Общие сведения по динамике подземных вод

Подземные воды перемещаются под влиянием силы тяжести при наличии уклона их зеркала (ненапорные воды) или же разности пьезометрических уровней (напорные воды).

При откачивании воды из какого-либо котлована или колодца (скважины) подземные воды прилегающего участка приходят в движение, направленное со всех сторон радиально к котловану или колодцу. Поверхность подземных вод вблизи места откачки приобретает форму воронки. Такая поверхность называется депрессионной.

По мере удаления от котлована или колодца, из которых откачивали воду, депрессионная поверхность постепенно переходит в естественную поверхность подземных вод и сливается с нею. Расстояние от центра откачки до места, где ее влияние не отражается на естественном уровне подземных вод, называется радиусом влияния (или радиусом депрессионной воронки).

Установление границ депрессионной воронки имеет большое практическое значение при оценке фильтрационных свойств пород, выделении зон санитарной охраны, определении причин загрязнения источника водоснабжения и др.

Производительность колодца становится постоянной, а движение воды к нему может рассматриваться как установившееся тогда, когда депрессионная воронка полностью сформируется.

Скважина или колодец, вскрывающие водоносный горизонт на полную мощность, являются совершенными. Определение величины водопритока в скважину возможно лишь при понижении в ней уровня воды, что достигается искусственно с помощью откачки воды. Снизившийся вследствие откачки уровень подземных вод называют динамическим. Первоначальный уровень подземных вод, т. е. уровень воды до откачки, называют статическим.

При определении дебита совершенной скважины в песках, гравии, галечниках, супесях и суглинках применяют закон Дарси:

,

где Q – количество воды, протекающее через данное сечение в единицу времени, т. е. расход, м³/сут;

k – коэффициент фильтрации, характеризующий водопроницаемость пород, м/сут;

I – гидравлический градиент, или уклон зеркала грунтовых вод;

F – сечение породы, через которое происходит фильтрация воды, м².

Этот основной закон, характеризующий движение воды в грунтах, дает возможность решать разнообразные гидрогеологические задачи. Некоторые примеры решения таких задач приведены ниже.

Порядок построения карты гидроизогипс и гидрогеологические расчеты

1. По варианту, данному преподавателем (приложения 1, 2) вычисляют абсолютные отметки уровня грунтовых вод по формуле

Н_в = Н_з – h,

где Н_в – абсолютная отметка уровня грунтовых вод;

Н_з – абсолютная отметка устья скважины (поверхность земли), берется с топоосновы (табл. 1);

h – глубина залегания грунтовых вод.

Полученные данные записываются по форме 1.

Форма 1.

Номера скважин	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Глубина залегания уровня грунтовых вод, h
Абсолютная отметка устьев скважин, Нз м	168,0	166,5	164,8	162,0	166,0	165,0	163,0	164,2	165,2	164,0	164,2	166,1	165,0	165,0	166,4	167,5
Абсолютная отметка уровня грунтовых вод, Нв

1. На топооснову М 1 : 2 000 (рис. 5), на которой имеется квадратная сетка со скважинами, расстояния между которыми 100 м, наносят абсолютные отметки уровня грунтовых вод Н_в (в знаменателе дроби) и абсолютные отметки поверхности земли Н_з (в числителе дроби) напротив каждой точки, условно изображающей скважину. По нанесенным точкам методом интерполяции строят горизонтали и гидроизогипсы, пользуясь вычерченной на кальке масштабной сеткой. Сечение горизонталей и гидроизогипс принять равным 1 м (при небольших уклонах – 0,5 м).

Рис. 5. Топооснова с сеткой скважин

.

.

Рис.6. Образец построения карты гидроизогипс и горизонталей поверхности земли

У словные обозначения:

3 – участок временного

заболачивания

1 – гидроизогипсы 2 – горизонтали

2. Определяют направления движения грунтового потока, для этого проводят перпендикуляр к гидроизогипсе в данной точке. Грунтовый поток движется по нормали в сторону меньших отметок. Таким образом определяют направление грунтового потока по всей карте.

Отмечают участки движения плоского потока, радиального расходящегося и радиального сходящегося потоков (если они есть на карте).

