Фильтрация подземных вод
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
. Этапы построения модели
. Методика расчета
.1 Составление расчётной схемы
.2 Подготовка исходных данных и файл исходных данных с именем
Fisx.dat
. Аналитические способы решения задачи
.1 Определение фильтрационного расхода
.2 Расчёт притока воды в карьер
. Укрепление фильтрующего откоса
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Карьеры любой глубины и площади, создаваемые для открытой разработки
полезных ископаемых (угля, руды и.т.д.) изменяют, природный потенциал не только
верхней части литосферы, но и атмосферы и гидросферы.
Геологический массив, окружающий карьер состоит из нескольких слоёв
грунтов и горных пород, весь массив или отдельные его слои являются
водопроницаемыми. Подземные воды, насыщающие массив при создании карьера
получают область стока, т.е. карьер становится дренажом и на значительном
расстоянии от карьерной выработки происходит понижение уровня подземных вод,
также источником питания подземного потока может быть и внешний водоё1м, как
природный, так и техногенный. Карьер становится основным гидромеханическим
фактором, определяющим всю картину движения подземных вод в зоне влияния
карьера. За пределами этой зоны сохраняется естественный режим поверхностных и
подземных вод.
Подземные воды рассматриваются как фактор, влияющий на свойства пород,
определяющий водный и геохимический режим грунтов, развитие оползневых явлений
и криогенных процессов. Во многих случаях вода снижает прочностные свойства
грунтов, особенно глинистых, что при известных условиях приводит к развитию
оползневых явлений, создающим угрозу населенным пунктам, дорогам и промышленным
объектам.
Поступление подземных вод в открытую горную выработку (карьер)
определяется динамическими притоками, проходящими через водоносный пласт из
внешних областей питания (река, озеро и т. п.), и притоками, формирующимися за
счет статических запасов самого пласта.
Задача курсовой работы - освоить методические основы расчета
геофильтрации подземных вод, получить прикладные знания в области
экологического обоснования природоохранных сооружений.
Целью решения данной фильтрационной задачи в плоско- вертикальной
постановке является построение кривой депрессии, системы линий равных напоров -
эквипотенциалей, линий токов, определение параметров зоны высачивания и определение
расхода фильтрации.
В основе данной курсовой работы лежит методика вычислительного
моделирования фильтрации.
1. Этапы построения модели
. Построение расчетной схемы по исходным данным. Рассматривается
плоско-вертикальный фрагмент, ограниченный снизу водоупором, сверху -
естественной поверхностью и контуром выемки. В состав естественной поверхности
входит очертание дна водоема. Дно водоема - контур питания, а сам водоем -
источник питания. Граничное условие рассматриваем как проницаемую границу (БГУ)
и уровень подземных вод на этой границе остаётся постоянным в течение всего
периода эксплуатации карьера.
Питание потока происходит через проницаемое дно водоёма, и контур дна
водоёма определяет собой верхнее граничное условие - контур питания. Контуром
стока, заданным в качестве начального условия является проницаемое дно карьера,
покрытое слоем воды глубиной 0,5 м.
. Уточнение геологического строения выделенной области и назначение
коэффициентов фильтрации для каждой зоны по справочным данным.
. Построение кривой депрессии, т.е. очертания свободной поверхности
потока между контуром питания и контуром стока.
. Уточнение границ участка высачивания.
. Строятся линии равных напоров (эквипотенциали).
. При готовых линиях равных напоров строим систему линий тока (траектории
движения подземной воды). Любая линия тока пересекает все линии равных напоров
(эквипотенциали) под углом 900. В итоге получается криволинейная,
ортогональная в пересечениях с эквипотенциалями и с контуром питания, а также с
затопленным участком контура стока, полная гидродинамическая сетка,
определяющая собой все основные параметры потока.
В итоге получаем гидродинамическую сетку фильтрации, ограниченную сверху
контурами дна верхнего и нижнего водоема, и депрессионной кривой. Снизу - поверхностью
водоупора (в качестве водоупора рассматривается слабопроницаемый грунт,
фильтрацией в котором можно пренебречь).
По сетке определяется удельный фильтрационный расход потока, поступающего
в карьер.
Принимаем, что в плоско-вертикальной постановке задачи вертикальное
сечение, характеризующее расчетную область фильтрации имеет ширину в
направлении оси равную 1 метр.
