Файл: Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 205
Скачиваний: 0
При построении любым способом гидродинамических сеток сле дует учитывать некоторые общие рекомендации, основанные на свойствах гидродинамических сеток и опыте их построения.
1.Линии токов и линии равных напоров должны быть плавны ми, взаимно перпендикулярными линиями.
2.При построении линий токов у границ слоев с разными фильт рационными свойствами следует учитывать закон преломления фильтрационных токов (см. ниже).
3.Общее количество линий токов и линий
равных напоров устанавливается в зависимо сти от принятого масштаба построения сетки, требуемой точности и особенностей условий фильтрации. На практике нередко берут оди наковое число линий токов и эквипотенциалей.
4. В пределах каждой ленты тока (под лентой тока понимается участок потока, выде ленный двумя соседними линиями тока) долж но соблюдаться условие конформности ее яче ек, вытекающее из постоянства расхода вдоль ленты тока. В общем случае для каждой рас сматриваемой ленты тока должно соблюдать ся постоянство в ее границах расхода во всех выделенных ячейках. При этом величина рас хода, проходящего через поперечное сечение каждой ячейки, определяется выражением:
СЦя — —; Ьц,
/я
>2
Рис. 23. Схема к определению рас хода потока по гидродинамиче ской сетке:
1 — линии тока, |
2 —• |
линии равного |
на |
пора |
|
(111,8)
где кя — коэффициент фильтрации на участке потока, ограничивае мого ячейкой; ДНя — потеря напора, определяемая разностью зна чений пьезометрического напора эквипотенциалей, ограничивающих данную ячейку; /я и Ья — соответственно длина пути фильтрации и ширина (или мощность) потока в пределах конкретной ячейки (Ія измеряется как среднее расстояние между эквипотенциалями, Ья — как среднее расстояние между линиями тока). Обозначения пока заны на рис. 23.
При равном шаге эквипотенциалей (Д#я= const) условие кон
формности ячеек ленты тока имеет вид: |
|
|
Ья |
const, |
(III,9) |
£ " = |
||
ІЯ |
|
|
которое для однородного по фильтрационным |
свойствам потока |
|
(k = const) переходит в более простое: |
|
|
Ья |
const. |
(111,10) |
— = |
||
ІЯ
Построение гидродинамической сетки выполняется с учетом обеспечения указанных условий конформности ее ячеек.
5. Все непроницаемые поверхности являются линиями токов, а проницаемые, как правило, линиями равных напоров.
Гидродинамические сетки используются для качественной и ко личественной оценки потоков подземных вод. Имея гидродинамиче скую сетку потока, можно легко опреде лить все его основные элементы: напоры, напорные градиенты, скорость фильтра
ции, расход потока.
Пьезометрический напор в любой точ ке потока определяется по значению эквипотенциалей. Если при этом точка нахо дится между эквипотенциалями, значение пьезометрического напора в ней опреде ляется путем интерполяции значений бли жайших эквипотенциалей.
Для определения напорного градиента в какой-либо заданной точке потока не обходимо через эту точку провести допол нительную линию тока, параллельную двум соседним линиям тока до пересече ния с ближайшими, ограничивающими точку эквипотенциалями, и, замерив по ней длину пути фильтрации AI (в масш табе чертежа), определить величину гра диента по известной формуле
Я і - Я 1+1 |
_ д я |
АI |
AI ’ |
где АЯ — разность отметок, ограничивающих эквипотенциалей (рис. 24). Для более точного определения напорного градиента в заданной точке необходимо построить дополнительную ячейку гид родинамической сетки с центром в точке, для которой проводится определение. Остальные действия — аналогичны.
Величина скорости фильтрации определяется с учетом значения коэффициента фильтрации в месте ее определения по формуле v = kl.
Расход потока вычисляется как сумма расходов элементарных ячеек по всем выделенным лентам тока. Для этой цели в пределах гидродинамической сетки выбирается наименее деформированный участок потока, заключенный между двумя линиями равного напо ра (так называемая полоса), в пределах которого находится рас ход, проходящий через каждую элементарную ячейку. Общий рас ход потока определяется как сумма элементарных расходов по
всем ячейкам полосы: |
п |
<7п = |
2 ^я> |
Я = і
где п — число элементарных ячеек в пределах рассматриваемой полосы.
Расход потока в пределах элементарной ячейки qa определяется по формуле (III,8).
Пусть, например, требуется определить расход напорного пото ка по гидродинамической сетке в условиях, отображенных на рис. 22. Для вычислений может быть выбрана любая полоса потока, так как вся сетка равномерная и недеформированная. В этих усло виях достаточно определить расход, проходящий через одну элемен тарную ячейку по формуле (III,8). Расход потока в пределах полосы будет в три раза больше (каждая полоса включает три равновеликих ячейки). Полный расход напорного потока может быть определен умножением его единичного расхода q на ширину потока В.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОТОКОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Гидродинамические особенности потоков подземных вод проявляются в изменении их основных гидродинамических харак теристик (структуры и характера потока, напоров, гидравлических уклонов, скоростей, расходов) под влиянием многих, преимуще ственно природных факторов. Выяснение закономерностей измене ния этих характеристик во времени и пространстве необходимо для обеспечения правильного перехода от реальных природных условий к расчетной схеме, выполнения необходимых гидрогеологических расчетов и их обоснованной интерпретации.
