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 К_ф – 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, равной 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 формуле:

при L 0,5 R, (7.5)

при L < 0,5 R, (7.6)

где h – уровень воды в скважине после откачки; .

Рис. 7.2. Расчетная схема для определения притока воды к совершенной скважине, расположенной на берегу реки (водоема) в безнапорном водоносном пласте.

 

Дебит совершенной скважины, питаемой напорными водами:

, (7.7)

где m – мощность водоносного пласта; – радиус влияния совершенной напорной скважины.

Рис. 7.3. Расчетная схема для определения притока воды к скважине в напорном водоносном горизонте.

 

При проектировании и строительстве сооружений для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод составляется карта гидроизогипс. Гидроизогипсами называются линии, соединяющие точки с равными абсолютными отметками зеркала грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала грунтовых вод.

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 движение 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 несколько 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.