- •119991, Москва, гсп-1, Ленинский проспект, 6; Издательство мггу; тел. (095) 236-97-80; факс (095) 956-90-40 «ата»
- •Глава 1. Физические основы динамики
- •Глава 4. Исследование задач плановой
- •Глава 7. Применение принципов и методов динамики подземных вод при гидрогеологических опытных работах и наблюдениях 392
- •Глава 8. Использование методов динамики подземных вод при решении гидрогеологических и инженерногеологических проблем разработки месторождений твердых полезных ископаемых 451
- •Глава 1
- •Элементы гидростатики
- •Гидростатический напор
- •Элементы гидродинамики идеальной жидкости
- •Элементы гидродинамики реальной жидкости
- •О режимах движения
- •Общая физическая характеристика водонасыщенных горных пород
- •Геометрия пор и трещин в горных породах
- •Виды воды в горных породах с позиций задач динамики подземных вод
- •Водонасыщенные горные породы как сплошная среда
- •Подземная гидростатика (напряжения в водонасыщенных горных породах)
- •Емкостные свойства горных пород
- •Гравитационная емкость
- •Упругая емкость
- •Основной закон фильтрации и проницаемость горных пород
- •Коэффициент фильтрации и коэффициент проницаемости
- •Ограничения на закон Дарси
- •Общие представления о статистической теории фильтрации
- •О напряженном состоянии горных пород в фильтрационном потоке (гидродинамическое давление)
- •Общая физическая характеристика
- •Физические основы моделирования геофильтрационных процессов
- •Глава 2 | математические основы теории
- •Гидродинамическая типизация условий движения подземных вод
- •Построение основных дифференциальных уравнений геофильтрации и математические основы моделирования фильтрационных процессов
- •Дифференциальные представления исходных физических закономерностей
- •Расчетная модель жесткого режима фильтрации
- •Расчетная модель упругого режима фильтрации
- •Основные дифференциальные уравнения плановой фильтрации
- •Плановая фильтрация в изолированном напорном пласте
- •Плановая напорная фильтрация при наличии перетекания
- •Плановая фильтрация в безнапорном пласте
- •Раздел 1.4), выражением р
- •Математическая модель плановой фильтрации — условия применимости и основные расчетные схемы
- •Об условиях применимости расчетной модели плановой фильтрации
- •Основные расчетные схемы плановой фильтрации
- •Глава 3
- •Плоскопараллельная (одномерная) стационарная фильтрация
- •0 Формуле Дюпюи и промежутке высачивания
- •Безнапорная фильтрация в слоистом пласте между двумя бассейнами (реками) при отсутствии, инфильтрации
- •Напорно-безнапорная фильтрация между двумя
- •Движение в планово-неоднородном напорном пласте
- •Безнапорное движение между двумя бассейнами (реками) в однородном пласте с наклонным водоупором при отсутствии инфильтрации
- •Плоскорадиальная (одномерная) стационарная фильтрация
- •Задача о фильтрации к скважине в круговом пласте
- •Задача о скважине в пласте с перетеканием
- •Решение задач двухмерной установившейся
- •Метод эквивалентных фильтрационных сопротивлений
- •Общие принципы моделирования задач плановой стационарной фильтрации
- •Сплошные модели из электропроводной бумаги
- •Дискретные модели - сетки электрических сопротивлений
- •Простейшие одномерные решения и пути
- •Фундаментальное решение (задача о подпоре вблизи водохранилища)
- •Задача о плоскорадиальной фильтрации к скважине
- •О возможностях распространения решений
- •Аналитическое исследование нестационарных фильтрационных процессов методами интегральных преобразований
- •Моделирование нестационарных плановых потоков
- •Конечно-разностная форма дифференциальных уравнений
- •Аналоговое моделирование нестационарной фильтрации
- •Исходные представления о схемах численного
- •I 4 I Записать и объяснить математические выражения для граничных условий на скважинах, работающих с постоянным расходом и с постоянным напором.