Основными факторами, которые предопределяют изменение гид родинамических характеристик потока, его структуру, характер, ре жим и другие особенности, являются следующие: 1) степень водонасыщенности горных пород; 2) условия залегания и гидрав
лический характер |
потока; |
3) |
условия питания |
и разгрузки; |
4) фильтрационные |
свойства |
горных пород и свойства филь |
||
трующейся жидкости; 5) форма |
и характер границ |
и граничные |
||
условия.
Рассмотрим вкратце характер и степень влияния указанных фак торов на гидродинамические особенности потоков.
Степень водонасыщенности горных пород и физическое состояние воды предопределяют основные виды и закономерности передвиже ния водных потоков. По степени водонасыщенности горных пород, как известно, выделяют зону аэрации (ненасыщенные водою горные породы) и зону фильтрации (зону насыщения) [69]. В зоне аэрации имеет место движение воды в виде пара, пленочное, капиллярное и гравитационное (свободное просачивание и инфильтрация). Осо бенности и закономерности этих видов движения воды в зоне аэра ции были рассмотрены в гл. II (стр. 16).
В зоне насыщения основным видом движения воды является фильтрация, которая происходит под действием разности пьезомет
рических напоров. Основные законы движения воды в зоне насы щения освещены в гл. II (стр. 23—38). Питание и расходование подземных вод зоны насыщения осуществляется через зону аэрации, в связи с чем ее изучение необходимо при оценке условий фильтра ции подземных вод.
Условия залегания и гидравлический характер потоков
Условия залегания водоносных пород, по существу, пред определяют связь потоков подземных вод с атмосферой и их гид равлический характер. По этому признаку выделяются два основных типа потоков: безнапорные и напорные. Безнапорные потоки под земных вод называют также подземными водами со свободной по верхностью или грунтовыми. Напорные потоки называют также артезианскими. Следует отметить, что термин «безнапорный по ток» буквально понимать не следует. Как было показано в преды дущем параграфе, напоры имеет любой поток подземных вод, не зависимо от его гидравлического характера.
Безнапорные потоки залегают, как правило, неглубоко от поверх ности, имеют свободную поверхность подземных вод и непосред ственную связь с атмосферой. На свободной поверхности подзем ных вод давление равно атмосферному Ро, а с учетом наличия капиллярной каймы оно меньше атмосферного на величину капил лярного давления Ря. Эпюра распределения давления по глубине потока представлена на рис. 25.
Наличие воды капиллярной каймы влияет на условия питания и разгрузки потока грунтовых вод, на поведение его уровней, одна ко при количественной оценке условий движения оно, как правило, не учитывается (исключением являются задачи, связанные с осу шением и орошением земельных массивов). Питание грунтового по тока происходит через зону аэрации за счет инфильтрации атмо сферных осадков, причем, как правило, по всей площади распро странения водоносного горизонта.
Потоки грунтовых вод обычно имеют тесную гидравлическую связь с поверхностными водотоками и водоемами. Тесная связь их (потоков) с атмосферой и поверхностными водами предопределяет зависимость их режима от климатических условий и режима по верхностных вод. Строго говоря, движение подземных вод со сво бодной поверхностью всегда носит неустановившийся характер. Вместе с тем, благодаря тесной связи грунтовых вод с поверхност ными, в процессе эксплуатации отмечается относительно быстро наступающая стабилизация условий питания и фильтрации подзем ных вод.
Принципиальным отличием потоков грунтовых вод от напорных является взаимосвязь их пьезометрических напоров с мощностью потока. Изменение пьезометрических напоров потоков грунтовых вод при их эксплуатации или под влиянием других факторов сопро вождается изменением мощности потока (при этом наблюдается
осушение или насыщение верхней части пласта). В условиях же распространения потоков напорных вод мощность потока остается неизменной, если пьезометрический уровень не снижается ниже кровли водоносного пласта. И, наконец, развитие неустановившихся процессов перераспределения напоров в потоках грунтовых вод связано с непрѳкращающимся осушением или насыщением горных пород, в то время как в напорных потоках оно предопределяется,
Рис. 25. Схема потока грунтовых вод при наличии инфильтрационного питания:
1—■свободная поверхность грунтовых вод, 2 — зона капиллярной каймы, 3 — эпюра распределения давления по глубине потока
преимущественно, упругими свойствами фильтрующейся воды и горных пород.
Напорные потоки расположены обычно ниже потоков грунтовых вод в пластах, изолированных непроницаемыми пластами от атмо сферы и от смежных в разрезе водоносных горизонтов. В потоках напорных вод пьезометрическая поверхность находится выше кров ли водоносного пласта, в связи с чем давление на поверхности по тока (у кровли) всегда больше атмосферного. Оно равно давлению столба воды, который устанавливается над кровлей при вскрытии водоносного горизонта. Эпюра распределения давления по глубине потока напорных вод и условия его залегания отражены на рис. 26.
Потоки напорных вод не имеют капиллярной каймы. Их питание происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и поглоще ния поверхностных вод в области выхода водоносных отложений на поверхность на относительно ограниченной площади по сравнению с площадью распространения потоков. На участках распростране ния слабопроницаемых отложений, ограничивающих напорные по токи в разрезе, питание и разгрузка напорных потоков может про
