Учебное пособие 2074

Рис. 3.10. Приемная камера для каптажа нисходящих родников:

1 – приемная камера; 2 – гравийный фильтр; 3 – «барражные» стенки; 4 – смотровой колодец; 5 – стенка смотровой камеры, сооружаемая для монтажа трубопроводов

30

4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

4.1. Параметры водоносных пластов

4.1.1. Пористость и водоотдача водоносных пластов

В подземной гидравлике принято различать общую и эффективную пористость.

Под общей пористостью понимают отношение объема всех пор (включая «застойные» и «тупиковые» поры) Wп.о к объему данной части породы в целом

Wпл :

Эффективная пористость nэ определяется аналогичным соотношением, но при объеме только сквозных, собственно фильтрующих пор Wп.э :

Wпл

Если считать, что величина Wп.э соответствует размерам и объему пор за вычетом объема прочно связанных с частицами грунта водных оболочек, не участвующих в движении воды, то эффективная пористость nэ будет равна так называемой активной пористости, которой, по существу, и определяется фильтрация гравитационной воды.

Кроме собственно пористости, различают еще коэффициент пористости (приведенную пористость) ε, который равен отношению объема пор к объему скелета (твердых частиц породы).

В табл. 4.1 приведены ориентировочные значения коэффициента пористости ε, а также общей n и эффективной (активной) пористости nэ для некоторых типов грунтов и пород.

Количество подземных вод, извлекаемых из пласта при его осушении, характеризуется коэффициентом водоотдачи, или коэффициентом гравитационной водоотдачи μ.

Коэффициент гравитационной водоотдачи μ представляет собой отношение объема воды Wв к объему осушенной части пород Wпл.о :

0,1 (мелкозернистые пески, супеси) до 0,25–0,3 (крупнозернистые гравелистые пески). Для суглинков и глин ориентировочно можно принимать μ ≈ 0,01–0,05.

В трещиноватых породах гравитационная водоотдача практически соответствует их общей трещиноватости, или пустотности, т.к. основной поток подземных вод проходит по трещинам; фильтрацией воды по порам и монолитным блокам можно пренебречь. Величины μ в трещиноватых породах колеблются также в широких пределах: для известняков – 0,005–0,1, для сланцев, песчаников и разнообразных изверженных пород – 0,001–0,03.

Гравитационная водоотдача пород при их осушении приближенно обычно приравнивается к эффективной (активной) пористости, т.е. μ ≈ nэ. В действительности μ > nэ, поскольку в процессе осушения пород и при свободном гравитационном опорожнении пор со временем извлекается и некоторое количество прочносвязанной воды. Однако для практических расчетов указанное равенство можно считать приемлемым, тем более что при оценке скорости перераспределения напора в пласте и определении истинной скорости фильтрации это дает некоторый «запас прочности» с точки зрения большей инженерной надежности расчетных величин дебита проектируемых водозаборов [14].

32

4.1.2. Проницаемость и проводимость грунтов и пород

теля в закон Дарси, выражающий линейную зависимость между скоростью фильтрации и градиентом напора:

фильтрации) заложены в скрытом виде в коэффициенте фильтрации kф, который, таким образом, зависит не только от фильтрующей среды (геометрии порового пространства), но и от свойств жидкости.

Коэффициент фильтрации и коэффициент проницаемости связаны, как

В табл. 4.2 приведены ориентировочные значения коэффициента фильтрации для некоторых типов грунтов и пород и соответствующие значения коэффициента проницаемости для воды при вязкости η = 1сП(10-2г/см · с).

Проводимостью (гидропроводностью) грунтов и пород Т, м2/сут или м2/с, называется произведение коэффициента фильтрации kф на мощность водоносного пласта hср иm:

Проводимость характеризует единичный (на единицу ширины потока) фильтрационный расход по простиранию водоносного пласта при градиенте напора, равном единице; условно ее называют горизонтальной проводимостью.

При фильтрации в направлении, нормальном простиранию пласта, можно ввести понятие вертикальной проводимости Тв:

Величина Тв, 1/сут, 1/с, представляет собой единичный (на единицу площади пласта в горизонтальной плоскости) фильтрационный расход на перепаде напора по вертикали, равном единице.

