МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАБОТ
Среди полевых методов изучения грунтов опытно-фильтрационные занимают одно из важнейших мест. Они предназначены для определения водопроницаемости грунтов, которая характеризуется коэффициентом фильтрации. Коэффициент фильтрации используется при гидрогеологических расчетах фильтрационных потерь из каналов и водохранилищ, притока воды в строительные выработки, кривых подпора, фильтрационного давления на сооружения, запасов подземных вод и т.д.
Фильтрационные расчеты выполняются методами теории фильтрации, в основе которой лежит закон Дарси:
где Q - расход воды, протекающей в водопроницаемом пласте, м3/сут;
W-площадь сечения пласта, через которую проходит расход Q , м2;
Кф - коэффициент фильтрации, м/сут;
Y - гидравлический уклон потока или напорный градиент;
Здесь h1 и k2 - абсолютные отметки уровня подземных вод в двух точках потока, расположенных вдоль вектора скорости;
l - расстояние меоду точками 1 и 2.
Коэффициент фильтрации представляет собой скорость движения воды в напорном градиенте, равном единице. Значения его определяются структурно-текстурными особенностями пород: размерами слагающих их частиц, соотношением отдельных фракций, пористостью, а для скальных пород также кавернозностыо и трещиноватостью.
Методы определения коэффициента фильтрации основаны на измерении расходов воды Q , пропускаемых грунтом через заданное сечение и при заданном градиенте У . Зная Q , W и Y, по закону Дарси вычисляют коэффициент фильтрации. Методы определения Кф подразделяются по месту проведения на лабораторные и полевые, причем последние дают более достоверные результаты.
К полевым методам относятся одиночные и кустовые опытные откачки, нагнетания и наливы, а также способы определения направления и скорости фильтрации подземных вод. Полевые опытно-фильтрационные работы по сравнению с фильтрационными.лабораторными испытаниями более трудоемки, дорогостоящи и требуют довольно сложного оборудования и приборов. Достоверность результатов обеспечивается моделированием по- дупроиэводственных условий, которые не нарушают структурные связи, природное напряженное состояние и температуру, а также учитывают не- однородность грунтов в массиве и химический состав подземных вод.
Выбор долевого метода определения водопроницаемости грунтов зависит от гидрогеологических условий участка и задач исследований. Для определения коэффициента фильтрации любых водоносных грунтов широко используется на всех стадиях изысканий методы опытных откачек. Причем на начальных этапах изысканий они выполняются в процессе бурения инженерно-геологических скважин, позволящих производить одиночные откачки по экспресс-методике. Для этих же целей могут использоваться экспресс - наливы в скважину. На заключительных этапах изысканий, когда требуются более надежные сведения о коэффициенте фильтрации грунтов и удельном дебите скважины (дебит при понижении воды в скважине на 1 м), осуществляются одиночные и кустовые опытные .откачки с помощью специально оборудованных гидрогеологических скважин.
Для характеристики водопроницаемости скальных, грунтов по зонам могут применяться опытные нагнетания с избыточным давлением выше устья скважины. Нагнетания, а также некоторые другие опытно-фильтра- ционные работы (рези- стивиметричеекий каротаж, расходометрия, метод "меченых” атомов заряженного тела и др.) на инженерно-геологических изысканиях используются редко, в основном при специальных гидрогеоло- гических исследованиях. При определении направления движения подземных вещ необходимы прямые и единовременные наблюдения за уровнем воды с пен мощью бурения скважин. Параллельное изучение коэффициента фильтрации водонасыценных грунтов позволяет определить действительную скорость фильтрации грунтового потока.
Для характеристики водопроницаемости "сухих" грунтов, залегающих выше уровня подземных врд, применяются опытные даливы воды в скважины и щурфв.
Задание 13. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ГРУНТОВ ОПЫТНЫМИ НАЛИВАМИ В ШУРФАХ
Цель и результаты работы
Цель работы - знакомство студентов с методом определения коэффициента фильтрации грунтов залегающих в зоне аэрации.
В качестве отчетных материалов студентами представляются:
1.Схема прибора. Описание сущности и области применения метода.
2.Журнал наблюдений.
3.График зависимости Q =f(t).
Основные положения метода
Для определения коэффициента фильтрации неводонасьщенных грунтов т.е. грунтов, залегающих в зоне аэрации, используется метод налива воды в шурф.
Сущность метода заключается в создании вертикального фильтрационного потока, просачивающегося через сухой грунт вниз от дна щурфа, измерении площади сечения потока, расхода и гидравлического уклона, т.е. всех параметров закона Дарси кроме Кф.
Условия движения воды в зоне аэрации существенно отличаются от условий ее движения в водонасыценных грунтах. Вода, поступающая в шурф, впитывается в сухой грунт и движется в нем не только под действием сил тяжести, направленных вниз, но и капиллярных сил, которые могут действовать во всех направлениях. Благодаря действию этих сил вода, просачиваясь из щурфа в сухой грунт, растекается, образуя увлажненную зону (фигура увлажнения), форма которой изменяется во времени. вытягиваясь вниз (рис.3).
