Материал: Hydrogeodynamics101

В.А.МИРОНЕНКО

ДИНАМИКА

ползших

поп

московский

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Валерий Александрович Мироненко

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Режим выпуска «стандартный» Выпущено в авторской редакции

Набор: Е.М. Левшина Компьютерная верстка и подготовка оригинал-макета: Ю.В. Суркова Дизайн серии: Е.Б. Капралова Полиграфическое производство:

Т.Д. Герасимова, Н.Д. Уробуиисина,

Г.Н. Потемкина

Подписано в печать 05.10.2001. Формат 60x90/16.

Бумага офсетная № 1. Гарнитура «Dutch». Печать трафаретная на цифровом дупликаторе. Уч.-изд. л.

35,03. Уел. печ. л. 32,44. Тираж 500 экз. Заказ 686

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 062809 от 30.06.98 г.

Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного

горного университета

* /V V \

т L —У

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД № 53-305 от 05.12.97 г.

119991, Москва, гсп-1, Ленинский проспект, 6; Издательство мггу; тел. (095) 236-97-80; факс (095) 956-90-40 «ата»

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Председатель Л.А. ПУЧКОВ

Зам. председателя Л.Х. ГИТИС

Члены редсовета И.В. ДЕМЕНТЬЕВ

АП. ДМИТРИЕВ Б.А. КАРТОЗИЯ В.В. КУРЕХИН М.В. КУРЛЕНЯ В.И. ОСИПОВ ЭМ. СОКОЛОВ

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ B. B. ХРОНИН

jjinii'H rilin iiim i¹'.» ■lajx »'<■< *

В.А. ЧАПТУРИЯ ЕЖ ШЕМЯКИН

ректор МГГУ, чл.-корр. РАН

директор

Издательства МГГУ

академик РАЕН академик РАЕН

академик РАЕН академик РАЕН академик РАН

академик РАН академик MAH BUI

академик РАН

профессор

академик РАН

академик РАН

— mi hit г"| ii 11 г i 111 mu i ini i null г i i г J Л i ii i n mi г ~i " 11 ' т нгт uni i ' ' '

В.А. МИРОНЕНКО

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ

вод

Издание 3-е, стереотипное

Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Геология и разведка полезных ископаемых», специальнос­ти «Поиск и разведка подземных вод и инже­нерно-геологические изыскания»

МОСКВА

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

УДК 551.49 М 64

Мироненко В. А.

М 64 Динамика подземных вод: Учебник. — 3-е изд., стер. — М.: Издательство Московского государственного горного универ­ситета, 2001. — 519 с.

ISBN 5-7418-0110-2

Излагается теория движения подземных вод: физико-математи­ческие основы фильтрации, методы решения задач плановой фильтра­ции, теоретические основы опытно-фильтрационных работ, а также основы миграции подземных вод и влагопереноса в зоне аэрации. Осо­бое место занимает раздел, посвященный приложению методов дина­мики подземных вод при гидрогеологических и инженерно-геологи­ческих исследованиях.

УДК 551.49

Для студентов, геологоразведочных и горных вузов, изучающих гидрогеологию и инженерную геологию.

ISBN 5-7418-0110-2

Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ . 17

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД (ОСНОВНОЙ КУРС)

Глава 1. Физические основы динамики

поп 1

московский 2

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ 4

вод 4

О, = о_с-G„ =(Д„ — Д₀)(1 -n)-z=y,-z, 44

_/=^^а«.._с._й, ш 85

шшшш 145

^(4^)⁺f,(^r'5)^+£=°- 176

¹±шл ' 280

ДШш§ 443

1. Построение основных дифференциальных уравнений геофильтрации и математические основы моделирования фильтрационных процессов 114

1. Дифференциальные представления ис­ходных физических закономерностей 114

поп 1

московский 2

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ 4

вод 4

О, = о_с-G„ =(Д„ — Д₀)(1 -n)-z=y,-z, 44

_/=^^а«.._с._й, ш 85

шшшш 145

^(4^)⁺f,(^r'5)^+£=°- 176

¹±шл ' 280

ДШш§ 443

1. Безнапорное движение между двумя бассейнами (реками) в однородном пласте с наклонным водоупором при отсутствии инфильтрации 165

