水文地質_地下水預測與防治

1、第第12章章 地下水的預測與防治地下水的預測與防治地下水運動的基本規(guī)律地下水運動的基本規(guī)律 涌水量預測方法簡介涌水量預測方法簡介涌水量測量方法（自學）涌水量測量方法（自學）礦坑突水的條件及預防礦坑突水的條件及預防 屬地下水動力學的研究范疇：屬地下水動力學的研究范疇： 研究地下水在孔隙巖石、裂隙巖石和巖溶研究地下水在孔隙巖石、裂隙巖石和巖溶巖石中運動規(guī)律的科學。巖石中運動規(guī)律的科學。它是模擬地下水流基本狀態(tài)和地下水中溶它是模擬地下水流基本狀態(tài)和地下水中溶質運移過程，對地下水從數(shù)量上和質量上進行質運移過程，對地下水從數(shù)量上和質量上進行定量評價和合理開發(fā)利用，以及興利防害的理定量評價和合理開發(fā)利用，

2、以及興利防害的理論基礎。論基礎。 12.1 地下水運動的基本規(guī)律地下水運動的基本規(guī)律 一、地下水的運動狀態(tài)一、地下水的運動狀態(tài)一般把由固體骨架和空隙兩部分組成的介一般把由固體骨架和空隙兩部分組成的介質，叫多孔介質。如砂層、裂隙巖體等。質，叫多孔介質。如砂層、裂隙巖體等。 地下水在多孔介質中的運動，稱為滲流。地下水在多孔介質中的運動，稱為滲流。發(fā)生滲流的區(qū)域稱為滲流場。發(fā)生滲流的區(qū)域稱為滲流場。 由于受到介質的阻滯，地下水的流動遠較由于受到介質的阻滯，地下水的流動遠較地表水為緩慢。地表水為緩慢。 由于地下水的類型、介質類型的不同，地由于地下水的類型、介質類型的不同，地下水的運動狀態(tài)多種多樣。下水

3、的運動狀態(tài)多種多樣。 滲流的分類：滲流的分類： ABC層流層流：亦稱片流，指在流：亦稱片流，指在流速較小時，液體質點作有條不紊的速較小時，液體質點作有條不紊的運動運動,彼此不相混摻的形態(tài)。彼此不相混摻的形態(tài)。 水質點運動連續(xù)不斷，流束平行而水質點運動連續(xù)不斷，流束平行而不混雜。不混雜。傳遞動量、熱量和質量的方式不同：傳遞動量、熱量和質量的方式不同： 層流通過分子間相互作用；層流通過分子間相互作用； 紊流主要通過質點間的混摻。紊流的傳遞速率遠大于層流。紊流主要通過質點間的混摻。紊流的傳遞速率遠大于層流。紊流紊流：亦稱湍流，是指隨流速增：亦稱湍流，是指隨流速增大，液體質點作不規(guī)則運動、互相混摻、軌

4、大，液體質點作不規(guī)則運動、互相混摻、軌跡曲折混亂的形態(tài)。跡曲折混亂的形態(tài)。 水質點運動不連續(xù)，流束混雜而不平行。水質點運動不連續(xù)，流束混雜而不平行。實驗和觀察表明，當?shù)叵滤诳紫逗图殞嶒灪陀^察表明，當?shù)叵滤诳紫逗图毿〉牧严稁r層中運動時，如水流速度緩慢，小的裂隙巖層中運動時，如水流速度緩慢，多為層流狀態(tài)；當?shù)叵滤诖罅严逗蛶r溶溶多為層流狀態(tài)；當?shù)叵滤诖罅严逗蛶r溶溶洞中運動時，由于流速較快，則多表現(xiàn)出紊洞中運動時，由于流速較快，則多表現(xiàn)出紊流狀態(tài)。流狀態(tài)。由于地下水主要是在巖石的孔隙和裂隙由于地下水主要是在巖石的孔隙和裂隙中運動，運動時受阻較大，流速一般較慢，中運動，運動時受阻較大，流速一般較

