Основы гидрогеологии. Определение скорости и направления движения грунтовых вод
Решение задач о движении подземных вод, выбор метода гидрогеологического расчета и расчетной схемы производят на основе схематизации (упрощения) природных гидрогеологических условий. При этом учитывают основные особенности фильтрационного потока подземных вод (характер движения, гидравлические характеристики, фильтрационные свойства пород, границы водоносных горизонтов и т.д.).
Типичным примером плоского потока может служить движение подземных вод к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. Расход безнапорного потока в однородных пластах при горизонтальном водоупоре:
, (7.1)
где Кф – коэффициент фильтрации; b – ширина потока, м; 
– средняя мощность потока, м; 
– средний напорный градиент потока.
Принимая 
и 
, расход грунтового потока можно выразить формулой
, (7.2)
где h1 и h2 – мощность водоносного пласта соответственно в скважинах 1 и 2; L – расстояние между скважинами.
Единичный расход потока при наклонном водоупоре определяют по формуле
, (7.3)
где Н1 и Н2 – напоры соответственно в скважинах 1 и 2, отсчитываемые от любой горизонтальной плоскости; b – ширина потока, принимаемая при определении единичного расхода, равна одному метру. Мощность водоносного пласта в скважинах вычисляют как разность абсолютных отметок уровня грунтовых вод (УГВ) и кровли водоупора. Значения Н1 и Н2 принимают равными абсолютным отметкам УГВ в скважинах 1 и 2.
Рис. 7.1. Схематический разрез потока грунтовых вод на наклонном водоупоре
При определении притока воды к вертикальным водозаборам учитывается воронкообразное понижение уровня вследствие трения воды и частиц грунта, при этом образуется депрессионная воронка, имеющая в плане форму, близкую к кругу. Радиус депрессионной воронки называется радиусом влияния (R), который в безнапорном водоносном пласте для совершенной скважины определяется по формуле
, (7.4)
где S – понижение уровня воды при откачке по центру воронки, м;
H – мощность безнапорного водоносного пласта, м.
Приток воды к совершенным безнапорным скважинам определяется по формулеам:
при L 
0,5 R, (7.5)
при L
Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, которые на изучаемой территории располагают по сетке. Уровни воды пересчитывают на абсолютные отметки и по ним на топографической карте проводят горизонтали поверхности грунтовых вод. Как и горизонтали топографической карты, гидроизогипсы строят методом интерполяции или с помощью палеток, причем сечение их зависит от масштаба карты и числа нанесенных на ней точек наблюдения (отметок уровня).
Карта изогипс широко используется для установления направления потока грунтовых вод, величины напорного градиента, глубины залегания воды, а также для подсчета скорости движения воды.
Направление движения грунтовых вод определяют путем опускания перпендикуляра от гидроизогипсы с большой отметкой на гидроизогипсу с меньшей отметкой. Направление грунтового потока совпадает с этим перпендикуляром.
Для определения уклона потока по карте гидроизогипс на площади того или иного участка берут разность между отметками крайних гидроизогипс на этом участке и делят ее на расстояния между ними.
Глубину залегания грунтовых вод в любой точке определяют по разности между отметкой горизонтали поверхности земли и отметкой гидроизогипсы в данной точке.
Скорость фильтрации воды определяется по формуле V=KI, где V – скорость; K – коэффициент фильтрации; I – напорный градиент.
Поверхность грунтовых вод, как показывают инженерно-геологические исследования крупных площадей, большей частью неровная, волнистая. Часто она повторяет рельеф поверхности. Однако такое соотношение поверхности земли и поверхности грунтовых вод на отдельных участках может нарушаться.
Глубина залегания грунтовых вод также зависит от рельефа местности. В речных долинах, оврагах и других понижениях рельефа грунтовые воды находятся на сравнительно небольшой глубине.
По мере повышения рельефа глубина залегания грунтовых вод увеличивается. На водоразделах и других возвышенностях глубина залегания может достигать нескольких десятков метров.
