Основы гидрогеологии и шахтной геологии

Понятие о водоносном горизонте

Подземными водами называют воды, находящиеся в толщах земной коры во всех физических состояниях. Подземные воды можно подразделить на связанные и свободные. Связанные воды — это воды, физически или химически связанные с твердым веществом горных пород и поэтому сами по себе неподвиж­ные, неспособные к передвижению под влиянием силы тяжести. В противоположность связанным, свободные воды способны пере­двигаться в порах и пустотах пород под действием силы тяжести. Свободные воды и образуют собственно подземные воды, насыща­ющие водоносные горизонты.

Под водоносными горизонтами понимают однородные или близкие по составу, условиям образования и гидрогеологическим свойствам пласты горных пород, содержащих свободную воду.

По условиям залегания можно выделить два наиболее распро­страненных типа водоносных горизонтов: горизонты грунтовых и артезианских вод.

Воды безнапорные и напорные

По гидравлическим признакам подземные воды подразделяются на безнапорные и напорные.

Грунтовые воды относятся к безнапор­ным, артезианскими же называются межпластовые напорные воды.

Грунтовые воды — это воды, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Атмосферные осадки, поверхностные воды, конденсационная влага, просачиваясь в толщу горных пород и встречая на своем пути водоупор, накапливаются на нем, насыщая все пустоты. Таким путем образуется горизонт грунтовых вод. Поверхность воды, насыщающей такой водоносный горизонт, называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние, измеренное по перпендикуляру между водоупором и зеркалом грунтовых вод, называется мощностью горизонта грунтовых вод. Поверхность грунтовых вод свободна, т. е. давление на нее равно атмосферному, поэтому грунтовые воды являются безнапорными. Вода в выработках, вскрывающих грунтовые воды, устанавливается на том же уровне, что и зеркало; это объясняется отсутствием напора.

Иное наблюдается при вскрытии артезианских вод. Водоносные горизонты, содержащие артезианские воды, имеют водоупорную кровлю и почву. Области питания артезианских водо­носных горизонтов по этой причине ограничены участками выхода водоносного горизонта на поверхность или под водопроницаемые породы. Стекая по водоупорной почве, вода насыщает водоносный горизонт от почвы до кровли и, так как водоносный горизонт залегает не горизонтально, подземные воды приобретают напор. При вскры­тии артезианских водоносных горизонтов скважинами, уровень воды в них поднимается выше кровли водоносного горизонта и носит название пьезометрического уровня. Расстояние от кровли артезиан­ского водоносного горизонта до пьезометрического уровня назы­вается высотой напора.

При благоприятных соотношениях поверхностного рельефа и высоты напора скважины, вскрывающие артезианские воды, могут фонтанировать.

Если мысленно через пьезометрические уровни в различных точках артезианского водоносного горизонта провести поверхность, получим пьезометрическую поверхность. Так как высота напора в различных участках артезианского водоносного горизонта обычно разная, что зависит от различных естественных и искусственно созданных причин (различная водопроницаемость, откачка воды и т. п.), пьезометрическая поверхность является неправильной, криволинейной поверхностью.

Движение подземных вод

Движение свободных подземных вод происходит под влиянием силы тяжести по порам, трещинам и пустотам различных размеров. Характер движения воды в горных породах, насыщенных водой, может быть различным и зависит главным образом от размера и формы пор, трещин, пустот, а также скорости движения воды. В зависимости от характера движения различают движение воды ламинарное и турбулентное.

Ламинарное движение подземных вод характеризуется тем, что вода перемещается параллельными не смешивающимися друг с дру­гом струйками, без завихрения и разрыва.

Турбулентное движение характеризуется вихреобразностью, бес­порядочностью, перемешиванием струй.

Ламинарное движение воды наблюдается при небольших ско­ростях течения. При скоростях, превышающих определенную крити­ческую скорость, ламинарное движение переходит в турбулентное. Движение подземных вод в большинстве случаев характеризуется небольшими скоростями, поэтому имеет ламинарный характер. Турбулентный характер движения подземных вод может наблюдаться в районах развития карста и в крупнообломочных хорошо промытых породах.

Линейный закон фильтрации. Ламинарное движение подземных вод подчиняется линейному закону фильтрации, открытому в XIX веке французским гидравликом Дарси. Этот закон формулиру­ется следующим образом: скорость ламинарного движения пропорцио­нальна гидравлическому уклону в первой степени.

Математически линейный закон фильтрации выражается формулой: u = k* I,

Рис 74.

где u — скорость ламинарного дви­жения; к — коэффициент фильтрации, характеризующий водо­проницаемость пород; I - гидравлический уклон или гидравлический градиент, т. е. падение напора на единицу пути фильтрации.

