- Движение грунтовых вод

11. ДВИЖЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД

Вода в грунте может находиться в следующих видах:

- парообразная (в виде пара);

- гигроскопическая (адсорбированная на поверхности частиц);

- пленочная (в виде пленки на поверхности частиц);

- капиллярная;

- гравитационная, заполняет поры грунта и движется в грунте под действием сил тяжести.

Мы будем изучать движение гравитационной воды, дальше именно ее будем называть грунтовыми водами. Способность грунтов пропускать через себя воду называется водопроницаемостью.

Движение воды в порах грунта называется фильтрацией. В процессе фильтрации грунтовая вода движется в водопроницаемом слое по поверхности водонепроницаемого слоя грунта (водоупора), которая образует русло фильтрационного потока (рис.11. 1).

Рекомендуемые материалы

На рис. 11.1 представлено безнапорное движение грунтовых вод, которое характеризуется наличием свободной поверхности, во всех точках которой давление равно атмосферному. Линия, образующаяся на пересечении свободной поверхности с вертикальной плоскостью, параллельной скорости движения грунтовых вод, называется кривой депрессии (депрессионной кривой).

Потоки грунтовых вод могут быть и напорными (рис. 11.2), когда водоносный пласт располагается между двумя водонепроницаемыми слоями грунта. Если пробурить верхний водонепроницаемый слой грунта и соединить напорный фильтрационный поток с атмосферой, вода в скважине поднимется (как в пьезометрической трубке) на определенную высоту. Вода, добытая при помощи такой скважины или колодца из напорного водоносного слоя, называется артезианской водой, а колодец – артезианским колодцем.

Законы движения грунтовых вод применяются в строительстве плотин, каналов, осушительных сетей, котлованов и т.д. При этом определяются расходы, положение поверхности (кривой) депрессии.

Движение грунтовых вод, как и потоков жидкости, может быть:

- установившимся и неустановившимся;

- установившееся движение грунтовых вод может быть равномерным и неравномерным;

- ламинарным и турбулентным.

Мы будем рассматривать установившееся ламинарное движение грунтовых вод. Турбулентное движение грунтовых вод может иметь место в крупнозернистых грунтах (щебне, гальке) и в каменной наброске и встречается значительно реже ламинарного.

Расход воды, фильтрующейся через сечение w, определяется по закону Дарси

,

где: K – коэффициент фильтрации;

       I  – пьезометрический уклон, соответствующий потере напора H  

             при движении воды через грунт на длине L:

Дебит грунтового колодца (рис. 11.2)

уравнение кривой депрессии

где: H – толщина водоносного пласта;

       h – глубина воды в колодце;

        r₀ – радиус колодца;

        R – радиус действия колодца, приблизительно равный

- 250…500 м для обычных песчаных грунтов;

- 700…1000 м для крупнозернистых песков;

        Z и r – координаты какой-либо точки кривой депрессии.

Односторонний приток воды по всей длине l водосборной галереи

уравнение кривой депрессии

где: q – односторонний приток к галерее, приходящийся на единицу ее              длины                                  

;

      

       b₀ – половина ширины галереи;

       h – глубина воды в галерее;

       L – предел действия галереи, приближенно равный 250…300 м;

       x и Z – координаты какой-либо точки на кривой депрессии.

Пример.

Определить дебит совершенного колодца, отрытого в мелком песке до водоупора.   Диаметр  колодца  d₀ = 1,2 м,   глубина  воды  в  колодце h = 0,8 м. Толщина водоносного пласта H = 6,3 м.

Решение

Коэффициент  фильтрации   для   мелкого песка K @ 10^-5 м/с @1 м/сутки. Радиус действия колодца для песчаного грунта (см. выше) R = 250…500 м, принимаем R =400 м.

м³ сутки.

Осушение   местности

Различают следующие виды дренажей: систематический, головной, береговой, кольцевой, пластовый. Регулирующей частью дренажной системы являются трубчатые дрены. Дрена называется совершенной, если ее основание находится на водоупоре, и несовершенной, если ее основание не доходит до водоупора.

Удельный расход фильтрационных вод горизонтальной  совершенной дрены на горизонтальном водоупоре при одностороннем притоке воды в дрену определяется по формуле

 м³/сутки на 1 п.м.,

где: K  – коэффициент фильтрации, м/сутки;

       H  – высота    непониженного    уровня   грунтовых  вод  (УГВ) или мощность водоносного слоя, м;

        h₀  – глубина воды в дрене;

        L  –  ширина полосы действия (радиус действия) дрены, м.

Ординаты Z кривой депрессии на удалении x от оси дрены

 м,

или

 м.

Ширину полосы действия (радиус влияния) дрены можно определить по таблице П2.9 справочных данных или по формуле

 м,

где: S₀ =H – h₀ – требуемое понижение УГВ у дрены, м.

 Удельный расход фильтрационных вод горизонтальной несовершенной дрены круглого сечения при одностороннем притоке воды в дрену вычисляется по формуле

 м³/сутки на 1 п.м.,

а ординаты кривой депрессии

,

где: H₁ – глубина  погружения  центра   дрены  в  водонасыщен-ный грунт, м;

        r – радиус дрены, м;

A – коэффициент, вычисляемый по формуле

.

