Некоторые общие сведения

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.