Движение подземных вод.

Ненапорные грунтовые воды имеют водоупор снизу и свободную поверхность сверху. Ненапорные подземные воды в зоне полного насыщения передвигаются при наличии разности гидравлических на­поров (уровней) от мест с более высоким к местам с низким напором (уровнем). Разность напоров ∆Н = Н—Н₂ в сечениях I и II обусловливает движение воды в направлении сечения П.. Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (чем больше ∆Н, тем больше скорость) и длины пути фильтрации /.

Отношение разности напора ∆Н к длине пути фильтрации / называют гидравлическим уклоном (или гидравлическим градиентом 1)1 — =∆Н/1.

Современная теория движения подземных вод основывается на применении закона Дарси

где Q — расход воды или количество фильтрующейся воды в единицу времени, м³/сут; кф — коэффициент фильтрации, м/сут; F—площадь

поперечного сечения потока воды, м ; АН—разность напоров, м; / — длина пути фильтрации, м.

Скорость фильтрации v = Q/F или v = к_ф1. Скорость движения воды (фильтрации) измеряется в м/сут или см/с. Действительную скорость воды v_a определяют с учетом пористости породы

V_Д= Q/Fn, где и — пористость, выраженная в долях единицы.

Источники. Под источниками (ключами, родниками) подразумева­ются места естественных выходов воды на дневную поверхность. Наиболее часто это происходит при прорезании грунтовой воды эрозионной сетью. Это дает нисходящие источники.

По своему характеру источники бывают сосредоточенные, т. е. выходящие в одном месте, в виде потока, и рассредоточенные, когда грунтовая вода просачивается на склоне оврага или речной долины через слой глинистого грунта. После расчистки этого слоя источник может стать сосредоточенным.

Интенсивность выхода воды в единицу времени оценивается деби­том источника (л/с или м³/сут). Источник, выход вод которого улучшен человеком, называется каптированным. Напорные воды могут давать фонтанирующие (восходящие) источники.

Форма движения потоков грунтовых вод. На строительных или хозяйственных площадках при решении практических задач по водо­снабжению или устройству дренажей почти всегда необходимо знать направление движения потоков воды. Грунтовые воды совершают сложные движения в зависимости от местных геологических условий, рельефа местности и других факторов. Различают потоки плоские, радиальные (сходящиеся и расходящиеся) и криволинейные (рис. 49).

При определении направления потоков следует помнить, что установленное направление может быть справед­ливо лишь для сравнительно ограниченной территории (участка). Ниже приводятся неко­торые способы определения направления дви­жения грунтовых вод.

По карте гидроизогипс направление потока устанавливается по высотным отметкам гидроизогипс (рис. 50). Более точные данные для отдельного участка получают методом трех скважин. Берут отметки уровней воды трех скважин, расположенных на вершинах равно­стороннего треугольника, например, 128, 130 и 125м. Между наибольшей и наименьшей отметкой, т. е. 130 и 125м путем линейной интерполяции находят точку с отметкой воды 128 м. Две одинаковые отметки соединяют линией. На эту линию опускают перпендикуляр, который и указывает направление потока воды. Можно также использовать метод красителей. Для этого необходимо иметь несколько скважин. В центральную скважину (опытную) вводят сильный органический краситель (для кислых вод, на­пример, метиленовый голубой, щелочных-флюоресцеин и т. д.). Появление красителя в одной из на­блюдательных скважин указывает на­правление потока воды.

Приток грунтовых вод к водозаборным сооружениям. Водозаборы — это сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) под­земных вод для водоснабжения, отвод их с территорий строительства или просто в целях понижения уровней грунтовых вод. Существуют различные типы подземных водозаборных сооружений: вертикальные, горизонтальные, лучевые.

К вертикальным водозаборам относят - буровые скважины и шахтовые колодцы; к горизонтальным — траншеи, галереи, штольни; к лучевым — водосборные колодцы с водоприемными лучами-фильтрами. Тип сооружения для забора подземной воды выбирают на основе технико-экономического расчета, исходя из глубины залегания водо­носного слоя, его мощности, литологического состава водоносных пород и намечаемой производительности водозабора.