поп 1

московский 2

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ 4

вод 4

О, = о_с-G„ =(Д„ — Д₀)(1 -n)-z=y,-z, 44

_/=^^а«.._с._й, ш 85

шшшш 145

^(4^)⁺f,(^r'5)^+£=°- 176

¹±шл ' 280

ДШш§ 443

Глава 4. Исследование задач плановой

поп 1

московский 2

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ 4

вод 4

О, = о_с-G„ =(Д„ — Д₀)(1 -n)-z=y,-z, 44

_/=^^а«.._с._й, ш 85

шшшш 145

^(4^)⁺f,(^r'5)^+£=°- 176

¹±шл ' 280

ДШш§ 443

1. Особенности задач, связанных с интерпрета­цией опытно-фильтрационных исследований 246

поп 1

московский 2

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ 4

вод 4

О, = о_с-G„ =(Д„ — Д₀)(1 -n)-z=y,-z, 44

_/=^^а«.._с._й, ш 85

шшшш 145

^(4^)⁺f,(^r'5)^+£=°- 176

¹±шл ' 280

ДШш§ 443

1. Особенности движения влаги при опро­бовании пород зоны аэрации наливами в шурфы 383

Контрольные вопросы 390

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД (ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ГЛАВЫ КУРСА)

Глава 7. Применение принципов и методов динамики подземных вод при гидрогеологических опытных работах и наблюдениях 392

поп 1

московский 2

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ 4

вод 4

О, = о_с-G„ =(Д„ — Д₀)(1 -n)-z=y,-z, 44

_/=^^а«.._с._й, ш 85

шшшш 145

^(4^)⁺f,(^r'5)^+£=°- 176

¹±шл ' 280

ДШш§ 443

1. Прямое определение параметров интег­рированием исходных дифференциаль­ных уравнений на математических моде­лях 411

2. Прямое определение параметров на ос­нове интегральных методов решения обратных задач 412

3. Об интерпретации данных режимных

поп 1

московский 2

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ 4

вод 4

О, = о_с-G„ =(Д„ — Д₀)(1 -n)-z=y,-z, 44

_/=^^а«.._с._й, ш 85

шшшш 145

^(4^)⁺f,(^r'5)^+£=°- 176

¹±шл ' 280

ДШш§ 443

Глава 8. Использование методов динамики подземных вод при решении гидрогеологических и инженерно­геологических проблем разработки месторождений твердых полезных ископаемых 451

1. Анализ деформаций и устойчивости пород при

горных разработках 451

поп 1

московский 2

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ 4

вод 4

О, = о_с-G„ =(Д„ — Д₀)(1 -n)-z=y,-z, 44

_/=^^а«.._с._й, ш 85

шшшш 145

^(4^)⁺f,(^r'5)^+£=°- 176

¹±шл ' 280

ДШш§ 443

Предисловие

Курс «Динамики подземных вод» (ДПВ) закладывает фундамент специального гидрогеологического образова­ния; он вскрывает физико-математическую сущность гид­рогеологических процессов, включая механико-матема­тические методы их изучения, и тем самым дает основу для всех оценок инженерной направленности в гидрогео­логии (и не только для них). Будучи наукой геологиче­ского цикла, курс ДПВ необходим для комплексной гео­логической и механико-математической подготовки спе- циалиста-гидрогеолога. Именно с этим связаны обычно основные трудности усвоения данной дисциплины.

Читатель-студент, для которого в основном написана эта книга, чаще всего весьма приблизительно представля­ет пока суть выбранной им специальности — гидрогеоло­гии. На первых курсах обучения эти представления выра­батываются преимущественно на основе лекций по обще­геологическим дисциплинам, материал которых носит су­губо качественный описательный характер. Поэтому пер­вые лекции по курсу «Динамика подземных вод», насы­щенные не только геологическим, но физико-математи­ческим содержанием, вызывают у многих студентов опре­деленную противоречивость во взглядах на сущность их будущей профессиональной деятельности; в основе ее ле­жит чаще всего недопонимание значимости механико-ма­тематического начала в гидрогеологии.

В этой связи, начиная изложение курса ДПВ, полезно обсудить принципиальный вопрос: является ли выделение гидрогеологической специальности органической необ­ходимостью? На первый взгляд представляется, в частно­сти, что каждая гидрогеологическая задача расчленяется на геологическую и механико-математическую составля­ющие; в таком случае не может ли заменить гидрогеолога союз геолога и математика?