Таким образом, с помощью карты гидроизогипс решаются следующие основные задачи. Это установление характера поверхности (зеркала) грунтовых вод, направление их течения, величины напорного градиента, скорости движения воды, глубины залегания грунтовых вод с целью наиболее благоприятных участков для строительства зданий и сооружений с глубоко залегающими фундаментами.
ЗАДАЧИ
1. Постройте схему и определите единичный расход грунтового потока по результатам замеров, выполненных в двух скважинах, расположенных на расстоянии 200 м по направлению течения, если коэффициент фильтрации однородных водовмещающих пород равен 5,2 м/сут. Определите действительную скорость потока.
| Результаты замеров | Варианты | |||||||
| № скважины | № скважины | № скважины | № скважины | |||||
| Абсолютные отметки, м: устья скважины | 32,1 | 30,3 | 22,4 | 20,7 | 56,1 | 55,3 | 83,8 | 84,1 |
| уровня грунтовых вод | 28,0 | 24,2 | – | – | – | – | 81,6 | 80,5 |
| кровли водоупора | 17,8 | 18,3 | 8,6 | 8,8 | 48,6 | 44,3 | – | – |
| Мощность h водоносного пласта, м | – | – | – | – | 5,2 | 6,7 | 3,4 | 3,2 |
| Глубина d залегания уровня грунтовых вод, м | – | – | 3,2 | 6,6 | – | – | – | – |
| Пористость, % |
2. По данным, приведенным в таблице 7.2, постройте схему и определите приток воды к совершенной скважине с круговым контуром питания при горизонтальном водоупоре.
| Данные для расчета | Варианты | |||||||||
| Абсолютные отметки, м: устья скважины | 31,4 | 96,7 | 54,8 | 71,3 | 29,5 | 90,5 | 50,0 | 77,5 | 35,8 | 86,8 |
| статического уровня грунтовых вод | 29,9 | – | – | 67,6 | 27,0 | – | – | 73,8 | 34,2 | – |
| динамического уровня в скважине при откачке | 25,5 | – | 47,3 | – | 23,5 | – | 42,2 | – | 29,5 | – |
| кровли водоупора | 11,6 | 78,5 | – | 58,2 | 9,8 | 72,0 | – | 64,4 | 16,5 | 68,7 |
| Глубина залегания уровня грунтовых вод, м | – | – | 2,3 | – | – | – | 2,1 | – | – | – |
| Мощность Н водоносного пласта, м | – | 14,9 | 12,5 | – | – | 13,0 | 11,0 | – | – | 13,6 |
| Понижение уровня S, м | – | 3,0 | – | 2,8 | – | 2,5 | – | 2,9 | – | 3,5 |
| Коэффициент фильтрации Кф, м/сут | 7,1 | 3,8 | 18,6 | 13,4 | 5,5 | 6,4 | 7,7 | 8,3 | 9,1 | 10,5 |
| Расстояние L от скважины до водоема,м | 82,0 | 60,0 | 74,8 | 30,0 | 42,0 | 45,6 | 55,9 | 72,1 | 75,3 | 80,0 |
| Диаметр 2r скважины, мм |
3. По данным, приведенным в таблице 7.3, постройте схему и определите приток воды к совершенной скважине, расположенной в напорном водоносном пласте.
Источник
Определение притока безнапорной грунтовой воды в совершенную скважину
Необходимо построить схему движения вод и определить приток воды к совершенной скважине с круговым контуром питания и горизонтальным водоупором.
Совершенной называют скважину доведенную до водоупора и питаемую водой только через боковые стенки.
| 1.Абсолютные Отметки( м ) | вариант №1 | вариант №2 | вариант №3 | вариант №4 | вариант №5 | вариант №6 |
| Устья скважины | 31.4 | 96.7 | 54.8 | 71.3 | ||
| Статический уровень вод м | 29.9 | — | — | 67.7 | ||
| Динамический ур. при откачке м | 25.5 | — | 47.3 | — | ||
| Кровли нижнего водоупора м | 11.6 | 78.5 | — | 58.2 | — | |
| 2.Глубина залегания воды м | — | — | 2.3 | — | — | |
| 3.мощность пласта воды H (м) | — | 14.9 | 12.5 | — | ||
| 4.Понижение воды Sм | — | — | 2.8 | — | — | |
| 5.Коэффициент фильтрации Kм\сут. | 7.1 | 3.8 | 18.6 | 13.4 | ||
| 6.Расстояние L до водоема м | ||||||
| 7.Диаметр скважины Д=2r мм |
Рис 7.3 Схема грунтовых вод (вариант 1 таблица 7.4.)