Поскольку при гидрогеологических расчетах водозаборов фильтрационный поток, как правило, осредняется по вертикали и в качестве исходного используется одномерное или двумерное дифференциальное уравнение, в котором искомые функции напора (или понижения уровня) зависят от горизонтальных координат (так называемые планово-плоские потоки), основной интерес представляет горизонтальная проводимость. Введением этого параметра достигается осреднение потока в вертикальном направлении не только по напорам, но и по фильтрационным свойствам пласта [10].

Одним из свойств водоносного пласта является его пьезопроводность α, которая представляет собой отношение водопроводимости Т к водоотдаче μ:

В табл. 4.3 приведены значения проводимости Т и коэффициента пьезопроводности α для различных типов грунтов и пород при мощности пласта m = hср = 20 м. При вычислении этих параметров использованы данные табл. 4.1 и табл. 4.2.

34

4.2. Схематизация гидрологических условий для целей расчета

При построении расчетных схем следует исходить из того, что водоносный пласт как в естественных условиях, так и в условиях, нарушенных эксплуатацией водозаборов, представляет собой единую физическую область, имеющую определенные внешние границы.

В расчетных схемах водоносных пластов можно выделить границы, характеризующие взаимоотношение данного водоносного пласта с соседними водоносными и водоупорными породами в вертикальном разрезе, и, следовательно, условия их питания в пределах области распространения пласта. Характер питания будет определяться граничными условиями, задаваемыми на кровле и подошве пласта в виде модуля питания , равного объему воды, поступающему в единицу времени на единицу площади [10].

В безнапорных потоках питание пласта осуществляется через свободную

поверхность (модуль питания пласта = инф). Безнапорные пласты, кроме того, могут иметь напорное питание снизу через слабопроницаемый прослой (модуль питания н).

35

На рис. 4.1 даны схемы, иллюстрирующие граничные условия на кровле и подошве безнапорного пласта: при в = н = 0 (рис. 4.1, а), при в 0, а н = 0

(рис. 4.1, б) и при в 0 и н 0 (рис. 4.1, в).

В напорных пластах оцениваются модули питания через кровлю к и подошву пласта п: при к = п = 0 (рис. 4.1, г) – изолированный пласт, при

к = 0, а п 0 – двухслойный пласт (рис. 4.1, д) и при к 0 и п 0 – трехслойная система (рис. 4.1, е).

Рис. 4.1. Расчетные схемы водоносных пластов (разрез):

1 – пьезометрические уровни подземных вод; 2 – основные водоносные пласты; 3 – разделяющие слои

Распространенным является случай непосредственного контакта напорного пласта со слабопроницаемым безнапорным водоносным горизонтом, залегающим у поверхности и связанным с атмосферой. При к 0, п = 0 – питание напорного пласта сверху вследствие фильтрации из безнапорного пласта (рис. 4.1, ж); к 0, п = 0 – в этом случае напорный пласт отделен

36

от безнапорного слабопроницаемым глинистым прослоем (рис. 4.1, з) и к 0,п 0 – дополнительно к фильтрации из верхнего безнапорного слоя происходит переток из нижележащего напорного пласта через слабопроницаемый слой

(рис. 4.1, и).

Основное подразделение водоносных пластов производится в зависимости от геометрической формы боковых внешних границ пласта и условий его питания через эти границы, т. е. пограничным условиям в плане. Границы реальных областей фильтрации, как правило, имеют сложные геометрические очертания. Для целей расчета они во многих случаях могут быть представлены в виде прямолинейных или круговых контуров. Для скважин и колодцев, работающих в относительно простых и наиболее часто встречающихся гидрогеологических условиях, аналитическим путем получены основные расчетные зависимости. Они приводятся для следующих типовых расчетных схем

(рис. 4.2):

Рис. 4.2. Расчетные схемы водоносных пластов (план):

а – неограниченный по площади распространения («бесконечный») водоносный пласт; б – полуограниченный («полубесконечный») пласт с одной прямолинейной границей;

в – пласт, ограниченный двумя контурами, взаимно пересекающимися под прямым углом («пласт – квадрант»); г – пласт, ограниченный двумя контурами, взаимно пересекающимися под любым углом («пласт – угол»);

