8 (800) 350 - 01 - 91

Задать вопрос

Основные законы движения подземных вод

Основные законы движения подземных вод

Движение воды под землей

Динамика подземных вод изучает закономерности их движения в горных породах под влиянием естественных природных или искусственных факторов.

Движение воды в горных породах происходит при разности уровней ее в двух сечениях (рис. 1). Разность уровней h = Н1 — H2 создает напор, под действием которого вода от сечения I движется в направлении сечения II.

Скорость подземного потока v зависит от напора и длины пути фильтрации l: с повышением напора она возрастает, а с увеличением пути фильтрации уменьшается.

Гидравлический уклон (гидравлический градиент) выражает падение напора h воды на единицу, пути фильтрации и вычисляется как отношение напора h к длине пути l:


Скорость движения подземных вод зависит от характера и размера пор, пустот, трещин, а также от величины гидравлического уклона.

Разрез участка подземного потока

Рис. 1. Разрез участка подземного потока:
АВ — уровень подземных вод; A1B1 — водоупорное ложе; h — напор; l — длина пути фильтрации между сечениями I и II

Линейный закон фильтрации (закон Дарси)

Движение подземных вод в пористых породах, например в песке, галечнике, супеси, суглинке, имеет ламинарный (параллельно-струйный) характер, т. е. происходит без разрыва, с плавным изменением скорости и подчиняется основному закону фильтрации — закону Дарси. Ламинарный характер движения обычно наблюдается и в трещиноватых породах при небольшой ширине трещин, а в ряде случаев и в кавернозных известняках.

Закон Дарси выражается формулой


где Q — количество фильтрующейся воды (расход) в единицу времени, м3/сут; k — коэффициент фильтрации, м/сут; F — площадь поперечного сечения потока, м2; h — напор, или разность уровней в двух рассматриваемых сечениях, м; l — длина пути фильтрации, м.

Заменив h/l на I, получим


Если обе части равенства разделить на F и учесть при этом, что

то получим


Уравнение показывает, что при ламинарном движении скорость фильтрации пропорциональна гидравлическому уклону в первой степени.

Скорость фильтрации v представляет собой кажущуюся скорость. С этой скоростью вода двигалась бы в том случае, если бы она занимала все сечение F. В действительности при фильтрации в горных породах вода течет только через часть сечения, равную площади пор и трещин, другая же часть сечения занята зернами породы.

Действительную скорость движения воды vД можно получить, разделив расход Q на действительную площадь фильтрующего сечения, т. е. на площадь пор Fп (где п — пористость грунта, выраженная в долях единицы):


Заменив Q/F на v, получим


и


Так как пористость п всегда меньше единицы (для песка п = 0,35–0,45), то скорость фильтрации v всегда меньше действительной скорости движения воды в порах и трещинах.

В особых случаях движение подземных вод в грубообломочных и сильнотрещиноватых скальных породах с крупными пустотами большой протяженности имеет турбулентный (вихревой) характер. Такое движение А. А. Краснопольский отождествил с движением воды в трубах и каналах.

В грубообломочных рыхлых и крупнотрещиноватых скальных породах с трещинами, частично заполненными рыхлым материалом, возможен смешанный характер движения, математическое выражение которого различными авторами дается по-разному.

Современная теория движения подземных вод разработана почти исключительно на основе закона Дарси. Это объясняется тем, что, по данным Г. Н. Каменского — основоположника инженерной гидрогеологии, линейный закон фильтрации справедлив при действительной скорости движения подземных вод vД до 1000 м/сут или при скорости фильтрации v до 400 м/сут, а эти значения значительно превышают скорость естественного потока подземных вод в песчаных и обломочных породах и могут встретиться только в карстовых пустотах и крупных трещинах.

Коэффициент фильтрации, характеризующий водопроницаемость горных пород, можно определить тремя методами:

  1. опытными откачками в полевых условиях (наиболее точный метод). В ненасыщенных породах вместо откачек применяют опытные наливы в шурф или скважину;
  2. с помощью фильтрационных приборов в лабораторных условиях (недорогой, но менее точный способ). Этот способ позволяет определить водопроницаемость небольших образцов рыхлых грунтов (высотой 10–15 см), обычно не сохранивших естественной структуры;
  3. по эмпирическим формулам, учитывающим гранулометрический состав и пористость (дешевый и простой, но наименее точный способ). Этот способ следует широко применять при разведке месторождений полезных ископаемых, источников водоснабжения, участков гидротехнического строительства и при гидрогеологической съемке, когда водопроницаемость песков, залегающих на большой площадке, опытными откачками установить невозможно.

Свяжитесь с нами

Прикрепить файл

Поддерживаемые форматы файлов для загрузки:
gif, png, jpg, jpeg, pdf, doc, docs, xls, xlsx, txt
Ерлан Тимиргалиев Инженер-гидротехник

Спасибо за заявку!

Мы свяжемся с Вами ближайшее время.