u_lectures

Для описания других параметров потока подземных вод таких как скорость, направление движения, ширина потока и расход можно использовать гидродинамическую сетку, которая состоит из линий равного напора, проведенных с заданным интервалом напора, и линий тока, которые в каждой точке показывают направление потока (вектора скорости) (рис. 11).

Гидродинамическая сетка служит для наглядного представления структурного характера плоского потока и распределения его гидродинамических элементов.

Рис. 11. Гидродинамическая сетка

В гидрогеологической практике большую роль играет количественная оценка условий движения подземных вод. Сложность природных условий и процессов часто создает такие ситуации, когда нет возможности описать обстановку с помощью уравнений, либо имеются уравнения, точное решение которых до сих пор не найдено. При таких условиях огромное значение приобретает моделирование. Наиболее широко используется метод электродинамической аналогии (ЭГДА), основанный на математической аналогии между фильтрационным и электрическим потоками. На моделях ЭГДА фильтрационный поток моделируется электрическим полем, в котором потенциалы U и силы тока I соответствуют напорам H и расходу Q моделируемого фильтрационного потока.

Для перехода от напоров фильтрационного потока H к соответствующим значениям потенциалов электрического поля удобно пользоваться соотношением = = Ū

,

где Ū – приведенный потенциал в данной точке, который и определяется на модели ЭГДА [5].

51

Общей характеристикой потока является его расход Q – количество воды, протекающее через поперечное сечение водоносного горизонта в еди-

ницу времени: =

, м3/сут,

где K – коэффициент фильтрации; m – мощность водоносного горизонта; B – ширина потока; i – напорный градиент.

Основными элементами фильтрационного потока являются также мощность и его ширина. Мощность потока (h, m) определяется мощностью водонасыщенных пород в пределах водоносного горизонта или комплекса. В потоках грунтовых вод мощность (h) определяется как расстояние от свободной поверхности воды (уровня) до подстилающего водоупора. В потоках напорных вод мощность (m) водоносного пласта измеряется между его верхней и нижней границами.

Ширина потока B определяется по картам гидроизогипс в сечении, перпендикулярном направлению движения, т.е. по длине гидроизогипсы.

Как мощность, так и ширина потока могут изменяться на разных его участках, вызывая изменение других параметров потока и, в первую очередь, расхода.

Каждое поле фильтрации имеет свои границы, оконтуривающие его в пространстве. Различают внешние и внутренние границы. Внешние границы разделяют различные поля фильтрации, внутренние служат границами потока с действующими в его пределах инженерными сооружениями. Границы потока в пространстве являются поверхностями, в плоскости – контурами. Кроме того, границы потоков могут быть проницаемыми и непроницаемыми, естественными и искусственными.

Граничные условия потоков определяют их гидродинамические особенности, структуру и характер режима.

В реальных природных условиях границы потоков имеют самую разнообразную конфигурацию. Для целей расчета формы границ схематизируют, приводя их к правильной геометрической форме (прямолинейный, круговой). На рис. 12 приведены примеры схематизации геометрических форм боковых границ потоков для различных природных случаев.

Схематизация границ позволяет систематизировать природные гидрогеологические условия и представлять их в виде типовых расчетных схем, обеспечивающих применение простых гидрогеологических расчетов.

2.1.3. Установившееся и неустановившееся движение подземных вод в однородных пластах

Естественные потоки подземных вод характеризуются установившемся и неустановившемся режимами движения. Установившееся движение пото-

52

ков характеризуется относительным постоянством во времени условий питания и разгрузки подземных вод [5].

Движение потоков может быть равномерным и неравномерным. При равномерном движении скорость потока по пути движения неизменна. Такой вид движения может иметь место при фильтрации напорного потока через пласт постоянной мощности или при фильтрации безнапорного потока в наклонных водоносных пластах с соблюдением параллельности свободной по-

Рис. 12. Примеры схематизации геометрических форм границ потока в плане:

а – неограниченный пласт; б – полоса с двумя прямолинейными границами; в – прямоугольник с прямолинейными границами вдоль рек; г – круг, ограниченный слабопроницаемыми породами.

Условия, обеспечивающие постоянство расхода, площади сечения и скорости фильтрации, в природе встречаются редко. Обычно движение является неравномерным, т.к. скорость изменяется от сечения к сечению.

