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

основание отображенные системы заменять большими колодцами и получать соответствующие приближенные решения.

В работах Ф. М. Бочевера приведены решения и расчетные фор­ мулы для линейной, кольцевой и площадной систем скважин, рабо­ тающих в полуограниченных и ограниченных пластах [27, 30]. По­ скольку при расчетах с целью оценки эксплуатационных запасов обычно достаточно определить величину понижения уровня в са­ мой неблагоприятной по условиям работы скважине, поэтому ниже приведены расчетные формулы, применительно к определению вели­ чины понижения уровня в центре системы взаимодействующих скважин. Сама система скважин при этом рассматривается как большой колодец с приведенным радиусом г0 величина которого принимается равной:

Здесь I — половина длины ряда; R0— радиус кольцевой или пло­ щадной системы скважин; Р — периметр площади расположения скважин. Естественно, что получаемая при таком расчете величина понижения уровня отвечает условиям работы большого колодца. Внутреннее сопротивление системы скважин при этом не учиты­ вается, поэтому при необходимости определения расчетного пони­ жения уровня непосредственно в скважине следует к полученному на основе приближенного расчета значению понижения 5 ВН, приба­ вить величину дополнительного понижения ÄSCKB, которое опреде­ ляется по формуле (X, 16). Общая структура расчетной формулы при этом будет следующей:

где SBH■— понижение от действия системы взаимодействующих сква­ жин, рассматриваемой в качестве большого колодца в ограниченном пласте (определяется по приведенным ниже формулам).

Все расчетные формулы для определения SBHприведены приме­ нительно к напорным водам. Для грунтовых вод формулы могут быть получены путем замены 2mSBH= (2Яе—SBH)SHH-

Система взаимодействующих скважин в полуограниченных пластах.

1. В пласте, ограниченном одним прямолинейным или близким к нему по форме контуром, на котором поддерживается постоянный напор Н = const (река, озеро, канал, море) (см. рис. 125), величина

SHH определяется по формуле:

Эта формула (Х,22) аналогична известной формуле Ф. Форхгеймера и характеризует установившуюся фильтрацию потока подзем-

ных вод к водозабору (I — расстояние от центра водозабора до кон­

тура) .

2. Если ограничивающий поток контур непроницаем (см. рис. 135), то движение подземных вод к водозабору будет неустано­ вившимся и расчетная формула для определения 5 ВН приобретает

параллельными контурами, на которых поддерживаются постоянные напоры и в то же время они служат контурами питания, движение подземных вод к водозаборным сооружениям является установив­

В этом случае движение потока является также установившимся (1\ — расстояние до ближайшего от водозабора контура).

3. В случае, если оба контура, ограничивающие поток, непрони­ цаемые (Q=K;onst = 0), то движение подземных вод к водозабор­

1. В пласте, ограниченном двумя взаимно перпендикулярными гра­ ницами, обе из которых являются контурами питания (Н = const), движение подземных вод к скважинам имеет установившийся ха­ рактер (см. рис. 129, в) и для определения SBHможно пользоваться следующей формулой:

рис. 136, а) .

2.Если одна из границ пласта-квадранта является контуром пи­

тания (Я = const), а другая — непроницаемой (Q = const = 0), то

3. В пласте, ограниченном двумя непроницаемыми взаимно перпендикулярными границами (см. рис. 136, а), движение подзем­ ных вод к скважинам является неустановившимся и для определе­ ния 5ВНприменяется следующее выражение:

В формулах (X,27—X,29) : pi, p2 и рз — расстояния до отображе­ ний реальной системы взаимодействующих скважин (см. рис. 136, а). Если принять расстояние от центра системы скважин до контуров h и к (см. рис. 129, в), то значения рі будут равны: pt = 2/ц р2 = 2к

Система взаимодействующих скважин в круговом пласте.

1. При расположении системы скважин в пласте, близком по своей конфигурации к круговому, и при условии поддержания на грани­ цах пласта постоянного напора (т. е. границы являются контуром питания) для определения 5 ВНприменяется формула:

(Х.30)

где ЯК— радиус пласта-круга (расстояние до контура питания). Формула (Х,30) аналогична формуле Дюпюи для одиночной сква­ жины.

