ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4
ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Цель работы: получение практических навыков по основным вопросам рационального использования подземной воды для водоснабжения и принятия обоснованных инженерных решений по борьбе с отрицательным их воздействием при строительстве и эксплуатации различных сооружений.
Общие положения
Воды, находящиеся в верхней части земляной коры и залегающие ниже поверхности земли называются подземными. Они классифицируют по ряду признаков: составу, происхождению, условиям залегания.
По условиям залегания в земной коре подземные воды подразделяются на верховодку, грунтовые и межпластовые воды. Верховодка и грунтовые относятся к не напорным и имеют свободную поверхность, давление на которую равно атмосферному. Межпластовые воды могут быть как не напорными, так и напорными, последние иначе называют артезианскими и они имеют пьезометрическую (напорную) поверхность.
Подземные воды в большинстве случаев находятся в состоянии движения. Это возможно при наличии разности гидравлических напоров (уровней). Воды движутся от мест с более высоким напором (рис. 4.1) по закону фильтрации в ламинарном режиме (закон Дарси):
,
где Q - расходы (количество) воды, м3/сут; k f - коэффициент фильтрации, м/сут; F - площадь поперечного сечения потока воды или водоносного пласта, м2; DН = Н1 - Н2 - разность напоров, м; L - длина пути фильтрации, м; J - напорный (гидравлический) градиент.
Рис. 4.1. Схема движения (фильтрации) грунтовых вод
Разделив обе части уравнения на площадь сечения F и используя понятие скорости фильтрации V, т.е. отношение расхода Q к площади поперечного сечения потока, получаем
.
Действительную скорость движения воды Vd определяют с учетом пористости породы
где n - пористость водопроницаемых пород, выраженная в долях единицы.
В инженерно- геологической практике для описания характера движения подземных вод используются частные случаи.
Расход грунтового (безнапорного) потока Q, в м3/сут для однородных пластов (рис. 4.2) определяется по формуле
,
где Н1 и Н2 - напоры воды на границах участка фильтрации в сечениях I и II, отсчитанные от уровня моря (0.00),м; l -длина участка фильтрации, м; h1 и h2 - мощность грунтового потока в сечениях I и II, м; B - ширина потока, м; k ф - коэффициент фильтрации, м/сут.
Рис. 4.2. Схема для расчета расхода плоского грунтового потока
Расход напорного потока в однородных пластах (рис. 4.3) при незначительном изменении мощности пласта определяется по формуле
где m1 и m2 - мощность напорного пласта на границах участка фильтрации в сечениях I и II, м.
При значительной разности мощностей m1 и m2 для расчетов используется формула
.
Рис. 4.3. Схема для расчета расхода напорного потока
При движении напорных подземных вод в неоднородных водоносных пластах вводится средний коэффициент фильтрации К ф, ср., который определяется по формуле
где mi - мощности неоднородных водоносных пластов, kф.i - значения коэффициента фильтрации каждого слоя.
В инженерной практике возникает необходимость определения притока воды к водозаборным сооружениям: радиально-вертикальным - скважинам, колодцам; горизонтальным - траншеям, котлованам и др.
Для определения притока (дебита) воды к совершенной скважине Q в м3/сут, вскрывшей грунтовый безнапорный водоносный горизонт (рис.4), используют одну из формул
или
где Н - мощность безнапорного пласта, м; h - высота столба воды в скважине, м; S - понижение уровня воды при откачке, м; kф - коэффициент фильтрации, м/сут, r - радиус скважины, м; R - радиус влияния депрессионной воронки, являющейся поверхностью сопряжения статического уровня подземных вод и динамического уровня в скважине. Для определения R, в м пользуются формулой
.
Рис. 4.4. Схема для определения дебита одиночной
скважины, вскрывшей грунтовые воды
Расход (дебит) совершенной скважины, вскрывшей напорный горизонт (рис. 4.5) равен
,
где m - мощность водоносного пласта, м; а R - радиус влияния, который для напорных водоносных пластов рассчитывается по формуле
.
