Подземные воды движутся под влиянием силы тяжести от областей питания, где уровень имеет наибольшие отметки, к областям разгрузки, где отметки уровня наименьшие. Областями питания подземных вод являются горные хребты с окаймляющими их предгорными шлейфами, водораздельные равнины и другие повышения рельефа. Области питания подземных вод могут быть приурочены также к водохранилищам, оросительным каналам и др. Разгрузка подземных вод происходит в речных долинах (исключая низовья рек равнинных областей, где реки являются источником питания грунтовых вод), оврагах и балках, местах резких перегибов рельефа в предгорьях, где обычно хорошо водопроницаемые породы сменяются слабопроницаемыми, в связи с чем образуются так называемые зоны выклинивания подземных вод, выходящих на поверхность. Искусственная разгрузка подземных вод наблюдается при отборе подземных вод скважинами, колодцами, осушительными каналами, дренами. Направление движения грунтовых вод почти всегда совпадает с уклоном рельефа.
Фильтрация – движение подземных вод в порах рыхлых горных пород и в трещинах скальных пород в условиях, когда поры и трещины полностью заполнены водой.
В общем случае фильтрацией называют движение жидкости в пористой среде. Применительно к подземным водам В. М. Шестаковым предложен термин геофильтрации, отражающий специфику фильтрации подземных вод в горных породах.
Если движение воды происходит в породах, не полностью насыщенных водой, то его называют инфильтрацией. Просачивание осадков через зону аэрации является примером инфильтрации.
Втекание осадков или поверхностных вод через трещины скальных пород называется инфлюацией.
Различают движение воды ламинарное (установившееся и неустановившееся) и турбулентное.
Ламинарное, или параллельно-струйчатое, движение происходит без пульсации скоростей, турбулентное, или вихревое, движение характеризуется пульсацией скоростей, вследствие чего перемешиваются различные слои потока.
Установившееся движение подземных вод характеризуется постоянством во времени в любом сечении мощности, напорного градиента, скорости фильтрации, расхода. При изменении во времени этих характеристик движение называется неустановившимся.
Линейный закон фильтрации. Ламинарное движение подземных вод подчиняется линейному закону фильтрации, известному под названием закона Дарси и имеющему следующий вид:
(5.4)
где Q – расход фильтрационного потока – количество воды, протекающей через данное поперечное сечение потока в единицу времени, м3/сут; k – коэффициент фильтрации породы, м/сут; I – градиент напора или гидравлический градиент; ω – поперечное сечение потока, м2.
Градиент напора характеризует уклон свободной поверхности грунтовых вод или пьезометрической поверхности напорных вод. Его вычисляют по формуле
(5.5)
где H1 – отметка уровня грунтовых вод или пьезометрической поверхности напорных вод в сечении I (рис 5.2), м; H2 – то же, в сечении II. Если водоупор расположен горизонтально, то для грунтовых вод H1 и H2 приравнивают к мощности водоносного горизонта h1 и h2, м; l – расстояние между I и II, или путь фильтрации, м.
Рис.5.2. Схема движения грунтовых вод при наклонном водоупоре.
Градиент напора грунтовых вод можно определить по гидроизогипсам – линиям, соединяющим одинаковые отметки поверхности грунтовых вод. Градиент зависит от уклона рельефа и степени его расчлененности, характера водоносных пород, уклона водоупорного слоя, соотношения отметок областей питания и дренирования, расстояния между этими областями и др. Градиент напора непостоянен во времени, он может возрастать при усилении питания грунтовых вод и уменьшаться при его ослаблении.
Линейный закон фильтрации – основной закон движения подземных вод. Он справедлив для движения воды в рыхлых и трещиноватых породах при весьма широком диапазоне скоростей фильтрации. Однако если скорость фильтрации превышает некоторое значение ее, называемое критическим, то прямая пропорциональность между скоростью фильтрации и градиентом напора не соблюдается. Это может наблюдаться в карстовых полостях и очень крупных трещинах. В таких случаях ламинарное движение сменяется турбулентным. Условия перехода одного движения в другое рассматривают в курсе «Подземная гидравлика».
