Геология / Новая папка (3) / __6__УП ЗАДАЧИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра строительного производства, оснований и фундаментов

Игашева С.П., Соседков Э.С.

ГЕОЛОГИЯ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ «Решение гидрогеологических задач»

для студентов строительных специальностей очной и заочных форм обучения

Тюмень, 2011

УДК

ББК

Игашева С.П., Соседков Э.С. Геология: учебное пособие к практическим работам дисциплины «Геология» для студентов строительных специальностей очной и заочных форм обучения - перераб. и доп. – Тюмень: РИО ГОУ ВПО ТюмГАСУ, 2011. – 48 с.

Учебное пособие разработано на основании рабочих программ ГОУ ВПО ТюмГАСУ дисциплины «Геология» для студентов строительных специальностей очной и заочных форм обучения. Учебное пособие содержит теоретический материал по теме «Расчѐт притока воды к различным горным выработкам», условия для 11-ти гидрогеологических задач с примерами решения и оформления.

Рецензент: Ю.В.Кравцов, ведущий научный сотрудник

ООО «Тюменгипрогаз», к.г.-м. н.

Тираж 300 экз.

ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» Игашева С.П., Соседков Э.С.

Редакционно-издательский отдел ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурностроительный университет»

2

		СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………….……….........			4
Практическая работа Решение гидрогеологических задач
1 Теоретическая часть Гидрогеологические термины и параметры……...6
2 Практическая часть Содержание задач и примеры их решения............			17
2.1	Задача №1 Расчѐт гидрогеологических параметров
		для совершенной скважины.....………………………….......	17
2.2	Задача №2 Расчѐт гидрогеологических параметров для совершенной
		скважины с круговым контуром питания……………….......	20
2.3	Задача №3 Расчѐт гидрогеологических параметров для совершенной
		скважины при откачке грунтовых вод……………………....23
2.4	Задача №4 Расчѐт гидрогеологических параметров для куста
		совершенных скважин…………………..................................	26
2.5	Задача №5 Расчѐт параметров грунтового потока при двухслойном
		водоносном пласте.......……….................................................28
2.6	Задача №6	Расчѐт гидрогеологических параметров для совершенного
		котлована..……………………...............................................32
2.7	Задача №7 Расчѐт притока напорных вод к артезианской скважине.....		36
2.8	Задача №8	Расчѐт притока воды к грунтово-артезианской скважине...	37
2.9 Задача №9		Расчѐт притока воды к совершенной канаве.........................	39

2.10Задача №10 Расчѐт притока напорных вод к совершенной канаве….....42

2.11Задача №11 Расчѐт притока грунтовых вод к несовершенной канаве…43

Список литературы……………………………………………….........................

47

3

Введение

Строитель, осуществляющий свою профессиональную деятельность в пределах Тюменской области, неизбежно сталкивается с проблемой строительства на водонасыщенных грунтах. С одной стороны, подземные воды являются одним из основных существующих и перспективных источников водоснабжения. В то же время, в условиях притока подземных вод, затапливающих канавы, котлованы и карьеры, затрудняется производство земляных и горных работ. Сложным бывает строительство водопроводов и канализационных систем, автомобильных дорог, объектов промышленного и гражданского назначения, добыча полезных ископаемых, в том числе и строительных материалов. Знание основ гидрогеологии необходимо для того, чтобы грамотно воспользоваться запасами подземных вод, если они необходимы для водоснабжения, либо эффективно избавиться от них, если они мешают строительству.

Настоящее учебное пособие содержит практические работы к разделу

«Решение гидрогеологических задач» по курсу геологии. Оно составлено в соответствии с учебной программой для студентов всех строительных специальностей дневной и заочных форм обучения. Особенно важным является применение данного пособия для строителей, работающих в области водоснабжения и водоотведения, которые должны иметь наиболее полное представление о подземных водах.

