Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика 1 (1). Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика
 Скачать 420.2 Kb.
|
|
12.Виды течений. Фильтрация. Гидравлический уклон. Закон фильтрации Дарси. Виды течений(п.6). Подземные воды находятся в постоянном движении. Существует раздел гидрогеологии, изучающий закономерности движения подземных вод, который называется "Динамика подземных вод". Законы движения подземных вод используются при гидрогеологичеких инженерных расчетах водозаборов, дренажей, определении притоков воды к строительным котлованам. Подземные воды передвигаются в основном путем инфильтрации и фильтрации. Под инфильтрацией понимают движение воды при частичном заполнении пор воздухом либо водяными парами. При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор(трещин) водой. Масса этой движущей воды создает фильтрационный поток. Фильтрационные потоки различают по характеру движения (установившийся и неустановившийся), гидравлическому состоянию (безнапорные, напорные и напорно-безнапорные). Движение потоков в основном ламинарное (параллельным) , в крупных трещинах и пустотах может быть турбулентным (завихряющемся). В плане фильтрационные потоки можно рассматривать как плоские и радиальные (сходящиеся (например к колодцу) и расходящиеся). Основной закон фильтрации подземных вод - Закон фильтрации Дарси Движение подземных вод происходит при наличии разности гидравлических уровней (напоров). Воды двигаются от мест с высокими уровнями к местам с низкими уровнями. Отношение разности напоров к длине пути фильтрации называется гидравлическим (напорным) градиентом. Чем градиент выше, тем больше скорость движения. I = ΔH/l, где ΔG = H1-H2 - разность напоров (H); l - длина пути фильтрации. Фильтрация в полностью водонасыщенных водах при ламинарном (параллельном, спокойном, без завихрений) движении воды подчиняется закону Дарси Q = КфFI, где Q - расход воды (кол-во фильтрующей воды через поперечное сечение F в единицу времени); Кф - коэффициент фильтрации; F - площадь поперечного сечения потока воды (водоносного пласта); I - Гидравлический градиент. Введем понятие скорость фильтрации (v) - отношение расхода воды к площади поперечного сечения потока (v = Q/F). Таким образом сформулировать закон Дарси можно как "Скорость фильтрации пропорциональна напорному градиенту" v = КфI Коэффициент фильтрации можно таким образом можно выразить как скорость фильтрации при напорном градиенте равном единице. Скорость фильтрации воды по представленной выше формуле не отвечает действительной скорости движения воды в породе. Это связано с тем что вода двигается не по всему сечению, а только через его часть, равную площади пор и трещин породы. Действительную скорость движения воды (vд) определить можно как vд = v/n, где n - пористость породы, выраженная в долях единицы. Коэффициент фильтрации определяется в основном геометрией пор, а также свойствами самой воды и пр. Точное значение коэффициента фильтрации определяют лабораторным путем, полевым путем и расчетным методом ( для песков и гравелистых пород) Воды зоны аэрации. Как правило, зона аэрации имеет слои грунта различные по своей водопроницаемости. Поэтому, во время выпадения дождей, в зоне аэрации может образовываться временный водоносный горизонт, который называется верховодкой. Верховодка особенно характерна при зимней оттепели и весной, когда в грунте ещё сохраняется водонепроницаемый слой сезонной мерзлоты, а тающий на поверхности снег обеспечивает интенсивное насыщение почвы водой. Весенняя верховодка часто является причиной затопления подвалов зданий. Наличие влаги в зоне аэрации объясняется тем, что все капиллярно-пористые системы, в частности которой и является зона аэрации сложенная песками обладает способностью всасывать влагу из воздуха, удерживать и накапливать ее в своих порах. После чего накопленная влага может "стекать" из зоны аэрации в водоносный горизонт, пополняя его запасы. Эта способность возрастает с уменьшением влажности грунта, понижением его температуры и увеличением содержания в нем солей. Благодаря процессам внутригрунтовой конденсации водяных паров даже в пустынях, где влажность воздуха минимальна, под барханами образуются линзы пресной воды. Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. Зона насыщения горных пород расположена ниже уровня грунтовых вод. Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде верховодк, грунтовых, артизеанских, трещинных и вод вечной мерзлоты. Верховодки- это временные скопления подземных вод в зоне аэрации. Верховодки образуются над случайными водоупорами- линзы глин и суглинков, при инфильтрации вода задерживается и образует водоносные горизонты. Это связанно с периодом обильного снеготаяния, периодом дождей. Также это появляется вследствие низкой водопронинцаемости грунта. Для обеспечения зоны аэрации, для дыхания корней, правильного разложения органического вещества в почве должен происходить газообмен, при котором весь объем воздух в корнеобитаемом слое будет обновляться не больше, чем за 8 суток. Для нормального роста и развития растений в почве одновременно должны содержаться в определенном соотношении воздух и вода. При недостатке воды корни растений не могут подать требуемое количество ее к листьям (почвенная засуха). В сухой почве много воздуха, вследвие чего активизируется деятельность аэробных бактерий, а это приводит к быстрому разложение органического вещества. При малом содержании воды в почве повышается концентрация почвенного раствора и растения не могут использовать его. При избытке воды, содержание воздуха уменьшается и ухудшается дыхание корней, замедляются процессы разложения органического вещества. Таким образом, от количества воды в почве зависит степень обеспечения ею растений, содержания в почве воздуха, тепловой и питательный режим в почве, т.е. ее плодородие. Оптимальная влажность почвы для разных растений различна (табл.). чем в почве больше питательных веществ, тем выше оптимум влажности. Плывуны и псевдоплывуны. ПЛЫВУН (а. drift sand, floating sand, running sand, quicksand; н. Schwimmsand; ф. terrain соulant, sable aquifere; и. arena movediza, roca pastosa, fluidez de suelo) — насыщенные водой рыхлые слаболитифицированные, главным образом песчаные породы, способные растекаться и оплывать. Различают истинный и ложный плывун. Истинный плывун состоит из тонкозернистых и пылеватых песков, а также грунтов, содержащих гидрофильные коллоиды, выполняющие роль смазки. Характерная особенность этих плывунов — большая подвижность и способность быстро переходить в плывунное состояние при незначительном механическом воздействии, особенно при сотрясении или вибрации. При малой влажности и высокой плотности плывун обладает значительной прочностью. При влажности выше некоторой критической плывуны могут течь как единое целое под действием незначительных напряжений. Истинный плывун при промерзании подвергается сильному пучению, слабо фильтрует воду, высыхая, приобретает связность. В отличие от высокодисперсных пластичных грунтов пластические свойства истинных плывунов являются временными и после снятия нагрузки постепенно исчезают. Ложные плывуны не содержат коллоидных частиц, и их плывунные свойства проявляются при значительных напорных градиентах. По мере увеличения плотности ложные плывуны часто теряют плывунные свойства. Плывуны осложняют ведение горных работ при проходке горных выработок, строительстве котлованов, сооружений, тоннелей и др. В качестве защитных мероприятий при проходке в плывунах применяют специальные щиты, кессоны, опускные колодцы, замораживание, опережающую проходку и закрепление плывунов. Виды воды в горных породах. В зависимости от физического состояния, подвижности и характера связи с грунтом выделяют несколько видов воды в грунтах: химически и физически связанная, капиллярная, свободная, вода в твердом и парообразном состоянии. Химически связанная вода входит в состав некоторых минералов, например гипса, медного купороса. Вода из таких минералов может быть удалена в большинстве случаев лишь при нагревании до 300-400 С. Физически связанная вода удерживается на поверхности минералов и частиц грунта молекулярными силами и может быть удалена из грунта только при температуре не менее 90-120 С. Этот вид воды подразделяют на гигроскопическую и пленочную. Гигроскопическая вода образуется вследствие адсорбции частицами грунта молекул воды. На поверхности частиц гигроскопическая вода удерживается молекулярными и электрическими силами. Пленочная вода образует пленку поверх гигроскопической воды, когда влажность грунта становится выше его максимальной гигроскопичности. Эта вода может передвигаться от одной частицы грунта к другой. Капиллярная вода образуется в порах грунта после насыщения их пленочной водой, заполняет поры и тонкие трещины и перемещается в них под действием капиллярных сил Капиллярную воду в порах грунта подразделяют на капиллярно-подвешенную, образующуюся в верхней части почвенного слоя, питающуюся атмосферными осадками и не связанную с нижерасположенными грунтовыми водами; капиллярно-поднятую, располагающуюся в виде капиллярной зоны над уровнем грунтовых вод и тесно с ним связанную; капиллярно-разобщенную, находящуюся в остальной толще грунта. Капиллярная вода через поверхность почвы или листья растений испаряется, играет важную роль в насыщении почв водами, режиме грунтовых вод и питании растений. Свободная вода – наиболее подвижный и важный компонент подземных вод. Эта вода в жидком виде находится в порах и трещинах грунта и перемещается под влиянием силы тяжести и градиентов гидростатического давления. Вода в твердом состоянии находится в грунте в виде кристаллов, прослоек и линз льда. Вода в парообразном состоянии заполняет вместе с воздухом не занятые водой пустоты в грунтах. |