Гидрогеология

Рис. 3. Гидрогеологический разрез по линии II-II. М г 1:10000; в 1:500

4. Построить сводную инженерно-геологическую и гидрогеологическую колонку. Колонка составляется аналогично геологической и несет дополнительную информацию, связанную с характеристикой пород и водоносных горизонтов. При составлении колонки последовательно даются сведения: возраст пород (их геологический индекс); колонка, в которой в общепринятых обозначениях показывается состав пород; характеристика пород – описание, в котором обязательно указываются трещиноватость, пористость, обводненность или же, напротив, монолитность; отметки или глубина вскрытия зеркала воды; отметки и глубина установившегося уровня воды; значения коэффициентов фильтрации, уровнепроводность, пьезопроводность и водоотдача; ожидаемые водопритоки в горную выработку; сведения о составе и свойствах воды. Могут быть показаны мероприятия по борьбе с обводненностью: открытый водоотлив, водопонижение, замораживание пород и т.д.

Пример колонки показан в табл. 3.

Примечания к таблице:

* - мощность известняков трещиноватых измайловского горизонта определяется студентом по варианту геологического разреза;

** - Уровни БВГ и ПУНВГ определяются студентом по своему варианту в районе центральной скважины (средняя или минимальная и максимальная);

i, kф, v, и - заносятся студентом в таблицу по результатам гидрогеологических расчетов.

Названия водоносным горизонтам даются по возрасту пород, их вмещающих.

Лабораторная работа № 2 Определение гидрогеологических параметров

Гидравлический градиент - это потеря напора на единицу длины пути фильтрации.

i = H1 − H 2 ,

l1−2

где i - гидравлический градиент (безразмерная величина); H1 и H2 - напоры воды в метрах в

центральной скважине и близлежащей, находящейся на одной и той же линии тока; –

фактическое расстояние между этими скважинами в метрах.

Приведенная скорость фильтрации, т.е. скорость, принимаемая из условий проницаемости минерального скелета породы в лабораторных условиях при определяется по формуле Дарси.

v =i×kф, где kф - коэффициент фильтрации (м/сут).

Действительная (фактическая) скорость фильтрации воды в породах с учетом их условий залегания физического состояния (трещины, поры и т.п.)

и = μv , где μ - эффективная пористость породы, численно равная величине водоотдачи

(табл. 2, колонка 7).

Глубина залегания зеркала воды определяется разностью абсолютных отметок поверхности земли и зеркала воды (для БВГ) или установившегося уровня ПУНВГ (для НВГ), взятых для одной и той же точки на плане.

Мощность безнапорного водоносного горизонта определяется разностью абсолютной отметки зеркала воды и кровли водоупора, на котором сформировался водоносный горизонт. Мощность НВГ обусловливается мощностью вмещающего его пласта породы.

Пример расчета для безнапорного водоносного горизонта

1. Гидравлический градиент - это потеря напора на единицу длины пути фильтрации.

где H9 =175,0 м и H16 =176,8 м - напоры воды в скв.9 и 16 соответственно; l16-9 =700 м - фактическое расстояние между скважинами в метрах.

2. Приведенная скорость фильтрации определяется по формуле Дарси v =i×kф=0,00257×5=0,0129 м/сут,

где kф=5 м/сут - коэффициент фильтрации (для БВГ) (табл. 2, кол. 7).

3. Действительная (фактическая) скорость фильтрации воды

равная величине водоотдачи (табл. 2, кол. 7).

4.Глубина залегания зеркала воды определяется разностью абсолютных отметок поверхности земли и зеркала воды, взятых для одной и той же точки. Для скважины №9 глубина залегания зеркала воды равна 178,0 – 175,0=3,0 м.

5.Мощность водоносного горизонта определяется разностью абсолютных отметок зеркала воды и кровли водоупора, на котором сформировался водоносный горизонт. Мощность водоносного горизонта для скважины №9 равна 175,0 – 158,0 = 17,0 м.

Пример расчета для напорного водоносного горизонта

v =i×kф=0,0029×12=0,034 м/сут,

где kф=12 м/сут - коэффициент фильтрации (для НВГ) (табл. 2, кол. 7).

3. Действительная (фактическая) скорость фильтрации воды

4.Глубина залегания ПУНВГ (установившегося пьезометрического уровня) равна разности отметок поверхности земли и отметок ПУНВГ. Для скважины №9 - 178,0 – 172,0=6,0 м.

5.Мощность НВГ равна мощности вмещающих его трещиноватых известняков перхуровского возраста и составляет 6,0 м.

6.Определяем напорность НВГ, которая численно равна разности отметок ПУНВГ и кровли водоносного пласта (почвы верхнего водоупора). Для скважины №9: 172,0 – 153,0 = 19,0 м. То есть при вскрытии НВГ выработкой его уровень повысится на 19,0 м.

Лабораторная работа № 3 Определение скоростной высоты

Вода в состоянии покоя при отсутствии внешних сил на свободной поверхности

обладает гидростатическим давлением.

Р = в× h × g, ,

где в- плотность воды (т/м3); h – высота столба воды (м); g – ускорение свободного падения (м/с2).

