Определение гидрогеологических параметров: Учебно-методическое пособие

Citation preview

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МСХА имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА Карпенко Н.П., Ломакин И.М., Землянникова МВ., Дроздов В.С.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ Учебно-методическое пособие

Москва Издательство РГАУ-МСХА 2016 1

УДК 551.49 ББК К

Карпенко Н.П., Ломакин И.М., Землянникова М.В., Дроздов В.С.: Определение гидрогеологических параметров: Учебно-методическое пособие / Н.П. Карпенко Н.П., Ломакин И.М., Землянникова МВ., Дроздов В.С. М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2016. 85 с. В учебно-методическом пособии рассмотрены основы динамики подземных вод, гидрогеологические параметры и способы их определения. Даются вычисления геофильтрационных параметров в условиях стационарной и квазистационарной фильтрации, по данным восстановления уровня в скважинах, по данным опытных наливов в шурфы и по эмпирическим зависимостям. Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 20.03.02 «Природообустройство и водопользование», 05.03.06 «Экология и природопользование», 20.03.01 «Техносферная безопасность», 08.03.01 «Строительство». Рецензенты: кандидат технических наук, зав. лабораторией В.М.Яшин; кандидат технических наук, доцент И.В. Глазунова.

ISBN

© Карпенко Н.П., Ломакин И.М., Землянникова М.В., Дроздов В.С., 2016 © ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2016 © Издательство РГАУ-МСХА, 2016 2

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………… ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ…………………………………………… Раздел 1. ОСНОВЫ ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД………. 1.1. Основные законы фильтрации подземных вод в зоне насыщения………………………………………………… 1.2. Движение воды в зоне аэрации………………………….. Основные расчетные гидрогеологические параметры… 1.3. 1.4. Элементы фильтрационного потока……………………. Раздел 2. ПОЛЕВЫЕ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАБОТЫ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ…………………………………………. 2.1. Типы водозаборных скважин и откачки из скважин 2.2. Методика проведения откачек из водоносных горизонтов………………………………………………………….. Раздел 3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ………………………………………………….. 3.1. Определение гидрогеологических параметров по данным откачек из скважин при установившемся режиме фильтрации……………………………………………… 3.2. Определение гидрогеологических параметров по данным откачек из скважин при неустановившемся режиме фильтрации………………………………………………. 3.3. Определение гидрогеологических параметров по данным восстановления уровней воды в скважинах после откачки……………………………………………. 3.4. Определение гидрогеологических параметров по данным наливов и нагнетаний…………………………… 3.5. Определение направления и скорости движения подземных вод……………………………………………. 3.6. Определение коэффициента фильтрации песков по эмпирическим зависимостям…………………………… 3.7. Определение коэффициента фильтрации песков в лабораторных условиях………………………………….. ВОПРОСЫ К СЕМЕСТРОВОМУ КОНТРОЛЮ……………….. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………….

3

Стр. 4 5 10 10 13 14 20 26 26 35 39 41 45 51 55 67 72 74 80 83

Введение Учебно-методическое пособие подготовлено в соответствии с программой курса «Геология и основы гидрогеологии» и предназначено для подготовки бакалавров факультета «Природообустройство и водопользование», обучающихся по следующим профилям подготовки бакалавров: «Инженерные системы водоснабжения, обводнения и водоотведения» (ИСВОВ); «Информационные системы и технологии в природопользовании и водном хозяйстве» (ИТПВХ); «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» (КИОВР); «Мелиорация, рекультивация и охрана земель» (МРОЗ); «Природоохранное обустройство территорий» (ПОТ); «Экспертиза и управление земельными ресурсами» (ЭУЗР). Пособие так же может использоваться студентами очного обучения факультетов «Техносферная безопасность, экология и природопользование» и «Гидротехническое, агропромышленное и гражданское строительство». В учебно-методическом пособии рассматриваются основные вопросы фильтрации подземных вод в зоне насыщения и зоне аэрации, основные расчетные геофильтрационные, методы проведения полевых опытов и методика определения основных параметров. Выполнение заданий по определению геофильтрационных параметров способствует закреплению теоретического материала по изучению и анализу основных гидрогеологических параметров и позволяет приобрести навыки по работе с исходной гидрогеологической информацией, необходимые в практической деятельности будущего специалиста.

4

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Влажность горных пород в естественных условиях – это количество воды, содержащееся в их порах и трещинах в данный момент. Влажность пород измеряется в процентах, изменяется во времени и в пространстве и определяется отношением количества воды (массы или объема) к массе или объему содержащей ее породы. Влажность является важной характеристикой горных пород и определяет их прочность и поведение под действием инженерных сооружений.

Эта величина часто используется при водно-

балансовых расчетах и определяется в лабораторных и полевых условиях. Влагоемкость пород – это способность горных пород вмещать и удерживать в своих пустотах определенное количество воды при возможности ее свободного стекания. Этот параметр выражается в процентах, определяется лабораторным путем и используется при гидрогеологических расчетах для определения других параметров (пористость, водоотдача и т.д.). Различают следующие виды влагоемкости: полную – максимальное количество воды, которое удерживается породой при полном насыщении всех пустот водой; капиллярную – максимальное количество воды, которое удерживается в капиллярных порах; максимальную молекулярную (пленочную) – максимальное количество физически связанной воды, удерживаемой частицами породы; гигроскопическую, которая соответствует количеству прочно связанной воды. По степени влагоемкости горные породы подразделяются на следующие виды: очень влагоемкие (торф, ил, глина, суглинки), слабо влагоемкие (мел, мергель, лессовые породы, супеси, мелкозернистые пески) и невлагоемкие (скальные породы, галечники, гравий, крупнозернистые пески). Вода грунтовая – гравитационная вода первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Имеет свободную поверхность и обычно над ней отсутствует сплошная кровля из водонепроницаемых пород.

5

Водоотдача – это способность водонасыщенных горных пород отдавать гравитационную воду при возможности ее свободного стекания. Численно водоотдача характеризуется коэффициентом водоотдачи µ, представляющим собой отношение объема свободно отдаваемой воды к объему всей породы, и является безразмерной величиной. Водоотдача зависит от размеров и структуры пор и трещин. Наилучшей водоотдачей обладают породы с крупными порами и пустотами (гравий, галечник, крупнозернистые пески), у которых коэффициент водоотдачи близок по величине к коэффициенту пористости или полной влагоемкости (изменяется в пределах от 0,15 до 0,4). Более мелкозернистые песчаные и суглинистые породы обладают незначительной водоотдачей (0,15…0,005), которая определяется по разности между полной и максимальной молекулярной влагоемкостью. Водоотдача является важным гидрогеологическим параметром и широко используется при решении задач водоснабжения, осушения, прогнозов и т.д. Определяется лабораторными, полевыми методами, а также по данным наблюдений за режимом подземных вод. Близким к водоотдаче параметром является коэффициент недостатка насыщения, который характеризует способность горных пород принимать гравитационную воду при их насыщении. Водопроницаемость – это способность горных пород пропускать через себя воду. Проницаемость и скорость движения воды в водоносных горизонтах зависит от гранулометрического состава горных пород, размеров пустот и трещин, свойств фильтрующейся жидкости и т.д. Количественно водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации, который является основным гидрогеологическим параметром, широко применяемый в различных расчетах и прогнозах. Чем выше зернистость и крупнее обломки слагающих породу частиц, тем больше ее водопроницаемость. Гидроизобаты – линии, соединяющие на плане (карте) точки зеркала подземных вод, расположенные на одинаковой глубине от земной поверхности. Гидроизогипсы – линии, соединяющие на плане (карте) точки зеркала подземных вод с одинаковым высотным положением относительно условной 6

нулевой плоскости. Гидроизогипсы позволяют определить направление движения подземного потока, которое происходит в сторону наибольшего уклона зеркала подземных вод, т. е. по нормалям (перпендикулярам) к гидроизогибсам. Горизонт водоносный – толща горных пород, насыщенная водой, залегающий между двумя водоупорными толщами (слоями) пород (горизонт межпластовых вод) или только подстилаемая водоупорными породами (горизонт грунтовых вод). Гранулометрический состав – это процентное содержание в рыхлой породе частиц различного размера. Он является классификационным признаком, позволяющим установить название грунта. Для определения гранулометрического состава производят механический (гранулометрический) анализ. Обломочную горную породу расчленяют на группы частиц более или менее одинакового состава (фракции) и определяют процентное (по массе) содержание отдельных фракций. Коэффициент пористости е – это отношение объема пустот к объему скелета породы: е = Va /Vc где: е – коэффициент пористости; Va - объема пустот; Vc – объем скелета породы. Коэффициенты пористости и приведенной пористости – величины безразмерные и измеряются в долях единицы или в %. Коэффициент пористости всегда меньше единицы, а коэффициент приведенной пористости может ее превышать. В частности, у некоторых глинистых пород, обладающих высокой пористостью, коэффициент приведенной пористости может быть намного больше единицы. Соотношение между пористостью и коэффициентом пористости можно выразить формулами: n = e /(1 + e);

e = n(1 − n) 7

Величина пористости обычно составляет для песков 30…35%, глин – до 55%. Пористость грунтов обычно вычисляется по плотности частиц грунта, плотности грунта и влажности. Точность вычисления зависит от качества определения этих величин в лаборатории.

По величине пористости можно

судить о плотности пород, она может быть использована для вычисления коэффициента фильтрации песков по эмпирическим формулам. Показатели пористости являются важными характеристиками горных пород, так как от пористости зависят водопроницаемость, водоотдача, сжимаемость, плотность, влагоемкость и другие свойства.

Коэффициент фильтрации – величина, характеризующая водопропускную способность горных пород, являющаяся постоянной для определенных пород. Представляет собой скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице. Размерность его: м/сут, м/ч, м/с. Определяется коэффициент фильтрации лабораторными, полевыми и опытно-фильтрационными работами, при помощи геофизических исследований и по эмпирическим формулам с использованием данных о гранулометрическом составе, пористости и других свойствах горных пород.

Наиболее точными методами

определения этого параметра являются полевые опытно-фильтрационные работы.

Напор гидродинамический – производимый движением воды подземного потока, представляет собой сумму пьезометрического и скоростного напоров.

Область разгрузки – та часть земной поверхности, где происходит разгрузка подземных вод на дневную поверхность из водоносных пород (горизонтов, комплексов).

Пористость количественно характеризует объем пустот (пор, трещин, полостей и т.п.) в объеме горной породы. Она выражается двумя показателями: коэффициентом пористости n и коэффициентом приведенной пористости е. Коэффициент пористости n представляет собой отношение объема пустот пор к объему всего образца горной породы: 8

n = Vn /V где: n – пористость горных пород; Vn – объем пор образца горных пород; V – объем образца).

Скважность и пористость горных пород в значительной степени влияют на водопроницаемость, теплопроводность, прочность (сжимаемость) и другие их свойства. Скважность – это совокупность пустот всех размеров и форм. По размеру пустот скважность делится на капиллярную (пористость) и некапиллярную.

Трещиноватость – это совокупность трещин – линейных или изогнутых разрывов сплошности горных пород. Трещиноватость может быть первичной (тектонической) и вторичной (выветривание, усыхание и т.д.). Различают трещины открытые (большие разрывы) и закрытые, заполненные каким-либо материалом. Трещины являются путями движения как для подземных вод, так и для различных загрязнителей. При выходе на поверхность пород с большими трещинами происходит втекание атмосферных вод в толщу земной коры, называемое инфлюацией. При решении многих практических задач гидрогеоэкологии возникает необходимость в изучении и определении свойств горных пород по отношению к воде, основными из которых являются гранулометрический состав, пористость, влажность, влагоемкость, водоотдача, водопроницаемость.

Уровень подземных вод – положение свободной или пьезометрической поверхности подземных вод в данной точке по отношению к любой плоскости сравнения (например, уровень моря).

9

Раздел 1. 1.1.

ОСНОВЫ ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Основные законы фильтрации подземных вод в зоне насыщения

Воды находятся в постоянном движении под действием природных и измененных человеком факторов. Динамика подземных вод изучает закономерности их движения, разрабатывает методы гидрогеологических расчетов и управления режимом. Основное внимание при этом уделяется движению гравитационных вод. Фильтрация представляет собой сложный процесс движения гравитационных вод в пористых, трещиноватых и закарстованных породах в условиях их полного насыщения водой. В динамике подземных этот процесс рассматривается как движение сплошной массы воды и без выделения движения отдельных ее частиц, двигающихся в этой массе с различными скоростями. Такая масса движущейся подземной воды называется фильтрационным потоком. Движение гравитационных вод в потоке обусловлено потенциальной энергией воды (напором) и в некоторых случаях – энергией, вызывающей упругие деформации воды и водовмещающих горных пород. Поэтому фильтрация может происходить при жестком и упругом режимах. При жестком режиме в неглубоко расположенных фильтрационных потоках со свободной или напорной поверхностью незначительные изменения водопроницаемости горных пород и плотности воды не учитывают. При упругом режиме, который наблюдается в глубоко залегающих водоносных горизонтах, изменяются плотность воды и пористость водоносной породы. При проектировании гидротехнических мелиораций и гидротехнического строительства гидрогеологические расчеты

проводят для условий

жесткого режима фильтрации. В этих условиях наблюдаются два вида движения: ламинарное и турбулентное. В реальных условиях движение может быть смешанным. В подземных водах обычно отмечается ламинарное или 10

параллельно-струйное движение.

Турбулентное движение, при котором

струйки отклоняются от общего направления движения всей массы, иногда движение происходит с разрывом сплошности потока, наблюдается при движении воды в горных породах по крупным пустотам (трещинам, карстовым пустотам, кавернам), а также в прифильтровой зоне водозаборных скважин во время откачки воды. Французский гидравлик А. Дарси в 1856 году установил, что при ламинарном движении между скоростью фильтрации V и напорным градиентом I существует линейная зависимость: V = kI

(1.1)

где k – коэффициент фильтрации, численно характеризующий водопроницаемость водоносной породы. При I = 1 скорость равна: V = k, т.е. коэффициент фильтрации представляет собой скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице и, следовательно, имеет размерность метр в сутки или сантиметр в секунду. При турбулентном движении cкорость фильтрации пропорциональна квадратному корню из напорного градиента: V =k I

(1.2)

где k – коэффициент водопроницаемости трещиноватой, закарстованной или крупнообломочной породы, аналогичный коэффициенту фильтрации зернистых

пород.

