Контрольная работа по предмету Гидрогеология 9-й вариант

Вариант 9 1. Радиальный поток. 2. Фильтрационные потери из водохранилищ. 3. Расчет взаимодействующих скважин в условиях неустановившегося  движения подземных вод. 4. Основные гидродинамические особенности потоков подземных вод. 5. Определить   приток   воды   к   совершенной   дренажной   канаве, отводящей   подземные   воды   грунтового   водоносного   горизонта (приток воды к канаве с двух сторон . Мощность водоносного горизонта, H,м Величина понижения уровня воды в канаве, S,м Коэффициент фильтрации пород, м/сут 2,0 1,8 25 Длина дрена жной канав ы, м 240 Ответы.    Радиальный поток. 1.           Радиальный поток образует гидродинамическую сетку в виде трапеций. Он может быть сходящийся или расходящийся. В этом случае обозначим В – ширина потока. 3 2 1 2 а б 3 2 1 3 2 1 1 Рис.25 Схема радиального потока в плане  а – расходящегося, б – сходящегося В   начале,   рассмотрим   сходящийся   поток.   Применив   уравнение   Дюпюи, получим для любого сечения потока следующее общее выражение расхода:Q  kBh   dh dx (13) где В – переменная ширина потока, которая может быть определена как сечение трапеции: В = В1 ­   * х  ВВ 2 1 L  21 (14) Подставив полученное значение В в уравнение (13), получим Q = K ( B1 ­  x ) h  dh dx  BB 1 2 L  21 (15) Переходя к определенным интегралам (для х от 0 до L1­2) и (для h от h1 до h2), получим ­ QL  21  ( BBk 2 1 ) B2 –   ( n n  B1) = ­  (16) 2 h 1 2 h  2 2 откуда  Q = k  BB 1 2   nB nB 1 2   * 2 2  h h 1 2 2  L 21 (17) Для случая расходящегося потока по аналогии с предыдущим имеем B = B1 +  B 1  B 2 L  21 x (18) Полученное значение В подставляем в уравнение Дюпюи:Q = ­ k (B1 +   B 1  B 2 L  21 hx ) dh dx (19) Ордината депрессионной кривой для обеих случаев радиального потока в   любом   промежуточном   сечении,   отстоящем   от   первого   сечения   на расстоянии х, может быть определена приравниванием уравнений расхода потока на участках 1­2 и  1­х. Формула имеет вид h x  2 h 1 B 1 B 1   B B 2 x ln ln B 1 B 1   ln ln B B x 2 * 2 2 h  2 h 1 L  21 x 2.              Фильтрационные потери из водохранилищ. Водохранилища – искусственные водоемы размером от мелких прудов до  крупнейших резервуаров воды протяженностью в сотни километров,  соизмеримые по размеру с естественными озерами. В любом случае создание  водохранилища представляет собой вторжение в природу, нарушающее  изначально сложившееся равновесие геологической среды, поверхностных и  подземных вод. По этой причине по берегам водохранилищ происходит: ­     во­первых, активизация уже имеющихся геологических процессов,  ­     во­вторых, развивается ряд специфических процессов, присущих только  окрестностям водохранилищ. Это – переработка берегов, заиление и  накопление твердого стока, различные виды фильтрации, суффозия под  основанием и изменение напряженного состояния горных пород. Активизация геологических процессов. По краям чаши водохранилищ  возможна активизация и возникновение оползней, оплывин, эрозии, оживление карстово­суффозионных явлений. После заполнения ряда крупных горных  водохранилищ в их окрестностях было отмечено увеличение сейсмической  активности. Переработка берегов, заиление и накопление твердого стока. После  заполнения водохранилища и подъема уровня воды в нем во многих случаях  начинается процесс разрушения и отступления берега, получивший название  переработки. Процесс имеет место на крупных водохранилищах,  сооруженных в мягких песчано­глинистых породах, проявляется сильнее  вблизи плотины и постепенно затухает к верховьям.В скальных породах процесс переработки практически не развивается.  Каковы же причины переработки? Рассмотрим поперечный профиль долины  реки .   α α α   Рис. 1. Схема переработки берегов водохранилища:  а) соотношение  2 >  1 показывает причину разрушения берега после  заполнения водохранилища; б) – схема размыва и заиления   На профиле показаны русло, пляж, склон долины и уровни воды до и после  заполнения водохранилища. Наименьший уклон поверхности земли имеет  пляж ( 1) как место, во­первых, увлажненное, а во­вторых, испытывающее  воздействие волн и текущих вод реки. Для каждого типа грунтов эта величина своя и в целом для песчано­ глинистых грунтов варьирует от одного до нескольких градусов, в то время  как угол склона долины реки ( 2) составляет значительно большую величину,  достигая