Данная работа рассчитана на 2 часа академических занятий и на 4 часа самостоятельной работы студентов с преподавателем.
Целью данной работы является научить студентов строить карту гидроизогипс, по карте уметь определять направление потока грунтовых вод, глубину залегания воды в любой точке, гидравлический градиент и т.д.
2.3.1 Общие сведения. Карта поверхности грунтовых вод (карта гидроизогипс). Для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод составляют карту гидроизогипс. Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками уровня грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала вод. Форма поверхности грунтовых вод сложная и зависит многих факторов: состава водовмещающих пород и их водопроницаемости, рельефа, условий залегания и дренирования. Карта гидроизогипс необходима при решении многих задач, связанных с проектированием водозаборов подземных вод, борьбой с затоплением территории, горных выработок и др.
Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, расположенных обычно по сетке. Замеры уровней воды должны быть единовременными. Абсолютные отметки уровни грунтовых вод в скважинах определяют по формуле 6:
(6)
где Нв – уровень грунтовых вод (УГВ)
Hn – абсолютная отметка поверхности земли
h – глубина залегания подземных вод от поверхности, м
Полученные абсолютные отметки записывают у каждой скважины и методом интерполяции строят гидроизогипсы, выбирают сечение в зависимости от масштаба карты и густоты расположения точек замера от 0,5 до 10,0 м, чаще 0,5, 1 и 2 м. Промежуточные точки между скважинами находят способом трафарета (палетки).
С помощью карты гидроизогипс (совмещенной с топоосновой) можно определить направление и скорость движения грунтового потока, глубину залегания грунтовых вод в любой точке карты, установить характер связи между грунтовыми и поверхностными водами и т.д.
Карты пьезометрической поверхности напорных вод (карты гидроизопьез). Линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня (ПЗУ), называют гидроизопьезами. Карта гидроизопьез – совокупность таких линий и строится она методом интерполяции значений ПЗУ, т.е. аналогично карте гидроизогипс. Если напорных водоносных горизонтов несколько, для каждого из них на карте наносится своя система гидроизопьез. С помощью карты гидропьез решают ряд практических задач, связанных с использованием артезианских вод для водоснабжения, а в различных районах страны в качестве минеральных и термальных источников; с организацией защиты от них при вскрытии горными выработками напорного пласта и т.д. По карте гидроизопьез изучают условия формирования потоков, артезианских вод, определяют направление их движения, выделяют участки возможного самоизлива, устанавливают связь напорных вод с реками и пр.
2.3.2 Задания и порядок выполнения работы. Для выполнения данной лабораторной работы каждому студенту выдается индивидуальное задание.
По данным бурения гидрогеологических разведочных скважин (табл. 16, пример) требуется:
2.3.2.1 Построить план расположения выработок. Всего выработок 20. План составляется в масштабе 1:1000, скважины пробурены по квадратной сетке, расстояние между скважинами 50 м. Профильные линии ориентированы в широтном направлении (горизонтально), нумерация их с севера на юг (сверху вниз). Нумерация скважин вдоль линии с запада на восток (слева направо);
2.3.2.2 Построить карту рельефа поверхности. На плане расположения выработок у каждой скважины в виде дроби записывают черной пастой отметку поверхности (числитель) и синей пастой УГВ (знаменатель). Далее путем интерполяции значений отметок устьев скважин проводят изолинии с сечением 0,5 м. Промежуточные точки между скважинами для проведения изолиний находят с помощью палетки. Изолинии проводят коричневым цветом и подписывают в установленном порядке;
2.3.2.3 Построить карту гидроизогипс. На этом же плане путем интерполяции значений УГВ проводят гидроизогипсы с сечением 0,5 м. Интерполяцию УГВ между скважинами выполняют с помощью палетки. Гидроизогипсы проводят синим (голубым) цветом и подписывают по порядку. Полученная таким образом карта гидроизогипс снабжается необходимыми условными обозначениями и считается готовой для выполнения на ней данной лабораторной работы.
С помощью карты гидроизогипс требуется выполнить следующее:
2.3.2.4 По заданной линии АБ, проходящей через скважины 1-7-13-19, построить гидрогеологический разрез. Горизонтальный масштаб разреза 1:1000, вертикальный – 1:500. Условными знаками показать литологический состав и возраст отложений, а также синим цветом поверхность грунтовых вод;
2.3.2.5 На карте определить направление потока грунтовых вод. Направление потока подземных вод показывается в виде вектора, перпендикулярного к гидроизогипсам и ориентированного в сторону гидроизогипс с меньшими значениями. Рассчитывается длина потока L, т.е. расстояние между наибольшим и наименьшим точками вектора;
2.3.2.6 Определить расход грунтового потока Q. Расчет расхода подземного потока на карте производят для сечения I - I с определением градиента потока:
I ═ ∆H/L (7) и
площади сечения потока:
F ═ B∙h, м2 (8)
2.3.2.7 определить единичный расход потока q (при ширине потока, равной 1 м, в=1 м).
