- •Т.Н. Чорная
- •Глава 3. Сведения о минералах…………………………………………..29
- •Глава 4. Общие сведения и классификация горных пород…………….39
- •Глава 5. Гидрогеология……………………………………………… …65
- •Глава 6. Природные геологические и
- •Введение
- •Глава 1. Программа курса геология.
- •Глава 2. Общая характеристика и вещественный состав земли
- •2.1. Форма и размеры земли
- •2.2. Оболочки земного шара
- •2.3. Физические свойства земли
- •2.4. Химический состав земли
- •2.5.Оценка воздействия окружающей среды на литосферу
- •Глава 3. Сведения о минералах
- •3.1. Минералы и их происхождение
- •3.2. Строение и свойства минералов
- •3.3. Физические свойства минералов
- •3.4. Классификация минералов.
- •Глава 4. Общие сведения и классификация горных пород
- •4.1. Условия образования горных пород
- •4.2. Классификация горных пород
- •4.3. Магматические горные породы
- •4.4.Осадочные горные породы
- •4.5. Метаморфические горные породы
- •4.6. Макроскопический метод определения горных пород
- •Глава 5. Гидрогеология.
- •5.1. Происхождение подземных вод.
- •5.2. Классификация подземных вод.
- •5.3. Физические свойства подземных вод.
- •5.4. Геологическая работа подземных выд.
- •Глава 6. Природные геологические и инженерно-геологические процессы
- •6.1. Виды выветривания.
- •6.2. Геологическая деятельность текучих вод.
- •6.3. Типы ледников и оледенения.
- •6.4. Геологическая роль болот и озер.
- •6.5. Геологическая деятельность моря.
- •6.6 Оценка воздействия окружающей среды на поверхностные воды
- •6.7. Оценка и прогноз антропоэкологических аспектов
5.4. Геологическая работа подземных выд.
Геологическая работа подземных вод проявляется в трех процессах:
1.Карст
2.Суфозии
3.Грязевые вулканы.
Карст. На своем пути подземные воды встречают растворимые породы: каменную соль, ангидриды, известняки, доломиты, мрамора. При это роисходит процесс высщейлачивания, выноса химических элементов. Протекая по трещинам г.п. вода размывает г.п. и образует полости и пустоты. Совокупность процесса выноса химических элементов и образования пустот называется карста образование. Более всего процесс карста распространяется в карбонатных породах. Соляной и гипсовый карст является редким явлением. Подземные карстовые ходы начинаются с поверхности воды и по своей форме могут быть различными. Процесс карста образования включает образование карстовых воронок. Карстовые воронки образуются в местах пересечения двух наклонных трещин. Карст развивается сотни миллионы лет, для областей карста характерны степные долины. Карстовые ходы могут быть вертикальными (карстовые колодцы) и наклонными (карстовые шахты). Эти ходы образуют сложную систему связанных между собой туннелей (галерей).
Суффозии - это перенос, происходящий в определенных условиях твердых частиц и г.п. Суффозия проявляется на выходах источников. Вынос глины и песка уменьшает объем породы, способствует ее обрушению. Обрушившаяся г.п. переносится водой. Суффозия является основой для массового и глинистого карста.
Грязевые вулканы – это извержение растворенных г.п. (редкие явления). Для возникновения грязевого вулкана необходимо наличие следующих условий:
1.Наличее напорных подземных вод
2.Скопление нафтеновых газов
3.Наличие глинистых пород – дислоцированных в складки.
4.Наличее тектонических нарушений (трещин, разломов).
Сущность грязевого вулканизма заключается в следующем: Горючие газы, которые выделяются из нефтяных залежей, поднимаются вверх по тектоническому разлому. Встречают растворные напорными водами глинистые брички и выносят их на поверхность. Таким образом, давление газов является главной причиной грязевого вулканизма.
5.5. ПРИТОК ВОДЫ К ВОДОЗАБОРНЫМ СООРУЖЕНИЯМ.
Теория движения подземных вод к водозаборным сооружениям разработана применительно к определению притока воды к вертикальным и горизонтальным водозаборам. К вертикальным водозаборам относятся буровые скважины, колодцы, шурфы и вертикальные стволы шахт, к горизонтальным — осушительные канавы, закрытые дренажи, каптажные галереи, штреки и др. Вертикальные водозаборы любого назначения, вскрывающие грунтовые и безнапорные межпластовые воды, носят общее название — грунтовые колодцы, а водозаборы, вскрывающие напорные воды, называются артезианскими колодцами. Грунтовые и артезианские колодцы могут быть совершенными и несовершенными. Типы грунтовых колодцев приведены на рис.3.
Совершенныминазываются колодцы, доведенные до водоупора и имеющие проницаемые стенки в пределах всей мощности водоносного пласта (см. рис. 3).
Рис. 3 Типы грунтовых колодцев. По Г.Н. Каменскому
а – совершенные колодцы; б – несовершенные колодцы с проницаемыми стенками и дном; в – несовершенные колодцы с непроницаемыми стенками и проницаемым дном; г – несовершенные колодцы с проницаемыми стенками и непроницаемым дном.
