книги из ГПНТБ / Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов

Период формирования подпора характеризуется непрерывным повышением уровня грунтовых вод на территории, примыкающей к водохранилищу, а нередко и в пределах всего междуречья. Ско­ рость повышения уровня воды уменьшается во времени. Пределом служит так называемое стационарное положение кривой депрессии, когда изменение уровней в пределах междуречья практически пре­ кращается (естественные колебания уровня при этом не учитыва­ ются). В этом случае подпор называют предельным, или стационар­

ным (установившимся). Теоре­ тически стационарное состоя­ ние подпора достигается при t = оо. Однако, если с течением времени повышение уровня становится очень незначитель­ ным, можно говорить о прак­ тической стабилизации подпо­ ра. Величина фильтрационного расхода из водохранилища в 'сторону соседней речной доли­ ны с более низким горизонтом воды или в нижний бьеф пло­ тины обычно с течением време­ ни уменьшается и стремится к некоторому пределу. Исключе­ нием могут являться участки, сложенные скальными трещи­ новатыми или же карбонатны­

ми карстующимися породами, трещины и карстовые полости в ко­ торых заполнены подверженными размыву песчано-глинистыми осадками. Увеличение фильтрационного расхода может иметь место на участках распространения соленосных пород в связи с растворе­ нием солей движущимися подземными водами.

Таким образом, развитие подпора грунтовых вод происходит медленно, а сам процесс развития подпора является неустановив­ шимся во времени. При стабилизации подпора он характеризуется стационарным положением депрессионной кривой и постоянством расхода потока грунтовых вод во времени.

Такова общая схема развития подпора, соответствующая дости­ жению в водохранилище постоянного впоследствии горизонта воды, называемого нормальным подпертым горизонтом (НПГ). В реаль­ ных условиях явления подпора грунтовых вод осложняются измене­ нием горизонта водохранилища во времени под влиянием его сра­ ботки, паводков и других факторов.

Методы прогноза подпора грунтовых вод. Гидрогеологические расчеты подпора грунтовых вод сводятся к определению положения уровня грунтовых вод в прибрежной зоне водохранилища или на междуречье в определенные моменты времени в зависимости от по­ ложения горизонтов воды в ограничивающих водотоках, а также к определению возможных зон подтопления, т. е. таких зон, в преде­

лах которых уровень грунтовых вод при подпоре может оказаться на небольшой глубине, исключающей возможность использования этой.территории.

Взависимости от сложности гидрогеологических условий района

ихарактера поставленных задач методы расчета подпора грунтовых вод могут быть разные.

Впростых гидрогеологических условиях расчеты подпора выпол­ няются на основе аналитических решений по формулам установив­ шейся и неустановившейся фильтрации. При этом расчеты стацио­ нарного подпора выполняются по формулам установившейся фильт­

рации, а все расчеты по прогнозу его развития во времени — только по формулам неустановившейся фильтрации.

В сложных гидрогеологических условиях (двухмерные потоки, неоднородная среда, сложные граничные условия) расчеты подпора выполняются с помощью методов моделирования и численного ре­ шения уравнений движения конечно-разностными методами. В по­ следнее время для расчета подпора в сравнительно сложных усло­ виях разработаны и некоторые аналитические методы [5, 29, 106].

В отдельных речных бассейнах при простых гидрогеологических условиях задача о развитии подпора решается однозначно по дан­ ным о геологическом строении и гидрогеологическим условиям (рис. 88, 89). Так, например, никакого развития подпора не будет, если склоны долины на участке сооружения водохранилища сложе­ ны водоупорными породами, кровля которых находится выше от­ метки проектируемого НПГ водохранилища (рис. 89, а ) .

Не будет происходить подпора и на участках речных долин, где на их склонах выходят родники или имеется заболоченность на отметке НПГ или выше его (рис. 88, б). Если на прибрежном участке есть овраг с постоянным водотоком, уровень которого ра­ вен или выше НПГ водохранилища, то подпор распространится только до оврага, так как он является дреной для подпертых грун­ товых вод (рис. 89). Очевидно, что величина подъема уровня грун­ товых вод в прибрежной к водохранилищу части территории не может быть больше, чем подъем горизонта воды в водохранилище, поэтому невозможно подтопление территории, в пределах которой уровень грунтовых вод залегает на заведомо большей глубине, чем подъем уровня при НПГ.

