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: 251
Скачиваний: 0
Величину постоянных фильтрационных потерь |
найдем |
по фор |
|||||
муле (VI 1,27), которая при і —0 имеет вид: |
|
|
|
||||
|
|
2 |
ht |
|
|
|
|
|
|
УI' |
|
|
|
||
|
|
У п -— k |
|
|
|
|
|
|
|
2L |
|
|
|
||
при величине подпора |
г/і = 95 м фильтрационные |
потери составят: |
|||||
_п 952 — 75,272 |
|
2,545 м3/сут на 1 |
м длины берега |
водо- |
|||
qn — 50 X — - nnn------= |
|||||||
о о О О О |
|
|
|
|
г |
|
|
хранилища. |
|
|
|
|
1072 — 75,272 |
||
Соответственно |
при |
У = 107 |
м <7п = 50 X |
||||
66 000 |
|
||||||
= 4,38 м3/сут на 1 м берега водохранилища. |
|
|
|||||
121) показывает, что до |
|||||||
Положение кривой депрессии (см. рис. |
подпора в естественном состоянии река А получает грунтовое пита ние, поэтому в данном случае фильтрационные потери из водохра нилища заведомо больше фильтрационного расхода на его урезе при подпоре. Действительно, определяя расход на урезе реки А по
формуле |
(IV,69), получим: |
|
|
|
|
, |
y l - h l |
WL |
|
|
У А — k |
— --------------- |
0 |
— |
|
1072 — 732 |
|
33 000 |
|
= |
50 X 66 000 |
0,00022 X |
2 |
= 1,01 м3/сут. |
Горизонт, при котором на урезе водохранилища фильтрацион ный расход будет равен нулю, можно найти, приравняв выражение для расхода реки А нулю и решив его относительно у\.
2 |
W |
0,00022 |
Уі |
Т Lfi + hl |
5(Г~ X 33 ООО2 + 732 = 10 120,6, |
откуда " = |
уіО 120,6 = |
100,6 м. |
При этой отметке горизонта воды в водохранилище фильтраци онный расход на урезе водохранилища будет равен нулю, а филь трационные потери будут соответствовать грунтовому питанию, которое река А получала до подпора, т. е.:
Уп ^2 — ^1 = 0 — <?1 |
k ht - hi |
WL |
|
2L |
) = |
||
75,272 — 732 |
0,00022 X 33 000 |
3,37 м3/сут. |
|
= — 50- |
+ |
2 |
|
66 000 |
|
|
ДВИЖЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД К ВОДОЗАБОРНЫМ СООРУЖЕНИЯМ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
ТИПЫ ВОДОЗАБОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Сооружения, предназначенные для захвата и извлече ния подземных вод, используемых для различных целей (водоснаб жение, орошение, водопонижение), называются водозаборными. В конструктивном отношении водозаборные сооружения подразде ляются на вертикальные (скважины, шахтные колодцы, шурфы), горизонтальные (каптажные галереи, дренажные канавы, водоза борные траншеи, кяризы, трубчатые дрены, горизонтальные сква жины) и комбинированные (сочетание вертикальных сооружений с
горизонтальными, например, лучевые |
водозаборы — сочетание |
шахтного колодца с горизонтальными |
скважинами). Наибольшее |
распространение из всех водозаборных сооружений в практике во доснабжения и для других целей имеют скважины (как вертикаль ного, так и горизонтального заложения) и колодцы.
По гидрогеологическим условиям все водозаборные сооружения могут быть разделены на две группы: а) инфильтрационные водо заборы; б) фильтрационные водозаборы.
Инфильтрационные водозаборы располагаются, как правило, в области активной связи подземных и поверхностных вод (в облас ти питания) и работают в основном за счет привлечения вод по верхностных водотоков. Постоянное восполнение подземных вод при их эксплуатации за счет поступления вод поверхностных водо емов приводит к быстрой стабилизации расходов и уровней подзем ного потока, в связи с чем инфильтрационные водозаборы работа ют, как правило, в условиях установившейся фильтрации.
Фильтрационные водозаборы располагаются обычно в области распространения и стока подземных вод. При их эксплуатации привлекаются естественные запасы подземных вод (упругие и за счет осушения пласта) и естественные расходы потоков. Имея ме нее благоприятную природную обстановку для восполнения заби раемых при эксплуатации подземных вод, фильтрационные водоза боры работают обычно в условиях неустановившейся фильтрации. При взаимосвязи водоносных горизонтов и наличии перетекания фильтрационные водозаборы могут работать и в условиях устано вившейся фильтрации.