Эта

закономерность

носит

название

закона

Шези-

Краснопольского. При движении подземных вод преобладает ламинарное движение, но иногда отмечается и несоответствие движения закону Дарси. Выделяются нижний и верхний пределы применимости закона. Верхний предел выделяют в очень хорошо водопроницаемых породах при достижении критической скорости фильтрации. Такие условия встречаются редко. По Г.Н. Каменскому, критическая скорость фильтрации составляет около 400 м/сут и имеет место движение по закону Шези-Краснопольского. Нижний предел применимости закона Дарси имеет место при малых 11

скоростях фильтрации (в глинистых породах) и очень малых напорных градиентах (в крупнообломочных горных породах). В глинистых породах движение воды отклоняется от линейного закона, вследствие молекулярного взаимодействия воды и частиц породы. Начинается движение при некотором начальном градиенте I o . Если градиент I незначительно превышает I o , то движение идет с отклонением от линейного (ламинарного) закона. При I > Iо начинается движение по линейному закону. Согласно В.М. Шестакову, скорость фильтрации при этом будет следующей: 4 V = k (I − I ) . 3 0

(1.3)

Величина начального градиента I o , по данным В.М. Шестакова, для глин составляет 0,4…1,2, для суглинков – около 0,04. В природных и измененных условиях фильтрации наблюдается нарушение линейного закона на отдельных небольших участках при преобладающем ламинарном движении. Существуют попытки выразить общее движение подземных вод двухчленной зависимостью (например, формула Прони):

I = aV + bV 2 ,

(1.4)

где а и b – величины, зависящие от свойств горной породы и жидкости. Если скорость фильтрации ниже критической, то вторым членом уравнения bV 2 можно пренебречь, и выражение (1.4) переходит в формулу Дарси. При больших скоростях фильтрации второй член значительно превышает первый aV и, пренебрегая последним, получим формулу ШезиКраснопольского. Известны попытки записать формулу общего движения по аналогии с законами Дарси и Шези-Краснопольского. Так, Смрекер предложил выражение V = kI n , из которого можно получить формулы, выражающие законы Дарси (при n=1), Шези-Краснопольского (при п = 0,5) или выражение для 12

смешанного движения (0,5 < n < 1).

1.2. Движение воды в зоне аэрации В зоне аэрации подземные воды передвигаются в жидком и парообразном состоянии. Движение парообразной воды было изучено русским почвоведом Ф. Лебедевым, который установил, что при влажности пород, меньшей максимальной гигроскопической влагоемкости, движение паров направлено от участков более влажных к более сухим. При влажности пород, превышающей максимальную гигроскопичность, направление движения паров определяется упругостью водяных паров, которые передвигаются от слоев с более высокой температурой. Прочносвязанная (гигроскопическая) вода может передвигаться в зоне аэрации, только переходя в парообразное состояние. Рыхлосвязанная (пленочная) вода медленно мигрирует под влиянием молекулярных (сорбционных) сил с частиц, имеющих большую толщину (более влажных участков) пленки воды, на частицы с более тонкой пленкой. При влажности, превышающей максимальную молекулярную влагоемкость или наименьшую влагоемкость, начинается движение капиллярных вод. Капиллярные воды передвигаются в любом направлении под влиянием капиллярных (менисковых) сил и вниз под действием силы тяжести, а направление и скорость движения определяются соотношением этих сил. Гравитационные воды в зоне аэрации существуют обычно временно. Их движение вниз происходит в условиях неполного насыщения водой пород зоны аэрации. Такое движение называется инфильтрацией. Она делится на свободное просачивание и нормальную инфильтрацию (по Г.Н. Каменскому). При свободном просачивании вода движется в виде отдельных струек через зону аэрации под действием гравитационных и капиллярных сил. Часть пустот или пор при этом занята воздухом и водяными парами. При нормальной инфильтрации вода двигается вниз сплошной массой, а воздух содержится в виде изолированных пузырьков. При количественной 13

оценке движения воды в зоне аэрации все виды воды, способные передвигаться, рассматриваются как единая гидродинамическая система. Движение свободной воды в зоне аэрации в условиях неполного насыщения, согласно опытным данным, также подчиняется закону Дарси. Коэффициент водопроницаемости kП в этом случае зависит не только от состава и пористости, но и от влажности породы; его рекомендуется определять по зависимости: k П = k (W / Wo ) n ,

(1.5)

где W и W0 – влажность пород при фактическом и предельно возможном W0 содержании свободной воды в породе; п – показатель степени просачивания, который составляет: по Н.Н. Биндеману n = 3, по С.Ф. Аверьянову n = 3,5. Скорость инфильтрации воды при неполном насыщении зависит также от давления всасывания.

1.3. Основные расчетные гидрогеологические параметры Основными параметрами, определяющими фильтрационные свойства горных пород, являются коэффициенты фильтрации и проницаемости, водопроводимости и пьезопроводимости, фильтрационной анизотропии и скорости фильтрации, а также фильтрационное сопротивление русловых отложений.

Коэффициент фильтрации k – это показатель, характеризующий степень водопроницаемости пород и определяющийся как скорость фильтрации при гидравлическом градиенте, равном единице. По закону Дарси он равен: k=

V Q = , I FI

(1.6)

при I = 1 имеем: k=V=

Q , F

(1.7)

где V – скорость фильтрации; I – гидравлический градиент; Q – расход фильтрационного потока; F – площадь поперечного сечения потока. 14

Проницаемость - это свойство пород пропускать через себя жидкость, газы и смеси при наличии перепада давления.

Коэффициент проницаемости С – это расход жидкости вязкостью 1 Пас, фильтрующейся через сечение площадью 1 см2 при перепаде давления 0,1 МПа, измеряемый в квадратных микрометрах. Связь между коэффициентом фильтрации и коэффициентом проницаемости выражается следующей зависимостью: k = Сγ / η ,

(1.8)

где γ – плотность жидкости; η – динамическая вязкость жидкости. В таблице 1.1. приведены средние значения коэффициентов фильтрации и проницаемости для некоторых горных пород для условий движения пресных вод при температуре 20°С (по Н.А. Плотникову). Таблица 1.1 Средние значения коэффициентов фильтрации и проницаемости для некоторых горных пород

Характеристика пород Очень хорошо приницаемые галечники и гравий с крупным песком, сильно закарстованные, сильно трещиноватые породы Хорошо проницаемые галечники и гравий, частично с мелким песком, крупный песок, чистый среднезернистый песок, закарстованные, трещиноватые породы Проницаемые галечники и гравий с мелким песком и частично глиной, среднезернистые и мелкозернистые пески, слабозакарстованные, малотрещиноватые породы Слабопроницаемые тонкозернистые пески, супеси, слаботрещиноватые породы Весьма слабопроницаемые суглинки, очень слаботрещиноватые породы Почти непроницаемые глины, плотные мергели и другие массивные породы с ничтожной проницаемостью 15

Коэффициент Коэффициент фильтрации k, проницаемости м/сут С, дарси 100…1000 и 116…1160 и более более 10…100

11,6…116

1…10

1,16…11,6

0,1…1,0

0,12…1,16

0,001…0,1

1,2·10-3…0,12

< 0,001

< 1,2·10-3

Коэффициент водопроводимости Т равен произведению коэффициента фильтрации K на мощность m напорного пласта: T = km.

(1.9)

Для безнапорных вод Т = khср, где hср – средняя мощность водоносного пласта. Коэффициент водопроводимости характеризует степень водообильности водоносного пласта и представляет собой единичный расход потока (на 1 метр ширины) при I = 1.

Размерность коэффициента водопроводимости

м2/сут.

Коэффициент пьезопроводности а для напорных вод или уровнепроводности а для безнапорных вод характеризует скорость перераспределения напоров или уровня подземных вод в пласте при неустановившемся режиме фильтрации. В напорном пласте а = k/ µ * , в безнапорном пласте а = k hср/ µ (где µ * – упругая водоотдача пород; µ – гравитационная водоотдача пород). Значения коэффициента уровнепроводности обычно изменяются в пределах 102…104 м2/сут, а коэффициент пьезопроводности – в пределах 105…107 м2/сут. Фильтрационные потоки могут быть как естественными, так и измененными деятельностью человека в районах водозаборов и водопонизительных установок, при эксплуатации гидромелиоративных систем и разработке полезных ископаемых, на участках строительства инженерных, особенно гидротехнических сооружений. При изучении потоков возникает необходимость их схематизации и использования ряда общих положений, относящихся к разнообразным потокам. К ним относятся элементы потока, установившиеся уровни воды, типы потоков, границы и граничные условия, вид движения в них и водопроницаемость водоносных пород. Верхняя граница безнапорных вод – это их свободная поверхность, фиксируемая в наблюдательных пунктах. В общем случае она имеет криволинейный характер, уклон к месту разгрузки подземных вод и называется де16

прессионной поверхностью, находится ниже поверхности земли или совпада-

ет с ней (на заболоченных участках). Характеристикой напорных вод является пьезометрическая уровенная поверхность - геометрическое место точек, где устанавливается уровень при вскрытии напорного потока скважинами или колодцами. Эта воображаемая поверхность может быть ниже поверхности земли и выше ее. В последнем случае наблюдается самоизлив воды из скважин или колодцев. Положение установившихся в данный момент времени уровней фильтрационных потоков или водоносных горизонтов по площади определенной территории характеризуется изолиниями – гидроизогипсами и гидроизопьезами. Гидроизогипсы представляют собой линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней безнапорных, обычно грунтовых, вод. Гидроизопьезами называются линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками установившихся (пьезометрических) уровней напорных, обычно артезианских, вод. Для характеристики положения уровней отдельных фильтрационных потоков на определенный момент времени строят карты гидроизогипс и карты гидроизопьез. Масштабы этих карт зависят от детальности исходных материалов - абсолютных или относительных отметок установившихся уровней в наблюдательных скважинах, колодцах, родниках на определенную дату или отрезок времени, в течение которого изменением уровней воды можно пренебречь. По карте гидроизогипс можно установить направление движения воды, уклон потока не напорных вод, а при наличии ни карте горизонталей – и глубину залегания воды от поверхности земли. Движение воды направлено перпендикулярно к гидроизогипсам и в сторону гидроизогипс с меньшими отметками. Направление движения указывает на взаимосвязь грунтовых вод с поверхностными водами. 17

Как правило, грунтовые воды частично или полностью идут на питание поверхностных водотоков и водоемов и сами питаются поверхностными водами. В редких случаях, когда водотоки или водоемы находятся в водонепроницаемых породах, гидравлическая связь между поверхностными и грунтовыми водами отсутствует. Уклон потока определяется как отношение разности между отметками гидроизогипс к расстоянию между ними. Для характеристики уровня залегания грунтовых вод по площади строят карты гидроизобат, которые представляют собой линии, соединяющие точки с одинаковой глубиной залегания уровня грунтовых вод от поверхности земли. Глубина залегания уровня воды обычно определяется рельефом: чем ниже поверхность земли, тем меньше эта глубина. Движение воды в фильтрационных потоках может быть установившимся и неустановившимся, равномерным и неравномерным. При установившемся движении расход потока во времени не изменяется: Q = соnst. При равномерном движении скорость воды в любом поперечном сечении потока – величина постоянная. В природных или измененных деятельностью человека условиях преобладает неустановившееся неравномерное движение. Чаще всего изменения расходов во времени и скорости по потоку незначительны, поэтому расчеты фильтрационных потоков можно проводить по формулам для установившегося движении подземных вод. Для расчетов необходимо знать некоторые элементы фильтрационного потока и коэффициент фильтрации водоносных пород. Так, расход фильтрационного потока Q в общем случае равен: Q = BhkI = Bhk ( H − H ) /( L − L ) . 2 1 2 1

(1.10)

Для плоских потоков достаточно определить единичный расход q: q = Q/B.

(1.11)

Величины (В – ширина потока, h – мощность водоносного горизонта, Н1, Н2 напор подземных вод в первом и втором сечениях и (L2 –L1) – длина 18

пути фильтрации между –первым и вторыми сечениями) определяют при полевых исследованиях, а коэффициент фильтрации k водоносных пород различными способами: по эмпирическим формулам в лаборатории и в полевых условиях по результатам опытных откачек, опытных нагнетаний и свободных наливов воды в шурфы и скважины. При колебаниях расхода или скорости движения воды в фильтрационных потоках изменяются свободные уровни не напорных вод и пьезометрические уровни напорных вод. Скорость изменения этих уровней определяется коэффициентом уровнепроводности а для вод безнапорных и коэффициентом пьезопроводности а* для напорных вод: a=

khср

µ

a* =

;

k , nβв + βп

(1.12)

где hСР – средняя мощность водоносного горизонта; µ – водоотдача водоносной породы; п – пористость водоносной породы; βв и βп – коэффициенты объемной упругости воды и водоносной породы. Условия, при которых происходит движение подземных вод, могут быть сложными и простыми. Для относительно простых гидрогеологических условий используются существующие аналитические решения, а в особенно сложных условиях фильтрационные задачи решаются с помощью математического моделирования. Грунтовые воды имеют большое народнохозяйственное значение и широко используются для целей хозяйственно-питьевого, сельскохозяйственного водоснабжения и орошения. Основными типами широко используемых грунтовых вод являются грунтовые воды речных долин, ледниковых отложений, степей, полупустынь и пустынь, конусов выноса и предгорных наклонных равнин, горных районов, песчаных морских побережий.

19

1.4. Элементы фильтрационного потока К элементам фильтрационного потока относятся линии токов а и линии равных напоров Н, расход потока Q, скорость фильтрации V, ширина потока В, мощность потока h (или т), разность напоров ∆H и напорный градиент I. Воображаемые линии токов а и линии равных напоров Н в каждой точке взаимно перпендикулярны и вместе образуют так называемую гидродинамическую сетку движения воды. Расход Q фильтрационного потока (л/сек или м3/сут) представляет собой количество воды, проходящее через поперечное сечение потока F в единицу времени t. Гидродинамическая сетка используется при изучении установившегося движения в одной плоскости. По такой сетке в различных участках фильтрации можно определить средние скорости фильтрации, направление движения, расход потока. Скорость фильтрации – величина фиктивная, равная отношению расхода Q к площади поперечного сечения потока F: V = Q/ F.

(1.13)

Для определения действительной скорости движения воды U расход Q следует разделить на водопроводящую площадь водоносной породы Fnа: U = Q /( Fna ) .

(1.14)

Учитывая зависимость (1.14), запишем: U = V / na .