Водозаборы, состоящие из одной скважины, колодца и т. д., называют одиночными, а из нескольких — групповыми.

Водозаборные сооружения, вскрывающие водоносный горизонт на полную его мощность, являются совершенными, а не на полную — несовершенными.

Отвод грунтовых вод со строительных площадок или снижение их уровней может производиться временно, только на период производства строительных работ или практически на весь период эксплуатации объекта. Временный отвод воды (или снижение уровня) называют строительным водозабором, а во втором случае — дренажами.

Депрессионные воронки. При откачке воды вследствие трения воды о частицы фунта происходит воронкообразное понижение уровня. Образуется воронка депрессии, имеющая в плане форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается кривыми де­прессии, кривизна которых возрастает по мере приближения к точке откачки (рис. 55).

Установление границ депрессионной воронки имеет большое прак­тическое значение при оценке фильтрационных свойств пород, выделении зон санитарной охраны, определении площадей, которые осушаются дренажами, расстояний между соседними водозаборами и т.д.

Радиус депрессионной воронки называют радиусом влияния R. Размер депрессионной воронки, а следовательно и R, а также крутизна кривых депрессий зависят от водопроницаемости пород. Хорошо водопроницаемые гравий и песок, в которых меньше трение воды о частицы, характеризуются широкими воронками с большим радиусом влияния, для слабо водопроницаемых суглинков свойственны более узкие воронки с небольшим значением R.

Величина R входит во многие расчетные формулы при проектиро­вании водозаборов строительных или дренажных сооружений. Величину R можно определять: 1) по формулам, 2) бурением скважин и 3) по аналогии с действующими водозаборами. Из формул используют расчет Кусакина (для ненапорной воды)

R = 2S√Hk_Ф

где S — понижение уровня при откачке по центру воронки, м; Н— мощность слоя грунтовой воды, м; к_ф—коэффициент фильтрации, м/сут.

Можно также определить по формуле:

R = 3Q/(2Hk_ФI),

где Q—дебит, м³/сут; Н—мощность слоя фунтовой воды, м; I — гидравлический уклон.

Бурение скважин дает точные значения R, но это работа трудоемкая (рис. 56). Ориентировочные значения R приведены в табл. 32 и на рис. 57.

В песках уклоны кривых депрессий составляют 0,02—0,006, а в суглинках 0,1—0,05.

Водозаборные сооружения. Для водоснабжения и водопонижения чаще всего используют колодцы и буровые скважины. Принцип их работы практически одинаковый. Они являются наиболее распростра­ненным типом водозаборных сооружений. Движение подземных вод к ним в период откачки происходит в форме радиального потока.

Прогноз возможного притока грунтовых вод к водозаборным колодцам имеет большое практическое значение, так как позволяет запроектировать наиболее рациональную систему водозабора или ме­роприятия по понижению уровня грунтовых вод.

В зависимости от конфигурации строительные котлованы (карьеры и др.) можно разделить на: квадратные и прямоугольные. Первые можно рассматривать как колодцы, т. е. вертикальные выработки определен­ного диаметра; вторые больше отвечают горизонтальным выработкам типа траншеи (канавы). В связи с этим ниже будет рассмотрено два вида водосборов — колодцы и траншеи.

Колодцы и траншеи, дно которых достигает водоупоров, называют совершенными; если дно располагается выше водоупора, то несовершен­ными (рис. 58). Уровень воды в колодце до откачки называют стати­ческим, а уровень, пониженный в процессе откачки, — динамическим.

Водозаборные колодцы. Если из колодца вода не откачивается, то ее уровень находится в одном положении с поверхностью грунтового потока. При откачке воды возникает депрессионная воронка, уровень воды в колодце понижается. Производительность колодца определя­ется величиной дебита. Под дебитом колодца понимают то количество воды, которое он может дать в единицу времени. При откачке воды в количестве большем, чем величина дебита, т. е. больше того, что притекает к колодцу из водоносного слоя в единицу времени, уровень резко понижается. На некоторое время колодец может остаться без воды.