5、慢，所以，一般情況下可以地下水的運動理解為所以，一般情況下可以地下水的運動理解為層流運動層流運動。法國水力工程師法國水力工程師亨利亨利達西達西(Henry Darcy)在裝有均質砂在裝有均質砂土濾料的圓柱形筒中土濾料的圓柱形筒中做了大量的滲流實驗，做了大量的滲流實驗，于于l856年發(fā)現(xiàn)：年發(fā)現(xiàn)： 滲透流速與水力滲透流速與水力坡度成正比坡度成正比，即線性，即線性滲流定律，這是滲流滲流定律，這是滲流基本定律，后人稱之基本定律，后人稱之為達西定律為達西定律。Darcy 實驗裝置實驗裝置Henri Darcys Law: Q=K I 或或 v=Q/ =KI Q滲透流量；滲透流量； 過水斷面總面積；過水

6、斷面總面積； I水力坡度；水力坡度； v滲透流速（滲透流速（m/s）；）； K滲透系數(shù)（滲透系數(shù)（m/s，為，為I=1時的時的v ）用途：用途：礦坑、地基工程中涌水量的計算。礦坑、地基工程中涌水量的計算。強調：強調：層流，線性層流，線性說明：說明：在單位水壓梯度（在單位水壓梯度（I=1I=1）下，單位時間內通過單）下，單位時間內通過單位截面積的流量，即為巖土的位截面積的流量，即為巖土的滲透系數(shù)。該值可滲透系數(shù)。該值可針對針對具體的巖石（土）具體的巖石（土），通過在室內使用達西儀，通過在室內使用達西儀或其他滲透儀經試驗求得。或其他滲透儀經試驗求得。 達西公式討論：達西公式討論： 達西定律反映了能

7、量轉化與守恒。達西定律反映了能量轉化與守恒。 V與與I的一次方成正比；的一次方成正比；當當K一定，一定，V增大時，水頭差增大，表明單位增大時，水頭差增大，表明單位滲透途徑上被轉化成熱能的機械能損失越多，即滲透途徑上被轉化成熱能的機械能損失越多，即V與機械能的損失成正比關系；與機械能的損失成正比關系；當當V一定時，一定時，K越小，水頭差越大，即越小，水頭差越大，即K與機與機械能的損失成反比關系。械能的損失成反比關系。 Q=K I1/2 或或 v=Q/ =KI1/2 Q滲透流量；滲透流量； 過水斷面總面積；過水斷面總面積； I水力坡度；水力坡度； v滲透流速（滲透流速（m/s）；）； K滲透系數(shù)（

8、滲透系數(shù)（m/s）；）；強調：強調：紊流、非線性紊流、非線性常見情況：常見情況：介于層流與紊流之間的介于層流與紊流之間的Q=K I1/m （m=12）1. 相關概念相關概念(1)井：井：處于含水層中有鉛直軸線的圓管，其四周透水處于含水層中有鉛直軸線的圓管，其四周透水 。(2)潛水井：潛水井：當井揭露潛水含水層，由含水層中吸取無壓地下當井揭露潛水含水層，由含水層中吸取無壓地下水的井稱為潛水井或普通井。水的井稱為潛水井或普通井。 (3)承壓水井：承壓水井：當井揭露承壓水含水層時，稱為承壓水井。當井揭露承壓水含水層時，稱為承壓水井。(4)完整井：完整井：揭露整個含水層，井一直打到含水層底板隔水層揭露

9、整個含水層，井一直打到含水層底板隔水層時的潛水井或承壓水井，稱為完整井。時的潛水井或承壓水井，稱為完整井。(5)非完整井：非完整井：沒有打到含水層底板隔水層的潛水井或承壓水沒有打到含水層底板隔水層的潛水井或承壓水井。井。完整井完整井非完整井非完整井rzhsHH(6)(6)水位降深：水位降深：初始水頭減去抽水初始水頭減去抽水t t時間后的水頭，也簡稱降時間后的水頭，也簡稱降深。用深。用S S表示。表示。(7)(7)降落漏斗：降落漏斗：抽水時，抽水時，水位降深水位降深S在不同的位置上是不同的在不同的位置上是不同的，井中心降深最大，離井，井中心降深最大，離井越遠，降深越小，抽水井越遠，降深越小，抽水

