5.4. Геологическая работа подземных выд.

Геологическая работа подземных вод проявляется в трех процессах:

1.Карст

2.Суфозии

3.Грязевые вулканы.

Карст. На своем пути подземные воды встречают растворимые породы: каменную соль, ангидриды, известняки, доломиты, мрамора. При это роисходит процесс высщейлачивания, выноса химических элементов. Протекая по трещинам г.п. вода размывает г.п. и образует полости и пустоты. Совокупность процесса выноса химических элементов и образования пустот называется карста образование. Более всего процесс карста распространяется в карбонатных породах. Соляной и гипсовый карст является редким явлением. Подземные карстовые ходы начинаются с поверхности воды и по своей форме могут быть различными. Процесс карста образования включает образование карстовых воронок. Карстовые воронки образуются в местах пересечения двух наклонных трещин. Карст развивается сотни миллионы лет, для областей карста характерны степные долины. Карстовые ходы могут быть вертикальными (карстовые колодцы) и наклонными (карстовые шахты). Эти ходы образуют сложную систему связанных между собой туннелей (галерей).

Суффозии - это перенос, происходящий в определенных условиях твердых частиц и г.п. Суффозия проявляется на выходах источников. Вынос глины и песка уменьшает объем породы, способствует ее обрушению. Обрушившаяся г.п. переносится водой. Суффозия является основой для массового и глинистого карста.

Грязевые вулканы – это извержение растворенных г.п. (редкие явления). Для возникновения грязевого вулкана необходимо наличие следующих условий:

1.Наличее напорных подземных вод

2.Скопление нафтеновых газов

3.Наличие глинистых пород – дислоцированных в складки.

4.Наличее тектонических нарушений (трещин, разломов).

Сущность грязевого вулканизма заключается в следующем: Горючие газы, которые выделяются из нефтяных залежей, поднимаются вверх по тектоническому разлому. Встречают растворные напорными водами глинистые брички и выносят их на поверхность. Таким образом, давление газов является главной причиной грязевого вулканизма.

5.5. ПРИТОК ВОДЫ К ВОДОЗАБОРНЫМ СООРУЖЕНИЯМ.

Теория движения подземных вод к водозаборным сооружениям разработана применительно к определению притока воды к вертикальным и горизонтальным водозаборам. К вертикальным водозаборам относятся буровые скважины, колодцы, шурфы и вертикальные стволы шахт, к горизонтальным — осушительные канавы, закрытые дренажи, каптажные галереи, штреки и др. Вертикальные водозаборы любого назна­чения, вскрывающие грунтовые и безнапорные межпластовые воды, носят общее название — грунтовые колодцы, а водоза­боры, вскрывающие напорные воды, называются артезианскими колодцами. Грунтовые и артезианские колодцы могут быть совершенными и несовершенными. Типы грунтовых колодцев приведены на рис.3.

Совершенныминазываются колодцы, доведенные до водоупора и имеющие проницаемые стенки в пределах всей мощно­сти водоносного пласта (см. рис. 3).

Рис. 3 Типы грунтовых колодцев. По Г.Н. Каменскому

а – совершенные колодцы; б – несовершенные колодцы с проницаемыми стенками и дном; в – несовершенные колодцы с непроницаемыми стенками и проницаемым дном; г – несовершенные колодцы с проницаемыми стенками и непроницаемым дном.

Несовершенными называются колодцы, не доведенные до водоупорного ложа (см. рис. 3 ).

Грунтовые совершенные колодцы. При откачке воды из грунтового колодца уровень воды в нем понижается на вели­чину S. Вода к колодцу притекает со всех сторон, вокруг колодца поверхность грунтовых вод понижается и принимает форму депрессионной воронки, (рис.4) с радиусом R.

Согласно линейному закону фильтрации расход воды определяется по формуле

Q = KFI

При откачке воды из совершенного колодца площадь попе­речного сечения воронки депрессии F равна боковой поверхно­сти цилиндра с радиусом х и высотой у

F=2πxy.

В дифференциальной формуле гидравлический уклон I равен

,

тогда расход совершенного колодца будет

,

Разделив переменные и проинтегрировав в пределах от сечения I до сечения II (рис.5), т. е.

,

получим

. (1)

Уравнение (1) представляет собой уравнение кривой депрессии при откачке воды из совершенного безнапорного колодца и выведено Дюпюи в 1858 г.