Расчеты подпора грунтовых вод проводят по поперечникам, ориентированным перпендикулярно к берегу водохранилища от се­ чения к сечению, т. е. каждое предыдущее сечение является исход­ ным для каждого последующего.

На основе выполненных расчетов по поперечникам строятся депрессионные кривые на определенные моменты времени, а при не­ обходимости составляются прогнозные карты гидроизогипс. Удобно осуществлять построение прогнозных карт гидроизогипс методами моделирования: при стационарном подпоре на моделях ЭГДА, при неустановившемся — на интеграторах.

Для выполнения расчетов по прогнозу развития подпора при­ родные гидрогеологические условия схематизируются и представля­

ются в виде расчетной схемы, в которой находят отражение геомет­ рические размеры и фильтрационные параметры потока, его структура, условия питания грунтовых вод, граничные и начальные условия. Принципы схематизации гидрогеологических условий ана­ логичны рассмотренным ранее в гл. III. Поскольку расчеты подпо­ ра выполняются в основном для прибрежных территорий, то наибо­ лее распространенными схемами области фильтрации являются ограниченные и полуограниченные потоки (пласт-полоса и полуог­ раниченный пласт).

В качестве одной из границ области фильтрации во всех расчет­ ных схемах рассматривается урез воды в реке или водохранилище. На этой границе всегда выполняется граничное условие первого ро­ да, т. е. H = f (t).

В качестве второй границы области фильтрации обычно рас­ сматривается другая река или заболоченная площадь, где напор считается постоянным или изменяющимся во времени (пласт-поло­ са с двумя открытыми границами). При отсутствии реки или боло­ та в качестве границы рассматривается причленение водоносных отложений речной долины к коренному берегу или цокольной тер­ расе. При этом на такого рода границах обычно выполняется усло­

Если вторая граница области фильтрации находится на значитель­ ном удалении от водохранилища и участка, для которого дается прогноз, то она может не учитываться и поток рассматривается как полуограниченный.

При выполнении расчетов для стационарного подпора очень важно учитывать характер изменения расхода воды на урезе водо­ хранилища в результате подпора. Обычно принимаются две схемы: 1) расход потока у берега водохранилища при подпоре не изменя­ ется, поскольку поблизости нет дренирующих понижений; 2) рас­ ход потока у берега водохранилища при подпоре уменьшается вследствие дренирующего влияния рек, оврагов, болот и т. п.

При расчетах по формулам неустановившейся фильтрации обя­ зательным является учет естественного положения уровней воды в пределах области фильтрации до начала развития подпора. Этот

учет осуществляется путем задания начальных условий. Расчеты начального положения уровня осуществляются по формулам уста­ новившегося движения естественных потоков подземных вод, отве­ чающим конкретной природной обстановке (см. гл. IV и V).

ПОДПОР ГРУНТОВЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ УСТАНОВИВШЕЙСЯ ФИЛЬТРАЦИИ

При получении расчетных формул для стационарного подпора широко используются решения для установившейся филь­ трации естественных потоков, рассмотренные в главах IV и V. При этом основной задачей является определение положения новой депрессионной кривой, формирующейся в результате подпора. Для этого проводится определение ординат кривой депрессии в задан-

Рис. 90. Расчетная схема подпора в междуречном

ных сечениях потока ух (при этом х отсчитывается обычно от на­ чального сечения потока, принимаемого на урезе водохранилища) или величины повышения уровня грунтовых вод zx в соответствую­ щих сечениях потока (рис. 90).

Для определения ординат стационарной кривой подпора можно использовать соответствующие рассматриваемым природным усло­ виям расчетные формулы естественных потоков подземных вод, в которые вместо естественных уровней на границах потока следует подставлять уровни, соответствующие условиям запроектированно­ го подпора. При этом условия фильтрации при подпоре должны от­ вечать полностью принятой расчетной схеме и следующим из нее зависимостям. Например, пусть требуется определить стационарное положение кривой подпора в пределах междуречного массива с резкой сменой коэффициента фильтрации в горизонтальном на­ правлении, при изменении уровней воды на обеих его границах в условиях, отображенных на рис. 90.

