БЕЗНАПОРНОЕ ДВИЖЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД

Водопроницаемые грунты состоят из частиц, между которыми имеются поры. Объем пор может достигать 40% от объема грунта. Движение воды через поры грунта называется фильтрацией. Грунтовые воды образуются за счет выпадения осадков, фильтрации из поверхностных источников. Вода, попадая в водопроницаемый грунт, фильтруется, пока не достигнет водонепроницаемого слоя грунта - водоупора. Достигнув водоупора, вода движется по его поверхности, образуя поток безнапорных грунтовых вод. Водоупор выполняет роль русла. Поток безнапорных вод обладает свободной поверхностью, давление в каждой точке которой равно атмосферному. Наряду с безнапорными потоками подземных вод существуют и напорные потоки. Данные потоки образуются при движении воды между двумя водоупорными пластами. Если вскрыть верхний водоупор скважиной, вода подымится на некоторую отметку соответствующую напору.

Режим движения грунтовых вод в песках и водопроницаемых глинах является ламинарным. Турбулентный режим движения может встречаться в галечниках, трещиноватых скальных породах.

В общем случае движение грунтовых вод может быть напорным и безнапорным, установившимся и неустановившимся, плавно изменяющимся и резко изменяющимся, равномерным и неравномерным, ламинарным и турбулентным. Мы остановимся на рассмотрении безнапорного установившегося плавно изменяющегося равномерного и неравномерного движения.

Движение грунтовых безнапорных вод является, как правило, неравномерным, что объясняется нецилиндричностью русел, уклоном ? 0, или фиксации глубины потока, например, за счет отбора воды колодцем.

Кривая свободной поверхности при неравномерном режиме движения носит название кривой депрессии. Наша цель будет сводиться к построению этой кривой.

При изучении безнапорного движения воды в каналах для связи потерь напора со скоростью пользовались формулой Шези , кроме того учитывали скоростной напор.

При рассмотрении безнапорного движения воды в грунте используют зависимость Дарси, а скоростным напором пренебрегают в силу его малости.

Поскольку скоростной напор равен 0, то напорная и пьезометрические линии совпадают. Данную линию называют обычно пьезометрической. Отсюда следует, что пьезометрический уклон равен гидравлическому I_p = I. Полный напор, в данном случае, определяется по формуле . График удельной энергии сечения имеет вид.

Из графика видно, что критическая глубина равна 0. Так как критическая глубина равна 0, то критический уклон должен быть равен бесконечности. Следовательно, можно сделать вывод, что критический уклон не существует и что возможен только спокойный режим движения. Воды.

Скорость фильтрации. Закон Дарси

Рассмотрим поперечное сечение трубки заполненной песком, по которой движется вода. Очевидно, что площадь сечения трубы будет складываться из площадей частиц и пор. Если мы разделим расход, проходящий по трубке, на площадь сечения пор, то получим действительную скорость.. Однако на практике получила распространение скорость фильтрации, представляющая собой отношение расхода к суммарной площади сечения . Это фиктивная скорость.

Проводя в середине прошлого века опыты с фильтрацией воды в песках, Дарси установил следующий закон ламинарной фильтрации

.

k - коэффициент фильтрации, зависящий от вида грунта, рода жидкости и ее температуры.

Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости. Он равен скорости при гидравлическом уклоне равном 1. Переходя к расходу можно записать . Данная формула носит имя Дарси. Она справедлива для ламинарного режима, когда выполняется условие ud < 0,01-0,07, u - см/с, d - см.

Если режим движения - турбулентный или . В последней зависимости если скорости низкие, то существенную роль играет первое слагаемое и наоборот.

Методы определения коэффициента фильтрации

Существует три метода.

1. Лабораторный: k определяется в лаборатории на приборе Дарси.

2. Расчетный: k определяется по эмпирическим зависимостям в зависимости от гранулометрического состава грунта.

3. Полевой метод: определяется на месте путем бурения ряда скважин и опытных откачек с контролем над понижением уровня.

Установка Дарси представляет собой цилиндр, в нижнюю часть которого подается вода. В данный цилиндр на специальную сетку укладывается грунт. К цилиндру подключаются два пьезометра. В верхней части цилиндра имеется переливная трубка. Измеряя расход и потери напора, определяют коэффициент фильтрации .

Равномерное движение грунтовой воды

Как ранее было отмечено, напорная и пьезометрические линии совпадают, поэтому . Если перейти к удельному расходу или . Последняя зависимость носит название уравнения равномерного движения безнапорных грунтовых вод.

Неравномерное движение безнапорных грунтовых вод