Основы гидрогеологии

 

ГИДРОГЕОЛОГИЯ 

 
 

ЧТО ТАКОЕ ФИЛЬТРАЦИЯ

******************

КАК ОПРЕДЕЛИТЬ КОЭФФИЦИЕНТ  ФИЛЬТРАЦИИ

******************

НАПОРНЫЕ  И БЕЗНАПОРНЫЕ  ВОДЫ 
 

Белинская Н.В. 

     Введение

      Вода - одна из главных жизнеобразующих и жизнеподдерживающих составляющих на Земле. Вода присутствует везде: в атмосфере, литосфере, биосфере и везде она является важным элементом. В данной работе мы рассмотрим подземные воды.

      Значение  изучения подземных вод чрезвычайно  велико. Участвуя в общем круговороте  воды на земном шаре , они, наряду с поверхностными водами и климатом, определяют гидрогеологический облик стран и являются постоянными источниками питания рек.

      Циркулируя  в земной коре, подземные воды участвуют  в геологических процессах, растворяя одни  минеральные соединения и вынося их в океаны и внутриконтинентальные бессточные области и отлагая другие соединения на своем пути. Переходя в связное состояние, подземные воды участвуют в построении многих минеральных тел , среди них: топаз, малахит, гипс. Многие физико-механические, химические и тепловые свойства горных пород обусловлены содержанием в них вод разного происхождения и химического состава.

      Понятие фильтрации

      Подземные воды скапливаются в пустотах внутри водопроницаемых горных пород; в  порах суглинков, песков, гравелистых  грунтов, в трещинах твердых скальных пород, в пещерах, карстах, известняках, песчаниках и других твердых горных породах. Подземные воды, заполняя все  поры и трещины того или иного грунта, образуют водоносные пласты, в которых вода протекает в виде подземных водотоков. Движение свободной воды в пористом и трещиноватом грунте называется фильтрацией. Фильтрация происходит под действием сил гравитации или под действием давления в направлении от точек с высоким уровнем к точкам с более низким уровнем (напорного градиента).

      Скорость  фильтрации определяется количеством  воды, которое протекает в единицу  времени  через единицу площади  поперечного сечения пористой среды. На скорость фильтрации влияют такие факторы как:

• гранулометрический состав породы;
• пористость;
• трещиноватость.

 

      Коэффициент фильтрации

      Коэффициентом фильтрации  называют скорость фильтрации при напорном (гидравлическом) градиенте, равном единице (скорость фильтрации рассчитывают по формуле :

                              V= Q \ F, где:

Q – расход воды, м3/сут, F – площадь поперечного сечения, м2).

     Коэффициент фильтрации широко используется в практике гидрогеологических. Он характеризует водопроницаемость грунтов и зависит от гранулометического состава, плотности и вязкости грунта. 

     Средние ориентировочные значения коэффициента фильтрации для некоторых грунтов  приведены в нижеследующей таблице:

     Коэффициент фильтрации можно определить несколькими способами:

• в лабораторных условиях по результатам анализа гранулометрического состава водоносной породы;
• в полевых условиях при помощи откачек;
• применить расчет формулами.

     Для хорошо фильтрующих грунтов (песков и супесей) коэффициент фильтрации определяют с помощью прибора (рис. ниже), состоящего из трубы длиной l, заполненной грунтом, и двух трубок — подводящей и отводящей воду. При разности напоров Н2 - Н1 вода будет фильтроваться под действием градиента (J).

Установка для определения коэффициента фильтрации

     Определив объем воды V, профильтровавшейся за время t, можно по формуле

       

     Зависимость скорости фильтрации (Vƒ) от гидравлического градиента, характеризующего водопроницаемость фунтов, носит название закона ламинарной фильтрации. Математическое выражение этого закона, предложенное Дарси, имеет вид        

          

     Формулируется закон ламинарной фильтрации следующим  образом: скорость движения (фильтрации) воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту. 

