Законы движения подземных вод (Дарси, А.А.Краснопольского)

Движение подземных вод происходит при наличии разности гидравлических напоров (уровней). Воды движутся от мест с более высоким напором (уровнем) к местам с низким напором (рис. 34).

Рис. 34. Схема движения (фильтрации) грунтовой воды

Для получения более обоснованных значений коэффициента фильтрации применяются расчетные, лабораторные и полевые методы. Чем больше разность напоров ΔН = Н1 − Н2, тем скорость движения подземных вод будет выше. Отношение разности напоров ΔН к длине пути фильтрации l называют напорным или гидравлическим градиентом I = ΔН / l. Фильтрация в полностью водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме движения подчиняется закону Дарси:

Q = kф.F(ΔН/ l) = kфFI,

где Q − расход воды или количество фильтрующей воды через попереч-

ное сечение F в единицу времени, м3/сут;

kф − коэффициент фильтрации, м/сут;

F − площадь поперечного сечения потока воды или водоносного пласта, м2;

ΔН − разность напоров, м;

l − длина пути фильтрации, м;

I − напорный градиент.

Разделив обе части уравнения на площадь сечения F и используя понятие скорости фильтрации ν, т. е. отношение расхода Q к площади поперечного сечения потока, ν = Q/F, получаем

v = kф ·I.

Из этого выражения закона Дарси следует, что скорость фильтрации пропорциональна напорному градиенту в первой степени (при ламинарном движении).

Н1

ΔН

Н2

l

Закон Дарси в дифференциальной форме имеет вид:

h = −kф (dН/dl).

Знак «минус» означает, что по пути движения значение напора уменьшается. Если принять, что I = 1, то уравнение v = к·I получает вид ν = kф или kф =ν, т. е. коэффициент фильтрации − это скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице. Поэтому размерность коэффициента та же, что и скорости фильтрации воды, т. е. м/сут, см/с и т. д. Скорость фильтрации по формуле v = Q/F не отвечает действительной скорости движения воды в породе. Это связано с тем, что в формулу входит величина F, отражающая все сечение фильтрующейся породы, а вода, как известно, течет лишь через часть сечения, равную площади пор и трещин породы. Поэтому величина v является кажущейся. Действительную скорость движения воды nд определяют с учетом пористости породы:

nд = Q / Fn = n / n,

где n − пористость, выраженная в долях единицы. Так как величина пористости всегда меньше единицы, то действительная скорость движения воды всегда значительно выше скорости фильтрации (примерно в 3−4 раза). Например, в галечниках при n = 0,25 действительная скорость движения подземных вод будет в 4 раза выше скорости фильтрации. В глинистых породах часть пор занята связанной водой и вода передвигается только через открытые поры, поэтому в данном случае в формулу вводят не n, а nакт (активную пористость). Закон Дарси, или линейный закон фильтрации, справедлив для преобладающего числа случаев фильтрации в самых разнообразных породах, поэтому его называют основным законом движения подземных вод. Однако закон Дарси не является всеобщим. Движение турбулентного потока не подчиняется закону Дарси. Для выражения фильтрации воды в породах с крупными пустотами и трещинами, в хорошо промытых галечниках при турбулентном режиме служит уравнение А. А. Краснопольского, характеризующее нелинейный закон фильтрации:

n = kк I, где кк – коэффициент, определяемый опытным путем в полевых условиях.

23. Опасные геологические процессы влияющие на работу сети ЖД ДВ. Денудация – определение, агенты, результат. Экзогенные и эндогенные процессы.

Геологические процессы делятся на две взаимосвязанные между собой группы: ЭНДОГЕННЫЕ (древнегреч. endon — внутри, т. е. изнутри рожденные) и ЭКЗОГЕННЫЕ (древнегреч. ex — вне, т. е. извне рожденные).

Развитие Земли протекает в непрерывной борьбе этих двух видов процессов между собой. Эндогенные процессы — созидатели, они создают горы, поднятия, впадины и котловины, создают и порождают горные породы, минералы и полезные ископаемые. Экзогенные процессы — разрушители всего того, что создают эндогенные процессы. При этом, правда, разрушая, они создают свой рельеф и новые породы и минералы.

К эндогенным процессам относятся: магматизм, метаморфизм, тектоника, землетрясения (сейсмика). Эндогенные процессы черпают свою энергию из недр Земли, извлекая ее из атомных, молекулярных и ионных реакций, внутреннего давления (гравитации) и разогрева отдельных участков земной коры от перемещения ее слоев под действием изменения скорости вращения Земли.

К экзогенным процессам относятся: работа ветра, подземных и поверхностных текучих вод рек и временных потоков, льда, морей, озер и т. п. Геологическая работа при этом сводится в основном к разрушению горных пород, переносу обломков и отложению их в виде осадков.

Работа всех экзогенных факторов, связанная с разрушением и переносом, называется ДЕНУДАЦИЕЙ. В последующих лекциях мы с вами познакомимся со следующими агентами или факторами денудации: выветриванием, дефляцией (выдувание и развеивание), оползнями, обвалами, карстом, эрозией, экзарацией (exeratio — выпахивание, например ледником), морской и озерной абразией и др. В результате успешной деятельности (из-за вяло текущих эндогенных процессов или их полном затухании) всех этих факторов экзогенной деятельности на месте горного рельефа, всегда создается ПЕНЕПЛЕН, «предельная равнина», или почти равнинная слабохолмистая местность с плоскими столовыми водораздельными частями. Экзогенные процессы получают свою энергию от солнца и из космоса, успешно используют силу тяжести, климат и жизнедеятельность организмов и растений.