Если обе части выражения (5.4) разделить на площадь поперечного сечения потока ω (м2), получим
(5.6)
Левая часть равенства определяет собой скорость фильтрации v (м / сут)
(5.7)
Если принять I = 1, то
(5.8)
Отсюда следует, что коэффициент фильтрации численно равен скорости при градиенте напора, равном единице.
Движение подземных вод происходит не через все сечение потока, а лишь через часть его, соответствующую площади пор или трещин. Действительная скорость фильтрующей воды равна
(5.9)
где n - пористость породы в долях единицы.
Если сопоставить выражения (5.6) и (5.9), то можно установить следующую связь между v и u:
(5.10)
Учитывая, что пористость всегда меньше единицы, то скорость фильтрации меньше действительной скорости движения воды.
В глинистых породах физически связанная влага не участвует в гравитационном движении воды. Поэтому в выражении (5.9) пористость n заменяют активной пористостью, которая характеризует часть сечения породы, способную пропускать движущуюся воду. Активная пористость (в долях единицы) равна
(5.11)
где Wммв – максимальная молекулярная влагоемкость породы в долях единицы; δ – объемная масса скелета грунта.
В крупнообломочных и песчаных породах, содержащих в небольшом количестве физически связанную воду, движение воды происходит практически по всему сечению пор. Защемленный воздух, который находится в порах грунта (его объем достигает нескольких процентов объема пор), также уменьшает сечение пор, по которым движется вода.
Нелинейный закон фильтрации. Турбулентное движение, характерное для сильно трещиноватых пород с крупными пустотами и трещинами, подчиняется нелинейному закону фильтрации, который выражается формулой Шези – Краснопольского:
(5.12)
где v – скорость фильтрации, м/сут; k – коэффициент фильтрации, м/сут; I – напорный градиент.
Таким образом, при турбулентном движении скорость фильтрации пропорциональна напорному градиенту в степени ½.
Фильтрация в тонкодисперсных глинистых породах имеет свои особенности. Поры в таких породах практически полностью заняты связанной водой. Поэтому фильтрация может начаться лишь при условии, если градиент напора превысит некоторый начальный градиент, определяемый сдвиговой прочностью связанной воды, представляющей собой вязко - пластическую жидкость. Таким образом, фильтрация подземных вод в принципе возможна и сквозь относительно водоупорные глинистые отложения – при определенных градиентах напора.
Режим подземных вод – изменение во времени уровня, температуры, химического состава и расхода подземных вод под влиянием естественных и искусственных факторов. Режим подземных вод определяется геологической обстановкой и климатическими условиями, а также хозяйственной деятельностью человека (осушение, орошение, строительство дамб и т.д.).
Динамический режим грунтовых и артезианских вод существенно различен. Режим грунтовых вод всецело определяется метереологическими факторами: атмосферными осадками, температурой воздуха, давлением, испарением. Неравномерность инфильтрации атмосферных осадков является основной причиной изменения режима грунтовых вод. Изменение режима грунтовых вод наблюдается не только в течение одного года, но и в многолетний период.
Колебания уровней в трещинных и закарстованных породах имеют свою специфику. Максимальное повышение уровней подземных вод весной происходит быстрее непосредственно в период снеготаяния. Значительное повышение уровней наблюдается также во время летних и осенних дождей, в том числе ливневого характера. Амплитуда годовых колебаний может достигаться 10 м и более.
Динамический режим артезианских вод в естественных условиях характеризуется большим постоянством по сравнению с режимом безнапорных вод.
5.6. Методы определения характеристик водопроницаемости
Основным показателем водопроницаемости горных пород является коэффициент фильтрации, который численно равен скорости фильтрации при градиенте напора, равном единице (см. разд. 5.5). Он имеет ту же размерность, что и скорость – м/сут. Коэффициент фильтрации необходим для всех расчетов, связанных с движением подземных вод. Он может быть получен на основе полевых опытно-фильтрационных работ, путем наблюдения за режимом подземных вод, при лабораторных исследованиях грунтов. Опытно-фильтрационные работы проводятся методами опытных откачек, нагнетания в скважины, подливов в шурфы и скважины.
