Курсовая работа: Расчет динамики подземных вод
Курсовая работа: Расчет динамики подземных вод
Содержание
Введение
1. Движение
воды в зонах аэрации и насыщения
2. Движение
подземных вод в водоносных пластах. Определение скорости движения подземных вод
3.
Установившееся и неустановившееся движение подземных вод. Методы моделирования
фильтрации
4. Приток воды к
водозаборным сооружениям
4.1 Приток
безнапорных вод в совершенную горизонтальную дрену (канаву)
4.2 Расчет
притока грунтовых вод в скважину
4.3 Расчет
притока напорных вод в совершенную дрену
4.4 Расчет
притока артезианских вод в скважину
5. Методы
определения коэффициента фильтрации горных пород. Определение радиуса влияния
Заключение
Список
источников литературы
Введение
Гидрогеология — наука, изучающая подземные воды Земли, их историю,
происхождение, формирование, состав, режим, геологическую и геохимическую
деятельность. Но главной целью гидрогеологических исследований остается
выявление новых резервов питьевой воды. В связи с быстрым ростом численности
населения нашей планеты проблема запасов природных вод становится особенно
острой. В ряде районов уже сейчас испытывается большой недостаток пресной воды,
некоторые страны импортируют воду из других государств.
По количеству водных ресурсов Россия занимает одно из первых мест
в мире. Однако промышленность и население нашей страны распределены
неравномерно, в связи с чем и у нас в отдельных районах возникают очень большие
потребности в питьевой воде. Такое положение сложилось в отдельных районах
Урала. В РФ, к тому же, есть ряд засушливых районов с отсутствием водных
ресурсов или острым их недостатком.
Роль подземных вод в жизни человека, животных и растений
исключительно велика, в связи с этим значение гидрогеологии для народного
хозяйства переоценить трудно.
1. Движение воды в зонах аэрации и насыщения
В зоне аэрации, т. е. в толще пород, расположенной между дневной
поверхностью и зеркалом грунтовых вод, находятся:
а) водяной пар, заполняющий поры породы;
б) гигроскопическая влага, обусловливающая гигроскопическую
влажность пород;
в) пленочная вода, обволакивающая зерна пород в виде пленок
различной толщины, и
г) капиллярная вода, располагающаяся в виде капиллярной каймы над
зеркалом грунтовых вод.
Движение подземных
вод в зоне аэрации может происходить в виде передвижения пара, в виде
пленочного движения, свободного просачивания и капиллярного движения.
Движение парообразной и гигроскопической влаги. А. Ф. Лебедевым
было экспериментально доказано, что влага в парообразном состоянии
передвигается от участка с большей упругостью водяного пара к участку с меньшей
его упругостью. Упругость же зависит от температуры и влажности пород. Таким
образом, если между различными участками горных пород появляется разница в температуре
или влажности, возникает движение водяных паров. При одинаковой температуре
движение направлено от более влажных частиц к менее влажным; при одинаковой
влажности — от более к менее нагретым. Поэтому летом парообразная влага
движется сверху вниз, а зимой — снизу вверх.
Гигроскопическая влага также передвигается в порах пород в виде
водяного пара.
Движение воды в пленочном состоянии. По А. Ф. Лебедеву, движение
воды в пленочном состоянии происходит под действием молекулярных сил и не
подчиняется влиянию силы тяжести.
Рассмотрим движение пленочной воды на примере. Допустим, что мы
имеем две одинаковые по диаметру частицы породы, соприкасающиеся между собой.
Частица с центром О1 покрыта пленкой воды толщиной Р1,
а вторая частица — более тонкой пленкой, толщиной Р2. Рассмотрим
влияние частиц породы на частицу воды, расположенную в точке С. Легко
убедиться, что расстояние О1С=R+P1 и оно больше, чем О2С=R+P2
т. е. частица 2 будет оказывать большее притяжение на частицу воды в точке С,
чем частица породы с центром О1, В результате частица воды С
перейдет на пленку, обволакивающую частицу породы 2. Движение частиц воды
происходит до тех пор, пока толщина пленок на обеих частицах породы станет
одинаковой.
Движение воды в виде просачивания. Просачивание в породах может
происходить в виде отдельных струек и в виде сплошной массы воды. В первом
случае отдельные струйки воды движутся самостоятельно, разрозненно. Вначале
происходит смачивание частиц грунта, после чего под действием сил тяжести
избыточная вода в виде гравитационной просачивается вниз.
