Файл: Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов.pdf

исходить за счет перетекания воды в условиях их гидравлической связи со смежными водоносными горизонтами.

Режим потоков напорных вод в отсутствии их непосредственной связи с атмосферой и поверхностными водами, почти не зависит от климатических условий и режима поверхностных водотоков. Экс­ плуатация подземных вод напорных горизонтов характеризуется чаще неустановившимся режимом фильтрации, если в процессе экс­ плуатации не обеспечивается привлечение дополнительных источ­ ников пополнения запасов подземных вод со стороны.

Рис. 26. Схема потока напорных вод:

/ — пьезометрическая поверхность, 2 — эпюра распределения давления по глубине потока

При изменении пьезометрических напоров, если положение уровня не снижается до кровли, мощность потока остается неизмен­ ной, а перераспределение уровней происходит в условиях упруго­ водонапорного режима фильтрации с проявлением всех, присущих ему гидродинамических особенностей.

В определенных природных условиях могут встречаться слож­ ные потоки напорно-безнапорных подземных вод. Такие потоки на­ блюдаются в области выходов напорных водоносных горизонтов на поверхность, а также вблизи дренирующих их поверхностных водоемов, где пьезометрический уровень опускается ниже кровли водоносного пласта (рис. 27). Нередко условия напорно-безнапор­ ного движения подземных вод возникают при интенсивном сниже­ нии пьезометрической поверхности вблизи водозаборных сооруже­ ний. Возможности изменения гидравлического характера потока не­ обходимо учитывать при количественной оценке условий движения и гидрогеологических прогнозах.

Условия питания и разгрузки подземных вод во многом предоп­ ределяются характером связи подземных потоков с атмосферой, по­ верхностными водами и смежными водоносными горизонтами. Они оказываются весьма разнообразными.

По условиям питания выделяются три типа потоков: а) потоки с сосредоточенным питанием и разгрузкой; б) потоки с рассеянным

питанием и разгрузкой; в) потоки со смешанным питанием и раз­ грузкой.

В потоках с сосредоточенным питанием и разгрузкой пополнение или расходование подземных вод происходит сосредоточенно на отдельных локальных участках или границах потока. В потоке грун­ товых вод сосредоточенное питание и разгрузка наблюдаются, на­ пример, при фильтрации подземных вод через междуречный песча-

w

И Н И Н

Рис. 27. Схема фильтрации в условиях напорно-безнапор­ ного потока

ный массив в условиях отсутствия инфильтрации, что возможно при наличии на междуречье чехла покровных водонепроницаемых отложений, препятствующих инфильтрации атмосферных осадков.

Рис. 28. Схема питания и разгрузки напорного потока

В этом примере на одной границе осуществляется сосредоточенное питание грунтового потока, на другой — сосредоточенная раз­ грузка.

В потоках напорных вод сосредоточенное питание представлено инфильтрацией осадков и поверхностных вод в ограниченной обла­ сти выхода водовмещающих отложений на поверхность. Сосредото­ ченная разгрузка потока напорных вод, так же как и безнапорного, может происходить в речные русла, овраги, балки, долины и другие дренирующие элементы полностью или частично, вскрывающие по­ ток, и, кроме того, проявляться в виде источников. Примеры сосре­ доточенного питания и разгрузки напорных потоков приведены на рис. 27, 28.

Гидродинамические особенности потоков с сосредоточенным пи­ танием и разгрузкой заключаются в постоянстве их расходов по всем сечениям по пути движения. Скорости фильтрации, напорные градиенты и форма пьезометрической или свободной поверхности зависят при этом от изменения поперечного сечения потока и филь­ трационных свойств водовмещающих пород.