Вертикальные водозаборы, вскрывающие грунтовые безнапор ные воды, называются грунтовыми; вертикальные же водозаборы, вскрывающие напорные (артезианские) подземные воды, носят на звание артезианских скважин, или колодцев.
По степени вскрытия водоносных горизонтов различают совер шенные и несовершенные грунтовые и артезианские скважины (ко лодцы). Совершенные выработки вскрывают эксплуатируемый во доносный горизонт на всю мощность, обеспечивая поступление во ды в выработку по всей длине ее водоприемной части в пределах
Рис. 122. Типы грунтовых и артезианских скважин:
а — совершенные, б — несовершенные
мощности водоносного пласта (рис. 122, а). Несовершенные выра ботки не вскрывают водоносный горизонт по всей мощности и обес печивают поступление воды в пределах вскрытой части через боко вые стенки или дно выработки (рис. 122, б). У несовершенных скважин водоприемная часть (фильтровая или бесфильтровая) мо жет располагаться в любой части водоносного пласта (у кровли или свободной поверхности, у подошвы или в средней части пласта).
Если водозаборное сооружение работает не испытывая влияния других водозаборов, то оно называется одиночным в отличие от взаимодействующих водозаборных сооружений. Взаимодействую щие водозаборы, состоящие из скважин, различаются по схемам их расположения. При этом может иметь место как закономерное их расположение (линейное, кольцевое, по сетке), так и произвольное. Взаимодействие водозаборов находит выражение в ухудшении ус ловий их работы, так как при этом происходит наложение полей действия взаимодействующих водозаборов.
При работе водозаборных скважин вследствие непрерывного отбора воды вокруг них начинает формироваться депрессионная воронка. При этом в безнапорных водах происходит осушение водо носного пласта в пределах интенсивно развивающейся депрессионной воронки. В напорных водах, вследствие наличия избыточных над кровлей пласта напоров, непосредственного' осушения пласта не происходит, и поступление воды в скважину обеспечивается за
счет высвобождения упругих ее запасов при снижении напоров в пределах развивающейся депрессии и перехвата естественного рас хода потока.
В первый период эксплуатации скважин депрессионная воронка развивается очень интенсивно как в глубину, так и в ширину. При этом основные параметры потока в сечениях вокруг скважин не прерывно изменяются, что отвечает периоду резко выраженной не установившейся фильтрации. Со временем интенсивность развития депресеионной воронки затухает и происходит стабилизация уров ней и дебитов потока по всем его сечениям, что отвечает, периоду установившейся фильтрации. При этом отбор воды из скважин компенсируется ее притоком в пределах стабилизировавшейся во ронки депрессии.
Размеры депресеионной воронки характеризуются радиусом влияния скважины при ее эксплуатации R, под которым понимает ся радиус кругового контура питания концентричного скважине и обеспечивающего ее дебит при откачке (приведенный радиус пита ния по В. Н. Щелкачеву [ПО]). Нередко дальнейший рост депрессионной воронки прекращается в связи с тем, что в ее пределах в процессе откачки обеспечивается интенсивное поступление воды от дополнительных источников питания (перетекание из соседних го ризонтов, поступление воды из поверхностных водотоков).
При незначительных естественных уклонах потоков подземных вод влияние откачки распространяется одинаково во всех направ лениях и формирующаяся депрессионная воронка является симмет ричной относительно оси скважины. В таких природных условиях воронка в плане имеет форму круга с концентрическим расположе нием линий равного напора (гидроизогипс или гидроизопьез) и ра диальными линиями токов (рис. 123). Строго говоря, поскольку пьезометрическая или свободная поверхность подземных вод не является горизонтальной, депрессионная воронка всегда имеет ту или иную асимметрию, отражая в плане форму замкнутого овала, вытянутого по потоку, а радиус влияния оказывается различным как по направлению потока, так и нормально к нему.
При получении решений о притоке воды к скважинам воронку депрессии принято считать симметричной. Получаемые в результа те расчетов понижения уровня отсчитываются от реальной пьезо метрической или свободной поверхности подземных вод, обеспечи вая истинную картину распределения напоров потока при действии водозаборных скважин.