первых десятков градусов. После заполнения водохранилища уровень воды устанавливается напротив  склона долины реки и крутизна берега  2  начинает значительно превышать  аналогичную величину, возможную в естественных условиях  1. Долго такое  положение продолжаться не может – происходит увлажнение склона, его  интенсивный размыв и отступление до тех пор, пока угол уклона  2 не  уменьшится и не приблизится к величине  1, соответствующей составу  грунтов, слагающих пляж. Размытый объем грунта вместе с твердым стоком отложится на дне  водохранилища, заметно уменьшая его глубину, – данный процесс получил  название заиление водохранилища. На волжских водохранилищах переработка произошла по всему контуру и в отдельных  местах достигла многих десятков метров. Методы борьбы. Переработка берегов представляет собой нежелательный  процесс, приводящий местами к потере земель различного назначения.  Наиболее ценные земли – это территории населенных пунктов и  сельскохозяйственные угодья.  Для противодействия процессу переработки  применяются различные берегоукрепительные мероприятия, чаще других –  укладки ячеистых бетонных блоков и устройство набережных. α α α α αВ любом случае укрепление берега является весьма дорогостоящим делом и  на практике выполняется в пределах населенных пунктов, вдоль дорог,  проложенных по берегу водохранилища, или в других исключительных  случаях. При условии качественного выполнения работ берегоукрепительные  сооружения успешно приостанавливают процесс переработки. Накопление твердого стока. Переносимые реками в естественных условиях  частицы грунта получили название твердого стока. Способность потока воды  к переносу твердого стока зависит от размера частиц и скорости движения  воды. Легче всего переносятся мельчайшие глинистые частицы, а труднее всего –  крупнообломочная фракция валунно­глыбового размера. Скорость течения  воды в водохранилище значительно меньше, нежели воды в реках. По этой  причине, как только река впадает в водохранилище, ее транспортирующая  способность тут же падает, и переносимый ею материал откладывается на дне водохранилища – это принято называть накоплением твердого стока. Спокойные равнинные реки переносят песчано­глинистый материал, а горные  реки, имеющие большие скорости течения, – также гравий, гальку и более  крупные частицы, причем суммарный объем накопленного твердого стока  горной реки значительно больше накопленного твердого стока равнинной  реки, имеющей равный с нею расход воды. Подтопление – этим термином обозначается повышение уровня подземных  вод, вызванное повышением уровня поверхностных вод в водотоке. Чаще  всего крупные подтопления происходят в результате заполнения  водохранилищ. Схема подпора грунтовых вод показана на рисунке 2. Рис. 2. Подпор грунтовых вод и подтопление территории, вызванные  заполнением водохранилища   Как можно видеть из рисунка, величина подтопления максимальна по берегу  водохранилища и далее постепенно уменьшается и в итоге сходит на нет по  направлению в сторону от берега. Ширина зоны подтопления может  составлять сотни и тысячи метров. Процесс подтопления может иметь неблагоприятные последствия в том  случае, когда он происходит на территориях с уже сложившейся застройкой.  Подтопленными могут оказаться основания, подвалы и другие подземные  сооружения, сложнее становятся работы нулевого цикла в котлованах на  новых сооружениях. На неосвоенных площадях подтопление практически  незаметно и отрицательных последствий не имеет.Меры борьбы – искусственное понижение уровня грунтовых вод с помощью  дренажа. Пример 1.  В 1930­е годы на Москве­реке была сооружена плотина, и уровень  воды в реке поднялся на три метра. В связи с этим ожидалось, что в  неблагоприятных условиях подтопления может оказаться полоса берега  Москвы­реки шириной 1­2 километра от Павелецкого вокзала до Свято­ Данилова монастыря. Вся эта территория включала застройку рубежа ХlХ­ ХХ веков. Здесь находились жилые здания и несколько десятков  промышленных предприятий. Сооружения имели подвалы, в которых должно  было произойти затопление. Для предотвращения такого развития событий вдоль берега Москвы­реки был сооружен дренаж длиной около четырех километров, имеющий в своем  составе несколько сот скважин, галерею для сбора воды и две насосные  станции. Дренаж успешно защитил подземные части сооружений от  затопления. В 1990­е годы дренаж был отремонтирован и действует до сих  пор. Фильтрационные потери в окрестностях плотин.