Репина И.И., Токарев Ю.В., Ефремова Н.А.

лабораторных работ по дисциплине «Инженерная геология»

ПОСТРОЕНИЕ КАРТЫ ГИДРОИЗОГИПС И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПО ДИНАМИКЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Учебно-методическое пособие для студентов очной и заочной форм обучения по направлению 080301 «Строительство»

Рекомендован учебно-методическим советомФГБОУ ВПО «ИЖГТУ имени М.Т. Калашникова» для использования в учебном процессе в качестве методических указаний для студентов очной и заочной форм обучения, обучающихся по направлению 080301 «Строительство»

С о с т а в и т е л и: Репина И.И., старший преподаватель

Рекомендовано к изданию на заседании кафедры «Геотехника и строительные материалы» ИжГТУ (протокол №33 от 09.06 2015 г.)

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 «Построение карты гидроизогипс и гидрогеологические расчеты по динамике подземных вод» к лабораторным занятиям по инженерной геологии дается представление о типах гидрогеологических карт, в частности, о карте гидроизогипс. Анализ этой карты дает возможность решать задачи о притоке подземных вод в горные выработки и строительные котлованы, проектировать защиту строительных сооружений от подтопления. Даются основные понятия по динамике подземных вод, приводятся гидрогеологические формулы и расчеты по движению подземных вод.

Методические указания помогут студентам направления 080301 «строительство» самостоятельно построить карту гидроизогипс, определить направление и скорость грунтового потока в пределах выбранной площадки строительства; 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.

В методических указаниях также даются рекомендации по проектированию дренажных систем для водопонижения на строительных площадках и вертикальных водозаборных колодцев, приводятся расчетные формулы водопритока в выработки. Для студентов разработан ряд заданий для самостоятельного закрепления материала.

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.

Гидроизогипсыпредставляют 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:

где Н _в – абсолютная отметка уровня грунтовых вод;

Н _з – абсолютная отметка поверхности земли;

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 см.

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.

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.

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

В – ширина потока в плане по гидроизогипсе, м.

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

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.

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.

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

Подземные воды могут передвигаться в горных породах как путем инфильтрации, так и фильтрации. При инфильтрации передвижение воды происходит при частичном заполнении пор воздухом или водяными парами, что обычно наблюдается в зоне аэрации. При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор или трещин водой. Масса этой воды создает фильтрационный поток.

Фильтрационные потоки отличаются друг от друга по характеру движения, гидравлическому состоянию, режиму фильтрации и т.д.

Движение подземных вод может быть установившимся и неустановившимся, напорным и безнапорным, ламинарным и турбулентным.

При установившемся движении все элементы фильтрационного потока (скорость, расход, направление и др.) не изменяются во времени.

Фильтрационный поток называется неустановившимся, если основные его элементы изменяются не только от координат пространства, но и от времени.

Подземный поток становится переменным, то есть приобретает неустановившийся характер движения под действием различных естественных и искусственных факторов (неравномерная инфильтрация атмосферных осадков, откачка воды из скважины, сброс сточных вод на поля фильтрации и т.д.).

При откачивании воды из какого-либо котлована или колодца (скважины) подземные воды прилегающего участка приходят в движение, направленное со всех сторон радиально к 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.

2. Какие задачи решаются по картам гидроизогипс?

3. Чем отличаются карты гидроизопьез от карт гидроизогипс? Что отражается на этих картах?

4. Покажите на карте водоразделы грунтового потока, сходящийся, расходящийся, плоский поток.

5. Как по карте гидроизогипс определить направление движения грунтового потока, зоны подтопления поверхности?

6. Как должны правильно располагаться на карте эксплуатационные колодцы и дренажные канавы с целью понижения уровня грунтового потока? Изобразите схематично гидроизогипсы и расположение дренажных выработок.

7. Напишите формулу определения гидравлического уклона (градиента) грунтового потока. Нарисуйте схему к вычислению напорного градиента.

8. Что такое установившийся и неустановившийся грунтовый поток?

9. Какая гидрогеологическая скважина считается совершенной или несовершенной?

10. Напишите формулу Дарси для определения скорости течения потока. Что показывает коэффициент фильтрации?

11. Как определить по карте гидроизогипс гидравлическую связь между подземными и поверхностными водами?

12. Как формируется депрессионная воронка вокруг скважины, от чего зависят ее размеры? Что такое радиус влияния скважины?

По данным, приведенным ниже (таблица 2), постройте схему и определите приток воды к совершенной скважине с круговым контуром питания при горизонтальном водоупоре.

Для решения задачи используется формула Дюпюи по подсчету притока воды в скважину (колодец) совершенного типа в безнапорном водоносном горизонте. Радиус влияния скважины определяют по формуле Кусакина.

Остальные данные, необходимые для расчета, находят из расчетной схемы для определения притока к совершенной скважине при откачке грунтовых вод.

В формуле Дюпюи (в знаменателе) берется lgR при L≥0.5R; lg2L при L<0.5R.

По данным, приведенным ниже (таблица 3), постройте схему и определите приток воды в совершенную скважину, вскрывшую напорные воды.