Для того чтобы ответить на эти вопросы, просмотрим краткий перечень основных проблем и связанных с ними характерных задач, сталкиваясь с которыми гидрогеолог должен в той или иной мере проявить свое инженерное мышление или умение количественно оценить конкрет­ную гидрогеологическую обстановку:

[Т] поиски, разведка и эксплуатация месторождений подземных вод (интерпретация опытных работ, подсчет эксплуатационных запасов, оценка условий эксплуата­ции водозаборов) ;

|~2| гидрогеологическая разведка и режимные на­блюдения при освоении месторождений твердых полез­ных ископаемых (интерпретация данных опытных работ и наблюдений);

[~3~| гидрогеохимические методы поиска полезных ископаемых (оценка условий миграции компонентов в подземных водах, интерпретация данных гидрохимиче­ского опробования);

4 гидрогеологические прогнозы в связи с разработ­

кой месторождении твердых полезных ископаемых (оценка водопритоков в горные выработки, обоснование дренажных мероприятий, обоснование возможности вы­емки полезных ископаемых под водными объектами);

5 задачи нефтяной гидрогеологии (анализ флюи­додинамического режима нефтяных месторождений и вы­явление на его основе условий образования и сохранения залежи, изучение движения водонефтяного контакта в ходе эксплуатации нефтяных скважин и при искусствен­ном заводнении и т.д.);

~б] гидрогеологическое обоснование технологиче­ских схем разработки месторождений твердых полезных ископаемых такими специальными способами, как под­земное выщелачивание, подземный гидроразмыв и др.;

Ш региональный анализ гидродинамического режи­ма подземных вод в естественных и нарушенных услови­ях, решение специфических задач региональной динами­ки подземных вод (оценка условий питания и разгрузки водоносных структур, анализ региональной взаимосвязи водоносных комплексов, палеогидрогеологические по­строения, интерпретация гидродинамических предвест­ников землетрясений и т.п.);

8

гидрогеологические исследования при гидротех­ническом, гражданском и дорожном строительстве (оцен­ка водопритоков в строительные котлованы, оценка фильтрационных потерь из водохранилищ, расчет строи­тельного водопонижения);

9J гидрогеологические исследования инженерно­геологической направленности (оценка устойчивости об­водненных откосов, прогноз консолидации водонасыщен­ных горных пород, изучение деформаций горных пород при глубоком водопонижении, изучение влажностного режима горных пород в основаниях и откосах инженер­ных сооружений);

Тр] подземное захоронение промышленных стоков (обоснование возможности захоронения, прогноз движе­ния промстоков в пласте);

11. обоснование схем искусственного восполнения подземных вод;

12. проблема охраны и рационального использова­ния подземных вод (прогноз процессов антропогенного загрязнения, анализ условий вторжения соленых морских вод на побережье, обоснование зон санитарной охраны водозаборов, оценка защитных свойств относительно во­доупорных пород, обоснование защитных и контрольных мероприятий);

13J задачи мелиоративной гидрогеологии (прогноз режима подземных вод в районах мелиорации, обоснова­ние мелиоративных систем, оценка интенсивности про­цессов засоления грунтов на участках мелиорации);

14j гидрогеологический анализ условий использова­ния глубинного тепла Земли.

Решая эти и подобные задачи, всегда приходится сво­дить реальную ситуацию к схематическому представле­нию. К этому принуждают сложность исходной гидроге­ологической обстановки, дефицит информации, имею­щейся для ее описания, и сама инженерная постановка задачи, не требующая обычно кропотливого учета всех особенностей изучаемого объекта. Такая гидрогеологи­ческая Схематизация — основное звено в исследовании перечисленных задач; ее цель — максимально упростить постановку задачи, сохранив в то же время наиболее значимые для изучаемого процесса факторы. При атом деление на лишнее и необходимое зависит не только от исходных гидрогеологических условий, но и от того, какие инженерные сооружения будут здесь в дальней­шем функционировать, т.е. для чего будет использован результат решения данной задачи. Подобная обратная связь должна реализоваться не только в процессе гидро­геологической схематизаций, но и в широком спектре гидрогеологических исследований в целом как связь между средством и целью. Например, на геологическом объекте недопустимы изыскания «вообще»: виды, объе­мы и методика изыскательских работ в одной и той же исходной геологической ситуации могут кардинально различаться в зависимости от характера инженерного объекта, под который ведутся изыскания.