2. Если контур кругового пласта непроницаемый, то движение подземных вод к водозаборным скважинам будет неустановившим­ ся и расчеты 5 ННведутся по следующей формуле:

Формулы (Х,22—Х,31) могут применяться для расчетов 5 ВНпри условии, когда крайние скважины системы отстоят от ближайшей границы пласта на расстоянии, большем 2,5 г0 при линейной систе­ ме, г0 — при кольцевой системе и 1,6 Го при площадном расположе­ нии скважин. Кроме того, время, начиная с которого справедливы

2

приведенные зависимости, должно отвечать условию t > 2,5 Рмакс X

(здесь рмакс — максимальное расстояние до отображения реальной системы скважин относительно границ пласта).

тируется линейный водозабор из 7 скважин, расположенных на. рас­ стоянии 2а=100 м одна от другой. Избыточный напор над кровлей горизонта составляет 117,2 м. В плане напорный пласт ограничен параллельными прямолинейными непроницаемыми границами (Q = = const = 0), образуя пласт-полосу шириной L = 4500 м. Определить возможность организации водоснабжения в течение 25 лет при по­ требности в воде 3500 м3/сут линейным водозабором, состоящим из 7 совершенных скважин, расположенных параллельно непроницае­ мым контурам на расстоянии /і = 2000 м от ближайшего из них. Ра­ диус скважин водозабора гс = 0,2 м.

носного горизонта 5Доп = |117,2 м.

Для выполнения расчетов будем рассматривать линейный водо­ забор, как большой колодец с радиусом г0=0,37 I (где / — половина длины ряда, т. е при 2/ = бХ!І00 = 600 м\ 1=300 м). Такое рассмот­ рение допустимо при расстоянии до границ пласта, большем 2,5 г0.

делить величину понижения уровня непосредственно в скважине

Расчетное понижение уровня в центральной скважине линейно­ го ряда составляет 5расч= 5 ин-|-Д5Скв= 96,3 + 0,7 = 97 м. Сравнивая Spaqc с допустимой величиной понижения 5доп= 117,2 м, можно сде­ лать вывод о том, что производительность водозабора ів количестве <{2 = 3500 м^/сут при рассмотренных условиях эксплуатации следует «считать обеспеченной, организацию водоснабжения возможной.

Р А С Ч Е Т Ы В О Д О З А Б О Р Н Ы Х С К В А Ж И Н ПО Д А Н Н Ы М О Т К А Ч Е К

Расчеты по прогнозу условий работы одиночных и взаи­ модействующих скважин на многих участках целесообразно про­ водить на основе результатов опытных и опытно-эксплуатацион­ ных откачек, поскольку при этом наиболее полно учитывается влияние неоднородности водоносного пласта, сопротивление при поступлении воды в скважину, явления турбулентности и другие факторы. Обязательное условие при этом — получение достовер­ ных графиков зависимости дебита скважины от понижения уровня Q = /(S о), для чего необходимо проведение откачки на две-три ступени понижения уровня в условиях установившейся фильтра­ ции. Для расчета взаимодействующих скважин необходимо иметь данные о степени влияния скважин одна на другую.

Прогноз условий работы одиночных скважин

«

Основой для прогноза работы одиночных скважин гид­ равлическим методом является кривая дебита Q=f ( S c), получае­ мая в результате проведения откачек. Теоретически, как это сле­ дует из анализа формул Дюпюи (IX,5 и IX, 15), зависимость деби­ та от понижения уровня имеет прямолинейный характер для /напорных вод и параболический для грунтовых. Однако в реальных -условиях, вследствие влияния отмеченных выше факторов, кривые дебита, построенные по опытным данным, для многих участков не совпадают с теоретическими кривыми. По этой причине для про­ гноза условий работы используются опытные кривые Q=f ( S c), характер зависимости которых устанавливается путем их анализа.