     Фильтрация  воды в вязких глинистых грунтах  имеет свои особенности, связанные  с малыми размерами пор и вязким сопротивлением водноколлоидных пленок, обволакивающих минеральные частицы грунтов.

     Движение (фильтрация) воды в глинистых грунтах, в отличие от песчаных (на рис. кривая а), начинается лишь при достижении некоторого градиента напора (на рис. кривая б), преодолевающего внутреннее сопротивление движения воды.

Зависимость скорости фильтрации в грунте от гидравлического  градиента

Для кривой (б) различают три участка:  

I — начальный  (0—1), когда скорость фильтрации  практически равна нулю (Vf = 0); 
 II—переходный (1—2) криволинейный участок; 
 III — прямолинейный (2—3), характеризующий процесс установившейся фильтрации.

     Таким образом, в глинистых грунтах, особенно в плотных, при относительно небольших  значениях градиента напора фильтрация может не возникать (участок 0—1, кривая б). Увеличение градиента напора приведет к постепенному, очень медленному развитию фильтрации (участок 1—2). Наконец, при некоторых значениях гидравлического градиента устанавливается постоянный режим (участок 2—3).

     Напорный  градиент, до достижения которого фильтрация в грунте не наблюдается, называется начальным градиентом (J'0). 
Во многих случаях исключают из рассмотрения участок 0—2 кривой «б» и закон ламинарной фильтрации для глинистых грунтов принимают в виде      

           

где J'0 — начальный градиент напора, т.е. участок на оси J, отсекающий продолжение отрезка прямой 2—3 до пересечения с этой осью. Для песчаных грунтов фильтрация начинается сразу после передачи напора (на рис. кривая а).

      Напорные  и безнапорные  воды.

      По  гидравлическим свойствам подземные  воды делятся на безнапорные и напорные.

      Безнапорные (грунтовые) подземные воды  - это подземные воды, находящиеся в непосредственном контакте с атмосферой через открытые поры проницаемой среды. Напорные воды отделены от атмосферы относительно водонепроницаемыми породами.

     Безнапорные воды залегают на первом от поверхности  земли водонепроницаемом или  слабо-проницаемом слое. Поверхность их свободная и поэтому на ней равно атмосферному. В случае вскрытия безнапорных вод в скважинах и колодцах уровень воды, обычно, устанавливается на глубине, соответствующей уровню воды в водоносном пласте. 

      Безнапорные воды заполняют водоносные горизонты не полностью и имеют свободную поверхность. Безнапорные подземные воды первого от поверхности земли водоносного горизонта называются грунтовыми. Грунтовые воды характеризуются повышенной загрязненностью, поэтому при их использовании в большинстве случаев необходима очистка.

 

     Напорные (артезианские) подземные воды  - это воды в пластах горных пород, ограниченные сверху водоупором (слабопроницаемыми породами). Верхняя граница напорного пласта является подошвой водоупорной толщи, давление на которой превышает атмосферное.

     Поскольку напорные воды в недрах находятся между двумя водонепроницаемыми пластами (подстилающем и кровлей), то вода полностью заполняет все пустоты в водоносном пласте и при вскрытии его шахтой поднимается выше отметки вскрытия. Такой установившийся в шахте уровень воды называется пьезометрическим. Если пьезометрический уровень подземных вод выше уровня земли, тогда возникает самоизлив вод из недр.

     Артезианские  воды, как правило, характеризуются высоким качеством и, в большинстве случаев, для хозяйственно-питьевых целей могут использоваться без очистки.

     Для характеристики «напорности» подземных вод используется понятие пластового напора Нпл.,который представляет собой уровень воды в пласте, измеряемый относительно кровли пласта, т.е. высота поднятия напорной воды в скважинах над кровлей.

     Безнапорные и напорные воды могут выходить на поверхность земли в виде родников. Выход безнапорных вод называют нисходящим ключом. Ключевая вода отличается высоким качеством и может  использоваться без очистки.