Движение грунтовой воды к осушительным каналам и дренам
После прорытия осушительного канала или устройства дрены в водонасышенном грунте в последнем под действием силы тяжести и разности напоров начинается движение грунтовой воды к каналу или дрене и осушение верхнего слоя грунта.
Наблюдения над движением воды в однородном грунте к дренам или каналам показывают, что это движение происходит по кривым линиям тока, как изображено на рис. 3.14. Окрашенные струйки воды движутся к периметру канала как сверху, так и с боков и снизу. В зависимости от интенсивности притока воды к осушаемому участку и скорости удаления фильтрационных вод по обе стороны осушителя с течением времени может установиться некоторый постоянный или колеблющийся в некоторых пределах уровень грунтовой воды, поверхность которой имеет падение в направлении к каналу и называется депрессионной поверхностью (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Движение грунтовых вод к осушителям
АВ – свободная поверхность; ВС – участок выклинивания (высачивания); а – дрена; б открытый канал
Рис. 3.15. Схема депрессионной поверхности
На депрессионной поверхности, являющейся свободной поверхностью, давление равно атмосферному.
Если грунт обладает капиллярными свойствами, то давление на свободной поверхности будет меньше на высоту капиллярногодавления, свободной поверхностью при этом будет поверхность менисков.
Депрессионная поверхность при выходе на откос не смыкается с урезом воды в канале, но выклинивается выше, в некоторой точке В. Участок ВС называют участком выклинивания (высачивания) грунтового потока. Возвышение точки В над урезом воды (точка С) представляет тот остаточный напор, который необходим для преодоления сопротивления при выходе воды в канал через его смоченный откос (периметр).
Высота выклинивания на откосе при установившемся движении вообще является незначительной и при гидравлических методах в расчетах не учитывается.
Как известно, движение грунтовых вод подчиняется закону Дарси, согласно которому скорость этого движения (скорость фильтрации) υ и расход Q выражаются формулами
υ = КфΙ и Q = ωКфΙ ,
где ω– площадь поперечного сечения (пор и твердых частиц) грунта, нормальная к направлению грунтового потока;
Кф – коэффициент фильтрации, имеющий размерность скорости (м/с или м/сутки), определяется опытным путем;
Ι
– пьезометрический уклон
(гидравлический градиент), представляющий
падение напора ΔH на единицу длины
l, так же
;
при этом согласно основному уравнению
гидростатики H =
hp+У,
где hp
– пьезометрическое давление в
рассматриваемой точке грунтового
потока;
У– высотная отметка этой точки.
Для неравномерного, медленно изменяющегося движения грунтовых вод, каковым оно в большинстве случаев и является, скорость фильтрации выражается формулой Дюпюи, по которой
,
(3.35)
где dH/dl – падение напора dH на длине dl. dH берется со знаком минус, указывающим на убывание напора.
Скорость фильтрации в любой точке депрессионной кривой
,
(3.36)
где dH – падение напора на бесконечно малой длине dl.
Линия депрессии выклинивается на откос по касательной со скоростью фильтрации υ = Кф Sin α. Непосредственными наблюдениями установлено, что поверхность депрессии в сферах действия каналов имеет форму эллипса, параболы и тому подобных кривых, понижающихся в направлении к каналу. Форма и положение депрессионной поверхности не остаются постоянными: они изменяются в зависимости от метеорологических условий, свойств осушаемого грунта, глубины каналов, расстояния между ними.
В малопроницаемых грунтах – кривая депрессии, начиная от канала, круто поднимается вверх, и уже на расстоянии 10 – 12 м от него (предел влияния канала на понижение уровня грунтовых вод) она становится почти горизонтальной поверхностью.
В более проницаемых грунтах депрессионная поверхность грунтового потока имеет более пологий профиль. Под влиянием засухи уровень грунтовой воды между соседними каналами может устанавливаться по линии горизонта воды в каналах, а иногда и ниже.
Величина радиуса влияния может быть установлена опытным путем, по данным опытных откачек из скважин. Приближенное его значение можно определить по формуле
, (3.37)
где h1 – глубина грунтового потока до осушения; h2 – бытовая глубина воды в канале (см. рис. 3.15); tgα = (h1 – h2)/R - средний уклон кривой депрессии или средняя величина минимального угла тангенса депрессии (tgα).
Рис. 3.16. Схема к определению радиуса влияния канала
Величина tgα зависит главным образом от водопроницаемости грунта, т. к. от нее зависит предел влияния канала на понижение уровня грунтовой воды. Чем водопроницаемость грунта больше, тем меньше угол кривой депрессии, тем меньше tgα.
Таблица 3.13
Значение среднего уклона (tgα) линии депрессии
Породы |
tg α |
Угол α, град. |
Пески |
0,005 – 0,2 |
0,3 – 11 |
Супесчаные |
0,02 – 0,05 |
1,4 – 2,9 |
Суглинистые |
0,05 – 0,10 |
2,9 – 5,7 |
Глинистые |
0,10 – 0,15 |
5,7 – 8,5 |
Низинный торф слаборазложившийся |
0,02 – 0,06 |
1,4 – 3,4 |
Верховой торф слаборазложившийся |
0,06 – 0,12 |
3,4 – 6,8 |
ПРИМЕР 3.3. Определить радиус влияния канала для верховой и низинной торфяной залежи. h1 = 2,0 м; h2 = 0,2 м; Значения tg α принять из таблицы.
Радиус влияния канала на верховой залежи: R = (2 – 0.2)/0,1 = 18 м ; на низинной - R = (2 – 0.2)/0,6 = 30 м.
Если бы расстояние между каналами составляло более двойной величины радиуса их влияния, то при положении уровня грунтовой воды вровень с поверхностью почвы кривая депрессионной поверхности при установившемся движении и при отсутствии испарения имела бы вид, показанный на рисунке 3.17 «а». В действительности же, вследствие испарения она будет расположена по пунктирной кривой. В том случае, когда производственными условиями ставится требование, чтобы точка перегиба кривой депрессии лежала от поверхности почвы на глубину h0, то очевидно, что расстояние между осушительными каналами должно быть менее двойной величины радиуса их действия (рис. 3.17 «б»).
«а» «б»
Рис. 3.17. Кривые депрессии при различном расстоянии между каналами
Для определения глубины потока Y на любом расстоянии от канала Х можно использовать формулу (см. рис. 3.16):
(3.38)
где R – радиус влияния канала, м; h1 – глубина грунтового потока до осушения; h 2 – глубина воды в канале.
Эта формула справедлива для условия движения грунтовой воды к каналу или дрене, заложенным на горизонтальном подстилающем водоупорном слое без учета инфильтрации поверхности.
Пример 3.4. Рассчитать глубину потока грунтовых вод при следующих данных: R = 10 м; h1 = 2,0 м; h2 =0,2м. Результат расчета сведем в таблицу.