glava 8 phg za studenti

ГЛАВА 8 ОСНОВИ НА ДИНАМИКАТА НА ПОДЗЕМНИ ВОДИ

8 ОСНОВИ НА ДИНАМИКАТА НА ПОДЗЕМНИ ВОДИ

ОПШТИ ПОИМИ ЗА ДВИЖЕЊЕТО НА ПОДЗЕМНИТЕ ВОДИ

Подземните води во најголем број на случаи се наоѓаат во движење. Дел на хидрогеологијата, која ги проучува законитостите на движењето на подземните води, се нарекува динамика на подземните води.За разлика од физички сврзаните води (опнените и хигроскопните) и донекаде капиларните води, кои и не учествуваат во движењето на подземните води, слободните подземни води се движат низ суперкапиларните пори агрегати на карпестите маси под дејство на гравитацијата.До движење на водата всушност доаѓа поради постоење на разлика во хидрауличките притисоци на водените маси со повисоко ниво и водените маси со пониско ниво. Ваквото движење на слободните подземни води во порозната средина (кое се јавува како основна форма на движењето на подземните води воопшто), се нарекува филтрација, и претставува основна појава со која се занимава динамиката на подземните води.Законите на движењето на подземните води се користат при голем број хидрогеолошки пресметки кај водозафатните објекти, дренажите, определувањето на резервите на подземните води, решавањето на низа технички проблеми и т.н.Движењето на подземните води може да биде различно, што зависи од повеќе фактори како:

структурата и големината на порозноста, количеството на водата, нагибот на подинскиот хидроизолатор, големината на хидрауличките притисоци, брзината на движењето, дебелината на изданската зона, издашноста на изданскиот ток и др.

Разликуваме следни видови на движење на подземните води (слободните подземни води):

- Стационарно движење, и- Нестационарно движење.

114

ПРИМЕНЕТА ХИДРОГЕОЛОГИЈА

При стационарното (усталеното) движење, параметрите на филтрациониот ток како брзината, издашноста, дебелината хидрауличкиот градиент и др., во било кои пресек се постојани во функција на време.Кај нестационарното (неусталеното) движење, овие параметри се променливи како во просторот, така и во тек на време.Исто така може да се разликува рамномерно движење, при кое неговата брзина е еднаква на сите пресеци, и нерамномерно движење, кое се карактеризира со променлива брзина во насока на токот.Во стварност, движењето на подземните води секогаш е нестационарно. Меѓутоа, во многу случаеви ваквите промени на параметрите на филтрациониот ток (пред се условите на дотокот и истечувањето на подземните води во одреден простор и време) се незначителни во тек на време, така што нивното движење се разгледува како стационарно. На овај начин значително се упростуваат хидрогеолошките пресметки.

Според хидрауличката состојба се разликуваат:

-слободни токови на подземните води-токови на подземните води под притисок и-притиснато - слободни токови на подземните води.

Слободните токови се всушност слободните издани, токовите под притисок се артеските делови на изданот, додека притиснато слободните токови се формираат при црпењето на вода од дупнатините т.е. при празнењето на изданите - кога пиезометарското ниво осцилира и се спушта под повлатниот хидроизолатор.

Аналогно на површинските води, и подземните води можат да се движат на два начина: ламинарно (струјно) и турбулентно (вртоложно).

Ламинарно движење на подземната вода или филтрација е релативно бавно но рамномерно движење на изданските и амбулантните води. Тоа може да се замисли како движење на тенки водени нишкинити или водени листови (струјни линии) со воедначена брзина, без преплетување, паралелно едни со други (слика 8.1). За ваков тип на струење важи т.н. Дарсиев закон за движење на подземните води.Со теренските и лабораториските испитувања е утврдено дека водата се движи ламинарно во интергрануларно порозните карпи со ситни пори, како и во фино испукани карпести маси со тесни прскотини.

115


Слика 8.1. Ламинарно струење на слободни подземни води низ песоклива карпа со меѓузрнска порозност

Турбулентното движење е нерамномерно и доста брзо движење на слободните подземни води (слика 8.2). Тоа е можно низ крупните порни агрегати кај грубозрните интергрануларно порозни карпести маси, потоа во испуканите карпи, кавернозните (карстифицираните карпести маси) и сл.

Слика 8.2. Турболентно (вртложно) движење на слободни подземни води низ мрежа на пукантини во цврсти карпести маси

Во вакви форми на порните агрегати доаѓа до нагли забавувања и забрзувања, што предизвикува вртоложно движење на водените млазеви. За турбулентните движења не може да важи Дарсиевиот закон на филтрацијата.

ОСНОВНИ ЗАКОНИ НА ДВИЖЕЊЕТО НА ПОДЗЕМНИТЕ ВОДИ

Движењето на слободните подземни води се јавува при постоење на разлика на нејзиното ниво во два вертикална пресека нормално поставени на токот (сл. 8.3).

