ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4
Динамика подземных вод
Цель работы: получение практических навыков по основным вопросам рационального использования подземной воды для водоснабжения и принятия обоснованных инженерных решений по борьбе с отрицательным их воздействием при строительстве и эксплуатации различных сооружений.
Общие положения
Воды, находящиеся в верхней части земляной коры и залегающие ниже поверхности земли называются подземными. Они классифицируют по ряду признаков: составу, происхождению, условиям залегания.
По условиям залегания в земной коре подземные воды подразделяются на верховодку, грунтовые и межпластовые воды. Верховодка и грунтовые относятся к не напорным и имеют свободную поверхность, давление на которую равно атмосферному. Межпластовые воды могут быть как не напорными, так и напорными, последние иначе называют артезианскими и они имеют пьезометрическую (напорную) поверхность.
Подземные воды в большинстве случаев находятся в состоянии движения. Это возможно при наличии разности гидравлических напоров (уровней). Воды движутся от мест с более высоким напором (рис. 4.1) по закону фильтрации в ламинарном режиме (закон Дарси):
,
где Q - расходы (количество) воды, м3/сут; k- коэффициент фильтрации, м/сут; F - площадь поперечного сечения потока воды или водоносного пласта, м2; Н = Н1 - Н2 - разность напоров, м; L - длина пути фильтрации, м; J- напорный (гидравлический) градиент.
Рис. 4.1. Схема движения (фильтрации) грунтовых вод
Разделив обе части уравнения на площадь сечения F и используя понятие скорости фильтрации V, т.е. отношение расхода Q к площади поперечного сечения потока, получаем
.
Действительную скорость движения воды Vd определяют с учетом пористости породы
где n - пористость водопроницаемых пород, выраженная в долях единицы.
В инженерно- геологической практике для описания характера движения подземных вод используются частные случаи.
Расход грунтового (безнапорного) потока Q, в м3/сут для однородных пластов (рис. 4.2) определяется по формуле
,
где Н1 и Н2 - напоры воды на границах участка фильтрации в сечениях I и II, отсчитанные от уровня моря (0.00),м; l-длина участка фильтрации, м; h1 и h2 - мощность грунтового потока в сечениях I и II, м; B - ширина потока, м; kф - коэффициент фильтрации, м/сут.
Рис. 4.2. Схема для расчета расхода плоского грунтового потока
Расход напорного потока в однородных пластах (рис. 4.3) при незначительном изменении мощности пласта определяется по формуле
где m1 и m2- мощность напорного пласта на границах участка фильтрации в сечениях I и II, м.
При значительной разности мощностей m1 и m2 для расчетов используется формула
.
Рис. 4.3. Схема для расчета расхода напорного потока
При движении напорных подземных вод в неоднородных водоносных пластах вводится средний коэффициент фильтрации Кф, ср., который определяется по формуле
где mi - мощности неоднородных водоносных пластов, kф.i - значения коэффициента фильтрации каждого слоя.
В инженерной практике возникает необходимость определения притока воды к водозаборным сооружениям: радиально-вертикальным - скважинам, колодцам; горизонтальным - траншеям, котлованам и др.
Для определения притока (дебита) воды к совершенной скважине Q в м3/сут, вскрывшей грунтовый безнапорный водоносный горизонт (рис.4), используют одну из формул
или
где Н- мощность безнапорного пласта, м; h- высота столба воды в скважине, м; S- понижение уровня воды при откачке, м; kф- коэффициент фильтрации, м/сут, r- радиус скважины, м; R- радиус влияния депрессионной воронки, являющейся поверхностью сопряжения статического уровня подземных вод и динамического уровня в скважине. Для определения R, в м пользуются формулой
.
Рис. 4.4. Схема для определения дебита одиночной
скважины, вскрывшей грунтовые воды
Расход (дебит) совершенной скважины, вскрывшей напорный горизонт (рис. 4.5) равен
,
где m - мощность водоносного пласта, м; а R - радиус влияния, который для напорных водоносных пластов рассчитывается по формуле
.
Рис. 4.5. Схема для определения дебита одиночной
скважины, вскрывшей напорные воды
Для характеристики расположения грунтовых вод составляют карту гидроизогипс, а для оценки напорных вод гидроизопьез (пьезогибс). Гидроизогипсы и гидроизопьезы - линии, аналогичные горизонталям рельефа местности и подобно им отображают рельеф зеркала вод. Такие карты необходимы при решении многих задач, связанных с проектированием водозаборных сооружений, борьбой с подтоплениями территорий и др.