В. А. Мироненко динамика ползших поп московский

Download 1.56 Mb.

bet	3/127
Sana	23.04.2023
Hajmi	1.56 Mb.
	#1389069

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 127

Bog'liq
Динамика подземных вод Мироненко В.А..docx101

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, 43
_/=^^а«.._с._й, ш 83
шшшш 145
^(4^)⁺f,(^r'5)^+£=°- 176
¹±шл ' 279
ДШш§ 443

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

Дифференциальные представления исходных физических закономерностей 114

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

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАДАЧ ПЛАНОВОЙ

Особенности задач, связанных с интерпретацией опытно-фильтрационных исследований 246

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

Прямое определение параметров интегрированием исходных дифференциальных уравнений на математических моделях 411
Прямое определение параметров на основе интегральных методов решения обратных задач 412
Об интерпретации данных режимных

Глава 8. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ РЕШЕНИИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ 451

Анализ деформаций и устойчивости пород при

горных разработках 451

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);

обоснование схем искусственного восполнения подземных вод;
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.
Настоящий учебник дает систематическое изложение основ ДПВ. В нем последовательно рассматриваются: физические и механико-математические основы движения подземных вод, методы его аналитического исследования и моделирования, теоретические аспекты изучения исходных расчетных параметров водоносных комплексов, основы теории массо- и теплопереноса в последних, теоретические вопросы влагопереноса при неполном водона- сыщении горных пород.
Представляется полезным остановиться на специфике изложения отдельных проблем и на особенностях формы подачи материала в этой работе.
ГП Постараемся по возможности обстоятельнее, при минимальном привлечении математического аппарата, осветить физические основы изучаемых процессов. При этом будем широко использовать гидрогеомеханиче- ский подход, позволяющий рассматривать физические основы ДПВ в рамках методических построений, единых с механикой горных пород. В целом автор стремился к тому, чтобы студент смог объяснить физическую суть всех изучаемых процессов на словах, не прибегая к математическому аппарату.
При рассмотрении физико-математических моделей процессов в книге повсеместно используется детерминистский подход, отвечающий представлениям механики сплошных сред, хотя в последнее время в гидрогеологии уделяется все больше внимания вероятностным (стохастическим) моделям. На это ограничение мы пошли исходя главным образом из практических соображений. Во- первых, детерминированные модели позволяют проще объяснить физико-механические принципы ДПВ, оставаясь в рамках привычных для студентов представлений. Во-вторых, систематическое построение курса на базе вероятностных моделей (само по себе вполне возможное) должно быть увязано с практикой современных гидрогеологических исследований и с возможностями определения соответствующих исходных данных для расчетных моделей, а это в настоящее время является нереальным. Сказанное, однако, не означает, что автор вообще отказался от учета вероятностных свойств изучаемой среды: на самом деле, как будет показано, рассматриваемые детерминированные модели уже представляют собой результат некоторого статистического усреднения этих свойств на определенном уровне, находящего свое отражение в исходных параметрах среды.
[~2~ При изложении математических основ ДПВ глав
ный упор делается на последовательное построение исходных дифференциальных уравнений процесса и на ознакомление с общими методами их решения — аналитическими, аналоговыми и численными. Конкретные задачи, иллюстрирующие применение этих методов, подобраны таким образом, чтобы получаемые решения одновременно способствовали более глубокому пониманию физических особенностей изучаемого процесса. Практически все эти решения доведены до конечных аналитических зависимостей, так что за редкими исключениями в книге не дается формул без вывода; автор руководствовался убеждением, что в учебнике по фундаментальной дисциплине предпочтительнее вообще не приводить те или иные зависимости (кроме феноменологических законов¹) , чем давать их без должного обоснования.
Сказанное не предполагает, что после прохождения курса студент должен свободно владеть рассматриваемым здесь математическим аппаратом; однако от него можно требовать грамотной физической и математической постановки задачи, изложения логической последовательности решения и объяснения (уже с помощью книги) деталей решения. В целом же важно помнить, что именно правильная постановка задачи чаще всего является определяющим моментом в ее исследовании.
71 Методы аналогового и численного моделирования гидрогеологических процессов рассматриваются лишь в своей теоретической основе, так как детализация методики и охнакомление с техникой моделирования — предмет не лекционных, а практических занятий. Серьезное внимание уделяется вопросам эффективного сочетания этих методов с аналитическими исследованиями, которое даст возможность выработать у читателя гибкий подход к решению конкретных задач,наряду с пониманием того, что моделирование в настоящее время должно рассматриваться как обязательный элемент любого исследования в сфере ДПВ.
[4 Особое значение придается теоретическим основам определения расчетных гидрогеологических параметров. Это вызвано прежде всего актуальностью данной проблемы, от решения которой во многом зависит прогресс гидрогеологии в целом: в настоящее время погрешности гидрогеологических прогнозов обусловлены преимущественно низкой точностью исходных расчетных данных (наряду с погрешностями гидрогеологической схематизации) *. Кроме того, посвященный этой проблеме материал в максимальной степени способствует более глубокому пониманию различных физических аспектов подземной щдромеханики. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, автор старался не загружать соответствующий раздел учебника формально-математическим аппаратом. Того же принципа он придерживался при изложении основ теории тепло-, массо- и влагопереноса, помня о том, что многие аспекты этой теории (особенно, если говорить о влагопереносе в ненасыщенных средах) пока еще не получили должного практического применения; основная причина тому — все те же трудности определения необходимых исходных данных.