(1.15)

Поскольку nа – активная пористость всегда меньше единицы, то действительная скорость фильтрации U всегда больше фиктивной V. Ширина потока B измеряется в направлении, перпендикулярном к движению воды. Мощность потока в какой-либо точке его соответствует мощности зоны насыщения. Для потока со свободной поверхностью мощность h измеряется от уровня воды (свободной поверхности) до нижней водонепроницаемой границы потока. По потоку и во времени мощность h, как правило, величина переменная. Для напорных вод мощность потока m равна мощности водоносной по20

роды между верхним и нижним водонепроницаемыми пластами. Она может быть постоянной или изменяться по потоку. По направлению движения воды происходит падение напора ∆H = Н2 – Н1, где Н1, Н2 – высота свободного или пьезометрического уровня над плоскостью сравнения. Если нижняя граница фильтрационного потока горизонтальна, то ее можно принимать за плоскость сравнения. В других случаях плоскость сравнения может быть нулевой, или какойто другой, но расположенной ниже кровли нижнего водоупора данного водоносного горизонта.

Напорный градиент I представляет собой отношение

напора ∆H к длине пути фильтрации L2-1. От величины напорного градиента в значительной степени зависит скорость фильтрации.

Водопроницаемость водоносных пород. Количественно водопроницаемость горных пород оценивается коэффициентом фильтрации. Различные авторы указывают похожие коэффициенты фильтрации. Деление пород по водопроницаемости приведено в табл. 1.1.-1.2. В зависимости от величины водопроницаемости по различным направлениям породы могут быть изотропными и анизотропными. Во-первых, водопроницаемость и коэффициент фильтрации не зависят от направления движения воды, во вторых значения коэффициента фильтрации в вертикальном и горизонтальном направлениях заметно отличаются. Например, лёсс обладает более высокой водопроницаемостью в вертикальном направлении, а глины - в горизонтальном. Все водопроницаемые, как изотропные, так и анизотропные, породы могут быть однородными и неоднородными. Последнее относится в основном к зернистым породам: гранулометрический состав и пористость этих, внешне однородных пород, могут постепенно изменяться в каком-либо направлении. Фильтрационные потоки могут иметь нижнюю, верхнюю и боковые границы. Нижней границей потока служит кровля нижнего водоупора (водонепроницаемой породы). 21

Таблица 1.2 Фильтрационные свойства горных пород Группа

I

II

III

IV

Характеристика проницаемости

Основные виды пород

1. Галечники и гравий без заполнителя, валунно-галечные отложения Очень 2. Сильно закарстованные карбонатные породы высокая 3. Сильнотрещиноватые магматические и метаморфические породы 1. Галечники и гравий с заполнителем; песчано-галечные отложения; грубозернистые пески Высокая 2. Разно- и среднезернистые пески 3. Закарстованные карбонатные породы 4. Трещиноватые магматические и метаморфические породы 1. Галечники и гравий с заполнителем (мелко- и среднезернистый песок) 2. Пески среднезернистые Средняя 3. Трещиноватые песчаники, гравелиты, конгломераты 4. Слабо закарстованные карбонатные породы 5. Трещиноватые магматические и метаморфические породы 1. Пески мелкозернистые и пылеватые Низкая 2. Слабо трещиноватые магматические и метаморфические породы 3. Лёссовидные суглинки

22

Коэффициент фильтрации, м/сут

Пористость (пустотность), %

Более 100

25…35

Более 100 Более 70

20…35 1…5

15…70

25…35

7…15 7…20 5…20 5…10

25…35 1…8 1…2 25…30

5…10 5…7 3…7 3…5 0,1…3 0,05…0,1

25…40 6…20 1…2 0,2…0,5 25…40 0,1…1,0

0,05…0,1

25…40

Окончание табл. 1.2 V

VI

Весьма низкая Практически непроницаемые (водоупоры)

1. Суглинки, тяжелые супеси 2. Сцементированные песчаники, алевролиты и т.п. 3. Очень слабо трещиноватые или слабо закарстованные породы 1. Глины, аргиллиты, тяжелые суглинки 2. Скальные и полускальные монолитные породы

23

0,001…0,01 0,001…0,01 0,001…0,01 Менее 0,001 Менее 0,001

25…40 5…8 0,01…0,1 15…40 Менее 0,01

Верхняя граница фильтрационного потока не напорных вод свободная, т.е. положение поверхности воды изменяется во времени. Боковые границы расположены по контору фильтрационного потока, это могут быть участки питания (верхняя боковая граница) и дренажа потока (нижняя боковая граница), а также водонепроницаемые породы. По форме в плане границы потока могут быть прямоугольными, округлыми или геометрически неправильными. Обычно боковыми границами потоков являются берега рек, озер, склоны оврагов, балок и т.д. Боковые границы могут быть искусственными − наружными (берега каналов, водохранилищ) и внутренними (контуры подземных частей сооружений). Искусственные границы потоков могут быть участками питания, расходования или водонепроницаемыми. Для решения дифференциальных уравнений описывающих движение подземных вод в пористой среде необходимо знать краевые условия, включающие в себя начальные и граничные условия. В символьном виде можно выделить четыре вида граничных условий:

• граничное условие первого вида Н = f(t), или Н = соnst, например уровень воды в реке, канале, озере;

• граничное условие второго вида Q = f(t, или Q = соnst, например, расход скважины, или водоупор;

• граничное условие третьего вида Q =f(H2– Н1), например когда происходят перетоки вод из одного водоносного горизонта с напором Н1 в другой с напором Н2 через слабо проницаемый водоупор;

• граничное условие четвертого вида свидетельствует о том, что на границе раздела двух сред (например разные kф, водопроводимость)

Qпритока = Qоттока. Для расчетов расхода воды в фильтрационном потоке необходимо иметь представление о направлениях движения воды по его площади (в плане) и глубине (в разрезе). 24

В соответствии с направлениями движения воды фильтрационные потоки делятся на: плоские и пространственные (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Виды потоков

а – одномерные; б, в – двумерные плановые и профильные; г – трехмерные (сверху в плане, внизу в разрезе); 1 – уровень подземных вод; 2 – направление потока Плоские потоки в свою очередь делятся на: одномерные (линейные) и двухмерные. В линейных потоках линии тока параллельны и в плане и разрезе. Двухмерные плоские потоки могут быть плановыми и профильными. Наиболее сложен пространственный, или трехмерный, фильтрационный поток: линии тока в нем взаимно не параллельны ни в плане, ни в разрезе. Такие условия могу быть при криволинейных очертаниях боковых границ, мощном водоносном горизонте, обходной фильтрации воды вблизи плотины и т.д.

25

Раздел 2. ПОЛЕВЫЕ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАБОТЫ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ 2.1. Типы водозаборных скважин и откачки из скважин Сооружения, предназначенные для захвата и извлечения подземных вод, используемых для различных целей (водоснабжение, орошение, водопонижение), называются водозаборными. В конструктивном отношении водозаборные сооружения подразделяются на:

• вертикальные (скважины, шахтные колодцы, шурфы); • горизонтальные (каптажные галереи, дренажные канавы, водозаборные траншеи, кяризы, трубчатые дрены, горизонтальные скважины);

• комбинированные (сочетание вертикальных сооружений с горизонтальными, например, лучевые водозаборы - сочетание шахтного колодца с горизонтальными скважинами). Наибольшее распространение из всех водозаборных сооружений в практике водоснабжения и для других целей имеют скважины (как вертикального, так и горизонтального заложения) и колодцы. По гидрогеологическим условиям все водозаборные сооружения могут быть разделены на две группы: а) инфильтрационные водозаборы; б) фильтрационные водозаборы.

Инфильтрационные водозаборы располагаются, как правило, в области активной связи подземных и поверхностных вод (в области питания) и работают в основном за счет привлечения вод поверхностных водотоков. Постоянное восполнение подземных вод при их эксплуатации за счет поступления вод поверхностных водоемов приводит к быстрой стабилизации расходов и уровней подземного потока, поэтому инфильтрационные водозаборы работают, как правило, в условиях установившейся фильтрации. 26

Фильтрационные водозаборы располагаются обычно в области распространения и стока подземных вод. При их эксплуатации привлекаются естественные запасы подземных вод (упругие и за счет осушения пласта) и естественные расходы потоков. Имея менее благоприятную природную обстановку для восполнения забираемых при эксплуатации подземных вод, фильтрационные водозаборы работают обычно в условиях неустановившейся фильтрации. При взаимосвязи водоносных горизонтов и наличии перетекания фильтрационные водозаборы могут работать и в условиях установившейся фильтрации. Вертикальные водозаборы, вскрывающие грунтовые безнапорные воды, называются грунтовыми; вертикальные же водозаборы, вскрывающие напорные (артезианские) подземные воды, носят название артезианских

скважин, или колодцев. По степени вскрытия водоносных горизонтов различают совершенные и несовершенные грунтовые и артезианские скважины (колодцы). Совер-

шенные выработки вскрывают эксплуатируемый водоносный горизонт на всю мощность, обеспечивая поступление воды в выработку по всей длине ее водоприемной части в пределах мощности водоносного пласта (рис. 2.1а). Несовершенные выработки не вскрывают водоносный горизонт по всей мощности и обеспечивают поступление воды в пределах вскрытой части через боковые стенки или дно выработки (рис. 2.1б). У несовершенных скважин водоприемная часть (фильтровая или бесфильтровая) может располагаться в любой части водоносного пласта (у кровли или свободной поверхности, у подошвы или в средней части пласта). Если водозаборное сооружение работает не испытывая влияния других водозаборов, то оно называется одиночным в отличие от взаимодействующих водозаборных сооружений.

27

Рис. 2.1. Типы грунтовых и артезианских скважин: а – совершенные скважины, б – несовершенные скважины

Взаимодействующие водозаборы, состоящие из скважин, различаются по схемам их расположения. При этом может иметь место как закономерное их расположение (линейное, кольцевое, по сетке), так и произвольное. Взаимодействие водозаборов приводит к ухудшению условий их работы, так как при этом происходит наложение депрессионных воронок взаимодействующих водозаборов. При работе водозаборных скважин вследствие непрерывного отбора воды вокруг них начинает формироваться депрессионная воронка. При этом в безнапорных водах происходит осушение водоносного пласта в пределах интенсивно развивающейся депрессионной воронки. В напорных водах, вследствие наличия избыточных над кровлей пласта напоров, непосредственного осушения пласта не происходит, и поступление воды в скважину обеспечивается за счет высвобождения упругих ее запасов

28

при снижении напоров в пределах развивающейся депрессии и перехвата естественного расхода потока. В первый период эксплуатации водозаборных cкважин депрессионная воронка развивается очень интенсивно как в глубину, так и ширину. При этом основные параметры потока в сечениях вокруг скважин прерывно изменяются, что отвечает периоду резко выраженной неустановившейся фильтрации. Со временем интенсивность развития депрессионной воронки затухает и происходит стабилизация уровней и дебитов потока по всем его сечениям, что отвечает периоду установившейся фильтрации. При этом отбор воды из скважин компенсируется ее притоком в пределах стабилизировавшейся воронки депрессии. Размеры депрессионной воронки характеризуются радиусом влияния скважины при ее эксплуатации R, под которым понимается радиус кругового контура питания концентричного скважине и обеспечивающего ее дебит при откачке (приведенный радиус питания по В.Н. Щелкачеву). Нередко дальнейший рост депрессионной воронки прекращается в связи с тем, что в ее пределах в процессе откачки обеспечивается интенсивное поступление воды от дополнительных источников питания (перетекание из соседних горизонтов, поступление воды из поверхностных водотоков). При незначительных естественных уклонах потоков подземных вод влияние откачки распространяется одинаково во всех направлениях, а формирующаяся депрессионная воронка является симметричной относительно оси скважины. В таких природных условиях воронка в плане имеет форму круга с концентрическим расположением линий равного напора (гидроизогипс или гидроизопьез) и радиальными линиями токов (рис. 2.2).

29

Рис. 2.2. Схема движения воды к артезианской скважине Строго говоря, поскольку пьезометрическая или свободная поверхность подземных вод не является горизонтальной, депрессионная воронка всегда имеет ту или иную асимметрию, отражая в плане форму замкнутого овала, вытянутого по потоку, а радиус влияния оказывается различным как по направлению потока, так и нормально к нему. При получении решений о притоке воды к скважинам воронку депрессии принято считать симметричной. Получаемые в результате расчетов понижения уровня отсчитываются от реальной пьезометрической или свободной поверхности подземных вод, обеспечивая истинную картину распределения напоров потока при действии водозаборных скважин. Движение подземных вод к водозаборным скважинам на большинстве участков может рассматриваться как плановое двухмерное, описываемое дифференциальным уравнением Фурье. 30

Учитывая, что при этом фильтрация подземных вод является радиальной осесимметричной, для получения решений ее рассматривают в цилиндрической системе координат, как одномерную радиальную фильтрацию. Общее дифференциальное уравнение, описывающее радиальную фильтрацию напорных и безнапорных вод в цилиндрических координатах, имеет вид:

∂ 2U 1 ∂U ∂U + )= (2.1) 2 r ∂ r ∂ t ∂r В уравнении (2.1) U – напорная функция, которая для напорного потока a(

принимается равной тН, для безнапорного h2/2, а – соответственно коэффициент пьезопроводности при напорной фильтрации и коэффициент уровнепроводности – при безнапорной. При ∂U / ∂t = 0 приведенное выше уравнение (2.1) описывает установившуюся фильтрацию радиального потока подземных вод. Фильтрация подземных вод к взаимодействующим водозаборным сооружениям носит сложный характер, являясь радиальной на некотором удалении от них, поэтому она рассматривается как планово-радиальная. Такой же сложный характер имеет фильтрация к скважинам, расположенным вблизи границ области фильтрации. Для получения решений в таких условиях широко используются принцип сложения течений и метод зеркальных отображений. Эксплуатация водозаборных скважин осуществляется, главным образом, с помощью различного рода насосных установок с постоянной во времени производительностью.