Рис. 4.5. Схема для определения дебита одиночной
скважины, вскрывшей напорные воды
Для характеристики расположения грунтовых вод составляют карту гидроизогипс, а для оценки напорных вод гидроизопьез (пьезогибс). Гидроизогипсы и гидроизопьезы - линии, аналогичные горизонталям рельефа местности и подобно им отображают рельеф зеркала вод. Такие карты необходимы при решении многих задач, связанных с проектированием водозаборных сооружений, борьбой с подтоплениями территорий и др.
Порядок выполнения работы.
Для построения карт размещения подземных вод и изучения их динамики замеряют уровни воды в скважинах, расположенных обычно в углах квадратной или прямоугольной сетки, причем замеры должны быть единовременными.
Полученные абсолютные отметки подписывают над каждой скважиной и затем методом интерполяции строят гидроизогипсы или гидроизопьезы. Сечение изолиний (частоту их заложения) выбирают в зависимости от масштаба карты от 0,5 до 10,0 м.
По составленной карте определяют направление и характер движения подземного водного потока. Он направлен перпендикулярно линиям гидроизогипс или пьезогипс в сторону понижения уровня.
Направление и скорость движения подземного потока для небольшого участка определяют методом “трех скважин” пробуренных (в плане) не на одной прямой. Интерполяцией определяют расположение изолиний и линий тока воды, а затем индикаторным способом устанавливают скорость фильтрации (по скорости проявления красителя, электролита или радиоактивных изотопов на участке фильтрации).
Основные методы построений и расчетов покажем на конкретных примерах.
Пример 4.1. При бурении трех скважин, расположенных (в плане) в углах равностороннего треугольника со стороной L=160 м, встречены водоносные пески, подстилаемые водонапорными глинами. Используя приведенные ниже данные постройте колонку одной из скважин и определите направление, скорость фильтрации и действительную скорость потока грунтовых вод.
Таблица 4.1
Параметры | скв.1 | скв.2 | скв.3 |
Абс. отметка устья скважины, м. | 24,3 | 22,1 | 29,4 |
Абс. отметка уровня воды в скважине, Н, м. | 22,4 | 19,9 | 27,3 |
Абс. отметка кровли водоупора, м. | 19,5 | 16,7 | 24,1 |
Коэффициент фильтрации, kф, м/сут. | 3,4 | 3,4 | 3,4 |
Пористость песка, % |
Порядок построения. Для определения направления потока изображают в масштабе план скважин (рис. 4.6). Указывают их номера и абсолютные отметки уровня грунтовых вод (УГВ) в каждой скважине. Направление потока в плане перпендикулярно гидроизогипс (или их касательным в отдельных точках, если
Рис. 4.6. Схема колонки скважины № 1 и определения
направления грунтового потока
поток криволинейный). При наличии только трех скважин криволинейность потока не может быть учтена все гидрогипсы (линии, соединяющие точки с равными абсолютными отметками УГВ) будут параллельны, поэтому достаточно провести одну из них. С этой целью между скважинами с максимальной (27,3 м) и минимальной (19,9 м) отметками УГВ путем линейной интерполяции находят точку с отметкой, равной 22,4 м. Из соотношения
( H3-H1 ) / L2-4 = (H1-H2) / (L-L2-4)
определяют
L2-4 = (H3-H1) L / (H3-H2),
где Н1, Н2, Н3 - уровни воды, соответственно в скважинах 1, 2, 3; L - расстояние между скважинами; L2-4 - расстояние между точками 2 и 4.
L2-4 = (27,3-22,4)160 / (27,3 - 19,9) = 54 м
Через точку 4 и скважину 1 проводят линию гидроизогипс, а поток перпендикулярен ей и направлен в сторону понижения уровня (показано стрелкой).
Скорость фильтрации вычисляют между точками 3 и 5, расположенными по направлению потока по формуле
,
где J= (H3-H1) /L3-5 – гидравлический уклон, L3-5 – расстояние между точками 3 и 5, определяется способом тригонометрических исчислений:
,
где L3-4 = 106 м, L2-4 = 54 м
м,
Тогда V = 3,4(27,3-22,4)/104 = 0,16 м/сут; действительная скорость потока V d с учетом пористости грунта составит V d = 0,16/0,38 = 0,42 м/сут.