Кривая депрессии является самой верхней линией тока, а нижней линией
является поверхность водоупора.
Картина распределения напоров характеризуется линиями равных напоров или
эквипотенциалями.
Кривая депрессии, водоупор, очертания контуров питания и стока, линии
тока и эквипотенциали в совокупности образуют полную гидродинамическую сетку
(рисунок 1), т.е. построение такой сетки позволяет прогнозировать положение
кривой депрессии, определять скорость потока в любой его точке, анализировать
участок высачивания и выходные характеристики потока на нем, определять
устойчивость грунтов к фильтрационным воздействиям, определять объем фильтрующейся
воды, количество обусловленных ею загрязнений, изменение содержания этих
загрязнений по длине потока и назначать укрепительные мероприятия, а также
природоохранные мероприятия.
Переход от плоско-вертикальной задачи к пространственной, в большинстве
случаев, не сопровождается искажением сеток, построенных для
плоско-вертикальных сечений. Каждое такое сечение характеризует фильтрацию на
определенном участке пространственной области.
2. Методика расчета
Решение двумерной геофильтрационной задачи в плоско-вертикальной
постановке включает:
·
построение
депрессионной поверхности и линий равных напоров (эквипотенциален);
·
построение линий
тока и полных гидродинамических сеток;
·
определение (по
сеткам) параметров подземного потока;
·
определение
границы зоны загрязнения потока подземных вод фильтратом из накопителя;
·
анализ
результатов моделирования и сравнительную оценку вариантов
противофильтрационных мероприятий, ограничивающих загрязняющее влияние
накопителя на подземные воды.
Задача фильтрации решается методом конечных разностей.
Для этого нужно построить расчетную схему и дискретную модель области
фильтрации, задать исходные расчетные параметры и граничные условия.
2.1 Составление расчётной схемы
Чертёж выполняется на миллиметровой бумаге в масштабе
1:100 при высоте сооружения до 20 м и 1:200 - при большей высоте (все размеры -
в метрах). Чертёж располагается в I квадранте декартовых координат. На чертеже должны быть показаны ломаными
линиями контуры сооружения, границы слоев различных грунтов, вертикальные
боковые границы и нижняя граница расчетной области (водоупор).
Нумерация слоев грунта производится произвольно.
Границей слоя грунта считается ломаная линия, ограничивающая его снизу.
Каждую ломаную линию на чертеже необходимо
аппроксимировать (осреднение данных посредством геометрических фигур).
Аппроксимация в виде прямоугольников, через вершины которых проведены
горизонтальные линии (строки) и вертикальные линии (столбцы).
Полученные строки и столбцы нумеруются (1, 2, 3, )
без пропусков
(количество строк не больше 49, столбцов не больше
114); проставляются их размеры. Расстояние между столбцами и строками
принимаются в соответствии с масштабом.
2.2 Подготовка исходных данных и файл исходных
данных с именем Fisx.dat
Программа для решения фильтрационной задачи написана на языке
программирования FORTRAN. Ввод исходных данных осуществляется по формату -
описание символьных форм представления значений величин в логических записях
наборов данных. Эти описания помещаются в операторы форматов и используются
операторами форматного ввода-вывода. В данном случае используется два кода
формата: I - целый, F - вещественный.
В первую строку вводятся общее количество пронумерованных столбцов
(формат I3), общее количество пронумерованных
строк (формат I3), количество слоёв грунта (формат I3), любой текст - например, название
сооружения, шифр чертежа и. т.п. (формат 13А4). Количество символов текста
должно быть не более 60.
Во второй строке указывается отметка водоупора (формат F6.2)
В третью строку вводится коэффициент сжатия или растяжения (формат F6.2).
В четвертой строке и ниже (столбиком) указываются размер строк и
количество ячеек с данным размером по направлению оси У снизу вверх (формат F6.2, I3). В каждую строку вводят по одному размеру и количеству
строк, а остальные вводят столбцом по тому же формату.
Пятым массивом чисел указываются размер столбцов и количество ячеек с
данным размером по направлению оси Х слева на право (формат F6.2, I3). В каждую строку вводят по одному значению, а остальные
вводят в следующую строку столбцом по тому же формату.
Шестым массивом являются коэффициенты фильтрации грунтов по горизонтали в
порядке их нумерации (формат 4F8.3).