116


Слика 8.3 Шема на движење (филтрација) на слободните подземни води (изданот)

Разликата во нивото во пресеците 1 и 2 и условува движење (филтрација) во насока на пресекот 2. Брзината на движењето на слободниот подземен ток зависи од разликата на притисокот и од должината на патот на филтрацијата . Имено при поголема разлика во притисокот , има и поголема брзина на движењета, и при помала должина при иста вредност на , брзината е поголема.Односот на разликата на притисокот и должината на патот на филтрацијата се нарекува хидраулички наклон, или хидраулички градиент, се означува со "i".

(бездимензионална големина)

Движењето во целосно водозаситените средини при ламинарен режим на движењето на слободните подземни води е во согласност со линеарниот закон на филтрацијата кој се вика Дарсиев (Darcy) закон:

, ден],

каде е:Q - количество на филтрираната вода низ напречниот пресек F во единица на време ден],k - константна големина за дадена карпа, која ја карактеризира нејзината водопропусност; ова големина се нарекува коефициент на филтрацијата или водопропусноста ( m/ден или см/сек).F - површина на напречниот пресек на токот на водата, или на водоносниот слој (изданската зона), ,

117


- притисок или разлика на нивото во двата разгледувани пресека, m', - должина на патот на филтрацијата, m',

i - хидрауличен градинет.

Делејќи ги двете страни на горната равенка со површината F и именувајќи го соодносот Q/F со брзина на филтрацијата "v", т.е. v = Q/F се добива:

Од оваа равенка се гледа, дека по законот на Дарси, при ламинарно движење, брзината на филтрацијата е право пропорционална на хидрауличкиот градиент. Ако се усвои i = 1, равенката добива форма:

v = k

Ова значи дека при хидрауличкиот градиент еднаков на единица, коефициентот на филтрацијата бројчано е еднаков на брзината на филтрацијата. Од овде произлегува дека коефициентот на филтрацијата се изразува во мерни единици исти како и за брзината на филтрацијата (m/ден. m/s и т.н.).

Треба да се нагласи дека, вака определената брзина на филтрацијата е само привидна брзина, и не одговара на стварната брзинаИмено, во равенката v = Q/F е земена површината (F) на пресекот на карпестата маса, а неповршината на пресекот на порите во тој пресек. Затоа, за определување на вистинската брзина на филтрацијата наместо површината на пресекот на карпестата маса (F), треба да се зема површината на пресекот на порите ( ) низ кои всушност водата и тече, односно:

Бидејќи (односно за пресек) , или

од тука следи дека:

Споредувајќи ги равенките и се добива изразот:

118


, односно

каде n- порозност изразена во делови на единицата.

Имајќи предвид дека порозноста секогаш е помала од единица вистинската брзина на движењето на слободните подземни води секогаш ќе биде значително поголема од брзината на филтрацијата (за 3 - 4 пати).

Законот на Дарси, важи практично за најголем број случаи на филтрацијата во најразновидни карпести маси. Понекогаш, иако движењето не мора да е линеарно, сепак движењето на подземните води во разни карпести средини, може да се сведе на таква зависност, поради што и се нарекува основен закон на движењето на подземните води. Меѓутоа Дарсиевиот закон не е сеопшт.Така, турбулентното движење на подземниот ток, карактеристичен за грубозрнестите, а посебно и за многу испуканите и карстифицираните карстни маси, не е согласно на Дарсиевиот линеарен закон. За вакви случаи важи нелинераниот закон на филтрацијата кои се изразува со равенката на Шези - Краснополски:

Од оваа равенка следи, да при турбулентното движење, брзината на

филтрацијата е пропорционална на хидрауличкиот градиент во степен на .

Преминот на ламинарното движење во турбулентно се јавува како основна причина за отстапување од Законот на Дарси. Ова се јавува при критичната вредност на хидрауличкиот градиент " ", која големина зависи од димензиите и формата на порите и пукнатините, низ кои се движи водата.Големината " " ја определува горната граница на Дарсиевиот закон.Долната граница на применливоста на Дарсиевиот закон се јавува при многу мали брзини на филтрацијата.Во последно време експериментално е докажано, дека зависноста помеѓу брзината на филтрацијата и хидрауличкиот градиент за слабоводопропусни почви (глина, тресет и сл.) има нешто по друг вид од равенката на Дарси; имено:

каде: - почетен градиент на филтрацијата

Законот на Дарси во диференцијална форма има следен вид:

119


Знакот минус (-) означува, дека во насоката на движењето на водите, вредноста на хидрауличкиот градиент се намалува , односно опаѓа.

Дарсиевиот закон е математички е доста погоден за примена, со оглед дека важи како за слободните подземни води, така и за артеските води (води под притисок).