- •Особенности задач, связанных
- •Общая гидродинамическая характеристика
- •Изменения в подземной гидростатике и гидродинамике при опытной откачке
- •Особенности фильтрационных процессов при опытных откачках
- •Основные расчетные схемы
- •Специфика геофильтрационных процессов в различных типовых условиях проведения опытных опробований
- •О некоторых гидрогеоиеханических эффектах
- •Особенности фильтрационного процесса при откачках из планово-ограниченных и планово-неоднородных пластов
- •Анализ влияния технических факторов
- •Значение несовершенства центральной скважины по степени вскрытия пласта
- •Значение несовершенства наблюдательных скважин по степени вскрытия пласта
- •Значение непостоянства расхода откачки
- •Роль скин-эффекта центральной скважины
- •Роль скин-эффекта центральной скважины
- •Инерционность наблюдательных скважин
- •Принципы диагностики данных офр
- •Глава 6 I теория миграции подземных вод 1и основы теории влагопереноса
- •Конвективный перенос в подземных водах
- •Конвективный перенос, осложненный физико-химическими процессами
- •6.1.4. Задача об определении скорости фильтрации скважинной резистивиметрией (термометрией)
- •Молекулярная диффузия и гидродисперсия
- •0 6.2.2. Задана о диффузион
- •Конвективно-дисперсионный перенос в однородных водоносных пластах
- •Фундаментальное решение
- •Задача о запуске пакета индикатора
- •Особенности массопереноса в гетерогенных водоносных системах
- •Общие представления о макродисперсии
- •Макродисперсия в гетерогенных системах упорядоченного строения
- •Макродисперсия в гетерогенных системах неупорядоченного строения
- •Процессы теплопереноса в подземных водах — общие представления и простейшие задачи
- •Об аналогии между процессами тепло- и массопереноса
- •Определение миграционных параметров лабораторными методами
- •Опыты с относительно хорошо проницаемыми грунтами
- •Опыты с относительно слабопроницаемыми грунтами
- •Полевые опытно-миграционные работы
- •Общие вопросы индикаторного опробований водоносных пластов
- •Методика полевого индикаторного опробования
- •11 Мгновенный подъем концентрации индикатора и
- •3 Импульсный ввод — создание больших концентрации индикатора за весьма малый промежуток времени, в течение которого весь индикатор поступает в пласт.
- •Физические основы влагопереноса в горных породах при неполном водонасыщении
- •Общая энергетическая характеристика процесса влагопереноса
- •Закон движения влаги*
- •Постановка и решение простейших задач вертикального влагопереноса
- •Дифференциальное уравнение и граничные условия
- •(Третье равенство); тогда
- •Простейшая задача вертикального просачивания
- •Особенности движения влаги при опробовании пород зоны аэрации наливами в шурфы
- •Глава 7
- •Методика постановки и проведения опытно-фильтрационных работ
- •Виды офо и области их применения
- •Постановка опытных опробований
- •Конструкция и расположение опытных скважин при откачке
- •Режим опытной откачки
- •Продолжительность опытной откачки
- •Определение фильтрационных параметров по данным режимных геофильтрационных наблюдений1
- •Общие представления
- •Прямое определение параметров
- •Прямое определение параметров на основе
- •Об интерпретации данных режимных наблюдений на эвм методами целенаправленного поиска
- •На модели проводится прогнозный расчет первоочередного водоотбора;
- •Методика опытно-миграционных работ1
- •Планирование миграционных опытов
- •Конкретные примеры
- •Общие положения
- •Геофильтрационные наблюдения вблизи бассейнов промышленных стоков
- •Наблюдения за качественным составом подземных вод
- •Общие принципы гидрогеологической схематизации в связи с постановкой опытных работ и наблюдений
- •Принцип непрерывности ггс
- •Принцип адаптации
- •Принцип обратной связи
- •Анализ деформаций и устойчивости пород при горных разработках
- •Осадка толщ горных пород при глубоком водопонижении
- •Оползни бортов карьеров, вызыванные напорными водами
- •Фильтрационные деформации пород вблизи горных выработок
- •Изучение деформаций горных пород над выработанным пространством
- •Обоснование дренажа как метода борьбы
- •Влияние дренажа на напряженное состояние пород в откосах
- •Раздел 8.3.3), нетрудно свести такой расчет к простейшей одномерной задаче о бесконечной цепочке скважин. Для этого используется метод эквивалентных фильтрационных сопротивлений (см. Раздел
- •Дренаж как метод борьбы с фильтрационными деформациями откосов
- •8.2.3. Водопонижение при проходке шахтного ствола
- •8.3.1. Обцая характеристика прогнозной ситуации
- •Прогноз процессов загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах
- •Цели прогноза и элементы предварительной схематизации
- •Прогнозные оценки процессов загрязнения подземных вод аналитическими методами
- •Основные представления о математическом ¥ моделировании процессов загрязнения подземных вод
- •Краевые условия фильтрации
Закон движения влаги*
Экспериментальными исследованиями установлено, что при неполном водонасыщении движение влаги подчиняется закономерности, идентичной закону Дарси (1.54):
где, однако, коэффициент пропорциональности к (W) не является константой, но зависит от влажности. Его принято называть коэффициентом влагопереноса.
ЗАДАНИЕ. По аналогии с коэффициентомфильтрации, обсудите физической смысл коэффициента влагопереноса.
ЗАДАЧА. Рассмотрите движение воды в тонкой трубке, средняя часть которой занята воздухом (рис. 6.23). Действуя по аналогии с выводом формулы Гагена-Руазейля (см. раздел 1.1.5), получите формулу [271
Так как
где W — относительная влажность, то
Рис. 6.23. Схема влагопереноса в имеет ВИД- трубке, частично заполненной воз- —
к =к%/гП} (6.68)
— 2(1 -Jyf In (1 -W)« «П^(л«3,5)
(справедливость последней аппроксимации нетрудно проверить численно).