Приток воды к совершенной скважине(дебит) ,в общем виде, определяется по формуле
Q=kπ (H 2 –h 2 )/ (lnR — ln r ) (7.7)
В случае расположении скважины вблизи дренирующего водоема
, в зависимости от расстояния L от водоема, используются формулы:
Для выбора формулы расчета необходимо вначале определить радиус влияния скважины R .
R=2S√Hk, где S-величина понижения воды в скважине при откачке,
H-мощность водоносного пласта определяемого как разность абсолютных отметок статического уровня грунтовой воды и кровли водоупора ,
к- коэффициент фильтрации. h=(H-S) — Высота столба воды в скважине.
Пример решения вариант 1 таб.7.4.
Т.к. L=82 м >0.5 R=50.2м ,то используем формулу 7.8.
Q=1.366 x 7.1 (18.3 2 -13.9 2 )/ lg 100.3 -lg 0.152 = 487 м 3 .\сут
7.5. Определение притока напорной грунтовой воды в совершенную скважину. Рис 7.4.
| 1.Абсолютные Отметки( м ) | вариант №1 | Вари ант №2 | Вари ант №3 | Вари ант №4 | Вари ант №5 | Вари ант №6 |
| Устья скважины | 42.5 | 73.4 | 65.1 | 87.3 | ||
| Пьезометрический уровень | 39.6 | 67.8 | ||||
| Кровля нижнего водоупора | 13.4 | 17.8 | ||||
| Подошва верхнего водоупора м | 46.3 | 23.4 | ||||
| Динамический уровень при откачке | 36.1 | 83.8 | 86.6 | |||
| 2.Глубина залегания воды м | ||||||
| 3.мощность пласта воды H (м) | 15.9 | |||||
| 4.напор над подошвой верхнего водоупора | 14.2 | 22.8 | 34.9 | |||
| 5.напор над кровлей нижнего водоупора | ||||||
| 6 понижение уровня | ||||||
| 7.Коэффициент фильтрации Kм\сут. | 9.6 | 4.5 | 11.5 | 6.2 | ||
| 8.Диаметр скважины Д=2r мм |
Недостающие в таблице данные определяются исходя из имеющихся с использованием схемы.
Рис 7.4 схема расположения вод по варианту 1
Приток воды к совершенной одиночной напорной скважине определяется по формуле 7.10.
Q= 2.73 k m S \ (lg R –lg r) (7.10)
Где R=10S√k радиус влияния скважины
Пример выполнения задания по варианту №1.
Абсолютную отметку подошвы верхнего водоупора определяем как разность абсолютной отметки пьезометрического уровня и высоты напора 39.6-14.2=25.4 м.Мощность водоносного пласта вычисляем как разность абсолютных отметок подошвы верхнего водоупора и кровли нижнего водоупора m=25.4-13.4=12м.
Понижение уровня равно разности абсолютных отметок пьезометрического и динамического уровней S=39.6-36.1=3.5 м
Далее вычисляем значение R. R=10×3.5√ 9.6=108.4 м
Вычисляем значение Q. Q=2.73×9.6x12x3.5/(lg108.4-lg0.152=386 м 3 \сут
7.6 Определение притока грунтовой воды к совершенной канаве
Исходя из данных приведенных в таблице 5 постройте схему залегания вод и определите приток грунтовой безнапорной воды к совершенной канаве. Совершенной канавой называют канаву доведенную до водоупора и имеющей только боковой приток воды.