М. Е. Альтовским предложена логарифмическая зависимость, ко­ торая, так же как и другие, может применяться для грунтовых в напорных вод:

Все предложенные зависимости эмпирические. Входящие в них параметры кривых дебита а, Ь, р, от определяются на основе опыт­

вания выражения (Х,33) все три зависимости представляют собой уравнения прямых линий (соответственно в ко­

ординатах—— Q, lg 5 c — lg Q и Q — l g 5 cj:

У

^ = a - f ô Q ; lg S c = igp + mlgQ; Q = a + b lg S c. (X,35), y

Это положение используется для выявления характера зависи­ мости Q=f ( S c). Если, например, опытные данные, представлен­

образуют прямую в других координатах, то справедлива зависи­ мость, представленная этими координатами. Установив таким об­ разом характер зависимости Q —f (Sc), непосредственно с вспомо­ гательного прямолинейного графика снимаются значения эмпири­ ческих параметров а, Ь р, от. Как видно из уравнений (Х,35) и графика (рис. 143), параметры а и lg р представляют собой отрез­ ки, отсекаемые соответствующей прямой на оси ординат, а пара­ метры b и от определяются величинами угловых коэффициентов' этих прямых. Значения угловых коэффициентов, отвечающих за-

параметры кривой дебита, входящие в расчетную зависимость,

чина понижения уровня, полученная в процессе проведения опыт­ ных работ) [9, 24, 67, 88, 89].

П р и м е р. В процессе опытной откачки из артезианской сква­

от понижения и понижение уровня при эксплуатации скважины с проектным дебитом Qnp= 1300 м3/сут.

Р е ш е н и е . Построив график зависимости дебита от пониже­ ния по опытным данным (см. рис. 142, кривая 1), убеждаемся, что

ку все три точки, отвечающие опытным данным, лежат на одной прямой (см. рис. 143). Непосредственно с графика снимаем значе-

5с

ние -Q, соответствующее величине проектного дебита Qnp=

5с = 1300 м^/сутки и равное 0,0086. Из т; = 0,0086 находим 5 С=

Ѵпр

= 0,0086x1300=11,18 м. Такая же величина понижения уровня должна получиться и аналитически по зависимости (Х,32). С гра­ фика определяем значение а = 0,25ХІ0~2 и значение b по любым двум точкам, например начальной и конечной. Тогда:

Таким образом, для определения характера зависимости кри­ вой Q = f ( S 0) необходимо иметь данные нескольких (не менее трех) понижений, что значительно снижает экономическую эффек­ тивность гидрогеологических исследований и затрудняет п-рогноз по данным откачек.

Располагая меньшим числом понижений уровня, можно давать прогнозы, принимая одну из возможных зависимостей Q = f ( S c).

Прогноз условий работы взаимодействующих скважин

Для прогноза условий работы взаимодействующих сква­ жин используются данные о срезках уровней, полученные в про­ цессе проведения опытных работ. При этом обязательным услови­ ем является достижение стабилизации уровней как в опытных взаимодействующих скважин, так и по всей зоне влияния откачек. Величина расчетного понижения в скважине, которая выбирается для расчетов, складывается из понижения So, обусловленного от­ качкой из этой скважины при работе ее как одиночной, и суммы понижений (срезок) от действия остальных взаимодействующих с нею скважин (см. формулу IX,53). Значение S 0 определяется по кривой дебита применительно к проектной производительности скважин. Срезки, наблюдаемые при откачках из других взаимо­ действующих скважин в расчетной скважине, должны быть увели­ чены во столько раз, во сколько проектные дебиты этих скважин больше их дебитов при откачках.

С учетом сказанного расчетная формула (IX,53) приобретает

где ASb А52, А5„ — срезки уровня в расчетной скважине, имев­ шие место при работе скважин в процессе откачки соответственно с дебитами Qon.l, Qon,2 —, Qon,n'> Qnp,b Qnp,2, - , Qnp,n — проектные дебиты скважин.

Изложенный метод известен как метод срезок М. Е. Альтовского [9]. Его целесообразно использовать для расчета взаимодейст­ вующих скважин в сложных по характеру фильтрационной неодно­ родности пластах, а также в районах действующих водозаборов, где имеется значительный опыт эксплуатации и данные об услови­ ях взаимодействия водозаборных скважин.

Если в процессе проведения откачек не достигнута стабилиза­ ция уровней, то расчеты по методу срезок могут привести к суще­ ственному преуменьшению прогнозируемых понижений в процессе длительной эксплуатации из-за неучета развития воронки во вре­ мени. В таких случаях целесообразно совместное применение гид­ равлических и гидродинамических методов. Методика таких рас­ четов изложена в работах [24, 27, 30].

