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

Г Л А В А VII

ПОДПОР ГРУНТОВЫХ вод

ч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОДПОРА ГРУНТОВЫХ ВОД И МЕТОДОВ ЕГО ПРОГНОЗА

Общая характеристика явлений подпора. Под подпором грунтовых вод понимается повышение их уровня под влиянием, главным образом, искусственных факторов. Явления подпора грун­ товых вод наблюдаются при: повышении горизонта воды в реках вследствие гидротехнического строительства и наполнения водохра­ нилищ; паводках и морских приливах; интенсивном развитии оро­ шения и фильтрации воды из оросительных и магистральных кана­ лов; интенсивных утечках воды из других инженерных сооружений. Повышение уровня грунтовых вод при подпоре может привести к подтоплению промышленных предприятий, населенных пунктов, сельскохозяйственных угодий и других объектов, а также вызвать развитие нежелательных физико-геологических явлений.

В настоящей главе освещаются явления подпора грунтовых вод, вызываемые изменениями горизонта воды в поверхностных во­ дотоках и водоемах.

Повышение уровня грунтовых вод при изменении горизонта во­ ды в водоемах происходит вследствие фильтрации воды в глубь бе­ рега и поступления подземных вод со стороны области питания. Рассмотрим процесс развития подпора грунтовых вод в пределах междуречья при строительстве водохранилища на одной из его рек (рис. 87).

Между долинами рек Л и £ до подпора существовал водораз­ дел грунтовых вод, обусловленный инфильтрацией атмосферных осадков. Вследствие повышения горизонта воды в реке А при по­ стройке водохранилища уровень грунтовых вод перемещается во времени из первоначального положения PN последовательно в по­ ложения MPiN, MP2N, MP3N и т. д. Заполнение возникшей вслед­ ствие повышения уровня воды в реке А депрессии происходит по­ степенно под влиянием фильтрации воды из водохранилища и притока воды из области питания грунтовых вод. После сформиро­ вания новой депреосионной кривой в пределах междуречья возоб­ новляется питание реки А за счет притока грунтовых вод со сторо­ ны водораздела (рис. 87, а). Однако может произойти и изменение существовавших до подпора условий фильтрации грунтовых вод. В частности, водораздел может сместиться в сторону водохранили­ ща или исчезнуть совсем. Тогда возникает фильтрация воды через междуречье из реки А в реку Б (рис. 87, б).

Период формирования подпора характеризуется непрерывным повышением уровня грунтовых вод на территории, примыкающей к водохранилищу, а нередко и в пределах всего междуречья. Ско­ рость повышения уровня воды уменьшается во времени. Пределом служит так называемое стационарное положение кривой депрессии, когда изменение уровней в пределах междуречья практически пре­ кращается (естественные колебания уровня при этом не учитыва­ ются). В этом случае подпор называют предельным, или стационар­

ным (установившимся). Теоре­ тически стационарное состоя­ ние подпора достигается при t = оо. Однако, если с течением времени повышение уровня становится очень незначитель­ ным, можно говорить о прак­ тической стабилизации подпо­ ра. Величина фильтрационного расхода из водохранилища в 'сторону соседней речной доли­ ны с более низким горизонтом воды или в нижний бьеф пло­ тины обычно с течением време­ ни уменьшается и стремится к некоторому пределу. Исключе­ нием могут являться участки, сложенные скальными трещи­ новатыми или же карбонатны­

ми карстующимися породами, трещины и карстовые полости в ко­ торых заполнены подверженными размыву песчано-глинистыми осадками. Увеличение фильтрационного расхода может иметь место на участках распространения соленосных пород в связи с растворе­ нием солей движущимися подземными водами.

Таким образом, развитие подпора грунтовых вод происходит медленно, а сам процесс развития подпора является неустановив­ шимся во времени. При стабилизации подпора он характеризуется стационарным положением депрессионной кривой и постоянством расхода потока грунтовых вод во времени.

Такова общая схема развития подпора, соответствующая дости­ жению в водохранилище постоянного впоследствии горизонта воды, называемого нормальным подпертым горизонтом (НПГ). В реаль­ ных условиях явления подпора грунтовых вод осложняются измене­ нием горизонта водохранилища во времени под влиянием его сра­ ботки, паводков и других факторов.

Методы прогноза подпора грунтовых вод. Гидрогеологические расчеты подпора грунтовых вод сводятся к определению положения уровня грунтовых вод в прибрежной зоне водохранилища или на междуречье в определенные моменты времени в зависимости от по­ ложения горизонтов воды в ограничивающих водотоках, а также к определению возможных зон подтопления, т. е. таких зон, в преде­

лах которых уровень грунтовых вод при подпоре может оказаться на небольшой глубине, исключающей возможность использования этой.территории.

