Закон Дарси. Закон Дарси (Анри Дарси, 1856) закон фильтрации жидкостей и газов в пористой среде. Исторически закон был получен А. Дарси экспериментально1, но может быть получен с помощью осреднения уравнений Навье Стокса,
 Скачать 1.55 Mb.
|
Определение направленности движения подземных вод. Направление движения подземных вод легко устанавливается при наличии карт гидроизогипс (либо гидроизопьез) по изучаемым водоносным горизонтам. По таким картам направление движения подземных вод определяется линиями токов, проведенным перпендикулярно, к линиям равного напора гидроизогипсам или гидроизопьезам по уклону потока.По отсутствии карт, отражающих положение свободной или пьезометрической поверхности подземных вод, для определения направления их движения необходимо иметь не менее трех выработок, чтобы установить отметки уровня подземных вод. Выработки желательно располагать по углам равностороннего треугольника с длиной стороны от 50 до 200 метров(чем меньше уклон потока, тем больше расстояние между скважинами). По известным или установленным отметкам уровня подземных вод путем интерполяции составляется план изолинии свободной или изотермической поверхности определяется направление движения потока по линиям токов.  Для получения надежных данных о направлениях движения потоков подземных вод следует использовать материалы режимных наблюдений(карты изолиний на различные периоды времени). Определение направления движения по картам гидроизогипс следует считать основным методом при отсутствии карт достоверных данных об отметках уровней в отдельных точках направление давления подземных вод можно устанавливать с помощью геофизических(фотографирование в скважинах конусов распространения красителя от точечного источника, метод заряженного тела, замеры интенсивности конвективного переноса тепла в разных направления от датчика, круговые измерения естественного потенциала и др.), радиоиндикаторных и других методов.Геофизические методы определения направления движенияподземных вод.Наиболее перспективными являются односкважинные методы, в том числе метод фотографирования конусов выноса от точечного источника красителя, при котором периодически фотографируются распространяющиеся от специальной капсулы конуса красителя на фоне стрелки магнитного указателя. Всего за один спуск можно наполнить до 60 снимков, направление движения подземных вод определяется по направлению конуса заноса красителя для получения надежных результатов достаточно 4-6снимков.Точность определении направления подземного потока может быть оценена величиной относительной погрешности от 3 до 20, в значительной мере погрешность зависит от скорости движения подземных вод. Метод может использоваться при скоростях фильтрации не ниже 0,5 м/сут. По времени существования конуса можно ориентировочно определить и скорость фильтрации.Этот метод значительно менее апробирован, по сравнению с радиоиндикаторным, но он несколько проще в пополнении и не требует согласования с органами санэпидемнадзора.Односкважинные методы осуществления направления движения подземных вод не рекомендуется использовать в породах с редкой и неравномерной трещиноватостью. орости 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. По взаимному расположению гидроизогипс и линий тока потоки грунтовых вод разделяют на плоские и радиальные В плоском потоке гидроизогипсы в плане имеют вид параллельных прямых и линии тока при пересечении с ними образуют сеть прямоугольников. Плоский поток может иметь место в междуречьях; между рекой и дреной, текущими параллельно; в случае дренирования грунтовых вод горизонтальными выработками (канавами, штольнями). В радиальном потоке гидроизогипсы представляют собой систему кривых линий, а линии тока имеют вид радиусов. Наиболее наглядным примером радиального потока может быть приток воды в колодец или скважину во время интенсивного водоотбора. Радиальный поток может быть расходящимся (например, возле излучины реки) и сходящимся (к водозабору). При расходящемся потоке ширина его по направлению движения увеличивается, а при сходящемся, наоборот, уменьшается. Скорость движения подземных вод можно определить несколькими способами. Один из них основан на введении в воду поваренной соли. На некотором расстоянии от опытной скважины (шурфа или колодца) проходят наблюдательную скважину, которую закладывают ниже по направлению движения подземных вод. Перед началом опыта определяют содержание хлора в опытной и наблюдательной выработках. Затем в опытную выработку вводят раствор поваренной соли, в котором концентрация ионов хлора в 2000 раз выше, чем в подземных водах. Естественно, время