В одну строку вводят 4 коэффициента фильтрации грунтов; если количество грунтов
больше 4, то их вводят в следующую строку по тому же формату.
Седьмым массивом являются коэффициенты фильтрации грунтов по вертикали в
порядке их нумерации (формат 4F8.3).
В одну строку вводят 4 коэффициента фильтрации; если грунтов больше 4, то их
вводят в следующую строку по тому же формату.
Восьмым массивом являются описания слоёв грунтов по строкам, начиная с
первой строки, и количество ячеек с этим грунтом (формат 2I3); массив этих данных вводится
столбцом.
Девятым массивом указывается область фильтрации по строкам (признак 2 -
признак стационарной фильтрации, признак 3 - область в тех ячейках, где
присутствует дренаж) и количество ячеек (формат 2I5); массив данных также вводится столбцом.
Десятым массивом вводят граничные условия (проницаемости или
непроницаемости) слева, снизу и справа (формат F8.2, I3).
Одиннадцатый массив включает описание поверхности (контура) сооружения
(слева направо). Указывается номер строки и количество узлов в ней (формат 2I3).Ввод данных осуществляется
столбцом
Двенадцатый массив указывает на наличие или отсутствие воды в столбцах с
указанием их количества (признак 1 - наличие воды в столбцах, признак 0 -
отсутствие воды в столбцах, формат F6,2, I3).
В тринадцатом массиве указывается глубина воды в указанных выше столбцах
и их количество с данной глубиной (формат F6.2, I3).
Данные вводятся столбцом по этому же формату.
Четырнадцатый параметр указывает количество допустимых итераций;
максимальное число итераций 9999 (формат I4). Первоначально ставится одна итерация для того, чтобы
убедиться в правильности построения расчетной схемы.
Пятнадцатый параметр характеризует погрешность итеративного процесса,
которая должна быть равна 0,01 (формат F6.2).
Файл исходных данных с именем Fisx.dat:
15 3
.00 отметка водоупора
.00 коэффициент сжатия или растяжения
-----------------------------------------------------------------------------------------
.0 1
.5 1
.5 1 размер строк и количество строк с данными размерами
.5 2
.00 1
---------------------------------------------------------------------------------------
.0 5
.5 1
.0 8
,5 1 размер столбцов и количество столбцов с
.0 1 данными размерами
.0 1
.5 1
.0 1
.0 1
.5 2
.0 1
.0 2
.0 1
.5 2
.0 5
----------------------------------------------------------------------------------------
.00 0.5 0.001 коэффициенты фильтрации грунтов
.00 0.5 0.001
--------------------------------------------------------------------
38
38
5
33
6
32
7
31
8
30
9
29
10
28
27
12
26 номер грунта и количество ячеек с данным номером
13
25
14
14
2
8
15
12
4
7
16
10
6
6
38
------------------------------------------------------------------------------------------
570 признак области фильтрации
-----------------------------------------------------------------------------------------
.00 15
.00 15
.00 38 граничные непроницаемые условия
.00 38
.00 15
.00 15
6
1
1
1
1
1
1
1 граничное условие по верхнему контуру
1
1
1
9
1
1
3
1
1
5
-------------------------------------------------------------------------------------------
.00 5
.00 22 признак наличия и отсутствия воды в столбцах
.00 4
.00 7
.50 5
.00 22
.50 1 глубина воды в столбцах и количество столбцов с
.50 2 данной глубиной
.50 1
.00 7
-------------------------------------------------------------------------------------------
количество итераций
.01 погрешность итеративного процесса
Результаты расчета фильтрационной задачи обрабатываются в графическом
пакете SERFER. Графическое представление расчёта
притока воды в карьер представлено на рисунке 2.
Рисунок 2 - Математическая модель фильтрации
3. Аналитические способы решения задачи
.1 Определение фильтрационного расхода
Анализ сетки позволяет определить фильтрационный расход потока
поступающего в карьер, уточнение границ участка на борту и на дне карьера и
укрепление этого участка при устройстве дренажной системы. Эта система позволяет
собрать весь фильтрат, защитить участок высачивания от размыва и фильтрационных
деформаций, в частности от суффозии. Собрать дренажные и поверхностные воды,
накапливающиеся на дне карьера, отвести их в накопительный бассейн и оттуда
откачать эти воды во внешний накопитель.
