1.1.3. Движение подземных вод

Под влиянием капиллярных сил, силы тяжести и градиентов гидростатического давления подземные воды приходят в движение. Движение подземных вод в зонах аэрации и насыщения существен­но различается.

В зоне аэрации происходит проникновение атмосферных осад­ков и поверхностных вод в грунт, называемое просачиванием (ин­фильтрацией). Различают свободное просачивание и нормальную ин­фильтрацию. В первом случае движение воды в грунте вертикально вниз происходит под действием силы тяжести и капиллярных сил в виде изолированных струек по капиллярным порам и отдельным канальцам; при этом пористое пространство грунта остается не насыщенным водой и в нем сохраняется движение атмосферного воздуха, что исключает влияние гидростатического давления на дви­жение воды.

Во втором случае движение воды происходит сплошным потоком под действием силы тяжести, градиентов гидростатического давления и капиллярных сил; поры заполнены водой полностью.

Инфильтрационная вода может либо достичь уровня грунтовых вод и вызвать его повышение, либо остаться в зоне аэрации в виде капиллярно-подвешенной воды.

В зоне насыщения под действием силы тяжести и гидроста­тического давления свободная (гравитационная) вода по порам и трещинам грунта перемещается в сторону уклона поверхности водоносного горизонта (уровня грунтовых вод) или в сторону умень­шения напора. Это движение называется фильтрацией.

Движение свободной (гравитационной) воды как при нормаль­ной инфильтрации в зоне аэрации, так и при фильтрации в зоне насыщения имеет в мелкопористых грунтах ламинарный режим и подчиняется зависимости типа формулы Пуазейля, кото­рую применительно к движению подземных вод записывают в виде закона фильтрации Дарси:

V_ф=K_фI, (3.6)

где V_ф – скорость фильтрации; K_ф – коэффициент фильтрации; I – гидравлический уклон, равный либо уклону поверхности уровня грунтовых безнапорных вод (этот уклон пропорционален продоль­ной составляющей силы тяжести), либо градиенту пьезометриче­ского напора (пропорционального градиенту гидростатического дав­ления) у напорных артезианских вод.

Скорость фильтрации (V_ф, м/сут, мм/мин или см/с) – это отно­шение расхода фильтрационного потока Q_ф к площади поперечного сечения в пористой среде w_п :

V_ф = Q_ф /w_п. (3.7)

Поскольку в пористой среде площадь поперечного сечения больше суммарной площади пор, скорость фильтрации всегда меньше действительной скорости движения воды V в порах грунта. Чем больше пористость, тем меньше различие в V и V_ф :

V = V_ф/ р' (3.8)

где р' – коэффициент пористости, выраженный в долях единицы (р'=р/100).

Напомним, что коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость грунтов. Он зависит от количества и размера пор и от свойств филь­трующейся жидкости. Коэффициент фильтрации, как это следует из формулы Дарси (3.7), численно равен скорости фильтрации при гидравлическом уклоне, равном 1. Приближенные значения коэффициента фильтрации для некоторых грунтов приведены в табл. 3.5.

Рассмотрим некоторые особенности движения подземных вод в зоне аэрации и в зоне насыщения (отдельно для безнапорных грунтовых и напорных артезианских вод).

Проникновение дождевой или талой воды с поверхности земли в зону аэрации, т. е. инфильтрация, характеризуется скоростью ин­фильтрации v_инф (выражается обычно в мм/мин). На первой стадии инфильтрации (свободное просачивание) v_инф достигает наибольших значений. По мере заполнения пор водой свободное просачивание переходит в нормальную инфильтрацию и ее скорость существенно уменьшается, в пределе достигая коэффициента фильтрации К_ф. Кривая уменьшения v_инф во времени в процессе насыщения грунта водой называется кривой инфильтрации (рис. 3.4).

Как следует из формулы Дарси (3.6), для определения скорости фильтрации в зоне насыщения необходимо знать величину гидрав­лического уклона. Для безнапорных грунтовых вод уклон опреде­ляют через величину падения уровня грунтовых вод Н на рассто­янии L: Н/L = (H₁ – Н₂)/L. При этом расстояние L определяется не по горизонтали, а вдоль поверхности (зеркала) грунтовых вод (рис. 3.5, а). Тогда формула Дарси приобретает вид

v_ф=K_ф Н/L (3.9)

Расход фильтрационного потока грунтовых вод определяют по формуле Q_ф = v_фw_п (см. уравнение 3.7) при известной скорости фильтрации v_ф и площади поперечного сечения слоя w_п. Свободную поверхность потока грунтовых вод называют кривой депрессии (рис. 3.4, а).

В крупнообломочных, сильно трещиноватых или закарстованных породах скорости движения подземных вод могут быть значи­тельными, и режим потока в этих случаях становится турбулент­ным. В таких случаях вместо формулы Дарси (3.6) применяют за­висимость типа формулы Шези (см. раздел 3.7.2).

Рис. 3.4. Кривая инфильтрации.

Скорость фильтрации напорных артезианских вод определяют также по формуле (3.9) с той лишь разницей, что величина Н в этом случае – не падение уровня, а величина изменения пьезо­метрического напора. Кривую пьезометрического напора называют пьезометрической кривой (рис. 5.5, б).

Рис 3.5 Схема движения подземных вод в зоне насыщения: а–безнапорные грунтовые воды, б–напорные артезианские воды, 1 – во­доупорный пласт, 2– уровень грунтовых вод (кривая депрессии), J– линия пьезометрического напора (пьезометрическая), 4– направление движения под­земных вод.