Такой вид движения Г. Н. Каменский назвал свободным
просачиванием. Второй вид движения наблюдается в случае, если породы
насыщены водой полностью. Движение воды здесь происходит сверху вниз под
действием силы тяжести. Этот вид движения влаги назван инфильтрацией.
Капиллярное движение имеет место как в верхней части зоны аэрации
при просачивании и инфильтрации, так и над зеркалом грунтовых вод (в
капиллярной зоне). В первом случае капиллярное движение происходит сверху вниз (капиллярное
всасывание), во втором — снизу вверх {капиллярное поднятие).
В породах, насыщенных водой, т. е. в зоне насыщения, движение воды
может происходить в двух формах:
1) ламинарного, при котором струйки воды текут параллельно,
без перемешивания и
2) турбулентного, при котором происходит хаотическое
движение частиц жидкости и интенсивное перемешивание ее слоев. Переход от
ламинарного движения к турбулентному и обратно происходит при достижении
определенной скорости частиц жидкости, называемой критической скоростью. Движение
подземных вод в нескальных породах происходит по типу ламинарного.
Чтобы установить закономерности движения жидкости в породах,
французский ученый X. Дарси в 1856 г. поставил несложный опыт, который
заключался в следующем. В цилиндр, наполненный песком, наливали слой воды,
поддерживая ее уровень постоянным. Вода после просачивания через песок
выливалась через кран в нижней части цилиндра. В цилиндр были вставлены
изогнутые трубки, так называемые пьезометры. Вода в них устанавливалась
на различных уровнях (в верхнем пьезометре — выше) в связи с тем, что в
процессе фильтрации через поры грунта вода преодолевала сопротивление и на это
терялась часть напора.
В результате проведенных исследований Дарси установил, что
количество воды, профильтровавшейся через песок в единицу времени (расход, О),
прямо пропорционально разности уровней воды в пьезометрических трубках (∆Н=Н2—Н1),
площади поперечного сечения цилиндра (F) и некоторому коэффициенту
пропорциональности (К) и обратно пропорционально высоте слоя песка (I).
Оказалось, что коэффициент К зависит от свойств песка и его стали
называть коэффициентом фильтрации (Кф). Эта зависимость получила
название закона Дарен и обычно записывается в следующем виде (1):
 (1)
Выражение 
обозначают буквой / и называют напорным, градиентом или гидравлическим
уклоном. Тогда можно записать
 (2):
Если разделить обе части уравнения на F, то получим скорость
фильтрации (υ) (2):
 (3):
Таким образом, скорость фильтрации прямо пропорциональна
коэффициенту фильтрации и напорному градиенту. Формула (3) представляет собой
уравнение прямой линии, в связи с чем закон Дарси называют линейным законом
фильтрации.
Если в выражении (3) принять I=1, что имеет место при
уклоне, равном 45°, получим
 (4):
т. е. коэффициент фильтрации — это та скорость просачивания,
которую имел бы поток при уклоне, равном единице.
Не следует при этом смешивать скорость фильтрации со скоростью
движения частиц воды. Дело в том, что Дарси при расчетах принимал площадь
поперечного сечения потока (F) равной сечению цилиндра, тогда как в
действительности вода передвигалась в породе только по порам. Чтобы получить
действительную скорость (и) движения подземных вод в порах грунта,
необходимо расход воды разделить на площадь поперечного сечения и пористость
грунта (n).
 (5):
Так как
 ,
то
 (6):
Это выражение показывает, что действительная скорость движения
подземных вод больше скорости фильтрации, так как величина пористости всегда
меньше единицы.
Необходимо заметить, что коэффициент фильтрации выражают в м/сут,
хотя в некоторых случаях применяют см/с и км/год.
Если движение подземных вод происходит в крупных пустотах горных
пород, то оно становится турбулентным и подчиняется нелинейному закону
фильтрации, который выражается уравнением Шези — Краснопольского
 (7):
Таким образом, скорость фильтрации при турбулентном движении
пропорциональна коэффициенту фильтрации и напорному градиенту в степени ½
2. Движение подземных вод в водоносных пластах. Определение скорости
движения подземных вод
Для определения направления движения подземных вод используют карты
гидроизогипс, на которых в виде изолиний показан «рельеф» зеркала грунтовых
вод. Перпендикуляры к гидроизогипсам, направленные в сторону снижения отметок,
называются линиями тока, показывающими направление движения грунтовых
вод.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6 |
