Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Гидрогеология и основы геологии

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ПОТОКА

К элементам фильтрационного потока относятся линии токов а и линии равных напоров Н, расход потока Q, скорость фильтрации V, ширина потока В, мощность потока h (или т), разность напоров АН и напорный градиент / (рис. 8.3).

Воображаемые линии токов а и линии равных напоров Н в каждой точке взаимно перпендикулярны и вместе образуют так называемую гидродинамическую сетку движения воды. Расход Q фильтрационного потока (л/с или м3/сут) представляет собой количество воды, проходящее через поперечное сечение потока Г0 в единицу времени /.

Гидродинамическая сетка используется при изучении установившегося движения в одной плоскости. По такой сетке на различных участках фильтрации можно определить средние скорости фильтрации, направление движения, расход потока. Скорость фильтрации — величина фиктивная, равная отношению расхода Q к площади поперечного сечения потока Г0:

Рис. 8.3. Продольные разрезы фильтрационных потоков ненапорных (а) и напорных (б) вод [21]:

породы: 7 — водопроницаемые; 2 — водонепроницаемые; h1 и h2 — мощность потока ненапорных вод в сечениях 1 и 2; /-/, и Н2 — абсолютные отметки установившихся уровней воды в сечениях 1 и 2; т — мощность потока напорных вод;

2 — расстояние между сечениями 1 и 2

Для определения действительной скорости движения воды U расход Q следует разделить на водопроводящую площадь водоносной породы F0na:

Учитывая зависимость (8.14), запишем:

Поскольку па активная пористость, всегда меньшая единицы, действительная скорость фильтрации U всегда больше фиктивной V. Ширина потока В измеряется в направлении, перпендикулярном к движению воды.

Мощность потока в какой-либо его точке соответствует мощности зоны насыщения. Для потока со свободной поверхностью мощность h измеряется от уровня воды (свободной поверхности) до нижней водонепроницаемой границы потока. По потоку и во времени мощность h, как правило, — величина переменная. Для напорных вод мощность потока т равна мощности водоносной породы между верхним и нижним водонепроницаемыми пластами. Она может быть постоянной или изменяться по потоку.

По направлению движения воды происходит падение напора АН = Нх - #2, где Н] > Н2 высота свободного или пьезометрического уровня над плоскостью сравнения. Если нижняя граница фильтрационного потока горизонтальна, то ее можно принимать за плоскость сравнения. В других случаях плоскость сравнения может быть нулевой или какой-либо другой, но расположенной ниже кровли нижнего водоупора данного водоносного горизонта.

Напорный градиент I представляет собой отношение напора АН к длине пути фильтрации Ьх_2. От величины напорного градиента в значительной степени зависит скорость фильтрации.

Водопроницаемость водоносных пород. Количественно она оценивается коэффициентом фильтрации. Деление пород по водопроницаемости приведено в табл. 8.1.

Фильтрационные свойства горных пород [2, 21]

Таблица 8.1

03

С

С

>>

О.

U

Характеристика

проницаемости

Основные виды пород

Коэффициент

фильтрации,

м/сут

Пористость (пустот- ность), %

1

Очень

1.

Галечники и гравий без за-

Более 100

25-35

высокая

полнителя, валунно-галечные

отложения.

2.

Сильно закарстованные карбонатные породы.

Более 100

20-35

3.

Сильно трещиноватые магматические и метаморфические породы

Более 70

1-5

II

Высокая

1.

Галечники и гравий с заполнителем; песчано-галечные отложения; грубозернистые

15-70

25-35

пески.

2.

Разно- и среднезернистые

7-15

25-35

пески.

3.

Закарстованные карбонатные породы.

7-20

1-8

4.

Трещиноватые магматические и метаморфические породы

5-20

1-2

III

Средняя

1.

Галечники и гравий с заполнителем (мелко- и среднезернистый песок).

5-10

25-30

2.

Пески среднезернистые.

5-10

25-40

3.

Трещиноватые песчаники, гравелиты, конгломераты.

5-7

6-20

4.

Слабо закарстованные карбонатные породы.

3-7

1-2

5.

Трещиноватые магматические и метаморфические породы

3-5

0,2-0,5

Окончание табл. 8.7

с

с

>>

о,

1—

Характеристика

проницаемости

Основные виды пород

Коэффициент

фильтрации,

м/сут

Пористость (пустот- ность), %

IV

Низкая

1.

