5.5. Движение подземных вод

Законы движения. Подземные воды могут передвигаться в грунтах путем инфильтрации и фильтрации. Инфильтрация воды происходит в порах с их частичным заполнением воздухом или водяными парами в зоне аэрации. Фильтрация в виде движущегося потока происходит при полном заполнении пор водой.

Движение грунтового потока в водоносных слоях (галечнике, песке, супеси, суглинке) имеет параллельно-струйчатый или ламинарный характер и подчиняется закону Дарси. В крупных пустотах происходит вихревое или турбулентное движение воды, но сравнительно редко. Движение подземных вод может быть установившимся и неустановившимся, напорным и безнапорным.

Ненапорные грунтовые воды имеют водоупор снизу и свободную поверхность сверху. Такие воды передвигаются от более высоких мест к низким (рис. 60).

Рис. 60. Схема безнапорной фильтрации грунтовой воды

Разность напоров ΔH = H₁ – H₂ в сечениях 1 и II обусловливает движение воды в направлении сечения II. Скорость движения водного потока зависит от разности напора (чем больше ΔH, тем больше скорость) и длины пути фильтрации l.

Отношение разности напора ΔH к длине пути фильтрации l называют гидравлическим уклоном (гидравлическим градиентом)

I = ΔH /l.

Современная теория движения подземных вод базируется на законе Дарси:

Q = K_фАΔH/l = k_фАl ,

где Q – расход воды или количество фильтрующейся воды в единицу времени, м³/сут; К_ф – коэффициент фильтрации, м/сут; А – площадь поперечного сечения потока воды, м²; ΔH – разность напоров, м; l – длина пути фильтрации, м.

Источники (ключи, родники) - места естественных выходов воды на дневную поверхность. При прорезании грунтовой воды эрозионной сетью возникают нисходящие источники: сосредоточенные выходят потоком в одном месте, рассредоточенные – проса-чивание воды на склоне через слой глинистого грунта. Напорные воды могут давать фонтанирующие (восходящие) источники.

Форма движения потоков грунтовых вод. На строительных или хозяйственных площадках при устройстве дренажей необходимо знать направление движения потоков воды в зависимости от местных геологических условий, рельефа местности и других факторов. Различают потоки плоские, радиальные (сходящиеся и расходящиеся) и криволинейные (рис. 61).

Рис. 61. Формы потоков грунтовых вод:

а – плоский; б – радиальный расходящийся; в – радиальный сходящийся; г – криволинейный

По карте гидроизогипс направление потока устанавливается по высотным отметкам гидроизогипс (см. рис. 61). Более точные данные для отдельного участка получают методом трех скважин. Берут отметки уровней воды трех скважин, расположенных на вершинах равностороннего треугольника, например, 128, 130 и 125 м (рис. 62).

Можно также использовать метод, когда в центральную скважину вводят сильный краситель, появление которого в одной из наблюдательных скважин указывает направление потока воды.

Рис. 62. Определение направления потока грунтовой воды по трем скважинам

Фильтрационные показатели грyнтов. Одним из основных фильтрационных параметров является коэффициент фильтрации К_ф – это скорость фильтрации при напорном градиенте I = 1. Он зависит от размеров и формы пор, свойств воды (вязкость, плотность), минерального состава грунтов, степени засоленности и др. Вязкость воды зависит от температуры, поэтому нередко вводится поправочный температурный коэффициент (0,7 – 0,03) для приведения к единой температуре 10^оС.

Методы определения. Приближенно оценивают К_ф по табличным данным (табл. 8).

Более обоснованные значения К_ф дают расчетные, лабораторные и полевые методы. Расчетные методы используют преимущественно для песков и гравелистых пород. Они связывают коэффициент фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью, степенью однородности и т, д.

Таблица 8

Характеристика пород	Коэффициент фильтрации Кф, м/сут
1	2
Очень хорошо проницаемые галечники с крупным песком, сильно закарстованные и сильно трещиноватые породы Хорошо проницаемые галечники и гравий, частично с мелким песком, крупный песок, чистый средний песок, закарстованные, трещиноватые и другие породы. Проницаемые галечники и гравий, засоленные мелким песком и частично глиной, средние пески и мелкие, слабозакарстованные, малотрещиноватые и другие породы Слабопроницаемые тонкозернистые пески, супеси, слаботрещиноватые породы Весьма слабопроницаемые суглинки Почти непроницаемые глины, плотные мергели и другие монолитные скальные породы	100 – 1000 и более 100 – 10 10 – 1 1 – 0,1 0,1 – 0,001 < 0,001

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для этих целей могут быть подразделены на два типа: с постоянном напором и с переменным.

Приборы с моделированием постоянства напорного градиента, т.е. установившегося движения (приборы Тима, Тима-Каменского, трубка конструкции СПЕЦГЕО), применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков (рис. 63).

Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ (рис. 64), позволяющие определять К_ф образцов с нарушенной и ненарушенной структурой.

Рис. 63. Схема прибора для определения коэффициента фильтрации в песке

Рис. 64. Схема прибора для определения К_ф в супесях и суглинках

Полевые методы позволяют наиболее достоверно определить К_ф в условиях естественного залегания грунтов, но они более трудоемкие и дорогие в сравнении с лабораторными.

Коэффициент фильтрации водоносных грунтов определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов – методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Расход плоского грунтового потока. Типичный пример плоского потока – движение подземных вод к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. Плоский поток может быть грунтовым (безнапорным) и перемещаться в однородных и неоднородных пластах, при горизонтальных и наклонных водоулорах.

При определении расхода грунтового (безнапорного) потока на единицу его ширины в однородных грунтах (рис. 65) на участке от сечения I до сечения II использован закон фильтрации Дарси.

Рис. 65. Схема для расчета плоского водного потока с горизонтальным (а) и наклонным (б)