3. По характеру изменения гидроизогипс выделяют водоразделы подземных вод. Грунтовый поток обычно направлен от водоразделов к областям дренирования (озеро, река, овраг…). Оконтуриваются на карте заболоченные или затопленные участки (см. рис. 3 – образец карты).

4. Оконтуривают участки возможного временного заболачивания при подъеме воды на 1–3 м, связанного с застройкой территории (устройством вохранилища).

5. Подсчитывают гидравлические уклоны (градиенты) грунтового потока в нескольких точках (рис. 3) по формуле

,

где I – гидравлический уклон;

Н₁ и Н₂ – разности отметок гидроизогипс (или мощности водоносного пласта), м

l – расстояние между гидроизогипсами по нормали, м.

Для определения уклона потока по карте гидроизогипс разность отметок двух смежных гидроизогипс делят на расстояние между ними (по нормали) в соответствии с масштабом карты.

6. Определяют кажущуюся скорость движения потока в этих точках по формуле Дарси: и действительную скорость потока по формуле

,

где V – скорость течения потока, м/сут;

K – коэффициент фильтрации, м/сут;

I – уклон;

n – пористость водовмещающих пород, д. ед.

7. На оптимальном по инженерно-гидрогеологическим условиям участке проектируют здание (сооружение), размеры объекта задаются самими студентами, например, 30 м × 40 м.

8. С целью защиты сооружения от подземного потока, для осушения водоносных пластов, проектируется горизонтальный дренаж (канава или траншея) или вертикальный дренаж (скважины или колодцы) (см. рис. 2). Тип водозаборного сооружения выбирают исходя из глубины залегания водоносного пласта, его мощности, литологического состава водоносных пород и намечаемой производительности водозабора.

9. Глубина заложения горизонтальных дрен обычно не более 5–6 м. Отток воды происходит самотеком, для этого дренам придается необходимый уклон. Горизонтальные водозаборы применяют при неглубоком залегании водоносного пласта (до 6–7 м) и небольшой его мощности.

9.1. В случае проектирования совершенного горизонтального дренажа (вскрывающего водоносный пласт на его полную мощность) для установления границы зоны осушения в результате водопритока определяем радиус влияния канавы (траншеи) по формуле Кусакина:

R =

где Н – мощность водоносного слоя, м;

h – глубина воды в траншее, м;

S – понижение уровня воды в траншее в процессе откачки, м (в нашем случае принимается полное осушение траншеи при водопонижении, т. е. S = H).

Рис. 7. Приток безнапорных вод к совершенному дренажу (доведенному до водоупора) типа траншеи»

Определяем приток безнапорных вод к горизонтальному совершенному дренажу типа траншеи (рис. 7):

а) приток с одной стороны ;

б) приток с двух сторон ,

где L – длина дренажной канавы (траншеи), м;

R – радиус действия дренажа (траншеи);

h – столб воды в канаве при водопритоке, принимаем h = 0.

9.2. В случае проектирования несовершенного горизонтального дренажа (не доведенного до водоупора) радиус влияния канавы (траншеи) по формуле Кусакина будет иметь вид:

,

где Н₀ – глубина активной зоны, м;

S – понижение уровня воды в траншее в процессе откачки, м;

k_ф – коэффициент фильтрации, м/сут.

Величина активной зоны (Н₀) определяется по формуле Н₀ = = 1,3 F, где F – глубина траншеи, отсчитываемая от статического уровня безнапорных грунтовых вод.

Понижение уровня воды в траншее S определяют согласно рис. 8 по формуле S = F – t, где t – глубина воды в траншее во время откачки; при полном осушении траншеи в процессе водопонижения принимаем S = F.

Рис. 8. Приток безнапорных вод к несовершенному дренажу (не доведенному до водоупора) типа «траншеи»

Приток безнапорных вод к траншее несовершенного типа (рис. 8) с одной стороны определяем по формуле

где h₀ – глубина воды в траншее, отсчитываемая от подошвы активной зоны, м; h₀ = Н₀ – S; L – длина траншеи (канавы), м; k_ф – коэффициент фильтрации, м/сут; R – радиус действия дренажа (траншеи), м; Н₀ – глубина активной зоны, м.