Рис. 4 Схема совершенного колодца

Рис.5 Расчетная схема для определения дебита грунтового колодца по формуле Дюпюи

Если принять x₁ = r (радиус фильтра колодца), x₂ = R (радиус воронки депрессии), y₁ = h (столб воды в колодце, считая от водонапора), y₂ = H (мощность водонасосного горизонта), то формула (1 ) примет вид

(2)

или

. (3)

Обозначая понижения уровня воды в колодце (H - h) через S, получим

. (4)

Заменив натуральные логарифмы десятичными и подставив числовое значение π = 3,14, получим формулу притока воды в совершенный безнапорный колодец в более удобном для пользования виде

. (5)

Формула (5) называется формулой Дюпюи и широко используется для расчета дебита совершенных одиночных безнапорных колодцев Q по заданному понижению S. Между дебитом и понижением в грунтовых колодцах существует параболическая зависимость следующего вида:

или. (6)

Параболическая зависимость показывает, что приток в грунтовый колодец возрастает несколько в меньшей степени, чем понижение.

Если разделить дебит колодца Q на величину понижения S, получим удельный дебит

. (7)

Так как в грунтовых колодцах зависимость дебита от понижения имеет параболический вид, величина q убывает с увеличением понижения; поэтому применение удельных дебитов для характеристики водообильности грунтовых колодцев в безнапорных водах является условным.

Рис. 6. Приток к несовершенной скважине при l≤0,3H

Рис. 7. Приток к несовершенной скважине при l≥0,3H

Грунтовые несовершенные колодцы. Дебит несовершенных колодцев меньше дебита совершенных. Различаю два типа несовершенных колодцев: 1) с незатопленным фильтром, когда депрессионная кривая пересекает рабочую часть фильтра, и 2) с затопленным фильтром, когда деприссионная кривая находится выше рабочей части (сюда относится также и артезианские несовершенные колодцы).

При незатопленном фильтре и при l<0,3H, где l – длине рабочей части фильтра, а H – вскрытая часть водонасосного горизонта (рис. 6 ) дебит несовершенного колодца определяется по формуле В.Д. Бабушкина

. (8)

Если l<0,3H, H – мощность водонасосного горизонта (рис.7), то расход овершенного колодца определяется по другой формуле .Д. Бабушкина

, (9)

где ;

А – коэффициент, определяемый по графику (рис. 8), в зависимости от .

Остальные обозначения те же, что и в предыдущих формулах.

При затопленном фильтре и при l₀<0,3 H, где l₀ – глубина скважина, а H – мощность водонасосного горизонта (рис.9), расход скважины по В.Д. Бабушкину определяется по формуле

, (10)

где и определяется по графику (рис. 10 )

Остальные обозначения показаны на рис.9 .

Если l₀ >, то дебит скважины определяется по формуле

, (11)

где ; (12)

. (13)

Здесь А₁ и А₂ определяются по графику на рис. в зависимости от α₁ и α₂, причем и, где l, m₁ и m₂ видны из рис.

Дебит несовершенной скважины с затопленным фильтром при любом его положении в водонасосном пласте можно приближенно определять по формуле С.К. Абрамова

(14)

где Q_c – дебит совершенной скважины, определяемый о формуле (5 ).

Рис. 8 Вспомогательный график для определения коэффициента фильтрации по формуле ( 9 )

Рис. 9 Приток воды к несовершенной скважине при затопленном фильтре

Рис. 10 Вспомогательный график для определения коэффициента фильтрации по формуле ( 10 )

Дебит шахтного колодца с плоским дном, когда вода поступает только через дно (см. рис. 9), определяется по формуле

, (15)

где m – стояние от водоупора до дна колодца.

Остальные обозначения прежние. Формула действительна при .

Приток воды к горизонтальным водозаборам. Горизонтальными водозаборами являются канавы, галереи, горизонтальные горные выработки – штреки, квершлаги. Они также могут быть совершенными, т.е. вскрывать водоносный пласт на всю его мощность, и несовершенными, когда ими вскрывается только часть водоносного пласта.

Рис.11 Депрессионная кривая при откачке из горизонтального водозабора

Рис. 12 Схема безнапорных вод с наклонным водупором

Н₁ и Н₂ – напоры в сечениях I и II на расстоянии l; h₁ и h₂ – высота столба воды в тех же сечениях; 00 – условная горизонтальная плоскость сравнения

Приток воды в совершенный горизонтальный водозабор (11), отнесенный к 1 м его длины, или единичный расход, определяется по формуле

(16)

Для водозабора длиной L приток будет равен

Q=qL. (17)

Если приток воды будет только с одной стороны водозабора, то величину Q надо уменьшить вдвое.