Задание 4.1. Тремя буровыми скважинами вскрыты напорные воды, залегающие в гравийно-галечниковых отложениях под слоем водоупорных суглинков. Используя приведенные ниже данные постройте колонку одной из скважин и определите направление, скорость фильтрации и действительную скорость потока напорных вод, если скважины расположены в плане в углах равностороннего треугольника со стороной 120 м.
Таблица 4.2
| Данные для расчета по вариантам | |||||||||
Параметры | ||||||||||
| № скважины | № скважины | № скважины | |||||||
| ||||||||||
Абсолютные отметки, м: |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
· устья скважины | 73,6 | 73,2 | 73,5 | 94,4 | 94,9 | 93,1 | 81,7 | 84,4 | 82,8 | |
· пьезометрического уровня | 82,1 | 83,4 | 86,7 | - | - | - | - | - | - | |
· подошвы верхнего водоупора | - | - | - | 18,5 | 17,8 | 19,3 | - | - | - | |
Напор над подошвой верхнего водоупора, м. | - | - | - | 40,3 | 42,2 | 37,9 |
|
|
| |
Глубина залегания пьезометрического уровня, м. | - | - | - | - | - | - | 7,7 | 13,3 | 12,0 | |
Коэффициент фильтрации, м/сут. | 37,6 | 37,6 | 37,6 | 16,4 | 16,4 | 16,4 | 28,2 | 28,2 | 28,2 | |
Пористость, % |
Пример 4.2. Построить карту гидроизогипс в масштабе 1:500 по результатам бурения 12 скважин, расположенных в плане в углах квадратной сетки на расстоянии 25 м друг от друга.
Сечение горизонталей и гидроизогипс применять через 1 метр, На карте покажите направление потока и выделите участки с глубиной залегания уровня грунтовых вод менее 2 м.
Таблица 4.3
Пара- метр | № скважины | |||||||||||
абс. отм. Устья скв., м. |
13,1 |
12,2 |
11,3 |
10,8 |
13,6 |
13,4 |
12,5 |
12,2 |
16,1 |
15,3 |
14,7 |
13,5 |
глубина залегания уровня вод, м. |
4,1 |
3,9 |
5,6 |
2,7 |
3,6 |
2,8 |
2,0 |
1,6 |
3,5 |
3,2 |
0,9 |
0,3 |
В заданном масштабе наносят на карту план расположения скважин, обозначая их кружками Æ2мм. Слева от каждой скважины записывают ее номер, справа в числителе - абсолютную отметку устья, а в знаменателе- абсолютную отметку уровня грунтовых вод (УГВ).
Абс. отметка УГВ в каждой скважине вычисляют как разность между отметкой устья и глубиной залегания УГВ. Далее в пределах сетки скважин путем интерполяции находят точки с абс.отметками, равными целому числу (по заданию сечение горизонталей и гидроизогипс равно 1 м). Соединив точки с одинаковыми отметками плавными линиями, получают горизонтали рельефа. Аналогично, путем интерполяции находят точки с абс.отм. УГВ. Соединив точки с одинаковыми отметками УГВ плавными линиями, получим гидроизогипсы (рис. 4.7).
Интерполяцию графическим методом производят с помощью палетки, представляющей собой систему параллельных линий (масштабную сетку), проведенных на кальке на равном расстоянии друг от друга (обычно 2...5 мм). Выполняется интерполяция в такой последовательности. Точки, (отметки уровней), которые подлежат интерполяции, соединяют вспомогательной прямой линией (после окончания работы линия может быть стерта). Палетка накладывается на одну из точек таким образом, чтобы отметка на палетке и отметка точки совпадали. Эта точка фиксируется путем прокола булавкой. Далее палетка поворачивается вокруг булавки до тех пор, пока отметка второй точки не совпадет с соответствующей отметкой на палетке. На пересечении отрезка, соединяющего точки с масштабной сеткой палетки, находят искомые точки.
Рис. 4.7. Пример построения карты гидроизогипс
Целесообразно производить интерполяцию, соединяя ближайшие точки отрезками так, чтобы последние образовывали в плане треугольники или четырехугольники (в данной задаче квадраты).