ПОИМ ЗА КОЕФИЦИЕНТОТ НА ФИЛТРАЦИЈАТА И ДРУГИ ФИЛТРАЦИОНИ ПАРАМЕТРИ НА КАРПЕСТИТЕ МАСИ

Во напред наведените изрази за движењето на слободните подземни води, како основна рачунска големина, која квантитативно ги карактеризира филтрационите својства на карпестите маси, се јавува коефициентот на филтрацијата. Овој параметар широко се користи при решавањето на голем број практични проблеми. За хидрогеолошките пресметки во услови на стационарна филтрација, доволно е да се располага само со податоците за коефициентот на филтрацијата. При нестационарно движење, покрај овој коефициент треба да се знае и т.н. коефициент на нивопроводноста кај слободна издан, односно коефициентот на пиезопроводноста кај артерска издан. Овие последни показатели всушност претставуваат показатели на прераспределбата на нивото односно на притисоците во соодветните издани.Големината на коефициентот на филтрацијата кај почвите (чакали, песоци, прашини, глини и сл.) има константна вредност и во основа зависи од геометријата на порите (нивните димензии и форми), потоа и од својствата на водата која се филтрира (вискозност, густината, минерализацијата, температурата и др.) минералошкиот состав на почвените материјали и др.Ориетационо, вредностите на коефициентот на филтрацијата можат да се користат од разни табели составени од различни автори (табела 8.1).Треба да се напомене дека при движењето на разновидни течности (вода - нафта), или во подлабоките делови - каде водите можат да бидат со гасови, зголемена температура, со висока минерализација и промена на овие својства, коефициентот на филтрацијата за едно иста карпа може да има различни вредности, а во зависност од тоа, дали во филтрацијата учествува пресна вода или расоли, нафта или гас.

Табела 8.1. Ориентациони вредности на коефициентот на филтрацијата за разни видови материјали(по П.П. Климентов)

120


Карпа К, m/ден Карпа К, m'/денГлиниСуглиниСупесоциПесок, глинестПесок ситнозрн

0,001 - 0,010,01 - 0,10,1 - 0,5

0,5 - 1,0

1 - 5

Песок, среднозрнПесок, крупнозрнПесок, чакалестЧакал

5 - 15

15 - 50

50 - 100

100 - 200

За добивање на поверодостојни вредности на коефициентот на филтрацијата се применуваат повеќе методи и тоа:

-пресметковни посредни методи-непосредни методи од (лабораториски и теренски методи).

ПОСРЕДНИ МЕТОДИ

Посредните или пресметковните методи се користат при определувањето на коефициентот на филтрацијата за растресити материјали (песоци, прашини, чакали) и поретко за глинести материјали.Тие се приближни методи и се препорачуваат само при првите стадиуми на истражувањето, т.е. уште при идејните решенија. За пресметка се користат низа емпириски формули и номограми, кои ги поврзуваат коефициентот на филтрацијата на карпата со неговиот гранулометриски состав (по големините на зрната), порозноста, степенот на хомогеноста (еднородноста) и т.н. Примери за пресметки на коефициентите на филтрација според некое физичко својство се дадени со следните формули и дијаграми.

- Метода за пресметка по USBRk=0,36 d20 2.3 (во cm/s)

каде е:к-коефициент на филтрација во см/секd20- вредност на дијаметар на зрна од крива на гранулометиски состав за 20% ордината

- Метода за пресметка по формула на Hazen

- k=C* def(0,7+0,03 t) (во m/den)каде е:к-коефициент на филтрација во м/денC-емпириски коефициент зависен од хомогеноста на песоклива почва (за песок од 1200-800 додека за глини од 400-800)def- ефективен пречник на зрна од крива на гранулометиски состав t-температура на водата во степени C

121


Според оваа формула, од страна на N.N.Bindeman, припремен е поможен дијаграм за брза проценка на коефициенот на филтрација (слика 8.4).

Слика 8.4 Дијаграм на N.N.Bindeman, за пресметка на коефициент на филтрација според метод на Hazen

Hazen-овата формула се применува за песоци со ефективна големина на зрната од 0,1-3 мм и со коефициент Cu<5.

- Метода за пресметка по формула на Slihter

k=496*M*d2ef (во m/den)

каде е:к-коефициент на филтрација во см/секM-функција на порозностаdef- ефективен пречник на зрна од крива на гранулометиски состав

Оваа формула се применува за песоци со ефективна големина на зрната од 0,01-5. Коефициентот М се добива на табеларен начин во зависност од порозноста, а како и кај претходниот метод постои помошен дијаграм на N.N.Bindeman (слика 8.5)

122


Слика 8.5 Дијаграм на N.N.Bindeman, за пресметка на коефициент на филтрација според метод на Slichter

- Метода за пресметка по формула на Terzaghi

(во cm/s)

каде е:к-коефициент на филтрација во см/секC-емпириски коефициент зависен од природата на зрнатаdef- ефективен пречник на зрна од крива на гранулометиски состав (обично 10% на ордината од кривата)n- порозност во дел од единица

Коефициентот C за глатки зрна е 10,48, а за аглести зрна 6,02.