По мере увеличения глубины промачивания темп изменения фигуры увлажнения замедляется, и расход воды на инфильтрацию из шурфа стабилизируется. Однако даже при постоянном расходе линии токов инфильтрационного потока не параллельны между собой, т.е. площадь горизонтального сечения потока, а значит и его скорость, меняются с глубиной. Влияние растекания ограничивают специальной схемой опытных установок или учитывают в расчетных формулах. Таким образом, существующие методы позволяют установить величину коэффициента фильтрации только приближенно, но с точностью, вполне приемлемой для практических целей.
При инженерных изысканиях используются методы наливов, разработанные А.К.Болдыревым, Н.К.Гиринским, Н.С.Нестеровым, Н.Н.Биндеманом, Н.Н. Веригиным. Все они предназначены для случая инфильтрации воды из шурфа в однородную толщу, не содержащую гравитационную и капиллярную влагу при глубине залегания уровня подземных вод свыше 5 м от дна шурфа. Опыты ведут при постоянной высоте столба воды в зумфе щурфа Н=10 см, который обеспечивается специальными регуляторами до достигания установившегося расхода (принимается расход, не отличаются от среднего за период 2 последних часовых наблюдений более чем на 10%) - прил. 5.
На практике студенты подробно знакомятся с методом Н.С.Нестерова. Этот метод несколько сложнее, но совершеннее других. Он основан на предположении что благодаря конструкция прибора состоящего из двух концентрически вдавливаемых в грунт цилиндров, на растекание расходуется вода поступающая в грунт из кольцевого зазора, а вода внутреннего цилиндра просачивается вертикально вниз, т.е. площадь фильтрационного потока равна площади внутреннего цилиндра. На основании этого допущения замеряют и регистрируют в журнале опыта расход только из внутреннего цилиндра.
Значение коэффициента фильтрации определяется по формуле
где Qуст- установившийся расход во внутреннем цилиндре, м3/сут,см3/мин;
W - площадь поперечного сечения внутреннего цилиндра, м2;
Y - гидравлический уклон (принимаемY= I).
Конструкция прибора Нестерова
Прибор состоит из двух цилиндров диаметром 25 и 50 см и высотой 20-25 см, располагаемых концентрически на дне щурфа. Цилиндры вдавли- вают в дно на 5-8 см для защиты от размыва. На внешний цилиндр устанавливается подставка, на которой размещаются два сосуда Мариотта для автоматического поддержания уровня воды в цилиндрах на одинаковой высоте (Н=10 см). На сосудах имеется прозрачная шкала, с помощью которой измеряется объем воды ΔU, профильтравшейся в грунт за определенное время Δt.
Порядок выполнения работы
1.Описать сущность метода, область его применения и дать схему прибора с указанием основных узлов.
2.Отрыть щурф в грунте на заданную глубину. На выроненную поверхность установить кольца. Задавить их в грунт на 5-8 см. Установить сосуды Мариотта. Залить в них воду.
3.Подготовить журнал, форма которого приведена в табл.9.
4.Из ведра залить воду во внутреннее и внешнее кольца, создав слой воды 10 см, открыть краны сосудов Мариотта для автоматического выпуска воды во внутреннее и внешнее кольца. С момента начала истекания воды во внутреннее кольцо включается секундомер. Уровни воды в сосуде Мариотта фиксируются по мерной шкале и заносятся в журнал через определенные интервалы времени. Замеры производятся до получения установившейся величины расхода воды. За установившийся можно принять расход, который с течением времени меняется незакономерно (без затухания) и колеблется в пределах 20% своей величины не менее 15 мин,
5.Обработать опытные данные (вычислить поглощенный объем воды ΔU и расход Q) :
Дополнительно к обработке материалов собственного эксперимента бригада, по указанию преподавателя, обрабатывает результаты опытных данных, полученные при изысканиях по табл.10 и 11.
Задание 14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ГРУНТОВ МЕТОДОМ ЭКСПРЕСС-НАЛИВА В СКВАЖИНУ
Цель работы - ознакомление с методикой проведения опытных экспресс-наливов, практическое их проведение и обработка результатов.
Основные положения метода
Экспресс-налив производится путем быстрого (теоретически мгновенного) возмущения напора водоносного пласта с последующей регистрацией изменений уровня воды в скважине. Источником возмущения напора может быть налив некоторого объема вода в скважину.
Замеры изменения уровней подземных вод в скважине после налива позволяют рассчитать коэффициент фильтрации водоносного горизонта.
Преимущество экспресс-налива перед опытными откачками состоит в том, что он дает возможность быстро и без больших затрат средств провести массовое опробование скважин на значительной территории.