При изучении естественных потоков подземных вод обычно решаются следующие задачи: 1) определение расхода подземных вод и других элементов потока; 2) построение депрессионной кривой; 3) определение отдельных параметров, характеризующих область фильтрации или условия питания потока по данным о распространении его напоров.

53

Рис. 13. Равномерное движение подземных вод:

а – напорный поток в однородном пласте постоянной мощности; б – грунтовый поток постоянной мощности

При равномерном движении потока подземных вод расход Q определя-

Часто количественная характеристика потоков подземных вод проводится по единичному расходу q. Это расход, приходящийся на единицу ширины пото-

ка. Для грунтовых вод и напорных вод он определяется из соотношений

= ф и = ф .

Для потоков с неравномерным движением на величину расхода оказывает влияние положение водоупорного основания (горизонтальное или наклонное). Формулы видоизменяются за счет усреднения мощности и уклона потока. Например, удельный расход для грунтовых вод и напорных вод с посто-

янной мощностью (рис. 14) соответственно:

= ф и = ф .

54

Кроме напорного и грунтового потоков в природе существуют потоки с напорно-безнапорным режимом движения. В естественных условиях такое движение имеет место при дренировании напорных потоков речными долинами, прорезающими их (рис. 15).

Рис. 15. Схема напорно-безнапорного потока в междуречье

Единичный расход потока в этом случае рассчитывается по формуле

Неустановившееся движение в отличие от установившегося характеризуется переменным во времени движением. В природных условиях уровни подземных вод колеблются под влиянием неравномерной фильтрации осадков, изменения положения уровней в поверхностных водоемах и т.д.

На колебания уровней существенное влияние оказывают искусственные факторы, такие как создание в речных долинах водохранилищ, орошение земель, осушение заболоченных территорий, водопонижение при различных видах строительства и разработке полезных ископаемых.

Учет этих факторов при условии неустановившейся фильтрации позволяет правильно решать практические гидрогеологические задачи, прогнозировать условия работы инженерных сооружений и условия изменения природных гидрогеологических условий под влиянием инженерной деятельности человека.

Для количественной оценки неустановившейся фильтрации обычно рассматриваются одномерные или двухмерные в плане потоки подземных вод. Существуют очень сложные уравнения решения задач неустановившегося движения, но наиболее широко используется метод конечных разностей, который позволяет определить как расход грунтового потока, так и проследить изменение положения кривой депрессии во времени с учетом основных факторов в формировании режима подземных вод, условий их питания и разгрузки. Он является основой для численного решения разнообразных задач фильтрации с помощью моделирования и применения ЭВМ. Метод конечных разностей предложен Г.Н. Каменским для грунтовых вод, но с таким же успехом используется и для напорных.

Схема неустановившейся фильтрации показана на рис. 16.

Рис. 16. Схема к выводу уравнений неустановившейся фильтрации грунтовых вод в конечных разностях

56

В упрощенном виде формула для установившейся фильтрации грунто-

где W – инфильтрационное питание в промежутке времени t, μ – недостаток насыщения при повышении уровня в элементе или водоотдача при снижении уровня.

2.1.4. Понятие о водозаборах подземных вод и их классификация

Водозаборы – это инженерные сооружения, предназначенные для захвата подземных вод с целью использования их для водоснабжения, орошения и осушения месторождений полезных ископаемых.

Водозаборы бывают вертикальные (скважины, колодцы, шахты), горизонтальные (канавы, дренажные галереи), наклонные (кяризы). По характеру вскрываемого горизонта они бывают грунтовые и артезианские. По степени вскрытия водоносного горизонта водозаборы делятся на совершенные и несовершенные (рис. 17).

Рис.17. Типы грунтовых и артезианских скважин: а – совершенные, б – несовершенные

Совершенный водозабор вскрывает водоносный горизонт на полную мощность, несовершенный – частично. В совершенный водозабор вода поступает через стенки скважины. В водоприемной части скважина оборудуется фильтрами. Несовершенные скважины могут работать через стенки или только дном, а также одновременно через стенки и дно.

Для целей водоснабжения в зависимости от гидрогеологических условий водозаборы могут быть инфильтрационными, ярусными, спаренными, многоярусными.

57

Инфильтрационные водозаборы работают в основном за счет привлечения поверхностных вод. Например, водозаборы г. Красноярска, расположенные на островах.