Приток воды (дебит) к совершенному колодцу определяют по формуле

где г — радиус колодца, м.

В несовершенный колодец вода поступает через его стенки и дно. Это усложняет расчет притока. Дебит таких колодцев меньше дебита совершенных колодцев. При откачке вода поступает в колодец только из части водоносного слоя, которую называют активной зоной Н_о. Глубину активной зоны принимают ⁴/з высоты столба воды в колодце до откачки. Эти положения позволяют для несовершенного колодца расход рассчитывать по формуле Дюпюи, в интерпретации Паркера:

Q= 1,36k_ф(H²_o—h²o)/(lgR-4gr).

Колодец отдает воду в объеме своего максимального дебита лишь в том случае, если соседние колодцы будут расположены от него на расстоянии не менее двух радиусов влияния.

Поглощающий колодец (скважины, шурфы) предназначается для сброса с поверхности земли сточных вод, для пополнения запасов подземных вод путем закачки в него воды, а также для оценки водопоглощения неводоносных пород, например на полях фильтрации.

Опытами установлено, что поглощать воду могут не только безвод­ные (сухие) водопроницаемые слои, но и водоносные горизонты (безнапорные). При поглощении воды колодцем, вокруг него возникает воронка поглощения, по форме аналогичная депрессионной, но обра­щенная выпуклостью вниз (рис. 59).

Дебит поглощающих колодцев можно определить по известным формулам Дюпюи, заменив в них величину понижения уровня на величину повышения уровня воды и поставив перед ними отрицатель­ный знак. После этого формула Дюпюи примет такой вид (для безна­порных вод):

Q= [пк_ф(И—H²)]/(lnR—Inr),

где h — высота столба воды в колодце, отсчитываемая от подошвы водоносного слоя, остальные обозначения прежние и показаны на рис. 59. В безводных породах принимают Н= 0.

Приведенные выше формулы Дюпюи могут быть использованы для определения потерь на фильтрацию сточных вод на полях орошения и других бассейнах.

Траншеи (канавы) предназначены для понижения уровня грунтовых вод (рис. 60). Они входят в систему дренажных устройств. При расчете притока воды следует учитывать, что канавы могут быть совершенного и несовершенного вида и приток воды к ним может быть с одной или с двух сторон. Расход совершенной канавы при притоке воды с двух сторон определяют по формуле

Q=k_фL(H² —h²)/R,

а при притоке с одной стороны

Q=к_ф L(Н²—h²)/2R,

где Q — расход воды, м³/сут; к_ф — коэффициент фильтрации, м/сут; L —длина канавы, м; Н — мощность грунтовой воды, м; h —столб воды в канаве, м; R—радиус влияния, м.

Несовершенная канава имеет расход воды Q_н.к меньше совершенной канавы Qcов.к

Q_н.к= Q _сов.кt/ H,

где t — расстояние от дна канавы до нормального уровня.

Дренажные траншеи могут быть открытые и закрытые. Открытые более мелкие < 2,5 м траншеи чаще называют канавами. Закрытые траншеи имеют большую глубину и чаще используются на городских территориях. Вода сбрасывается по уложенным в траншеях трубам (рис. 61).

Дренажные канавы будут эффективно осушать территорию лишь в том случае, если расстояние между канавами будет меньше 2R, т. е. при условии пересечения кривых депрессионных воронок.

Взаимодействие водозаборов. Эффективность работы водозаборов зависит, в частности, от расстояния между ними. Только в тех случаях, когда расстояние между водозаборными колодцами (скважинами) бу­дет больше двух депрессионных радиусов (больше 2Л), каждый колодец может давать воду на уровне своего дебита. Иначе должно обстоять дело при решении вопросов понижения уровня фунтовых вод. Рассто­яния между точками водопонижения (траншей, скважин и т. д.) не может превышать 2R. Депрессионные воронки должны пересекаться. Эхо обеспечивает понижение уровней на всей строительной площадке.