Цель предлагаемого учебного пособия – выработать у студентов строительных специальностей навыки расчѐтов различных гидрогеологических параметров. Усвоив их порядок, выпускник вуза сможет при проектировании в производственных условиях рассчитать притоки и выбрать оборудование для откачки подземных вод из горных выработок с учетом его производительности.

Основной задачей данного учебного пособия является закрепление теоретического материала - основ гидрогеологии, - прочитанного в лекциях, а также терминологии, связанной с решением гидрогеологических задач.

Учебное пособие состоит из двух разделов. В первом излагаются пояснения гидрогеологических параметров и терминов, встречающихся в той или иной задаче. Во втором разделе приведены условия 8 задач для 30 вариантов (по максимальному количеству студентов в группе) и подробные примеры их решения. Кроме того, предложены 3 задачи для самостоятельного формулирования студентами условий и решения поставленных задач.

Эти задания весьма разнообразны. В них учтены не только возможности расчѐта притоков воды к различным типам горных выработок (скважин, котлованов, канав), но и то, что сами выработки могут быть неодинаковы по отношению к тем грунтам, которые они вскрывают. Кроме того, и горные породы, в которых пройдены данные горные выработки, и подземные воды могут обладать различными свойствами. А это существенно влияет на проведение расчѐтов.

Решение каждой задачи обязательно должно сопровождаться схематическим рисунком, что позволит студенту лучше понять еѐ условия и выбрать методы решения.

4

С учѐтом пожеланий выпускающих кафедр, авторами рекомендовано следующее распределение задач для решения студентами различных строительных специальностей:

Специ-					Номера задач
альность
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
ВиВ	•	•	•	•	•	•	•	•	•	•	•
ТГВ	•	•	•	•	•	•	•	•	•	•	•
ПГС	•	•		•		•			•	•	•
ГСХ	•	•		•		•			•	•	•
ЭУН	•					•					•
АД			•			•			•	•	•

Учебное пособие может быть использовано студентами очной, заочной и заочной в сокращѐнные сроки форм обучения всех строительных специальностей (ПГС, ПСК, ЭУН, ГСХ, АД, ВиВ, ТГВ, ООС) как во время аудиторных занятий, так и для самостоятельной работы.

Важнейшим дополнением к настоящему пособию является презентация «Подземные воды», иллюстрирующая его текст.

5

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА Решение гидрогеологических задач

1 Теоретическая часть Гидрогеологические термины и параметры

При решении гидрогеологических задач приходится оперировать различными терминами и параметрами. Прежде всего, это касается грунтов, способных пропускать через себя воду, и грунтов, преграждающих путь воде.

Водопроницаемость - это способность грунтов, при наличии в них пор, трещин и т. д., пропускать через себя воду под действием напора. Слои горных

пород, содержащие воду, и способные пропускать еѐ сквозь свою толщу, называют водоносными (рисунок 1). Это характерно для рыхлых (песок, гравий, су-

песь) и трещиноватых пород.

Слои горных пород, препятствующие движению подземных вод (скальные породы без трещин, глина), называют водонепроницаемыми или водоупорны-

ми (рисунок 1).

Рисунок 1 Условные обозначения в гидрогеологических схемах

Уровень, которого достигает вода в грунтах (верхняя граница водоносного слоя) называется уровнем грунтовых вод (УГВ).

Расстояние от верхней границы (абсолютной отметки кровли) водоупора – а.о.к.в. до уровня грунтовых вод УГВ называется мощностью водонос-

ного пласта - Н.

Подземные воды в большинстве случаев меняют своѐ положение в про-

странстве с течением времени. Движение подземных вод в водоносных слоях, горизонтах или пластах называется фильтрацией. Считается, что при фильт-

рации движение воды происходит при полном заполнении пор и трещин водой.

6

Движение начинается, если в разных частях водоносного пласта наблюдаются различные уровни воды, при этом она движется от мест с бóльшим уровнем (напором) – Н1 к местам с мéньшим напором Н2 (рисунок 2).

