- Фильтрация, виды движения подземных вод

Тема: Фильтрация, виды движения подземных вод. Законы фильтрации подземных вод. Гидроизогипсы и гидроизопьезы. Определение движения подземных вод.

1. Законы фильтрации подземных вод.

2. Гидроизогипсы и гидроизопьезы.

3. Определение направления подземных вод.

1. Законы фильтрации подземных вод.

1.1 Общие понятия

Положение свободной или напорной поверхности подземных вод в данной точке по отношению к любой плоскости сравнения получило название уровня подземных вод.

Рекомендуемые материалы

Различают свободную ненапорную поверхность подземных вод, которую называют гидростатическим уровнем, если после вскрытия подземных вод УВ в скважине поднимается на некоторую высоту, то такую поверхность называют напорной, а уровень пьезометрическим.

Часть геологического пласта или весь пласт, заполненный гравитационной водой именуют водоносным горизонтом.

В водоносном горизонте выделяют область питания, область распространения и область разгрузки (показать на плакате).

Части выхода горных пород различной проницаемости на дневную поверхность, где атмосферные осадки просачиваются и пополняют запасы подземных вод называются областями питания. Места, где возникают родники, называют областями стока. Площадь, лежащая между этими областями составляет область распространения.

Подземные воды движутся под влиянием силы тяжести от областей питания, где уровень их имеет наибольшие отметки, к областям разгрузки, где отметки уровня наименьшие.

Передвижение воды в поясе насыщения под действием силы тяжести называют фильтрацией.

Если движение воды происходит в породах, не полностью насыщенных водой, то его называют инфильтрацией.

Втекание осадков или поверхностных вод через трещины скальных пород называется инфлюацией.

Ламинарное движение происходит без пульсации скоростей, турбулентное характеризуется пульсацией скорости.

Установившееся движение характеризуется постоянным во времени мощности скорости фильтрации, Q и напорного градиента (величина потерь напора на единицу длины пути фильтрации.

При изменении во времени этих характеристик движение называется неустановившимся.

1.2 Законы фильтрации подземных вод

Ламинарное движение подземных вод подчиняется линейному закону фильтрации, т.е. закону Дарси:

Q = KI_w ,

где К - коэффициент фильтрации породы, м/сут.

I - градиент напора

w - поперечное сечение потока, м².

2. Гидроизогипсы и гидроизопьезы

За УГВ ведут постоянно наблюдения в специально оборудованных для этого скважинах. Результатом наблюдений является составление карты гидроизогипс.

Линии на плане, соединяющими точки с одинаково абсолютно высотами УГВ получили название гидроизогипс. Гидроизопьезами называют линии на карте, соединяющие точки с одинаковыми высотами установившегося уровня напорных вод.

Карты гидроизогипс позволяют определять характер связи этих вод с реками, найти уклон поверхности этих вод, установить характер потока подземных вод. Гидроизогипсы дают возможность более точно построить карту глубины залегания горных вод.

3. Определение направления подземных вод

Для выявления направления подземных вод на больших площадях составляют карты гидроизогипс и гидроизопьез. Карта гидроизогипс позволяет установить характер потока подземных вод. Для этого проводят перпендикулярно гидроизогипсам линии, называемые линиями токов. Если они параллельны между собой, поток подземных вод считается плоским. Возможны радикально сходящиеся потоки. Примером может служить поток подземных вод, направленный к скважине, из которой откачивают воду. Надо помнить, что поток подземных вод движется в направлении, перпендикулярном гидроизогипсам. Линии, перпендикулярные гидроизогипсам, называют линиями токов.

Определение направления движения грунтовых вод по трем скважинам, расположенным в вершинах равностороннего треугольника.

Для этого на местности закладывают 3 скважины, расположенные по углам равностороннего треугольника и наносят их на план. На стороне треугольника, соединяющей скважины с наибольшей и наименьшей отметкой, равной отметке в третьей скважине. Соединив эту точку с точкой третьей скважины, получают гидроизогипсу. Перпендикуляр к гидроизогипсе, стрелкой направленной в сторону понижения отметок, показывает направление движения горных вод.

Градиент напора характеризует уклон свободной поверхности

I =

I – можно определять по гидроизогипсам

I может возрастать при усилении питания грунтовых вод и уменьшаться при его ослаблении.

Разделим обе части уравнения Дарси на

= КI; или

 - скорость фильтрации.

Если I = 1, то 

 откуда следует, что коэффициент фильтрации числено равен скорости фильтрации при градинте напора =1. Поскольку движение воды происходит не через все сечения потока, а лишь через часть его, сответствующую площади пор, то действительная скорость , где

n – пористость породы в долях единицы

следователь можно составить уравнение следующего вида =nu

учитывая, что пористость всегда меньше 1, то скорость фильтрации меньше действительной скорости движения воды, т.е. фиктивная скорость <u

Вернемся к значению коэффициента фильтрации. Это важный показатель проницаемости горных пород. Размерность его - м/сут, мм/сут. Ориентировочные значения (м/сут) приведены ниже:

              Глина - менее 0,001

              Суглинок-0,001 -0,1

              Супесь-0,1 -0,5

              Песок - 0,5 - 50

              Гравий - 20 – 150

                 Галечник - 100-500

Турбулентное движение, характерное для сильнотрещиноватых горных пород подчиняется нелинейному закону фильтрации, который выражается формулой Шези-Краснопольского υ=k*I^½

Фильтрация в тонкодисперсных породах имеет свои особенности. Поры в таких породах полностью заняты 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 возможна сквозь водоупорные глины при определенных I.

Дебит скважины (расход) – количество воды, которое можно получить из скважины в единицу времени при откачке или самоизливе. Скважины делятся на совершенные и несовершенные.

Уровень ПВ в скважине до откачки называется статическим. Под влиянием откачки происходит снижение УГВ (или пьезометрического УНВ) как в самой скважине, так и вокруг нее. Уровень воды в скважине в процессе откачки называется динамическим.

Влияние откачки постепенно распространяется на все большее расстояние от скважины, в результате образуется депрессионная воронка параболического очертания. Наибольшее понижение уровня наблюдается вблизи скважины.

При взаимодействии скважин образовавшиеся вокруг них депрессионные воронки «пересекаются». В результате этого происходит снижение дебитов и динамических уровне.

К взаимодействию скважин стремятся при искусственном понижение УГВ для борьбы с заболачиванием и засолением земель при осушении строительных котлованов и т.д.

Люди также интересуются этой лекцией: 7. Автоматизация проветривания горных выработок.

Контрольные вопросы:

1. Назовите и опишите Законы фильтрации подземных вод.

2. Что понимают под понятиями гидроизогипсы и гидроизопьезы?

3. Как определить направление подземных вод?