Мех. Мет ук и КЗ 2013_ ПГМ. Методические указания и контрольные задания для самостоятельной работы студентов дневного и заочного отделений

• Название: Методические указания и контрольные задания для самостоятельной работы студентов дневного и заочного отделений
• Дата: 26.03.2021
• Размер: 0.82 Mb.
• Имя файла: Мет ук и КЗ 2013_ ПГМ.docx
• Тип: Методические указания; #188311
• страница: 1 из 7

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ)
ИНЖЕНЕРНАЯ ШКОЛА
Б.В. ЛЕОНОВ

ПОДЗЕМНАЯ ГИДРОМЕХАНИКА

Методические указания и контрольные задания

для самостоятельной работы студентов дневного и заочного отделений

специальности 130501 "Проектирование, сооружение и эксплуатация

газонефтепроводов и газонефтехранилищ"

Владивосток

2013

Методические указания включают задачи по курсу "Подземная гидромеханика" для практического изучения закономерностей движения жидкости в различных природных условиях для студентов специальности 130501 "Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ". Рассматриваются фильтрационные расчеты при естественных и нарушенных работой дренажных (водозаборных) сооружений условиях.

Составитель - доцент кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ канд. техн. наук Б.В. Леонов


Руководитель общеобразовательной

программы, профессор, канд. техн. наук С.Ф. Соломенник

Методические указания печатается

с оригинал-макета, подготовленного автором

__________________________________________________________________
© Б.В. Леонов, 2013

1 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Подземная гидромеханика является теоретической основой для решения практических задач проектирования, строительства и эксплуатации газонефтепроводов и нефтехранилищ, а также основой для решения вопросов инженерной геологии, гидротехники, в частности, устройства и эксплуатации дренажных (водопонизительных) и водозаборных сооружений, применяемых для улучшения условий строительства и эксплуатации инженерных сооружений и используемых промышленных территорий.

В основу изучения предмета подземная гидродинамика положены знания, полученные из учебных курсов математики, физики, теоретической механики, гидравлики. Изучение дисциплины предусматривается в течение одного семестра и не предусматривает выполнение практических работ.

Методические указания направлены на углубление и закрепление у студентов теоретических знаний и практических навыков в вопросах, составляющих основу количественного изучения закономерностей движения жидкости в различных природных условиях, которые наиболее часто встречаются при решении практических задач подземной гидромеханики.

1.1 Условия фильтрации. Расчетные схемы
Построение расчетной схемы фильтрации производится на завершающем этапе схематизации природной гидродинамической модели, при которой сложные природные условия фильтрации жидкостей заменяются расчетными условиями разумной сложности, так как учет большого числа факторов делает невозможным математическое описание процесса фильтрации. Расчетные схемы изображаются в виде карт, планов и разрезов, на которых отображают основные факторы, оказывающие существенное влияние на движение жидкостей.

В дальнейшем рассматриваются две основных группы условий фильтрации: движение жидкости в естественных условиях и движение жидкости в условиях, нарушенных работой дренажных (водозаборных) сооружений. По условиям фильтрации выделяются следующие типы потоков: напорный и безнапорный (рис 1).

Безнапорные потоки жидкости формируются на первом от поверхности выдержанном по площади непроницаемом пласте или водоупоре. Потоки жидкости характеризуются глубиной h, имеют свободную поверхность и непосредственную связь с атмосферой.

Напорные потоки жидкости относятся к пластам рыхлых и трещиноватых пород, залегают между пластами непроницаемых или слабо проницаемых горных пород, имеют пьезометрический уровень (напор) Н, превышающий отметки подошвы верхнего непроницаемого пласта (кровли).
а)



б)



Рис. 1 - Схема движения подземных вод в неоднородных пластах при горизонтальном положении водоупора: а) напорное движение подземных вод по напластованию; б) безнапорное движение подземных вод при резком изменении водопроницаемости по пути движения; 1 - водопроницаемый пласт; 2 – поверхность водоупора; 3 - пьезометрический уровень Н; 4 - уровень грунтовых вод с глубиной h; 5 – относительная отметка или превышение пьезометрического уровня над плоскостью сравнения напоров (0 _ _ _ 0)

1.2 Область фильтрации, гидродинамические элементы потока жидкости
1) мощность m или глубина потока h (для безнапорных потоков) характеризуют вертикальный размер обводненных водопроницаемых горных пород;

