23. Как определяется расход грунтового потока?

Расход плоского грунтового потока. Типичным примером плоского потока может служить движение подземных вод к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. Плоский поток может быть грунтом (безнапорным) и перемещаться в однородных и неоднородных пластах, при горизонтальных и наклонных водоупорах.

^ Расход грунтового (безнапорного) потока в однородных слоях пород. Водоупор горизонтальный. Рис. 7. Схема для расчета расхода плоского потока грунтовых вод с горизонтальным водоупором

Согласно основному закону фильтрации – закону Дарси, в пределах рассматриваемого участка (рис.7) от сечения I до сечения II расход грунтового потока в однородных пластах может быть определен как

Q=k_ф/F= k_фI_срВh_ср ,

где k_ф – коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;

I_ср – средний напорный градиент потока;

В – ширина потока, м;

h_ср – средняя мощность потока, м;

Принимая h_ср = (h₁+ h₂)/2 и I_ср= (h₁- h₂)/l, расход грунтового потока можно выразить формулой

Q= {k_фВ(h₁+ h₂)/2}{(h₁- h₂)/l}= k_фВh(h₁²- h₂²)/2l.

Расход плоского потока удобнее выражать на единицу его ширины, т.е. в виде единичного расхода q=Q/B, где q – единичный расход плоского потока, т.е. количество воды, протекающее в единицу времени через сечение потока шириной 1 м:

q= k_ф(h₁²- h₂²)/2l.

При значительной разности мощностей m₁ и m₂ (рис. 8) для расчетов используют формулу Н.Н.Биндемана:

q= k_ф m₁+m₂ H₁-H₂

ln m₂ l

m₁

Значительную трудность при расчете притока воды к горизонтальным выработкам представляют условия неоднородной слоистой толщи горных пород.

При движении подземных вод в неоднородных водоносных пластах, т.е. пластах, состоящих из ряда слоев с различной водопроницаемостью, для определения расхода потока подземных вод вводится средний коэффициент фильтрации пласта k_{ф. ср.}

^ Водоупор наклонный (рис. 8).

Рис. 8. Схема для расчета расхода плоского потока грунтовых вод с наклонным водоупором

Единичный расход грунтового потока определяют также из закона Дарси:

q= {k_ф(h₁+ h₂)/2}{(H₁- H₂)/l},

где H₁ и H₂ – напоры воды в сечениях I и II, отсчитанные от условной плоскости сравнения (О-О) или уровня моря.

24. Какие условия необходимы для образования напорных вод?

Межпластовыми (пластовыми) водами называют водоносные горизонты, залегающие между двумя слабопроницаемыми пластами (в кровле и в подошве). Глубина залегания от 10м до 7км и более. Они могут быть безнапорными и напорными.

Межпластовые безнапорные (со свободной поверхностью) встречаются редко и приурочены к слоистым осадкам, таликам междуречных массивов. Они залегают в верхней части геологического разреза, выше уреза поверхностных вод основный дрен территории, водоносный горизонт насыщен водой не на всю мощность.

Межпластовые напорные воды называютсяартезианскими. (Название произошло от провинции Артуа (юг Франции), где в 1126г. впервые в Европе были вскрыты и охарактеризованы самоизливающиеся воды). Артезианские воды встречаются в коренных дочетвертичных отрицательных структурах земной коры: синеклизы, мульды, прогибы. Напорным водам свойственен упругий напор фильтрации, который связан с проявлением упругих свойств воды и водовмещающих ГП при изменении внутренних давлений.

 

Расстояние от кровли водоносного горизонта до установившегося уровня воды являетсяпьезометрической высотой или напором над кровлей водоносного горизонта. Эта величина равна высоте столба воды и зависит не только от пластового давления, но и от плотности воды, которая зависит от температуры, давления, минерализации и содержания газов в свободном состоянии.

Расчет пьезометрического напора (меры энергии потока) межпластовых вод осуществляется согласно формулам:

, [м]

-энергия давления жидкости в данной единой точке потока;

Z – энергия положения относительно единой плоскости сравнения;

h_k – напор над кровлей водоносного пласта.

Линия, соединяющая (на разрезе) точки установившегося уровня напорных межпластовых вод, называется пьезометрической кривой, поверхность, до которой поднимаются уровни напорных вод, -пьезометрической поверхностью. Гидроизопьезы – линии равных напоров, характеризуют воображаемую пьезометрическую поверхность.

Межпластовые воды могут быть самоизлившимися, если пьезометрическая поверхность выше поверхности земли (фонтанирующая скважина).

Особенности артезианских вод:

1) водоносный горизонт изолирован водоупорами и снизу и сверху;

2) при вскрытии их уровень располагается выше кровли водоносного пласта;

 

3) в меньшей степени, чем грунтовые, подвержены загрязнению с поверхности земли;

4) стабильный режим;

5) преобладание перетоков, как нисходящих, так и восходящих, в зависимости от структурно-тектонического положения,

6) характерен упругий режим фильтрации.

Выделяются 3 схемы формирования потока межпластовых подземных вод (рис.1):

1). Артезианская – такие воды развиты в верхней части геол. разреза, обычно на участках с наклонным залеганием г.п., область разгрузки формируется в понижении рельефа.

 

2). Схема формирования потоков межпластовых вод с перетеканием (схема А.Н.Митяева) – в междуречье происходит нисходящая фильтрация, что является областью питания водоносных горизонтов, величины напоров подземных вод уменьшаются с увеличением глубины залегания водоносного горизонта на центральных участках междуречных пространств. В области разгрузки наоборот – увеличивается.

 

3). Схема элизионного движения образуется за счет поступления поровых растворов, отжимаемых из уплотняющихся г.п., максимальные объемы элизионных вод формируются на участках пригибания земной коры.

 

 

Хим. состав межпластовых вод зависит от состава вмещающих пород, от глубины их залегания и от динамики движения. Режим межпластовых вод более стабилен, чем у грунтовых вод. В ненарушенных условиях глубина стабильного режима около 100м, а в техногенно нарушенных условиях изменение режима фиксируется на глубинах 1,5км.

В настоящее время выделены 2 типа артезианских вод: инфильтрационные; элизионные.