Коефициентот к се добива и дијаграмски според N.N.Bindeman (слика 8.6)

123


Слика 8.6 Дијаграм на N.N.Bindeman, за пресметка на коефициент на филтрација според метод на Терцаги

Покрај наведените методи, постојат и други слични обрасци како метод на Kriger, Kozeni, Cunker и др.

ЛАБОРАТОРИСКИ МЕТОДИ

Лабораториските методи се засновани на различни опити кои ја изучуваат брзината на движењето на водата низ примерок на карпата при различни хидраулички притисоци. Кај лабораториските опити се користат одредени прибори. Во основа се делат на прибор за испитување со променлив и постојан притисок на водениот столб. Една од шемите на вакви прибори се дава на сл. 8.7.

124


Сл. 8.7 Шема на прибор за определување на коефициентот на филтрацијата на узорак на карпа; при постојан хидрауличен градиент (констатен притисок).

Примерокот на карпа се става во цилиндар и пропушта да се филтрира водата низ него под определен притисок. Знаејќи ја површината на напречниот

пресек на узорокот (F), хидрауличкиот градиент , и

мерејќи го количеството на филтрационата вода (Q), се определува коефициентот на филтрацијата според Дарсиевиот закон на филтрацијата:

;

каде: Q - количество на вода која протекнува низ карпестиот узорак, при температура на водата од 283К ( ) во единица на време

,

=- разлика во нивото на водата за должината . - должина на протокот на водата низ карпестиот узорак, [m'].

Според вака определениот коефициент на филтрацијата (Дарсиев коефициент на филтрацијата, или пак коефициент на водопропусноста), сите неврзани, слабоврзани (псеудокохерентни) карпи, а донекаде и цврсто сврзаните (испуканите) карпи се разврстени на:

125


- сосема слабопропусни (практично водонепропусни) карпи со коефициент на филтрација - средно водопропусни карпи - појако водпопропусни карпи со .

Резултатите од испитувањето на примерок на карпа во лабораториски услови и определувањето на коефициентот на филтрацијата на ваков начин, може директно да се пренесе и за природни условија кај некои видои карпи. Коефициентот "k" е константна вредност за карпите од тип на песоци, чакали, прашини, глини, лапорите и сл. (т.е. така наречениот "ефекат на размера" нема битно влијание кај нив.Сепак, на теренските методи за испитување треба секогаш да се даде предност.

Теренските методи ("in situ" - на лице место) овозможуваат да коефициентот на филтрацијата се определува во природните услови на залегање на карпестите маси и циркулацијата на слободните подземни води. Со тоа се обезбедуваат најточни податоци за пресметка на коефициентот на филтрацијата, како и другите хидрогеолошки параметри како коефициент на водопроводноста, пиезопроводноста, нивопроводноста, издашноста на изданите и др.), Меѓутоа теренските методи се далеку посложени, покомплицирани, подолготрајни, а со тоа и нивното чинење е позначително.Теренските опити се изведуваат со црпење на вода од водозафатните обекти (бунари, дупнатини или ровови), со набљудување на промената на нивото на изданот и депресионата инка, потоа со налевање на вода во надизданската зона, или пак со втиснување на вода под притисок во истражните дупнатини или некој друг вливен обект. Овие методи не се универзални, а поради разни ограничувања при користењето, имаат и различен практично значење во зависност од видот на хидрогеолошкиот колектор кој се испитува, со меѓузрнска или пукнатинска порозност, големината на порите, степенот на нивната поврзаност и др.

Од поголемиот број на теренските методи, на слика 8.8 е дадена една диспозиција на опит со т.н. црпење при променливо ниво на вода.

126


Сл. 8.8 Шема за испитување на филтрација со променливо ниво на вода во истражна дупнатинаОд сликата се гледа дека на една изолирана делница од дупнатината, за одредено време на испитување, може да се пресмета коефициентот на филтрација на едноставен начин по следната формула (т.н MAAG тест):

каде е:к-коефициент на филтрација во см/секА-внатрешен пресек на дупнатинатаF-коефициент на формата =2,75 DD=2r-дијаметар на дупнатинатаt2, t1, h2 , h1- време на мерење на висина на вода во дупнатината

- Определување на коефициентот на филтрацијата по податоците на црпењето на вода

Црпењето на вода од водозафатни обекти (пред се се мисли на дупнатини како најчест објект), може да се врши на повеќе начини, а во зависност од низа влијателни хидрогеолошки фактори кои напред се спомнати.