Поэтому при расчетах производительность

скважин принимается постоянной, поэтому решения получают применительно к определению положения уровня подземных вод при работе скважин с постоянным во времени дебитом. Важнейшей задачей гидрогеологических исследований является определение расчетных гидрогеологических параметров водоносных горизонтов и пород зоны аэрации, без которых невозможны количественная оценка и 31

различного рода инженерные расчеты и прогнозы при решении разнообразных народнохозяйственных задач. Гидрогеологические параметры (главным образом характеризующие фильтрационные свойства и водообильность горных

пород)

определяют

на

основе

проведения

полевых

опытно-

фильтрационных работ (откачек из скважин, наливов и нагнетаний в скважины, наливов в шурфы, экспресс-опробований), стационарных гидрогеологических наблюдений, лабораторных работ, геофизических исследований, моделирования. При этом во всех случаях (кроме геофизических исследований) определение гидрогеологических параметров сводится к решению обратных задач, т.е. соответствующие уравнения движения подземных вод решаются относительно входящих в них гидрогеологических параметров. Значения напоров, расходов и других элементов потока, входящих в исходные уравнения, принимаются равными их фактическим значениям, устанавливаемым в процессе исследований (при опытно-фильтрационных работах в полевых и лабораторных условиях, при стационарных наблюдениях и т.п.). Чаще всего в гидрогеологической практике для определения параметров проводят опытно-фильтрационные работы (откачку, налив, нагнетание, экспресс-опробование). Достаточно надежные значения гидрогеологических параметров могут быть получены по данным режимных наблюдений и моделирования, однако в этих случаях необходимы сведения об изменении уровней и расходов потока по сети наблюдательных точек (скважин, створов, постов). Лабораторные методы определения фильтрационных свойств водоносных отложений применяют для массовых ориентировочных оценок на начальных этапах исследований. Воду фильтруют через отобранные образцы горных пород при помощи специальных фильтрационных приборов. Применяют также эмпирические методы определения фильтрационных свойств, основанные на учете связи этих свойств с различными показателями горных пород (гранулометрическим составом, пористостью и др.), определяемыми в лабораторных условиях. 32

Геофизические методы дают результаты, пригодные для ориентировочных оценок фильтрационных свойств и гидрогеологического расчленения изучаемого разреза. Их применяют также для определения направления и скорости движения подземных вод (индикаторные и другие методы). Для повышения надежности определения гидрогеологических параметров и экономической эффективности исследований целесообразно комплексно применять различные методы с учетом их специфики, характера и требований решаемых задач, конкретных условий изучаемого объекта и других факторов. Основным видом опытно-фильтрационных работ являются опытные откачки. Их почти всегда применяют при опробовании водоносных пород, особенно при проведении изысканий для целей водоснабжения, осушения и дренажа. В зависимости от назначения откачки подразделяют на пробные, опытные и опытно-эксплуатационные, различающиеся продолжительностью проведения и конструкцией опытного куста скважин, состоящего из центральной и наблюдательных скважин.

Пробные откачки. Их применяют чаще всего, особенно на первых этапах поисково-разведочных работ. Пробные откачки производят практически из всех скважин, пробуренных в процессе гидрогеологических исследований. На стадии поисковых работ основной целью пробных откачек являются получение сравнительной характеристики фильтрационных свойств и водообильности пласта на отдельных участках распространения водоносного горизонта, ориентировочная оценка качества подземных вод и установление их свободной или пьезометрической поверхности. На стадиях предварительной и детальной разведки пробные откачки производят из всех разведочных и разведочно-эксплуатационных скважин для предварительного определения их возможной производительности, как правило, на одну ступень понижения уровня, в течение не более 1,5 суток. Понижение уровня измеряют от статического уровня подземных вод до сниженного в результате откачки. Ступенью называют величину понижения 33

уровня воды при заданном дебите скважины.

Опытные откачки. Они являются основным видом фильтрационных исследований на стадиях предварительной и детальной разведки. Опытные откачки подразделяются на одиночные (при отсутствии наблюдательных скважин) и кустовые (при их наличии).

Одиночные опытные откачки производят в процессе разведки из разведочных и разведочно-эксплуатационных скважин для определения коэффициента фильтрации и зависимости дебита скважины от понижения уровня:

Q = f(s). Их ведут на две ступени понижения уровня при зернистых водоносных горизонтах и на две-три ступени при трещиноватых породах. Продолжительность откачки определяется временем стабилизации понижения уровня на каждой из ступеней и может составлять 10 и более суток.

Кустовые опытные откачки применяют на стадиях предварительной и детальной разведки для определения расчетных гидрогеологических параметров, изучения и оценки граничных условий пласта и опытного определения понижения уровня.

Они обеспечивают более надежное определение

гидрогеологических параметров, чем одиночные откачки. Количество наблюдательных скважин, их расположение и продолжительность кустовой откачки определяют в каждом конкретном случае с учетом гидрогеологических особенностей объекта изучения, назначения откачки и других факторов. Если откачка из одной скважины (центральной) – не обеспечивает ощутимого понижения уровня в наблюдательных скважинах (из-за высокой водообильности и водопроводимости изучаемого горизонта), то производят опытную групповую откачку из нескольких скважин, являющуюся разновидностью кустовой откачки.

Кустовые откачки выполняют

обычно на одну ступень понижения уровня, продолжительность их не менее трех суток.

Опытно-эксплуатационные откачки. Их производят из одной или нескольких скважин только на стадии детальной разведки в сложных гидрогеологических условиях, чтобы определить возможную производительность во34

дозабора или установить закономерности изменения уровней при его эксплуатации, а также возможное изменение состава подземных вод. Откачки ведут в самое неблагоприятное по условиям питания подземных вод время (меженный период) с дебитом, близким к проектному водоотбору, в течение 1…3 месяцев, а иногда и дольше. Их данные принимают за основу при прогнозах условий работы водозаборных и дренажных сооружений.

2.2.

Методика проведения откачек из водоносных горизонтов

Откачки из скважин в зависимости от степени их водообильности и желательной величины понижения уровня воды производят различными водоподъемниками: эрлифтами, центробежными насосами с горизонтальным или вертикальным валом, электропогружными водяными насосами. Для пробных откачек в слабо обводненных водоносных горизонтах можно применять желонирование. Диаметры фильтровых колонн и глубина центральных (опытных) скважин должны обеспечивать размещение в них водоподъемного оборудования, а диаметры наблюдательных скважин - оборудования для замеров уровней и проведение пробных откачек. Минимальные внутренние диаметры разведочных и эксплуатационных скважин для проведения в них необходимого комплекса исследований – 80…100 мм, а наблюдательных – 50…80 мм. Оборудование скважин опытного куста должно обеспечивать замеры и регулирование дебита при откачке (расходомеры, водомеры, счетчики), получение с необходимой частотой информации об уровне воды во всех скважинах, отбор проб воды для анализов, замер ее температуры, отвод откачиваемой воды на необходимое расстояние и пр. Важным гидрогеологическим показателем является удельный дебит, который представляет собой отношение расхода скважины к понижению уровня воды в этой скважине. 35

Этот показатель является важнейшей характеристикой, позволяющей судить о производительности скважины при разных понижениях уровня и о влиянии на условия ее работы всех факторов, возникающих в прифильтровой зоне скважины и в ней самой. Особенно важно получение этой характеристики для прогнозов работы инженерных сооружений и гидравлических расчетов. Опытные откачки следует проводить с максимально возможным для выбранного водоподъемника постоянным дебитом (отклонения дебита не должны превышать 10% его среднего значения), обеспечивая понижение уровня в центральных скважинах не менее чем на 3 м, а в наблюдательных – 0,3 м. Продолжительность откачек – не менее 2 суток, а при определении коэффициентов уровнепроводности, пьезопроводности и перетекания – не менее 5 суток. Откачка грунтовых вод должна быть более длительной, чем напорных. Опытные скважины должны быть по возможности совершенными, т.е. вскрывать водоносный горизонт полностью, а ближайшие наблюдательные скважины - находиться на расстоянии, превышающем мощность водоносного пласта. Если скважины не полностью вскрывают водоносный горизонт, то фильтры наблюдательных и опытных скважин следует размещать в опробуемом пласте примерно на одинаковой глубине. Для более точного определения параметров призабойной зоны желательно устройство затрубного пьезометра; для оценки характера и степени влияния естественных колебаний уровня должны иметься режимные скважины вне зоны влияния откачки. При наличии в подошве и кровле опробуемого горизонта слабопроницаемых пород необходимо иметь наблюдательные скважины для выше и нижележащих водоносных горизонтов. Изменения уровней в опытной и наблюдательных скважинах регистрируют самописцами типов СУВ–3, ГТП-20, РУЦ-2М и др. либо различными уровнемерами (электрическими, ленточными, поплавковыми), рулетками и хлопушками. 36

Замерять уровень следует:

• в процессе откачки в первые два часа через каждые 5…10 мин, в следующие 12 часов через 0,5…1,0 часа, затем до конца откачки через 2…3 часа;

• в процессе восстановления уровня после откачки – первые 15…20 мин через каждые 1…2 мин, далее в течение 1…2 часов – через 3…10 мин, затем через 1 час до получения нужного количества материалов. Откачки для определения зависимости дебита скважины от понижения уровня Q = f(s) проводят на 2…3 ступени понижения, начиная с меньшего понижения (в трещиноватых породах и мелкозернистых песках, наоборот, с большего). Минимальное понижение должно составлять не менее 1 м, максимальное – превышать его в 2…3 раза и быть близким к предельно допустимому. Для контроля правильности таких откачек строят график Q = f(s), который имеет обычно криволинейный характер (параболический, степенной, логарифмический), выпуклый в сторону оси дебитов. Для напорных вод этот график может быть и прямолинейным. Выпуклость графика в сторону оси понижений свидетельствует о неправильности выполнения откачки и необходимости ее повторить. Параллельно с графиком Q = f(s) строят график удельного дебита q =

f(s), т. е. приходящегося на 1 м понижения уровня. Такой график имеет наклон и выпуклость в сторону оси понижений. Графики Q = f(s) и q = f(s) являются важнейшими характеристиками, позволяющими судить о возможной производительности скважин, водообильности и фильтрационных свойствах горизонта. При проведении кустовых откачек для более точного определения параметров желательно иметь не менее трех наблюдательных скважин, а в сложных гидрогеологических условиях (трещинные и трещинно-карстовые горизонты, наличие перетекания и затрудненная связь подземных вод с поверх37

ностными, существенная неоднородность пород и т.п.) − не менее четырех. По возможности для наблюдений следует использовать все имеющиеся скважины. Наблюдательные скважины обычно располагают по лучам, ориентированным в направлении выявленных или возможных изменений гидрогеологических условий (по направлениям затухания или преобладания трещиноватости и изменения фильтрационных свойств, вдоль контуров питания и непроницаемых границ и перпендикулярно им и т.д.). В таблице 2.1. приведены обобщенные рекомендации по размещению первой и второй наблюдательных скважин при кустовых откачках в напорных и безнапорных горизонтах различного литологического состава; ориентировочная продолжительность откачек 3 − 5 суток в напорных и 5 − 10 суток в грунтовых водах.

Таблица 2.1 Рекомендации по размещению наблюдательных скважин при кустовых откачках

Водоносная порода Пески мелко- и среднезернистые

Гидравлический характер горизонта Напорные воды Грунтовые воды

Минимальное расстояние до наблюдательной скважины, м первой второй 80 10

150 15

Пески крупнозерни- Напорные воды стые Грунтовые воды

200 15

450 30

Гравийногалечниковые отложения Трещиноватые породы

200 25 80 30

450 40 150

Напорные воды Грунтовые воды Напорные воды Грунтовые воды Грунтовые воды

50

Опробование самоизливающихся скважин возможно при неизменном положении уровня в центральной скважине, но при этом обязательно нужна информация об изменении уровней во времени по наблюдательным скважи38

нам. В процессе откачек ведут текущую документацию и камеральную обработку данных:

• заполняют журнал откачки (по установленной форме); • составляют хронологические графики зависимости дебитов и понижения уровня в центральной и наблюдательных скважинах от времени;

• строят графики зависимости дебита и удельного дебита от понижения уровня и полулогарифмические графики зависимости понижения уровня от времени S = f(lg t). Построение хронологических графиков и особенно графиков S = f(lg t) обеспечивает надежный контроль за проведением опыта. Показания графиков служат основой для регулирования частоты наблюдений и продолжительности откачки. После окончания откачек во всех скважинах должны быть проведены наблюдения за восстановлением динамического уровня с построением всех необходимых хронологических графиков. В результате окончательной камеральной обработки материалов откачек с комплексным использованием приемов и методов расчетов установившейся и неустановившейся фильтрации определяют основные гидрогеологические параметры: кривые дебита Q = f(s), коэффициенты фильтрации, проницаемости, водопроводимости, пьезопроводности, (уровнепроводности), водоотдачи, радиусы влияния, параметры перетекания.

Раздел 3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ Как уже не раз отмечалось, методы измерения геофильтрационных параметров делятся на три группы – полевые, лабораторные и эмпирические. Сами геофильтрационные параметры совсем не представляют собой константы, а довольно сильно варьируют (возможно, и в несколько раз) даже в 39

пределах одного водоносного горизонта. Наиболее точная и достоверная их оценка – важная задача гидрогеологии.

Полевые методы (от слов поле, полевые работы) выполняются в экспедиционных условиях. Это наиболее точные методы, так как они выполняются на массивах горных пород в естественном залегании, и чем больший объем удается охватить при испытании, тем точнее полученный результат будет представлять всё рассматриваемое геологическое тело. Кроме того, многие геофильтрационные параметры, такие как мощность водоносного горизонта, уклон, ширина и длина потока, могут быть оценены только в полевых условиях. Собственно к полевым методам измерения коэффициента фильтрации, водопроводимости, уровнепроводности и других параметров относятся откачки воды из скважин, оценки по восстановлению уровня воды после откачки, опытные наливы и нагнетания в скважины и шурфы, оценки по колебаниям естественного уровня воды в режимных скважинах. Очевидно, что полевые методы являются наиболее затратными и трудоемкими.

Лабораторные методы. Требуют тщательного отбора проб с ненарушенной структурой, что довольно сложно при работе с песчаными грунтами. Для определения коэффициента фильтрации в лаборатории через образец грунта пропускается вода и измеряется расход. К преимуществам этих методов относится то, что лабораторные образцы можно отобрать по всей изучаемой площади и из всех пробуренных скважин, правда часто уже с нарушенной структурой.

Эмпирические методы позволяют определить коэффициент фильтрации песчаных грунтов. Они заключаются в том, что коэффициент подбирается по уже известному гранулометрическому составу, который в массовом порядке измеряется для определения наименования грунта.

40

3.1. Определение гидрогеологических параметров по данным откачек из скважин при установившемся режиме фильтрации При установившемся режиме фильтрации определяют зависимость дебита от понижения уровня Q = f(Sc), коэффициента фильтрации К, водопроводимости Т и радиуса влияния R.

Удельный дебит. Удельный дебит представляет собой отношение расхода скважины к понижению уровня воды в этой скважине. График зависимости дебита скважины от понижения Q = f(Sc) показан на рис. 3.1.

