Опытно-фильтрационные исследования

Важнейшей составной частью гидрогеологических работ явля­ются опытно-фильтрационные исследования. С их помощью опре­деляют удельные дебиты скважин, водопроницаемость горных по­род, взаимосвязь водоносных горизонтов, направление и скорость движения подземных вод. В состав опытных работ входят: откачки, нагнетания в скважины, наливы в шурфы, определения направле­ния и скорости движения подземных вод,

Откачки воды из скважин (шурфов, колодцев и др.) проводят для определения их дебита, зависимости дебита от понижения, филь­трационных характеристик водоносных пород, радиуса влияния и др.

Откачка воды из скважин — наиболее распространенный вид опытно-фильтрационных работ.

В зависимости от целевого назначения откачки воды из скважин подразделяют на пробные, опытные и опытно-эксплуатационные.

Пробные откачки воды служат для предварительной оцен­ки водоносности вскрытого горизонта. Продолжительность пробных откачек — 1—2 смены на одно максимально возможное понижение. Проводятся только из одиночных скважин.

Опытные откачки проводят при одном-трех понижениях уров­ня в течение нескольких суток. Величина понижения уровня долж­на быть не более 0, 5— 0, 75 мощности водоносного горизонта и не менее 1 м. Несколько понижений уровня при откачке дают возмож­ность построить график зависимости Q = /(S).

Опытная откачка врды ведется как из одной скважины или шур­фа (одиночная откачка), так и при наличии наблюдательных сква­жин (кустовая откачка, рис. 36.19).

Опытно-эксплуатационные откачки наиболее продол­жительны по времени (2—3 месяца на одно максимально возмож­ное понижение уровня). Цель откачек — установить возможное из­менение качества воды и дебита скважин во времени на участках с неблагоприятными гидрогеологическими условиями (незначитель­ные эксплуатационные запасы, близкое залегание соленых вод и др.).

Место расположения опытных кустов для откачек воды устанав­ливают по результатам гидрогеологической съемки. Опытные сква­жины оборудуют фильтрами (в неустойчивых породах), соответству­ющими водоподъемниками (насосы, эрлифты) и измерительными

висимости дебита и удельного дебита от времени и понижения, рас­считывают коэффициент фильтрации и др.

Коэффициент фильтрации при стабильном уровне воды и рас­ходе (установившееся движение) по данным откачки в однородных пластах определяют по известным формулам Дюпюи:

для безнапорных вод

для напорных вод

Рис. 36.19. Схема расположения одного луча скважин при опытной откачке: 1 — опытная скважина; 2, 3 — наблюдательные

устройствами (мерными сосудами, расходомерами, уровнемерами и др.). В настоящее время созданы специальные самоходные агрега­ты для производства откачек воды (рис. 36.20).

Рис. 36.20. Самоходный агрегат (АО) для откачек воды из скважин

По результатам откачек строят гидрогеологические разрезы по каждому, лучу наблюдательных скважин, вычерчивают графики за-

По данным опытных откачек, проводимых при неустановившем­ся движении подземных вод, помимо коэффициента фильтрации к. определяют также коэффициент пьезопроводности а и коэффици ент уровнепроводности а.

Водопроницаемость трещиноватых горных пород (как водонос­ных, так и неводоносных) изучают с помощью опытных нагнета­ний воды в скважины. В последние годы этот метод получил широ­кое развитие при изысканиях для захоронения промышленных сто­ков в глубокие водоносные горизонты.

Опытные нагнетания заключаются в подаче воды сверху под на­пором в опробуемый интервал скважин. О водонепроницаемости пород судят по величине удельного водопоглощения q, т. е. по рас­ходу воды литров в минуту на единицу длины интервала скважины при давлении нагнетания -0, 1 МПа.

Чем выше степень трещиноватости и пустотности горных пород, тем больше величина удельного водопоглощения. Нагнетание произ­водят различными способами, из которых наиболее распространен спо­соб последовательного опробования скважины «сверху вниз».

Для изучения водопроницаемости пород зоны аэрации, т. е. не­водоносных пород, проводят опытные наливы воды в шурфы. Наи­более часто используют методы А. К. Болдырева и Н. С. Нестерова.

Метод Болдырева. В дне шурфа, пройденного на необходи­мую глубину, устраивают приямок диаметром до 0, 5 м и глубиной

0, 2—0, 3 м (рис. 36.21, а). В приямок, стенки которого обычно зак­репляют металлическим кольцом, заливается вода слоем 10 см. Уровень воды в кольце в течение всего опыта поддерживается по­стоянным. Через каждые 10—30 мин ведут замеры расхода воды на фильтрацию по водомерной трубке бака. Опыт проводят до стабили­зации расхода воды, для чего в песках обычно требуется 10—20 ч, в суглинках и супесях — 24—48 ч.

опыте используют два металлических кольца, концентрически за-давливаемых в дно шурфа. Предполагается, что вода из внешнего кольца движется вниз и в стороны, а из внутреннего — только вниз, поэтому все замеры расхода воды ведут только по внутреннему коль­цу.

Коэффициент фильтрации определяют по формуле

В опытах принимается, что площадь поперечного сечения фильт-рирующегося из приямка потока равна площади кольца, а напорный градиент в условиях Свободного просачивания близок к единице. Тогда коэффициент фильтрации пород определяется по закону Дарси

где Q _ст — установившийся (стабилизировавшийся) расход, м³/сут; F —площадь кольца, м².

Метод Болдырева завышает истинные величины коэффициента фильтрации, так как не учитывает боковое растекание воды под дей­ствием капиллярных сил, поэтому этот метод применяется в круп^: нозернистых песках, гравийно-галечных, трещиноватых скальных и других породах с незначительным капиллярным давлением.