127


Така, разликуваме; црпење од поединечни дупнатини, црпење од батерија на дупнатини ( централна - опитна дупнатина и низа набљудувачки распоредени по еден или неколку профило околу опитната), групно црпење (истовремено црпење од две или неколку дупнатини со цел да се добие и взаемното влијание на дупнатините), пробни црпења (од поединечни дупнатини), опитни црпења (се изведуваат од поединечни дупнатини или батерија на дупнатини, за деталните испитувања при определувањето на сите рачунски хидрогеолошки параметри), опитно - експлоатациони црпења.Податоците од набљудувањата при воспоставувањето на нивото на изданот во набљудувачките дупнатини, се користат за определување на коефициентот на филтрацијата, нивопроводноста и пиезопроводноста. Во процесот на црпењето се врши мерење на температурата на водата и се зимаат проби на водата за определување на физичките својства и хемискиот состав.Обработката на резултатите од црпењата се состои во конструкција на разни графички прилози (хидрогеолошки пресеци по профилите на набљудувачките дупнатини) дијаграми на промената на издашноста на нивото на водата за време на црпењето, дијаграми на зависноста на издашноста од снижувањето на нивото на изданот и др.), потоа во определувањето на коефициентот на филтрацијата, специфичните издашности, пиезопроводноста, нивопроводноста, радиусот на влијанието и др. Методите на обработка се дадени во глава 9. Уште во текот на црпењето, успешноста на самиот опит може да се контролира од дијаграмот на , што се дава на долната слика.

Сл. 8.9 Дијаграм на зависноста на издашноста (Q) од снижувањето на нивото на изданот (s) за време на црпењето :I - крива на издашноста за издан со слободно ниво, II - за издан со артески притисок, III - крива на неоправилно изведен опит (истиот се повторува).

128


Самата пресметка на коефициентот на филтрацијата и на другите хидрогеолошки параметри) се врши по различни формули во зависност на низа услови: начинот на црпењето, слободна или артеска издан, близината или одалеченоста на дупнатините од реката, езерото и сл., типот на дупнатините (совршена - потполна или несовршена - непотполна), положбата на филтерскиот дел од дупнатината во колекторот, неговата должина и соодносот помеѓу должината на филтерот и дебелината на колекторот, положбата на нивото на изданот во однос на филтерот (кај слободните издани), да ли се работи за устален или неустален режим на движењето на изданските води при црпењето и др.За сите напред наведени случаеви, постојат различни изрази (формули) кои се понекогаш многу сложени и гломазни, така што пресметката на коефициентот на филтрацијата по нив е многу отежнат.Во хидрогеолошките прирачници се наоѓаат сите напред спомнати случаеви со шеми, појасненија и нивната можност за конкретна примена. Детали се дадени и во глава 9, глава 10 или глава 11, кај конкретни проблеми кои се анализираат во книгата.Овде се даваат само најчесто применуваните изрази за прорачун на коефициентот на филтрацијата по податоците од црпењето при устален режим на филтрација:

Црпење од поединечни совршени дупнатини кога дупнатината е на значително растојание од површинска вода

Решението е дадено од страна на Дипи (Dupuit). Граничните услови се прикажани на слика 8.10.

а б

Сл. 8.10. Шеми за пресметка на коефициент на филтрација од единечна совршена дупнатина за издан со слободно ниво (а) и под притисок (б), според Дипи

За слободна издан условите се дадени на сликата 8.10 а, додека за издан под притисок на 8.10б. За пресметка се користат следните формули.

129


а) За слободна издан

б)За издан под птитисок

каде е:Q - издашност на дупнатината при црпењето , /ден,H - дебелина на изданската зона во слободната издан, или пиезометарски притисок во артерскиот дел на изданот, m,m - дебелина на артеските издан , m'.s - снижување на нивото на водата во дупнатината или пиезометарот , m'.R - радиус на влијанието, m'.

- радиус (полупречник) на филтерскиот дел од дупнатината m'.

Случај од црпење од батерија на совршени дупнатини е даден на слика 8.11:

Сл. 8.11. Батерија на совршени дупнатини во слободна (а) и издан под притисок (б), далеку од површинска вода

Изразите на Дипи за вакви црпења гласат:

каде е: - растојание на првата, односно втората набљудувачка дупнатина од централната (опитната), m',

- снижување во набљудувачките дупнатини m'.

130


с.н.и. ; с.п.н. - статичко ниво на слободната издан, односно, статички пиезометарски ниво на артеската издан.

При несовршени дупнатини, што е чест случај при црпењето (кога филтерскиот дел на дупнатината, или пак неговиот активен дел, не е во целост во изданската зона), горните изрази добиваат друг вид, со воведување на поправка за несовршенството на дупнатините.

Покрај коефициентот на филтрацијата, колекторите се одликуваат и со други филтрациони параметри меѓу кои поважни се:Коефициентот на водопроводноста, кој укажува на оводнетоста, односно на заситеноста со вода на хидрогеолошкиот колектор; претставува производ од коефициентот на филтрацијата и дебелината на изданската зона:

/ден]

каде е:T - коефициент на водопроводноста ден)k - коефициент на филтрацијата, (m/ден)

- средна дебелина на изданската зона , (m)m - дебелина на слојот под притисок, односно артескиот дел на изданот, m'.