более глубокого уяснения теоретического
материала по ходу его изложения предлагаются дополнительные вопросы и задачи¹. Вместе с тем, их рекомендуется рассматривать как обязательные компоненты учебника в целом: очень часто размышления над этими вопросами и ответы на них органически Вплетаются в общую логику изложения материала. В конце основных глав (1- 6) даются контрольные вопросы, в подготовке которых принимали участие В.В.Антонов, Е.А.Ломакин, Е.В.МоЛь- ский, В.Г.Румынин.
Для облегчения понимания формальных аспектов те- орииб учебник построен таким образом* чтобы возможные недостатки математического образования компенсировались по ходу изучения курса. Бесспорно, все формальные выкладки учебника вполне могут быть усвоены читателем, имеющим элементарные представления о математическом анализе на уровне первого-второго курсов технического вуза. Более того, автор считает уместным настаивать на таком усвоении, так как без него специалист гидрогеолог может оказаться беспомощным, столкнув-
* Имея в виду характерный порядок этих погрешностей, нет необходимости настаивать на слишком высокой точности теоретического анализа практических задач. Здесь вполне допустимо пренебрегать погрешностью решения в пределах нескольких процентов.
шись с реальными инженерными задачами: часто ему будет трудно понять даже саму постановку задачи, так как умение мыслить и объясняться формальным математическим языком - сейчас необходимый элемент инженерного образования. Наряду с подобными прикладными навыками немаловажным является также выработка у студента общего инженерного мировоззрения, согласно которому математика не только «обслуживает» гидрогеологию, но и привносит в нее более глубокое понимание проблемы, а подчас и принципиально новые физические идеи. Вместе с тем, полезно иметь в виду, что в гидрогеологии нередко встречаются работы прямо противоположного свойства, в которых математические построения имеют сугубо формальный характер и мало увязываются как с физической сутью проблемы, так и с возможностями практического ее решения. Таким образом, чтобы успешно разобраться во всех сложностях этой проблемы, будущему инженеру необходимо целенаправленно развивать свою математическую эрудицию.
В тексте дано подразделение материала на основной, требующий наиблее полного усвоения, и вспомогательный (набран петитом), направленный на более углубленное понимание вопроса и в какой-то мере на развитие научных склонностей студентов. Наиболее важные понятия и определения выделены разрядкой. Курсив призывает читателя обратить особое внимание на данную часть текста; наиболее мелким шрифтом дается материал, требующий от читателя для полного понимания более детальных (логических или формально-математических) самостоятельных построений, выходящих за рамки общего курса (иногда такой материал занимает целый раздел, и тогда его можно рекомендовать для индивидуальной научной работы студентов, в том числе и на последующих курсах).
В заключение полезно подчеркнуть, что за пределами учебника осталась важнейшая проблема любого гидрогеологического исследования — проблема гидрогеологической схематизации. Объясняется это тем, что при схематизации огромную роль играют личный опыт и интуиция специалиста. Поэтому знания, полученные из данного курса, могут рассматриваться лишь как необходимые, но не достаточные для эффективного решения проблемы схематизации в конкретной гидрогеологической ситуации. Кроме того, схематизация во многом определяется именно конкретной постановкой задачи, всегда так или иначе связанной с практической ее направленностью. Поэтому развитие принципов схематизации на учебном уровне должно по возможности проводиться в рамках более узко специализированных курсов, таких как «Поиски и разведка подземных вод», «Мелиоративная гидрогеология», «Горнопромышленная гидрогеология» й др. Правда, исходные навыки в сфере гидрогеологической схематизации чистатель сможет выработать и по этой книге, особенно по двум заключительным главам, где даются довольно разнообразные примеры приложения принципов и методов «Динамики подземных вод» к решению гидрогеологических и некоторых инженерно-геологических проблем реальной инженерной сложности. Наконец, можно ожидать, что те или иные разделы книги принесут также пользу инженерам и научным сотрудникам, занятым в различных сферах гидрогеологической и инженерно-геологической деятельности.
В целом, содержание данной работы согласуется по принципиальным позициям с учебной программой по курсу «Динамика подземных вод». Вместе с тем, он, естественно, отражает специфику взглядов на предмет конкретного лектора, его профессиональную ориентацию. Учебник сформировался преимущественно как результат чтения лекций по динамике подземных вод д ля студентов-' гидрогеологов и инженеров-геологов С.-Петербургского горного института за период с 1969 по 1995 г.г. Автор пользуется возможностью, чтобы выразить признательность за неизменную поддержку и внимание сотрудникам кафедр гидрогеологии и инженерной геологии. Особо автор благодарит за сотрудничество Ю.А.Норватова, В.Г.Румынина, Е.А.Ломакина и Е.В.Мольского, принимавших участие в подготовке отдельных разделов двух заключительных глав, а также профессоров И.К.Гавйч, |Й.Ё.Жернова|и В.М.Шестакова за полезные замечания, во многом способствовавшие улучшению учебника.

Download 1.56 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 127