В связи с большим перепадом  высот между верхним и нижним бьефом плотины возникает значительный  гидравлический напор, являющийся причиной возникновения  фильтрационных потоков. Обычно принято рассматривать три вида фильтрации, схематично показанных на рисунке 3: ∙       обходная фильтрация по горным породам по боковым примыканиям  плотины;  ∙       фильтрация по горным породам под основанием плотины; ∙       фильтрация сквозь тело земляной плотины. Фильтрация – обходная и под основанием плотины. Любые фильтрационные  потери из водохранилища представляют собой отрицательное явление, так как целью создания водохранилища в первую очередь является накопление воды.     Рис. 3. Схема обходной фильтрации  Первые два вида фильтрации происходят по горным породам по боковым  примыканиям и в основании плотины. В этих случаях область  распространения фильтрационных потоков может достигать десятков метров. При этом величина расхода фильтрационных потоков будет максимальной  вблизи плотины и далее постепенно убывать в стороны и вглубь от нее.Суммарная величина расхода фильтрационных потоков зависит от перепада  высот водохранилища и проницаемости массива горных пород вблизи плотины – то есть от состава, состояния, тектоники, форм залегания, пористости,  трещиноватости, закарстованности горных пород и других условий. Прогнозируемая величина фильтрационных потерь является одним из  весомых факторов, принимаемых во внимание при выборе местоположения  створа плотины. Для снижения фильтрационных потерь из водохранилища выполняется два  типа мероприятий. Первое – работы по уменьшению проницаемости  окружающих горных пород – их цементация, глинизация, битумизация,  силикатизация и т.п. Эти операции обычно выполняются через скважины,  пробуренные в основании и по боковым примыканиям плотины. Второе –  закладка в конструкцию плотины элементов, увеличивающих длину  фильтрации – зуба плотины ­ углубленного участка фундамента и понура ­  противофильтрационного забетонированного участка в нижнем бьефе.   Фильтрация сквозь тело земляной плотины.  Земляная плотина и дамбы  отличаются размерами и конфигурацией, но сходны по внутреннему составу и сложению. Сильно упрощая можно сказать, что тело плотины или дамбы  отсыпается из слабофильтрующего глинистого материала, который тщательно укатывается, трамбуется и уплотняется в процессе укладки с целью  уменьшения его фильтрационных показателей. Используется обычно местный  глинистый материал, так как его требуется настолько много, что завоз  издалека невозможен.  После заполнения водохранилища сквозь тело земляной плотины и дамб  устанавливается фильтрационный поток, и образуются обычные в таком  случае зона насыщения, зона аэрации и уровень грунтовых вод  (рис. 4) Фильтрационный поток приводит к потерям воды из водохранилища. Для  наблюдений за ним в теле плотины устанавливаются наблюдательные  скважины и колодцы, а расчет потерь производится по формулам динамики  подземных вод. Земляная плотина и дамбы отличаются размерами и конфигурацией, но  сходны по внутреннему составу и сложению. Сильно упрощая можно сказать,  что тело плотины или дамбы отсыпается из слабофильтрующего глинистого  материала, который тщательно укатывается, трамбуется и уплотняется в  процессе укладки с целью уменьшения его фильтрационных показателей.  Используется обычно местный глинистый материал, так как его требуется  настолько много, что завоз издалека невозможен.Рис. 4. Фильтрация сквозь тело плотины:  а ­ в плане; б ­ в разрезе   Суффозия под основанием плотины – процесс механического выноса частиц  грунта подземными водами, что рассматривается в разделе «Процессы,  связанные с присутствием и движением подземных вод». После заполнения емкости водохранилища возникновение суффозии  возможно в нижнем бьефе (см. рис. 4). Причиной возникновения суффозии под плотиной является большая величина напорного градиента, создаваемого водохранилищем, высокая скорость и  восходящее направление фильтрационного потока подземных вод,  выходящего из­под основания плотины. Все это оказывает взвешивающее  воздействие на частицы грунта и создает условия для развития суффозии,  способной усиливаться с течением времени. В данных условиях суффозия  признается опасным процессом, нарушающим работу