ввода соли (t1) необходимо отметить. Через каждые 10 мин из наблюдательной скважины отбирают пробы воды и при помощи азотнокислого серебра определяют содержание хлора. Данные анализов наносят на график и находят время прохождения пика (t2). Действительная скорость (8) Где l - расстояние между выработками, м. Этот способ очень удобен, но применение его невозможно при естественном содержании хлора в воде свыше 500--600 мг/л и при резких неровностях водоупорного слоя. В первом случае анализами трудно определить изменения содержания хлора, во втором -- более тяжелый, чем вода, раствор поваренной соли может задержаться в понижениях водоупора. Можно также применять органические красители, присутствие которых в воде обнаруживается при ничтожно малых концентрациях (до 10-6 %). Для этого применяют флуоресцеин, имеющий при слабых концентрациях зеленовато-желтый цвет, метиленовый синий краситель и др. Для определения содержания красителя в воде используют флюороскоп -- набор стеклянных трубок с разной концентрацией красителя. Сравнивая цвет воды в отобранных пробах с цветом трубок-эталонов, легко и быстро можно определить содержание красителя в пробе воды. Затем строят график изменения во времени содержания красителя в воде и аналогично вышеописанному способу определяют скорость движения подземных вод. Скорость движения подземных вод можно определять и электролитическим способом. Новейшие достижения физики и химии позволяют использовать «меченные атомы» -- изотопные индикаторы. Высокая чувствительность и простота радиоактивных измерений позволяют фиксировать минимальное ко Основной закон фильтрации (закон Дарси). Способы определения скорости движения подземных вод? Основной закон фильтрации (закон Дарси). В XIX веке французский ученый Дарси опытным путем установил зависимость скорости фильтрационного потока от гидравлического градиента; с тех пор этот закон носит имя Закон Дарси: где k (или kф) – коэффициент фильтрации (показатель, который характеризует водопроницаемость породы и зависит от ее пористости). где vо– истинная скорость потока. Выражение Дарси отвечает медленному и спокойному струйчатому движению воды в грунте – ламинарное движение. Когда частицы жидкости при движении отрываются от ее основной массы и начинают двигаться по разным траекториям, сталкиваясь между собой, такое движение называется турбулентное или вихревое. Переход из ламинарного движения в турбулентное зависит от скорости частиц жидкости. В порах нескальных грунтов вода движется по ламинарному типу, в трещинах скальных пород движение воды может происходить как в ламинарном, так и в турбулентном режиме. В формуле v= k . j при j = 1; v = k, то есть водопроницаемость грунта равна скорости потока в данном грунте при градиенте j = 1, что соответствует уклону пьезометрической поверхности α=45о. Итак, как уже сказано выше, закон Дарси отвечает ламинарному движению потока. Он применим для глинистых, песчаных и мелкообломочных грунтов. В крупнообломочных грунтах (галечниках), а также в трещинах и карстовых полостях в горных породах, при высоких значениях гидравлического градиента, а, следовательно, и скорости фильтрации, наблюдается турбулентное движение потока. Способы определения скорости движения подземных вод. Скорость движения подземных вод можно определить несколькими способами. Один из них основан на введении в воду поваренной соли. На некотором расстоянии от опытной скважины (шурфа или колодца) проходят наблюдательную скважину, которую закладывают ниже по направлению движения подземных вод. Перед началом опыта определяют содержание хлора в опытной и наблюдательной выработках. Затем в опытную выработку вводят раствор поваренной соли, в котором концентрация ионов хлора в 2000 раз выше, чем в подземных водах. Естественно, время ввода соли (t1) необходимо отметить. Через каждые 10 мин из наблюдательной скважины отбирают пробы воды и при помощи азотнокислого серебра определяют содержание хлора. Данные анализов наносят на график и находят время прохождения пика (t2). Этот способ очень удобен, но применение его невозможно при естественном содержании хлора в воде свыше 500-600 мг/л и при резких неровностях водоупорного слоя. В первом случае анализами трудно определить изменения содержания хлора, во втором - более тяжелый, чем вода, раствор поваренной соли может задержаться в понижениях водоупора. Можно также применять органические красители, присутствие которых в воде обнаруживается при ничтожно малых концентрациях (до 10-6 %). Для этого применяют флуоресцеин, имеющий при слабых концентрациях зеленовато-желтый цвет, метиленовый синий краситель и др. Для определения