Для определения водопроницаемости суглинистых и супесчаных пород больше пригоден метод Нестерова (рис. 36.21, б). В этом

где < 2_уст — установившийся расход воды, м³/сут; F_bh — площадь внут­реннего кольца, м².

С учетом глубины просачивания и капиллярного подъема воды коэффициент фильтрации пород рассчитывают по уточненной фор­муле Н. Н. Биндемана

где / — глубина просачивания воды от дна шурфа; Н_к — капилляр­ное давление; h — высота столба воды в кольце.

Глубина просачивания / определяется бурением двух скважин (до опыта и после опыта) и сопоставлением величин влажности по данным лабораторных определений.

Методику опытных наливов воды в шурфы продолжают совер­шенствовать, добиваясь сокращения длительности опыта, более точ­ного учета условий растекания фильтрационного потока, влияния защемленного воздуха и сил капиллярного всасывания (методы Н. К. Гиринского, Н. Н. Веригина, Н. Н. Биндемана и др.). При мощности зоны аэрации более 8—10 м используют также опытные наливы воды в буровые скважины.

При выборе наиболее рационального размещения дренажных ус­тройств, зон санитарной охраны и т. д. важно знать пути и характер фильтрации подземных вод. С этой целью организуют опытные ра­боты по определению направления и скорости движения подзем­ных вод.

Направление подземного потока для небольшого участка можно установить, замерив уровень воды в трех скважинах (или шурфах), пройденных в вершинах треугольника со сторонами 50—100 м (рис.

36.22). Стороны треугольника делят на пропорциональные отрезки в соответствии с отметками уровней воды в скважинах. Затем точки с одинаковыми отметками соединяют, т. е. проводят гидроизогип-сы для грунтовых или гидроизопьезы для напорных вод. Направле­ние потока подземных вод определяют по линии, перпендикуляр­ной гидроизогипсам (гидроизопьезам).

Рис. 36.22. Определение направления грунтового потока по трем скважинам

Для значительной территории направление подземного потока определяют по картам гидроизогипс (гидроизопьез), построенным по данным режимных наблюдений.

Скорость движения подземных вод устанавливают с помощью индикаторных и реже других методов. Для этого проходят пусковую скважину, а ниже по направлению подземного потока закладывают наблюдательные скважины. Расстояние между пусковой и наблюда­тельной скважинами зависит от водопроницаемости пород и колеб­лется от 1—2 м (в суглинках) до 20 м (в галечниках и трещиноватых породах).

В пусковую скважину запускают какой-либо индикатор (краси­тели, электролиты, радиоактивные изотопы), а в наблюдательных скважинах следят за его появлением.

Скорость движения потока определяют по формуле

где у_д — действительная скорость движения потока; / — расстояние между пусковой и наблюдательной скважинами; t — время хода ин­дикатора.

В наблюдательных скважинах фиксируют не только время, от­вечающее моменту появления индикатора, но и его максимальной концентрации. В первом случае рассчитывают максимальное значе­ние у_д, во втором — среднее ее значение.

Применяемые в опытах индикаторы должны легко обнаружи­ваться, не обладать ядовитыми свойствами и не адсорбироваться. Для этих целей чаще всего используют флюоресцеин, метиленовую синьку, поваренную соль, радиоактивные изотопы (цезий-137, фос-фор-23, йод-131) и др. Появление изотопов в наблюдательных сква­жинах фиксируют датчиками, опущенными в эти скважины, краси­телей и электролитов — калориметрическим (с помощью флюроско-па), химическим и электролитическим способами.

Для определения действительной скорости движения подземных вод применяют также геофизические методы (резистивиметрия, ме­тод заряженного тела). Используя формулу у_д = kJI л_акт, действи­тельную скорость движения можно установить и по карте гидроизо­гипс. Для этого по карте определяют напорный градиент / и под­ставляют в формулу известные значения к, и активной пористости п_акт водоносных пород.

§ 6. Стационарные наблюдения (локальный мониторинг компонентов геологической среды)

Стационарные наблюдения — это длительные (не менее 1 года) наблюдения за изменением отдельных компонентов геологической среды (грунтов, подземных вод, опасных геологических процессов) и техногенных условий. Заключаются они в выборе характерных уча­стков для наблюдений, установке сети реперов, инструментальных наблюдений за их перемещением и т. д. Наблюдения ведут в основ­ном в период эксплуатации ответственных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях.

Сводом правил по инженерным изысканиям для строительства (СП 11-105—97, ч. I) устанавливается, что стационарные наблюде­ния следует осуществлять с помощью геодезических и геофизичес­ких методов, зондирования, лабораторных испытаний и контрольно-измерительной аппаратуры.

Наиболее часто стационарные наблюдения производят за изме­нением уровня грунтовых вод, динамикой развития опасных геоло­гических процессов (карста, оползней, селей и др.), осадками и де­формациями зданий и сооружений, а также за температурным ре­жимом многолетнемерзлых пород.

При гидрогеологических изысканиях для водоснабжения стаци­онарные наблюдения за режимом подземных вод осуществляют на всех стадиях и этапах проектирования и строительства. Особенно они важны в период эксплуатации водозаборов, так как именно в этот период заметно изменяются дебит, уровни, химический состав и тем­пература подземных вод.

По данным стационарных наблюдений в районе действующих во­дозаборов выбирают наиболее рациональный режим водоотбора, кор­ректируют гидрогеологические прогнозы, анализируют опыт эксп­луатации.

§ 7. Лабораторные исследования грунтов и подземных вод

Лабораторные исследования грунтов и подземных вод являются необходимой частью инженерно-геологических изысканий. В состав лабораторных работ входит отбор проб грунтов и подземных вод для анализа и лабораторные определения.