Движение подземных вод происходит при наличии разности гидравлических уровней (напоров). Воды движутся от мест с более высоким напором (уровнем) к местам с более низким напором. Чем больше разность напоров ∆Н = Н1- Н2, тем скорость движения подземных вод будет выше. Отношение разности напоров ∆Н к длине пути фильтрации L называют напорным или гидравлическим градиентом (уклоном). Гидравлический градиент – величина безразмерная.
Фильтрация в полностью водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме движения подчиняется закону Дарси:
(9)
где: Q – расход воды или количество фильтрующейся воды через поперечное сечение потока F в единицу времени, м3/сут.
K – коэффициент фильтрации, м/сут
F – площадь поперечного сечения потока воды водоносного горизонта, м2
∆H – разность напоров, м
L – длина пути фильтрации, м
J – гидравлический градиент
2.3.2.8 В условных обозначениях показать:
а) скважину, ее отметки
б) горизонтали рельефа
в) гидроизогипсы
г) линию гидрогеологического разреза
д) литологический состав и возраст отложений
е) уровень грунтовых вод
Дано: Кф═ 5 см/час
Литологический состав отложений:
- почвенно-растительный слой мощностью 0,20 м
- суглинок среднечетвертичного возраста с содержанием гравия 20% (мощность определяется согласно заданию)
- песок средней крупности нижнечетвертичного возраста
- глина верхнего неогена (вскрытая мощность 5 м).
Таблица 16 - Данные для выполнения задания (пример)
| №№ скв. | Отметки устья скв., м | Глубины, м | Отметки, м | ||
| УГВ | Водоупора | УГВ | Водоупора | ||
| 98,6 | 14,9 | 20,1 | 83,7 | 78,5 | |
| 99,3 | 18,8 | 24,4 | 80,5 | 74,9 | |
| 99,9 | 21,4 | 27,6 | 78,5 | 72,3 | |
| 100,8 | 24,0 | 30,4 | 76,8 | 70,4 | |
| 102,0 | 27,5 | 34,2 | 74,5 | 67,8 | |
| 97,8 | 15,3 | 19,7 | 82,5 | 78,1 | |
| 98,5 | 18,0 | 23,1 | 80,5 | 75,4 | |
| 99,0 | 20,5 | 26,0 | 78,5 | 73,0 | |
| 99,8 | 24,2 | 30,0 | 75,6 | 69,8 | |
| 100,8 | 25,8 | 31,8 | 75,0 | 69,0 | |
| 97,1 | 13,5 | 17,0 | 83,6 | 80,1 | |
| 97,6 | 17,3 | 21,7 | 80,3 | 75,9 | |
| 98,3 | 20,3 | 25,0 | 78,0 | 73,3 | |
| 99,0 | 21,0 | 26,0 | 78,0 | 73,0 | |
| 99,8 | 22,8 | 27,9 | 77,0 | 71,9 | |
| 96,4 | 14,9 | 17,6 | 81,5 | 78,8 | |
| 96,8 | 17,1 | 20,5 | 79,7 | 76,3 | |
| 97,5 | 16,1 | 20,0 | 81,4 | 77,5 | |
| 98,3 | 17,3 | 21,5 | 81,0 | 76,8 | |
| 99,0 | 20,4 | 24,7 | 78,6 | 74,3 |
Расход грунтового потока Q, как сказано выше, определяется по формуле Дарси:
Q═K ∙ F ∙ I (10)
где K- коэффициент фильтрации, равный K ═ 5 см/час или 1,2 м/сут
F- площадь поперечного сечения потока и равен:
F ═ B ∙ h, м2 (11)
B- ширина потока, равна 210 м;
h- мощность потока,
в данном случае берется средняя мощность водоносного горизонта в скважинах 2, 8, 14 и 20-й, т.е. 4,7 м. Итак,
F ═ 210 ∙ 4,7 ═ 987 м2 (12)
Гидравлический градиент I равен:
I ═ ∆H / L, т.е. (13)
I ═ (79,5 – 75,0) / 110 = 0,04 (14)
Подставляя все найденные значения в формулу Дарси, найдем расход грунтового потока для данного сечения I - I:
Q ═ 1,2 ∙ 987 ∙ 0,04 ═ 48,5 м3/сут (15)
Единичный расход потока равен:
q ═ k ∙ f ∙ i, f ═ b ∙ h, b ═ 1 м, (16)
q ═ 1,2 ∙ 4,7∙ 0,04 ═ 0,23 м3/сут (17)
Контрольные вопросы
1. Практическое значение карт гидроизогипс и гидроизопьез.
2. Что такое гидроизогипсы?
3. Что такое гидроизопьезы?
4. Какое сечение рельефа берется чаще всего?
5. С помощью чего находят промежуточные точки между скважинами?
6. Почему делается единовременный замер уровня воды?
Список использованных источников
1. Пешковский Л.М., Перескокова Т.М. Инженерная геология и гидрогеология. – М.: Высшая школа, 1982. – 344 с.
2. Седенко М.В. Гидрогеология и инженерная геология. – М.: Недра, 1971. – 282 с.