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

ЯX

в которых X и y — координаты точки определения напора (см. рис. 117).

По формуле, аналогичной (VIII,18), могут определяться фильт­ рационные потери из водохранилища на участке длиной L (берет­ ся вместо В\ в соответствии с возможной длиной фронта фильтра­ ции воды из водохранилища в сторону берега).

Аналогичные формулам (VIII, 16—VIII,17) расчетные зависи­ мости могут быть легко получены и для условий грунтового потока

путем известного переход ам и# -»-— ). Ширина зоны обходной

фильтрации при взаимодействии с грунтовым потоком определяет­ ся выражением:

(VIII,21)

2nq0

где q 0 — естественный расход грунтового потока до сооружения плотины.

В работе [5] приведены решения для расчетов обходной фильт­ рации с учетом влияния естественного потока и в других природных условиях (с постоянным расходом или напором на удаленной от водохранилища границе потока, при неоднородном строении обла­ сти обходной фильтрации).

Расчеты обходной фильтрации в сложных гидрогеологических условиях. В условиях, когда применение аналитических методов не­ возможно, расчеты обходной фильтрации проводятся на основе мо­ делирования (в основном методом ЭГДА) и последующего анализа гидродинамических сеток потока. Достаточно простым методом в таких условиях является и графический метод, заключающийся в том, что обходной фильтрационный поток делится на ряд элемен­ тарных потоков, огибающих плечевой контур плотины (см. рис. 117). Каждый из таких элементарных потоков представляет собой ленту тока с одинаковой шириной по урезу водохрнилища в верхнем бьефе. Конфигурация таких лент предопределяется непроницаемым контуром плечевого примыкания и конкретными гидрогеологиче­ скими условиями участка. Обычно траектории фильтрационных то­ ков в пределах таких лент близки к полуэллипсам. Выполняя раз­ вертку по каждой из лент (см. рис. 116), можно получить элемен­ тарные потоки шириной Ab, напоры на границах которых равны напорам водохранилища в верхнем и нижнем бьефах. Для каждого из таких элементарных потоков можно получить все основные ха­ рактеристики (расход, напоры, кривую депрессии) с учетом фильт­ рационных свойств пород в пределах каждой ленты на основе из­ вестных формул установившейся фильтрации для естественных по­ токов.

Фильтрационный расход такого элементарного потока опреде­ ляется обычно по формуле

где hcр — средняя мощность потока в пределах ленты тока (при на­ порном характере потока принимается mcp); I — средняя длина пути фильтрации в пределах рассматриваемой ленты тока (см. рис. 117).

Полный расход потока определяется как сумма расходов в пре­ делах элементарных лент тока, т. е.:

П

Ленты тока берутся по всей ширине зоны обходной фильтрации В\. Если она неизвестна, то при расчете можно ограничиться чис­ лом лент тока исходя из условия, чтобы расход в пределах послед­ ней рассматриваемой ленты тока не превышал одной десятой рас­ хода в пределах первой ленты тока. Общая ширина учитываемой

таким образом зоны обходной фильтрации составит ■- '1; П

Ві = 2 д б і,

і=і где п — число лент тока, принятых для расчета.

Рассмотренный метод позволяет таким путем проводить расчеты в сложных гидрогеологических условиях, при неоднородном строе­ нии водоносных пород в берегах водохранилища.

Рис. 118. Разрез вдоль элемента фильтрационного потока в обход плотины при наличии делювия в берегах

Неоднородность строения берегов речных долин нередко выра­ жается в том, что они сложены водопроницаемыми породами, при­ крытыми по склонам менее проницаемым плащом делювиальных образований (рис. 118). В данных условиях фильтрационный поток в обход примыканий плотины по предыдущему может быть схема­ тически изображен рядом линий токов в виде кривых (полуэллипсов), огибающих плечи плотины (см. рис. 117).

Рассмотрим движение грунтовой воды в одном из элементов по­ тока, ограниченном с боков двумя соседними линиями токов. Для

этого изобразим поток в развернутом виде; в результате получим поток, аналогичный рассмотренному ранее для водораздельного массива, сложенного хорошо проницаемыми породами, перекры­ тыми по склонам слабопроницаемыми делювиальными и другими образованиями.

Для горизонтального положения подстилающего водоупорного

.ложа и при постоянной ширине выделенного элемента потока на всем протяжении справедливо следующее уравнение грунтового по­ тока, отражающего резкую смену пород по водопроницаемости:

AQ = (VIII,24)

Обозначения уравнения ясны из рис. 118.

При помощи последнего уравнения можно найти величину на­ порного градиента для каждого из участков, показанных на рис. 118. Для решения этой задачи предварительно необходимо вы­

Вычислив из этого уравнения ординату уровня грунтовых вод h3 можно определить среднее значение напорного градиента в слое делювиального плаща верхнего бьефа по формуле:

r h — hz

Аналогичным путем находится напорный градиент для слоя де­ лювия в нижнем бьефе.

Анализируя потери воды на фильтрацию в обход гидротехниче­ ских сооружений, В. П. Недрига [83] пришел к выводу, что при на­ личии потока грунтовых вод они составляют сравнительно неболь­ шую величину. Поэтому на многих объектах отпадает необходи­ мость проектирования и сооружения противофильтрационных устройств для целей снижения боковой фильтрации.

Там, где это вызывается необходимостью, наиболее эффектив­ ным средством борьбы с боковой фильтрацией является шпора,

врезанная в берег. Размеры шпоры (глубина, длина), а также ее место расположения устанавливают;'исходя из данных литологиче­ ских особенностей пород и их гидрогеологических свойств.

ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗ ВОДОХРАНИЛИЩ

Вне зоны влияния нижнего бьефа наблюдается фильтра­ ция воды из водохранилища в сторону коренного берега или через междуречный массив в соседнюю речную долину (см. рис. 106). Фильтрация эта происходит вследствие повышения уровня воды в водохранилище при сооружении плотины. При этом не исключено, что после сформирования стационарной кривой подпора будет на­ блюдаться не фильтрация воды из водохранилища, а приток под­ земных вод в водохранилище. В таком случае считают, что имеет место положительное питание грунтовыми водами. Отрицательное питание отмечается на участках, где грунтовые воды питаются за счет речных. Важно отметить, что на урезе водохранилища обычно существует определенной величины фильтрационный расход (в частном случае он может быть равен нулю), под которым пони­ мается объемное іколичество воды, фильтрующейся из водохрани­ лища (или в водохранилище) в единицу времени.

Однако при предшествующих строительству водохранилищ рас­ четах обычно определяют не фильтрационный расход, а фильтра­ ционные потери, которые являются одним из элементов водного ба­ ланса водохранилища. При этом под фильтрационными потерями понимается разность грунтового питания реки до и после устрой­ ства водохранилища. Обозначив величину питания реки грунтовы­ ми водами до подпора через <71, а после подпора через q2 фильтра­ ционные потери <7п можно определить по следующему выражению:

qn = qi — qi, ( V I I I , 2 5 )

где все входящие в формулу расходы являются единичными, т. е. отнесенными к единице длины берега водохранилища. Как уже от­ мечалось выше, фильтрационные расходы q\ и q2 здесь могут быть как положительными (приток к водохранилищу), так и отрица­ тельными (фильтрация из водохранилища).

Таким образом, нельзя отождествлять понятия «фильтрацион­ ный расход» и «фильтрационные потери». Фильтрационные потери могут быть как меньше, так и больше фильтрационного расхода. Причем они могут иметь место, даже если при подпоре не проис­ ходит фильтрация воды из водохранилища. Проиллюстрируем это положение на конкретных примерах междуречного массива.