Рисунок 2 Схема расчѐта гидравлического уклона

Чем больше разность напоров Н = Н1 – Н2 , тем быстрее вода движется.

Отношение разности напоров к длине пути, пройденного подземными водами в водоносном пласте ( Н : L), называется гидравлическим уклоном или гидрав-

лическим градиентом (J).

Масса движущейся воды создает фильтрационный поток. Принято выделять различные виды движения подземных вод:

а) по стабильности параметров

установившееся движение характеризуется тем, что все элементы фильтрационного потока (направление, скорость, расход и др.) практически не изменяются во времени. Незначительные изменения не учитывают;

неустановившееся движение подземных вод отличается тем, что его основные элементы изменяются не только в зависимости от координат пространства, но и от времени. Это вызвано различными естественными и искусственными факторами (засушливый период, работы по откачке воды и др.).

б) по наличию напора безнапорные потоки имеют свободную поверхность, движение воды в

них происходит под действием силы тяжести. Они характеризуются недостаточным заполнением водой поперечного сечения водоносного пласта;

7

в напорных потоках движение происходит как под действием силы тяжести, так и за счѐт упругих свойств воды и водоносных горных пород. Они отличаются полным заполнением водой поперечного сечения пласта;

в ряде случаев выделяют напорно-безнапорные потоки (при откачке воды из скважин, если пьезометрический уровень опускается ниже кровли напорного водоносного горизонта;

в) по характеру движения

ламинарное движение – струйки воды передвигаются без завихрения, параллельно друг другу с небольшими скоростями. Такое движение называется параллельноструйчатым, оно господствует в земной коре;

турбулентное движение вихреобразное, оно отличается высокой скоростью, пульсацией и перемешиванием отдельных струй воды.

Раздел гидрогеологии, изучающий закономерности движения подземных вод, называется динамикой подземных вод. Законы движения подземных вод

используются при гидрогеологических расчѐтах водозаборов, дренажей, для определения запасов подземных вод и т.д.

Важной характеристикой потока является скорость. Но для определения скорости движения грунтового потока не достаточно только величин, характеризующих водоносный пласт. Необходимо иметь сведения о водных свойствах горных пород, составляющих водоносный слой, а именно о коэффициенте фильтрации (Кф) (таблица 1):

Таблица 1 - Коэффициенты фильтрации горных пород

	Коэффициент
Характеристика пород	фильтрации,
	м/сут
Очень хорошо проницаемые галечники с крупным песком,	100-1000
сильно закарстованные и сильно тре щиноватые породы	и более
Хорошо проницаемые галечники и гравий, частично с мелким песком,	100-10
крупный песок, чистый среднезернистый песок, закарстованные,
трещиноватые и другие породы
Проницаемые галечники и гравий, засоренные мелким песком и	10-1
частично глиной, среднезернистые пески и мелкозернистые,
слабо закарстованные, малотрещиноватые и другие породы
Слабопроницаемые тонкозернистые пески, супеси,	1-0,1
слаботрещиноватые породы
Весьма слабопроницаемые суглинки	0,1-0,001
Почти непроницаемые глины, плотные мергели и другие	Менее 0,001
монолитные скальные породы

Его величина может быть получена разными способами:

а) полевыми методами с помощью опытных откачек и наливов воды в горные выработки. Эти методы наиболее достоверны, но трудоѐмки и дороги;

б) лабораторными методами, основанными на изучении скорости движения воды через образец грунта, например, при помощи трубки СПЕЦГЕО;

в) приближенно по табличным данным;

8

г) расчѐтным путѐм с использованием многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью, степенью однородности и т. д.

