《水文地质》PPT课件.ppt

第12章 地下水的预测与防治,地下水运动的基本规律 涌水量预测方法简介涌水量测量方法（自学）矿坑突水的条件及预防,属地下水动力学的研究范畴：研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和岩溶岩石中运动规律的科学。它是模拟地下水流基本状态和地下水中溶质运移过程，对地下水从数量上和质量上进行定量评价和合理开发利用，以及兴利防害的理论基础。,12.1 地下水运动的基本规律,12.1 地下水运动的基本规律,一、地下水的运动状态,一般把由固体骨架和空隙两部分组成的介质，叫多孔介质。如砂层、裂隙岩体等。地下水在多孔介质中的运动，称为渗流。发生渗流的区域称为渗流场。由于受到介质的阻滞，地下水的流动远较地表水为缓慢。由于地下水的类型、介质类型的不同，地下水的运动状态多种多样。,渗流的分类：,12.1 地下水运动的基本规律,1.层流与紊流,层流(laminar flow)：亦称片流，指在流速较小时，液体质点作有条不紊的运动,彼此不相混掺的形态。水质点运动连续不断，流束平行而不混杂。,传递动量、热量和质量的方式不同：层流通过分子间相互作用；紊流主要通过质点间的混掺。紊流的传递速率远大于层流。,紊流(turbulent flow)：亦称湍流，是指随流速增大，液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态。水质点运动不连续，流束混杂而不平行。,实验和观察表明，当地下水在孔隙和细小的裂隙岩层中运动时，如水流速度缓慢，多为层流状态；当地下水在大裂隙和岩溶溶洞中运动时，由于流速较快，则多表现出紊流状态。,由于地下水主要是在岩石的孔隙和裂隙中运动，运动时受阻较大，流速一般较慢，所以，一般情况下可以地下水的运动理解为层流运动。,法国水力工程师亨利达西(Henry Darcy)在装有均质砂土滤料的圆柱形筒中做了大量的渗流实验，于l856年发现：渗透流速与水力坡度成正比，即线性渗流定律，这是渗流基本定律，后人称之为达西定律。,二、达尔西定律层流运动定律,Darcy 实验装置,Henri Darcys Law:Q=KI 或 v=Q/=KI Q渗透流量；过水断面总面积；I水力坡度；v渗透流速（m/s）；K渗透系数（m/s，为I=1时的v）用途：矿坑、地基工程中涌水量的计算。强调：层流，线性说明：在单位水压梯度（I=1）下，单位时间内通过单位截面积的流量，即为岩土的渗透系数。该值可针对具体的岩石（土），通过在室内使用达西仪或其他渗透仪经试验求得。,二、达尔西定律层流运动定律,达西公式讨论：达西定律反映了能量转化与守恒。V与I的一次方成正比；当K一定，V增大时，水头差增大，表明单位渗透途径上被转化成热能的机械能损失越多，即V与机械能的损失成正比关系；当V一定时，K越小，水头差越大，即K与机械能的损失成反比关系。,三、紊流运动的非线性渗透定律,Q=KI1/2 或 v=Q/=KI1/2 Q渗透流量；过水断面总面积；I水力坡度；v渗透流速（m/s）；K渗透系数（m/s）；强调：紊流、非线性常见情况：介于层流与紊流之间的 混合流动 Q=KI1/m（m=12）,四、地下水向井运动的基本规律,1.相关概念(1)井：处于含水层中有铅直轴线的圆管，其四周透水。(2)潜水井：当井揭露潜水含水层，由含水层中吸取无压地下水的井称为潜水井或普通井。(3)承压水井：当井揭露承压水含水层时，称为承压水井。(4)完整井：揭露整个含水层，井一直打到含水层底板隔水层时的潜水井或承压水井，称为完整井。(5)非完整井：没有打到含水层底板隔水层的潜水井或承压水井。,完整井,非完整井,(6)水位降深：初始水头减去抽水t时间后的水头，也简称降深。用S表示。(7)降落漏斗：抽水时，水位降深S在不同的位置上是不同的，井中心降深最大，离井越远，降深越小，抽水井周围总体上形成的漏斗状水头下降区；亦即由抽水（排水）而形成的漏斗状的水头（水位）下降区。,(8)影响半径：是从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离。,2.稳定流假设,(4)在有侧向补给的有限含水层中，当降落漏斗扩展到补给边界后，侧向补给量和抽水量平衡时，地下水向井运动便可达到稳定状态。,(5)在有垂向补给的无限含水层中，随着降落漏斗的扩大，垂向补给量不断增大。当它增大到与抽水量相等时，将形成稳定的降落漏斗，地下水向井的运动也进入稳定状态。