Если величина R неизвестна, то ориентировочно ее принимают равной

R=, (18)

Где I₀ – средний уклон депрессионной кривой, определяемой из следующей таблицы:

Для наиболее проницаемых пород………….l₀=0,003-0,006

Для песков…………………………………....I₀=0,006-0,020

Для супесей…………………………………..I₀=0,02-0,05

Для суглинков………………………………..I₀=0,05-0,10

При наклонном положении водоупора (рис.12) вводится дополнительная горизонтальная плоскость сравнения 00; единичный расход потока в этом случае определяется по формуле

. (19)

Если приток в канаву будет с двух сторон, то полученный по формуле (19) расход надо увеличить вдвое. Формулы (17) и (18) используются для определения притока воды к совершенным горизонтальным водозаборам.

Рис. 13 Приток воды к горизонтальному несовершенному водозабору, вскрывшему безнапорный водонасосный горизонт

Дебит несовершенного горизонтального водозабора (рис.13), вскрывающего безнапорный водонасосный горизонт, приближенно определяется по формуле А.В. Романова

, (20)

где

;

;

.

Остальные обозначения приведены на рис.13.

Артезианский совершенный колодец. При откачке воды из артезианского колодца она будет притекать к нему со всех сторон в пределах пласта мощностью M (рис. 14 ).

Уровень воды в колодце понизится на величину S, и столб воды в колодце будет равен h, считая от водоупорного ложа. Около колодца образуется депрессионная воронка понижения напора радиусом R, аналогичная по формуле депрессионной воронке в грунтовых колодцах.

По линейному закону фильтрации

,

где F – площадь поперечного сечения напорного потока, которая на расстоянии x равна πxy. Учитывая, что , то получим

. (22)

Рис. 14 Приток воды к артезианскому совершенному колодцу

Рис. 15 Расчетная схема для вывода уравнения расхода артезианского колодца по Дюпюи

Интегрирую это уравнение в пределах сечений I и II (рис. 15 ), получим

,

откуда

. (24)

Поскольку , то переходя к десятичным логарифмам, получим расчетную формулу в наиболее удобном для пользования виде

(25)

Радиус влияния артезианского колодца приближенно можно определить по формуле Кусакина, принимая за Н высоту напора в пласте, отсчитанную от нижнего водоупора до пьезометрического уровня

. (26)

Для артезианского колодца удельный дебит определяются по формуле

. (27)

Удельный дебит колодца позволяет вычислить количество воды, которое может поступать в колодец при заданном понижении и часто используется при гидрогеологических расчетах притока воды в скважину, ствол шахты и т.д. Как следует из формулы ( 25 ), между дебитом Q и понижением S в артезианском колодце существует прямолинейная зависимость

или . (28)

Рис. 16 Приток воды к колодцу, работающему в условиях напорно-безнапорных вод

Рис. 17 Приток воды к несовершенной артезианской скважине

Практикой установлено, что прямолинейная зависимость между Q и S обычно имеет место только при малой величине понижения S. При большом понижении зависимость (S) выражается кривой и имеет вид

, (29)

где a и b – коэффициенты, зависящие от сопротивления, испытываемого водой при ее движении в водонасосном пласте, при входе в фильтр и в трубах скважины. Формула (29 ) предложена М.Е. Альтовским для расчета глубоких артезианских колодцев в случае превышения расчетного понижения над максимальным, достигнутым при опытной откачке, в 2 – 3 раза.

Чтобы определить коэффициенты a и b, необходимо провести откачку не менее, чем при двух понижениях.

При значительных понижениях уровня воды в артезианском колодце напорный поток вблизи колодца переходит в безнапорный (рис.16 ); для этого случая применяется следующая формула притока воды в колодце:

. (30)

Дебит несовершенного артезианского колодца с фильтром, примыкающим к верхнему водоупору (рис.16 ), определяется по формуле М. Маскета

, (31)

где ;

А – величина, определяемая по графику (см. рис.17) в зависимости от .

Дебит несовершенных артезианских скважин, когда фильтр занимает любое положение в водоносном пласте, приближенно определяется по формуле С.К. Абрамова

, (32)

где Q_c – дебит совершенной скважины, определяемый по формуле (25 ).

Остальные обозначения известны.