Потоки с рассеянным питанием и разгрузкой характеризуются тем, что пополнение и расходование подземных вод происходит на значительных площадях их распространения. В потоках грунтовых вод рассеянное питание происходит за счет инфильтрации атмо­ сферных осадков через породы зоны аэрации, что характерно для большинства рассматриваемого типа потоков, а рассеянная или распыленная разгрузка осуществляется путем испарения подземных вод через зону аэрации, с поверхности болот и мочажин. Источни­ ком рассеянного питания грунтовых вод могут служить нижележа­ щие напорные водоносные горизонты, обладающие более значитель­ ными пьезометрическими напорами. При этом перетекание вод из нижележащего горизонта в грунтовые воды происходит через раз­ деляющие их слабопроницаемые отложения под действием разно­ сти их напоров. Количественно модуль глубинного питания грунто­ вого потока определяется следующим выражением:

грунтового и напорного; k0 и т 0 — коэффициент фильтрации и мощ­ ность разделяющих потоки отложений.

При обратном соотношении напоров, т. е. когда напоры потока грунтовых вод оказываются более значительными, чем у нижележа­ щего напорного водоносного горизонта, наблюдается рассеянная разгрузка (перетекание) грунтовых вод в напорный горизонт через относительный водоупор, количественно определяемая также по вы­ ражению (111,11). Для напорного потока это будет рассредоточен­ ное питание через относительно водоупорную кровлю (рис. 29).

В потоках напорных вод рассеянная разгрузка и питание проис­ ходят в основном через кровлю и подошву пород потока, за счет пе­ ретекания вод в условиях гидравлической связи со смежными водо­ носными горизонтами. Количественно величина глубинного питания или расходования определяется по приведенной выше формуле (111,11) с учетом разности напоров, гидравлически связанных на­ порных потоков и фильтрационных свойств разделяющих их слабо­ проницаемых отложений.

Вгидродинамическом отношении рассеянное питание приводит

ктому, что расход потока увеличивается по пути движения, а при рассеянной разгрузке уменьшается за счет расходования по пути фильтрации. Естественно, этот процесс находит отражение и в изме­ нении других характеристик потока. Например, при интенсивном питании потока грунтовых вод за счет инфильтрации атмосферных

осадков свободная поверхность подземных вод становится выпук­ лой, появляется подземный водораздел и изменяются условия фильтрации (напоры, скорости, градиенты, направление движения,

Рис. 29. Схема сотношений напорного и безнапорного потоков (по H. Н. Биндеману, 1970):

расходы потока). При интенсивном расходовании подземных вод за счет испарения свободная поверхность грунтового потока стано­ вится вогнутой, предопределяя изменение и других его характерис­ тик.

W <0

Рис. 30. Гидродинамические особенности грунтового потока в зависимости от условий его питания и разгрузки (сосредото­ ченное питание и сток на границах I, II, III, VI; рассеянное питание на участке III—VI; рассеянная разгрузка на участке / —II; подземный водораздел в сечении V)

Интенсивность инфильтрации и испарения существенно зависит от климатических факторов, рельефа местности, состава пород зо­ ны аэрации, глубины залегания уровня грунтовых вод и заметно из­ меняется во времени. Однако на многих изученных площадях вели­

чину атмосферного питания или расходования подземных вод осредняют и принимают при расчетах неизменной во времени.

Как это следует из выражения (111,11), величина глубинного пи­ тания потоков тоже может изменяться во времени, так как меняет­ ся соотношение напоров гидравлически связанных водоносных горизонтов. Особенно ощутимыми изменения атмосферного и глу­ бинного питания и расходов потоков могут оказаться при их экс­ плуатации, что важно учитывать в гидрогеологических расчетах.

В подземных потоках со смешанным питанием и разгрузкой гид­ родинамические особенности проявляются на разных их участках неодинаково, в зависимости от условий питания и разгрузки на изу­ чаемом участке и на его границах. Примеры потоков как напорного, так и безнапорного со смешанными условиями питания и разгрузки и соответствующие этим условиям гидродинамические особенности показаны на рис. 29 и 30.