,(6)在没有补给的无限含水层中，随着抽水时间的延长，水位降深的速率会越来越小，降落漏斗的扩展越来越慢，在短时间内观测不到明显的水位下降，这种情况称为似稳定状态，也称似稳定。,(1)含水层均质、各向同性，产状水平，厚度不变，分布面积很大，可视为无限延伸；(2)抽水前的地下水面是水平的，并视为稳定的；(3)含水层中的水流服从Darcy定律，并在水头下降的瞬间水就释放出来。如有弱透水层，则忽略其弹性释水量。,h,s,H,R,3.向井运动的基本规律（1）潜水完整井稳定流裘布依公式(J.Dupuit),Q井的涌水量(或称排水量)，m3/d K 潜水含水层的渗透系数，m/d H 潜水含水层厚度，m；S 井中稳定的水位降深，m；R 稳定时漏斗半径(影响半径),m r 井的半径，m。说明：均质含水层，且水平分布无限广阔；无蒸发、无渗漏；运动状态为层流状态。R可用经验公式确定：R=3000SK1/2,Q=1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr),R,3.向井运动的基本规律（2）承压水完整井稳定流裘布依公式,M承压含水层的厚度，m;其它符号同前；,a）从r0r1 潜水完整井 Q=K(M2-h2)/(lnr1-ln r0)b)r1 R 承压水完整井 Q=2KM(H-M)/(lnR-ln r1)c)组合后得出,潜水-承压水完整井,3.向井运动的基本规律（3）潜水-承压水完整井稳定流裘布依公式,4.Dupuit公式的应用（用途）,(1)确定水文地质参数,根据Dupuit公式，在已知含水层厚度和参数的情况下，只要给出设计的合理降深，既可预报井的开采量；也可按需要的流量，预报开采后的可能降深值。,(2)预报流量或降深,确定岩土的渗透系数K、导水系数T、影响半径R等。,但应注意，利用以上公式预报时，含水层必须有补给源，且能和抽水量平衡，达到稳定流条件；否则，不可能出现稳定流，利用稳定流公式进行预报，所得到的结果是错误的。,用途一：确定水文地质参数,（潜水）,（承压水）,利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的Q及抽水井或观测孔的水位降深S代入各式，可以直接求出K或T。,用途二、预报涌水量,h,s,H,R,例1 有一潜水完整井，其半径为0.1m，含水层厚度为8m，土壤的渗透系数为0.001m/s，抽水时井中水深为3m，试计算井的出流量。,解：H=8 h=3 r=0.1 k=0.001 S=H-h=8-3=5 R=3000SK1/2=3000*5*0.0011/2=474.3 Q=1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr)=0.02m3/s,例2：某工程基坑开挖的平面尺寸为长44m，宽22m，坑底标高为-6.0m，自然地面标高为0.00，地势平坦，地下水位为-2m。根据地质钻探资料查明，地面下-2.5m为不透水黏土层，-2.5-9.0m为细砂层。-9.0m以下为砂岩不透水层，所以含水层厚度为6.5m，细砂层渗透系数K=6m/d，试求涌水量。,解：据题意，细砂含水层为承压水层，厚度M=6.5m 降深s=6-2=4m 抽水影响半径：基坑假想半径：,用途二、预报涌水量,根据承压完整井涌水量计算公式：,12.2 涌水量预测方法简介 背景：涌水量预测是矿坑作业、地基工程施工过程一项十分重要的工作，也是矿山生产中的经常性工作。目标：预测涌水量实际涌水量问题：预测量实际涌水量 预测量实际涌水量,预测方法：一、大井法（坑道系统的水动力学法）二、水均衡法 三、水文地质比拟法,一、大井法（坑道系统的水动力学法）,大井法 涌水量预测中，把坑道系统所占面积简化为一个圆形的大井，然后应用地下水向井运动的公式预测坑道系统的涌水量。注意：1)坑道系统的长度与宽度的比值应小于10。2)坑道系统的引用影响半径R0 R0=R+r0,大井法实例,1.某缓倾斜层状矿床，坑道系统周长630m，不规则多边形长宽比=2.5，影响半径R=900m，渗透系数K=0.2m/d，潜水含水层厚度100m，坑道系统布置在含水层底板，试预测其涌水量。,解：据题意 R=900m K=0.2m/d S=H=100m r0=P/2=630/2=100m R0=R+r0=1000m,应用潜水完整井公式：Q=1.366K(2H-S)S/lg(R0/r0)=2732m3/d 2.