Для выделения участков с глубиной залегания УГВ менее 2 м находят точки пересечения горизонталей и гидроизогипс с разностью отметок 2 м. Линия, проведенная через эти точки называется гидроизобатой и будет границей участка. На рис. 4.7 гидроизобата показана пунктирной линией, а участок с глубиной залегания УГВ менее 2 метров заштрихован. Направление грунтового потока показано стрелками.
Задание 4.2. При выполнении разведочных работ пробурено 12 скважин, расположенных в плане в углах квадратной сетки на расстоянии 25 м друг от друга. В таблице приведены абсолютные отметки устьев скважин (в числителе) и результаты одновременного замера глубин залегания уровней грунтовых вод (в знаменателе). Используя эти данные, постройте карту гидроизогипс на топографической основе масштаба 1:500, приняв сечение горизонталей и гидроизогипс через 1 м.
На карте покажите направление потока и выделите участки с глубиной залегания УГВ менее 2 м.
| № скважины | |||||||||||
вариант | ||||||||||||
| 12,4 3,9 | 11,3 2,4 | 10,6 1,5 | 10,5 1,8 | 13,0 3,2 | 12,5 2,0 | 12,3 1,7 | 12,4 2,8 | 15,3 3,2 | 14,2 1,3 | 13,7 0,4 | 13,3 2,3 |
| 13,6 3,6 | 13,1 2,8 | 12,5 2,0 | 12,4 1,7 | 16,7 3,6 | 15,1 3,2 | 14,4 1,1 | 13,5 0,4 | 18,2 1,3 | 18,3 4,2 | 18,2 3,1 | 17,0 2,0 |
| 13,2 4,1 | 12,5 2,9 | 12,0 2,4 | 11,7 3,5 | 15,2 4,2 | 14,0 2,0 | 13,6 1,2 | 13,3 3,3 | 18,8 5,0 | 18,0 4,2 | 17,3 3,6 | 17,2 5,2 |
| 10,3 4,2 | 9,1 4,3 | 8,4 2,6 | 7,5 1,6 | 10,6 3,8 | 10,3 3,4 | 9,5 2,3 | 9,1 1,5 | 13,3 3,6 | 12,2 3,2 | 11,2 1,3 | 10,5 0,2 |
| 9,1 4,3 | 8,2 2,5 | 7,6 1,6 | 7,5 2,0 | 10,1 3,2 | 9,5 2,4 | 9,4 1,8 | 9,2 2,5 | 12,0 3,2 | 11,3 1,7 | 10,5 0,8 | 10,3 2,3 |
| 10,6 3,6 | 10,1 3,0 | 9,5 2,3 | 9,6 1,5 | 13,2 3,5 | 12,4 3,2 | 11,5 1,1 | 10,5 0,2 | 15,6 3,3 | 15,3 4,0 | 15,1 2,9 | 14,3 2,4 |
| 10,1 3,6 | 9,5 2,1 | 9,4 1,5 | 9,6 2,5 | 11,2 3,3 | 12,3 0,9 | 10,5 0,2 | 10,3 2,3 | 15,3 4,2 | 15,4 3,2 | 14,3 1,9 | 14,4 4,1 |
| 15,2 3,5 | 15,7 2,5 | 16,7 3,6 | 17,5 5,4 | 14,2 4,1 | 14,3 2,2 | 15,4 3,0 | 15,0 4,4 | 10,3 2,2 | 10,5 0,3 | 11,2 1,4 | 12,3 3,2 |
| 15,7 2,2 | 16,6 3,7 | 17,5 5,2 | 18,2 5,4 | 17,3 2,1 | 15,0 2,8 | 15,2 4,4 | 15,4 3,3 | 10,5 0,2 | 11,2 0,9 | 12,3 3,2 | 13,4 3,5 |
Задание 3. 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.
| Варианты | |||||||
Результаты замеров | 2.1.1 | 2.1.2 | 2.1.3 | 2.1.4 | ||||
| скв.1 | скв.2 | скв.1 | скв.2 | скв.1 | скв2 | скв1 | скв2 |
Абс.отм. 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 | - | - | - | - | 91,6 | 80,5 |
· кровли водоупора | 17,8 | 18,3 | 8,6 | 8,8 | 48,6 | 44,3 | - | - |
Мощность водоносного пласта, м. |
- |
- |
- |
- |
5,2 |
6,7 |
3,4 |
2,3 |
Глубина залегания уровня грунтовых вод |
- |
- |
3,2 |
6,6 |
- |
- |
- |
- |
Задание 4. Двумя скважинами расположенными на расстоянии 140 м по направлению потока напорных вод, под водоупорными песчаниками вскрыт слой водоносных галечников, подстилаемых плотными глинами. Используя приведенные ниже данные постройте схему и определите расход потока шириной 15 м.