Коефициентот на нивопроводноста, кој ја карактеризира способноста на колекторот да ја предава (пренесува) промената на нивото на изданот со слободна површина (слободна издан) во процесот на неусталената филтрација. Овој коефициент претставува сооднос помеѓу водопроводноста (T) на колекторот со слободна издан и гравитационата оцедливост (водоодавање - водоиздавање - водопредавање) на тој колектор:

/ден]

каде е: - коефициент на нивопроводноста ,( /ден), - специфична издашност на хидрогеолошкиот колектор,

еднаква на:

r - растојание на набљудувачката дупнатина од опитната или експлоатационата , m',

- време кое се добива дијаграмски

131


Коефициент на пиезопроводноста, претставува показател на прераспределбата на притисоците во колекторот со артеска издан во услови на неусталена филтрација (односно тој ја карактеризира брзината на распростирањето на притисокот во колекторот со артеска издан при црпењето со неустален режим).Коефициентот на пиезопроводноста (a) зависи од еластичните својства на изданските води, потоа од порозноста, коефициентот на филтрацијата и еластичните својства на хидрогеолошкиот колектор:

/ден]

каде е: n - порозност на хидроколекторот, - коефициент на волуменската еластичност која ја

карактеризира способноста на водата да го менува волуменот при промена на притисокот (стисливост на водата),

- коефициент на волуменската еластичност (компресибилност) на хидроколекторот.

Точните вредности на коефициентите " " и " " се определуваат врз основа на податоците од црпењата, чија методологија е дадена во глава 9. За најчесто среќавани случаеви се:

/ден; /ден;

Максимални вредности на овие коефициенти се карактеристични за колектори изградени од дробинско - чакалести (грубозрни) и испукани карпести маси.Коефициентите на нивопроводноста и пиезопроводноста се користат при пресметките на водозафатните обекти за случај на неустален режим на изданските води, што претежно и се запазува при долготрајно работење на овие објекти.Пресметката на коефициентот на филтрацијата и другите хидрогеолошки, односно филтрациони параметри при црпењето со неустален режим на движењето на слободните подземни води, се врши по многу сложени формули, што можат да се најдат исто така во специјални за тоа прирачници.

Теренските методи за определување на коефициентот на филтрацијата по пат на налевање на вода се исто така многубројни и разновидни. Налевањето на вода се врши во вливни бунари, дупнатини, или некој друг отвор; било во надизданската или изданската зона. По постигнуавњето на одредено ниво, истото се одржува подолго време со стално долевање на ново количество на вода, кое се мери. Самата инфилтрација може да се врши само

132


низ дното или зидовите, или пак истовремено од дното и зидовите на отворот (бунарот, дупнатината, јамата и д р.). Покрај постапката со одржување на константно ниво, кај некои методи ("LEFRANC") испитувањето се врши и при опаѓањето, односно покачувањето на нивото на дупнатината (се прати бзрината на опаѓањето, односно покачувањето на нивото).Пресметката се врши по следните формули:

za konstanten protok:

за променлив притисок:

kade e: q- koli~ina na voda koja se infiltriraL-dolìna na etaà na ispituvawer-polupre~nik na dupnatinatat2; t1; odnosno Dt- soodvetni vremiwa na definiawe na sniùvawe H1 i H2 I nivna razlikaho-po~etno nivoht-nivo na ispituvawe posle oдredeno vreme

Изразите за определувањето на коефициентот на филтрацијата се различни, и зависат од многу фактори: да ли налевањето се врши во надизданската или изданската зона, со слободно ниво на изданот или во артескиот дел на изданот, дали налевањето се врши во совршен или несовршен бунар или дупнатина (потполн или непотполн), инфилтрацијата е од дното, странично или комбинирано, со одржување на постојано ниво или опаѓање - издигање на истото и др.При овие испитувања се тргнува од претпоставка за хомогено порозна растресита средина (песок, чакал и сл.), ламинарно движење и устален режим на водата.Како пример се наведува изразот за коефициентот на филтрацијата при налевање на вода во совршен бунар, во издан со слободно ниво:

[m/ден]

каде е:

133


Q - устален губиток (примање) на вода при налевањето со константно ниво во дупнатинатаR - полупречник на разливната инка, (m),r - полупречник на дупнатината (m'),h - висина на водениот столб во дупнатината (m'),H - дебелина на изданската зона (m').

Ако пак налевањето се врши во надизданската зона на хидроколекторот, тогаш коефициентот на филтрацијата, при постојан ниво во дупнаитната, се определува со равенката.

каде е: - висина на водениот столб во филтратот на дупнатината над нејзиното дно (m'),

r - полупречник на филтратот (m').

Теренските методи со втиснување на водата во карпестата маса под притисок имаат голема примена во инженерскогеолошките истражувања за определувањето на коефициентот на филтрацијата, т.е. водопропусноста (т.н. вдп), потоа за посредно определување на степенот на испуканоста на цврстите испукани карпести маси, како и за контрола на инектирањето.

