Диденков Ю.Н., Чернов А.Ю. Полевые методы гидрогеологических исследований. Методическое пособие - файл n1.doc

Диденков Ю.Н., Чернов А.Ю. Полевые методы гидрогеологических исследований. Методическое пособие
Скачать все файлы (2485.3 kb.)

Доступные файлы (2):
n1.doc2283kb.06.12.2012 08:01скачать
n2.doc203kb.06.12.2012 08:02скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9

2. ИЗУЧЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

ГОРНЫХ ПОРОД ЗОНЫ АЭРАЦИИ
Основы динамики подземных вод

Движение гравитационной воды в пористой и трещиноватой среде называется фильтрацией. В реальной пористой среде движение воды происходит через систему открытых и сообщающихся между собой пористых каналов и трещин. Вследствие исключительно сложного харак­тера изменчивости путей и скорости движения воды в горных породах невозможно изучение процессов фильтрации через отдельные поровые каналы и трещины. Поэтому движение воды в пористой среде рассмат­ривается обобщенно и его характеристики получают не для отдельных точек порового пространства или каналов, а для всего поперечного сечения фильтрующей среды в целом. При этом условно допускается, что поток подземных вод занимает как бы весь водоносный горизонт, включая все пористое пространство и скелет породы. Таким образом, реальный поток подземных вод, движущихся через пористое прост­ранство, в динамике подземных вод заменяется условным потоком, занимающим весь водоносный горизонт. Такой поток называется фильтрационным потоком [1, 2].

СКОРОСТЬ ФИЛЬТРАЦИИ определяется количеством воды (объемным расходом), которое протекает за единицу времени через единицу площади поперечного сечения пористой среды

(6)

где V - скорость фильтрации, м/сут; Q - расход воды, м3/сут; F - площадь поперечного сечения, м2.

Скорость фильтрации V не равна действительной скорости подземных вод. ДЕЙСТВИТЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ подземного потока воды может быть определена, если объемный расход фильтрующейся в единицу времени воды Q отнести к площади пор F, через которую происходит движение воды:

(7)


где nа - активная пористость, в долях единицы.

Соотношение между действительной скоростью движения и ско­ростью фильтрации может быть определено следующим образом:
(8)

Средняя действительная скорость движения воды в пористой среде всегда значительно больше средней скорости фильтрации, так как активная пористость всегда меньше единицы.

Движение подземных вод в горных породах может быть ламинар­ным или турбулентным. Под линейным или параллельно-струйчатым движением понимается такое движение, когда струйки воды передви­гаются без завихрения, параллельно одна другой с небольшой ско­ростью без разрыва сплошности потока. Под турбулентным понимается движение воды, для которого характерны большие скорости, вихреобразность, пульсация и перемешивание отдельных струй. В природных условиях движение воды в пористой и трещиноватой среде чаще лами­нарное. Только в крупных пустотах и трещинах, а также на локаль­ных участках интенсивного воздействия инженерных сооружений (нап­ример, при интенсивных откачках из скважин) движение подземных вод может перейти в турбулентное.

В 1856 г. французский инженер-гидравлик Анри Дарси экспериментально установил, что при ламинарном движении подземных вод в горных породах количество воды Q, фильтрующейся через пористую породу в единицу времени, прямо пропорционально площади F, раз­ности уровней Н, под действием которой происходит фильтрация, и обратно пропорционально длине пути фильтрации L:
(9)
где K коэффициент пропорциональности, названный в дальней­шем коэффициентом фильтрации и зависящий от физических свойств породы и фильтрующейся жидкости, м/сут.

Отношение Н/L, показывающее изменение уровня подземных вод по пути фильтрации, называется напорным или гидравлическим градиентом и обозначается через I.

Гидравлический градиент (уклон потока) - величина безразмер­ная.

Используя понятие скорости фильтрации как расхода воды, про­текающей через единицу площади поперечного сечения потока (6) по закону Дарси - Q = KIF, поделив обе части уравнения на F, полу­чим

V = KI (10)

Формула (10) показывает линейную зависимость скорости филь­трации от напорного градиента I и, поэтому, закон Дарси называют линейным законом фильтрации.

Линейный закон фильтрации применим с достаточной для практи­ки точностью не только для мелкозернистых и крупных песков, но (в удалении от водозаборов) и для песчано-галечных образований, а также трещиноватых пород при действительных скоростях движения подземных вод до 1000 м/сут. Следовательно, для решения гидрогео­логических задач в большинстве случаев можно пользоваться линей­ным законом фильтрации, так как скорости, превышающие 1000 м/сут, встречаются редко.