Рис. 3.1. График зависимости расхода (дебита) скважины от понижения уровня воды Этот показатель является важнейшей характеристикой, позволяющей судить о производительности скважины при разных понижениях уровня и о влиянии на условия ее работы всех факторов, возникающих в прифильтровой зоне скважины и в ней самой. Особенно важно получение этой характеристики для прогнозов работы инженерных сооружений и гидравлических расчетов. Для построения графика Q = f( S с ) необходимо проведение откачек не менее чем на две ступени понижения уровня в скважинах, в которых была проведена тщательная предварительная прокачка. Анализ получаемых в результате откачек кривых Q = f(Sc) позволяет установить фактический характер зависимости дебита от понижения уровня.

41

Аналитические методы определения коэффициента фильтрации и водопроводимости. Наиболее точные значения коэффициента фильтрации и водопроводимости получаются на основе данных понижений уровней по парам наблюдательных скважин. При этом исключается возможное влияние скачка уровня на насосе и на фильтре центральной наблюдательной скважины. Откачка, при которой используются наблюдательные скважины, называется кустовой откачкой. Одиночные откачки дают наименее эффективный результат; кроме того, присутствие в скважине насосного и электрического оборудования весьма затрудняет проведение замеров уровней воды. Схемы кустовых откачек для грунтового и межпластового напорного водоносных горизонтов для установившихся условий (Q = const, S = const) приведены на рис. 3.2. и 3.3.

Рис. 3.2. Схема кустовой откачки грунтовых (безнапорных) вод из совершенной скважины 42

Рис. 3.3. Схема откачки артезианских (напорных) вод из совершенной скважины Определение коэффициента фильтрации по данным кустовой откачки из безнапорного водоносного горизонта может быть выполнено на основе сопоставления понижений уровня по двум скважинам: по центральной и одной наблюдательной скважине: 0,732Q(lgx1 − lgr) k = , ц −1 (2 H − S − S )(S − S ) 1 1

(3.1)

0,732Q(lg x2 − lg r ) ( 2 H − S − S 2 ) ( S − S2 )

(3.2)

k

ц −2 =

по двум наблюдательным скважинам: 0,732Q(lg x2 − lg x1 ) k = 1 − 2 (2 H − S − S )( S − S ) 1 2 1 2

(3.3)

где Q и r – дебит (м3/сут) и радиус (м) центральной скважины, из которой проводится откачка; Н – мощность водоносного горизонта, м; S1, и S2 – пони43

жение уровней воды в 1-ой и 2-ой наблюдательных скважинах, расположенных на расстоянии x1 и x2 от центральной скважины, м. Расчёт коэффициента фильтрации при кустовой откачке межпластовых напорных вод из совершенной скважины по формулам Ж. Дюпюи:

( lg x1 − lg r ) m ( S − S1 )

(3.4)

= 0,366Q

lg x2 − lg r m ( S − S2 )

(3.5)

= 0,366 Q

( lg x2 − lg x1 ) m ( S1 − S2 )

(3.6)

k

ц −1 = 0,366 Q

k

ц −2

k

1− 2

где m – мощность напорного водоносного горизонта, м. Перевод натурального логарифма в десятичный проводиться по формуле:

ln N =

lg N lg N ≈ ≈ 2,30259 lg N ; lg e 0, 43429

(3.7)

Пример. Рассматривается грунтовый водоносный горизонт в песках. Имеется совершенная центральная скважина, из которой производится откачка и две наблюдательные скважины. Схема откачки приводится на рис. 3.2. Дебит откачки Q=14м3/сут; мощность водоносного горизонта Н=5м; глубина залегания статического уровня a=3 м; радиус фильтра центральной скважины r=0,11 м; X1=4 м и X2=15 м - расстояния от центральной до первой и второй наблюдательной скважины; S = 2,03 м, S1=0,95м, S2=0,44м - понижения уровня грунтовых вод в центральной, первой и второй наблюдательной скважинах. Требуется определить коэффициент фильтрации водоносного горизонта. Для вычисления коэффициента фильтрации воспользуемся формулами (3.1)(3.3). Коэффициент фильтрации, вычисленный по центральной и одной (первой) наблюдательной скважине, равен: 44

kц-1=0,73·14м3/сут·(lg4-lg0,11)/((2·5м-2,03м-0,95м)(2,03м-0,95м)) = 2,3м/сут Коэффициент, вычисленный по двум наблюдательным скважинам, равен: k1-2=0,73·14м3/сут·(lg15-lg2,03)/((2·5м-0,95м-0,44м)(0,95м-0,44м))=2,0м/сут Как можно видеть, полученные значения Kц-1 и K1-2 хоть и близки, но не совпадают между собой. Так обычно бывает при решении практических инженерных задач, что связано с неоднородностью природной среды, а также с использованием разных методик и формул. Сходимость результатов указывает на учет этих факторов при определении коэффициента фильтрации водоносного пласта.

3.2. Определение гидрогеологических параметров по данным откачек из скважин при неустановившемся режиме фильтрации Для определения гидрогеологических параметров в условиях неустановившейся фильтрации подземных вод к скважине используются соответствующие решения, на основе которых по наблюдаемым в процессе откачек изменениям уровней и расходов потока определяются значения искомых параметров. Учитывая незначительную продолжительность опытных откачек, обычно условия притока воды к опытным скважинам отвечают схеме неограниченного в плане пласта, а в качестве основных расчетных зависимостей рассматриваются уравнения применительно к грунтовым и напорным водам, вскрытым совершенной скважиной, (3.8) и (3.9):  r 2  Q  − E  − S = He − H −  2π k  i  4at    

(3.8)

 r 2  Q  − E  − S (r , t ) =  4π km  i  4a*t    

(3.9)

2 e

45

где S – понижение уровня в скважине, м; He – первоначальный напор в безнапорном водоносном горизонте до начала откачки, м; Q – расход воды из скважины при откачке, м3/сут; k – коэффициент фильтрации, м/сут; R – радиус влияния откачки, м; r – радиус скважины, м; m – мощность напорного водоносного горизонта, м.; Ei – интегральная показательная функция; а – коэффициент уровнепроводности безнапорного горизонта a = эффициент пьезопроводности a* =

km

µ

*

km

µ

, м2/сут; а* – ко-

м2/сут.

При этом для первого периода откачки с ярко выраженным неустановившимся режимом фильтрации (при

r2 f 0,1 ) применяются формулы (3.8) 4at

и (3.9), основанные на использовании экспоненциальной зависимости; для второго периода (при

r2 p 0,1 ), характеризуемого квазиустановившимся ви4at

дом фильтрации, используются уравнения (3.10) и (3.11), основанные на логарифмической зависимости: 0,366Q 2,25at lg K r2 0,183Q 2,25at S= lg Km r2 S = H e − H e2 −

(3.10) (3.11)

Основными параметрами, которые определяются при обработке результатов откачки на основе теории неустановившейся фильтрации, являются коэффициенты фильтрации k, водопроводимости T=km, пьезопроводности a (или уровнепроводности a*), коэффициент водоотдачи µ (или упругой водоотдачи µ *) и др. Расчеты по формулам квазиcтационарной фильтрации. По истечении некоторого времени после начала откачки движение воды к опытным скважинам описывается уравнениями (3.10) и (3.11), основанными на логарифмической зависимости. 46

Время, начиная с которого экспоненциальная зависимость может быть заменена логарифмической (при точности определения понижения до 5 % ) , определяется критерием: t=

2,5r 2 . a

На использовании логарифмической зависимости основаны многие приемы и методы определения гидрогеологических параметров, как графоаналитические, так и аналитические. Ниже приведены только некоторые из них, наиболее распространенные в практике гидрогеологических расчетов. Наиболее широким распространением в практике гидрогеологических расчетов пользуются графоаналитические методы определения параметров, основанные на возможности представления исходных уравнений движения воды к скважине в виде уравнения прямой линии. Исходное уравнение, описывающее неустановившееся движение воды к совершенной артезианской скважине, работающей в неограниченном пласте, может быть представлено в виде следующей формулы: S=

0,183Q 2,25a (lg + lg t ) . 2 km r

(3.12)

Приведенная форма записи уравнения представляет собой уравнение прямой линии в координатах S = lgt. Действительно, принимая в уравнении

0,183Q 2,25a 0,183Q lg =Aи = B, km km r2

получим уравнение прямой линии в виде:

S=A + Blgt,

(3.13)

где В – угловой коэффициент, а А – величина отсекаемая прямой на оси абсцисс (рис. 3.4).

47

Рис. 3.4. Общий вид графика зависимости понижения уровня воды в скважине при откачке от логарифма времени S=f(lgt) Таким образом, если опытные данные по любой из скважин нанести на график S = f(lgt), откладывая по оси абсцисс логарифмы времени, а по оси ординат – соответствующие значения понижений уровня, то на основе полученного прямолинейного графика можно определить величины А и В и далее по формулам получить значения водопроводимости km и коэффициента пьезопроводности a. Величина В численно равна угловому коэффициенту прямой и может быть определена по любым двум точкам, лежащим на прямой S=f( lg t), координаты которых снимаются непосредственно с графика:

B=

S −S 2 1 . lg t − lg t 2 1

(3.14)

Значения коэффициентов водопроводимости и пьезопроводности определяются соответственно по формулам: km =

0,183Q А и lgа=2lg r– 0,35+ . В В 48

(3.15)

Обработка результатов опытных откачек из безнапорных водоносных горизонтов проводится так же, как и для напорных горизонтов. При этом, если величина понижения уровня S составляет не более 15…20% от первоначальной мощности водоносного горизонта H, то для безнапорных вод можно с допустимой для практики погрешностью определять расчетные параметры как для напорных вод, пользуясь графиком S = f ( l g t ) . Если же это условие не соблюдается, то для определения параметров необходимо построить график (2H – S)S = f(lgt), который также выражается прямой линией, уравнение которой имеет вид: (2H–S)S=

0.366Q 2.25α 0.366Q lg + lg t . k k r2

(3.16)

Пример. Из центральной скважины произведена откачка продолжительностью 1200 минут с дебитом 5 м3/сутки. Статический уровень находится на глубине 2,21м. Мощность водоносного горизонта Н = 9 м. Расход скважины Q = 5м3/сут. Журнал замеров понижения уровня воды в наблюдательной скважине приводится в таблице 3.1. Задание. По данным понижения уровня определить коэффициент фильтрации пород водоносного горизонта. Условимся считать откачку, данные которой представлены в таблице 3.1, имеющей квазистационарный режим. Определим коэффициент фильтрации графоаналитическим методом. Для этого построим график зависимости понижения от логарифма времени S=f(lgt) – рис. 3.5.

Таблица 3.1. Журнал замеров уровня воды в наблюдательной скважине 49

при откачке Время от начала опыта t, мин

lgt

Замер (глубина до уровня воды), м

Понижение S, м

1 2 3 4 5 8 10 15 20 30 40 60 90 120 180 240 300 500 800 1200

− 0,000 0,301 0,472 0,602 0,699 0,903 1,000 1,176 1,301 1,472 1,602 1,778 1,954 2,079 2,255 2,380 2,472 2,699 2,903 3,079

2,21 2,66 2,56 2,77 2,87 2,73 2,93 2,82 2,88 3,02 3,07 3,20 3,07 3,22 3,17 3,24 3,08 3,45 3,39 3,56 3,61

0,00 0,45 0,35 0,56 0,66 0,52 0,72 0,61 0,67 0,81 0,86 0,99 0,86 1,01 0,96 1,03 0,87 1,24 1,18 1,35 1,40

Рис. 3.5. Пример графика зависимости понижения уровня воды в скважине при откачке от логарифма времени S=f(lgt) (по таблице 3.1) По данным таблицы 3.1 сначала строятся экспериментальные точки, соответствующие паре значений S и lgt, а потом по этим точкам проводится 50

наклонная прямая, предположительно показывающая искомую зависимость, выраженную формулами 3.13 – 3.15. На прямой следует взять две произвольные точки, чтобы определить параметры прямой А и В. На рис. 3.5. эти точки изображены небольшими квадратами и не совпадают с экспериментальными точками. Первую (левую) точку удобно брать на оси ординат, так как это сразу дает величину параметра А, а по оси абсцисс здесь легко считывается значение lgt = 0. В данном примере:

точка 1: S1=0,33м; lgt1=0 точка 2: S2=1,35м; lgt2 = 3,00.

Отсюда по формуле (3.14) имеем: В=(S2 – S1)/(lgt2 – lgt1) = (1,35 – 0,33)/(3,00 – 0) = 0,34 м При Н = 9 м; Q=5м3/сут К=0,183Q/ВН=0,183·5м3/сут/(0,34м·9м)=0,30м/сут. Таким образом, коэффициент фильтрации, полученный при обработке данных в условиях нестационарного режима фильтрации, составил 0,3 м/сут.

3.3. Определение гидрогеологических параметров по данным восстановления уровней воды в скважинах после откачки При определении параметров по данным восстановления уровней воды после непродолжительных откачек, обработку ведут с учетом продолжительности откачки. В качестве уравнения, описывающего восстановление уровня, используется выражение: S=0,183Q/(kH)·lg((to+t)/t)

(3.17)

где S – понижение уровня воды в скважине, м; Н – мощность водоносного горизонта, м; to – длительность откачки, мин; t – время восстановления, отсчитываемое от конца откачки, мин. Значение коэффициента фильтрации k определяется по зависимости: k=0,183Q/HB 51

(3.18)

где В – угловой коэффициент прямой на графике, построенном в координатах S и lg((to+t)/t) – (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Общий вид графика зависимости понижения уровня воды в скважине S от величины lg((to+t)/t) при восстановлении Таблицы, графики и расчеты аналогичны графоаналитической обработке данных по квазистационарному режиму откачки, рассмотренной ранее.

Пример. После окончания откачки проводятся замеры по восстановлению уровней воды в скважине, которые могут быть обработаны и получены гидрогеологические параметры. Замеры проводятся сразу после выключения насоса, производившего откачку. Журнал наблюдений за восстановлением уровней воды в скважине после проведения откачки приведен в таблице 3.2. Исходные данные: Статический уровень на глубине 2,21 м; мощность водоносного горизонта Н = 9 м; расход скважины Q=5м3/сутки. Продолжительность откачки tотк=1200 минут.