содержания красителя в воде используют флюороскоп - набор стеклянных трубок с разной концентрацией красителя. (С) Сравнивая цвет воды в отобранных пробах с цветом трубок-эталонов, легко и быстро можно определить содержание красителя в пробе воды. Затем строят график изменения во времени содержания красителя в воде и аналогично вышеописанному способу определяют скорость движения подземных вод. Скорость движения подземных вод можно определять и электролитическим способом. Для этого в опытную скважину вводят электролит (обычно хлористый аммоний) и следят за изменением электропроводимости между опытной и наблюдательной скважинами. Для этой цели используют миллиамперметр, по данным которого строят график изменения силы тока во времени. Новейшие достижения физики и химии позволяют использовать «меченые атомы» - изотопные индикаторы. Высокая чувствительность и простота радиоактивных измерений позволяют фиксировать минимальное количество изотопов в подземных водах. 17. Как можно определить направление движения подземных вод, коэффициент фильтрации расчетным путем, лабораторным и полевым методами? Подземные воды находятся в постоянном движении. Направление движения подземных вод легко устанавливается при наличии карт гидроизогипс (либо гидроизопьез) по изучаемым водоносным горизонтам. По таким картам направление движения подземных вод определяется линиями токов, проведенным перпендикулярно, к линиям равного напора гидроизогипсам или гидроизопьезам по уклону потока. По отсутствии карт, отражающих положение свободной или пьезометрической поверхности подземных вод, для определения направления их движения необходимо иметь не менее трех выработок, чтобы установить отметки уровня подземных вод. Выработки желательно располагать по углам равностороннего треугольника с длиной стороны от 50 до 200 метров (чем меньше уклон потока, тем больше расстояние между скважинами). По известным или установленным отметкам уровня подземных вод путем интерполяции составляется план изолинии свободной или изотермической поверхности определяется направление движения потока по линиям токов. Для получения надежных данных о направлениях движения потоков подземных вод следует использовать материалы режимных наблюдений (карты изолиний на различные периоды времени). Определение направления движения по картам гидроизогипс следует считать основным методом при отсутствии карт достоверных данных об отметках уровней в отдельных точках направление давления подземных вод можно устанавливать с помощью геофизических (фотографирование в скважинах конусов распространения красителя от точечного источника, метод заряженного тела, замеры интенсивности конвективного переноса тепла в разных направления от датчика, круговые измерения естественного потенциала и др.), радиоиндикаторных и других методов. Геофизические методы определения направления движения подземных вод. Наиболее перспективными являются односкважинные методы, в том числе метод фотографирования конусов выноса от точечного источника красителя, при котором периодически фотографируются распространяющиеся от специальной капсулы конуса красителя на фоне стрелки магнитного указателя. Всего за один спуск можно наполнить до 60 снимков, направление движения подземных вод определяется по направлению конуса заноса красителя для получения надежных результатов достаточно 4-6снимков.Точность определении направления подземного потока может быть оценена величиной относительной погрешности от 3 до 20, в значительной мере погрешность зависит от скорости движения подземных вод. Метод может использоваться при скоростях фильтрации не ниже 0,5 м/сут. По времени существования конуса можно ориентировочно определить и скорость фильтрации. Этот метод значительно менее апробирован, по сравнению с радиоиндикаторным, но он несколько проще в пополнении и не требует согласования с органами санэпидемнадзора. Односкважинные методы осуществления направления движения подземных вод не рекомендуется использовать в породах с редкой и неравномерной трещиноватостью. Как следует из основного закона движения подземных вод, коэффициент фильтрации – это скорость фильтрации при напорном градиенте I=1. Коэффициент фильтрации грунтов в основном определяется геометрией пор, т.е. их размерами и формой. На значение коэффициента фильтрации влияют также свойства фильтрующейся воды (вязкость, плотность), минеральный состав грунтов, степень засоленности и др. Для получения значения коэффициенты фильтрации применяют расчетные, лабораторные и полевые методы. Расчетным путем коэффициент фильтрации определяют преимущественно для песков и гравелистых пород. Расчетные методы являются приближенными и рекомендуются лишь на первоначальных стадиях исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунтов с его гранулометрическим составом, пористостью, степенью однородности и т.д. Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным. Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации. Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты. Вместе с тем полевые методы более трудоемкие и дорогие в сравнении с лабораторными. Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважины, а в случае неводоносных грунтов – методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины. 18. Явления на склонах. Оползни. Внешние признаки оползня. Причины образования оползня. Меры борьбы с оползнями? Склоны подразделяются на природные и искусственные. К искусственным склонам относятся откосы насыпей, дамб, выемок, борта карьеров. В определенных условиях горные массы, слагающие склон или откос, теряют устойчивость и смещаются вниз. Различают три основных вида смещений: обвалы, осыпи (делювиальные сносы) и оползни. Оползень это движение масс горных пород по склону под действием силы тяжести. Во многих случаях это движение связано с деятельностью подземных и поверхностных вод. В зависимости от инженерно-геологических условий, оползни могут переходить в обвалы или осыпи. Сползающие (деляпсивные) оползни начинаются в нижней части склона, например, в результате подмыва или подрезки склона, и распространяются вверх по склону, вызывая последовательное соскальзывание новых его частей. Поверхность оползания располагается не ниже подошвы склона. Толкающие (детрузивные) оползни возникают в верхней части склона в результате образования трещин откола или нагрузки на склон. Оторвавшийся массив движется вниз и толкает впереди себя породы, расположенные ниже по склону. Подошва оползня и нижняя часть поверхности скольжения располагается ниже подошвы склона. Впереди подошвы оползня образуется вал выпирания высотой 10м и более. В отличие от обвала, который возникает внезапно и происходит очень быстро, движение горных масс в виде оползня является относительно медленных процессом. Оползневой процесс можно разделить на три стадии: I стадия – подготовительная. Различные геологические процессы и деятельность человека постепенно снижают устойчивость склона, однако, склон пока не приходит в движение. II стадия – смещение горных масс. В процессе смещения оползающая часть может перемещаться и в вертикальном и в горизонтальном направлении. Подвижки бывают неравномерными по времени, с перерывами (периодами покоя). III стадия – затухание движения и стабилизация. Сдвинувшиеся массы приобретают новое устойчивое положение. В дальнейшем они могут испытать новое движение или стабилизироваться. Существуют следующие причины нарушения устойчивости склонов: тектонические процессы. В результате действия тектонических процессов нарушается структура склона, образуются трещины, по которым может происходить смещение (оползание); условия залегания горных пород на склонах. При напластовании, слоистости пород, согласной склону, может происходить смещение по поверхности напластования, либо по слабому прослою; процессы выветривания, коррозии, дефляции. Данные процессы превращают скальные породы склона в нескальные (менее прочные), нарушают связь выветрелой массы с материнской породой; деятельность поверхностных вод. Воды рек, морей, озер (водохранилищ) подмывают подошву склона, что приводит к потере его устойчивости; инженерная деятельность людей. К результатам этой деятельности относятся создание искусственных склонов или откосов, изменение гидрогеологических условий местности (осушение или, наоборот, создание искусственных водохранилищ), строительство сооружений на склонах. Меры предупреждения и борьба с оползнями Противооползневые мероприятия подразделяют на две группы – активные и пассивные. Пассивные мероприятия (предупредительные, охранные): - запрещение подрезки оползневых склонов; - запрещение постройки на склонах; - запрещение взрывных и горных работ вблизи оползневых участков; - сохранение древесно-кустарниковой и травяной растительности; - воспрещение полива земельных участков (иногда – их распашки); - ограничение скорости движения поездов вблизи склонов. Активные мероприятия: - устройство берегоукрепительных и струенаправляющих сооружений (дамбы); - перехват поверхностных вод (нагорные канавы, оградительные валы); - устройство защитных берм; - укрепление склона железобетонными шпильками; - устройство контрбанкетов; - устройство подпорных стенок; - съем оползневых масс до устойчивых пород. личество изотопов в подземных водах. |