Учитывая, что при подпоре остается справедливой схема филь­ трации воды через междуречье с резкой сменой коэффициента

фильтрации по пути движения (кривая подпора при W= 0 не мо­ жет оказаться в пределах толщи покровных отложений, что приве­ ло бы к изменению условий фильтрации по сравнению с существо­ вавшими до подпора), для определения ординаты кривой можно воспользоваться соответствующими формулами, полученными для естественного потока в междуречье.

По формуле (Ѵ,47) необходимо сначала определить мощность потока г/s в условиях подпора в месте сочленения различных по во­ допроницаемости участков междуречья:

Уs: ■ /

k ll2-\-k2ll

Теперь, располагая значением г/s, можно определить мощность потока при подпоре в любом сечении у%на обоих его участках, для чего следует воспользоваться формулой (IV,13) для однородного пласта, с заменой в ней значений hx, hu h2 на ух>ух и у2. Все обоз­ начения ясны из рис. 90.

Для прогноза подпора получены также специальные решения, в которых учитывается первоначальное положение кривой депрес­ сии hx и определяется величина повышения уровня в результате подпора гх. Эти решения наиболее часто получаются на основе со­ поставления депресеионных кривых, имеющих место до и после подпора [5, 22, 56].

Покажем принцип получения решения на примере определения стационарного подпора в однородном грунтовом потоке с горизон­ тальным залеганием водоупорного ложа. Решения для других схем приводим в готовом виде, отмечая лишь особенности условий их получения и использования.

Стационарный подпор грунтовых вод в однородных пластах с горизонтальным водоупором

Для условий однородного горизонтального пласта реше­ ние о стационарном подпоре грунтовых вод получено Г. Н. Камен­ ским. Для естественных условий при установившейся фильтрации единичный расход потока q\ при мощности потока в его сечениях h\ и h2 (рис. 91) по формуле Дюпюи (IV,9) запишется в виде:

Строительство плотины в речной долине вызовет подъем гори­ зонта воды в водохранилище на высоту z \ (см. рис. 91). Указанный подъем горизонта воды обусловит повышение уровня в грунтовом потоке на некоторую высоту z2. Таким образом, через какое-то время, после стабилизации поток будет иметь новое положение де-

прессионной кривой с ординатами {h\ + Z\) в первом и (h2 + z2) во втором сечениях. Уравнение расхода для таких условий имеет вид:

Подпор приведет к изменению расхода грунтового потока. Од­ нако при больших водосборных площадях и относительно неболь­ шом подпоре по сравнению с положением уровня грунтовых вод на водоразделе или же при наличии водонепроницаемых пород в зоне

Скв.59 2 ЕкВ.58

Рис. 91. Схема подпора грунтовых вод при гори­ зонтальном водоупорном ложе

аэрации нередко принимается равенство расходов потока до и пос­

Из приведенного уравнения (VI 1,5) можно получить величину подпора z2 в рачетном сечении. Считая это расчетное сечение рас­ положенным на расстоянии х от начального сечения (урез реки) и обозначая h2 через hx, {h\ + z{) через у\, а (h2 + z2) через у2 полу­ чим более общее выражение для определения мощности потока при подпоре Ух в любом произвольно взятом сечении:

Расчеты подпора грунтовых вод ведутся обычно по створам, за­ ложенным нормально к урезу водохранилища. Положение уровня воды в скважинах створа до подпора используется для определения

исходного положения кривой депрессии (для определения /іх во всех представляющих интерес сечениях). Затем при известной ве­ личине горизонта воды в водохранилище у\ (НПГ) по формуле (VI 1,6) определяется мощность потока при подпоре в ближайшем к водохранилищу сечении г/х=х,, после чего это сечение принимает­ ся за исходное и определяется мощность потока в следующем сече­ нии рх=х2. Таким образом выполняется расчет для всех остальных сечений створа.

Рис. 92. Схема подпора грунтовых вод в между­ речном массиве

В более общем случае, когда подпор вызывается изменением уровня воды на обеих границах потока (рис. 92), решение получа­ ется аналогично изложенному на основе сопоставления уравнений кривой депрессии до и после подпора и использования принципа наложения течений. Рассмотрим подпор в условиях междуречья, когда на одной границе уровень изменяется с h\ до у\, а на дру­ гой — с h2до у2 (рис. 92).

