1.3.9. Движение грунтовых вод

Вода в грунте может находиться в следующих видах:

• парообразная (в виде пара);

• гигроскопическая (адсорбированная на поверхности частиц);

• пленочная (в виде пленки на поверхности частиц);

• капиллярная;

• гравитационная, заполняет поры грунта и движется в грунте под действием сил тяжести.

Мы будем изучать движение гравитационной воды, дальше именно ее будем называть грунтовыми водами. Способность грунтов пропускать через себя воду называется водопроницаемостью.

Движение воды в порах грунта называется фильтрацией. В процессе фильтрации грунтовая вода движется в водопроницаемом слое по поверхности водонепроницаемого слоя грунта (водоупора), которая образует как бы русло фильтрационного потока (рис.1 – 1).

На рис. 1 – 1 представлено безнапорное движение грунтовых вод, которое характеризуется наличием свободной поверхности, во всех точках которой давление равно атмосферному. Линия, образующаяся на пересечении свободной поверхности с вертикальной плоскостью, параллельной скорости движения грунтовых вод, называется кривой депрессии (депрессионной кривой).

Мы будем рассматривать установившееся ламинарное движение грунтовых вод. Турбулентное движение грунтовых вод может иметь место в крупнозернистых грунтах (щебне, гальке) и в каменной наброске и встречается значительно реже ламинарного.

Рассмотрим понятие скорости фильтрации. Пусть труба с внутренним диаметром D заполнена грунтом (рис. 1 – 3), в порах которого движется вода с расходом Q. Наметим плоское поперечное сечение трубы А – А, в котором можно выделить:

а) площадь сечения пор грунта ; эта площадь является площадью действительного живого сечения потока;

б) площадь сечения частиц грунта _част; через эту площадь вода в действительности не проходит;

в) площадь сечения всей трубы , включающая в себя площади пор и частиц:  = _пор + _част.

Скоростью фильтрации называют скорость, отнесенную к сечению всей трубы :

Отношение объема пор V_пор к объему образца грунта V = V_пор + V_част называется объемной пористостью грунта (ее принято выражать в %) и обозначается n:

Поверхностной пористостью грунта n’ называют отношение

В случае однородного грунта n’ = n, т.е.

или

Обычно n = 35…45%, т.е. действительная скорость движения воды в фильтрационном потоке примерно в 2…3 раза больше скорости фильтрации.

Основной закон ламинарной фильтрации

Основной закон ламинарной фильтрации (основной закон движения грунтовых вод) был установлен французским ученым Дарси (1856 г.) и выражается формулой, которая носит его имя, формулой Дарси

(1 – 1)

или

(1 – 2)

Коэффициент k называется коэффициентом фильтрации. Он зависит от свойств грунта (а также свойств жидкости и ее температуры) и приводится в справочниках. Он имеет размерность скорости и его величина изменяется от 0,01 см/c для крупнозернистого песка до 0,000001 см/c для глины.

При определении полного напора в сечении в случае ламинарного движения грунтовых вод величиной скоростного напора пренебрегают, т.е. полный напор равен пьезометрическому напору

где z – высота рассматриваемой точки относительно плоскости сравнения (удельная потенциальная энергия положения);

- высота давления (удельная потенциальная энергия давления).

Ранее было показано, что пьезометрический напор во всех точках данного живого сечения постоянен.

I – гидравлический (в данном случае пьезометрический) уклон – потеря напора на единицу длины линии тока (рис. 1 – 4):

где: H₁ и H₂ – пьезометрические напоры в первом и втором живых сечениях; ds – расстояние между сечениями.