грунтового основания  плотины. Для предотвращения суффозии применяются те же методы, что и для борьбы  с фильтрацией воды под основанием плотины – противофильтрационные  завесы, устройства зуба и понура плотины, а также отсыпка дополнительного  объема крупнообломочного материала в нижнем бьефе плотины. Напряженное состояние горных пород в окрестности плотины. По  поверхности контакта плотины водохранилища и геологической среды имеет  место два вида нагрузки. Сжимающая нагрузка от веса плотины на основание. Процессы, происходящие при этом в грунтах, рассмотрены в разделе «Процессы в основании  сооружений». Сдвигающая нагрузка от веса воды в верхнем бьефе. Для противодействия  этому виду нагрузки бетонной плотине придается изогнутая форма арки, в  результате чего она упирается и передает нагрузку на боковые примыкания.  По этой причине необходимо тщательное изучение состава, свойств, условий  залегания и всех прочих характеристик горных пород, слагающих эти  примыкания.  Земляные плотины противодействуют сдвигающей нагрузке за  счет своего веса и сцепления с основанием.Наименее благоприятными считаются условия, если в основании имеются  прослои пластичных глинистых пород, плохо сопротивляющиеся сдвигу. Для  правильной оценки условий работы основания требуется подробное изучение  разреза и точное измерение свойств грунтов всех встреченных слоев.  Расчет взаимодействующих скважин в условиях неустановившегося   3.           движения подземных вод.Взаимодействие скважин работающих одновременно. Рассмотрим 2 одновременно работающие скважины на примере грунтового водоносного горизонта. Анализ рисунка показывает, что при одновременной работе   нескольких   скважин   депрессионные   поверхности   (воронки), налагаются друг на друга, увеличивая общее понижение, поэтому суммарное понижение в скв.2 будет: S II  Z S 2 S 2 2 Где S2 – собственное понижение в скв.2, определяемая дебитом Q2; S2  –   срезка   уровня   в   скв.2,   вызванная   воздействием   на   нее   скв.1   и  вызывающая дополнительно увеличение понижения S2 на величину  S2.   ∆Z2 – скачок уровня в скважине 2 вызванный гидравлическим сопротивлением фильтра этой скважины.Рис.1 Схема взаимодействующих гидрогеологических скважин Очевидно,   что   при   взаимодействии   нескольких   скважин,   дополнительная срезка   уровня   в   любой   точке   определяется   суммой   срезок   от   каждой скважины в отдельности  S S i n Z n  i  1 Qi  km 2 ln* Ri ri  Q 1  km 2 ln R 1 r 1  Q 2  km 2 ln 2 R r 2  ... Q n  km 2 ln n R r n Аналогично можно определить  понижение в каждой отдельной скважине с учетом срезок уровней от других взаимодействующих скважин. Понижение в скважине 2, определяется: S II  S S 2 i Q 2  2 km ln R 2 r скв 2  Q 1  2 km ln R 1 r  21  Q 3  2 km ln R 3 r  32  Q 4  2 km ln R 4 r  24  Q 5  2 km ln R 5 r  25 +… Где Q , …  Q5 для скважин 1, 2, … 5; r скв2 – это радиус скв.2; r1­2 …, r5­2 – расстояние от скв.2 до соответствующих скв.1… 5…;  R1­5 – радиусы влияния скважин. 4.              Основные гидродинамические особенности потоков подземных вод.6. Определить   приток   воды   к   совершенной   дренажной   канаве, отводящей   подземные   воды   грунтового   водоносного   горизонта (приток воды к канаве с двух сторон . Мощность водоносного Величина понижения Коэффициент фильтрации Длина дренажнойгоризонта, H,м 2,0 уровня воды в канаве, S,м 1,8 пород, м/сут канавы, м 25 240 1 – абсолютная отметка поверхности земли; 2 – уровень воды в канаве во время откачки. Двусторонний водоприток к совершенной канаве определяется: Q =   ­ радиус влияния; kф – коэффициент фильтрации, м/сут; где R = 2S  h=(H – S) – высота воды в канаве во время откачки, м; Н – абсолютная отметка статического уровня, равна разности абсолютных отметок поверхности земли и глубины залегания уровня грунтовых вод, м; S ­ понижение уровня, равно разности абсолютных отметок статического и динамического уровня, м; L – длина канавы, м. R = 2S   = 2*1,8 √2∗25 =25,45 м Q =  = 240*25*1,8/25,45=424,36 м3/сут1. Гордеев П.В. В.А. Шемелина, О.К. Шулякова «Гидрогеология» М.  «Высшая школа», 1990г. 2. Гордеев П.В. В.А. Шемелина, О.К. Шулякова «Руководство к  практическим занятиям по гидрогеологии». М. «Высшая школа», 1981г. 3. Егоров Н.Г. «Бурение скважин в сложных геологических условиях».  Тула.  2006г. 4. Завалей В.А. «Поиски и разведка подземных вод». Алма­Ата. 2002г.