Изложенные доводы, не будучи, конечно, исчерпываю­щими, делают ответы^ на поставленные ранее вопросы достаточно очевидными, они убедительно подчеркавают настоятельную необходимость взаимопроникновения, самого тесного сочетания геологического и механико- математического анализа при решении гидрогеологиче­ских проблем; а это под силу только специалисту, осно­вательно владеющему и тем, и другим. Следовательно, гидрогеологическая специализация немыслима без фун­даментальных знаний в области ДПВ, которая и обеспе­чивает «стык» геологических и механико-математиче­ских основ гидрогеологии.

В то же время можно привести немало доводов в пользу чтения данного курса и для инженеров-геоло- гов. Во-первых, очень часто приходится сталкиваться с задачами смешанного свойства — и гидрогеологически­ми, и инженерно-геологическими одновременно (см. гл. 8). Во-вторых, многие методы исследований дина­мики подземных вод весьма эффективны для решения инженерно-геологических задач; это относится к ана­литическим исследованиям, моделированию и полевым опытным работам. В-третьих, подземные воды в силу своей высокой подвижности во многих случаях оказыва­ются удобным индикатором при изучении геомеханиче- ских процессов. И, наконец, нельзя забывать, что инже- неру-геологу, как и гидрогеологу, очень часто приходится выступать специалистом по обоим указанным направле­ниям.

Начальные шаги науки о движении подземных вод принято связывать с именами А.Дарси (предложившего в 1856 г. формулировку основного закона фильтрации), Ж.Дюпюи, Н.Е.Жуковского, Ф.Форхгеймера. В даль­нейшем крупные достижения в развитии подземной гид­родинамики были связаны с гидротехническим и граждан­ским строительством [8, 22] и нефтяным делом [32, 36, 43]. Большую роль в разработке математических основ теории сыграли также труды П.Я.Полубариновой-Кочи- ной [27], В.И.Аравина и С.Н.Нумерова [1], Н.Н.Вериги- на [10]. Важнейшее значение для оформления ДПВ как самостоятельной научной дисциплины геологического цикла наук имели труды Г.Н.Каменского [15] — его мож­но рассматривать как основоположника ДПВ. В послед­ние десятилетия основные успехи в развитии науки о движении подземных вод связаны с трудами гидрогеоло­гов, что объясняется постановкой широкого круга новых и сложных проблем гидрогеологии. Не пытаясь дать ис­черпывающий список специалистов, внесших ощутимый вклад в эту работу, отметим труды Ф.М.Бочевера [5], И.К.Гавич [7], Н.К.Гиринского, И.Е.Жернова [14], В.И.Лялько [20], В.М.Шестакова [22, 23, 34], Я.Бэра [6], Р.Де Уиста [13], Ж.Фрида [31], М.Хантуша [42].

В соответствии с интенсивным развитием теории и практики ДПВ разработаны и изданы учебники Г.Н.Ка­менского, А.И.Силина-Бекчурина, П.П.Климентова, Г.Б.Пыхачева и др. В начале 70-х годов появился учебник В.М.Шестакова [34], вобравший в себя основные науч­ные достижения ДПВ; учебнику сопутствовал гидрогео­логический практикум [35]. Позднее появились учебни­ки В.А.Мироненко и И.К.Гавич [7]. Из зарубежных тру­дов отметим книги Я.Бэра [37], П.Доменико [40], Р.Фриза и Д.Черри [41].

К настоящему времени ДПВ располагает научной ме­тодологией и специалистами, вполне отвечающими со­временному научному уровню и 1гребованиям гидрогео­логической практики. Спектр используемых здесь мето­дов исследований весьма разнообразен. Он включает ме­тоды геологоструктурного анализа, лаббраторное изуче­ние движения флюидов через горные породы с учетом их физико-химического взаимодействия, полевые опробо­вания той же направленности, режимные гидродинамиче­ские и гидрогеохимические наблюдения, аналитические оценки, аналоговое и численное моделирование гидроге­ологических процессов. Методология этих исследований вобрала в себя многие достижения геологических наук, математики (классической и прикладной), механики сплошных сред и статистической механики, физической химии и т.д. Большое значение для развития научных представлений ДПВ имели исследования в области меха­ники нефтяных пластов [32, 36, 43], а также почвоведе­ния [24]. Необходимо особо отметить ее тесные связи с инженерно-геологическими исследованиями, в частно­сти, с механикой грунтов (горных пород). Эти связи на­шли отражение в общих гидрогеомеханических построе­ниях [8, 22, 29], рассматривающих массив горных пород и движущиеся в них подземные воды как единую механи­ческую систему.