| 1.Абсолютные Отметки( м ) | вариант №1 | Вари ант №2 | Вари ант №3 | Вари ант №4 | Вари ант №5 | Вари ант №6 |
| .Поверхность земли | 82.5 | 18.6 | 61.7 | 34.1 | ||
| Статический уровень | 16.2 | |||||
| Динамический уровень | 50.3 | |||||
| Кровли водоупора | 12.4 | 29.5 | ||||
| 2. мощность пласта воды H (м) | 2.6 | 2.8 | ||||
| 3.Глубина залегания воды м d | 1.3 | 0.9 | ||||
| 4понижение уровня S | 2.1 | 2.4 | 3.4 | |||
| 5.длина дрены L | ||||||
| 6.коэффициент фильтрации к м3\сут | 6.4 | 2.3 | 7.2 | 5.8 | 4.8 |
Пример решения задания по варианту №1.
Схема залегания грунтовых вод у канавы приводится на рис 7.5
Двусторонний приток воды к совершенной канаве определяется по
Формуле Q=kL(H 2 –h 2 )/R
Где R радиус влияния канавы R=2S√ Hk , h-высота воды в канаве при откачке h=(H-S). Абсолютную отметку статистического уровня вычисляем как разность абсолютных отметок поверхности земли и глубины залегания уровня грунтовой воды 82.5-1.3=81.2 м.
Понижение уровня грунтовой воды S равно разности абсолютных отметок статического и динамического уровней воды
Далее определяем радиус R влияния канавы на уровень грунтовой воды
R=2×1.2 √2.6 x6.4 =9.8м
Затем рассчитывает приток воды (дебит) в канаву
Q=6.4x120x (2.6 2 -1.4 2 )/9.8 = 376м 3 \сут
Тема 8.ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД
8.1. Методика анализ карт гидроизогипс
Анализ карт гидроизогипс позволяет составить краткую гидрологическую характеристику участка. По карте гидроизогипс можно определять: 1) направление движения грунтовых вод на заданном участке; 2) глубину залегания грунтовых вод в любой точке или на любом участке; 3) уклон грунтового потока; 4) характер взаимосвязи грунтовых вод с поверхностными; 5) условия питания и разгрузки грунтовых вод.
Направление движения грунтовых вод берут по нормали к двум смежным гидроизогипсам. Движение воды направлено от более высоких отметок уровня к более низким (рис. 8.1 ).
Рис. 8.1. Схема связи грунтовых вод с поверхностными:
А — река дренирует грунтовые воды,
Б — река питает грунтовые воды,
В — река питает и дренирует грунтовые воды
Глубину залегания грунтовых вод в любом заданном пункте определяют по разности отметок горизонтали поверхности и гидроизогипсы. Уклон потока подземных вод для любого участка вычисляют делением сечения карты гидроизогипс на кратчайшее расстояние между двумя гидроизогипсами, взятое в масштабе карты.
Связь грунтовых вод с поверхностными устанавливают по характеру сопряжения гидроизогипс с рекой. В природе наблюдаются два основных случая: первый — грунтовые воды питают поверхностные (рис. 8.1 А), второй — поверхностные воды питают грунтовые (рис. 8.1 Б). Кроме того, реки могут одновременно питать и дренировать грунтовые воды (рис. 8.1 В).
По соотношению и характеру изменения гидроизогипс можно получить представление о потоке. Участки замкнутых гидроизогипс с высокими отметками указывают на положение водоразделов грунтовых вод, где условия питания наиболее благоприятны. Зоны с нулевой глубиной до воды указывают на участки выхода подземных вод на поверхность земли.
Если на пути движения потока сильно водопроницаемые породы сменяются слабо водопроницаемыми, гидроизогипсы сгущаются, так как поверхность грунтовых вод приобретает больший уклон. При поступлении грунтовых вод из слабо водопроницаемого в сильно водопроницаемый пласт гидроизогипсы располагаются реже. Сгущение гидроизогипс может указывать также на уменьшение мощности водоносного пласта и на дренирующее влияние рек и озер.
Источник