10、井周圍總體上形成的漏斗狀周圍總體上形成的漏斗狀水頭下降區(qū)；亦即由抽水水頭下降區(qū)；亦即由抽水（排水）而形成的漏斗狀（排水）而形成的漏斗狀的水頭（水位）下降區(qū)。的水頭（水位）下降區(qū)。(8)影響半徑：影響半徑：是從抽水井到實際觀測不到水位降深處的徑向是從抽水井到實際觀測不到水位降深處的徑向距離。距離。(5) 在有垂向補給的無限含水層中，隨著降落漏斗的擴大，垂向補給量在有垂向補給的無限含水層中，隨著降落漏斗的擴大，垂向補給量不斷增大。當它增大到與抽水量相等時，將形成穩(wěn)定的降落漏斗不斷增大。當它增大到與抽水量相等時，將形成穩(wěn)定的降落漏斗，地下水向井的運動也進入穩(wěn)定狀態(tài)。，地下水向井的運動也進入穩(wěn)定狀態(tài)。

11、(6) (6) 在沒有補給的無限含水層中，隨著抽水時間的延長，水位降深的在沒有補給的無限含水層中，隨著抽水時間的延長，水位降深的速率會越來越小，降落漏斗的擴展越來越慢，在短時間內觀測不速率會越來越小，降落漏斗的擴展越來越慢，在短時間內觀測不到明顯的水位下降，這種情況稱為似穩(wěn)定狀態(tài)，也稱似穩(wěn)定。到明顯的水位下降，這種情況稱為似穩(wěn)定狀態(tài)，也稱似穩(wěn)定。hsHR（1 1）潛水完整井穩(wěn)定流裘布依）潛水完整井穩(wěn)定流裘布依公式公式(J.Dupuit) rR Q井的涌水量井的涌水量(或稱排水量或稱排水量)，m3/d K 潛水含水層的滲透系數(shù)，潛水含水層的滲透系數(shù)，m/d H 潛水含水層厚度，潛水含水層厚度，m

12、； S 井中穩(wěn)定的水位降深，井中穩(wěn)定的水位降深，m； R 穩(wěn)定時漏斗半徑穩(wěn)定時漏斗半徑(影響半徑影響半徑), m r 井的半徑，井的半徑，m。說明：均質含水層，且水平分布無限廣闊；說明：均質含水層，且水平分布無限廣闊； 無蒸發(fā)、無滲漏；無蒸發(fā)、無滲漏； 運動狀態(tài)為層流狀態(tài)。運動狀態(tài)為層流狀態(tài)。 R可用經驗公式確定：可用經驗公式確定：R=3000SK1/2Q=1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr)rRhMRsHM承壓含水層的厚度，承壓含水層的厚度，m;其它符號同前；其它符號同前；lgrlgRMS2.73KQr a）從）從r0r1 潛水完整井潛水完整井 Q= K(M2-h2)/(lnr1-

13、ln r0) b) r1 R 承壓水完整井承壓水完整井 Q= 2 KM(H-M)/ (lnR-ln r1) c) 組合后得出組合后得出Rr1r0潛水-承壓水完整井4. Dupuit公式的應用（用途）公式的應用（用途）(1)確定水文地質參數(shù)確定水文地質參數(shù)根據根據Dupuit公式，在已知含水層厚度和參數(shù)的情況公式，在已知含水層厚度和參數(shù)的情況下，只要給出設計的合理降深，既可預報井的開采量；下，只要給出設計的合理降深，既可預報井的開采量；也可按需要的流量，預報開采后的可能降深值。也可按需要的流量，預報開采后的可能降深值。(2)預報流量或降深預報流量或降深確定巖土的滲透系數(shù)確定巖土的滲透系數(shù)K、導水

14、系數(shù)、導水系數(shù)T、影響半徑、影響半徑R等。等。但應注意，利用以上公式預報時，含水層必須有補但應注意，利用以上公式預報時，含水層必須有補給源，且能和抽水量平衡，達到穩(wěn)定流條件；否則，不給源，且能和抽水量平衡，達到穩(wěn)定流條件；否則，不可能出現(xiàn)穩(wěn)定流，利用穩(wěn)定流公式進行預報，所得到的可能出現(xiàn)穩(wěn)定流，利用穩(wěn)定流公式進行預報，所得到的結果是錯誤的。結果是錯誤的。用途一：確定水文地質參數(shù)用途一：確定水文地質參數(shù) （潛水）（潛水）（承壓水）（承壓水）rRSSHQKlg)2(732. 0rRMSQKlg366.0利用以上求參公式，將抽水試驗趨近穩(wěn)定時的利用以上求參公式，將抽水試驗趨近穩(wěn)定時的Q及抽水井及抽水井