2) ширина потока В характеризует размер потока в плане, измеряется в сечении перпендикулярном направлению движения жидкости;

3) площадь живого сечения потока ω характеризует размер потока в плоскости, перпендикулярной к направлению его движения, определяется как произведение мощности (или глубины) потока на его ширину;

4) пьезометрический напор H_X в створе Х для точки N слагается из пьезометрической высоты h_N и превышения этой точки над выбранной плоскостью сравнения напоров Z_N (рис. 2),

H_X = h_N + Z_N; (1)


Рис. 2 - Схема к определению пьезометрического напора в потоке

с наклонным водоупором

5) напорный градиент I или гидравлический уклон

I = (Н₁ – Н₂)/L_1-2, (2)

характеризует уклон пьезометрической кривой для напорных потоков или кривой депрессии (кривой понижения уровня жидкости) для безнапорных потоков жидкости на участке длиной L_1-2;

6) направление движения жидкости устанавливается по сопоставлению напоров в разных точках пласта; на планах и разрезах потоков показывается с помощью гидродинамической сетки, состоящей из линий тока (траекторий движения частиц жидкости) и ортогональных им линий равного напора - пьезоизогипс для напорных потоков или гидроизогипс для безнапорных потоков подземных вод (рис. 3);

7) скорость фильтрации V в створе определяется как отношение расхода потока Q к площади его живого сечения (V = Q/ω) или

V = K·I, (3)

где К - коэффициент фильтрации, м/сут; ω - площадь живого сечения, м²;

а) б)


Рис. 3. Гидродинамическая сетка напорного потока подземных вод: а ‑ план; б - разрез; 1 - линии тока; 2 - пьезоизогипсы; 3 - пьезометрический уровень; В_Я и L_Я - соответственно средняя ширина и средняя длина ячейки гидродинамической сетки

8) расход потока жидкости выражается ее объемом, протекающим через живое сечение потока в единицу времени (Q = V·ω), определяется по закону Дарси

Q = K·ω·I; (4)

9) действующий напор ∆H на участке L_1-2

∆H_1-2 = H₁ –H₂; (5)

10) удельный расход потока жидкости q характеризует расход на участке единичной ширины (при В = 1 м);

q = Q/В; (6)

11) проводимость пласта Т - комплексный параметр, определяемый как произведение коэффициента фильтрации и мощности (или средней глубины) пласта

Т = К·m или Т = К·h_СР; (7)

12) фильтрационное сопротивление Ф - комплексный параметр, определяемый из условия, что расход потока жидкости прямо пропорционален действующему напору ΔH_1-2 на участке L_1-2 и обратно пропорционален фильтрационному сопротивлению, значение которого определяется длиной участка L_1-2 и его проводимостью T_1-2.

Q = ∆H_1-2 /Ф_1-2; (8)

Ф_1-2 = ∆H_1-2 /Q = L_1-2 / T_1-2. (9)

При горизонтальном положении подошвы пласта (водоупора) её поверхность принимается за плоскость сравнения напоров. При этом глубина потока жидкости будет численно равна пьезометрическому напору (рис. 1б).

При определении расчетных условий фильтрации пласты с неоднородным строением приводятся к однородным путем использования в качестве расчетных средних значений коэффициента фильтрации К_СР или проводимости пласта Т_СР.

Среднее значение коэффициента фильтрации при движении жидкости по напластованию, т. е. параллельно напластованию (рис. 1а) равно:

, (10)

где К₁, К₂ и К₃ - коэффициенты фильтрации слоев, имеющих соответственно мощности m₁, m₂, m₃.

Среднее значение коэффициента фильтрации при движении жидкости в пласте при резком изменении проницаемости по пути движения, т. е. перпендикулярно напластованию (рис. 1б) равно:

, (11)

где L₁ и L₂ - участки пласта, имеющие соответственно коэффициент фильтрации К₁ и К₂.

Среднее значение проводимости при хаотической неоднородности в плане (рис. 4) определяется как средневзвешенное по формуле

, (12)

где Т₁, Т₂, ... Т_N - проводимость участков пласта, имеющих соответственно площади F₁, F₂, ... F_N.



Рис. 4 - Схема пласта с хаотической неоднородностью проводимости в плане