В крупнообломочных и сильно трещиноватых породах сохраняется ламинарный режим движения воды, если она движется с малой ско­ростью, но при значительных скоростях этот режим нарушается и развивается турбулентное движение. Для этой разновидности движе­ния воды используется зависимость Шези-Краснопольского:

, (11)

то есть при турбулентном движении скорость фильтрационного потока пропорциональна его уклону в степени 1/2.

Коэффициент пропорциональности К, входящий в уравнение Дарси, называется коэффициентом фильтрации. Коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость горных пород. Он зависит от геометрии порового пространства (физических свойств породы) с од­ной стороны и от гидродинамических свойств фильтрующейся жидкости (плотности и вязкости) с другой.

Если в уравнении Дарси (10) принять I = 1, то V = К. Следовательно, коэффициент фильтрации при напорном градиенте, равном единице, имеет размерность скорости и выражается в метрах в сутки (в час, секунду) и в сантиметрах в секунду (м/сут, м/ч, м/с, см/с).

Ориентировочно характеристики коэффициентов фильтрации основных литологических разностей пород приведены в таблице 1.

Более точные значения коэффициентов фильтрации горных пород получают при проведении опытно-фильтрационных работ и лабораторных исследований.

Таблица 1
Ориентировочные значения коэффициентов фильтрации [1, 3]

Горная порода

Коэффициент фильтрации, м/сут

Группа пород по степени проницаемости

Глина

0,001-0,0002

Относительно водоупорные

Суглинок

0,01-0,1

Весьма слабопроницаемые

Супесь

0,1-0,5

Слабопроницаемые

Песок глинистый

0,5-1,0

Слабопроницаемые

Песок мелкозернистый

1-5

Проницаемые

Песок среднезернистый

5-15

Проницаемые

Песок крупнозернистый

15-50

Хорошо проницаемые

Песок с галькой

50-100

Хорошо проницаемые

Галечник

100-200

Весьма проницаемые


Общие положения

Наиболее распространенными и разработанными методами изучения фильтрационных свойств рыхлых пород зоны аэрации являются опытные наливы воды в шурфы /4 –12/, которые обеспечивают определение водопроводимости пород на глубину до 5 м (при ярусном проведении опытов на глубину до 10-15 м). Сущность опытов заключается в наблюдениях за ходом инфильтрации воды из шурфов и снятии характеристик инфильтрационного потока в условиях постоянного уровня воды в шурфе в процессе опыта.

Зона аэрации представляет собой трехфазную систему: скелет породы - связанная вода - воздух, заполняющий поры и трещины. Поверхностные воды, поступающие из шурфа в породу, вытесняют воздух и двигаются по порам и трещинам под действием гравитационных и капиллярных сил, возникающих на границе раздела вода-воздух. Капиллярное давление действует как некоторый дополнительный напор, ко­торый необходимо учитывать при определении напорного градиента потока, инфильтрующегося из шурфа.

Лабораторные опыты показали, что капиллярное давление Hк при инфильтрации составляет в среднем 50 % от давления, оказываемого столбом воды при максимальной высоте капиллярного поднятия. Ориентировочные значения величины Hк рекомендуется определять из таблицы 2.
Таблица 2

Максимальная высота капиллярного поднятия

в различных породах [6, 7, 11]


Порода

Высота капиллярного поднятия, м

Суглинок тяжелый

1,0

Суглинок легкий

0,80

Супесь тяжелая

0,60

Супесь легкая

0,40

Песок мелкозернистый глинистый

0,30

Песок мелкозернистый чистый

0,20

Песок среднезернистый

0,10

Песок крупнозернистый

0,05


Более точно значение Нк определяют в лаборатории или по данным опытных наливов в шурфы. Вода, поступающая из шурфа в породу, благодаря действию капиллярных сил движется не только вниз, но и вверх и в стороны. Вблизи шурфа образуется увлажненная зона, ко­торая с течением времени увеличивается в размере и изменяет форму. Интенсивность растекания зависит от структуры породы и ее водопроводимости. Наиболее слабо растекание проявляется в хорошо проницаемых породах (галечники, щебень, крупнозернистые пески), наиболее интенсивно - в тонкопористых (глины и суглинки).

Растекание - один из основных факторов, осложнявших определе­ние коэффициента фильтрации неводоносных пород опытными наливами. Влияние его на результаты опыта стремятся ограничить специальной схемой опытной установки или учитывают в различных формулах.

Водопроницаемость некоторых структурных пород (лессы, суг­линки, глины) в процессе опыта изменяется вследствие нарушения структурной прочности породы при смачивании или в результате фи­зико-химических процессов, развивающихся в неводонасыщенной поро­де при поступлении в нее воды. В таком случае расход инфильтрующейся из шурфа воды изменяется незакономерно и продолжительность периода до стабилизации расхода значительно больше, чем в породе, структура которой не изменяется.