教材P221,二、水均衡法,水均衡法：详细分析矿区地下水来源，分别计算不同补给来源的矿坑涌水量，总涌水量等于各部分涌水量的总和。计算较复杂，用于计算露天采矿场和不深的地下坑道时。,1）露天采矿场面积上静储量的消耗量,2）采矿场周围降落漏斗范围内的静储量的消耗量,h含水层平均厚度；R疏干时的影响半径给水度或裂隙度L疏干地段的周长,总静储量,二、水均衡法（续）,动储量：3）直接降落在露天采场内的大气降水q34）采矿场外围降水渗入的水量q4,A年平均降雨量；F1露天采矿场面积；t一年时间；F露天采场外矿区集水面积（降落漏斗范围）地下迳流系数。,F1,F,三、水文地质比拟法,基本思想：类比法。即在同一地区，地质、水文地质条件相同或相似的矿坑其涌水量应是接近的。,用途：根据已有开采地段的实际涌水量预测新开采地段可能的涌水量，从而为疏排水工程的配置提供依据。,三、水文地质比拟法,方法一：根据单位涌水量换算矿坑涌水量,实践或试验研究证明，矿坑涌水量与矿坑面积或体积的扩大成正比增加。因此，收集现有生产矿坑排水资料、矿坑面积或体积、水位降低值，即可换算出新的矿坑的涌水量。假定：,Q0已有矿坑总涌水量，m3/d;F0已有矿坑的开采面积，m2;S0已有矿坑的水位减低值，m则已有矿坑单位面积、单位降深的涌水量q0为：,这样，新开采（设计）矿坑的总涌水量即可表示为：,Fnew新开采矿坑的开采面积，m2;Snew新开采矿坑的设计平均水位减低值，m。,三、水文地质比拟法,方法二：富水系数法,在一定时期内，从矿坑中排出的水量，与同一时期开采出的矿石重量之比，称为富水系数（KB），即,Q0矿坑排水量，m3/a;P0矿坑的矿石开采量，t/a;,在与上述矿坑地质、水文地质条件和开采条件相同或相似的新开采地段，矿坑的总涌水量为：,Pnew新开采矿坑的设计矿石开采量，t/a.,12.3 涌水量测量方法（自学）,一、水沟流速浮标法 Q=0.8FV m3/sec;V=L/t m/sec Q-流量、F-过水断面、V-水沟流速、L-浮标流经距离、t-浮标流经L距离的时间二、堰测法 三角堰 梯形堰 h-水流流过堰口高度;B-梯形堰堰口底部宽度三、储水池容积法四、水仓水泵观测法,12.矿坑突水的条件及预防,一、井下突水条件,有岩溶存在，溶硐、矿体在同一部位与构造勾通；有导水构造断裂与矿体联通；有积水老窑存在并与构造勾通；有勘探钻孔在含水层中集水并与构造勾通；有裂隙强烈发育地区；有弱含水层（隔水层）与含水层接触面形成积水，并与构造联通。,12.矿坑突水的条件及预防,二、矿坑透水、突水征兆,顶板突然渗出水珠；工作面温度下降，空气变冷，或者工作面水蒸气大面积释放且时常产生雾气；工作面顶板淋水增大或底板突然涌水；工作面岩层出现有暗红色透水或带臭味的水；岩缝明显有“吱吱”的水叫声，如出现这种情况，工作地点的人员必须立即全部撤出；掘进工作炮眼孔出现高压射流水，射流长度在1.5米以上时。,12.矿坑突水的条件及预防,掘进施工中，当接近有水害威胁地区时，必须按“有疑必探，先探后掘”的原则进行。遇到下面任何一种情况都必须停止掘进，先探水：,掘进工作面接近溶硐、含水断层、含水层（流沙层、冲积层各种承压水的含水层）或接近大量积水区时；掘进面接近被淹井巷或有积水的水窑、老采空区时；上层有积水，在下层进行采掘工作，两层间的垂直距离小于掘进巷道高度10倍时；在探水地区内掘进，掘进长度达到设计掘进长度时；,三、预防原则,采掘工作面发现出水征兆时；在探空区积水地区，发现新的断层，但对断层另一盘水文地质情况不清楚时；当采掘工作面接近各类防水矿柱，为确保防水矿柱的安全可靠，必须提前探明情况时。当掘进工作面出现地下水增大(或比预计的水量大很多)时；当掘进工作面将穿过勘探钻孔(含水层中钻孔)时。,四、预防措施,开挖排水沟：在垂直来水方向向上开挖排水沟，拦截洪水，排水沟大致沿地形等高线布置，利用地形坡度，排出矿区。防水堵漏：为防止或减少降水及地表水进入矿坑，对矿区附过地表各种裂隙通道、岩溶塌陷以及可能积水的洼地等，均应用粘土或水泥等进行回填。在岩溶塌陷十分强烈的地段，甚至用不透水的围堤将塌陷区隔离起来。河流改道：在河流上游筑拦水坝，将水引出矿区。井下防水：矿山开采过程中，首先要合理进行开采布局，采用正确的开采方法，在适当位置要预留防水矿柱，修建防水闸门或水闸墙。,水文地质篇复习要点地下水成分库尔洛夫式的应用按埋藏条件分类的各类地下水特征按含水层空隙性质分类的各类地下水特征潜水等水位线图承压水等水压线图矿床水文地质图地下水向井运动基本规律涌水量预测常用方法,