Фильтрационные свойства горных пород и свойства фильтрующихся жидкостей

По своим фильтрационным свойствам среда может быть изотропной (фильтрационные свойства по всем направлениям оди­ наковые) и анизотропной (фильтрационные свойства зависят от на­ правления). Примером изотропной среды являются пласты песков, песчаников, известняков, анизотропной — лёссы, ленточные глины, лёссовидные суглинки. В потоках с неоднородной изотропной сре­ дой коэффициент фильтрации и скорость фильтрации изменяются по пути движения, но в каждом из сечений они не зависят от координат области фильтрации (рис. 31, б). В среде с неоднородным анизо­ тропным строением коэффициент фильтрации и скорость фильтра­ ции изменяются в каждой точке области фильтрации и зависят от направления (рис. 31, а).

Нередко в природных условиях встречаются потоки с изотроп­ ной фильтрационной средой. При этом фильтрационная среда яв­ ляется однородной или неоднородной. Неоднородность фильтраци­ онной среды проявляется в изменении ее основных фильтрационных параметров в плане (по площади) и в разрезе (по глубине).

При незакономерном изменении фильтрационных свойств неод­ нородность называется хаотической или неупорядоченной. Если при этом фильтрационные свойства разных зон области фильтрации от­ личаются не более чем в 5—10 раз, то область приводится к услов­ но однородной и характеризуется осредненными значениями па­ раметров. При более существенной неоднородности она подлежит учету при выполнении гидрогеологических расчетов.

При возможности выявления закономерностей изменения фильт­ рационных свойств среды такую неоднородность называют правиль­ ной или упорядоченной. Важно при этом установить основную схе­ му упорядоченной неоднородности.

Для многих артезианских бассейнов характерна так назы­ ваемая слоистая неоднородность (чередование слоев различной во-

О д *Ѳ"

НСП

ЭО

«<иОЧ « *; & Z' н cd г

сзÏ05Û>х <ѵ^

* = 85 ■si« g

о Р- ч *

И О S- к

к я <и к 5 о ^

5 i Hg Ч^ « R

« K •& Кф

3 ч о

а = в о^Ч

SCO

C Cl. o .

« O O

допроницаемости). Если при этом коэффициенты фильтрации раз­ ных слоев отличаются не более чем в 5—10 раз, возможно приве­ дение слоистой толщи к условно однородной. Методы приведения слоистой толщи к однородной разные в зависимости от направления движения потока. Если фильтрация происходит по напластованию пород, то среднее значение коэффициента фильтрации kcp опреде­ ляется как средневзвешенное по мощностям всех имеющихся слоев:

kimi -j~ ktfn?, —(—... —j—ki\tnn

имеющих соответственно мощности пц, т2 .... тп.

При движении подземных вод по напластованию поток будет иметь единую пьезометрическую поверхность, но скорости движения воды по отдельным слоям будут разные, прямо пропорциональные значениям их коэффициентов фильтрации.

При резком различии коэффициентов фильтрации разных слоев (более чем в 100 раз) движение в слоях высокой водопроницаемо­ сти будет горизонтальное, а в слоях слабой проницаемости — вер­ тикальное.

При движении подземного потока в слоистой толще перпендику­ лярно напластованию, среднее значение коэффициента фильтрации kCp. X определяется по формуле Г. Н. Каменского:

Частным случаем слоистой неоднородности является двухслой­ ный пласт, в котором верхний слой слабопроницаемый, глинистый, а нижний — хорошо проницаемый (песчаный, гравелистый, сильнотре­ щиноватый и др.). Такая схема неоднородности наиболее характер­ на для многих потоков в речных долинах.

Постепенная смена коэффициента фильтрации по пути движения потока, характерная для отложений конусов выноса и предгорных равнин, вызывает постепенное, но обратное по величине коэффици­ енту фильтрации изменение напорного градиента. При увеличении коэффициента фильтрации по пути движения поток характеризует­ ся вогнутой депрессионной поверхностью, при уменьшении — выпук­ лой (рис. 32).

При резкой смене коэффициента фильтрации по пути движения, что наблюдается на сочленениях террас в речных долинах, уклон по­ тока на участках различной водопроницаемости изменяется обратно пропорционально величине коэффициента фильтрации; на границах раздела зон различной водопроницаемости может отмечаться пре­ ломление фильтрационных токов (см. рис. 31, а). Характер влияния