РАСЧЕТЫ ДРЕНАЖНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Дренажные сооружения используются для снижения и поддержания на определенной глубине уровня подземных вод, а также для перехвата потока, текущего в сторону защищаемого объ­ екта. Необходимое понижение уровня подземных вод предопреде­ ляется так называемой нормой осушения (глубина от поверхности до уровня подземных вод). При сельскохозяйственном использова­ нии территории, а также гражданском и промышленном строи­ тельстве норма осушения принимается от 1,5 до 3,5—5 м. При раз­ работке месторождений полезных ископаемых, строительстве кот­ лованов и спецсооружений норма осушения устанавливается в зависимости от конкретных природных условий и принятой схемы разработки.

В зависимости от применяемых устройств для перехвата пото­ ков и их регулирования различают горизонтальный, вертикальный и комбинированный типы дренажа (здесь не освещены специаль­ ные типы дренажей).

Горизонтальные дренажи могут быть открытые (канавы, лот­ ки) и закрытые (кротовые, траншейные и трубчатые дрены, гале­ реи и штольни). Открытые используются при неглубоком залега­ нии и малой мощности потоков подземных вод (глубина заложе­ ния до 5—б м, редко больше). Закрытые горизонтальные дренажи могут проходиться на любой глубине.

Вертикальные дренажи (скважины) закладываются при необ­ ходимости снижения уровня на значительную глубину.

Комбинированные дренажи (дренажные горизонтальные гале­ реи с вертикальными скважинами) применяются в слоистых тол­ щах при слабой водопроницаемости верхнего слоя и необходимо­ сти отвода воды из скважин, дающих воду самоизливом.

В зависимости от расположения к объекту защиты и источни­ кам питания различают головной (перехватывает поток, идущий к объекту со стороны водораздела), береговой (перехват потока со стороны берега), контурный (расположен по контуру защищаемо­ го объекта) и систематический (регулирование уровня по площа­ ди) дренажи. Береговой и головной дренажи являются линейными (расположение по линии), контурный может приводиться к коль­ цевому. Систематический дренаж состоит обычно из расположен­ ных по системе (параллельно) горизонтальных или вертикальных сооружений. По степени вскрытия водоносных горизонтов все рас­ смотренные типы дренажей могут быть как совершенными, так и несовершенными.

Работа дренажных сооружений, как правило, происходит в ус­ ловиях установившейся фильтрации, и поэтому методы расчета базируются в основном на формулах стационарной фильтрации. При этом нередко границами области фильтрации являются кон­ туры питания или дренирования, характеризуемые постоянным значением напора. Расчеты по формулам неустановившейся филь­ трации могут выполняться при необходимости оценки эффекта водопонижения во времени, а также в случае работы дренажных со­ оружений в условиях неограниченного или ограниченного непро­ ницаемыми границами пласта.

Основными задачами гидрогеологических расчетов дренажных сооружений являются: установление наиболее рациональных типов и схемы расположения дренажа, определение его размеров, глуби­ ны заложения и конструктивных особенностей; оценка водоотводя­ щей способности дрен и установление положения сниженных уров­ ней. В каждом конкретном случае могут решаться лишь некоторые из указанных задач. Нередко решается задача по определению ра­ ционального состава и расположения дренажных сооружений при условии обеспечения в пределах защищаемой территории заданной Нормы осушения'. Определенной спецификой характеризуются рас­ четы дренажных сооружений при осушении месторождений полез­ ных ископаемых [66, 68, 92а, 101а].

В настоящее время наиболее широкое распространение полу­ чили аналитические и экспериментальные методы расчета дренаж­ ных сооружений. Аналитические методы (кроме конечно-разност­ ного) позволяют получать решения в основном для однородных по фильтрационным свойствам пластов и в некоторых случаях для простейших схем неоднородности (например, двухслойный пласт, слоистая толща). Экспериментальные методы (моделирование) дают возможность получать решения для достаточно сложных и разнообразных схем как в условиях установившейся, так и неуста­ новившейся фильтрации.

Методы расчета дренажных сооружений применительно к раз­ личным схемам фильтрации детально освещены в работах

С.К. Абрамова [1, 3, 6], П. П. Аргунова [15], Ф. М. Бочевера [27],

В.П. Недрига [83], В. М. Шестакова [106, 108]. Обстоятельное рас­ смотрение методов фильтрационных расчетов при проектировании