На скорость инфильтрации большое влияние оказывает состояние поверхности породы, в которую проникает вода. Загрязнение пор и заиление поверхности резко уменьшают скорость инфильтрации. Что бы избежать заиления дна для наливов следует использовать только чистую воду, не содержащую взвешенных частиц. При наливах в шурфы необходимо следить за тем, чтобы не была нарушена структура по­верхностного слоя породы в дне шурфа как при подготовке к опыту, так и в процессе его проведения. При медленном заполнении зумпфа водой воздух вытесняется из пор и трещин, не разрушая структуру породы.

Температура воды влияет на ее вязкость и, следовательно, на результаты налива. Кроме того, холодная вода, согреваясь в более теплой породе, выделяет растворенный воздух, что повышает содер­жание защемленного воздуха в зоне просачивания и уменьшает водопроницаемость породы.

Все используемые в настоящее время методы определения коэф­фициента фильтрации опытными наливами в шурфы разработаны для случая, когда инфильтрация происходит в однородном пласте горной породы и глубина от дна шурфа до уровня подземных вод превышает сумму глубины просачивания во время опыта и высоты капиллярного поднятия. Поскольку инфильтрационные опыты обычно длятся не более 1-2 суток, то при глубине дна опытного зумпфа до уровня подзем­ных вод порядка 5 м уже исключается влияние подземных вод на ско­рость инфильтрации. Опыт документируют в журнале и обрабатывают в соответствии с приведенными приложениями 1 и 2.
МЕТОД А. К. БОЛДЫРЕВА

Метод разработан на основе двух предположений: 1) горизон­тальное сечение потока, инфильтрующегося из шурфа, не изменяется с глубиной и равно горизонтальному сечению шурфа, т. е. растекания нет; 2) при небольшой глубине просачивания, соответствующей ста­билизации расхода воды из шурфа, и малой толщине слоя воды в шурфе напорный градиент потока, инфильтрирующегося из шурфа, близок к единице, и скорость инфильтрации может быть численно приравнена к коэффициенту фильтрации.

Поскольку метод не учитывает растекания потока и влияния ка­пиллярных сил, его можно применять только в сильно водопроницае мых изотропных породах - песках, гравийно-галечниковых отложени­ях, породах зоны выветривания скальных массивов, характеризую­щихся относительно равномерной беспорядочной трещиноватостью и т. п.
Последовательность операций при проведении опыта:

  1. В дне шурфа сечением 1,0 х 1,5 м (возможны и другие соотношения) устраивают опытный зумпф диаметром 0,35 – 0,5 м и глубиной 0,2 – 0,25 м (Рис. 4). В крупнообломочных породах сечение зумпфа можно увеличить, сообразуясь с реальной возможностью обеспечить бесперебойную подачу требуемого количества воды.

  2. Проводят детальное геологическое описание шурфа. Геологический разрез шурфа и зарисовку его дна вычерчивают на листе миллиметровой бумаги, который подшивают в журнал опытного налива.

  3. Стенки зумпфа закрепляют металлическим цилиндром, диаметр и высота которого соответствуют размерам зумпфа. Пространство между цилиндром и стенками зумпфа наполняют влажной глиной.

  4. Дно зумпфа выравнивают, зачищают и, чтобы предохранить от размыва и заиления, покрывают слоем мелкого гравия толщиной 2-3 см. К стенке зумпфа прикрепляют водомерную рейку длиной 0,2-0,25 м, нуль которой должен совпадать с дном шурфа.

  5. Для подачи воды в зумпф устанавливают тарированный бак с водомерной трубкой или поплавковым уровнемером. Рекомендуется пользоваться сдвоенными мерными баками вместимостью до 70 л каждый, которые соединены трехходовым краном и снабжены стеклянными водомерными трубками. Использование сдвоенных баков обеспечивает непрерывность подачи воды в зумпф. Вода из бака подается в зумпф по надетой на кран бака гибкой трубке такой длины, что ее нижний ко­нец свободно лежит на дне зумпфа. Во избежание размыва породы в зумпфе к нижнему концу трубки прикрепляют разбрызгиватель - сетку или мешочек с гравием. Конец трубки с разбрызгивателем привязывают к дощечке, по которой будет растекаться вода.

  6. Заполняют зумпф водой на 10 см. Чтобы уменьшить количество защемленного воздуха в опробуемой наливом породе и не до­пустить разрушения дна зумпфа вытесняемым воздухом, скорость подъема уровня должна быть не более 0,5 см/мин.