Најчеста постапка при овие испитувања е постапката на Лижон (M. Lugeon) , која се состои во испитување на водопропусноста во етажи (делници) од 5 m' во дупнатината, кои се изолираат со тампон (пакер). Притисоците постапно се зголемуваат, односно намалуваат (0,2 - 0,4 - 0,6 - 0,8 - 1,0 - 0,8 - 0,6 - 0,4 - 0,2 MPa) во временски интервали уз устален проток. Самата водопропусност по оваа постапка (или филтарција) се изразува со Лижонова единица, која претставува губиток на вода од 1 литар во единица минута, на 1 m' должина на дупнатината, при притисок од 1 MPa (10 ) кој се одржува најмалку 19 минути: .

Врз база на оваа единица, извешена е поделба на карпите по степенот на нивната водопропусност (табела 8.2).

Табела 8.2. Водопропусност на карпестите маси во Лижонова единици

Оценка на водопропусноста ВДП (Lu)

134


Многу мала водопропусностМала водопропусностСредна водопропусностГолема водопропусностМногу голема водопропусност

1 - 22 - 55 - 1010 - 20

> 20

Меѓутоа, како за потребите на пресметките се користи Дарсиевиот коефициент на филтрација, воспоставена е корелациона зависност помеѓу овој коефициент (k) и водопропусноста на карпите изразено преку лижоновите единици:

[m/s]Овој израз важи со претпоставка дека протокот на водата низ пукнатините во карпестата маса е бавен и ламинарен, и да испуканоста во карпестата маса е рамномерно распоредена.Познавањето на филтрацијата (водопропусноста) на карпестите маси воопшто има голем значај; од нејзе зависат многу други својства: квасење, оцедливоста, можноста за акумулирање на подземните води и оформување на изданот, можноста за оформување на вештачки површински акумулации, изградба на рибници, канали и други хидротехнички објекти, условите при градењето - нарочно изградбата на тунели, поткопи , окна и други подземни објекти.

Определување на коефициент на филтрација од структурни мерења кај цврсти карпи

Кај испукани цврсти карпи, кога нема теренски мерења, испуканоста помаѓа на индиректен начин да се пресмета коефициентот на филтација к и тоа за секој систем на пукнатини. На слика 8.12 е претставена можност за пресметка по графоаналитичката постапка на Vangham, 1972.

ki=biGi2rG-густина на пукнатини за даден системb-отвор на пукнатиниr -динамичка всикозност на водата (0,0101)

Овој метод е поволен кога во карпестата маса има повеќе пукнатинсии системи со разни карактеристики (слика 8.13), така што е можно да се определи анизотропијата на водопропустноста (К1 е рaзлично од К2 и од К3)

135


Сл. 8.12. Дијаграм за проценка на коефициент на филтрација за испукани карпи во зависност од густината на пукнатини (G) и активнио отвор (b)

Сл. 8.13. Шематски приказ на тензор на водопропустност за повеќе системи на пукнатини со различен коефициент на филтрацијаво различни правци

136


Сл. 8.14. Шематски приказ за определување на коефициент на водопропустност за еден систем на пукнатини според средното пукнатиско растојание и отворот (по M.Rocsha, F.Francis)

Сличен е меодот на слика 8.14.

ОПРЕДЕЛУВАЊЕ НА НАСОКАТА И БРЗИНАТА НА ДВИЖЕЊЕТО НА ИЗДАНСКИТЕ ВОДИ

Во стварност, движењето на слободните подземни води во порите и пукнатините на карпестите маси во разните нивни делови се врши со различна брзина. Тамо каде порите, пукнатините и сличните празнини се поголеми, или каде е поголем хидрауличкиот градиент, и брзината на движењето е поголемо. Исто така, во средишниот дел на порите и пукнатините, брзината на поместувањето на водата е поголема, но што е при површината на минералната супстанца (поголеми отпори при движењето). Затоа, може да се збори само за средна брзина на движењето на водата во

137


границите на третираната карпеста маса (хидроколектор) и при даден хидраулички градиент.Определувањето на стварната насока на движењето при природни наклони, како и определувањето на стварната брзина на движењето на изданските води, може да се оствари само во теренски услови, за што постојат повеќе начини.Правецот и смерот на движењето на изданските води наједноставно може да се определи со т.н. графичка метода, која се заснива на податоците од три меѓусебно блиски бунари или дупнатини, поставени на темињата на приближно рамностран триаголник (сл. 8.15)

Сл. 8.15 Графичко определување на смерот на токот на изданските води по три дупнатини (A, B и C).