Пески тонкозернистые и пы-

До I

25-40

леватые.

2.

Слабо трещиноватые магма-

о

0

1

о

0,1-1

тические и метаморфические

породы.

о

0

1

о

25-40

3.

Лёссовидные суглинки

V

Весьма

1.

Суглинки, тяжелые супеси.

0,001-0,01

25-40

низкая

2.

Сцементированные песча

0,001-0,01

5-8

ники, алевролиты и т.п.

3.

Очень слабо трещиноватые

0,001-0,01

о

о

т

о

или слабо закарстованные по

роды

VI

Практи

1.

Глины, аргиллиты, тяжелые

Менее 0,001

15-40

чески

суглинки.

непрони

2.

Скальные и полускальные мо

Менее 0,001

Менее

цаемые

нолитные породы

0,01

(водо-

упоры)

В зависимости от величины водопроницаемости по различным направлениям породы могут быть изотропными и анизотропными. Во-первых, водопроницаемость и коэффициент фильтрации не зависят от направления движения воды, во вторых, значения коэффициента фильтрации в вертикальном и горизонтальном направлениях заметно отличаются. Например, лёсс обладает более высокой водопроницаемостью в вертикальном направлении, а глины — в горизонтальном. Все водопроницаемые, как изотропные, так и анизотропные, породы могут быть однородными и неоднородными. Последнее относится в основном к зернистым породам: гранулометрический состав и пористость этих, внешне однородных пород, могут постепенно изменяться в каком-либо направлении.

Фильтрационные потоки могут иметь нижнюю, верхнюю и боковые границы. Нижней границей потока служит кровля нижнего водоупора (водонепроницаемой породы). Верхняя граница фильтрационного потока ненапорных вод свободная, т.е. положение поверхности воды изменяется во времени. Боковые границы расположены по контуру фильтрационного потока, это могут быть участки питания (верхняя боковая граница) и дренажа потока (нижняя боковая граница), а также водонепроницаемые породы.

По форме в плане границы потока могут быть прямоугольными, округлыми или геометрически неправильными. Обычно боковыми границами потоков являются берега рек, озер, склоны оврагов, балок и т.д. Боковые границы могут быть искусственными — наружными (берега каналов, водохранилищ) и внутренними (контуры подземных частей сооружений). Искусственные границы потоков могут быть участками питания, расходования или водонепроницаемыми.

Для решения дифференциальных уравнений, описывающих движение подземных вод в пористой среде, необходимо знать краевые условия, включающие начальные и граничные условия. В символьном виде можно выделить четыре вида граничных условий:

1) граничное условие первого вида Н =/(/), или Н = const (например, уровень воды в реке, канале, озере);

2) граничное условие второго вида Q =/(/), или Q = const (например, расход скважины или водоупор);

3) граничное условие третьего вида Q =f(Hx - Н2) (например, когда происходят перетоки вод из одного водоносного горизонта с напором Нх в другой с напором Н2 через слабо проницаемый водоупор);

4) граничное условие четвертого вида свидетельствует о том, что на границе раздела двух сред (например, разные коэффициент фильтрации, водопроводимость) 0притока = (?отгока.

Для расчетов расхода воды в фильтрационном потоке необходимо иметь представление о направлениях движения воды по его площади (в плане) и глубине (в разрезе). В соответствии с направлениями движения воды фильтрационные потоки делятся на плоские и пространственные.

Плоские потоки, в свою очередь, делятся на одномерные (линейные) и двухмерные. В линейных потоках линии тока параллельны и в плане, и в разрезе. Двухмерные плоские потоки могут быть плановыми и профильными. Наиболее сложен пространственный, или трехмерный, фильтрационный поток: линии тока в нем взаимно не параллельны ни в плане, ни в разрезе. Такие условия могут быть при криволинейных очертаниях боковых границ, мощном водоносном горизонте, обходной фильтрации воды вблизи плотины и т.д.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое фильтрация, инфильтрация и инфлюация?

2. Какое движение подземных вод в пористой среде описывают уравнения Дарси и Шези — Краснопольского?

3. Перечислите основные элементы фильтрационного потока.

4. Напишите в символьном виде известные вам граничные условия и объясните их физический смысл.

5. Чем отличается действительная скорость фильтрации подземных вод от фиктивной? Как ее можно определить?

6. Перечислите основные виды фильтрационных потоков.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
 
Популярные страницы