Заполнив зумпф водой до установленного уровня, в дальнейшей поддерживают этот уровень постоянным; допустимы колебания не бо­лее  1 см. Постоянство уровня воды в процессе налива достигается регулированием расхода воды с помощью автоматического регулятора уровня, который после заполнения водой прикрепляется к нижнему концу подающей воду трубки (вместо разбрызгивателя) и устанавливается на требуемой высоте над дном зумпфа. При отсутствии автоматического регулятора расход изменяют краном бака или зажимом, надетым на гибкую трубку. Для наблюдения за уровнем воды по рейке, установленной в зумпфе, в течение всего опыта в шурфе должен находиться наблюдатель. Другой наблюдатель регулирует расход воды из бака, обеспечивает непрерывность ее подачи и документирует опыт.

Рис. 4. Установка для опыта по методу Болдырева:
1 - бак с водой; 2 – трубка; 3 - водомерная рейка;

4 – металлическое кольцо; 5 - слой гравия на дне зумпфа.


  1. Расход воды замеряют с интервалами от 1 до 20 мин в за­висимости от скорости водопоглощения. Наблюдения ведут до стабилизации расхода, который считают установившимся, если в течение 2 часов он не отклоняется от среднего значения более чем на 10 %. Наблюдения при наливе записывают в журнал. В процессе опыта составляют график зависимости расхода от времени, который вычер­чивают на миллиметровой бумаге и вшивают в журнал опытного налива.

  2. Коэффициент фильтрации вычисляют по формуле:


(12)
где Q - установившийся расход, м3/сут;

F - фильтрующая площадь, м2.

Для зумпфа с закрепленными водопроницаемыми стенками и для зумпфа с фильтрующими стенками
(13)
где d - диаметр зумпфа, м;

H0 - высота столба воды в зумпфе, м, (обычно H0 = 0,1 м).

МЕТОД Н. С. НЕСТЕРОВА

Этот метод основан на предположении, что при инфильтрации воды из двух цилиндров, расположенных концентрически и заполненных во­дой на одинаковую высоту, на растекание расходуется вода внешнего цилиндра, а поток воды из внутреннего направлен прямо вниз. Счита­ется, что, поскольку растекания этого потока не происходит, он имеет постоянное сечение, равное сечению внутреннего цилиндра, а линии токов взаимно параллельны и вертикальны.

В этих условиях, при установившемся расходе воды внутреннего цилиндра и малой высоте столба воды в нем можно приравнять градиент инфильтрационного потока из внутреннего цилиндра к единице, а скорость инфильтрации - к коэффициенту фильтрации.

Чтобы данное предположение было допустимо, соотношение диаметров внешнего и внутреннего цилиндров должно быть не меньше, чем 2. Обычно изготавливают металлические цилиндры диаметром 0,5 и 0,25 м, высотой 0,2-0,25 м и жестко скрепляют их, поместив точно концентрически один в другом. Рассматриваемый метод применим для наливов в мелкозернистые и глинистые породы.

Рис. 5. Установка для опыта по методу Нестерова:
1 - сосуды Мариотта; 2 - штатив; 3 - наружное кольцо (d=50 см);

4 – внутреннее кольцо (d=25 см)
Последовательность операций при проведении опыта обычно следующая:

  1. Проходят и документируют шурф и опытный зумпф.

  2. В тщательно выровненное и зачищенное дно зумпфа осторожно вдавливают на глубину 5-6 см два цилиндра, расположенных концентрически (рис. 5). При погружении цилиндров не должна быть нарушена структура породы в дне зумпфа и замазаны ее поры. После установки цилиндров дно зумпфа покрывают защитным слоем мелкого гравия толщиной 2-3 см.

  3. Одновременно и с одинаковой скоростью (не более 0,5 см/мин) заполняют оба цилиндра водой на 10 см от дна. При этом соблюдают все предосторожности, указанные выше.

  4. Уровень воды в цилиндрах доводят до требуемой высоты и в дальнейшем поддерживают его. Требование равенства уровней воды в цилиндрах должно строго соблюдаться, поэтому после наполнения их водой уровень обязательно должен регулироваться автоматически.

Для регулирования уровней могут быть использованы сосуды Мариотта или автоматические регуляторы других типов. Сосуд Мариотта представляет собой бутыль вместимостью 2-5 л. Его заполняют во­дой, закрывают пробкой с отверстием, в которое вставлена короткая трубка, и опрокидывают горлом вниз над заполненным цилиндром. При опроки­дывании сосуда отверстие трубки закрывают пальцем и конец трубки погружают на 1-2 см в воду. Один сосуд устанавливают над внутрен­ним цилиндром, другой - над кольцевым зазором между внутренним и внешним цилиндрами (рис. 5). Сосуд, установленный над внутренним цилиндром, должен быть протарирован и снабжён шкалой для замера расхода выливающейся воды. Когда вода из сосудов израсходована, их немедленно заменяют другими, наполненными водой.

При использовании автоматических регуляторов другого типа необходимо подавать воду в каждый цилиндр из отдельного бака. Бак, из которого вода поступает во внутренний цилиндр, должен быть протарирован и снабжен водомерной трубкой.