| ||||||
Результаты замеров | скв.1 | скв.2 | скв.1 | скв.2 | скв.1 | скв.2 |
Абс.отм.,м: -устья скважины |
94,6 |
91,3 |
76,1 |
80,5 |
66,9 |
58,2 |
- пьезометрического уровня | 81,9 | 77,4 | - | - | - | - |
- подошвы верхнего водоупора | 53,6 | 52,6 | 33,4 | 33,0 | - | - |
- кровли нижнего водоупора | - | - | 23,8 | 20,6 | 35,8 | 32,7 |
Мощность водоносного слоя, м. | - | - | - | - | 16,4 | 18,9 |
Напор над подошвой верхнего водоупора, м |
- |
- |
51,9 |
48,9 |
15,2 |
9,7 |
Напор над кровлей нижнего водоупора, м | 43,8 |
42,0 |
- |
- |
- |
- |
Коэффициент фильтрации м/сут. | 24,2 | 30,7 | 27,1 |
Задание 5. По данным, приведенным ниже, постройте схему и определите приток воды в совершенную скважину, вскрывшую напорные воды.
Данные для расчета | ||||
Абс.отм. м. - устья скважины | 42,5 | 73,4 | 65,1 | 87,3 |
- подошвы верхнего водоупора | - | 46,3 | - | 23,4 |
- кровли нижнего водоупора | 13,4 | - | - | 17,8 |
- пьезометрического уровня | 39,6 | - | 67,8 | - |
- динамического уровня при откачке | 36,1 | 63,8 |
| 86,6 |
Мощность водоносного слоя, м. |
| 15,9 | - | - |
Напор под подошвой верхнего водоупора, м. | 14,2 | 22,8 | 34,9 | - |
Напор под кровлей нижнего водоупора, м. | - | - | 43,7 | 71,6 |
Понижение уровня, м. | - | - | 4,0 | - |
Коэффициент фильтрации, м/сут. | 9,6 | 4,5 | 11,5 | 6,2 |
Диаметр скважины, мм. |
Задание 6. По приведенным данным постройте схему и определите приток воды к совершенной скважине с круговым контуром питания при горизонтальном водоупоре.
Данные для расчета | ||||
Абс.отм. м: - устья скважины | 31,4 | 96,7 | 54,8 | 71,3 |
- статистического уровня грунтовых вод | 29,9 | - | - | 67,6 |
- динамического уровня (при откачке) | 25,5 | - | 47,3 | - |
- кровли водоупора | 11,6 | 78,5 | - | 58,2 |
Глубина залегания уровня грунтовых вод, м. | - | - | 2,3 | - |
Мощность водоносного пласта, м. | - | 14,9 | 12,5 | - |
Понижение уровня, м | - | 3,0 | - | 2,8 |
Коэффициент фильтрации, м/сут. | 7,1 | 3,8 | 18,6 | 13,4 |
Диаметр скважины, мм. |
Содержание и оформление отчета по работе
В отчете указывается цель работы, вариант выполнения заданий 1-6, результаты расчетов, графические построения, текстовые описания и выводы.
Вопросы для самопроверки
1. Как классифицируются подземные воды по условиям залегания?
2. Какому закону подчиняется движение подземных вод?
3. Дайте определение коэффициента фильтрации.
4. Перечислите названия водозаборных сооружений.
5. Дайте определение дебита водозаборного сооружения.
6. Что представляют собой линии гидроизогипс и гидроизопьез?
Список используемой литературы
1. Ананьев В.П., Передельский Л.В. Инженерная геология и гидрогеология.– М.; Высшая школа, 1980г.
2. Чернышов С.Н., Ревелис И.Л., Чумаченко А.Л. Задачи и упражнения по инженерной геологии,–М.: Высшая школа, 1984г.
Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 123 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Заявка по набору персонала | | |