Несовершенными называются колодцы, не доведенные до водоупорного ложа (см. рис. 3 ).
Грунтовые совершенные колодцы. При откачке воды из грунтового колодца уровень воды в нем понижается на величину S. Вода к колодцу притекает со всех сторон, вокруг колодца поверхность грунтовых вод понижается и принимает форму депрессионной воронки, (рис.4) с радиусом R.
Согласно линейному закону фильтрации расход воды определяется по формуле
Q = KFI
При откачке воды из совершенного колодца площадь поперечного сечения воронки депрессии F равна боковой поверхности цилиндра с радиусом х и высотой у
F=2πxy.
В дифференциальной формуле гидравлический уклон I равен
,
тогда расход совершенного колодца будет
,
Разделив переменные и проинтегрировав в пределах от сечения I до сечения II (рис.5), т. е.
,
получим
. (1)
Уравнение (1) представляет собой уравнение кривой депрессии при откачке воды из совершенного безнапорного колодца и выведено Дюпюи в 1858 г.
Рис. 4 Схема совершенного колодца
Рис.5 Расчетная схема для определения дебита грунтового колодца по формуле Дюпюи
Если принять x1 = r (радиус фильтра колодца), x2 = R (радиус воронки депрессии), y1 = h (столб воды в колодце, считая от водонапора), y2 = H (мощность водонасосного горизонта), то формула (1 ) примет вид
(2)
или
. (3)
Обозначая понижения уровня воды в колодце (H - h) через S, получим
. (4)
Заменив натуральные логарифмы десятичными и подставив числовое значение π = 3,14, получим формулу притока воды в совершенный безнапорный колодец в более удобном для пользования виде
. (5)
Формула (5) называется формулой Дюпюи и широко используется для расчета дебита совершенных одиночных безнапорных колодцев Q по заданному понижению S. Между дебитом и понижением в грунтовых колодцах существует параболическая зависимость следующего вида:
или. (6)
Параболическая зависимость показывает, что приток в грунтовый колодец возрастает несколько в меньшей степени, чем понижение.
Если разделить дебит колодца Q на величину понижения S, получим удельный дебит
. (7)
Так как в грунтовых колодцах зависимость дебита от понижения имеет параболический вид, величина q убывает с увеличением понижения; поэтому применение удельных дебитов для характеристики водообильности грунтовых колодцев в безнапорных водах является условным.
Рис. 6. Приток к несовершенной скважине при l≤0,3H
Грунтовые несовершенные колодцы. Дебит несовершенных колодцев меньше дебита совершенных. Различаю два типа несовершенных колодцев: 1) с незатопленным фильтром, когда депрессионная кривая пересекает рабочую часть фильтра, и 2) с затопленным фильтром, когда деприссионная кривая находится выше рабочей части (сюда относится также и артезианские несовершенные колодцы).
При незатопленном фильтре и при l<0,3H, где l – длине рабочей части фильтра, а H – вскрытая часть водонасосного горизонта (рис. 6 ) дебит несовершенного колодца определяется по формуле В.Д. Бабушкина
. (8)
Если l<0,3H, H – мощность водонасосного горизонта (рис.7), то расход овершенного колодца определяется по другой формуле .Д. Бабушкина
, (9)
где ;
А – коэффициент, определяемый по графику (рис. 8), в зависимости от .
Остальные обозначения те же, что и в предыдущих формулах.
При затопленном фильтре и при l0<0,3 H, где l0 – глубина скважина, а H – мощность водонасосного горизонта (рис.9), расход скважины по В.Д. Бабушкину определяется по формуле
, (10)
где и определяется по графику (рис. 10 )
Остальные обозначения показаны на рис.9 .
Если l0 >, то дебит скважины определяется по формуле
, (11)
где ; (12)
. (13)
Здесь А1 и А2 определяются по графику на рис. в зависимости от α1 и α2, причем и, где l, m1 и m2 видны из рис.
Дебит несовершенной скважины с затопленным фильтром при любом его положении в водонасосном пласте можно приближенно определять по формуле С.К. Абрамова
(14)
где Qc – дебит совершенной скважины, определяемый о формуле (5 ).
Рис. 8 Вспомогательный график для определения коэффициента фильтрации по формуле ( 9 )
Рис. 9 Приток воды к несовершенной скважине при затопленном фильтре
Рис. 10 Вспомогательный график для определения коэффициента фильтрации по формуле ( 10 )
Дебит шахтного колодца с плоским дном, когда вода поступает только через дно (см. рис. 9), определяется по формуле
, (15)
где m – стояние от водоупора до дна колодца.
Остальные обозначения прежние. Формула действительна при .
Приток воды к горизонтальным водозаборам. Горизонтальными водозаборами являются канавы, галереи, горизонтальные горные выработки – штреки, квершлаги. Они также могут быть совершенными, т.е. вскрывать водоносный пласт на всю его мощность, и несовершенными, когда ими вскрывается только часть водоносного пласта.