На поверхности воды, связанной с атмосферой, атмосферное давление Р = 100 КПа =

0,1 МПа, которое при расчетах не учитывается.

Энергетическим показателем воды, которая покоится в порах горных пород, является

гидростатический напор Нг, представляющий совокупность пьезометрической hр и

геометрической z высот (рис. 4).

ПУНВГ

Рис. 4. Схема образования гидростатического напора в водонасыщенном массиве горных пород: 0-0 – плоскость сравнения напоров; 1 – верхний водоупор; 2 – нижний водоупор; 3 – водонасыщенный пласт горных пород

Пьезометрическая hр высота характеризует долю потенциальной энергии,

обусловленную гидростатическим давлением. Геометрическая z высота – потенциальную

энергию, относительно произвольно выбранной плоскости сравнения.

НГ= hр + z.

Вода при движении обладает и кинетической энергией, доля которой оценивается

величиной скоростного напора (или скоростной высотой) hv.

где h – высота столба воды в выработке с проницаемыми стенками или дном, измеряемая от дна выработки (в нашем случаи от точки А, см.рис. 3). Она характеризует долю потенциальной энергии, обусловленную гидростатическим давлением.

z – это геометрическая высота от дна выработки (в нашем случаи от точки А) до горизонтальной плоскости сравнения напоров. Характеризует потенциальную энергию водонасыщенного объёма относительно произвольно выбранной плоскости сравнения напоров (в нашем случае плоскости сравнения напоров задаются преподавателем).

Сумма геометрической, пьезометрической и скоростной высот – есть величина постоянная для данной точки водонасыщенного массива и отражает полную энергию движущегося потока.

В природе существует два вида движения:

-ламинарный (слоистый) – малые скорости, слои жидкости движутся независимо друг от друга, не перемешиваясь.

-турбулентный (беспорядочный) – большие скорости перемещения частиц в различных направлениях, слои жидкости перемешиваются.

Для определения режима течения (переход от ламинарного к турбулентному) используют число Рейнольдса Re, которое меняется в зависимости от вязкости и плотности жидкости, размеров протоков, т.е. от литологического состава и физического состояния породы. Например, для песков Re 50÷60.

Полное (общее) давление, оказываемое столбом породы плотностью γ и высотой z0 на единичную горизонтальную площадку:

z0

σ z = ∑γ (z)dz ,

0

где σz – уравновешивается реакцией минерального скелета и гидростатического давления в

поровой жидкости: σz = σэф + σн, где σэф – эффективное (воспринимаемое минеральным

скелетом) напряжение; σн – нейтральное (отвечающее гидростатическому давлению в воде)

напряжение.

Пример расчета

Вода в состоянии покоя при отсутствии внешних сил (дополнительных нагрузок от зданий, сооружений, оборудования и т.п.) на свободной поверхности обладает

гидростатическим давлением.

Р = в× h × g = 1,0×12×9,8=117,7 т/м2= 1,177 кПа ( ≈12 м.вод.ст),

где в - плотность воды (т/м3); h – высота столба воды (м); g – ускорение свободного падения (м/с2).

На поверхности воды, связанной с атмосферой, атмосферное давление Р = 100 кПа =

0,1 МПа.

Энергетическим показателем воды, которая покоится в порах горных пород, является

гидростатический напор НГ, представляющий совокупность пьезометрической hр и

геометрической z высот. Для безнапорного водоносного горизонта в центральной скважине

где u – действительная скорость движения воды, размерность которой при расчетах переводится в м/с.

Тогда HГ = h + z + hv = 12 + 13,5 +2,79×10-12 = 25,5 +2,79×10-12 м,

где h – высота столба воды в выработке с проницаемыми стенками или дном, измеряемая от дна выработки (в нашем случае от точки А), z – это геометрическая высота от дна выработки (в нашем случае от точки А) до горизонтальной плоскости сравнения напоров. В нашем случае плоскость сравнения напоров +150 м.

Т.к. скоростная высота слишком мала и стремится к нулю, то ею можно пренебречь. Сумма геометрической, пьезометрической и скоростной высот есть величина

постоянная для данной точки водонасыщенного массива и отражает полную энергию движущегося потока.

Лабораторная работа № 4 Движение подземных вод

Раздел выполняется в соответствии с индивидуальным заданием студенту с обязательным составлением расчетных схем и эскизов.

1. Движение подземных вод в напорном пласте

Движение воды в порах и трещинах горных пород при полном насыщении их водой, называемое фильтрацией, совершается под влиянием разности напоров.

В середине XIX в. дал начало изучению законов фильтрации французский ученыйгидравлик Дарси, проведший опыты по фильтрации воды. Он установил следующую

постоянная для данной породы величина и характеризующая степень водопроницаемости пород, F – площадь сечения потока.

На рис. 5 показан горизонтально залегающий водоносный пласт с постоянной мощностью m, в котором заключен напорный поток подземных вод с установившимся равномерным движением. В сечениях 1 и 2 по длине потока, находящихся на расстоянии l друг от друга, напоры соответственно равны Н1 и Н2. Коэффициент фильтрации водоносного пласта постоянен и равен kф. Требуется определить расход потока по его ширине B и построить депрессионную кривую между сечениями 1 и 2.