Взависимости от сложности гидрогеологических условий района

ихарактера поставленных задач методы расчета подпора грунтовых вод могут быть разные.

Впростых гидрогеологических условиях расчеты подпора выпол­ няются на основе аналитических решений по формулам установив­ шейся и неустановившейся фильтрации. При этом расчеты стацио­ нарного подпора выполняются по формулам установившейся фильт­

рации, а все расчеты по прогнозу его развития во времени — только по формулам неустановившейся фильтрации.

В сложных гидрогеологических условиях (двухмерные потоки, неоднородная среда, сложные граничные условия) расчеты подпора выполняются с помощью методов моделирования и численного ре­ шения уравнений движения конечно-разностными методами. В по­ следнее время для расчета подпора в сравнительно сложных усло­ виях разработаны и некоторые аналитические методы [5, 29, 106].

В отдельных речных бассейнах при простых гидрогеологических условиях задача о развитии подпора решается однозначно по дан­ ным о геологическом строении и гидрогеологическим условиям (рис. 88, 89). Так, например, никакого развития подпора не будет, если склоны долины на участке сооружения водохранилища сложе­ ны водоупорными породами, кровля которых находится выше от­ метки проектируемого НПГ водохранилища (рис. 89, а ) .

Не будет происходить подпора и на участках речных долин, где на их склонах выходят родники или имеется заболоченность на отметке НПГ или выше его (рис. 88, б). Если на прибрежном участке есть овраг с постоянным водотоком, уровень которого ра­ вен или выше НПГ водохранилища, то подпор распространится только до оврага, так как он является дреной для подпертых грун­ товых вод (рис. 89). Очевидно, что величина подъема уровня грун­ товых вод в прибрежной к водохранилищу части территории не может быть больше, чем подъем горизонта воды в водохранилище, поэтому невозможно подтопление территории, в пределах которой уровень грунтовых вод залегает на заведомо большей глубине, чем подъем уровня при НПГ.

Расчеты подпора грунтовых вод проводят по поперечникам, ориентированным перпендикулярно к берегу водохранилища от се­ чения к сечению, т. е. каждое предыдущее сечение является исход­ ным для каждого последующего.

На основе выполненных расчетов по поперечникам строятся депрессионные кривые на определенные моменты времени, а при не­ обходимости составляются прогнозные карты гидроизогипс. Удобно осуществлять построение прогнозных карт гидроизогипс методами моделирования: при стационарном подпоре на моделях ЭГДА, при неустановившемся — на интеграторах.

Для выполнения расчетов по прогнозу развития подпора при­ родные гидрогеологические условия схематизируются и представля­

ются в виде расчетной схемы, в которой находят отражение геомет­ рические размеры и фильтрационные параметры потока, его структура, условия питания грунтовых вод, граничные и начальные условия. Принципы схематизации гидрогеологических условий ана­ логичны рассмотренным ранее в гл. III. Поскольку расчеты подпо­ ра выполняются в основном для прибрежных территорий, то наибо­ лее распространенными схемами области фильтрации являются ограниченные и полуограниченные потоки (пласт-полоса и полуог­ раниченный пласт).

В качестве одной из границ области фильтрации во всех расчет­ ных схемах рассматривается урез воды в реке или водохранилище. На этой границе всегда выполняется граничное условие первого ро­ да, т. е. H = f (t).

В качестве второй границы области фильтрации обычно рас­ сматривается другая река или заболоченная площадь, где напор считается постоянным или изменяющимся во времени (пласт-поло­ са с двумя открытыми границами). При отсутствии реки или боло­ та в качестве границы рассматривается причленение водоносных отложений речной долины к коренному берегу или цокольной тер­ расе. При этом на такого рода границах обычно выполняется усло­

Если вторая граница области фильтрации находится на значитель­ ном удалении от водохранилища и участка, для которого дается прогноз, то она может не учитываться и поток рассматривается как полуограниченный.

При выполнении расчетов для стационарного подпора очень важно учитывать характер изменения расхода воды на урезе водо­ хранилища в результате подпора. Обычно принимаются две схемы: 1) расход потока у берега водохранилища при подпоре не изменя­ ется, поскольку поблизости нет дренирующих понижений; 2) рас­ ход потока у берега водохранилища при подпоре уменьшается вследствие дренирующего влияния рек, оврагов, болот и т. п.

При расчетах по формулам неустановившейся фильтрации обя­ зательным является учет естественного положения уровней воды в пределах области фильтрации до начала развития подпора. Этот