Законы движения подземных вод

Раздел гидрогеологии, изучающий движения подземных вод, называется динамикой подземных вод. Подземные воды в горных породах движутся путем инфильтрации (зона аэрации) и в виде фильтрационного потока. Характер движения фильтрационного потока может быть ламинарным (грунтовые потоки и трещинные воды при V < 500 м/сут.) и турбулентным (крупные разломы, карст).

Различают режимы движения подземных вод: установившийся (скорость, расход, направление – соnst) и неустановившийся, а так же напорный и безнапорный. Подземные воды движутся согласно определенным законам, которые учитываются при гидрогеологических расчетах для устройства водозаборов или для понижения уровня грунтовых вод на строительных площадках. Безнапорные подземные воды перемещаются в зоне насыщения при наличии разности гидравлических напоров. Гидравлический (напорный) градиент I = ∆ Н / L

Закон Дарси (для ламинарного движения): Q = к_ф ∆Н F / L (м³/сут; л/с),

Q – расход воды (количество фильтрующейся воды в единицу времени), F – площадь поперечного сечения потока, ∆Н − разность напоров, L – длина пути фильтрации, к_ф – коэффициент фильтрации, зависящий от физических свойств породы и жидкости (м/сут).

Величина к_ф   равна скорости фильтрации при напорном градиенте равном единице.

Действительная скорость V _д = Q / Fn, где n – пористость.

Формы движения потоков: плоские, радиальные (сходящиеся и расходящиеся), криволинейные. Направление потока можно определить: по карте гидроизогипс − перпендикуляр к двум смежным гидроизогипсам, от более высоких отметок уровня к более низким; методом трех скважин; методом красителей.

Типы водозаборов

Типы водозаборов:

Водозаборами называются сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) подземных вод. Различают следующие типы водозаборов:

– вертикальные – буровые скважины, колодцы;

– горизонтальные – галереи, канавы, траншеи;

– лучевые – колодцы с водоприемными лучами-фильтрами;

– одиночные – состоящие из одной скважины;

– групповые – состоящие из нескольких скважин;

– совершенные − вскрывающие водоносный горизонт на полную мощность (до водоупора);

– несовершенные − вскрывающие водоносный горизонт не на полную мощность;

– строительный водозабор − снижение уровня только на период строительства (временно);

– дренаж – снижение уровня на весь период эксплуатации объекта.

В результате откачки вода движется к скважине в виде радиального сходящегося потока, из-за трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня (депрессионная воронка), в плане форма круга. В вертикальной плоскости воронка ограничивается кривыми депрессии. Радиус депрессионной воронки (R влияния) и крутизна кривых депрессии зависят от водопроницаемости пород. Необходимость установления радиуса депрессионной воронки необходимо для определения k _ф водовмещающих пород, при выделении зон санитарной охраны, для определения осушаемых площадей и расстояния между соседними водозаборами. Величина R определяется по аналогии с действующими водозаборами, бурением скважин или по формулам (Кусакина и Зихарда).

Производительность скважины определяется дебитом – объемом воды в единицу времени при постоянном уровне (Q, м³/сут).

Для решения вопросов водоснабжения расстояние между водозаборами (скважинами), обеспечивающее каждому постоянный дебит должно быть больше двух депрессионных радиусов (> 2 R).

В случае необходимости понижения уровня грунтовых вод на строительной площадке расстояния между точками водопонижения (скважинами, канавами) не должно превышать 2 R, т. е. депрессионные воронки должны пересекаться.

Способы водопонижение на строительных площадках:

– самотек грунтовых вод – зависит от рельефа местности (откосные дренажные системы, подземные галереи);

– принудительная откачка, осуществляемая насосами, иглофильтровыми установками (тонкие металлические трубы 7–9 м, с фильтром на конце), эжекторными иглофильтрами (вакуумное понижение) – пески, супеси с к_ф – 0,01−1,0 м/сут.

Дренаж фундамента – целое инженерное сооружение, представляющее собой систему труб, уложенных в канавы на песчано-гравийную подушку. Траншеи нужной глубины выкапывают под определенным уклоном, соответствующим расчетному, на 20−30 см ниже уровня укладки предполагаемых труб. На дно траншеи укладывают геотекстиль, затем несколько слоев песка и щебня или гравия. Проведенные дренажные трубы засыпают гравием, накрывают геотекстилем и засыпают слоем грунта, после чего можно приступать к строительству фундамента здания или сооружения.