Рис.11 Депрессионная кривая при откачке из горизонтального водозабора
Рис. 12 Схема безнапорных вод с наклонным водупором
Н1 и Н2 – напоры в сечениях I и II на расстоянии l; h1 и h2 – высота столба воды в тех же сечениях; 00 – условная горизонтальная плоскость сравнения
Приток воды в совершенный горизонтальный водозабор (11), отнесенный к 1 м его длины, или единичный расход, определяется по формуле
(16)
Для водозабора длиной L приток будет равен
Q=qL. (17)
Если приток воды будет только с одной стороны водозабора, то величину Q надо уменьшить вдвое.
Если величина R неизвестна, то ориентировочно ее принимают равной
R=, (18)
Где I0 – средний уклон депрессионной кривой, определяемой из следующей таблицы:
Для наиболее проницаемых пород………….l0=0,003-0,006
Для песков…………………………………....I0=0,006-0,020
Для супесей…………………………………..I0=0,02-0,05
Для суглинков………………………………..I0=0,05-0,10
При наклонном положении водоупора (рис.12) вводится дополнительная горизонтальная плоскость сравнения 00; единичный расход потока в этом случае определяется по формуле
. (19)
Если приток в канаву будет с двух сторон, то полученный по формуле (19) расход надо увеличить вдвое. Формулы (17) и (18) используются для определения притока воды к совершенным горизонтальным водозаборам.
Рис. 13 Приток воды к горизонтальному несовершенному водозабору, вскрывшему безнапорный водонасосный горизонт
Дебит несовершенного горизонтального водозабора (рис.13), вскрывающего безнапорный водонасосный горизонт, приближенно определяется по формуле А.В. Романова
, (20)
где
;
;
.
Остальные обозначения приведены на рис.13.
Артезианский совершенный колодец. При откачке воды из артезианского колодца она будет притекать к нему со всех сторон в пределах пласта мощностью M (рис. 14 ).
Уровень воды в колодце понизится на величину S, и столб воды в колодце будет равен h, считая от водоупорного ложа. Около колодца образуется депрессионная воронка понижения напора радиусом R, аналогичная по формуле депрессионной воронке в грунтовых колодцах.
По линейному закону фильтрации
,
где F – площадь поперечного сечения напорного потока, которая на расстоянии x равна πxy. Учитывая, что , то получим
. (22)
Рис. 14 Приток воды к артезианскому совершенному колодцу
Рис. 15 Расчетная схема для вывода уравнения расхода артезианского колодца по Дюпюи
Интегрирую это уравнение в пределах сечений I и II (рис. 15 ), получим
,
откуда
. (24)
Поскольку , то переходя к десятичным логарифмам, получим расчетную формулу в наиболее удобном для пользования виде
(25)
Радиус влияния артезианского колодца приближенно можно определить по формуле Кусакина, принимая за Н высоту напора в пласте, отсчитанную от нижнего водоупора до пьезометрического уровня
. (26)
Для артезианского колодца удельный дебит определяются по формуле
. (27)
Удельный дебит колодца позволяет вычислить количество воды, которое может поступать в колодец при заданном понижении и часто используется при гидрогеологических расчетах притока воды в скважину, ствол шахты и т.д. Как следует из формулы ( 25 ), между дебитом Q и понижением S в артезианском колодце существует прямолинейная зависимость
или . (28)
Рис. 16 Приток воды к колодцу, работающему в условиях напорно-безнапорных вод
Рис. 17 Приток воды к несовершенной артезианской скважине
Практикой установлено, что прямолинейная зависимость между Q и S обычно имеет место только при малой величине понижения S. При большом понижении зависимость (S) выражается кривой и имеет вид
, (29)
где a и b – коэффициенты, зависящие от сопротивления, испытываемого водой при ее движении в водонасосном пласте, при входе в фильтр и в трубах скважины. Формула (29 ) предложена М.Е. Альтовским для расчета глубоких артезианских колодцев в случае превышения расчетного понижения над максимальным, достигнутым при опытной откачке, в 2 – 3 раза.
Чтобы определить коэффициенты a и b, необходимо провести откачку не менее, чем при двух понижениях.
При значительных понижениях уровня воды в артезианском колодце напорный поток вблизи колодца переходит в безнапорный (рис.16 ); для этого случая применяется следующая формула притока воды в колодце:
. (30)
Дебит несовершенного артезианского колодца с фильтром, примыкающим к верхнему водоупору (рис.16 ), определяется по формуле М. Маскета
, (31)
где ;
А – величина, определяемая по графику (см. рис.17) в зависимости от .
Дебит несовершенных артезианских скважин, когда фильтр занимает любое положение в водоносном пласте, приближенно определяется по формуле С.К. Абрамова
, (32)
где Qc – дебит совершенной скважины, определяемый по формуле (25 ).
Остальные обозначения известны.