5. Во время опыта замеряют и записывают в журнал опытного налива расход воды, затраченной на инфильтрацию в дно внутреннего цилиндра. Интервал между замерами расхода воды изменяется в за­висимости от скорости водопоглощения от 10 до 20 мин. В про­цессе опыта строят график изменения расхода во времени.

6. По окончании опыта немедленно демонтируют установку, от­качивают воду из зумпфа и в центре проходят скважину глубиной 3-4 м для определения глубины просачивания. Другую скважину бурят до той же отметки на расстоянии 3-5 м от зумпфа. Из скважин через каждые 0,2 м отбирают пробы породы для определения влажности. По полученным лабораторным данным во время камеральной обработки строят совмещенные графики изменения влажности с глубиной для обеих скважин и определяют по ним, до какой глубины просочилась вода из зумпфа. Иногда можно определить глубину просачи вания по изменению окраски породы во время проходки скважины в зумпфе. Контрольные скважины документируют. Их геологические разрезы вычерчивают на отдельном листе миллиметровой бумаги и подшивают в журнал опытного налива.

7. Коэффициент фильтрации рассчитывают по формуле:

(14)
где Q - установившийся расход, м3/сут;

h - глубина просачива­ния воды во время опыта, м;

F- площадь горизонтального сечения внутреннего цилиндра, м2;

Н0 - высота воды в зумпфе, м;

Нк - ка­пиллярный подъем воды, м.

Литература к разделу 2.
1. Мироненко В.А. Динамика подземных вод.-М.: Недра, 1983. –357 с.

2. Михайлов Л.Е. Гидрогеология.-Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-26З с.

3. Справочное руководство гидрогеолога, 3-е изд. перераб. и доп./Под ред. В. М. Максимова. Л.: Недра, 1979. Т.1-512 с.,Т.2-295с.

4. Болдырев А. К. Опыт над фильтрацией в горных породах в связи с проектом водохранилища на р. Чу в Туркестане. Тр. Геолком. Материалы по общей и прикладной геологии. -М., 1926.- Вып. 27.

5. Маскет М. Течение однородных жидкостей в пористой сре­де. Пер. с англ. М.-Л., Гостоптехиздат, 1949.-628 с.

6. Биндеман Н.Н. Определение водопроницаемости горных пород методом инфильтрации при неустановившемся движении. "Разведка и охрана недр", М.,-1957.-№ 10.

7. Бочевер Ф.М. и др. Основы гидрогеологических расче­тов. –М., Недра, 1969. -368 с.

8. Керкис Е.Е. Методы изучения фильтрационных свойств горных пород. -Л., Недра, 1975.-231с.

9. Гавич И.К. и др. Сборник задач по общей гидрогеоло­гии. -М., Недра, 1985. –412 с.

10. Климентов П.П., Кононов В.М. Методика гидрогеологических исследований. М.: Высшая школа, 1989.-408 с.

11. Инженерно-геологические изыскания. Справочное руко­водство. Под ред. Н.Ф. Арипова и др.-М.: Недра, 1969.-288 с.

12. Гордеев и др. Гидрогеология. –М.: Высшая школа, 1990. -446с.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОТКАЧЕК
Опытно-фильтрационные работы (ОФР) - основной и наиболее ответственный вид гидрогеологических исследований. Целью ОФР является определение гидрогеологических параметров водоносных горизонтов или зон трещиноватости путем создания в водоносном пласте искусственного гидравлического возмущения (откачки, наливы, нагнетания, вытеснение воды объемным телом).


  1. Пробные откачки


Самым распространенным видом ОФР являются откачки воды из скважин, колодцев, шурфов. Откачки подразделяются на пробные и опытные.

Пробные откачки проводят из одиночных скважин при одном обычно установившемся понижении уровня воды с постоянным дебитом общей продолжительностью не менее 0,5 суток. С помощью пробной откачки получают данные для сравнительной оценки водообильности пород по величине удельного дебита скважин.

, где (15)
q - удельный дебит, л/с (приращение дебита на 1м понижения уровня);

Q - дебит откачки, л/с;

S - понижение уровня, м.

По результатам пробной откачки из одиночной скважины при установившейся фильтрации может быть по формулам гидродинамики рассчитан коэффициент фильтрации или водопроводимости, но значения его из-за недоучета характера вскрытия водоносного горизонта и величины эффективного радиуса скважины, получаются ориентировочными. Учитывая это обстоятельство, расчеты водопроводимости по данным пробных откачек при установившемся режиме фильтрации рекомендуется [1] выполнять по формулам:

(16) (17)

где q - удельный дебит скважины, л/с;

km и kH - соответственно коэффициенты водопроводимости напорного и безнапорного пластов, м2/сут;

S0 - понижение в центральной скважине, м;

H0 - мощность безнапорного горизонта, м;

А - численный коэффициент.
Формула (16) используется для напорных, а формула (17) - для безнапорных вод.