Метод опытных откачек состоит в откачке воды из скважины, сопровождающейся систематическими наблюдениями за дебитом скважины и уровнем воды в ней, а также отбором проб воды.
Опытная скважина, из которой ведется откачка, оборудуется фильтром, насосом или эрлифтом, приспособлением для замера дебита и уровнемером. Опытные откачки делятся на одиночные и кустовые.
Для проведения кустовой откачки бурят четыре луча скважин, два луча перпендикулярно линии тока, два по линии тока. Откачку производят до тех пор, пока в наблюдательных скважинах не установится постоянный уровень при сравнительно небольшом его понижении в центральной скважине (5-30 см). Потом производят второе понижение и т.д. После этого строят кривые депрессии. Так как замерены все величины, кроме коэффициента фильтрации, его величина может быть получена из формулы дебита:
для грунтовых вод
(5.13)
для артезианской скважины
(5.14)
где Q – дебит центральной скважины; x1 и x2 - расстояния от центральной до контрольных скважин; S1 – S2 – понижения уровня воды в контрольных скважинах, М – мощность напорного горизонта.
В ряде случаев для определения фильтрационных свойств пластов применяют пробные откачки из одиночной скважины. Коэффициент фильтрации вычисляют подставляя в формулы (5.13; 5.14) значения 
и 
.
При одиночной откачке наблюдения за уровнем ведутся в той же скважине, из которой производится откачка. Откачки ведутся на два или три понижения уровня. Принимается, что если за 4-5 ч откачки уровень меняется не более чем на 1 см, то он считается установившимся. Величина понижения уровня на каждой последующей ступени должна отличаться от предыдущей ступени не менее чем на 0,5 м, а максимальная величина понижения должна быть не более половины мощности продуктивного горизонта.
Опытные нагнетания производятся в тех случаях, когда нужно определить проницаемость трещиноватых пород. Метод заключается в том, что определенный интервал скважины тем или иным способом перекрывается сверху и в него подается вода. По способности породы, вскрытой скважиной, поглощать воду судят о ее проницаемости. Величина скорости поглощения воды, м/мин, отнесенная к 1м длины скважины, называется удельным водопоглощением.
По данным удельного водопоглощения определяют коэффициент фильтрации пород.
(5.15)
где q – удельное водопоглощение, м3/мин на 1 м скважины; l – длина опробуемого интервала, м; r0 – радиус скважины, м.
Водопроницаемость сухих пород может быть определена методом подлива. При определении водопроницаемости трещиноватых и крупнообломочных пород методом А. К. Болдырева в шурф заливается вода слоем 10 см и уровень ее поддерживается постоянным . В таком случае
(5.16)
где Q –установившийся расход воды в шурфе, см3/с; F – площадь сечения шурфа, см2.
Схожим способом (метод Н.С. Нестерова) определяют коэффициент фильтрации более мелкозернистых пород.
В лабораторных условиях коэффициент фильтрации определяется непосредственным измерением скорости движения воды через образец грунта. Постановка лабораторного определения коэффициента фильтрации различна для различных грунтов.
Песчаные породы помещают в трубку и пропускают через нее воду; при этом используется два приема. При первом приеме грунт, помещенный в трубку, находится под воздействием тока воды при условии поддержания постоянного напора. Тогда по количеству профильтровавшейся жидкости и времени фильтрации может быть определен коэффициент фильтрации. Второй прием заключается в том, что над грунтом помещают определенное количество воды и следят за понижением напора.
Для определения коэффициента фильтрации глинистых пород из образца породы с ненарушенной структурой вырезают цилиндр и помещают его в специальный прибор, через который под определенным напором пропускают воду.
Коэффициент фильтрации может быть также определен по эмпирическим формулам в зависимости от гранулометрического состава породы и ее пористости (формулы Хазена, Ланге, Крюгера, Замарина). Метод определения коэффициента фильтрации по формулам наименее точен и может быть применим только для предварительных расчетов.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 483.
