ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ФИЛЬТРАЦИИ
Под фильтрацией понимается движение жидкости или газа в пористой среде (в грунте). Установление зависимостей между расходом, давлениями, физическими свойствами текущей в пористой среде жидкости является основной задачей теории фильтрации. По характеру решаемых задач фильтрация тесно связана с гидравликой и гидромеханикой, базируется на их основных положениях и включает гидравлическую и гидромеханическую теорию фильтрации.
Развитие теории фильтрации тесно связано с ее ролью и значением в различных областях техники, в практике народнохозяйственного строительства. В первую очередь фильтрационные расчеты широко применяются в водоснабжении. Определение притока воды к скважинам, колодцам и водосборным галереям, расчеты, связанные с вопросами охраны окружающей среды и предотвращения загрязнения водо-насыщенных грунтов, проектирование плотин-перемычек для создания запасов воды производится с помощью теории фильтрации. В теплоснабжении при создании систем использования глубинной геотермальной тепловой энергии Земли, грунтовых аккумуляторов теплоты также применяются методы расчета, разработанные в теории фильтрации.
|
|
При возведении различного рода строительных комплексов возникают задачи осушения территорий, котлованов и траншей, а также защиты объектов от грунтовых вод различного рода перемычками и насыпями. Важными являются задачи определения притоков грунтовых вод к разнообразным подземным сооружениям, а также к шахтам и выработкам в горном деле. Решение отмеченных задач практически невозможно без знания теории фильтрации. Грунтовые воды под гидротехническими напорными сооружениями создают значительное противодавление, приводят в определенных условиях к вымыванию грунта оснований. Проектирование гидросооружений производится с учетом данных теории фильтрации. Добыча нефти и газа, разработка современных технологий интенсификации притока добываемых сред к скважинам
в значительной степени определяются уровнем развития и применения фундаментальных законов фильтрации (подземной гидравлики).
В связи с прикладным характером настоящего курса объектом изучения в нем является движение грунтовых вод в соответствии с перечисленным кругом задач.
Краткая история развития и роль отечественных ученых в создании теории фильтрации
Движение подземных вод начало изучаться в XVIII в. Так, великий ученый M.В. Ломоносов еще в 1750 г. в своей классической работе «О слоях земли» отмечал связь подземных вод с вмещающими их горными породами, а также состояние непрерывности кругооборота воды. За рубежом первые работы по динамике подземных вод в гидравлической постановке выполнены французскими учеными А. Дарси и Ж. Дюпюи. В 1856 г. А. Дарси впервые установил основной закон фильтрации, который получил затем название линейного закона Дарси. Этот закон Ж. Дюпюи применил к определению расходов потоков подземных вод и водопритока их к скважинам.
|
|
Теоретические основы учения о движении подземных вод в гидромеханической постановке задач заложены главным образом трудами отечественных ученых: H.E. Жуковским, A.H. Краснопольским, H.H. Павловским, Л.С. Лейбензоном, Г.H. Каменским, П.Я. Полубариновой-Кочиной и другими исследователями. В своей обобщающей работе «Теоретические исследования движения подпочвенных вод» (1899) H.E. Жуковский впервые ввел понятия «напорная функция» и «сила сопротивления» при фильтрации грунтовых вод. Основываясь на указанных понятиях, уравнениях Эйлера и законе Дарси, он вывел дифференциальные уравнения движения подземных вод. Дальнейшее развитие методов решения фильтрационных задач изложено в его работе «Просачивание воды через плотины» (1920). Указанные работы H.E. Жуковского, а также ряд других, с иным целевым назначением, но разрабатывающие решение гидромеханических задач в общей постановке, такие, как «Видоизменение метода Кирхгофа» (1890) и др., создали научную основу для дальнейшего развития гидромеханической теории фильтрации.
Советский период развития теории фильтрации связан с фундаментальными исследованиями академика H. H. Павловского. Им, по существу, созданы основы современных методов решения задач фильтрации под гидротехническими сооружениями в строгой гидромеханической постановке, определен критерий существования линейного закона фильтрации, разработаны теория неравномерного движения подземных вод и методы аналогового моделирования с помощью электрогидродинамической аналогии (ЭГДА). Значительные теоретические и экспериментальные работы были выполнены академиком Л. С. Лейбензоном, явившимся, по существу, создателем направления в теории фильтрации, определенного потребностями нефтедобывающей промышленности. Дальнейшее развитие теории фильтрации связано с основными идеями H.E. Жуковского, H.H. Павловского и Л. С. Лейбензона, нашедшими отражение в работах В.И. Аравина, В.Б. Ведерникова, И.H. Веригина, Л.А. Галина, H.К. Гиринского, H.И. Дружинина, E.А.Замарина, H.К. Калинина, Г. H. Каменского, С.H. Нумерова, A.H. Патрашева, П.Я. Полубариновой-Кочиной, П.Ф. Фильчакова, С. А. Христиановича, И.А. Чарного, P. P. Чугаева, В.H. Щелкачева, В.M. Шестакова и др.
К особенностям современного периода развития теории фильтрации относятся: комплексное применение теоретических и экспериментальных методов исследования движения фильтрационных вод с более широким привлечением математики и математической физики, методов моделирования и электронной вычислительной техники; широкое привлечение и использование в теории фильтрации достижений других смежных наук; изучение более сложных задач неустановившейся, а также нелинейной фильтрации (плановой и объемной), деформации сред, температурных процессов в подземных пластах и др. В СССР проблемы теории фильтрации разрабатываются в большом числе научно-исследовательских, проектных и учебных организаций, исследования выполняются для нужд народного хозяйства и укрепления обороноспособности страны.