Величину А для напорных горизонтов можно принимать равной 100-150, а для безнапорных порядка 800-1000, если удельный дебит измерять в литрах в 1 с, а коэффициент водопроводимости - в квадратных метрах в сутки. Минимальные значения коэффициента А относятся к слабоводообильным отложениям, максимальные - к водообильным. В среднем для напорных горизонтов эта величина составляет 130. Более надежно величина коэффициента А может быть установлена по данным кустовых откачек при установлении корреляционной связи между значениями водопроводимости, рассчитанными по опытной и наблюдательной скважинам.

Более представительными является определение водопроводимости при проведении пробной откачки при неустановившейся фильтрации, и, особенно, при восстановлении уровня после откачки, проведенной при том или другом режиме фильтрации, способом временного прослеживания. Но и в этих случаях имеется неопределенность при диагностировании графика прослеживания.
2. Опытные откачки
Опытные откачки проводят на оценочных и разведочных стадиях с целью:

1) определения гидрогеологических параметров водоносных горизонтов;

2) установления зависимости между дебитом и понижением уровня - для построения кривой дебита Q=(S);

3) определения величин срезок уровня при совместной работе взаимодействующих скважин;

4) изучения граничных условий водоносных горизонтов в плане и разрезе (взаимодействие подземных и поверхностных вод, взаимодействие водоносных горизонтов).

Опытные откачки подразделяются на кустовые и одиночные.

Одиночные опытные откачки проводят из одиночных скважин для установления зависимости дебита от понижения уровня с 2-3 ступенями понижения уровня.

Опытные кустовые откачки. Кустовые откачки - основной вид ОФР, позволяющий получить наиболее надежные параметры в зоне влияния откачки, наблюдая снижение уровней по наблюдательным скважинам, расположенным на различном удалении от центральной (возмущающей) скважины. Чем больше объем пробы (чем больше размеры депрессионной воронки), тем более надежные параметры лягут в прогнозные расчеты. Определение гидрогеологических параметров по наблюдательным скважинам позволяет исключить влияние фильтра и призабойной зоны центральной (возмущающей) скважины (скин-эффект).
3. Общие рекомендации по проведению откачек

а) Откачки необходимо проводить с максимально возможным (для выбранного насосного оборудования) постоянным во времени водоотбором, обеспечивая снижение уровня не менее 3-4 м в центральных скважинах и не менее 0,3 - 0,5 м в наблюдательных (в одиночных скважинах при пробных откачках - не менее 1 м). Откачку необходимо проводить непрерывно; непродолжительные перерывы по техническим причинам не должны превышать суммарно 10-15 % от продолжительности испытания и не должны приводить к искажению графика (общего вида) изменения уровня воды во времени [2].

б) Продолжительность откачек должна обеспечивать определение гидрогеологических параметров надежными методами (обычно по формулам неустановившейся - квазистационарной фильтрации) и должна быть не менее 0,5 суток при проведении пробной откачки (помимо времени, затраченного на прокачку скважины).

При проведении опытных кустовых откачек в зернистых породах с напорными водами продолжительность откачки 6-11 суток, в зернистых породах с безнапорными водами - 15, в трещиноватых породах с напорными и безнапорными водами - 15, при определении взаимодействия подземных вод с рекой -10-15 суток [1].

в) Лучи наблюдательных скважин ориентируют в направлении выявленных или возможных изменений гидрогеологических условий (по направлению затухающей или преобладающей трещиноватости, резкого изменения фильтрационных и емкостных свойств пород, поверхностных водотоков или водоемов, непроницаемых границ).

г) Наблюдательные скважины должны быть расположены на расстояниях, превышающих мощность опробуемого пласта. Ближайшую наблюдательную скважину рекомендуется располагать от возмущающей на расстоянии более 0,7-1,0 мощности водоносного пласта; остальные наблюдательные скважины целесообразно располагать на расстояниях, определяемых полуэмпирической зависимостью

, (18)

где r1 - расстояние до ближайшей наблюдательной скважины (r1  (0,7-1,0)m, где m - мощность опробуемого пласта, м);

 - эмпирический коэффициент:

для безнапорных водоносных горизонтов  = 1.5;

для напорных =2,5

n - порядковый номер наблюдательной скважины.

д) Максимальное удаление наблюдательных скважин следует ограничивать 150 м в безнапорных и 1500 м в напорных.

е) Отвод откачиваемой воды должен исключить поступление воды обратно в водоносный горизонт.

ж) Объем мерной емкости при замере объемным методом должен обеспечивать представительность результатов.
4. Требования к конструкции возмущающих (центральных)

и наблюдательных скважин

а) Следует стремиться к совершенному вскрытию водоносного пласта и центральными, и наблюдательными скважинами.