15、或觀測孔的水位降深或觀測孔的水位降深S代入各式，可以直接求出代入各式，可以直接求出K或或T。)(HMKT或MKS95. 1R KS3000R （潛水）（潛水）（承壓水）（承壓水）rRhsHR例例1 1 有一潛水完整井，其半徑有一潛水完整井，其半徑為為0.1m，含水層厚度為，含水層厚度為8m，土，土壤的滲透系數(shù)為壤的滲透系數(shù)為0.001m/s，抽，抽水時井中水深為水時井中水深為3m，試計算井，試計算井的出流量。的出流量。解：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)

16、S/(lgR-lgr) =0.02m3/s例例2 2：某工程基坑開挖的平面尺寸為長某工程基坑開挖的平面尺寸為長44m44m，寬，寬22m22m，坑底標高為，坑底標高為-6.0m-6.0m，自然地面標高為自然地面標高為0.000.00，地勢平坦，地下水位為，地勢平坦，地下水位為-2m-2m。根據地質鉆探資。根據地質鉆探資料查明，地面下料查明，地面下-2.5m-2.5m為不透水黏土層，為不透水黏土層，-2.5-2.5-9.0m-9.0m為細砂層。為細砂層。-9.0m-9.0m以以下為砂巖不透水層，所以含水層厚度為下為砂巖不透水層，所以含水層厚度為6.5m6.5m，細砂層滲透系數(shù)，細砂層滲透系數(shù)K=

17、6m/dK=6m/d，試求涌水量試求涌水量 。 解：據題意，細砂含水層為承壓水層，厚度解：據題意，細砂含水層為承壓水層，厚度M=6.5m M=6.5m 降深降深s=6-2=4ms=6-2=4m 抽水影響半徑：抽水影響半徑： 基坑假想半徑：基坑假想半徑：mMKSR71.4865 . 6495. 195. 1mFr56.1714. 32244dmrRKMSQ/15.96156.17lg71.48lg45 . 6673. 2lglg73. 23根據承壓完整井涌水量計算公式：根據承壓完整井涌水量計算公式： 背景：涌水量預測是礦坑作業(yè)、地基工程施工過程一項十背景：涌水量預測是礦坑作業(yè)、地基工程施工過程一

18、項十分重要的工作，也是礦山生產中的經常性工作。分重要的工作，也是礦山生產中的經常性工作。目標：預測涌水量目標：預測涌水量實際涌水量實際涌水量問題：預測量問題：預測量 實際涌水量實際涌水量 預測量預測量 實際涌水量實際涌水量預測方法：預測方法： 一、大井法（坑道系統(tǒng)的水動力學法）一、大井法（坑道系統(tǒng)的水動力學法） 二、水均衡法二、水均衡法 三、水文地質比擬法三、水文地質比擬法大井法大井法 涌水量預測中，把坑道系統(tǒng)所占面積簡化為一個圓涌水量預測中，把坑道系統(tǒng)所占面積簡化為一個圓形的大井，然后應用地下水向井運動的公式預測坑形的大井，然后應用地下水向井運動的公式預測坑道系統(tǒng)的涌水量。注意：道系統(tǒng)的涌水

19、量。注意： 1) 1) 坑道系統(tǒng)的長度與寬度的比值應小于坑道系統(tǒng)的長度與寬度的比值應小于1010。 2) 2) 坑道系統(tǒng)的引用影響半徑坑道系統(tǒng)的引用影響半徑R R0 0 R R0 0=R+r=R+r0 01. 某緩傾斜層狀礦床，坑道系統(tǒng)周長某緩傾斜層狀礦床，坑道系統(tǒng)周長630m，不規(guī)則多邊形長寬比，不規(guī)則多邊形長寬比=2.5，影響半徑，影響半徑R=900m，滲透系數(shù)，滲透系數(shù)K=0.2m/d，潛水含水層厚度，潛水含水層厚度100m，坑道系統(tǒng)布置在含水層底板，試預測其涌水量。，坑道系統(tǒng)布置在含水層底板，試預測其涌水量。解：據題意解：據題意 R=900m K=0.2m/d S=H=100m r0=

20、 P/2 =630/ 2 =100m R0=R+r0 =1000m應用潛水完整井公式：應用潛水完整井公式： Q=1.366K(2H-S)S/lg(R0 0/r0 0) =2732m3/d 2. 2. 教材教材P221P221水均衡法：詳細分析礦區(qū)地下水來源，分別計算不同補給水均衡法：詳細分析礦區(qū)地下水來源，分別計算不同補給來源的礦坑涌水量，總涌水量等于各部分涌水量的總和。來源的礦坑涌水量，總涌水量等于各部分涌水量的總和。計算較復雜，用于計算露天采礦場和不深的地下坑道時。計算較復雜，用于計算露天采礦場和不深的地下坑道時。1）露天采礦場面積上）露天采礦場面積上靜儲量的消耗量靜儲量的消耗量2）采礦場

21、周圍降落漏）采礦場周圍降落漏斗范圍內的靜儲量的消斗范圍內的靜儲量的消耗量耗量hh含水層平均厚度含水層平均厚度；RR疏干時的影響疏干時的影響半徑半徑給水度或裂隙給水度或裂隙度度L疏干地段的周疏干地段的周長長總靜儲量總靜儲量動儲量：動儲量：3）直接降落在露天采）直接降落在露天采場內的大氣降水場內的大氣降水q34）采礦場外圍降水滲）采礦場外圍降水滲入的水量入的水量q4AA年平均降雨量；年平均降雨量；F F1 1露天采礦場面積露天采礦場面積；tt一年時間；一年時間；FF露天采場外礦區(qū)集露天采場外礦區(qū)集水面積（降落漏斗范圍）水面積（降落漏斗范圍）地下逕流系數(shù)。地下逕流系數(shù)。F1F基本思想：基本思想：類比

22、法。即在同一地區(qū)，地質、水類比法。即在同一地區(qū)，地質、水文地質條件相同或相似的礦坑其涌文地質條件相同或相似的礦坑其涌水量應是接近的。水量應是接近的。用途：用途：根據已有開采地段的實際涌水量預測新根據已有開采地段的實際涌水量預測新開采地段可能的涌水量，從而為疏排水開采地段可能的涌水量，從而為疏排水工程的配置提供依據。工程的配置提供依據。方法一：根據單位涌水量換算礦坑涌水量方法一：根據單位涌水量換算礦坑涌水量 實踐或試驗研究證明，礦坑涌水量與礦坑面積或體實踐或試驗研究證明，礦坑涌水量與礦坑面積或體積的擴大成正比增加。因此，收集現(xiàn)有生產礦坑排水資積的擴大成正比增加。因此，收集現(xiàn)有生產礦坑排水資料、礦

23、坑面積或體積、水位降低值，即可換算出新的礦料、礦坑面積或體積、水位降低值，即可換算出新的礦坑的涌水量。假定：坑的涌水量。假定： 0000SFQq Q0已有礦坑總涌水量，已有礦坑總涌水量，m3/d;F0已有礦坑的開采面積，已有礦坑的開采面積，m2;S0已有礦坑的水位減低值，已有礦坑的水位減低值，m則已有礦坑單位面積、單位降深的涌水量則已有礦坑單位面積、單位降深的涌水量q0為：為：這樣，新開采（設計）礦坑的總涌水量即可這樣，新開采（設計）礦坑的總涌水量即可表示為：表示為：newnewnewSFqQ0Fnew新開采礦坑的開采面積，新開采礦坑的開采面積，m2;Snew新開采礦坑的設計平均水位減低值，新

24、開采礦坑的設計平均水位減低值，m。方法二：富水系數(shù)法方法二：富水系數(shù)法 在一定時期內，從礦坑中排出的水量，與在一定時期內，從礦坑中排出的水量，與同一時期開采出的礦石重量之比，稱為富水系同一時期開采出的礦石重量之比，稱為富水系數(shù)（數(shù)（KB），即），即 00PQKBQ0礦坑排水量，礦坑排水量，m3/a;P0礦坑的礦石開采量，礦坑的礦石開采量，t/a;在與上述礦坑地質、水文地質條件和開采條件相同在與上述礦坑地質、水文地質條件和開采條件相同或相似的新開采地段，礦坑的總涌水量為：或相似的新開采地段，礦坑的總涌水量為：newBnewPKQPnew新開采礦坑的設計礦石開采量，新開采礦坑的設計礦石開采量，t/

25、a.一、水溝流速浮標法一、水溝流速浮標法 Q=0.8F V m3/sec; V=L/t m/sec Q-流量、流量、F-過水斷面、過水斷面、V-水溝流速、水溝流速、 L-浮標流經距離、浮標流經距離、t-浮標流經浮標流經L距離的時間距離的時間二、堰測法二、堰測法 三角堰三角堰 梯形堰梯形堰 h-水流流過堰口高度水流流過堰口高度; B-梯形堰堰口底部寬度梯形堰堰口底部寬度三、儲水池容積法三、儲水池容積法四、水倉水泵觀測法四、水倉水泵觀測法 一、井下突水條件一、井下突水條件有巖溶存在，溶硐、礦體在同一部位與構造勾通；有巖溶存在，溶硐、礦體在同一部位與構造勾通；有導水構造斷裂與礦體聯(lián)通；有導水構造斷裂

26、與礦體聯(lián)通；有積水老窯存在并與構造勾通；有積水老窯存在并與構造勾通；有勘探鉆孔在含水層中集水并與構造勾通；有勘探鉆孔在含水層中集水并與構造勾通；有裂隙強烈發(fā)育地區(qū)；有裂隙強烈發(fā)育地區(qū)；有弱含水層（隔水層）與含水層接觸面形成積水，有弱含水層（隔水層）與含水層接觸面形成積水，并與構造聯(lián)通。并與構造聯(lián)通。 二、礦坑透水、突水征兆二、礦坑透水、突水征兆頂板突然滲出水珠；頂板突然滲出水珠；工作面溫度下降，空氣變冷，或者工作面水蒸氣工作面溫度下降，空氣變冷，或者工作面水蒸氣大面積釋放且時常產生霧氣；大面積釋放且時常產生霧氣；工作面頂板淋水增大或底板突然涌水；工作面頂板淋水增大或底板突然涌水；工作面巖層出現(xiàn)

27、有暗紅色透水或帶臭味的水；工作面巖層出現(xiàn)有暗紅色透水或帶臭味的水；巖縫明顯有巖縫明顯有“吱吱吱吱”的水叫聲，如出現(xiàn)這種情況的水叫聲，如出現(xiàn)這種情況，工作地點的人員必須立即全部撤出；，工作地點的人員必須立即全部撤出；掘進工作炮眼孔出現(xiàn)高壓射流水，射流長度在掘進工作炮眼孔出現(xiàn)高壓射流水，射流長度在1.5米以上時。米以上時。 掘進施工中，當接近有水害威脅地區(qū)時，必須按掘進施工中，當接近有水害威脅地區(qū)時，必須按“有疑必探，先探后掘有疑必探，先探后掘”的原則進行。遇到下面任何一種的原則進行。遇到下面任何一種情況都必須情況都必須停止掘進停止掘進，先探水：，先探水：掘進工作面接近溶硐、含水斷層、含水層（流沙層、掘進工作面接近溶硐、含水斷層、含水層（流沙層、沖積層各種承壓水的含水層）或接近大量積水區(qū)時；沖積層各種承壓水的含水層）或接近大量積水區(qū)時；掘進面接近被淹井巷或有積水的水窯、老采空區(qū)時；掘進面接近被淹井巷或有積水的水窯、老采空區(qū)時；上層有積水，在下層進行采掘工作，兩層間的垂直距上層有積水，在下層進行采掘工作，兩層間的垂直距離小于掘進巷道高度離小于掘進巷道高度10倍時；倍時；在探水地區(qū)內掘進，掘進長度達到設計掘進長度時；在探水地區(qū)內掘進，掘進長度達到設計掘進長度時；三、預防原則三、預防原則采掘