За ваков начин на определувањето на смерот на движењето на изданскиот ток, познати се меѓусебните растојанија на дупнатините, како и нивните висини (апсолутни или релативни), односно длабината до нивото на изданот во нив.Понатаму, постапката се сведува на едноставна интерполација, со што се добиваат точки со иста висина на слободната површина на изданот вдолж страниците на оформениот триаголник. Со поврзување на точките со иста висина, се добиваат изолинии (аналогно на изохипсите на површината на теренот), наречени хидроизохипси.Смерот на движењето на водата е нормален на така добиените хидроизохиспи (линјата DE).Хидрауличкиот градиент или нагибот на изданскиот ток ќе биде еднаков на разликата во нивото помеѓу точките D и E, поделена со растојанието на сите точки. Така на пример, ако растојанието помеѓу овие точки ( ) е 60 m', тогаш:

или 5%

138


Во карстните терени, правецот и брзината на движењето на слободните подземни води, најчесто се определува со боење на водите на понорите и нивно регистрирање на карстните изворишта.Инаку да би се одредило брзината на токот на изданските води, пожелно е претходно да се утврди и познава правецот и смерот на токот, а со цел да правилно се постават дупнатините за ваква намена (сл. 8.16).

Сл. 8.16 Шема на распоредот на дупнатините при определувањето на стварната брзина на движењето на изданските води.

Една од дупнатините е опитна (A), додека другите (3 - 5 дупнатини) се поставуваат во правец на движењето на токот на изданските води (B, C и D), на одредено растојание (осматрачки или набљудувачки дупнатини). Во опитната дупнатина се уфрла обична готвачка сол, уранин, флуоросцеин или некоја друга индикаторска супстанца, чија концентрација потоа се утврдува во осматрачките дупнатини.

Брзината на изданскиот ток се определува со следниот израз:

каде е: v - брзина на токот на изданот, - растојание помеѓу опитната и осматрачката дупнатина (

види сл. 8.16),

T - време кое поминува од моментот на уфрлувањето на индикаторот во опитната дупнатина до неговата констатација во осматрачката дупнатина, сл. 8.17.

139


Сл. 8.17. Дијаграм на промената на концентрацијата на хлорниот јон ( ) во изданските води:

- време на уфрлување на индикаторот во опишната дупнатина,

- време на наидувањето на индикаторот во осматрачката дупнатина,

- максимална концентрација; T - време кое фигурира во изразот (45).

Знаејќи ја стварната брзина на движењето " v" и хидроличкиот градиент " i", ориентационо може да се определи коефициентот на филтрацијата од

познатиот израз , т.е.: .

Во последно време, брзината на токот на слободните подземни води се определува и со примена на изотопи, електрохемиски и геофизички методи.

ИЗДАШНОСТ (ДЕБИТ) НА ИЗДАНСКИОТ ТОК

Издашност на изданскиот ток е количество на вода која во единица на време протекне (истече) низ содветен пресек на хидроколекторот во кој е оформена издан. Тоа зависи од повеќе фактори меѓу кои се најзначајни хидрауличкиот градиент и филтрационите својства на хидроколекторот.Надоле се даваат изразите за издашност, односно протокот при рамномерно и нерамномерно движење на изданските води за устален режим, и во хомогени колектори.Рамномерно движење на изданските води. Вакво движење на изданските води е возможно во оние случаеви, кога дебелината на токот (изданската зона) е постојана, а слободната површина на изданот е права линија. За случај

140


на слободна издан (сл. 8.18), нејзината површина (ниво) е паралелнои на подинскиот хидроизолатор.

Сл. 8.18. Рамномерно движење на изданската вода низ пресек: h - константна дебелина на водената маса (изданската зона), - ниво на изданот во пресеците 1 и 2, L - растојание помеѓу пресеците 1 и 2, (0 - 0) условна рамнина.

За таков случај единечниот проток на изданскиот ток се определува со равенката:

/ден]

каде е: q - единечен проток на изданските води,односно количество на вода кое протечува (тече) во единица на време низ пресек на токот со ширина од 1 m, другите ознаки како и до сега.

Во случај на артески издан (сл. 8.19), единичниот проток на изданскиот ток се изразува преку равенката:

каде е: m - дебелина на колекторот со артески издан.

141


Сл. 8.19 Рамномерно движење на артеските води

Нерамномерно движење на изданските води. Вакво движење на изданските води се одликува со тоа, што нивната слободна површина или пиезометриската е криволиниска (сл. 72)

За слободна издан при хоризонтален подински хидроизолатор, единичниот проток се опредлеува со формулата:

142


Сл. 8.20.Крива депресија кај нерамномерното движење на изданската вода со хоризонтален хидроизолатор

Вкупниот пак проток на изданскиот ток по определен пресек на изданот се добива кога претходните изрази ќе се помножат со вкупната ширина на изданскиот ток (B), т.е.

Така, изразот би гласел:

каде Q е вкупен проток на изданскиот ток.

Треба да се напомене, дека сите напред наведени изрази се дадени и важат за рамнински ток.

143

glava 8 phg za studenti

Documents

cph

kpi

2m

bindeman

0 k0rr