Недостаток этого метода заключается в том, что с его помощью удается определить фильтрационные свойства пород только в зоне непосредственно примыкающей к опытной скважине.
Порядок выполнения работы
1.Ознакомиться с конструкцией скважины, в которую будет осуществляться экспресс-налив. С помощью хлопушки определить глубину естественного уровня воды he в скважине. Глубина измеряется от верха обсадной трубы скважины (прил.6), принимаемой за начало отсчета.
2.Быстро (мгновенно) налить воду в скважину. С этого момента включается секундомер и замеряются уровни воды в скважине h(t). По секундомеру установить точное время t какого замера (касания воды хлопушкой).Результаты экспресс-налива записать в журнал, форма которого приведена в табл.11.
Примечание. Замеры в песках и галечниках производить до тех пор, пока Не выполняется условие h(t)=he, в слабопроницаемых супесчаных и глинистых грунтах продолжительность наблюдений не менее 1 ч.
Камеральная обработка результатов работы
1.Рассчитать столбцы 3 и 4 журнала налива.
2.Из журнала налива выбрать пары значений t и S , по которым будут производиться расчеты коэффициента фильтрации. Эти пары значений занести в табл.12.
Задание 15. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ГРУНТОВ ОПЫТНЫМИ ОТКАЧКАМИ ВОДЫ ИЗ СКВАЖИНЫ
Цель и результаты работы
Цель работы - знакомство студентов с методом определения коэффициента фильтрами водонасщенных грунтов.
В качестве отчетного материала должны быть представлены:
1.Схема опытного, куста скважины с указанием его параметров. Описание сущности и области применения метода.
2.Расчет коэффициента фильтрами.
Основные положения метода
Откачки - основной, и наиболее распространенный метод опытно-фильтрационных исследований водонасыщенных грунтов. При кустовой откачке бурят центральную скважину, из которой производится откачка воды насосом, и ряд наблюдательных скважин, по которым следят за изменением уровня воды во время откачки. Наблюдательные скважины располагаются на нескольких лучах, сходящихся к центральной скважину и на разных
расстояниях от центральной скважины (рис.4). Это позволяет определить гидравлический уклон в ходе опыта на разных направлениях.
Откачки обычно проводятся при двух-трех понижениях уровня воды в центральной скважине. Величина каждого понижения в центральной скважине в сильно водопроницаемых грунтах не менее 1 м, в средне- и мало- водопроницаемых-1,5-2 м. Продолжительность откачки при одном понижении в однородных грунтах определяется реальньтми гидрогеологическими условиями и изменяется от нескольких часов до нескольких месяцев.
Методы обработки результатов опытных откачек основаны на решении фильтрации по определенным расчетным схемам, учитывающим геологическое строение участка, степень и характер вскрытия пласта скважиной и расположение в ней фильтра; вид откачки. Некоторые наиболее употребляемые формулы для расчета коэффициента фильтрации при откачках из совершенных скважин в однородных пластах приведены на рис.5. В л этих формулах приняты следующие обозначения:
Кф - коэффициент фильтрации, м/сут;
Q - дебит скважины, м3/сут;
ro - радиус центральной скважины (фильтры), м;
R радиус влияния откачки, м;
h - динамический уровень воды в центральной скважине, отсчитываемый от ее дна, м;
S0,S1,S2 - понижение уровня соответственно в центральной, первой и второй наблюдательных скважинах, м;
х1,х2 - расстояние от центральной скважины до первой и второй наблюдательных, м;
Н и m- мощность пласта соответственно безнапорных и напорных вод.
Устройство куста опытной откачки
Куст скважины включает центральную опытную скважину, закрепленную обсадной трубой с фильтром и погружным насосом для откачки воды из нее и наблюдательные скважины, также закрепленные, трубами с фильтрами. Из центральной скважины откачивается вода, а в наблюдательных - фиксируется снижение уровня в водоносном слое.
Для замеров уровней воды применяются электроуровнемеры или хлопушки. Расход откачиваемой воды измеряется с помощью водомера, установленного на выходном патрубке погружного,насоса или с помощью мерного бака и секундомера.
Порядок выполнения работы
1.Ознакомиться с устройством куста скважин для откачки, конструкцией скважин, геологическим разрезом опытного участка,и измерить параметры куста. Составить схему опытного куста. Описать метод и обметь его применения,
2.Для получения навыков замера уровня воды в скважинах и определения расхода воды произвести откачку при трех понижениях. Вычислить понижения уровня воды в скважинах и дебит.
3.Для получедоя навыков обработки результатов опытных откачек рассчитать коэффициенты фильтрации, пользуясь своими измерениями либо указанию преподавателя, данными наблюдений за откачками, приведенными в табл. 13 или 14.
4.Скормить результаты определения коэффициента фильтрации согласно приведенным примерам (прил.7,8).