Удельный расход совершенной дрены в системе кольцевого дренажа

 м³/с на 1 п.м.

Общий расход воды в дренаже составит

 м³сутки.

Депрессионную кривую по внешним границам кольцевого дренажа строят по упрощенному уравнению

 м.

Депрессионная кривая внутри осушаемого участка устанавливается примерно на уровне воды в дренах.

Удельный расход несовершенной дрены в системе кольцевого дренажа вычисляется по формуле

 м³/сутки на 1 п.м.

Здесь, как и выше, H₁ – глубина погружения дрены от УГВ, м.

Расчет головного дренажа сводится к расчету одиночной дрены по приведенным выше зависимостям, за исключением удельного расхода несовершенной дрены, определяемого по формуле

 м³/сутки на 1 п.м.

Время на осушение защищаемой территории может быть вычислено из формулы для радиуса влияния дрены

откуда для совершенной дрены

 суток.

Для несовершенной дрены

 суток,

где  – средняя мощность осушаемой зоны м.

Пример 1.

Для защиты от подтопления подвала сооружения предусматри-вается устройство кольцевого дренажа из асбоцементных труб.

Определить удельный и суммарный фильтрационные расходы, произвести гидравлический расчет дрены.

Отметка поверхности земли (в створе дрены)                        = 200,0 м               

Отметка уровня грунтовых вод (в створе дрены)                   = 199,5 м

Отметка водоупора (в створе дрены)                                       = 190,0 м

Отметка дна начала дрены                                                        = 196,5 м

Размеры сооружения в плане:

длина                                                                             l               =     40 м

ширина                                                                          b            =     16 м

Грунт участка местности                                  песок среднезернистый                                         

Коэффициент фильтрации                                          K    = 12  м/сутки

Диаметр дрены                                                             d            =      0,2м

Решение

Т.к. отметка дна начала дрены = 196,5 м больше отметки водоупора = 190,0 м – дрена несовершенна.

Радиус дрены           

Принимаем глубину воды в дрене 

Глубина погружения центра дрены в водонасыщенный грунт

H₁ =199,5 – 196,5 – 0,10 = 2,90 м.

По таблице П2.9 приложения 2 радиус влияния дрены для среднезернистого песка R = 100…200 м. Принимаем R = 150 м.

Удельный расход фильтрационных вод в несовершенной горизонтальной дрене

  м³ /сутки на 1 п.м.

Суммарный фильтрационный расход в конце дрены (половина общего расхода дренажа)

 м³/сутки.

Гидравлический расчет дрены

Из формулы Шези    

найдем минимальный уклон дна дрены, обеспечивающий пропуск расхода Q.

Для дрены, до половины заполненной водой

- площадь живого сечения     м²;

- гидравлический радиус        м.

По таблице П2.5 приложения 2 для асбоцементных труб коэффициент шероховатости n = 0,0092.

По формуле Маннинга коэффициент Шези

68

Требуемый уклон дна дрены

Принимаем минимальный допустимый уклон для дрен I₀ = 0,0005. При этом дальний конец дрены должен быть глубже заложения дрены в начале (в точке А) на

Пример 2.

Для перехвата грунтовых вод с целью защиты от подтопления заглубленных сооружений, возводимых на заданном участке местности, предусматривается устройство головного дренажа из полиэтиленовых труб.

Определить удельный и суммарный фильтрационные расходы, произвести гидравлический расчет дрены и определить время, потребное для осушения местности в пределах полосы действия дрены.

Отметка поверхности земли (в створе дрены)                        =   25,0 м               

Отметка уровня грунтовых вод (в створе дрены)                   =    24,5 м

Отметка водоупора (в створе дрены)                                       =   22,0 м

Отметка дна начала дрены                                                       =   22,0 м

Длина головной дрены                                                     l         =      80 м

Диаметр дрены                                                                 d     определить

Грунты участка местности                                 песок мелкозернистый                                         

Коэффициент фильтрации                                              K= 4,0  м/сутки

Коэффициент водоотдачи                                                m        =   0,15

Решение

Отметки водоупора и дна начала дрены совпадают (22,0 м) – дрена совершенна.

Мощность водоносного слоя

H = 24,5 – 22,0 = 2,5 м.

Предварительно принимаем диаметр дрены d = 100 мм, глубину наполнения дрены . Тогда требуемое понижение УГВ

Ширина полосы действия (радиус влияния) дрены

Удельный расход фильтрационных вод

 м³/сутки на 1 п. м.

70

Суммарный расход фильтрационных вод

 м³/сутки.

Принимаем минимальный допустимый уклон дрены I₀ =  0,0005.

При наполнении дрены до половины:

- площадь живого сечения дрены

 м²;

- гидравлический радиус    м.

По таблице П2.5 приложения 2 для полиэтиленовых труб коэффициент шероховатости n = 0,0086 с/м^1/3.

Рекомендуем посмотреть лекцию "6. Прогнозирование экономических процессов".

Коэффициент Шези

м^1/2/с.

Пропускная способность дрены (по формуле Шези)

Окончательно принимаем диаметр дрены d = 100 мм.