Таблица 3.2 52

Журнал наблюдений восстановления уровней воды после проведения откачки Время от начала опыта t, мин 1 2 3 4 5 10 15 20 30 40 60 90 120 150 180 240 300 400 600 1200

(tотк + t)/t

lg(tотк+ t)/t

− 1201 601 401 301 241 121 81 61 41 31 21 14,3 11 9 7,67 6 5 4 3 2

− 3,080 2,779 2,603 2,479 2,382 2,083 1,908 1,785 1,613 1,491 1,322 1,156 1,041 0,954 0,885 0,778 0,699 0,602 0,477 0,301

Замеры, м Понижение S, м 3,61 3,33 3,27 3,11 3,22 3,10 2,93 2,94 2,91 2,76 2,80 2,70 2,75 2,57 2,51 2,62 2,57 2,43 2,50 2,43 2,32

1,40 1,12 1,06 0,90 1,01 0,89 0,72 0,73 0,70 0,55 0,59 0,49 0,54 0,36 0,30 0,41 0,36 0,22 0,29 0,11 0,22

По результатам таблицы строим график с точками в координатах S и lg((to+t)/t) (рис. 3.7). По нанесенным точкам строим осредненную прямую, на которой намечаем две произвольные точки (на рисунке отмечаем их квадратами).

53

Рис. 3.7. Пример графика зависимости понижения уровня воды в скважине S при восстановлении от величины lg((to+t)/t) (по табл. 3.2)

Как можно видеть по таблице, с течением времени происходит уменьшение величины S и величины lg((lgto+t)/t). Для удобства будем считать левую точку на графике первой, а правую второй: левая точка:

S1 = 0,05 м;

lg((to+t1)/t1)=0

правая точка:

S2 = 1,10 м;

lg((to+t2)/t2=3,00

Далее по графику 3.7 получаем значение углового коэффициента: В = (S2−S1)/(lg((to+t2)/t2))−lg((to+t1)/t1))=(1,10−0,05)/(3,00−0) = 0,35м Как уже было принято Н=9 метров, Q=5 м3/сут, тогда по формуле (3.18) получаем: k = 0,183Q/BH=0,183·5м3/сут/(0,35м·9м) = 0,29 м/сут. В результате обработки данных по восстановлению уровней воды в скважине был получен коэффициент фильтрации k = 0,29 м/сут.

54

3.4. Определение гидрогеологических параметров по данным наливов и нагнетаний Под опытным наливом понимается подача воды в скважину, при которой уровень воды находится в пределах участка опробуемых пород. Если в процессе опыта уровень воды в скважине находится выше верхней границы участка опробуемых пород, то такой опыт называют опытным нагнетанием. Опытные наливы и нагнетания в скважины проводят для изучения и оценки водопроницаемости обводненных пород в тех случаях, когда откачки затруднены (глубокое залегание подземных вод, слабая водоотдача, невозможность обеспечить ощутимые понижения и т. п.), а также при изучении фильтрационных свойств слабообводненных и необводненных пород зоны аэрации. Сравнительная простота проведения опытных наливов и нагнетаний в скважины обеспечила их широкое применение, особенно для целей гидротехнического строительства. Опытные наливы и нагнетания широко применяют также для определения водопроницаемости и удельного водопоглощения трещиноватых скальных пород, выявления необходимости цементации скальных оснований под инженерными сооружениями, выбора противофильтрационных мероприятий, проверки качества цементационных работ и др. Опытные нагнетания являются основным способом оценки водопроницаемости неводоносных трещиноватых скальных и полускальных пород, так как в этих породах можно относительно просто и надежно изолировать опробуемую зону скважины от остальной ее части и сохранить хорошее качество изоляции даже при значительном (более 30 м) напоре. Опытные наливы целесообразно применять в рыхло-связных и трещиноватых породах коры выветривания, относительная проницаемость которых характеризуется высоким удельным водопоглощением, и где поэтому, трудно обеспечить надежную изоляцию опробуемого участка и избыточный напор для нагнетания. Обычно при наливах и нагнетаниях не сооружают много наблюдатель55

ных скважин, желательно иметь хотя бы одну скважину для контроля изменений уровня. Режим фильтрации в процессе опытов может быть установившийся, если опыт ведут до тех пор, пока расход и напор не стабилизируются, и неустановившийся, если они не стабилизируются. Это и определяет выбор соответствующих расчетных схем и формул при обработке результатов опытов. По данным нагнетаний и наливов в скважины определяют условную характеристику водопроницаемости скальных пород – удельное водопоглощение q, под которым понимают количество воды, поглощенное породой в 1 мин на 1 м длины опробуемого участка скважины при напоре, равном 1 м. Для сопоставимости результатов опытные нагнетания ведут обычно поинтервально (стандартный интервал опробования 5 м) при нескольких ступенях напора (чаще всего 5, 10 и 15 м) до стабилизации расхода. Схемы движения воды при нагнетаниях и при откачках различаются только тем, что в первом случае вода движется от скважины, а во втором – к скважине. Поэтому для определения параметров по результатам нагнетания используют те же расчетные формулы, что и при откачках, лишь заменяя в них понижение уровня повышением. Ориентировочно коэффициент фильтрации k можно определять по величине удельного водопоглощения q с использованием переходного коэффициента а, устанавливаемого для массива изучаемых пород на основе совместного проведения опытных откачек и нагнетаний, т.е. к = аq. Обычно коэффициент а имеет значение от десятых долей до нескольких единиц. Наливы и нагнетания применяют для опробования как обводненных, так и необводненных пород. В первом случае опыты выполняются быстрее и проще, результаты опытных наливов и нагнетаний можно контролировать откачками (при этом обеспечивается возможность обоснованного распространения параметров, установленных при откачках, на участки и зоны, опробованные более дешевыми и быстрыми способами – наливами и нагнетаниями). 56

В необводненных породах проведение опытов усложняется, и их продолжительность увеличивается, а результаты практически нельзя контролировать, так как нагнетание в неводоносные трещиноватые породы является единственным методом оценки их фильтрационных свойств.

Величину

напора при опытах в необводненных трещиноватых породах условно отсчитывают от середины испытуемого интервала опробования. Для более тщательной очистки необводненного интервала опробования скважин перед нагнетаниями целесообразна его проходка с обратной промывкой при бурении. Методика проведения наливов и нагнетаний в скважины. Применяемое для опытов оборудование должно обеспечивать надежную изоляцию интервала опробования, непрерывную подачу в него в достаточном количестве воды и возможность регулировать и регистрировать расходы и напоры в процессе опыта. Опытные нагнетания обычно проводят по такой схеме. Монтируют систему водоснабжения опытной установки.

Собирают распределительное

устройство и тампон и выполняют другие подготовительные работы. Замеряют уровень воды в скважине и проверяют ее глубину, после чего в обводненных породах производят прокачку, а в необводненных – промывку, и наблюдают за восстановлением уровня воды. Опускают в скважину тампон и разжимают его на нужной глубине. Подключают тампон к распределительному устройству и проверяют качество изоляции интервала опробования тампоном и работу всей установки путем кратковременного нагнетания. Производят контрольный замер уровня воды в трубах, на которых смонтирован тампон (статический уровень), и приступают к нагнетаниям; их выполняют без перерыва на трех ступенях напора (обычно 15, 10 и 5 м). Нагнетание на каждой ступени продолжают до тех пор, пока в течение 2…3 часов не будет наблюдаться установившийся расход. Если при первой ступени напора расход воды на 1 м испытуемого участка не превышает в течение первых двух часов 0,02 л/мин, то опыт прекращают и считают породы интер57

вала практически водонепроницаемыми. В процессе опыта в журнале установленной формы регистрируют значения расхода, напора, температуры и другие показатели. По результатам опыта строят график зависимости приведенного расхода Qo от напора H. Приведенный расход определяют делением установившегося на каждой ступени расхода Q на длину испытуемого интервала l: Qo = Q/l – графики приведенных расходов Qo= f(Н) служат для контроля правильности опытов и являются основой для определения величины удельного водопоглощения. Аналогично кривым дебита при откачке они могут иметь прямолинейный или криволинейный характер. Получение криволинейного графика Qo= f(Н), обращенного выпуклостью вниз (к оси напоров), свидетельствует о том, что опыт проведен неправильно и его следует повторить. Наиболее распространено опробование скважин нагнетаниями по схеме сверху вниз, при которой скважина опробуется последовательно по мере ее углубления, поэтому кольматация ее ствола проявляется в меньшей степени, чем при опробовании по схеме снизу вверх. Скважину разбуривают до первого сверху интервала опробования, промывают, устанавливают на верхней границе интервала тампон и производят нагнетание. Затем тампон извлекают, разбуривают скважину до подошвы следующего интервала опробования, промывают вскрытый участок, устанавливают тампон на его верхней границе, производят нагнетание и т.д. Опытные нагнетания по схеме снизу вверх производят после бурения скважины с изоляцией испытуемых интервалов опробования двойными тампонами (практикуется редко) либо с тампонированием опробованного интервала глиной или цементом (практикуется чаще). При опыте по этой схеме скважина после завершения ее проходки должна быть тщательно промыта (что трудно осуществимо) для исключения влияния на его результаты закольматированности пород буровым шламом и глинистым раствором. Испытаниям подвергают выделенные с учетом фактического разреза скважины интервалы опробования, начиная с нижнего ин58

тервала.

Испытуемый интервал изолируют сверху тампоном, опробуют

нагнетаниями и после извлечения тампона тампонируют глиной или цементом. Затем изолируют и опробуют следующий интервал и т.д. Применяемое в настоящее время оборудование позволяет разжимать тампон в скважине на глубине до 100 м. С целью оценки водопроницаемости пород на большой глубине рекомендуется проводить нагнетания в интервалы опробования нарастающей длины. Для этого скважину углубляют каждый раз на 5 или 10 м (т.е. на глубину стандартного интервала опробования) и опробуют вскрытый скважиной разрез пород. Тампон устанавливают при этом на одной и той же максимально доступной глубине; таким образом, интервал, в который осуществляют нагнетание, последовательно увеличивается. Обработка результатов таких нагнетаний позволяет выявлять наиболее проницаемые зоны в разрезе отложений и получать сравнительную характеристику их водопроницаемости. Для этой же цели можно использовать данные наблюдений за поглощением промывочной жидкости при бурении скважин и, если необходимо, останавливать бурение и опробовать нагнетаниями наиболее проницаемые интервалы. При обработке результатов наливов и нагнетаний определяют удельное водопоглощение и коэффициенты фильтрации (по величине удельного водопоглощения с использованием переходного коэффициента либо по соответствующим расчетным формулам). Например, коэффициент фильтрации необводненных равномерно трещиноватых пород по данным наливов в скважины определяют по формуле В.М. Насберга: k = 0,423

Q 2h lg , 2 r h

(3.19)

где Q – установившийся расход воды, м3/сут, полученный при наливах в скважину радиусом r с поддержанием в ней постоянной высоты столба воды h, не превышающей длины интервала опробования. 59

Схема применима при условии, если расстояние от забоя скважины до водоупора больше или равно h. Результаты опытных наливов и нагнетаний отображают на специальных сводных листах. Опытные наливы и нагнетания в шурфы. Наиболее распространенным и отработанным методом изучения фильтрационных свойств связных и рыхлых пород зоны аэрации являются опытные наливы в шурфы, обеспечивающие фильтрационное опробование пород на глубину до 15 м. Суть этих опытов состоит в наблюдении за ходом инфильтрации воды из шурфов и получении характеристик инфильтрационного поток при поддержании постоянного уровня воды в шурфе в процессе опыта. В условиях инфильтрации воды из шурфов основными действующими силами являются гидростатический напор слоя воды и капиллярное всасывание, совпадающее по направлению с инфильтрационным потоком. Факторами, осложняющими проведение опытной инфильтрации, являются боковое растекание инфильтрационного потока (особенно интенсивное в глинистых и суглинистых породах) и влияние на инфильтрацию защемленного в породах воздуха. Эти факторы частично исключаются или учитываются при проведении опытных наливов в шурфы. При этом почти все методы определения коэффициента фильтрации по данным инфильтрации воды из шурфов основаны на расчетах по формулам установившейся фильтрации и отличаются простотой. При проведении опытов и обработке их результатов принимается, что породы в зоне инфильтрационного потока однородны в фильтрационном отношении. Воду наливают через углубление круглого сечения глубиной около 0,2 м, вырытый в дне шурфа. После закрепления стенок зумпфа дно его тщательно выравнивают и покрывают защитным слоем из мелкого чистого гравия толщиной 3…5 см. Опыт ведут при постоянной высоте столба воды в зумпфе HO = 10 см, который поддерживают путем поступления воды из мерного бака через автоматические регуляторы (сосуды Мариотта или др.). 60

Расход воды проверяют и регистрируют в журнале каждые 10…30 мин (чем больше расход, тем чаще делают замеры). Опыт обычно продолжают до стабилизации расхода. Считается, что расход установился, если в течение двух часов он не отклоняется от среднего за это время более чем на 10%. В зависимости от литологического состава опробуемых пород и применяемого оборудования наливы в шурфы выполняют способами А.К. Болдырева, Н.С. Нестерова и Н.К. Гиринского или на самодельных установках. Способ А. К. Болдырева. В испытуемой породе до заданной глубины роют шурф сечением 1х1,5 м, в дне которого устраивают зумпф круглого сечения диаметром 0,5 и глубиной 0,15…0,20 м. В песчаных породах стенки зумпфа закрепляют кольцом, которое вдавливают в дно зумпфа на 5…6 см. Воду подают в зумпф из мерного бака по гибкой трубке. Интенсивность подачи воды должна быть такой, чтобы высота столба воды в зумпфе поддерживалась постоянной и равной 10 см. Высоту столба контролируют по рейке (допустимы отклонения не более 1 см). Расход воды фиксируют по водомерной трубке мерного бака каждые 10…15 мин. В процессе опыта строят график зависимости расхода от времени; опыт продолжают до стабилизации расхода. Схема опыта по способу А.К. Болдырева приведена на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Схема установки для определения коэффициента фильтрации по методу А. К. Болдырева 61

Значение коэффициента фильтрации k определяется как установившаяся скорость инфильтрации V при напорном градиенте, равном единице (в условиях опыта l =1), k =V = Q/F, где F – площадь поперечного сечения зумпфа, через которую осуществляется инфильтрация воды из шурфа с расходом Q. При таком способе определения коэффициента фильтрации не учитываются действие капиллярных сил и боковое растекание потока. Поэтому наливы в шурфы по способу Болдырева целесообразно применять при опробовании хорошо проницаемых пород – крупнозернистых песков, гравийногалечниковых отложений, трещиноватых пород. Способ Н.С. Нестерова. При наливах в шурф по способу Нестерова для уменьшения влияния капиллярных сил и бокового растекания на дне шурфа устанавливают концентрично два цилиндрических кольца высотой 20…25 см. В процессе опыта воду при помощи сосудов Мариотта подают в оба кольца, поддерживая в них постоянный столб воды Но = 10 см. При этом предполагается, что вода из кольцевого зазора между внутренним и внешним цилиндрами расходуется преимущественно на боковое растекание, в то время как через площадь F внутреннего кольца она расходуется на инфильтрацию в вертикальном направлении (рис. 3.9).