В данной курсовой работе условно показана насосная станция, откачивающая
воду из внутреннего бассейна.
Приток воды в карьер определяется для всего фронта фильтрации, а
дренажные укрепительные мероприятия предусматриваются только на стабильных
участках карьера, где на длительное время завершены горнотехнические работы.
Выбирается на сетке наиболее удобный, близкий к прямоугольному фрагмент,
заключённый между двумя соседними потенциалями и определяется основной расход
(см. рисунок 3).
Удельный фильтрационный расход, м3/сутки:
(1)
(2)
(3)
где
k - коэффициент фильтрации, м \сутки;
N - высота
грунта, м.
l - расстояние
между соседними эквипотенциалями, м;
Dh - разность напоров, м.
Определим
удельный фильтрационный расход Q1, м3/сут:
Полный
расход Q определяется для той части карьера, где происходит высачивание
подземного потока. Величина Q позволяет назначить конструктивные параметры дренажа
для определения расхода фильтрации.
Полный
расход, м³ \сут:
Q1 = q×L (4)
где
L = 500 м,
Q1 = 2.865. ×500=1432.5 м³ \сут 
Q = 1432.5/84600 = 0,0166 м3/сек.
Рисунок
3 - Элементы сетки движения потока
3.2 Расчёт притока воды в карьер
Фильтрационные свойства пласта учитываются водопроводимостью T (м2/сут), определяемой по
формуле
(5)
где
коэффициенты фильтрации (м/сут) пластов соответственно
мощностью 
и 
.
Расстояние
от контура питания до контура стока (м) определяется по формуле
(6)
где
напоры на контурах реки (область питания) и контура
высачивания воды в карьер.
Распределение
удельных (на 1 м) притоков q по периметру карьера остаётся более или менее
равномерным. При близком расположении границы используется формула для оценки
удельных притоков (в м3/сут на 1 м) на участке карьера, обращённом к
области питания, удалённой на расстояние L от контура
дренажа
(7)
Напоры
в водоносном пласте в непосредственной близости от карьера определяют по
формуле
, (8)
где Н(х)- напор на расстоянии х от участка высачивания на откос.
4. Укрепление фильтрующего откоса
Дренажные устройства играют исключительно важную роль
в обеспечении надежной работы сооружений карьера и поддержании надлежащих
санитарных условий на окружающей территории. Дренажные устройства позволяют:
§ обеспечить требуемое снижение кривой депрессии и
повышения устойчивости низового откоса;
§ надежно защитить откос от
возникновения опасных фильтрационных деформаций (выпор, суффозия);
§ перехватить фильтрационный поток и
организованно отвести профильтровавшиеся воды, для повторного их использования.
Обеспечить надлежащие санитарные условия на окружающей местности;
§ снизить фильтрационное давление.
В сооружениях карьера в зависимости от их характера,
геологических и гидрогеологических условий основания применяются в основном три
типа дренажа: горизонтальный, вертикальный и комбинированный.
В данной курсовой работе в качестве укрепительного
мероприятия предложен трубчатый дренаж.
На сетке выделяем участок высачивания (рисунок 3): высачивание на откосе,
разряжение потока через днище карьера. На этом участке далее проектируются
укрепительные мероприятия: дренаж, пригрузка, коллекторная труба, теплозащитный
слой.
Трубчатый дренаж довольно часто применяют в качестве
укрепительных мероприятий на карьере, и состоит он из коллекторной трубы,
обладающей необходимой прочностью и химической устойчивостью, и обратного
фильтра, уложенного по ее периметру. Рациональное расположение такого дренажа в
теле откоса устанавливается расчетом исходя из требуемого понижения кривой
депрессии и характера гидрогеологических условий. Во всех случаях удаление дрены
от подошвы откоса не должно превышать 1/3 ее ширины по подошве.
Н,м
Дренажный слой (гравий-1м)
КД
А
L,м
Дренажная труба (d=0,4)
Рисунок 3 - Выходной фрагмент области фильтрации и
предлагаемый дренаж
На укрепляемую поверхность с предварительным временным
водоотливом отсыпаем горизонтальный участок дренажа толщиной 0,25-0,5 м, длина
участка равна 6 м (разряжения потока через днище карьера не происходит, зона
увлажнения принимается условно), из песчано-гравийного грунта, гравия или
щебня. Зерновой состав первого дренажного слоя и его материал подбирается таким
образом, чтобы на контакте с укреплённым грунтом выполнялось условие
устойчивого обратного фильтра, т.е. выносимые потоком частицы не должны
проникать в поры между зёрнами фильтра. При необходимости может быть устроен
двух-, трёхслойный фильтр. На первичную подготовку вдоль всего укрепляемого
слоя укладываем дренажный коллектор, диаметр которого подбираем по специальному
графику, диаметр равен 0,4 м.
