8 Основы динамики подземных вод

Подземные воды движутся под влиянием силы тяжести от облас-

тей питания, где их уровень имеет наибольшие отметки, к областям

разгрузки, где отметки уровня наименьшие. Областями питания под-

земных вод являются горные хребты с окаймляющими их предгорны-

ми шлейфами, водораздельные равнины и другие повышения рельефа.

Области питания подземных вод могут быть приурочены также к во-

дохранилищам, оросительным каналам и др.

Разгрузка подземных вод происходит в речных долинах (исклю-

чая низовья рек равнинных областей, где реки являются источником

питания грунтовых вод), оврагах и балках, местах резких перегибов

рельефа в предгорьях, где обычно хорошо водопроницаемые породы

сменяются слабопроницаемыми. Искусственная разгрузка подземных

вод наблюдается при отборе подземных вод скважинами, колодцами,

осушительными каналами, дренами.

Направление движения грунтовых вод почти всегда совпадает с

уклоном рельефа.

Фильтрация – движение подземных вод в порах рыхлых горных

пород и трещинах скальных пород в условиях, когда поры и трещины

полностью заполнены водой. Если движение воды происходит в поро-

дах, не полностью насыщенных водой, то называется инфильтраци-

ей. Просачивание осадков через зону аэрации является примером ин-

фильтрации.

74

Втекание осадков или поверхностных вод через трещины скаль-

ных пород называется инфлюацией.

Движение подземных вод в природных условиях в большинстве

случаев бывает ламинарным (параллельно-струйчатым), происходит

медленно, без завихрений и сплошным потоком. Турбулентное или

вихревое движение воды, характеризуется пульсацией скоростей, на-

блюдается в крупных трещинах и пустотах, где перемешиваются раз-

личные слои потока.

Ламинарное движение вод подчиняется линейному закону фильт-

рации, установленному французским гидравликом Дарси (1856 г.).

Схема опыта А. Дарси представлена на рис. 15. Пропуская воду через

различные песчаные фильтры, Дарси установил, что количество воды,

проходящее через фильтр в единицу времени, прямо пропорционально

площади сечения фильтра F, разности напоров ∆H, под действием ко-

торой происходит фильтрация, и обратно пропорционально длине

фильтра ∆L.

Q = k⋅F⋅(H1 – H2)/∆L = k⋅∆H/∆L = k⋅F⋅I

где: k – постоянный коэффициент пропорциональности, завися-

щий от физических свойств породы и свойств воды (коэффициент

фильтрации), м/сутки;

I - градиент напора или гидравлический градиент.

Градиент напора характеризует уклон свободной поверхности

грунтовых вод или пьезометрической поверхности напорных вод. Его

можно вычислить по формуле:

I = (H1 – H2)/L

где: H1 , H2 - отметки уровней грунтовых вод, м; L – расстояние

между отметками уровней H1 и H2, м.

Градиент напора грунтовых вод можно определить по гидроизо-

гипсам – линиям, соединяющим одинаковые отметки поверхности

грунтовых вод. Градиент зависит от уклона рельефа, характера водо-

носных пород, уклона водоупорного слоя, соотношения отметок об-

ластей питания и дренирования, расстояния между этими областями и

др.

Линейный закон фильтрации - основной закон движения подзем-

ных вод. Он справедлив при движении воды в рыхлых и трещиноватых

породах для весьма широкого диапазона скоростей фильтрации.

75

Рис. 15. Схема опыта Дарси

При определении действительной скорости движения подземных

вод необходимо учитывать, что вода движется только через часть

площади сечения (F⋅n, где n – коэффициент пористости). Таким обра-

зом действительная скорость движения воды через поры и трещины

горных пород всегда больше скорости фильтрации (обычно в 5 – 10

раз) и может быть определена по формуле:Vд = V/ n.

Турбулентное движение подземных вод встречается достаточно

редко (характерно для сильно трещиноватых пород с крупными пусто-

тами и трещинами). Оно подчиняется нелинейному закону фильтра-

ции, который выражается формулой Шези-Краснопольского:

V = k√I

где: V – скорость фильтрации, м/сутки; k – коэффициент фильтрации,

м/сутки; I – напорный градиент.

Фильтрация в тонкодисперсных глинистых породах имеет свои

особенности. Поры в таких породах практически полностью заняты

связанной водой, поэтому фильтрация может начаться лишь при усло-

вии, если градиент напора превысит некоторый начальный градиент,

определяемый сдвиговой прочностью связанной воды. Таким образом

фильтрация подземных вод в принципе возможна и через относительно

водоупорные глинистые отложения, но при значительных значениях

градиента напора.

76