» » Основные характеристики водоносных толщ

Основные характеристики водоносных толщ

19.08.2016

Подземные воды в большинстве случаев приурочены к пористым и трещиноватым участкам массивов горных пород.
Осадочные массивы — это, как правило, пласты песков, песчано-галечниковых и песчано-глинистых пород, известняков, доломитов, мелов и др.
В массивах скальных и полускальных пород вода заполняет естественные трещины и перемещается по ним. Трещинные подземные воды могут встречаться практически в любой разновидности изверженных, метаморфизованных и осадочных толщ пород.
В том числе могут быть обводнены и многие рудные залежи, например, трещиноватые массивы железистых кварцитов, полиметаллических, медных и других руд: массивы переотложенных железных руд (гематитов, сидеритов, лимонитов), марганцевых руд и т.д. — водопроводящие массивы любых рудных залежей, имеющих гидравлическую связь с водоносными породами.
При анализе и решении гидрогеологических задач по водозащите горно-технических сооружений чаще всего используют следующие характеристики водоносных толщ пород.
1. Обводненными (водоносными) называют массивы пород, способные содержать и пропускать (фильтровать) воду.
2. Водоупорными называют толщи пород любого генезиса, которые не пропускают через себя воду. Однако это не означает, что водоупорные породы не могут содержать воду, например, поровую или молекулярно связанную.
3. Напор подземных вод — расстояние, на которое происходит подъем воды во вскрывающей выработке (скважине) до статического (пьезометрического) уровня под действием давления. Напор измеряется в линейных единицах высоты подъема уровня воды (от кровли пласта до пьезометрического уровня). По гидравлическому признаку выделяют пласты безнапорные и напорные (рис. 12.2).
Основные характеристики водоносных толщ
Основные характеристики водоносных толщ

4. Полное давление на горизонтальную единичную площадку, расположенную в толще водоносного пласта, определяется по формуле (рис. 12.3)
Основные характеристики водоносных толщ

где σэф — эффективное напряжение, воспринимаемое минеральным скелетом породы, МПа; σн — нейтральное напряжение вследствие гидростатического давления в воде, МПа.
Составляющие, входящие в формулу (12.1), вычисляются следующим образом:
Основные характеристики водоносных толщ

где γw — приведенный объемный вес пород в обводненной толще, Н/м3; Ho — пьезометрическая высота, м; у — средний объемный вес пород выше пьезометрического уровня подземных вод, Н/м3; H — глубина единичной горизонтальной площадки от земной поверхности, м; Д — удельный вес пород водоносного пласта, Н/м3; n — пористость пород водоносного пласта, доли ед.; γв — объемный вес воды в водоносном пласте, Н/м3.
Следовательно, если толща пород передает гидростатическое давление и поровое давление приближается к нему, то вертикальное давление в толще водоносного пласта:
Основные характеристики водоносных толщ

а горизонтальная составляющая напряжений в изотропном водоносном пласте
Основные характеристики водоносных толщ

где ξ — коэффициент бокового отпора в породах обводненного пласта, доли ед.
5. Напорный градиент (гидравлический градиент) — отношение разности напоров ΔH = H1-H2 в точках 1 и 2 к длине пути фильтрации l между ними:
Основные характеристики водоносных толщ

6. Расход воды Q — количество воды, фильтрующейся через поперечное сечение потока воды F в единицу времени, м3/сут.
Французский ученый А. Дарси установил, что расход Q пропорционален коэффициенту Кф, зависящему от физических свойств пород и воды, падению напора ΔН, площади поперечного сечения потока или водоносного пласта F и обратно пропорционален пути фильтрации l:
Основные характеристики водоносных толщ

Из выражения (12.7) следует, что отношение расхода Q к площади поперечного сечения потока F представляет кажущуюся скорость фильтрации v:
Основные характеристики водоносных толщ

Отсюда следует, что коэффициент фильтрации Кф — это скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице, т.е. он имеет размерность скорости: м/сут, см/с и т.д.
Водопроницаемость пород наиболее точно характеризуется коэффициентом фильтрации.
Коэффициенты фильтрации различных видов горных пород довольно хорошо изучены, значения их изменяются в широких пределах (0—350 м/сут, а в экстремальных случаях — более 6000 м/сут), и соответствующие данные имеются в справочных и учебных пособиях.
Основные характеристики водоносных толщ

7. Закон Дарси гласит: скорость фильтрации пропорциональна напорному градиенту в первой степени (для ламинарного движения подземных вод). Он записывается в виде формулы (12.8), а в дифференциальной форме — в следующем виде:
Основные характеристики водоносных толщ

Знак минус показывает, что по пути фильтрации I напор H падает (уменьшается).
8. Начальный градиент Jн — величина градиента напора, при которой преодолеваются силы вязкого трения воды и силы трения на контакте минеральных частиц с водой.
Проявляется Jн в глинистых породах и определяет нижний порог фильтрации, а следовательно, нижний предел применимости закона Дарси в этих породах (рис. 12.4).
9. Коэффициент водопроводимости пласта (проводимость) T — произведение коэффициента фильтрации на мощность водоносного горизонта T = km.
Суммарная проводимость слоистой толщи
Основные характеристики водоносных толщ

где Ti — проводимость i-го водоносного пласта; n — число пластов.
Коэффициент пьезопроводности водоносного пласта i
Основные характеристики водоносных толщ

где μ — коэффициент гравитационной водоотдачи, представляющий собой отношение объема свободно стекающей под действием гравитационных сил воды Vв к объему породы, осушенной при снижении уровней подземных вод Kп:
Основные характеристики водоносных толщ

Для крупно- и среднезернистых песков μ = 0,3—0,1, для полускальных пород в среднем U = 0,01, для суглинков μ = 0,01 — 0,1.
10. Ленты тока — фрагменты потока фильтрации, выделяемые по признакам одномерности, равных напоров, стабильности расхода фильтрационного потока.
11. Приток воды к водозаборным сооружениям. В водозащитных сооружениях при горных разработках преимущественно используют вертикальные водозаборные устройства, по гидродинамическому признаку разделяемые на грунтовые и артезианские колодцы совершенного и несовершенного вида.
Грунтовыми называют колодцы (скважины), вскрывающие безнапорные межпластовые воды. Артезианские колодцы вскрывают напорные подземные воды.
Основные характеристики водоносных толщ

И те, и другие называются совершенными, если доведены до водоупора и имеют проницаемые стенки в пределах всей мощности водоносного пласта. Несовершенные колодцы не доводят до водоупора, или они имеют проницаемые стенки в некоторой части водоносного пласта.
Приток воды, м3/сут, в совершенный грунтовый колодец определяется по формуле (рис. 12.5)
Основные характеристики водоносных толщ

где k — коэффициент фильтрации, м/сут; H — мощность водоносного пласта, м; h — высота пониженного уровня воды от водоупора, м; R и r — радиус влияния и радиус колодца, м. Радиус влияния R определяют опытным путем или вычисляют по методикам, приведенным в специальных учебниках или справочниках.
Основные характеристики водоносных толщ

Приближенно его значение можно определить по формуле И.П. Кусакина:
Основные характеристики водоносных толщ

где S — понижение уровня воды в колодце.
В совершенном артезианском колодце (рис. 12.6) при откачке воды уровень её снижается на величину S. Количество притекающей и откачиваемой при этом воды, м3/сут, определяется по формуле
Основные характеристики водоносных толщ