б) Необходимо использовать фильтры со скважностью 10-20 %.

в) Диаметры фильтровых колонн должны обеспечивать размещение водоподъемного оборудования и приспособлений для замера уровня и расходометрии, а диаметры наблюдательных скважин - возможность проведения пробных откачек и намечаемого для замеров оборудования.

г) Оборудование скважин опытного куста должно обеспечивать замеры и регулирование дебита при откачке (расходомеры, водомеры, счетчики), снятие с необходимой частотой информации о положении уровня во всех скважинах, отбор проб воды для анализов, отвод откачиваемой воды на необходимое расстояние.


5. Порядок проведения опытной откачки

5.1. Подготовка к проведению опыта.

Подготовка к проведению опыта в оборудованной фильтром скважине проводится в следующем порядке:

5.1.1. Закрепление и нивелирование нулевых (замерных) точек;

Установка водомерной рейки в близрасположенном водоеме при наличии гидравлической связи испытываемого горизонта с водоемом (рекой). При проведении откачки вблизи от родников, дренирующих опробуемый или связанный с ним водоносный горизонт, устанавливаются наблюдения за дебитом и температурой воды родников.

5.1.2. Проверка, установка и подготовка измерительной аппаратуры;

5.1.3. Замеры уровня воды;

5.1.4. Монтаж водоносного оборудования и устройства для отвода откачиваемой воды;

5.1.5. Очистка скважины от шлама (прокачка скважины). Прокачку скважин следует вести не менее 2 час до полного осветления откачиваемой воды с последующим наблюдением за восстановлением уровня воды до статического. Прокачку в рыхлых грунтах следует проводить с постепенным увеличением дебита воды.

5.1.5. Заполнение журнала откачки (сведения на титульном листе, схематические планы расположения куста скважин и расположения скважин в кусте; общие сведения о водоносном горизонте; сведения об оборудовании и измерительных приборах; сведения о скважинах; сведения о нулевых точках; схематический геологический разрез и конструкция центральной скважины; схематические гидрогеологические разрезы по лучам куста с конструкциями наблюдательных скважин).

5.2. Проведение испытания.

При проведении испытания надлежит выполнить следующие основные операции:

5.2.1. Включение водоподъемника (насоса, эрлифта и т.д.) и откачка воды с фиксацией начала работ в журнале откачки;

5.2.2. Замеры дебита и уровня воды в центральной скважине, замеры уровней воды в наблюдательных скважинах и в реке (водоеме) по водомерной рейке;

5.2.3. Контроль за работой измерительной аппаратуры и ведение журнала испытаний (приложение 3), фиксация в журнале откачки изменений природной обстановки, влияющих на режим уровня подземных вод (дождь, паводок, таяние снега, изменение атмосферного давления, температуры и т.д.);

5.2.4. Прекращение откачки и наблюдения за восстановлением уровня воды в скважинах и при необходимости нивелирование нулевых точек;

5.2.5. Замер глубины центральной скважины.

5.3. Частота замеров уровня, дебита и температуры воды при откачке и отбор проб.

Частота замеров динамических уровней воды в процессе откачки должна быть достаточной для построения временных графиков прослеживания понижения (повышения при восстановлении) уровня воды.

В процессе откачки замеры уровня и дебита рекомендуется проводить в первые два часа через 5-10 мин, в последующие12 час через 0.5-1 час и далее через 2-3 часа до конца откачки. Температура воды замеряется через 3-4 ч. Отбор проб воды - при каждом понижении уровня не менее двух проб воды объемом 2 л каждая.

Замеры уровня в процессе восстановления: первые 15-20 мин - через 1-2 мин, далее в течение 1-2ч через 3-10 мин, затем через час до получения представительных материалов. При любых технических перерывах обязательно вести наблюдения за восстановлением уровня.
5.4. Помимо журнала испытания (откачки) для контроля откачки и текущей интерпретации ее результатов надлежит строить графики:

изменения величин понижений уровней воды (S) во времени (t) в центральной и наблюдательных скважинах [S= (t)] и [S=(lg t)]; изменения величин расхода воды (Q) во времени в центральной скважине[Q=(t)]; площадного[S=(lg r)] и комбинированного [S= lg(t/r2)] прослеживания по данным кустовых откачек.

5.5. Условия прекращения откачки.

Обязательно проведение кустовой опытной откачки в условиях квазистационарного режима не менее суток при обшей продолжительности испытаний не менее 3 суток (ГОСТ 23270-76).

Вопрос о прекращении откачки может быть решен после получения представительного участка графика временного прослеживания или стабилизации динамического уровня.