Величину гидравлического уклона можно получить, если взять разность уровней подземных вод в двух точках, расположенных по направлению движения подземных вод, и поделить на расстояние между ними (рис.74). Если уровни в этих точках соответственно обозначить через Н1 и Н2, а расстояние между ними через I, то гидравлический уклон будет равен: I = H1 – H2 / l

Если принять I = 1, то u = к, т. е. коэффициент фильтрации численно равен скорости фильтрации при гидравлическом уклоне, равном единице.

Коэффициент фильтрации выражается в тех же единицах, что

и скорость, т. е. м/сутки, см/сек.

Нелинейный закон фильтрации. Турбулентное движение под­земных вод подчиняется нелинейному закону фильтрации, который формулируется следующим образом: скорость турбулентного дви­жения пропорциональна гидравлическому уклону в степени 1/2.

Математически нелинейный закон фильтрации выражается фор­мулой:

u = к √ I.

Водозаборные сооружения

Для эксплуатации подземных вод, осушения водоносных пород, снижения напора артезианских вод и других целей подземные воды вскрываются горными выработками или буровыми скважинами. Сооружения, предназначенные для сбора подземных вод, называют водозаборами. Водозаборы, сооружения специально для целей осу­шения, называются дренажными сооружениями, или дренами.

Водозаборы, представляющие со­бой вертикальные выработки, назы­ваются вертикальными водозаборами (колодцы, скважины, шурфы и др.), водозаборы же, представленные го­ризонтальными выработками, назы­ваются горизонтальными водозаборами (канавы, водосборные галереи и др.) Водозаборы, вскрывающие грунтовые воды, называются грун­товыми, а артезианские воды — артезианскими. Если водозабор вскрывает водоносный пласт на полную мощность, то он называется совершенным, если же водозабор вскрывает водоносный пласт не на всю мощность, его называют несовер­шенным.

Рис. 75. Изменение уровня грун­товых вод при откачке

АА — статический уровень; ББ — ди­намический уровень; АББА — вертикальный разрез депрессионной ворон­ки; s — глубина откачки; h — высота столба воды в скважине; г — радиус скважины; R — радиус влияния

При откачке воды из водозаборного сооружения приток в него возрастает но мере понижения уровня, так как возрастает гидравли­ческий уклон, а следовательно, и скорость движения воды к водо­забору. Если количество откачиваемой в единицу времени воды не изменяется, то уровень воды в водозаборе будет понижаться до тех пор, пока количество воды, но ступающей в водозабор в единицу времени, не станет равным количеству откачиваемой воды. Когда количества откачиваемой и поступающей воды станут равны, даль­нейшее понижение уровня прекратится. Уровень, устанавлива­ющийся в процессе откачки, называется динамическим в отличие от статического, т. е. естественного, не нарушенного откачкой уровня (рис. 75). Разность между динамическим и статическим уровнями называется глубиной откачки или понижением уровня (S).

При откачке воды из водозаборного сооружения зеркало грунто­вых вод искривляется, приобретая воронкообразную форму, назы­ваемую депрессионной воронкой. Форму депрессионной воронки приобретает и пьезометрическая поверхность артезианских вод. Радиус депрессионной воронки R называется радиусом влияния.

Приток воды в водозабор в единицу времени при данном пони­жении уровня называется дебитом (Q).

Дебит совершенного вертикального грунтового водозабора опре­деляется по формуле:

Q = 1,36k / (2H – S)* S / lg R – lg r

где г — радиус поперечного сечения водозабора. Если водозабор имеет прямоугольную форму, то, обозначив площадь его поперечного сечения через F, радиус поперечного сечения водозабора определится как радиус равновеликого круга:

r = √ F / п

Н — мощность водоносного горизонта. Остальные обозначения при­ведены выше.

Дебит совершенного артезианского водозабора определяется по формуле:

Q = 2,72k M * S / lg R – lg * r

где М — мощность водоносного горизонта. Остальные обозначения те же, что и в предыдущей формуле.

Приток воды к горизонтальному водозабору, пройденному до водоупора, определяется по формуле:

Q = B * q

где В — длина водозабора; q — единичный расход водозабора, т. е. приток, приходящийся на единицу длины водозабора (при притоке через одну стенку), h — расстояние от водоупора до уровня воды в горизонтальном водозаборе. Остальные обозначения те же, что и выше.

В общем виде приток воды в горизонтальный водозабор с одной

стороны выразится следующим образом:

Q = B * q = B * k H2 – h2 / 2R

При притоке с двух сторон формула примет вид:

Q = B * k H2 – h2 / R