2. Структура фильтрационного потока. Общая характеристика граничных условий потоков подземных вод в плане и разрезе.

Фильтрационным потоком называется условный поток жидкости, проходящий через пористую среду (породу). Хотя реальный поток идет только по открытым (сообщающимся) порам и трещинам, условно допускается, что фильтрационный поток идет через всю породу.

К гидродинамическим элементам фильтрационного потока относятся:мощность, ширина, напор, напорный градиент, скорость фильтрации, расход потока, линии равных напоров, линии токов.

Структуру потока представляет гидродинамическая сетка, которую образуют линии равных напоров и линии токов(рисунок 9). Расход потока в направлении линиям тока равен нулю, что позволяет рассматривать обособленно фрагменты потока, ограниченные смежными линиями тока.

Гидродинамическая сетка характеризует как пространственные (трехмерные) так и двумерные потоки.

В пространственных потокахмогут быть выделены отдельные фрагменты, ограниченные серией линий тока (трубки тока).

В плоских потокахможно выделить фрагменты, ограниченные двумя смежными линиями тока (такие фрагменты называютсялентами тока).

Линии токовпересекают поверхности равных напоров под прямым углом. Система линий равных напоров и перпендикулярных к ним линий тока образует гидродинамическую сетку.

Линии токов— это линии, определяющие движение потока подземных вод.

Рисунок 2–Гидродинамическая сетка. Условные обозначения: 1 – линии равных напоров (изопьезы – Н₁, Н₂, Н₃); 2 – линии тока3– лента тока. Стрелками показано направление движения подземных вод.

Итак, гидродинамическая сетка потока грунтовых вод – это совмещение системы гидроизогипс с линиями токов. Участок сетки, ограниченный двумя соседними линиями тока - лента тока.

Граничные условия в разрезе:

1. Для напорных потоков верхней границей является подошва верхнего водоупора, нижней границей кровля нижнего водоупора.

2. У безнапорных нижняя граница водоупор, верхняя граница зеркало грунтовых вод.

ГУ I рода - существует на совершенной границе пласта с круп­ным водотоком. Это урез глубоких рек или канала, водохранилища, моря. Уровень воды на границе изменяется независимо от положения уровней внутри области фильтрации, при этом заранее известен за­кон изменения положения этого уровня во времени H=f(t). Это всегда открытая граница. В частном случае H(t) = const и ∆H(t) = 0, то есть условие постоянства уровня воды на границе во времени.

ГУ II рода характеризует величину расхода воды, идущей через границу, независимо от изменения уровней внутри области фильтра­ции, то есть Q=f(t). Примерами ГУ II рода являются: инфильтрацион- ное питание при глубоком залегании уровня воды, откачка воды на­сосом из скважины и т.п. Частный, но весьма распространенный слу­чай ГУ II рода - условие постоянного во времени расхода Q(t)=const, инфильтрации W(t)=const или ∆W(t)=0. На закрытой границе пласта (водоупор, выклинивание пласта, контакт с непроницаемой породой) выполняется условие Q=0. При отсутствии инфильтрационного пита­ния на уровне грунтовых вод (УГВ) существует условие W=0.

ГУ III рода характеризует величину расхода воды, идущей через границу, в зависимости от разности уровней на границе и в области фильтрации, т.е. Q =f(∆H). Примерами ГУ III являются: расход источ­ника, величина испарения с уровня грунтовых вод, водообмен между смежными водоносными горизонтами через разделяющий водоупор­ный слой под действием вертикального градиента фильтрации.

ГУ IV рода устанавливается на внутренних границах области фильтрации, обычно на границе неоднородного строения пласта. Это условие характеризует неразрывность потока, то есть равенство рас­ходов до и после прохождения потоком этой границы: Q₁ = Q₂.

Области фильтрации с граничными условиями I, II, III

Область фильтрации с ГУ IV и ГУ II

Нестационарные потоки помимо граничных условий характеризу­ются начальными условиями, которые представляют собой известное распределение уровней подземных вод внутри области фильтрации и на ее границах на начальный момент времени прогноза /=0. Обыч­но начальные условия представляют собой естественное положение уровней до начала работы инженерного сооружения.