Используемые дренажные трубы должны обладать не только
прочностью, но и устойчивостью против воздействия агрессивных сточных вод,
содержащихся в карьере. В этих условиях могут применяться керамические, а также
железобетонные трубы, покрытые с обеих сторон слоем антикоррозионной защитной
эмульсии из полимерных материалов.
Применение керамических труб диаметром 200-600 мм
допускается при глубине их заложения не более 6-7 м; глубина заложения
железобетонных труб не ограничена.
Железобетонные трубы изготовляют обычно по специальным
проектам. Они могут быть круглыми диаметром 200-300 мм, круглыми диаметром
350-1000 мм с плоским основанием и овоидальными высотой, превышающей 1 м, с
плоским основанием.
Вода в дренажные трубы поступает через водоприемные
отверстия, устраиваемые в стенках труб, либо через незаделанные стыковые
соединения, количество и размер которых назначают по нормам проектирования
дренажей.
Дренирующий материал выполняет функцию обратного фильтра по отношению к
материалу откоса и к сборной дренажной трубе, т.е. частицы грунта из откоса не
должны проникать в материал фильтра, а зерна фильтра не должны проникать в
отверстия трубы. Перед отсыпкой поверхность откоса планируется и выравнивается.
Обратные фильтры в дренажах подбирают таким образом,
чтобы избежать выноса дренируемого грунта и кольматирования им материала
обсыпки. Это достигается надлежащим подбором состава фракций и толщины
отдельных слоев фильтра.
Для наблюдения за работой перехватывающего дренажа в
нижнем бьефе и дренажа в дамбе устраивают смотровые колодцы, располагаемые
через 40-50 м.
Дренажный слой и коллектор защищаются от сезонного промерзания
теплозащитным слоем из вскрышных грунтов карьера. Толщина этого слоя
назначается равной глубине сезонного промерзания 1,8 м. Материал теплозащитного
слоя не должен разрушаться при морозных воздействиях и оплывать при внешнем
увлажнении. Основная задача дренажной пригрузки - максимально ограничить приток
воды в карьер и понизить депрессионную поверхность. При этом выходные скорости
потока на участке высачивания не должны превышать допустимых для данных
грунтов.
Учитывая потенциальную опасность развития процессов суффозии и
кольматации в любых грунтах, конструкция дренажа должна полностью исключать
фильтрационные деформации грунтов на контакте с дренажом и его засорение.
геофильтрация подземный
вода карьер природоохранный
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Поставленная задача выполнена. Приведенные в курсовой работе материалы и
расчёты дополняют и расширяют представления об основных этапах проектирования
экологически безопасных горных выработок. При выполнении расчетов предусмотрено
использование численных методов и программного обеспечения. Успешное выполнение
данной курсовой работы позволяет использовать освоенные методики в процессе
дальнейшего обучения, а также в предстоящей инженерной деятельности.
При расчётах получены следующие результаты:
Удельный фильтрационный расход q= м3/сут.
Полный расход Q=0,0166 м3/сек.
В качестве защитного мероприятия на участке высачивания спроектирована
дренирующая установка, обеспечивающая устойчивость борта карьера на участке
высачивания. Также дренажная система служит для осушения днища карьера, где в
начальный период работы дренажа сохраняется нижний бассейн. В итоге,
обеспечивается экологическая и эксплуатационная безопасность на данном участке.
СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Кузнецов Г.И. Геоэкология. Защита
окружающей среды: учеб. Пособие Г.И. Кузнецов, Н.В. Балацкая. - Красноярск: Сиб. Федер.
ун-т; Политехнический
институт, 2007. - 129 с.
2. Кузнецов Г.И. Экология промышленных
накопителей. Приток воды в карьер. Фильтрация промышленных стоков из
накопителя: метод. Указания Г.И. Кузнецов, Н.В. Балацкая. - Красноярск: ИПЦ
КГТУ, 2005.-32 с.