Эксперименталь
ные данные показывают, что зависимость коэффициента влагопереноса от относи- тельной влажности W
где к0 — коэффициент влагопереноса при полном водо- насыщении (коэффициент фильтрации), а относительная влажность W определяется формулой
__ W- W0 W - 0
где W — текущее значение влажности;
W —полная влагоемкость;
w0 — влажность, при которой движение влаги в рассматриваемых условиях практически отсутствует (т.е. к — 0).
Показатель степени п в формуле (6.68) для однородных грунтов изменяется обычно в пределах 3-М, однако в неоднородных (гетерогенных) фильтрующих средах значение п может существенно превышать эти цифры. Например, при наличии в грунте отдельных крупных пор и каналов даже незначительное уменьшение влажности (за счет стекания воды из этих каналов) приводит к резкому падению величины к. По этой же причине в таких грунтах отмечаются сильные гистерезисные явления: для одной и той же влажности коэффициент влагопереноса при увлажнении может оказаться намного больше, чем при осушении.
Зависимость коэффициента влагопереноса от влажности к ( W) является еще одной важной характеристикой грунтов при неполном водонасьпцении. Обратим внимание на резко нелинейный характер этой зависимости: например, падение относительной влажности на 20% (от 1 до 0,8) приводит к уменьшению коэффициента влагопереноса в два и более раз.
Зависимость k(W) можно определить, задавая различные значения расхода влаги через колонну грунта и добиваясь стационарного режима влагопереноса в ней.
Пользуясь связью (6.66), перепишем теперь выражение для скорости влагопереноса (6.67) в координатной форме:
дч*.
V,-*
дх ’ дЧ* ду ’
*]
(6.69)
raw L ay
(при оси z, направленной вверх). Здесь скорость дается как функция всасывающего давления, а параметр среды - коэффициент влагопереноса — зависит от влажности. Поэтому наряду с завиСи- мостью k(W) может представлять интерес связь коэффициента влагопереноса с всасывающим давлением к (ф). Характерная кривая к (Ч*) Рис. 6.24. Характерная опытная приведена на рис. 6.24 кривая зависимости коэффициен- г^т. 0да также оезко не-
та влагопереноса от всасывающе- „ ’ „ „ „ ^
го давления [61 ЛИНеина. ДЛЯ подобных
кривых предлагается апп-
го давления [6] роксимация [34]:
к0
1+аЧ*т (6.70)
где для песков т * 4, для тяжелых суглинков т~ 2.
Кроме того, основные уравнения движения влаги (6.69) могут быть переписаны в виде функциональных зависимостей скорости влагопереноса от влажности грунта. В самом деле, для пространственной производной сложной функции Ч* [W(х, у, z, 0] имеем:
d4f d4f dW ^dW d4* dl dW dl dl d W’
где в силу однозначности связи W (W) (при безгистерезис- ных процессах) частная производная замененапол-
ной производной • Используя подобные выражения в
уравнениях (6.69), приходим к форме записи уравнения движения влаги, в которой скорость и параметры влагопереноса оказываются зависящими от одной и той же переменной — влажности грунта:
dW
дх dW ду д W
= -Dw(W) = -Dw(W)
(6.71)
Dw(W)Yz-
где
-V dV _h dW
d4!
d w
D
(6.72)
w
параметр, называемый коэффициентом влагопроводно- сти, или капиллярной диффузивностью. Второе из этих наименований проводит параллель между выражениями
и законом Фика (6.13) для диффузии солей, обусловленной, как мы знаем, градиентом концентрации. Здесь же можно говорить о диффузии влаги, вызванной наличием градиента влажности. Происхождение первого
наименования станет ясне влажностной емкости rjw =
, если ввести коэффициент
d W ,
(изменение влажности
d4*
при единичном изменении высоты всасывания) и рассматривать его как аналог коэффициента упругоемкости (см.
k
раздел 1.4.2): тогда Dw = j^— аналог коэффициента
пьезопроводности, отражающий скорость передачи «влажностного возмущения» в грунте.
Таккак£(Ж) и t)w (Щ) однонаправленные функции влажности, то параметр DJW) меняется с влажностью относительно слабее,
К
нежели каждая из них. Однако и эта связь обычно существенно нелинейна.
Зависимость D (W) может быть найдена по известным кривым k(W) и Ччто связано, однако, с большими погрешностями — ввиду необходимости дифференцирования опытной функции Чf(W). Непосредственное определение Dw(W) можно выполнить в горизонтальной колонке грунта (исключая тем самым влияние гравитационной составляющей влагопереноса) — путем измерения распределения влаги по длине колонны [6 ].
Особо подчеркнем, что третье из выражений (6.71) содержит дополнительный член, отвечающий переносу влаги под действием сил гравитации.