Существуют следующие системы дренажей:

– линейная схема – поток подземных вод перерезается выше объекта, для понижения уровня на необходимую глубину;

– береговой дренаж перехватывает подземные воды вдоль берега со стороны водоема;

– систематический дренаж (многолинейная схема применятся при малой мощности водоносного слоя для длительного осушения большой площади);

– кольцевой дренаж защищает подвальные помещения отдельных зданий с глубоким фундаментом. Кольцевая дренажная система располагается по контуру защищаемого здания или участка. Действие кольцевого дренажа основано на понижении уровня грунтовых вод внутри защищаемого контура, что обеспечивает защиту от подтопления подземных сооружений и частей зданий. Глубина этого понижения зависит от заглубления труб, галерей или фильтрующей части скважин относительно зеркала грунтовых вод, а также от размеров защищаемого контура. Кольцевые дрены располагаются на некотором удалении от сооружения, благодаря чему они могут быть установлены после его возведения. Кольцевой дренаж выгодно отличается от пластового, который может быть установлен только одновременно со строительством сооружения;

– пластовый дренаж служит для защиты сооружений от подтопления грунтовыми водами, укладывается в основании защищаемого сооружения непосредственно на водоносный грунт, гидравлически связан трубчатой дреной со смотровыми колодцами, из которых производится откачка.

– пристенная дренажная система состоит из дренажных труб (с фильтрующей обсыпкой), уложенных на водоупорный грунт с наружной стороны сооружения и применяется, в случаях, когда основание сооружения находится на водоупорном грунте.

Охрана подземных вод от истощения и загрязнения

Под истощением запасов подземных вод подразумевается сработка в процессе отбора вод без восполнения (прогрессирующее понижение динамических уровней эксплуатируемого водоносного горизонта). Причиной истощения служит чрезмерный отбор подземных вод крупными водозаборами при необеспеченности питанием эксплуатируемого горизонта.

Для борьбы с истощением пресных подземных вод применяются методы регулирования режима водозаборов, рациональное их размещение и др.

Загрязнение подземных вод – изменение качества (общей минерализации, органолептических свойств, превышение допустимых компонентов).

Выделяют следующие типы загрязнения подземных вод: естественное (минерализованные подземные или морские воды попадают в вышележащие водоносные горизонты), химическое (органическое и неорганическое), бактериальное, радиоактивное, механическое (песок, шлак из сточных вод), тепловое (смешивание с нагретыми технологическими сточными водами).

Меры борьбы с загрязнениями подземных вод: очистка сточных вод, создание безотходных производств, перехват профильтровавшихся стоков дренажем, экранирование чаш бассейнов; расположение водозаборов выше по потоку источников загрязнения, устройство зон санитарной охраны. Зоны санитарной охраны (ЗСО) – территории с особым режимом, исключающим загрязнение подземных вод, организуются в составе трёх поясов (СанПиН 2.1.4.1110-02):

– первый пояс ЗСО (зона строгого режима) представляет собой окружность, центр которой находится в точке расположения источника водоснабжения при недостаточно защищенном водоносном горизонте радиусом 50 м и 30 м при защищенном.

− второй пояс − зона бактериологического загрязнения.

− третий пояс − зона химического загрязнения.

Размер второго и третьего пояса определяется гидродинамическим расчетным путем

Вопросы для самопроверки.

1. Как называется движение подземного потока, при котором струйки воды передвигаются без завихрения, параллельно друг другу?

2. Как называются линии, соединяющие точки с равными абсолютными отметками поверхности (зеркала) подземных вод?

3. Как называется изменение во времени уровня, химического состава, температуры и расхода подземных вод?

4. При каком движении все элементы фильтрационного потока (скорость, расход, направление и др.) не изменяются во времени или эти изменения настолько малы, что для практических целей ими можно пренебречь?

5. Как называется объем воды, выдаваемый скважиной или другим водозаборным сооружением в единицу времени?

6. При каком режиме движения фильтрация подземных вод в полностью водонасыщенных грунтах подчиняется закону Дарси: Q = K ф FI (м/сут.).

7. Как называютсясооружения, с помощью которых происходит захват (забор) подземных вод для водоснабжения, отвод их с территории строительства?

8. Как называются водозаборные сооружения, вскрывающие водоносный горизонт на полную его мощность?

9. Как называют разность между статическим и динамическим уровнем подземных вод в скважине, т. е. величину на которую понижается уровень воды?

10. Как называется загрязнение, характеризуемое попаданием в подземные воды различных примесей, содержащихся в сточных водах (песок, шлак и пр.), преимущественно по крупным трещинам и пустотам?

11. Какие колодцы называются поглощающими и с какой целью их применяют?