62

Рис. 3.9. Схема бачка и прибора Н.С. Нестерова: 1 – корпус бачка; 2 – шкала; 3 – трубка для воды с краном; 4 – трубка для воздуха; 5 – штатив; 6 – поверхность земли; 7 – уровень воды в кольцах ; 8 – внутреннее кольцо; 9 – внешнее кольцо; 10 – слой гравия. В журнале наливов фиксируют лишь расход воды через внутреннее кольцо до его стабилизации. Строится график зависимости расхода от времени (рис. 3.10). Опыт прекращается по достижения стабилизации расхода.

Рис. 3.10. Общий вид графика зависимости расхода воды от времени 63

Коэффициент фильтрации определяют по формуле: (3.20)

k = Ql/F(Hо + hк + l), Допустимо использовать упрощенную формулу К = Q/F,

где Q – стабилизированный расход по внутреннему кольцу, м3/сут; F – площадь внутреннего кольца, м2; HO – постоянный столб воды в кольцах, м; hк – капиллярное давление, принимаемое равным 50% высоты капиллярного поднятия в испытуемых породах (принимается по таблице 3.3), м; l – глубина инфильтрационного просачивания воды под дном шурфа (определяется после окончания опыта путем бурения двух скважин в центре шурфа и в 3…4 м от него – по влажности вскрываемых в них пород), м. Таблица 3.3.

Значения капиллярного давления hk с учетом поправок Грунт

Высота капиллярного поднятия hk, м

Суглинок тяжелый Суглинок легкий Супесь тяжелая Супесь легкая Песок мелкозернистый глинистый Песок мелкозернистый чистый Песок среднезернистый Песок крупнозернистый

1,00 0,80 0,60 0,40 0,30 0,20 0,10 0,05

Пример. Прибором Нестерова проведено испытание легких суглинков. Высота столба воды в кольцах Н0 составляла 10см. Глубина просачивания воды l по окончании опыта составила 1,5 метра. Площадь внутреннего кольца F составляет 400см2 = 0,04м2. В таблице 3.4 приводится расход воды по внутреннему кольцу в процессе опыта.

64

Таблица 3.4. Замеры по внутреннему кольцу по прибору Нестерова

Время от начала опыта, мин 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220

Отсчет, литры

Продолжительность, мин

Профильтровавшийся объем V, л

Расход Q л/мин

0 0,20 0,40 0,55 0,75 0,85 0,95 1,05 1,15 1,30 1,40 1,90 2,65 3,15 3,65 4,45 5,05 5,55/0,00 Замена бачка 0,40 0,90 1,30 1,70 2,00 2,20 2,50 2,70 2,90 3,20 3,40 3,60 3,90 4,20 4,40 4,70

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 5 5 5 10 10 10

0,20 0,20 0,15 0,20 0,10 0,10 0,10 0,10 0,15 0,10 0,50 0,75 0,50 0,50 0,80 0,60 0,50

0,20 0,20 0,15 0,20 0,10 0,10 0,10 0,10 0,15 0,10 0,10 0,15 0,10 0,10 0,08 0,06 0,05

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

0,40 0,50 0,40 0,40 0,30 0,20 0,30 0,20 0,20 0,30 0,20 0,20 0,30 0,30 0,20 0,30

0,04 0,05 0,04 0,04 0,03 0,02 0,03 0,02 0,02 0,03 0,02 0,02 0,03 0,03 0,02 0,03

65

По данным таблицы строим график расхода Q по времени t – рис.3.11.

Рис. 3.11. Пример графика зависимости расхода воды по внутреннему кольцу от времени на приборе Нестерова (по данным табл. 3.4) По графику видна стабилизация расхода, происходящая примерно к 150-ой минуте опыта. По конечному участку графика от 150 до 220-ой минуты определяем средний стабилизированный расход Q=0,025л/мин=0,036м3/сут. По таблице 3.4 находим величину капиллярного давления для легких суглинков hk = 0,8 метра. Подставляем все данные в формулу 3.20, получаем: k = Q·l/F(H0+hk+l) = 0,036м3/сут·2м/(0,04м2(0,1м+0,8м+1,5м))=0,56 м/сут. Таким образом, при проведении опыта по наливу воды в шурф по методу Нестерова, получен коэффициент фильтрации k = 0,56 м/сут. Способ Н.К. Гиринского. Этот способ применяют для определения водопроницаемости мелкозернистых песков, супесей и суглинков. Технически он производится, как и налив по способу Болдырева, через цилиндр диаметром от 30 до 50 см при постоянном уровне и до стабилизации расхода. 66

Теоретически способ Гиринского более обоснован и точен, так как при обработке результатов опыта учитываются боковое растекание инфильтрационного потока, влияние капиллярных сил и защемленного воздуха. После опыта берут из-под цилиндра пробы пород для определения их пористости и объемной влажности и учета на этой основе влияния защемленного воздуха и бокового растекания путем введения в расчетную формулу поправочных коэффициентов.

3.5.

Определение направления и скорости движения подземных вод

Для решения многих теоретических и практических задач, связанных с выявлением условий формирования и разрушения месторождений полезных ископаемых, миграцией в воде различных химических и биологических компонентов, с прогнозом распространения загрязнений, устойчивости откосов карьеров, оснований плотин и других инженерных сооружений, необходимо определять направление и скорость движения подземных вод. Эти важные параметры потоков подземных вод определяют гидрогеологическими и геофизическими методами, причем обычно совместно. Гидрогеологические методы определения направления движения подземных вод. Направление движения подземных вод легче всего установить по картам гидроизогипс (либо гидроизопьез) для изучаемых водоносных горизонтов. По таким картам направление движения подземных вод определяют по линиям тока, проведенным перпендикулярно к гидроизогипсам (либо гидроизопьезам) по уклону потока, т.е. от гидроизогипсы с большей отметкой к гидроизогипсе с меньшей отметкой. При отсутствии карт, отражающих положение свободной или пьезометрической поверхности подземных вод, для определения направления их движения необходимо иметь не менее трех выработок с отметками уровня подземных вод в одно и то же время. Выработки желательно располагать по углам равностороннего треугольника с длиной стороны от 50 до 300 м (чем 67

меньше уклон потока, тем больше должно быть расстояние между выработками). По известным или установленным в трех (или более) точках отметкам уровня проводят с учетом интерполяции несколько гидроизогипс (либо гидроизопьез) и определяют направление движения по перпендикуляру к ним в сторону убывания отметок. Геофизические методы определения направления и скорости движения подземных вод. При отсутствии карт гидроизогипс (либо гидроизопьез) и достоверных данных об уровне подземных вод направление их движения устанавливают при помощи геофизических методов.

Направление движения

подземных вод устанавливают методом запуска красителя с периодическим фотографированием в скважине его конуса выноса. Краситель опускают в скважину в специальной капсуле. По скорости размывания конуса выноса красителя можно ориентировочно определять и скорость движения подземных вод. Для водоносных горизонтов, сложенных породами с редкой и неравномерной трещиноватостью, этот метод применять не рекомендуется. Индикаторные методы определения направления и скорости движения подземных вод. Действительную скорость движения подземных вод U можно определить, зная скорость фильтрации V и активную пористость пород nа, так как U = V/па. Скорость фильтрации V = kI вычисляют с использованием коэффициента фильтрации водоносных пород k и напорного градиента I (определяется по карте гидроизогипс или гидроизопьез).

Однако более

надежные результаты дает индикаторный метод определения действительной скорости движения подземных вод. Индикаторный метод основан на введении в испытуемый горизонт через пусковые скважины каких-либо индикаторов и определении скорости их передвижения в условиях подземного потока по времени появления в наблюдательных скважинах. Индикаторы должны быть безвредными, устойчивыми и легко обнаруживаться в подземных водах. Наиболее часто в качестве индикаторов применяют красители (флюо68

ресцеин, родамин – В, уранин, эритрозин и др.), электролиты (поваренная соль, хлористый аммоний, соли лития и др.) и радиоактивные соединения (содержащие J131, Вг82, Н3, СО60, Сг51 и др.). Когда в качестве индикаторов применяют радиоактивные изотопы, метод изучения движения подземных вод называют радиоиндикаторным. Перед проведением опыта участок должен быть хорошо изучен в гидрогеологическом отношении. В пусковых и наблюдательных скважинах при помощи геофизических исследований, лабораторных работ и поинтервального опробования должны быть выделены, соответствующим образом изучены, а при послойном опробовании изолированы пласты, горизонты или интервалы, подлежащие исследованию. Если передвижение индикатора прослеживают при помощи наблюдательных скважин, то они должны быть заложены ниже по потоку на расстоянии от пусковой скважины 0,5…2 м в суглинистых и супесчаных породах, 2…8 в песчаных зернистых, 5…15 в гравийно-галечных и хорошо проницаемых трещиноватых и 15…50 м и более – в закарстованных породах. Наблюдательных скважин может быть от одной до трех, расстояние между ними – от 0,5 до 2 м. Определять направление и скорость движения подземных вод можно и без наблюдательных скважин (односкважинные методы), используя данные наблюдений за изменением концентрации индикатора во времени или за его распространением непосредственно в пусковой скважине (фотографирование конусов распространения красителей, термометрические и радиоиндикаторные замеры и т.д.). Появление индикатора в наблюдательных скважинах устанавливают химическим, электрическим и колориметрическим способами; первые два дают более надежные результаты. При химическом способе появление индикатора фиксируют по изменению его концентрации в пробах воды, периодически отбираемых из наблюдательных скважин. Для того чтобы более точно установить время появления индикатора в наблюдательной скважине, изменение 69

его концентрации в пробах воды изображают в виде графика. Время прохождения индикатора от пусковой до наблюдательной скважины tмакс исчисляют от момента его запуска в пусковой скважине до момента, когда его концентрация в наблюдательной скважине окажется максимальной (рис. 3.12).

Рис. 3.12. График изменения концентрации индикатора в наблюдательной скважине в зависимости от времени Скорость движения подземных вод определяют как частное от деления пройденного индикатором расстояния ∆l на время его прохождения от пусковой до наблюдательной скважины tмакс. Аналогичным образом определяют действительную скорость движения подземных вод при электролитическом и колориметрическом способах обнаружения индикатора. В первом случае время появления индикатора в наблюдательной скважине фиксируют по максимальной величине силы электрического тока в цепи, замкнутой через скважину (максимальной сила тока будет в момент прохождения индикатора-электролита через наблюдательную скважину), во втором случае – по максимальной интенсивности окраски отбираемых проб во70

ды (ее оценивают при помощи флюороскопа). При использовании любого метода для более точного определения времени появления индикатора в наблюдательной скважине необходимо строить графики изменения наблюдаемого показателя (силы тока или концентрации красителя). При радиоиндикаторном методе определения направления и скорости движения подземных вод перемещение помеченных радиоактивными изотопами порций воды контролируют, замеряя при помощи специальных приборов интенсивность радиоактивного излучения и концентрацию индикаторов. В методическом отношении радиоиндикаторный метод аналогичен индикаторному методу. Благодаря возможности использовать радиоактивные индикаторы низких концентраций, их сравнительно большой сорбционной способности и высокой точности определения радиоиндикаторные методы являются перспективными не только для определения направления и скорости движения подземных вод, но и для решения многих других гидрогеологических задач. Особенно эффективен односкважинный радиоиндикаторный метод, заключающийся в наблюдении за изменением во времени концентрации введенного в скважину радиоактивного индикатора. Эти замеры и эпюры распределения его активности, получаемые при помощи опускаемого в скважину зонда, позволяют определять расход, скорость и направление движения потока подземных вод. Индикаторный и радиоиндикаторный методы используют для определения скорости движения подземных вод, как в естественных условиях, так и в условиях воздействия различных инженерных сооружений и мероприятий (при откачках воды из скважин, исследовании движения подземных вод в районах гидротехнического строительства, при захоронении сточных вод, а также в других случаях).

71

3.6. Определение коэффициента фильтрации песков по эмпирическим зависимостям Для определения коэффициента фильтрации k песчаных, относительно однородных пород существуют различные эмпирические формулы (Хазена, Замарина, Слихтера, Козени, Теруати), в которых используются данные о гранулометрическом составе породы, ее пористости, вязкости воды и другие показатели. Все эти формулы дают приближенные результаты. К числу наиболее используемых эмпирических формул относится формула Хазена: 2 k = Cd эф (0,7 + 0,03t )

(3.21)

где C– эмпирический коэффициент, зависящий от степени однородности и пористости породы, изменяется от 400 до 1200 и может определяться по формуле: С = 400 + 40(n – 26),

(3.22)

где n – пористость породы; dэф – эффективный или действующий диаметр частиц, определяемый графически по кривой гранулометрического состава песка; t – температура воды в градусах Цельсия, определяющая ее вязкость. Для метода Хазена под действующим или эффективным диаметром частиц dэф понимается такой диаметр, меньше которого имеются частицы, составляющие в породе 10% (dэф = d10). При построении кривой гранулометрического состава по оси абсцисс откладываются логарифмы значений диаметров частиц, а по оси ординат суммарное процентное содержание фракций в породе частиц от самых мелких значений до данного диаметра (рис.3.13).

72

Рис. 3.13. Кривая гранулометрического состава Чтобы по кривой найти диаметр частиц, соответствующий определенному содержанию их в грунте, из точки, находящейся на вертикальной оси и отвечающей заданному процентному содержанию, например 10%, проводят горизонтальную линию до пересечения с кривой и из точки пересечения опускают перпендикуляр на горизонтальную ось, найдя, таким образом, искомый диаметр частиц. Для характеристики степени неоднородности пород необходимо учитывать и коэффициент неоднородности КH − отношение диаметра зерен, содержание которых по кривой гранулометрического состава соответствует 60% (d60), к действующему диаметру (dэф = d10): КН =

d60 d10

(3.23)

Формулу Хазена можно применять только при условии, если коэффициент неоднородности породы КH ≤ 5.