Пусть в реке А до подпора уровень воды h\ был меньше, чем в реке Б (рис. 119, а), вследствие чего осуществлялась фильтрация воды из реки Б в реку А с расходом qu т. е. река А до подпора име­ ла положительное грунтовое питание q\ (рассматривается случай ■отсутствия инфильтрации 1Ѵ= 0). При сооружении на реке А водо­ хранилища уровень воды в ней у\ становится больше уровня воды

реки А (y\>h2) и при сформировавшейся кривой подпора происхо­ дит фильтрация реки А в реку Б с фильтрационным расходом q2. В данном случае фильтрационные потери из водохранилища qx бу­ дут равны фильтрационному расходу из водохранилища q2 кото­ рый имеет место после подпора и утраченному грунтовому питанию q1, которое река А получала до подпора; т. е. в данном случае филь­

Следовательно, в данном случае имело бы место соотношение (VIII,25) в виде qa = q2-q\.

И, наконец, если бы в рассматриваемых условиях до подпора имело место равенство уровней воды в реках Л и £ (следовательно,

фильтрационному расходу.

Приведенные положения справедливы и для междуречья с на­ личием инфильтрационного питания и с наклонным водоупором. Например, в условиях междуречья с наличием инфильтрационного питания (рис. 119, б) река Л имела до подпора положительное пи­ тание грунтовыми водами q1 за счет притока воды со стороны под­ земной водосборной площади (величина этого питания может быть определена по соответствующей формуле для междуречного масси­ ва). При строительстве водохранилища на реке А и повышении уровня воды в ней до у х происходит смещение водораздела подзем­

ных вод в сторону водохранилища, вследствие чего подземное пита­ ние реки А уменьшается до <72. Фильтрационные потери дп в этом случае будут характеризоваться величиной потери грунтового пи­ тания, т. е. Ца.= Я\—<72. При исчезновении подземного водораздела, вследствие значительного подпора на реке А, происходит не только утрата имевшего место до подпора подземного питания q\, но и воз­ никает фильтрация из водохранилища реки А через междуречный массив в долину реки Б. При таком положении уровня потери qn будут равны фильтрационному расходу на урезе водохранилища после подпора и утраченному питанию грунтовыми водами, т. е.

<7п = <7і+42-

Таким образом, основной задачей при расчетах фильтрации во­ ды из водохранилища является определение фильтрационных по­ терь. Особую важность точное определение фильтрационных потерь приобретает в условиях, когда расход реки, на которой сооружается водохранилище, невелик и величина фильтрационных потерь, по су­ ществу, предопределяет целесообразность сооружения водохрани­ лища. Наоборот, в условиях интенсивного восполнения расхода ре­ ки и существенного питания ее подземными водами возможно огра­ ничиться ориентировочным определением фильтрационных потерь.

Вследствие значительных размеров зоны влияния фильтрации водохранилищ по сравнению с мощностью потока грунтовых вод прибрежных территорий, фильтрация из водохранилищ рассмат­ ривается обычно как плоская плановая, а нередко и как плоскопа­ раллельная (линейная). Это дает возможность при оценке фильт­ рационных потерь применять известные решения стационарной фильтрации естественных потоков подземных вод. Наряду с опре­ делением постоянных фильтрационных потерь, отвечающих усло­ виям установившейся после подпора фильтрации подземных вод, при расчетах фильтрации из водохранилищ проводится определе­ ние и так называемых временных фильтрационных потерь, расхо­ дуемых на насыщение горных пород берегов и чаши водохранили­ ща и отвечающих условиям неустановившейся фильтрации в пери­ од формирования подпора.

В большинстве случаев временные фильтрационные потери яв­ ляются несущественными в общем водном балансе водохранилища и определению подлежат лишь постоянные фильтрационные поте­ ри. Однако в отдельных речных бассейнах (большая глубина за­ легания грунтовых вод или их полное отсутствие, слабое воспол­ нение питания водохранилища) определение временных фильтра­ ционных потерь может представлять существенный практический интерес.

Определение постоянных фильтрационных потерь

Сопоставляя фильтрационные расходы на урезе водо­ хранилища до и после подпора и определяя фильтрационные поте­ ри, в соответствии с выражением, приведенным выше (VIII,25),