Схема для решения задачи и формула Дюпюи для определения притока воды к совершенным одиночным напорным скважинам (дебит) приведена в методических указаниях. Радиус влияния скважины находится по формуле Зихардта. Остальные данные, необходимые для расчета, находят из расчетной схемы для определения притока воды к совершенной скважине при откачке напорных вод.

По данным, приведенным ниже (таблица 4), постройте схему и определите объем двустороннего притока грунтовой воды к совершенной канаве.

Для решения задачи используется формула Дюпюи для определения двустороннего притока к совершенному водозабору (канаве. Радиус влияния скважины определяют по формуле Кусакина.

Остальные данные необходимые для расчета находят из расчетной схемы для определения притока к совершенной дрене при откачке грунтовых вод.

По данным, приведенным ниже, постройте схему и определите дебит несовершенной скважины, пройденной в грунтовых водах.

Дебит несовершенной скважины в безнапорных водах в случае примыкания фильтра к уровню грунтовых вод находится по формуле Дюпюи, учитывающей дополнительное фильтрационное сопротивление на несовершенство скважины ξ = f (l/m; m/r) по таблице Н.Н. Веригина.

Расчетная длина незатопленного фильтра l= l₁- S/2; расчетная мощность водоносного пласта m=H - S/2.

Значения дополнительного сопротивления ξ берут из графика функции ξ для расчета несовершенных скважин (рис.11) или из таблицы Н.Н. Веригина.

По данным Приложения 4 обработать химический анализ подземной воды.

1. Пересчитать результаты анализа из объемной формы выражения (мг/л) в миллиграмм-эквивалентную и процент-эквивалентную.

2. Определить общую жесткость и группу по жесткости.

3. Вычислить общую минерализацию воды. Определить тип воды по величине минерализации.

5. Выразить химический состав формулой М.Г. Курлова и расписать ее словесно до 10 %-экв.

6. Оценить пригодность воды для питьевого водоснабжения согласно СанПиН 2.1.4.1074-01.

Коэффициенты для пересчета содержания в воде главных ионов из мг в мг-экв/л.

Химический состав подземной воды при пересчете оформить в виде таблицы 8.

Сумму катионов (также и анионов) в мг-экв/л берут за 100% и определяют процентную долю каждого из катиона (аниона) – в %-эквивалентах.

1. Расход воды Q м³/с – количество воды, протекающее через поперечное сечение потока ω в единицу времени при средней скорости V_ср:

2. Модуль стока М л/с·км² – количество воды Q, стекающее с 1км² площади водосбора F в 1с:

3. Объем стока W, м³/год – количество воды в м³, стекающее с территории бассейна за год:

где T – 31.5·10⁵ – число секунд в году. Объем годового стока (м³/год) можно выразить через модуль стока:

4. Слой стока Y за год (мм/год) вычисляется по формуле:

Между слоем и объемом стока существует зависимость:

5. Коэффициент стока η – определяется как отношение высоты слоя Y мм за какой-либо период к количеству осадков X мм за этот же период:

6. Модульный коэффициент К_i – отвлеченное число, получаемое из соотношения:

Значение К_i в многоводный год всегда больше единицы, а маловодный год – меньше единицы.

Q₂– Q₁= Q_n, м³/с – величина подземного питания равна разности расходов на бесприточном участке реки.

2. Величина подземного питания q_nod, м³/с на 1 км длины реки определяется по формуле:

3. Процентное содержание подземного стока М_n от общего годового поверхностного стока М (модульный коэффициент подземного стока):

4. Годовая инфильтрация атмосферных осадков численно равна высоте слоя в мм подземного стока Y_n:

6. Среднемноголетний объем от инфильтрации (мм³/год)для площади подземного водосбора за год вычисляется по формуле:

Площадь бассейна реки Белая F км². Средний многолетний расход за 50 лет Q₀ м³/с. Осадки за год X мм. Среднегодовой расход за 2014 год Q₁₄ м³/с. На левобережном притоке р. Белая расход воды в нижнем створе Q₂ м³/с, в верхнем створе на расстоянии L км Q₁ м³/ с. Площадь подземного питания по карте гидроизогипс F_n км². Вычислить основные характеристики поверхностного и подземного стока р. Белая у ее устья. Варианты задания приведены в Приложении 5.

1. Передельский Л. В., Приходченко О. Е. Инженерная геология.– Ростов-н/Д: Феникс, 2006.

2. Ананьев В. П., Передельский Л. В. Инженерная геология и гидрогеология. – М.: Высш. шк., 2002.

3. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология – М.: Высш.шк., 2005.

4. Чернышев С.Н., Ревелис И.Л., Чумаченко А.Н. Задачи и упражнения по инженерной геологии – М.: Высш.шк., 1984.

5. Колокольцева С. П. Методические указания для студентов специальности 1209 «Водоснабжение и канализация». Построение карты гидроизогипс и гидрогеологические расчеты по динамике подземных вод. – Куйбышев: Изд-во КуИСИ, 1984.

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: