水文地质_地下水预测与防治

1、第第12章章 地下水的预测与防治地下水的预测与防治地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律 涌水量预测方法简介涌水量预测方法简介涌水量测量方法（自学）涌水量测量方法（自学）矿坑突水的条件及预防矿坑突水的条件及预防 属地下水动力学的研究范畴：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。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，以及兴利防害的理定量评价和合理开发利用，

2、以及兴利防害的理论基础。论基础。 12.1 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律 一、地下水的运动状态一、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。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。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。发生渗流的区域称为渗流场。 由于受到介质的阻滞，地下水的流动远较由于受到介质的阻滞，地下水的流动远较地表水为缓慢。地表水为缓慢。 由于地下水的类型、介质类型的不同，地由于地下水的类型、介质类型的不同，地下水的运动状态多种多样。下水

3、的运动状态多种多样。 渗流的分类：渗流的分类： ABC层流层流：亦称片流，指在流：亦称片流，指在流速较小时，液体质点作有条不紊的速较小时，液体质点作有条不紊的运动运动,彼此不相混掺的形态。彼此不相混掺的形态。 水质点运动连续不断，流束平行而水质点运动连续不断，流束平行而不混杂。不混杂。传递动量、热量和质量的方式不同：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；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。紊流主要通过质点间的混掺。紊流的传递速率远大于层流。紊流紊流：亦称湍流，是指随流速增：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

4、大，液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态。迹曲折混乱的形态。 水质点运动不连续，流束混杂而不平行。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，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，则多表现出紊洞中运动时，由于流速较快，则多表现出紊流状态。流状态。由于地下水主要是在岩石的孔隙和裂隙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，中运动，运动时受阻较大，流速一般较

5、慢，所以，一般情况下可以地下水的运动理解为所以，一般情况下可以地下水的运动理解为层流运动层流运动。法国水力工程师法国水力工程师亨利亨利达西达西(Henry Darcy)在装有均质砂在装有均质砂土滤料的圆柱形筒中土滤料的圆柱形筒中做了大量的渗流实验，做了大量的渗流实验，于于l856年发现：年发现： 渗透流速与水力渗透流速与水力坡度成正比坡度成正比，即线性，即线性渗流定律，这是渗流渗流定律，这是渗流基本定律，后人称之基本定律，后人称之为达西定律为达西定律。Darcy 实验装置实验装置Henri Darcys Law: Q=K I 或或 v=Q/ =KI Q渗透流量；渗透流量； 过水断面总面积；过水

6、断面总面积； I水力坡度；水力坡度； v渗透流速（渗透流速（m/s）；）； K渗透系数（渗透系数（m/s，为，为I=1时的时的v ）用途：用途：矿坑、地基工程中涌水量的计算。矿坑、地基工程中涌水量的计算。强调：强调：层流，线性层流，线性说明：说明：在单位水压梯度（在单位水压梯度（I=1I=1）下，单位时间内通过单）下，单位时间内通过单位截面积的流量，即为岩土的位截面积的流量，即为岩土的渗透系数。该值可渗透系数。该值可针对针对具体的岩石（土）具体的岩石（土），通过在室内使用达西仪，通过在室内使用达西仪或其他渗透仪经试验求得。或其他渗透仪经试验求得。 达西公式讨论：达西公式讨论： 达西定律反映了能

7、量转化与守恒。达西定律反映了能量转化与守恒。 V与与I的一次方成正比；的一次方成正比；当当K一定，一定，V增大时，水头差增大，表明单位增大时，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；与机械能的损失成正比关系；当当V一定时，一定时，K越小，水头差越大，即越小，水头差越大，即K与机与机械能的损失成反比关系。械能的损失成反比关系。 Q=K I1/2 或或 v=Q/ =KI1/2 Q渗透流量；渗透流量； 过水断面总面积；过水断面总面积； I水力坡度；水力坡度； v渗透流速（渗透流速（m/s）；）； K渗透系数（

8、渗透系数（m/s）；）；强调：强调：紊流、非线性紊流、非线性常见情况：常见情况：介于层流与紊流之间的介于层流与紊流之间的Q=K I1/m （m=12）1. 相关概念相关概念(1)井：井：处于含水层中有铅直轴线的圆管，其四周透水处于含水层中有铅直轴线的圆管，其四周透水 。(2)潜水井：潜水井：当井揭露潜水含水层，由含水层中吸取无压地下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。水的井称为潜水井或普通井。 (3)承压水井：承压水井：当井揭露承压水含水层时，称为承压水井。当井揭露承压水含水层时，称为承压水井。(4)完整井：完整井：揭露整个含水层，井一直打到含水层底板隔水层揭露

9、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。时的潜水井或承压水井，称为完整井。(5)非完整井：非完整井：没有打到含水层底板隔水层的潜水井或承压水没有打到含水层底板隔水层的潜水井或承压水井。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：初始水头减去抽水初始水头减去抽水t t时间后的水头，也简称降时间后的水头，也简称降深。用深。用S S表示。表示。(7)(7)降落漏斗：降落漏斗：抽水时，抽水时，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，离井，井中心降深最大，离井越远，降深越小，抽水井越远，降深越小，抽水

10、井周围总体上形成的漏斗状周围总体上形成的漏斗状水头下降区；亦即由抽水水头下降区；亦即由抽水（排水）而形成的漏斗状（排水）而形成的漏斗状的水头（水位）下降区。的水头（水位）下降区。(8)影响半径：影响半径：是从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向是从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离。距离。(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。，地下水向井的运动也进入稳定状态。

11、(6) (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。到明显的水位下降，这种情况称为似稳定状态，也称似稳定。hsHR（1 1）潜水完整井稳定流裘布依）潜水完整井稳定流裘布依公式公式(J.Dupuit) rR Q井的涌水量井的涌水量(或称排水量或称排水量)，m3/d K 潜水含水层的渗透系数，潜水含水层的渗透系数，m/d H 潜水含水层厚度，潜水含水层厚度，m

12、； S 井中稳定的水位降深，井中稳定的水位降深，m； R 稳定时漏斗半径稳定时漏斗半径(影响半径影响半径), m r 井的半径，井的半径，m。说明：均质含水层，且水平分布无限广阔；说明：均质含水层，且水平分布无限广阔； 无蒸发、无渗漏；无蒸发、无渗漏； 运动状态为层流状态。运动状态为层流状态。 R可用经验公式确定：可用经验公式确定：R=3000SK1/2Q=1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr)rRhMRsHM承压含水层的厚度，承压含水层的厚度，m;其它符号同前；其它符号同前；lgrlgRMS2.73KQr a）从）从r0r1 潜水完整井潜水完整井 Q= K(M2-h2)/(lnr1-

13、ln r0) b) r1 R 承压水完整井承压水完整井 Q= 2 KM(H-M)/ (lnR-ln r1) c) 组合后得出组合后得出Rr1r0潜水-承压水完整井4. Dupuit公式的应用（用途）公式的应用（用途）(1)确定水文地质参数确定水文地质参数根据根据Dupuit公式，在已知含水层厚度和参数的情况公式，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；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。也可按需要的流量，预报开采后的可能降深值。(2)预报流量或降深预报流量或降深确定岩土的渗透系数确定岩土的渗透系数K、导水

14、系数、导水系数T、影响半径、影响半径R等。等。但应注意，利用以上公式预报时，含水层必须有补但应注意，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。结果是错误的。用途一：确定水文地质参数用途一：确定水文地质参数 （潜水）（潜水）（承压水）（承压水）rRSSHQKlg)2(732. 0rRMSQKlg366.0利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的Q及抽水井及抽水井

15、或观测孔的水位降深或观测孔的水位降深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 （潜水）（潜水）（承压水）（承压水）rRhsHR例例1 1 有一潜水完整井，其半径有一潜水完整井，其半径为为0.1m，含水层厚度为，含水层厚度为8m，土，土壤的渗透系数为壤的渗透系数为0.001m/s，抽，抽水时井中水深为水时井中水深为3m，试计算井，试计算井的出流量。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：某工程基坑开挖的平面尺寸为长某工程基坑开挖的平面尺寸为长44m44m，宽，宽22m22m，坑底标高为，坑底标高为-6.0m-6.0m，自然地面标高为自然地面标高为0.000.00，地势平坦，地下水位为，地势平坦，地下水位为-2m-2m。根据地质钻探资。根据地质钻探资料查明，地面下料查明，地面下-2.5m-2.5m为不透水黏土层，为不透水黏土层，-2.5-2.5-9.0m-9.0m为细砂层。为细砂层。-9.0m-9.0m以以下为砂岩不透水层，所以含水层厚度为下为砂岩不透水层，所以含水层厚度为6.5m6.5m，细砂层渗透系数，细砂层渗透系数K=

17、6m/dK=6m/d，试求涌水量试求涌水量 。 解：据题意，细砂含水层为承压水层，厚度解：据题意，细砂含水层为承压水层，厚度M=6.5m M=6.5m 降深降深s=6-2=4ms=6-2=4m 抽水影响半径：抽水影响半径： 基坑假想半径：基坑假想半径：mMKSR71.4865 . 6495. 195. 1mFr56.1714. 32244dmrRKMSQ/15.96156.17lg71.48lg45 . 6673. 2lglg73. 23根据承压完整井涌水量计算公式：根据承压完整井涌水量计算公式： 背景：涌水量预测是矿坑作业、地基工程施工过程一项十背景：涌水量预测是矿坑作业、地基工程施工过程一

18、项十分重要的工作，也是矿山生产中的经常性工作。分重要的工作，也是矿山生产中的经常性工作。目标：预测涌水量目标：预测涌水量实际涌水量实际涌水量问题：预测量问题：预测量 实际涌水量实际涌水量 预测量预测量 实际涌水量实际涌水量预测方法：预测方法： 一、大井法（坑道系统的水动力学法）一、大井法（坑道系统的水动力学法） 二、水均衡法二、水均衡法 三、水文地质比拟法三、水文地质比拟法大井法大井法 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：道系统的涌水

19、量。注意： 1) 1) 坑道系统的长度与宽度的比值应小于坑道系统的长度与宽度的比值应小于1010。 2) 2) 坑道系统的引用影响半径坑道系统的引用影响半径R R0 0 R R0 0=R+r=R+r0 01. 某缓倾斜层状矿床，坑道系统周长某缓倾斜层状矿床，坑道系统周长630m，不规则多边形长宽比，不规则多边形长宽比=2.5，影响半径，影响半径R=900m，渗透系数，渗透系数K=0.2m/d，潜水含水层厚度，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。，坑道系统布置在含水层底板，试预测其涌水量。解：据题意解：据题意 R=900m K=0.2m/d S=H=100m r0=

20、 P/2 =630/ 2 =100m R0=R+r0 =1000m应用潜水完整井公式：应用潜水完整井公式： Q=1.366K(2H-S)S/lg(R0 0/r0 0) =2732m3/d 2. 2. 教材教材P221P221水均衡法：详细分析矿区地下水来源，分别计算不同补给水均衡法：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。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。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）露天采矿场面积上静储量的消耗量静储量的消耗量2）采矿场

21、周围降落漏）采矿场周围降落漏斗范围内的静储量的消斗范围内的静储量的消耗量耗量hh含水层平均厚度含水层平均厚度；RR疏干时的影响疏干时的影响半径半径给水度或裂隙给水度或裂隙度度L疏干地段的周疏干地段的周长长总静储量总静储量动储量：动储量：3）直接降落在露天采）直接降落在露天采场内的大气降水场内的大气降水q34）采矿场外围降水渗）采矿场外围降水渗入的水量入的水量q4AA年平均降雨量；年平均降雨量；F F1 1露天采矿场面积露天采矿场面积；tt一年时间；一年时间；FF露天采场外矿区集露天采场外矿区集水面积（降落漏斗范围）水面积（降落漏斗范围）地下迳流系数。地下迳流系数。F1F基本思想：基本思想：类比

22、法。即在同一地区，地质、水类比法。即在同一地区，地质、水文地质条件相同或相似的矿坑其涌文地质条件相同或相似的矿坑其涌水量应是接近的。水量应是接近的。用途：用途：根据已有开采地段的实际涌水量预测新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。工程的配置提供依据。方法一：根据单位涌水量换算矿坑涌水量方法一：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积的扩大成正比增加。因此，收集现有生产矿坑排水资料、矿

23、坑面积或体积、水位降低值，即可换算出新的矿料、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：坑的涌水量。假定： 0000SFQq Q0已有矿坑总涌水量，已有矿坑总涌水量，m3/d;F0已有矿坑的开采面积，已有矿坑的开采面积，m2;S0已有矿坑的水位减低值，已有矿坑的水位减低值，m则已有矿坑单位面积、单位降深的涌水量则已有矿坑单位面积、单位降深的涌水量q0为：为：这样，新开采（设计）矿坑的总涌水量即可这样，新开采（设计）矿坑的总涌水量即可表示为：表示为：newnewnewSFqQ0Fnew新开采矿坑的开采面积，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，新

24、开采矿坑的设计平均水位减低值，m。方法二：富水系数法方法二：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，称为富水系同一时期开采出的矿石重量之比，称为富水系数（数（KB），即），即 00PQKBQ0矿坑排水量，矿坑排水量，m3/a;P0矿坑的矿石开采量，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：或相似的新开采地段，矿坑的总涌水量为：newBnewPKQPnew新开采矿坑的设计矿石开采量，新开采矿坑的设计矿石开采量，t/

25、a.一、水沟流速浮标法一、水沟流速浮标法 Q=0.8F V m3/sec; V=L/t m/sec Q-流量、流量、F-过水断面、过水断面、V-水沟流速、水沟流速、 L-浮标流经距离、浮标流经距离、t-浮标流经浮标流经L距离的时间距离的时间二、堰测法二、堰测法 三角堰三角堰 梯形堰梯形堰 h-水流流过堰口高度水流流过堰口高度; B-梯形堰堰口底部宽度梯形堰堰口底部宽度三、储水池容积法三、储水池容积法四、水仓水泵观测法四、水仓水泵观测法 一、井下突水条件一、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；有导水构造断裂

26、与矿体联通；有积水老窑存在并与构造勾通；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，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。并与构造联通。 二、矿坑透水、突水征兆二、矿坑透水、突水征兆顶板突然渗出水珠；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；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；工作面顶板淋水增大或底板突然涌水；工作面岩层出现

27、有暗红色透水或带臭味的水；工作面岩层出现有暗红色透水或带臭味的水；岩缝明显有岩缝明显有“吱吱吱吱”的水叫声，如出现这种情况的水叫声，如出现这种情况，工作地点的人员必须立即全部撤出；，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。米以上时。 掘进施工中，当接近有水害威胁地区时，必须按掘进施工中，当接近有水害威胁地区时，必须按“有疑必探，先探后掘有疑必探，先探后掘”的原则进行。遇到下面任何一种的原则进行。遇到下面任何一种情况都必须情况都必须停止掘进停止掘进，先探水：，先探水：掘进工作面接近溶硐、含水断层、含水层（流沙层、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；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；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离小于掘进巷道高度10倍时；倍时；在探水地区内掘进，掘进长度达到设计掘进长度时；在探水地区内掘进，掘进长度达到设计掘进长度时；三、预防原则三、预防原则采掘