Ярусные водозаборы применяют при эксплуатации водоносных горизонтов грунтовых вод большой мощности. Захват воды осуществляется несколькими скважинами, водоприемная часть которых располагается в разных частях разреза.

Спаренные водозаборы используют в случае близкого контакта пресных и соленых вод. При работе таких водозаборов не допускается перемещение границы между пресными и солеными водами.

Многоярусные водозаборы применяют в основном при захвате воды из закарстованных пород.

Наиболее часто водозаборы подземных вод состоят из вертикальных скважин, расположенных по определенному геометрическому контуру. Контурные системы бывают линейные, круговые, площадные и неупорядоченные.

Перед расчетом водозаборов проводятся следующие предварительные исследования:

1.По материалам изысканий составляется геоинфильтрационная схема водоносных горизонтов района водозабора. На схеме отражаются граничные условия, пьезоизогипсы эксплуатируемого горизонта, области питания, площади с различной водопроводимостью пород;

2.Из гидрогеологических и технико-экономических соображений задается система водозаборных скважин;

3.Устанавливаются конструктивные размеры и допустимое понижение уровня воды в скважинах;

4.Определяется режим работы водозабора, т.е. скважины, оборудованные глубинными насосами, будут работать при постоянном дебите, соответствующем оптимальной производительности установленного насосного оборудования, а открытые самоизливающиеся скважины, как правило, работают при режиме постоянного напора (понижения) на устье скважины/, соответствующего отметке самоизлива.

Если водозаборное сооружение работает не испытывая влияния других водозаборов, оно называется одиночным в отличие от взаимодействующих, состоящих из нескольких скважин, которые оказывают влияние на работу соседних скважин, снижая их производительность. Взаимодействующие водозаборы различаются по схемам расположения, которые могут быть закономерными (линейные, кольцевые, по сетке) и произвольными.

При работе водозаборных сооружений движение подземных вод становятся нарушенным. Вследствие непрерывного отбора воды вокруг водозаборов начинает развиваться депрессионная воронка. При этом в безнапорных водах происходит осушение водоносного пласта в пределах интенсивно развивающейся депрессионной воронки. В напорных водах, вследствие наличия

58

избыточных давлений над кровлей пласта, непосредственного осушения его не происходит, и поступление воды в скважину обеспечивается за счет высвобождения упругих запасов пласта и перехвата естественных расходов потока.

Впределах депрессионной воронки параметры потока непрерывно изменяются, что отвечает периоду резко выраженной неустановившейся фильтрации. Со временем интенсивность развития депрессионной воронки затухает, происходит стабилизация дебитов и уровней во всех сечениях потока. Такой режим соответствует установившейся фильтрации.

Размеры депрессионной воронки характеризуются радиусом влияния, под которым понимается расстояние от центра скважины, на котором депрессионная поверхность сливается с естественным уровнем, т.е. не наблюдается влияние отбора воды.

При работе водозаборной скважины происходит понижение уровня подземных вод, как в самой скважине, так и в пределах депрессионной воронки в пределах радиуса влияния. Понижение уровня воды отсчитывается от реальной пьезометрической или свободной поверхности подземных вод.

Водозаборы, предназначенные для защиты объекта от подтопления, а также для снижения уровня подземных вод заданной глубины, обычно назы-

вают дренажными сооружениями.

Глубина от поверхности земли до пониженного уровня подземных вод называется нормой осушения. При гражданском и промышленном строительстве норма осушения не превышает 3,5 – 5 м.

Взависимости от целей и назначения дренажные сооружения подразделяют на горизонтальный, вертикальный и комбинированный типы дренажа.

Горизонтальные дренажи (кротовые, траншейные и трубчатые дрены, лотки, канавы, галереи, штреки) могут быть открытыми и закрытыми. Они используются при небольшой глубине подземных вод.

Вертикальный дренаж (скважины) используется при необходимости значительного снижения уровня подземных вод.

Комбинированные дренажи (например, штреки и вертикальные скважины) используются для снижения уровня в нескольких водоносных горизонтах.

Дренажные сооружения, расположенные по одной линии, называют линейным дренажем. Если линейные системы перехватывают поток со стороны водораздела, они называются головными, если со стороны реки – береговыми.

Если дренажные сооружения расположены по контуру осушаемого участка, дренаж называется кольцевым. Планово расположенные дрены в пределах осушаемой площади называют систематическим дренажем.

59