Элементы фильтрационного потока. Закон Дарси

Основные виды движения подземных вод

Следует различать движение воды, которое происходит в порах и трещинах, не насыщенных водой, от движения ее в водонасыщенных пластах. Не насыщенные породы обычно встречаются в зоне аэрации, где влага перемещается или в парообразном состоянии, или в виде пленочной, капиллярной и гравитационной воды. Степень подвижности воды зависит от формы связи её с частицами пород и от величины пор. Водяные пары передвигаются из мест с большой упругостью в места с меньшей упругостью, летом в зоне аэрации пар передвигается сверху вниз, а зимой снизу вверх. Капиллярная подвешенная вода движется под действием менисковых сил, а поднятая может передавать гидростатическое давление (рис. 19,20), пленочная вода - под действием молекулярных сил и электрического заряда (полярность молекул воды).

Просачивание (фильтрация) воды через зону аэрации может происходить или в виде свободного стекания воды, или при сильном увлажнении, в виде просачивания под напором. Во втором случае поры породы целиком заполнены водой, и дальнейшее её движение из верхних слоев в нижние происходит путем передачи напора. Этот вид движения называется нормальной инфильтрацией. Основные вопросы динамики подземных вод касаются движения воды непосредственно в водоносных горизонтах, где оно происходит путём передачи гидростатического давления от участков с более высоким уровнем воды к участкам с более низким уровнем.

Фильтрационный поток – это условный поток жидкости через пористое (трещинное) пространство. Условность заключается в допущении, что фильтрационный поток идет через всю породу. Реальный поток движется только по открытым (сообщающимся) трещинам и порам.

Рис. 20. Схема формирования пьезометрического напора подземных вод.

  H=

Где, Н – пьезометрический напор;

P – Гидростатическое давление в данной точке потока;

γ – удельный вес (плотность) воды;

Z – Высота (отметка) данной точки потока над выбранной плоскостью сравнения.

-пьезометрический напор- высота, на которую поднимается вода в данной точке под влиянием гидростатического давления.

К элементам фильтрационного потока относятся пьезометриче

ский напор (рис.20), напорный градиент (h), линии равных напоров (гидроизопьезы) или уровней (гидроизогипсы), линии тока, гидродинамическая сетка (рис.21), скорость фильтрации и расход потока.

Рис. 21. Гидродинамическая сетка подземных вод, элементы фильтрационного потока.

Начало изучению движения воды в пористых породах положил французский исследователь А. Дарси, который в середине XIX века установил основной (линейный) закон фильтрации в пористой среде (закон Дарси), ввел понятие коэффициента фильтрации.

В дальнейшем учение о движении вод развивалось с учетом природной обстановки движения жидкости в горных породах, в частности в трещиноватых породах и др. Более детально это рассматривается в курсе «Динамика подземных вод».

Закон Дарси гласит: Количество воды Q, просачивающееся через породу в единицу времени, пропорционально падению напора h и площади поперечного сечения породы F и обратно пропорционально длине пути фильтрации ℓ, измеряемой по направлению движения воды (рис.22).

или

Рис. 22. Закон Дарси, элементы фильтрационного потока.

где K – коэффициент фильтрации, м/сутки;

или – напорный градиент или гидравлический градиент (падение напора (уровня) на единицу пути фильтрации).

Закон Дарси применим не только для вертикального движения жидкости, но и для движения ее в любом направлении, в том числе и слабо наклонном (субгоризонтальном).

Выразим уравнение через скорость движения жидкости: Q=V·F,

разделив обе части уравнения Дарси на F, получим:

V= K∙I

т.е. при I=1 V= K, т.е. коэффициент фильтрации - это скорость фильтрации воды при I = 1.

Однако скорость фильтрации V= KI не представляет собой действительной скорости движения воды в порах, а является величиной, отнесенной ко всему сечению. Чтобы получить действительную скорость нужно разделить V на коэффициент пористости n:

Закон Дарси характеризует граничные пределы ламинарного (струйчатого) движения воды в горных породах, им и ограничиваются условия его применения.

12.2. Методы определения коэффициента фильтрации

Коэффициент фильтрации K определяется как лабораторными, так и полевыми методами (откачки, наливы, нагнетания). Второй способ гораздо точнее первого. Все эти методы изложены в курсах «Динамика подземных вод» и «Грунтоведение».

Величина K для различных горных пород (м/сутки):

глины –0,001-0,01

суглинки – 0,01-0,1

супеси – 0,1-0,5

песок глинистый – 0,5-1,0

песок – 1-50

песок с галькой – 50-100

галечники – 100-200

12.3. Водопроводимость

Характеризуется коэффициентом водопроводимости

T=K·h

Т=K·m

где h, m – средняя толщина напорного (m) и безнапорного (h) водоносного горизонта.

Он выражает способность водоносного горизонта (комплекса) толщиной h и m, и шириной 1м, фильтровать воду в единицу времени при I=1.

Таким образом, коэффициент фильтрации K и водопроводимость горных пород T зависят от многих факторов (свойства фильтрующейся жидкости и фильтрующей среды).

Дата добавления: 2014-01-07