Положение кривой депрессии в междуречном массиве при нали­ чии инфильтрации (1^>0) и горизонтальном водоупоре отпределяется уравнением (IV,76);

Аналогично для кривой депрессии после подпора имеем:

Вычитая одну формулу (VII,7) из другой (VII,8), получаем рас­ четную формулу для определения ух:

Важно отметить, что в расчетную формулу (VII,9) не входит не­ посредственно величина инфильтрации W, однако ее влияние учте­ но в исходных уровнях первоначальной депрессионной кривой (hu hx, h2) . Полученное решение, как уже отмечалось, является наибо­ лее общим. Из него могут быть найдены многие частные решения, в том числе и для потока, у которого величина расхода не меняется в результате подпора, что уже было рассмотрено выше.

Если при подпоре депрессионная кривая пересекает то или иное понижение в рельефе местности (овраг, балка), которое до подпора не могло служить дреной вследствие своего более высокого поло­ жения, то в расчетах подпора оно должно учитываться как дрена со значением мощности потока в сечении этого понижения при под­ поре у2, определяемым положением его тальвега над водоупором. В таких природных условиях расчеты подпора выполняются с ис­ пользованием приведенной формулы (VI 1,9) отдельно на участке между левой рекой и местным понижением и на участке от этого понижения до правой реки. Для выполнения расчетов должна быть точно известна первоначальная мощность потока в сечении, отве­ чающем расположению понижения (см. рис. 89 и 93). На участке между понижением и правой рекой это понижение рассматривает­ ся как начальное сечение.

L \ - 2

Если на правой границе не происходит изменения уровня воды в реке (река принадлежит другой системе, либо не реагирует на подпор), т. е. y2 = h2 то расчетная формула для подпора еще более упрощается. Из формулы (VII,9) при г/2 = /г2, найдем:

Приведенная формула (VII,12) была получена Г. Н. Каменским при допущении неизменности величины расхода потока до и после подпора (см. выше).

Если при повышении горизонта воды в водохранилище происхо­ дит смещение его уреза в сторону берега вследствие некоторого за­ топления прибрежной территории (см. рис. 92), то это смещение может быть при необходимости учтено в расчетных формулах, для чего в уравнение кривой депрессии для условий подпора вводится измененная ширина междуречья [22]. Так, например, для условий междуречья, когда происходит изменение уровня воды на обеих ре­ ках со смещением их урезов в сторону берега, расчетная формула (VII,9) приобретает вид:

уреза рек 1 и 2 и на расстоянии л: от реки 1 до подпора (видно из рис. 92); у и у2 и ух — то же, после подпора; L і_2 и Д — расстояния между урезами рек до и после подпора; х и Х\ — расстояния от уре­ за первой реки до рассматриваемого сечения соответственно до и после подпора.

Для условий, когда подъем уровня воды происходит только на одной из рек (у2 — Ь2) и имеет место смещение уреза водохранили­ ща, расчетная формула принимает вид:

же, что и выше.

П р и м е р 1. Определить подпор грунтовых вод по створу сква­ жин 61, 59, 58, расположенных на речной террасе, сложенной ал­ лювиальными среднезернистыми песками, при подъеме уровня во­ ды в реке до отметки 124,0 м. Водоупорный слой — горизонтальный (см. рис. 91). Данные для расчета приведены в табл. 3.

Р е ш е н и е . Определяем величину подпора в скважинах по фор­ муле (VII,6), предварительно определив исходные данные.

В сечении, отвечающем скважине 61, уровень воды после подпо­ ра будет равен:

Уеі = у/г^ + ^ - й 2 = У3,52 + 4,632 — 2,652 = 5,16 лг;

Абсолютные отметки подпорных уровней будут равны:

вскв. 61 5,16+119,37=124,53 м\

вскв. 59 5,40+119,37=124,77 м;

вскв. 58 7,40+119,37=126,77 ж;

Пр и м е р 2. На междуречном массиве, пересеченном оврагом, пройдены скв. И и 12. В реке Б предусмотрено устройство плотины

с подпором до отметки 132 м. Междуречный массив сложен мелко­ зернистыми песками с коэффициентом фильтрации 3,0 лг/сг/т. Водо­