73

Пример. В таблице 3.5 приводятся данные гранулометрического состава песка. Эмпирический расчетный коэффициент СО = 500, температура воды tO=8OC. Определить коэффициент фильтрации песка. Таблица 3.5

Данные гранулометрического состава песка Фракции песка, мм < 0,005 0,005…0,05 0,05…0,1 0,1…0,25 0,25…0,5 0,5…1 1…2

Процентное cодержание фракции 3 25 45 13 11 2 1

Суммарное процентное содержание 3 28 73 86 97 99 100

По данным таблицы 3.5 строим кривую гранулометрического состава песка – рис. 3.13. По кривой определяем d10 = 0,17мм; d60 = 0,81 мм; Вычисляем коэффициент неоднородности КН = d60/d10 = 0,81/0,17 = 4,8. Как можно видеть, КН < 5, следовательно, можно применить формулу Хазена для определения коэффициента фильтрации. Итак, коэффициент фильтрации равен: k = С0·dэф2(0,7+0,03tO)=500·0,172(0,7+0,03·8) =13,6 м/сут.

Метод не требует проверки по размерности параметров, входящих в состав формулы. Диаметр взят в миллиметрах, температура в градусах, а результат имеет размерность метры в сутки – это особенность эмпирических методов.

3.7. Определение коэффициента фильтрации песков в лабораторных условиях Коэффициент фильтрации в лабораторных условиях определяется в приборах различной, но похожей конструкции (приборы Каменского, Спец74

ГЕО, «КФ-00М» и др.). Лабораторный прибор «КФ-00М» по определению коэффициента фильтрации песчаных грунтов показан на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Схема прибора «КФ-00М» 1 – цилиндр; 2 – муфта; 3 – перфорированное дно;4 – латунная сетка; 5 – подставка; 6 – корпус; 7 –- крышка; 8 – подъемный винт; 9 – стеклянный баллон со шкалой объема фильтрующейся жидкости; 10 – планка со шкалой градиентов напора; 11– испытуемый образец грунта. Основными элементами конструкции прибора являются: 1.

Фильтрационная трубка, состоящая из прямого полого цилиндра

внутренним диаметром 56,5 мм и высотой 100 мм с заостренными краями, перфорированного дна с отверстиями диаметром 2 мм и муфты с латунными сетками, мерного стеклянного баллона объемом 140 см3 и высотой 110…115 мм со шкалой объема фильтрующейся жидкости; телескопическое приспособление для насыщения грунта водой и регулирования градиента напора, 75

состоящее из подставки, подъемного винта, планки со шкалой градиентов напора от 0 до 1 ценой деления 0,02; корпус с крышкой. 2.

Цилиндр, планка со шкалой градиентов напора, сетки, подъем-

ный винт изготовлены из не коррозирующего металла. 3.

Измерительные приборы, применяемые для определения коэф-

фициента фильтрации грунтов, должны поверяться в соответствии с технической документацией. Подготовка к испытанию. Для проведения испытания грунт следует

подготовить в следующей последовательности: • песок и воду, предназначенные для определения коэффициента

фильтрации, выдерживают в лаборатории до выравнивания их температуры с температурой воздуха; • из корпуса прибора извлекают фильтрационную трубку и разбирают

ее; • заполняют цилиндр испытываемым грунтом ненарушенного сложе-

ния в следующем порядке: • заранее взвешенный цилиндр ставят заостренным краем на вы-

ровненную поверхность грунта и винтовым прессом (или рукой) слегка вдавливают его в грунт, обозначая границы будущего образца для проведения испытаний; • грунт у заостренного края цилиндра (с внешней его стороны) среза-

ют острым ножом в виде столбика диаметром на 0,5…1 мм больше диаметра цилиндра и высотой примерно 10 мм. Одновременно, по мере срезания грунта, легким надавливанием пресса постепенно надвигают цилиндр на грунт, не допуская перекоса, до полного заполнения цилиндра. В грунт, из которого не удается вырезать столбик, цилиндр вдавливают; • верхний торец, образца грунта зачищают ножом вровень с краями

цилиндра и накрывают заранее взвешенной пластинкой; 76

• подхватывают цилиндр с грунтом снизу лопаткой, перевертывают

его, зачищают нижний торец образца грунта вровень с краями цилиндра и также накрывают заранее взвешенной пластинкой: • взвешивают цилиндр с образцом грунта и покрывающими его пла-

стинками; • определяют плотность грунта по ГОСТ 5180; • надевают на цилиндр с образцом грунта дно с латунной сеткой, по-

крытой кружками марли; • заполнение цилиндра грунтом нарушенного сложения выполняют в

следующем порядке: на цилиндр надевают дно с латунной сеткой, покрытой кружком марли; наполняют цилиндр подготовленным грунтом, верх слоями толщиной 1…2 см; необходимую массу грунта (m) в граммах вычисляют по формулам: Если грунт массой m не укладывается в цилиндр, то его уплотняют трамбованием. Заполнение цилиндра испытываемым грунтом в предельно рыхлом и предельно плотном состоянии выполняют в следующем порядке: • цилиндр с дном и латунной сеткой, покрытой кружком марли, взве-

шивают; • для получения образца в предельно рыхлом состоянии цилиндр за-

полняют грунтом, насыпая его с высоты 5…10 см без уплотнения, в предельно плотном состоянии – слоями толщиной 1…2 см с уплотнением каждого слоя трамбованием; • зачищают поверхность образца грунта вровень с краями цилиндра и

взвешивают цилиндр с грунтом; определяют плотность грунта по ГОСТ 5180. Проведение испытания. Коэффициент фильтрации грунта определяют

в следующем порядке: • вращением подъемного винта устанавливают цилиндр с грунтом до

совмещения отметки необходимого градиента напора на планке с 77

верхним краем крышки корпуса и доливают воду в корпус до верхнего его края. Испытания проводят при поэтапном увеличении значений градиента напора. • замеряют температуру воды; • заполняют мерный стеклянный баллон водой и, закрывая пальцем

его отверстие, опрокидывают отверстием вниз, подносят возможно ближе к цилиндру с грунтом и, отнимая палец, быстро вставляют в муфту фильтрационной трубки так, чтобы его горлышко соприкасалось с латунной сеткой, а в баллон равномерно поднимались мелкие пузырьки воздуха. Если в мерный баллон прорываются крупные пузырьки воздуха, то его необходимо опустить ниже, добившись появления мелких пузырьков; • отмечают время, когда уровень воды достигнет деления шкалы мер-

ного баллона, отмеченного цифрой 10 (или 20) см3 принимая это время за начало фильтрации воды. В дальнейшем фиксируют время, когда уровень воды достигнет соответственно делений 20, 30, 40, 50 (или 20, 40, 60, 80) см3 или других кратных значений. Производят четыре отсчета. Обработка результатов. Коэффициент фильтрации k, приведенный к

условиям фильтрации при температуре 10°С, вычисляют по формуле: k=

864Vw tm AT I

(3.24)

где Vw – объем профильтровавшейся воды при одном замере, см3; tm – средняя продолжительность фильтрации (по замерам при одинаковых расходах воды), с; A = 25 см2 – площадь поперечного сечения цилиндра фильтрационной трубки, см2; I – градиент напора; Т=(0,7 + 0,03 Тф) – поправка для приведения значения коэффициента фильтрации к условиям фильтрации воды при температуре 10°С, где Тф – фактическая температура воды при испытании, °С; 864 – переводной коэффициент (из см/с в м/сут). 78

Коэффициент фильтрации вычисляют до второй значащей цифры. Расчет коэффициента фильтрации проводят в табличной форме, с постоянной величиной расхода воды поступающей из цилиндра определенной площади поперечного сечения при различных градиентах напора и температуре.

Пример. При проведении опыта на образце песка за 10 минут и 12 секунд профильтровалось 90 см3 воды. Температура воды составляла 15 градусов Цельсия, выставленный на приборе напорный градиент составляет 0,9.Определить коэффициент фильтрации. Выразим время фильтрации в секундах: 10минут и 12секунд = 612 секунд. Итак, коэффициент, приведенный к условию Т=100С равен: k = (864·90см3)/(612сек·25см2·(0,7+0,03·15град)·0,9) = 4,9 м/сут.

Таким образом, при проведении опыта в фильтрационной трубке получен коэффициент фильтрации, равный k = 4,9 м/сут.

79

ВОПРОСЫ К СЕМЕСТРОВОМУ КОНТРОЛЮ 1. Какие гидрогеодинамические параметры определяют с помощью опытно-фильтрационных работ? Для чего они используются? 2. Назовите гидродинамические отличия проведения нагнетаний и наливов. Каковы природные условия для их применения? 3. Сформулируйте условия проведения наливов в скважины. Какой метод для этого используется? 4. Какие опытно-фильтрационные работы относятся к полевым работам, какие – к лабораторным? 5. Назначение изысканий, где широко используются наливы. Какие задачи при этом решаются? 6. Назовите гидрогеологические методы определения направления движения и уклона подземных вод? 7. Какие геофизические методы используются для определения фильтрационных свойств горных пород? Назовите условия их применения. 8. Что такое кустовая откачка? Назовите основные задачи, которые она решает. 9. Назовите условия и сущность проведения наливов в шурфы. 10.Дайте классификацию откачек по назначению. Назовите их сходство и различие. 11.Охарактеризуйте фильтрационный режим при проведении нагнетаний и способы контроля его правильности и продолжительности. 12.Назовите условия и технологии проведения налива по методу Болдырева. 13.Дайте характеристику пробным откачкам. Их назначение, основные параметры и методика проведения. 14.Что такое приведенный и удельный расход при проведении нагнетаний в скважины? Напишите формулу их определения.

80

15.Назовите достоинства и недостатки налива по методу Болдырева и формула для определения коэффициента фильтрации. 16.Что такое опытные откачки? Их виды задачи, которые они решают. 17.Условия проведения нагнетания в необводненные породы. Какие параметры при этом можно определить? Приведите формулу определения любого из них. 18.Налив по методу Нестерова – условия применения и режим опыта. Преимущество и недостатки. 19.Как определяется количество лучей и наблюдательных скважин при кустовых откачках? 20.Технология проведения налива по методу Нестерова. 21.Геофизические методы для определения направления и скорости движения подземных вод. Какие индикаторы для этого используются? 22.Как определяется расстояние от опытной скважины до наблюдательных? 23.Общие рекомендации по проведению откачек (всех видов) в отношении фильтрационного режима, понижений, водоотбора, продолжительности. 24.Какие индикаторы применяются для определения направления и скорости движения подземных вод? 25.Для чего необходимы прокачки скважин? Назовите условия и особенности их проведения. 26.Сущность проведения налива по методу Биндемана. Достоинства и недостатки. 27.Способы определения индикатора в наблюдательных скважинах. Формула для определения действительной скорости (υд) движения подземных вод. 28.Для чего необходимы прокачки скважин? Назовите условия и особенности их проведения. 81

29.Сущность проведения налива по методу Биндемана. Достоинства и недостатки. 30.Способы определения индикатора в наблюдательных скважинах. Напишите формулу для определения действительной скорости движения подземных вод. 31.Назовите условия использования моделирования для определения гидродинамических параметров. 32.Назовите условия проведения кустовых откачек по понижениям уровней, водоотбору и продолжительности. 33.Напишите формулы для определения коэффициента фильтрации при проведении налива по методу Нестерова.

82

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Всеволожский В.А. Основы гидрогеологии: учебник. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГУ, 2007. – 448 с. 2. ГОСТ 25584-90. Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации» (утв. Постановлением Госстроя СССР от 04.04.1990 № 32) (ред. от 02.12.1993). 3. ГОСТ 25100–95. «Грунты. Классификация». 4. ГОСТ 21.302–96. «Условные графические обозначения в документах». 5. Жабин В.Ф., Карпенко Н.П., Ломакин И.М. Формирование гетерогенной среды и регулирование режима грунтовых вод в задачах природообустройства. – Монография. – М.: ФГБОУ ВПО МГУП, 2013. – 208 с. 6. Карлович И.А. Геология: Учебное пособие для вузов. – 3-е изд. – М.: Академический Проект: Трикста, 2005. – 704 с. 7. Карпенко Н.П., Дроздов В.С. Геология четвертичных отложений. – Учебное пособие. – Изд-во РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2016. – 100 с. 8. Карпенко Н.П., Ломакин И.М., Дроздов В.С. Основы инженерной геологии. Учебное пособие. – М.: ФГБОУ ВПО МГУП, 2014. – 278 с. 9. Карпенко Н.П., Ломакин И.М., Землянникова М.В., Дроздов В.С. Учебно-методическое пособие к практическим занятиям по курсу геология и основы гидрогеологии (химический состав подземных вод). – Изд-во РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, ООО «УМЦ «Триада», 2015. – 30 с. 10.Короновский Н.В. Общая геология: Учебник для вузов. Изд-во МГУ, 2002. – 447 с. 11.Ломакин И.М., Манукьян Д.А. Основы гидрогеологии. Учебное пособие / Под ред. Манукьяна Д.А. / – М.: МГУП, 2006. – 199 с. 12.Ломакин И.М., Манукьян Д.А., Землянникова М.В. Основные породообразующие минералы и горные породы. – М.: МГУП, 2007. – 142 с. 83

13.Манукьян Д.А., Карпенко Н.П. Геологические изыскания для строительства (инженерно-геологические и инженерно-экологические изыскания). – Учебно-методическое пособие. – М.: ФГБОУ ВПО МГУП, 2013. – 104 с. 14.Манукьян Д.А., Ломакин И.М., Землянникова М.В., Дроздов В.С. Методические указания к выполнению работы «Химический состав, свойства и оценка подземных вод». – М.: МГУП, 2003. –18 с. 15.Соколов Б.А. Мелиоративная инженерная геология. Курс лекций. – М.: МГУП, 2003. – 178 с. 16.Справочное руководство гидрогеолога. 3-е изд., перераб. и доп. Т. 1/В.М. Максимов, В.Д. Бабушкин, Н.Н. Веригин и др. Под ред. В.М. Максимова. – Л.: Недра, 1979. – 512 с. 17.Толстой М.П., Малыгин В.А. Геология и гидрогеология. – М.: Недра, 1988. –318 с. 18.Шестаков В.М. Гидрогеодинамика: учебник. – М.: КДУ, 2009. – 334 с.

84

Учебное издание

Карпенко Нина Петровна Ломакин Иван Михайлович Землянникова Марина Владимровна Валерьян Степанович Дроздов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ Учебно-методическое пособие Издано в авторской редакции Корректура авторов О - макет – Карпенко Н.П. Обложка – Карпенко Н.П.

Подписано в печать 00.00.2016. Формат 60х84/16 Усл. печ. л. 5,3. Уч.-изд. л 5,3. Тираж 150 экз. Изд. № . Зак.

Издательство РГАУ-МСХА 127550, г. Москва, Тимирязевская ул., 44 Тел.: 8(499)977-00-12; 977-40-64

85