При условии ламинарного характера течения воды, подчиняющегося закону Дарси, коэффициент фильтрации представляет собой линейное соотношение между скоростью фильтрации (V) и гидравлическим градиентом (J), т. е.:

V=Kф·J , откуда Кф = V/J;

При движении воды в породах с крупными порами и трещинами турбу-

лентный поток не подчиняется закону Дарси. Его параметры вычисляются при помощи уравнения Краснопольского: V=KК ·√J, откуда KК = V 2/ J .

При гидравлическом градиенте, равном единице, коэффициент фильтрации равен скорости фильтрации и обладает еѐ размерностью: м/сут; м/с; см/с. Отсюда, под коэффициентом фильтрации понимают скорость фильтрации воды через грунт при гидравлическом уклоне, равном единице в первой степени, что соответствует падению уровня воды с уклоном равным tg 45о к горизонту.

В зависимости от величины Kф, горные породы подразделяют на следующие типы:

Кф > 30 м/сут - сильноводопроницаемые породы; Кф от 1 до 30 м/сут - средне водопроницаемые породы;

Кф от 0,1 до 1 м/сут - слабоводопроницаемые породы; Кф < 0,001 м/сут - водонепроницаемые (водоупорные) породы.

Коэффициент водопроводимости (Т) представляет собой произведение

коэффициента фильтрации (Кф) на мощность водоносного пласта (Н или m): Т= Кф · Н (м2/сут.), где

Н - мощность безнапорного пласта (м).

Т= Кф · m (м2/сут.), где

m - мощность напорного пласта (м).

Исследование подземных вод осуществляется с помощью различных гор-

ных выработок:

а) скважина – вертикальная или наклонная горная выработка цилиндрической формы различной глубины (от первых метров до нескольких километров) и небольшого диаметра (от первых сантиметров до нескольких десятков

сантиметров).

При гидрогеологических расчѐтах учитывается радиус скважины (r). Его принято измерять в миллиметрах, но при решении задач для единства размерности величин его переводят в метры;

б) траншея (канава) – горизонтальная горная выработка небольшой ширины и глубины (первые метры), но большой протяжѐнности;

в) колодец – вертикальная горная выработка квадратного, прямоугольного или круглого сечения. Он может достигать значительных размеров (шахтные колодцы);

9

г) котлован - вертикальная горная выработка квадратного или прямоугольного сечения, может достигать значительных размеров.

Начальная точка горной выработки называется устьем, абсолютная отметка устья – а.о.у.

Для гидрогеологических расчѐтов по траншеям, колодцам и котлованам, как и по скважинам, применяется такая их характеристика как радиус. Для того, чтобы найти радиус выработки квадратного или прямоугольного сечения вна-

чале необходимо вычислить еѐ площадь:

F = L · B, где

L - длина горной выработки, м; B - ширина горной выработки, м.

После чего приравнивают площадь выработки к площади равновеликого круга

– «большого колодца», - Fкр с радиусом r. То есть F = Fкр= π · r 2, откуда r = √Fкр : π . Такой радиус называют приведѐнным.

По отношению к водоносным горизонтам горные выработки делят на

(рисунок 3):

совершенные, вскрывающие водоносный слой или горизонт на полную его мощность, и достигающие водоупора. Вода в них поступает только со стенок; несовершенные выработки вскрывают водоносный слой или горизонт не

на полную его мощность. Вода в такие выработки поступает не только со стенок, но и со дна.

а) б)

Рисунок 3 Горные выработки: а) совершенная; б) несовершенная

Расстояние между выработками в формулах обозначается – L (м), а

один погонный метр этого расстояния – l (м).

Уровень воды в пройденных горных выработках постепенно выравнивается с уровнем воды в водоносном пласте (рисунок 4) и его называют стати-

ческим. Абсолютная отметка статического уровня обозначается а.о.с.у.

Если по каким-либо причинам изменяется уровень воды в водоносном пласте, то изменяется он и в горных выработках. При откачке воды из горной выработки уровень подземных вод в ней снижается. Такой уровень называют

10