Общие сведения по динамике подземных вод

УДК 624.131.1

ББК 26.329

П63

 

 

Рецензенты: канд. техн. наук, доц. В. А. Крутиков, канд. техн. наук, доц. Ю. А. Ельцов, ООО ПКФ «ЕС»

 

Методические указания утверждены на заседаниикафедры «Геотехника и строительные материалы» 03.09.2009 г., протокол № 28.

 

П63

Построение карты гидроизогипс и гидрогеологические расчеты по динамике подземных вод: метод. указания к лаб. работам по инженер. геологии для студентов направления 270100 «строительство». Ч. 3 / сост. И. И. Репина. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2009. – 28 с.   В методических указаниях для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Инженерная геология», в частности, ее разделу «Гидрогеология», сформулированы цели и задачи важнейших построений и расчетов по данному разделу, приведены основные понятия и алгоритм решения гидрогеологических задач для целей водоснабжения и водоотведения. В руководстве даны подробные рекомендации по составлению и оформлению карт, рисунков, таблиц, формул, ссылок на литературу, библиографического описания.   УДК 624.131.1 ББК 26.329

 

 

© Репина И. И., составление, 2009

© Ижевский государственный технический университет, 2009

ВВЕДЕНИЕ

 

В практике инженерно-геологических изысканий подземные воды рассматриваются как ценнейший источник водоснабжения и как фактор, осложняющий строительство. Поэтому в процессе проектирования и строительства любого вида объекта подземным водам уделяют особое внимание.

В предлагаемых методических указаниях к лабораторным занятиям по инженерной геологии «Построение карты гидроизогипс и гидрогеологические расчеты по динамике подземных вод» (часть 3) дается представление о типах гидрогеологических карт, в частности, о карте гидроизогипс, анализ которой дает возможность решать целый ряд вопросов о притоке подземных вод в выработки и строительные котлованы, о защите сооружений от подтопления; даются основные понятия по динамике подземных вод; приводятся гидрогеологические расчеты по движению подземных вод.

Методические указания помогут студентам направления 270100 «строительство» самостоятельно построить карту гидроизогипс, определить направление и скорость грунтового потока в пределах выбранной площадки, правильно расположить колодцы для целей водоснабжения, подсчитать их дебит, запроектировать дренажную систему, а также выявить заболоченные участки, а если таковых нет – оконтурить участки возможного заболачивания при подъеме воды на 1–3 м, например, в случае подтопления в результате интенсивной застройки территории или устройства водохранилища.

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ КАРТЫ

 

Кроме общих геологических и инженерно-геологических карт, в практике инженерно-геологических изысканий приходится составлять карты и разрезы, позволяющие оценивать гидрогеологические особенности местности.

По своему содержанию гидрогеологические карты весьма разнообразны, так как отражают сложность гидрогеологических условий и удовлетворяют различным целям, преследуемым при исследовании подземных вод. Так, гидрогеологические карты используют при выяснении возможностей водоснабжения, орошения или осушения территории, а также в целях борьбы с карстовыми провалами и оползнями. Выделяют два вида гидрогеологических карт: карты пьезометрической поверхности напорных вод (гидроизопьезы) и карты поверхности грунтовых безнапорных вод (гидроизогипсы).

Карта гидроизопьез – совокупность линий, соединяющих точки с одинаковыми отметками пьезометрического (напорного) уровня напорного водоносного горизонта. С помощью карты гидроизопьез решают ряд практических задач, связанных с использованием артезианских вод для водоснабжения, с организацией защиты от них при вскрытии строительными котлованами кровли напорного пласта и т. д. По карте гидроизопьез изучают условия формирования потоков артезианских вод, определяют направление их движения (по нормали к гидроизопьезам в сторону меньших отметок), выделяют участки возможного самоизлива, устанавливают гидравлическую связь напорных вод с реками и пр.

Карты гидроизогипс из двух видов специальных гидрогеологических карт для инженерных целей имеют наибольший интерес и практическое значение. Такие карты характеризуют поверхностьгрунтовых вод, т. е. поверхность первого от поверхности земли водоносного горизонта, выдержанного по площади. Именно с этими водами чаще всего приходится сталкиваться в практической работе.

Гидроизогипсы представляют собой линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней ненапорных грунтовых вод. Гидроизогипсы дают рельеф зеркала безнапорного водоносного горизонта.

Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в ряде точек на площади распространения горизонта (в шурфах, скважинах, колодцах, источниках, поверхностных водоемах). Точность построения будет тем больше, чем гуще наблюдательная сеть. Замеры производят в возможно более короткий отрезок времени, так как уровень грунтовых вод не остается постоянным. Карту гидроизогипс можно составлять по результатам одновременных или близких по времени (1–2 дня) замеров, а также по результатам сезонов года. Наибольшее значение имеют карты для периодов наиболее низкого и наиболее высокого положения зеркала грунтовых вод.