Движение подземных вод к водозаборным скважинам на боль шинстве участков может рассматриваться как плановое двухмер ное, описываемое дифференциальным уравнением (11,103). Учиты вая, что при этом фильтрация подземных вод является радиальной осесимметричной, для получения решений ее рассматривают в ци линдрической системе координат как одномерную радиальную фильтрацию. Общее дифференциальное уравнение, описывающее радиальную фильтрацию напорных и безнапорных вод в цилиндри-
ческих координатах, имеет вид: |
|
|
|
|
|||
/ |
d*U2 |
1 |
ÔU \ _ |
дЦ |
(IX,1) |
||
' |
дг2 |
г |
дг |
' |
dt |
||
|
|||||||
В уравнении (IX,1) |
U — напорная функция, которая для напор- |
||||||
ного потока принимается |
равной |
mH, |
|
ft2 |
|||
для безнапорного— ; |
а —соответственно коэффициент пьезопроводности при напорной фильтрации и коэффициент уровнепроводности — при безнапорной
dU
При — = 0, приведенное выше уравнение (IX,1) описывает уста
новившуюся фильтрацию радиального потока подземных вод.
Фильтрация подземных Разрез вод к взаимодействующим
водозаборным сооружениям носит сложный характер, являясь радиальной на не котором удалении от них, поэтому она рассматривает ся как планово-радиальная. Такой же сложный харак тер имеет фильтрация к скважинам, расположенным вблизи границ области фильтрации. Для получения решений в таких условиях широко используются прин цип сложения течений и ме тод зеркальных отображе ний.
Движение подземных вод к несовершенным скважи нам на практике является пространственным и для по лучения решений рассмат ривается в других системах координат.
Эксплуатация водозабор ных скважин осуществляет ся, главным образом, с по мощью различного рода на сосных установок с постоян ной во времени производи тельностью. Поэтому при расчетах производитель ность скважин принимается постоянной, в связи с чем
решения получают применительно к определению положения уров ня подземных вод при работе скважин с постоянным во времени дебитом.
Ниже излагаются основные решения по оценке условий движе ния подземных вод к одиночным и взаимодействующим водозабор ным сооружениям, находящимся в различной природной обста новке.
УСТАНОВИВШЕЕСЯ ДВИЖЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД К СОВЕРШЕННЫМ СКВАЖИНАМ
Установившееся движение подземных вод к совершен ным скважимам (колодцам) имеет место всегда, когда в пределах сформировавшейся воронки депрессии обеспечивается непрерывное восполнение отбираемого из скважин количества воды. Наблюде ния за действием одиночных скважин свидетельствуют, что их ра бота в основном происходит в условиях установившейся фильтра ции. То же самое характерно для водозаборов, расположенных в непосредственной близости от контура питания подземных вод. Рассмотрим закономерности движения подземных вод к одиночным совершенным артезианским и грунтовым скважинам.
Движение подземных вод к скважинам в простых природных условиях
Движение подземных вод к артезианской совершенной скважине. Впервые теория притока подземных вод к колодцам была разработана Ж. Дюпюи (1857 г.). Следует отметить, что формулы Дюпюи и в настоящее время имеют широкое применение на прак тике.
При расчетах водопритока к колодцам допускают, что водопро водимость водоносного пласта постоянна, а подстилающий этот пласт водоупор залегает горизонтально. В условиях установивше гося движения и депресеионной воронки круглой формы при откач ке воды из напорного пласта вода со всех сторон к совершенной скважине будет притекать равномерно. Линии тока при этом в плане изобразятся радиусами, а в разрезе— прямыми, параллель ными границам водоносного пласта (см. рис. 123). Поверхности равных напоров представлены концентрическими цилиндрами с осью в центре скважины.
Для получения решения будем рассматривать поступление воды через произвольное концентрическое сечение, расположенное на расстоянии г от центра скважины и представляющее собой боковую поверхность цилиндра радиусом г и высотой, равной мощности пласта т. Принимая за плоскость сравнения горизонтальную по верхность водоупора, обозначим напор воды в скважине на рас стоянии гс от ее оси через Я с, напор потока на расстоянии, равном радиусу влияния R, — через Яе. В условиях стационарной фильтра ции напор воды на контуре, на расстоянии, равном радиусу влия