д – пласт, ограниченный двумя параллельными прямолинейными контурами, уходящими в бесконечность («пласт – полоса»); е – то же, с одной поперечной границей («пласт – полуполоса»);

ж – пласт, ограниченный прямолинейными контурами с четырех сторон («пласт – прямоугольник»); з – пласт с круговым контуром («пласт – круг»)

37

5.ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРУБЧАТЫХ КОЛОДЦЕВ

5.1.Методы гидрогеологических расчетов водозаборных скважин

иих задачи

Гидрогеологический расчет является одним из важнейших этапов проектирования водозаборов подземных вод. Основными задачами этого расчета являются:

1)определение понижения уровня подземных вод в процессе эксплуатации, а также определение дебита водозаборов;

2)анализ возможного взаимодействия проектируемого водозабора с уже имеющимися или намечаемыми к эксплуатации скважинами на других участках водоносного пласта;

3)оценка возможного изменения показателей качества подземных вод (химического состава, бактериологических и органолептических показателей), связанного с прогнозируемым потоком подземных вод с повышенным содержанием соли или иных компонентов [8].

При гидрогеологических расчетах водозаборных сооружений определяют возможность получения требуемого количества воды при понижениях, не выходящих за пределы допустимых. За исходную величину, как правило,

принимают дебит Qрасч, который соответствует намечаемому водопотреблению. Но зачастую возникает необходимость в определении максимального дебита

Qмакс, который можно получить на рассматриваемом участке (или на всей площади распространения) водоносного пласта. Во всех случаях определяются:

• количество скважин с их размерами;

• тип фильтра (водоприемной части) скважины;

• дебит каждой скважины в процессе заданного времени эксплуатации

tрасч; • допустимые понижения уровня воды в водозаборах.

В результате гидрогеологических расчетов устанавливается:

1)потенциальная возможность добычи данным водозабором к концу

расчетного периода tрасч необходимого количества воды Qрасч, при этом не превышая максимально допустимое понижение уровня;

2)потенциальная возможность получения данным водозабором или

группой водозаборов при эксплуатации их в течение всего периода tрасч и при максимально допустимых понижениях Sдоп максимального дебита Qмакс .

При проектировании водозаборов подземных вод важно соблюдать соотношение

38

Если Sрасч > Sдоп (водозабор считается необеспеченным), необходимо увеличить число скважин (уменьшив дебит каждой из них) или разместить скважины на большей площади (увеличив расстояние между ними).

Если Sрасч < Sдоп, можно сократить занимаемую скважинами площадь (уменьшив расстояние между ними или их количество) или увеличить дебит водозабора.

Теоретически допустимое понижение уровня может достигать мощности

водоносного пласта. На практике допустимое понижение уровня Sдоп всегда меньше указанного теоретического предела. Величина его устанавливается в зависимости от условий откачки (в скважине должен быть оставлен столб воды, достаточный для заглубления насоса или его водоприемной части) и потерь напора, связанных с сопротивлением фильтра.

Вместе с тем при проектировании необходимо предусматривать некоторый резерв воды, т.к. в расчетной схеме невозможно полно отразить реальные гидрогеологические условия, в частности, крайне изменчивую водопроводимость пласта. Поэтому максимально допустимое понижение уровня, как правило, принимается равным не более 50-70 % общей мощности пласта. Исходя из этого, максимально допустимое понижение уровня, приближенно, может быть установлено по соотношениям:

для напорных вод

где hе – первоначальная глубина воды до водоупора в пункте расположения скважины («статический» уровень до начала откачки) в безнапорных пластах; Hе – напор («статический» уровень до начала откачки) в пункте располо-

жения скважины в напорных пластах;

∆hнас и ∆Hнас – соответственно максимальная глубина погружения водоприемной части насоса под динамический уровень в скважине в безнапорных и напорных пластах (обычно принимается равным 3÷5 м);

∆hф и ∆Hф – потери напора на входе в скважину (сопротивление фильтра и породы в прискважинной зоне), для безнапорного и напорного пласта соответственно (∆hф и ∆Hф можно принять 1÷2 м);

m – мощность напорного пласта.

39