Глубина залегания грунтовых вод в каждой точке замера пересчитывается на абсолютные или относительные отметки:

Н _в = Н _з – h,

где Н _в – абсолютная отметка уровня грунтовых вод;

Н _з – абсолютная отметка поверхности земли;

h – глубина залегания подземных вод.

Рис. 1. Схема интерполяции при помощи

масштабной сетки

 

Полученные отметки наносятся на топографическую основу и по ним методом интерполяции строят гидроизогипсы.

При интерполяции обычно пользуются вычерченной на кальке масштабной сеткой, которая называется высотной арфой. Состоит масштабная сетка из пронумерованных параллельных линий, заложенных друг от друга на определенном расстоянии в зависимости от масштаба карты и величины превышений отметок между соседними точками. В задании при масштабе 1: 2 000 и сечении горизонталей и гидроизогипс через 1 м предполагается расстояние 0,5–1,0 м.

С помощью сетки осуществляют пропорциональное деление отрезков, соединяющих точки, между которыми производится интерполяция. Порядок интерполяции при помощи масштабной сетки дан на рис. 1.

После интерполяции соединяют плавной линией точки с одинаковыми отметками. Полученные кривые и будут гидроизогипсами поверхности грунтовых вод. Таким образом, построение гидроизогипс производят по тем же правилам, что и построение горизонталей на картах.

Сечение гидроизогипс (частота заложения) выбирается таким образом, чтобы на карте были отражены особенности зеркала грунтовых вод. Выбор сечения гидроизогипс зависит от величины уклона и от густоты расположения точек замеров уровней. Обычно сечение гидроизогипс при пологих уклонах потока (0,25–0,10), изучаемого в пределах участка, выбирают равным 0,5–1,0 м.

Масштаб карты выбирается в зависимости от общего характера проводимых гидрогеологических исследований. В нашем случае масштаб карты 1: 2 000.

После построения карты гидроизогипс приступают к ее анализу. Карта гидроизогипс является очень ценным документом, позволяющим решать целый ряд важных в теоретическом и практическом отношениях вопросов.

1. По карте гидроизогипс можно определить направление грунтового потока в любой точке (линии тока). Грунтовые воды могут передвигаться только от более высоких отметок к более низким, а по линии гидроизогипс движения не происходит, поскольку они соединяют одинаковые отметки. Вода передвигается по кратчайшему пути, следовательно, линии движения грунтовых вод всегда будут перпендикулярны к гидроизогипсам. Направление потока устанавливается не в одной-двух точках, а по всему изучаемому участку. Особо обращается внимание на зоны, где направление потока изменяется. На отдельных участках линии токов вод могут быть параллельными – это плоский поток. Когда линии токов расходятся или сходятся, поток называют радиальным (соответственно – расходящимся или сходящимся).

2. По характеру изменений гидроизогипс и их соотношению можно выделить на карте водоразделы подземных вод и участки подземных вод на поверхности земли (зоны с нулевой глубиной воды). Водоразделы грунтовых вод – это участки замкнутых гидроизогипс с наивысшими отметками. Они нередко не совпадают с топографическим водоразделом. Грунтовый поток обычно направлен от водоразделов подземных вод к областям дренирования. Водоразделы характеризуют зоны изменения направления грунтовых потоков. Поток в этих зонах расходится в противоположные стороны. Дренирующие участки характеризуются гидроизогипсами с минимальными отметками.

3. Зная направление потока, можно правильно расположить эксплуатационные колодцы (скважины) для водоснабжения, т. е. разместить их так, чтобы они не перехватывали друг у друга поступающую к ним воду. Для этого они должны находиться вдоль гидроизогипс (колодцы 1 и 2 на рис. 2). Если колодцы расположить по падению гидроизогипс, то производительность колодца, находящегося ниже, будет меньше, чем колодца, расположенного выше; верхний перехватит подземный поток.

Дренажные канавы будут работать наиболее эффективно, если заложить их перпендикулярно к направлению потока (параллельно гидроизогипсам). Такие канавы наиболее полно перехватят подземные воды, что вызовет осушение расположенных ниже площадей.

	Рис. 2. Схема проектирования эксплуатационных колодцев и канав по карте гидроизогипс Примеры правильного проектирования: колодцев – 1, 2; канав – А. Примеры неправильного проектирования: колодцев – 2, 3; канав – Б.

 

4. Гидроизогипсы дают возможность для любого заданного участка карты определить гидравлический уклон (градиент) грунтового потока, выяснить, как он изменяется на различных участках, вскрыть причины этих изменений. Для определенного гидравлического уклона I разность отметок двух смежных гидроизогипс делится на расстояние между ними по нормальному к ним направлению (рис. 3).

,

где Н ₁ и Н ₂ – разности отметок гидроизогипс (или мощности водоносного пласта), м; l – расстояние между гидроизогипсами по нормали, м.

	Рис. 3. Схема к вычислению напорного градиента

 

 

Как видно, чем меньше l – расстояние между гидроизогипсами, тем больше уклон грунтового потока, и наоборот. Обычно для участка, имеющего в среднем одинаковые условия питания по площади, сгущение гидроизогипс (т. е. увеличение уклона) может быть вызвано либо уменьшением мощности водонасыщенной части пласта или его ширины, либо уменьшением его фильтрационных свойств, что видно из формулы

 

где Q – средний расход потока, м³/сут;

k – коэффициент фильтрации. м/сутки;

h – мощность потока, м;

I – уклон потока (гидравлический градиент);

В – ширина потока в плане по гидроизогипсе, м.

5. Зная коэффициент фильтрации слагающих водоносный горизонт пород, можно найти скорость течения потока по формуле Дарси:

,

где V – скорость течения потока, м/сут;

k – коэффицент фильтрации, м/сут;

I – уклон.

6. По карте гидроизогипс при наличии на ней горизонталей поверхности земли можно определять глубину залегания грунтовых вод для любой точки по разности между отметкой горизонтали поверхности земли и отметкой гидроизогипсы в данной точке. Следовательно, карта гидроизогипс дает возможность найти в пределах строительной площадки участки с наиболее глубоким положением уровня грунтовых вод, т. е. наиболее благоприятные для строительства сооружений с фундаментами.

7. По карте гидроизогипс можно судить о так называемой гидравлической связи между поверхностными и грунтовыми водами, т. е. выяснить, река ли питает грунтовые воды или, наоборот, сама она питается за счет грунтовых вод. Эта связь определяется по характеру гидроизогипс на участке сопряжения с водоемами (рис. 4).

 

	Рис. 4 Различные случаи соотношения между грунтовыми и поверхностными водами: 25 – гидроизогипсы; → – направление грунтового потока

Если гидравлической связи между поверхностными и грунтовыми водами не существует, то гидроизогипсы без искривлений (а). Если грунтовые воды питаются за счет поверхностных, то гидроизогипсы изгибаются вниз по течению реки, поскольку зеркало грунтовых вод в этом случае наклонено от реки (б). Если же грунтовая вода питает поверхностный водоток, то гидроизогипсы будут изогнуты вверх по течению реки и в этом случае зеркало грунтовых вод наклонено к реке (в).

Таким образом, очертание гидроизогипс в плане и степень их сближенности дает представление о форме поверхности грунтовых вод, которая определяется водопроницаемостью пород, условиями питания водоносного горизонта, конфигурацией берегов рек, в которые стекают грунтовые воды, положением водоупора, мощностью водоносного пласта и т. п.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ДИНАМИКЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

 

Подземные воды перемещаются под влиянием силы тяжести при наличии уклона их зеркала (ненапорные воды) или же разности пьезометрических уровней (напорные воды).

При откачивании воды из какого-либо котлована или колодца (скважины) подземные воды прилегающего участка приходят в движение, направленное со всех сторон радиально к котловану или колодцу. Поверхность подземных вод вблизи места откачки приобретает форму воронки. Такая поверхность называется депрессионной.

По мере удаления от котлована или колодца, из которых откачивали воду, депрессионная поверхность постепенно переходит в естественную поверхность подземных вод и сливается с нею. Расстояние от центра откачки до места, где ее влияние не отражается на естественном уровне подземных вод, называется радиусом влияния (или радиусом депрессионной воронки).

Установление границ депрессионной воронки имеет большое практическое значение при оценке фильтрационных свойств пород, выделении зон санитарной охраны, определении причин загрязнения источника водоснабжения и др.

Производительность колодца становится постоянной, а движение воды к нему может рассматриваться как установившееся тогда, когда депрессионная воронка полностью сформируется.

Скважина или колодец, вскрывающие водоносный горизонт на полную мощность, являются совершенными. Определение величины водопритока в скважину возможно лишь при понижении в ней уровня воды, что достигается искусственно с помощью откачки воды. Снизившийся вследствие откачки уровень подземных вод называют динамическим. Первоначальный уровень подземных вод, т. е. уровень воды до откачки, называют статическим.

При определении дебита совершенной скважины в песках, гравии, галечниках, супесях и суглинках применяют закон Дарси:

,

где Q – количество воды, протекающее через данное сечение в единицу времени, т. е. расход, м³/сут;

k – коэффициент фильтрации, характеризующий водопроницаемость пород, м/сут;

I – гидравлический градиент, или уклон зеркала грунтовых вод;

F – сечение породы, через которое происходит фильтрация воды, м².

Этот основной закон, характеризующий движение воды в грунтах, дает возможность решать разнообразные гидрогеологические задачи. Некоторые примеры решения таких задач приведены ниже.