10. Вертикальный дренаж осуществляют с помощью водопонизительных скважин, которые оборудуют погружными насосами. Такие скважины применяются при k_ф не ниже 3–5 м/сут и относятся к средствам глубокого водопонижения (свыше 15 м).

Для более эффективного осушения скважины располагаются по контуру проектируемого сооружения в виде линейных рядов с расстояниями между ними менее 2R (R – радиус влияния скважины). Оптимальные расстояния между скважинами, работающими в условиях взаимодействия, составляют (ориентировочно): в мелкозернистых песках – 50–100 м, среднезернистых – 80–150 м, крупнозернистых – 100–200 м и в гравийно-галечных – 150–300 м.

Определяется приток воды в один колодец (скважину):

а) для колодца (скважины) совершенного типа в ненапорном водоносном горизонте (рис. 9) приток воды определяется по формуле Дюпюи:

,

где r – радиус колодца (скважины), м; Н – мощность водоносного пласта, м; S – понижение уровня воды в колодце после откачки, м; R – радиус влияния скважины, определяется по формуле Кусакина: R = , м.

Рис. 9. Схема совершенного колодца в ненапорном водоносном горизонте

б) для колодца (скважины) несовершенного типа в ненапорном водоносном горизонте (рис. 10) приток воды определяется по формуле

где ξ – значение сопротивления, учитывающее несовершенство скважины (рис. 11).

Рис. 10. Схема несовершенного колодца в ненапорном водоносном горизонте

Рис. 11. График функции ξ для расчета несовершенных скважин: m – мощность водоносного пласта; l – длина водоприемной части скважины; r – радиус скважины

в) для колодца совершенного типа в напорном водоносном горизонте (рис. 11) приток воды определяется по формуле

,

где m – мощность водоносного пласта, м;

Рис. 12. Схема совершенного колодца в напорном водоносном горизонте

Н_п – высота пьезометрического напора, м;

m – мощность водоносного пласта, м;

r – радиус колодца (скважины), м;

R – радиус влияния скважины, определяется по формуле Зихардта , м.

11. Рассчитываем расход плоского потока по карте гидроизогипс. Типичным примером плоского потока может служить движение к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. На карте гидроизогипс – это участок с параллельными направлениями движений подземного потока.

Опредляем расход плоского потока:

а) в ненапорном водоносном горизонте при горизонтальном водоупоре по формуле (рис. 12):

,

где Q – расход, т. е. количество воды, протекающей через данное сечение в единицу времени, м³/сут, л/с;

k – коэффициент фильтрации, м/сут;

l – расстояние между гидроизогипсами, берется с чертежа в метрах (согласно масштаба карты);

В – ширина потока – расстояние на карте между двумя параллельными направлениями движения потока, м.

Рис. 13. Водоносный слой при горизонтальном водоупоре

б ) в ненапорном водоносном горизонте при наклонном водоупоре по следующей формуле (рис. 14):

Рис. 14. Водоносный слой при наклонном водоупоре

,

где Н₁ и Н₂ – соответственно расстояния от уровня грунтовых вод в скважинах 1 и 2 до сравнительной линии 0-0, которая проводится на произвольной отметке.

Примечание. Расход плоского потока рассчитывают студенты, проектирующие вертикальную дренажную систему.

12. С целью водоснабжения строящегося объекта проектируют водозаборную скважину.

12.1. Устанавливают количество людей для обеспечения водой из скважин при следующей потребности в воде одного человека в сутки: питье (чай, запас) – 3 л, приготовление пищи с обработкой продуктов – 10 л, мытье посуды – 10 л, умывание – 10 л.

12.2. Для установления водообильности определяют удельный дебит скважины – дебит, который дает скважина на 1 м понижения воды, т. е. ,

где S – понижение уровня воды при откачке, м; Q – дебит скважины, м³/сут.

Если удельный дебит скважины превосходит 7,2 м³/ч (или 2 л/с), считается, что скважина обладает достаточно хорошей водообильностью. В случае если одной скважины недостаточно для водоснабжения, закладывают несколько скважин, количество которых устанавливается расчетами.