фильтрации)

или

1. Напорный.

2. Безнапорный. Имеют водоупор снизу и свободную поверхность сверху. В зоне насыщения перемещаются при наличии разности гидравлических напоров (уровней) от мест с более высоким к местам с с более низким напором.

Гидравлический уклон (гидравлический градиент I) – отношение разности напора к длине пути фильтрации

Современная теория движения подземных вод основывается на законе Дарси:

Q – расход воды или количество фильтрующейся воды в сутки, м³/сут

S – площадь поперечного сечения потока воды, м²

К_ф – коэффициент фильтрации, м/сут

 

Скорость фильтрации -

Скорость фильтрации потока воды имеет единицы измерения м/сут или см/сут, является кажущейся, посколькувода течет лишь через площадь сечения, равную площади пор и трещин породы.

Действительную скорость потока считают с учетом пористости породы:

Эта формула будет правомерна лишь для песков и крупнообломочных горных пород, где все поры открыты и вода имеет полную скорость движения.

В глинистых породах часть пор закрыта и вода передвигается только через открытые поры, поэтому вводится коэффициент n_акт, имеющий меньшее значение, чем n. Однако движение воды в порах происходит с разной скоростью, поэтому мы говорим о средней скорости потока фильтрации.

Расход воды водопритока

Источники (ключи, родники) – места естественных выходов воды на дневную поверхность.

По своему характеру источники бывают рассредоточенные, когда грунтовая вода просачивается на склоне оврага или речной долины через слой глинистого грунта. После расчистки этого слоя источник может стать сосредоточенным. Интенсивность выхода воды в единицу времени оценивается дебитом источника (л/с или м³/сут)

Каптированный источник – источник, выход вод которого был улучшен человеком.

Напорные воды могут создавать фонтанирующие (восходящие) источники. При прорезании грунтовой воды эрозионной сетью получаются нисходящие источники.

Форма движения потоков грунтовых вод:

a) Плоские

b) Радиальные (сходящиеся и расходящиеся)

c) Криволинейные

При определении направления движения потоков нужно помнить, что оно может быть справедливо лишь для сравнительно ограниченной территории (участка).

Анализ карт дает представление о скорости фильтрации ПВ, пропорциональной напорному коэффициенту, величине водопроницаемости и изменении геометрических параметров потока.

При постоянной водопроницаемости пласта сгущение гидроизогипс свидетельствует о повышении уровня воды.

Увеличение растсояний между изолиниями при постоянных геометрических параметрах пласта свидетельствует о повышении водопроницаемости.

При постоянном расходе потока, изменение геометрических характеристик приводит к изменению сопротивления фильтрации и соответветвенно к изменению густоты изолиний.

Методы определения направления потока

По карте гидроизогипс: направление потока устанавливается по высотным отметкам гидроизогипс.

Более точные данные получают методом трех скважин.

Также есть метод красителей (солей). Для этого необходимо несколько скважин. В центральную скважину (опытную) вводят сильный органический краситель (для кислых вод – метиленовый голубой, щелочных – флюоресцеин). Появление красителя в одной из наблюдательных скважин указывает направление потока воды.

Межпластовые подземные воды

Границами потоков ПВ являются нижний и верхний водоупоры.

Напорные потоки характеризуюся полным заполнением поперечного сечения водопроницаемого пласта водой, имеется пьезометрический уровень, движение воды происходит как под действием гравитации, так и за счет упругих свойств воды и водовмещающих пород, режим фильтрации – упругий.

Напорно-безнапорные потоки образуются при откачке воды из скважин, если пьезометрический уровень опускается ниже кровли напорного водоносного горизонта.

Фильтрационные показатели горных пород:

1. Коэффициент фильтрации.

2. Коэффициент водопроводимости.

3. Коэффициент пьезопроводности.

4. Коэффициент уровнепроводности.

Коэффициент фильтрации - это скорость фильтрации при напорном градиенте 1. В основном определяется геометрией пор, их размерами и формой. На значение коэффициента влияет вязкость и плотность фильтруемого флюида, минеральный состов грунтов, степень засоленности и прочее.

Основные факторы, влияющие на величину коэффициента фильтрации:

· Минеральны состав – через дисперсность и пористость. Добавление к песку 10% глинистых частиц снижает водопроницаемость более чем вполовину.

· Однородность гранулометрического состава. Линейный закон фильтрации соблюдается для грунтов с относительно большим коэффициентом фильтрации.

Грунты с выраженной ориентированной текстурой обладают анизотропией проницаемости по разным направлениям. Ленточные глины в горизонтальном направлении водопроницаемы, а в вертикальном – практически водоупорны. Лессовидные породы, наоборот, в горизонтальном направлении слабопроницаемы, а в вертикальном – легкопроницаемы. Анизотропия скальных грунтов обусловлена неравномерной трещиноватостью по разным направлениям.

Водопроницаемость изменяется при уплотнении под влиянием вышележащих масс горных пород или сооружений, а также при разуплотнении и высыхании. При увеличении геостатического давления происходит уплотнение грунтов и уменьшение размера пор, что приводит к развороту частиц и уплощению агрегатов в перпендикулярно прикладываемой нагрузке. Это причина, почему с глубиной и с ростом давления наблюдается общее уменьшение проницаемости.

Многие глинистые грунты при высыхании дают большую усадку, растрескиваются, их водопроницаемость резко возрастает. Также водопроницаесомть возрастает при растворении и выщелачивании солей или цементирующего вещества, а также при вытаивании льда из мерзлых пород.