6. Методика определения гидрогеологических параметров

по данным откачек

Эта методика детально изложена в книге Б. В. Боревского, B. Г. Самсонова, Л. С. Язвина «Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек» М.: «Недра», 1979 (изд. 2- е).

Определение параметров - коэффициентов фильтрации; водопроводимости, уровнепроводности (пьезопроводности), водоотдачи - проводят, учитывая особенности режима фильтрации и граничных условий, а также начальных условий (распределение напоров на границах пласта до откачки).

В условиях стабилизации режима движения подземных вод определение расчетных гидрогеологических параметров можно производить как по формулам неустановившейся (квазистационарной) фильтрации, так и по формулам установившейся фильтрации.



    1. Определение параметров по формулам установившейся

фильтрации.
Для определения коэффициента фильтрации пользуются следующими зависимостями:
При откачке из одиночной скважины в безнапорном водоносном горизонте, вскрытом совершенной скважиной? применяется формула Дюпюи:

, (19)
где К - коэффициент фильтрации, м/сут;

Q - дебит, м3/сут;

R - радиус влияния откачки, м (определяется по эмпирическим формулам или из таблиц);

r0 - радиус скважины, м;

Н - мощность водоносного горизонта до откачки, м;

S0 - понижение в центральной скважине, м.

По центральной и наблюдательной скважинам:

, (20)
где r1 - расстояние от центральной до наблюдательной скважины, м;

S1 - понижение в наблюдательной скважине, м.


По двум наблюдательным скважинам:

, (21)


где r2 - расстояние от центральной до 2-ой наблюдательной скважины, м;

S2 - понижение уровня воды в этой скважине, м.
При откачке у границы (у реки, водоема) применяется формула Форхгеймера:

, (22)
где а - расстояние до границы, м.
При вскрытии водоносного пласта несовершенной скважиной применяются те же формулы с поправкой Веригина:
вместо (19) , (23)
где 0 - поправка на несовершенство, безразмерная величина, определяемая по таблицам 0 =(l/m и m/r),

где l - длина фильтра, м;

m - мощность водоносного пласта, м;

r - расстояние до центральной скважины или ее радиус, м.
вместо (20), (24)
При откачке из напорного водоносного горизонта применяются формулы:

по одиночной скважине

, (25)

где m - мощность напорного водоносного горизонта, м.
по центральной и наблюдательной

(26)
по двум наблюдательным

(27)
Водопроводимость безнапорного водоносного пласта определяется умножением
K * Н = KН = T 2/сут]
Коэффициент уровнепроводности можно определить, зная величину водоотдачи  (часть пористости, отдающей гравитационную воду)

, (28)

где ау - коэффициент уровнепроводности, м2/сут;
Водопроводимость напорного водоносного горизонта определяется:

(29)
6.2. Определение параметров при неустановившейся

фильтрации
Рекомендуется проводить с помощью графоаналитических методов прослеживания уровня во времени и по площади (методы Джейкоба).

Обработка данных проводится на основании логарифмической аппроксимации формулы Тейса:

(30)

при
Эта формула записывается в виде уравнения прямой в полулогарифмических координатах - понижение как функция логарифма времени, lgt или расстояния до наблюдательных скважин lgr или комплексного показателя lgt/r2.

В зависимости от выбранных координат различают три способа графоаналитической обработки данных опытных откачек.

I. Способ временного прослеживания. В этом случае формула (30) представляется в виде

S =At + Bt* lgt ,
где At = Bt * lg2.25at/r2; Bt = Q/4t.
II. Способ площадного прослеживания. В этом методе обработка опытной информации проводится на основе модификации (30) в виде полулогарифмической прямой вида

S =Ar + Br* lgr ,
где ; Br =Q/4t.
III. Способ комбинированного прослеживания. Обработка опытных данных ведется с помощью полулогарифмической прямой вида
S =Ak + Bk *lg(t/r2),
где Аk =Bk *lg2.25a; Bk =Q/4t.
С использованием перечисленных выше способов обработка данных откачек проводится в следующем порядке:

  1. результаты наблюдений наносятся на соответствующие графики:

S=(lg t); S=(lg r); S=(lg t/r2)

2) совокупность опытных точек заменяется прямой линией и определяются ее параметры: начальная ордината А и угловой коэффициент В;

  1. вычисляются фильтрационные параметры:

3) при способе временного прослеживания:

для напорного водоносного горизонта (Рис. 6)





Рис. 6



для безнапорного водоносного горизонта (рис. 7)




Рис. 7



Если S не превышает 20 % мощности безнапорного водоносного горизонта можно пользоваться зависимостью S=(lg t);

по восстановлению уровня (Рис. 8):

S* - повышение уровня от динамического, м;

Т0 - общая продолжительность откачки перед восстановлением уровня, сут.




Рис. 8



1   2   3   4   5   6   7   8   9
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации