авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
-- [ Страница 1 ] --

'е Н И Н Г Р А Д С К И Й О Р Д Е Н А Л Е Н И Н А ГО С У Д А РСТВ ЕН Н Ы Й

У Н И В Е РС И Т Е Т им ени А. А. Ж Д А Н О В А

А. А НСБЕРГ, В. П. Б О Р О В И

Ц К И Й, Ш. Ф. БУТЦ, В. С. САМ АРИНА

ПРАКТИКУМ

ПО ОБЩЕЙ

ГИДРОГЕОЛОГИИ

П од редакцией В. С. С а м а р и н о й

S ИВ !'1 О Т Е К А

г - - 'г д с к о г о f ^I ;

::-ф :'.и г О Г,..Ч е С К О Г О I и с,т а т у т а И ЗД А Т Е Л Ь С Т В О Л Е Н И Н Г Р А Д С К О Г О У Н И В ЕРС И ТЕТА 1965 56.

Печатается по постановлению Редакционно-издательского совета Л енинградского университета Книга является руководством к практическим занятиям.

В ней содерж атся описание водно-физических свойств горных пород и методика определения некоторых из них., Специальный раздел посвящен характеристике солевого состава подземных вод и способам их сокращенного анализа, а такж е графической обработке результатов анализа.

В заключительном разделе руководства излагаю тся мето­ дика полевых гидрогеологических наблюдений и основные прин­ ципы построения гидрогеологических карт. Н ар яд у с вариан­ тами карт, рекомендованными официальными инструкциями,, рассматривается способ построения карты, разработанный на кафедре гидрогеологии Ленинградского университета.

Книга предназначается для студентов геологических ф а­ культетов университетов, горных и нститутов,;

а так ж е м ож ет быть использована инженерно-техническими работниками, д е я ­ тельность которых связана с изучением общих вопросов гид­ рогеологии. i ;

I'. 1 !

, ПРЕДИ СЛОВИЕ «Практикум по общ ей гидрогеологии» составлен коллективом авторов в соответствии с программой курса практических заня­ тий по общей гидрогеологии на геологическом факультете Ленин­ градского ордена Ленина государственного университета им.

А. А. Ж данова.

Первое' руководство было издано кафедрой гидрогеологии в 1940 г. Его авторы Н. Я. Верхало и В. А. Сергеев выполнили большую работу по созданию на каф едре фильтрационной и хи­ мической лабораторий, необходимых для осуществления практи­ ческих занятий. Написанная ими книга включала два раздела, причем первый из них — фильтрационный — охватывал- только расчетные и лабораторные методы определения коэффициента фильтрации, а второй — химический — включал сравнительно не­ большое число определений.компонентов химического состава.^ вод.

В связи с быстрым развитием гидрогеологической науки обо­ гащаются и совершенствуются методы гидрогеологических иссле­ дований, разрабатываются новые приемы и способы изучения подземных вод. Возникает необходимость составления новых ру­ ководств, отвечающих уровню гидрогеологических знаний.

В 1956 г. кафедра вновь издает пособие к практическим заня­ тиям, написанное Ш. Ф. Бутц и В. С. Самариной. Это пособие, в состав которого входят те ж е разделы, что и в первое, отли­ чается лишь расширенной частью, посвященной гидрохимическим методам исследования, и содерж ит ряд новых данных по вопро­ сам фильтрации, однако без учета полевых работ. В настоящее время у ж е и это пособие не удовлетворяет возрастающим требо­ ваниям, предъявляемым п,ри подготовке специалистов-гидрогер логов. « За последние годы в программу практических занятий по курсу общей гидрогеологии внесены значительные изм.ене.ния.

Пять.лет осуществляется летняя практика по гидрохеологии в Кавголово (на базе для практических работ Горного института), в процессе которой студенты знакомятся с полевыми методами определения коэффициента фильтрации. Проводятся занятия по методике гидрогеологического картирования с учетом новейших инструкций, изданных во ВСЕГИНГЕО, а также способов по­ строения гидрогеологических карт, разрабатываемых кафедрой.

Все эти дополнения в программе занятий по общей гидрогео­ логии не отражены ни в одном из имеющихся учебных пособий, что заставило провести работу по составлению нового руковод­ ства.

Настоящая книга включает три раздела. Первый посвящен коэффициенту фильтрации и способам его определения. В отли­ чие от предыдущих пособий большое место уделено здесь поле­ вым методам. Необходимый для понимания описываемых мето­ дов теоретический материал излагается в,очень краткой форме, поскольку он имеется в соответствующих учебниках и моногра фйях по гидрогеологии.

Во втором разделе даны способы определения компонентов химического состава воды. Р аздел этот, по сравнению с первым, включает несколько больше различных теоретических сведений.

Вначале рассматриваются некоторые основные положения ана­ литической химии, нужные для понимания методики анализа. Все они есть в учебниках по аналитической химии, но изложены там с излишней полнотой и подробностями для изучающих общий курс гидрогеологии. В конце раздела помещена глава о химиче­ ской классификации вод. Она так ж е принадлежит к разряду тео-^ ретических, но необходимость ее диктуется отсутствием в учеб­ никах по гидрогеологии новых классификационных схем, а также стремлением авторов познакомить студентов с систематизацией существующих в настоящее время химических классификаций, количество которых по мере развития науки непрерывно увели­ чивается.

Третий раздел посвящен методике составления гидрогеоло­ гической карты. В отличие от двух предыдущих он написан по иному плану в связи со спецификой практических занятий, осу­ ществляемых по картированию. На практических занятиях сту­ денты, пользуясь из-за недостатка времени и нужных полевых материалов специальными макетами, приобретают навыки чте­ ния гидрогеологических карт и составляют краткие отчеты к ним.

Поскольку сами они карт не строят, в книге нет подробного опи­ сания способов построения карт, а лишь рассматриваются основ­ ные принципы и состав легенды некоторых методик. О собое вни­ мание уделяется разбору теоретических основ картирования раз­ ными методами, что позволяет учащимся при работе над маке­ тами увидеть преимущества того или иного метода.

' В первом разделе книги главы 1 и 3 написаны доцентом ка­ федры гидрогеологии Ш. Ф. Бутц и ассистентом той ж е кафедры Е. А. Ансберг при участии доцента В. А. Сергеева;

глава 2 пер­ вого раздела и весь второй раздел составлены Ш. Ф. Бутц;

глава 4 первого раздела написана Е. А. Ансберг совместно с доцентом Горного института В. П. Боровицким;

раздел третий и глава о химической классификации вод из второго раздела написаны ст.

научн. сотрудником Института Земной коры ЛГУ В. С. Сама­ риной.

Авторы выражают большую благодарность сотрудникам ка­ федр гидрогеологии Горного института и Московского государ­ ственного университета, а такж е проф. А. И. Дзенс-Л итовскому и ст. научн. сотруднику Г. В. Короткевичу, сделавшим ряд цен­ ных замечаний в процессе создания этой книги. Особую призна­ тельность авторы приносят ст. научн. сотруднику Е. Е. Керкису, который не только указал на имевшиеся в книге недочеты, но и оказал большую помощь при составлении первого раздела руко­ водства.

,РАЗДЕЛ I. КОЭФФИЦИЕНТ ФИЛЬТРАЦИИ И МЕТОДЫ ЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ Г Л А В А 1. ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ П О РОД и ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ Д В И Ж Е Н И Я ПОДЗЕМ НЫ Х ВОД § 1. ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД И МЕТЬДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ИЗ НИХ Пористость. Горные породы могут вмещать и пропускать через себя воду вследствие того, что они не являются монолитными, а всегда обладаю т пористостью или скважностью. Величина и характер скважности зависят от условий образования поро­ ды и последующего воздей­ ствия на нее процессов мета­ морфизма, цементации, вывет­ ривания и пр. Скважность бы­ вает двух типов: перв^1чная н вторичная. Первичная возни­ Рис. 1. Влияние располож ения зе ­ кает в породах осадочных рен ш аровой формы на величину пористости.

за счет неплотного сложения Упаковка: а.— наименее плотная;

б — наи­ отдельных обломков и способа более плотная.

упаковки их (рис. 1), за счет пром еж утков' меж ду плос­ костями наслоения пластов и при разложении органических остатков;

в породах изверженных в результате удаления газО' вой составляющей при застывании расплавленной магмы.

Вторичная обязана растворению части породы в процессе карсто образовдиия, возникновению трещин и пустот при уменьшении объем а породы вследствие тектонических движений, выветрива-^ ния и т. д.

В зависимости от разм ера выделяют капиллярные поры с ди­ аметром менее 1 м м и некапиллярные, диаметр которых соответ­ ственно больше 1 мм.

Д ля количественной характеристики пористости использую!' величину общей пористости, под которой понимают объём всех пустот в единице объема породы. Выражают ее в долях единиды или процентах;

р = ^.Ш %, (1) где р — общая пористость;

Ир — объем пустот в единице объема породы;

V — объем породы (включая все пустоты).

В инженерной геологии пользуются коэффициентом пористо­ сти (приведенная пористость), который равен отношению объема пор к объему твердой' фазы (скелета).породы. И з определения следует:

^= —, (2 ) Vs ' где 8 — коэффициент пористости (в долях единицы );

г»р — объем пор;

W — объем частиц породы.

s В практике гидрогеологических исследований обычно опери­ руют величиной общей пористости. Непосредственное опытное ее определение возможно только для песков и галечников. Д ля связных пород применяется метод расчета пористости по удель­ ному и объемному весам.

О п р е д е л е н и е п о р и с т о с т и п е с к а н а с ы щ е н и е м. Это один из простейших способов. Д ля его осуществления необходимы:

стеклянный стаканчик или жестяной сосуд емкостью 200— 300 м л, деревянная линейка длиной около 15 сж и шириной не менее 2 см, мерный цилиндр и технические весы.

П о р я д о к р а б о т ы. 1. Сухой исследуемый песок насыпать небольшими порциями в стакан, предварительно взвешейный (^ i), все время слегка утрамбовывая его линейкой.

2. Разровнять песок с краями стакана.и взвесить его на тех-* нических весах (й'г).

3. Насытить песок водой (до потемнения), осторожно наливая ее с одной стороны стакана, и снова взвесить {g z ).

4. Удалить песок из стакана, наполнить его водой и взвесить ( g 4 ). Пористость рассчитывается по формуле ^ gi — gi ’ ' где g z — g 2 отвечает весу воды, насыщающей поры песка, что соответствует об-^ему пор;

g i — g i — вес воды, заполняющей ста­ кан, равный объему породы.

Такой упрощенный способ определения пористости применим лищь для крупного песка и галечника. Мелкозернистые пески о б ­ ладаю т высокой капиллярной способностью, вследствие чего про­ исходит быстрое смачивание верхнего слоя песка в стакане, а внизу остается «защемленный воздух, не дающий возможности достигнуть полного насыщения песка водой.

О пределение порист ост и по удел ьн ом у и об ъ ем н ом у весам. Способ наиболее точный, широко используется в прак­ тике гидрогеологических исследований.

Удельный вес породы равен отношению веса абсолютно су­ хого образца к объему вытесненной, им воды. Объемным весом называют вес единицы, объема породы вместе с порами, запол­ ненными водой и воздухом. При определении удельного веса не засоленных пород используют дистиллированную воду, для засо­ ленны х— инертные жидкости (керосин, бензин и пр.). Н иж е рас­ сматриваются наиболее простые способы определения удельного' и объемного весов песчаных грунтов.

О п р е д ел е н и е у д е л ь н о го в еса п еск а. П о р я д о к работы.

1. Взвесить сухой пикнометр на 100 м л с широким горлышком fe i). ;

2. Поместить в пикнометр примерно 10 г предварительно вы­ сушенного образца песка и взвесить {g_2 ) 3. Налить в пикнометр около четверти его объема дистилли­ рованной воды и в течение,8 — 10 м и н нагревать на легком пла­ мени для удаления воздухл, затем охладить, долить дистилли­ рованной воды до метки и взвесить ( g z ).

4. Освободить пикнометр от.песка, заполнить ei^o дистилли­ рованной водой и вновь взвесить (g’ 4). Удельный вес рассчиты­ вается по формуле g ( ‘ gs + g ~ g i ’ • где Y — удельный вес;

g — вес образца, равный g 2 —g i Без особой погрешности для практических целей в формуле принято, что температура воды в течение опыта оставалась неиз­ менной и что плотность воды при температуре опыта равна еди­ нице.

О п р е д е л ен и е о б ъ е м н о го в е са п еск а. П о р я д о к р а б о т ы.

1, Взвесить пустой сухой стакан емкостью около 200 м л ( g i ).

2. Заполнить стакан сухим песком, внося его небольшими порциями и все время слегка уплотняя легкой трамбовкой. Срав­ нять поверхность песка вровень с краями стакана и взвесить ( g 2 ).

3. Определить объем стакана путем заполнения его водой из б,юретки. Объемный вес рассчитывается по формуле »= (5) гд е а — объемный вес;

g — вес песка, равный ё'г — S'i;

объем стакана.

При определении объемного веса крупных разнородных га­ лечников берут навески исследуемой породы до нескольких ки­ лограммов и загруж аю т их в сосуды соответствующей большой емкости.

По данным величин удельного и объемного весов породы рассчитывают общ ую пористость, используя формулу /7 = 1 (6 ), 'где — величина общ ей пористости в долях единицы;

т — удельный вес п о р о д ы ;

о — объемный вес скелета. В табл. 1 для примера приведены величины общ ей пористости пород различ­ ного генезиса.

Таблица В еличина пористости р азл и чн ы х п о р о д * П ористость, % Породы максималь­ минимальная ная, Граниты и гнейсы. 0, 0, 0,20 0, К аррарский мрамор Глинистые сланцы. 7, 0, К ремнистый сланец 0, 0, И звестняки.... 13. 0, Д о л о м и т................. 22, 1. 32, Туф известковы й. 20, П есч ан и к и.,...., 3.50 28. П е с к и.......................... 42. 35. 55. Г Л И Н Ы................................. 25. Л е с с.......................... 55. 40. Справочник гидрогеолога, Госгеолтехиздат, 1962.

Влагоемкость — это свойство породы вмещать и удерживать в себе воду. Она зависит от наличия пор, их размера и состояния находящейся в порах воды. Различают гигроскопическую, мак­ симальную молекулярную, капиллярную и полную влагоемкости.

По классификации А. Ф. Л ебедева * (рис. 2 ), вода ' в породах присутствует в виде водяного пара, гигроскопической влаги, пле­ ночной и гравитационной воды (последняя включает капилляр н^гю и свободную в оду),.а также в виде льдов (сезонная или мно­ голетняя мерзлота).

Особенности каждого вида воды удобно рассмотреть по вер­ тикали естественного разреза горных пород, от подошвы первого водоносного горизонта до поверхности земли. В таком разрезе (рис. 3) выделяются две зоны: нижняя и верхняя.

Нижняя, или зона насыщения, соответствует водоносному горизонту, в пределах которого все поры породы заполнены во­ дой. Содержание ее отвечает полной влагоемкости и равно о б ­ щей пористости. Выше зеркала водоносного горизонта распола­ гается капиллярная кайма, водой заполнены только кациллярные поры, диаметр которых не превышает 1,0 жж. П од воздействием * в последние годы классификация А,. Ф, Л ебедева несколько уточнена работам и С, И, Д олгова, В, А, Приклонского, Е, М, Сергеева, А. А. Роде и других, однако значения своего она не потеряла.

СИЛ поверхностного натяжения (менисковых) вода по капилля­ рам поднимается на некоторую высоту над зеркалом водоносного горизонта, причем высота эта тем больше, чем тоньше капил­ ляры. Значения величины капиллярного поднятия для различных пород приведены в табл. 2. Влажность породы при заполнении всех ее капиллярных пор водой но­ сит название капиллярной влагоем- о® 0 кости. J2 ^ sl'Sq «ь °с о_ q^ ' Верхняя, или зона аэрации, на­ 5 ° „ о Э о о Q^ ° °o o -4 ° ходится выше зеркала водонос­ о/ \ ° -o / ' ного горизонта, распространяясь до поверхности земли. В ней имеются пустоты (поры ), свободные от воды, заполненные воздухом. В этом воз­ духе так же, как и в атмосфере земли, всегда содержится некото­ рое количество парообразной влаги, находяшейся в постоянном обмене с атмосферой (процессы испарения или конденсации). Молекулы паро­ образной воды, осевшие на поверх­ ности породы и слагающих ее ча­ стиц, образуют гигроскопическую воду, весьма тесно связанную с по­ родой и передвигающуюся только в виде пара. Насыщение породы ги­ гроскопической водой отвечает м а­ ксимальной гигроскопической вла гоемкости. Дальнейш ее повышение влажности породы 'приводит к уве­ личению слоя воды, покрывающего отдельные частицы, причем проч­ Рис. 2. Схема различных состо­ ность связей воды и породы умень­ яний воды в породе (по шается. А. Ф. Л ебедев назвал внеш­ А. Ф. Л ебедеву).

1— нюю часть этого слоя пленочной во­ водычастицы пара;

а ~ частицы с не­ породы;

2 - молекулы в виде дой.' ' П одобно гигроскопической, полной гигроскопичностью;

б — части­ она связана с породой силами моле­ цыис максимальной с пленочной водой гигроскопичностью;

2' - частицы в кулярного притяжения, значитель­ более тонкой пленкой);

д — частицы (вода движется от г к в, окруженной но пре1ышающими гравитационные породы с грагатационной водой.

силы. Передвижение этой воды про исходи' от толстых пленок к*тонким, т. е. от мест наибольшего увлажнения к местам с меньшей влажностью. Полное насыще­ ние породы связанными водами отвечает ее максимальной мо­ лекулярной влагоемкости. Зависит эта величина от суммарной поверхности- слагающих породу частиц. Значения максимальной молекулярной влагоемкости различных пород приведены в табл. 3 из которой видно, что она колеблется в весьма широких пределах: от 1,5% Д л я песка и до 40% и более для глин.

п, 1 1 1 1 11 I I I 111 I I I I и Капилляоная найма И' „iiiiiiiriiimii'iiiL Э Зеркало грунтовых О О О Рис. 3. Вертикальный р азрез зон аэрации и насыщ ения.

1 — зона насыщения (водоносный горизонт);

2 - зона аэрации.

Таблица Высота капиллярного поднятия в различных породах Высота, см П ороды 2,0 - 3, П есок к р у п н о з е р н и с т ы й..........................

1 2,0 - 35, П есок среднезернисты й...........................

П есок мелкозернистый.............................. " 3 \ о — 120. 1 2 0,0 - 350,1»

С у п е с ь...............................................................

3 5 0,0 - 65(), С у гл и н о к...................................................

6 5 J,0 - 1 200, Глина л егк ая....................................................

Таблица Величины максимальной молекулярной влагоемкости различных пород* М аксимальная м олеку­ лярная влагоем кость, П ороды вес. % 1, П есок крупный.......................................

1, с р е д н и й...................................,.

Л мелкий.... ‘..........................

1 1,Ь, пы леваты й...................................

14.0 ' Л ёсс никопольский,..........................

39, Глина м айкопская.........

41, В ерхнею рская г л и н а...........................

Справочник гидрогеолога. Госгеолтехиздат, 1962.

в зоне насыщения й в ряде случаев в зоне аэрации присут­ ствует свободная вода. Наличие ее возможно лишь при влажно­ сти породы выше максимальной молекулярной влагоемкости.

В ода эта передвигается под влиянием гравитационных сил. В з о ­ не аэрации гравитационная вода находится в состоянии свобод­ ного просачивания, процесс ее передвижения носит название ин­ фильтрации. В зоне насыщения гравитационная вода движется от высоких отметок к более низким и обладает способностью передавать на значительные расстояния гидростатическое дав ­ ление.

Н аходящ аяся в породах жидкая вода при определенных тем­ пературных условиях может переходить в твердое состояние, пре­ вращаясь в лед. П ромерзание верхнего слоя земли в высоких широтах наблюдается в период зимних низких температур, с на­ ступлением весны слой сезонной мерзлоты обычно оттаивает и вода переходит в жидкое состояние. Есть районы, где мерзлые породы сохраняются годами и десятилетиями (области развития многолетней, «вечной» мерзлоты). Мощность мерзлого горизонта достигает в пределах этих территорий десятков и сотен метров, а сезонному оттаиванию подвергается лишь верхняя часть его, так называемый деятельный слой. ' Перейдем к рассмотрению простейших способов определения некоторых величин, характеризующих влагоемкость горных по­ род.

О п р е д е л е н и е п о л н о й в л а г о е м к о с т и. Эта величина соот­ ветствует общей пористости породы. Обычно ее выражают через отношение объема воды к объему породы или в процентах к весу абсолютно сухого образца. Находится она тем ж е способом, что и пористость (для песка).

О пределение м а кси м а л ьн ой м о л ек ул я р н о й вл агоем ­ кост и. Производится различными методами. Д ля песков ис­ пользуется метод «высоких колонн», разработанный Лебедевым, основанный на допущении, что в достаточно высоком столбе ис сле'дуемой породы гравитационная вода стекает вниз, накапли­ ваясь в капиллярной зоне, а выше остается пленочная вода.

Для проведения опыта применяются составные колонны из железных цилиндров. Общий вид прибора изображ ен на рис. 4.

Он состоит из цилиндров, соединенных друг с другом при помощи винтовых нарезок и муфт. Нарезки для водонепроницаемости смазываются салом или вазелином. Высота колонны при изуче­ нии песков в зависимости от их крупности долж на составлять от 100 до 200 см.

Порядок р а б о т ы. 1. Наполнять отдельные цилиндры прибора исследуе110Й породой, загруж ая ее небольшими порция­ у ми, все время слегка утрамбовывая, и постепенно по мере запол­ нения свинчивать цилиндры м еж ду собой.

2. Укрепить колонну на штативе. Снизу через резиновую труб­ ку насыщать образец водой до полной влагоемкости—до появле­ ния пленки воды на поверхности породы.

3. Отключить резиновый щланг и дать воде свободно стекать.

Оставить колонну на день или два. Обычно за этот срок вытекает вся гравитационная вода. Во избеж ание испарения воды из верх­ них секций колонны ее необходимо герметизировать (закрыть крышкой).

4. По истечении указанного срока развинтить колонну ци­ линдров, в нижней части каж дого звена отобрать пробу породы в.количестве около 5 г для определения влажности (спо­ соб см. ниж е). На основании полученных данных вычислить процент влаги по отношению к весу абсолютно сухого об­ разца.

Распределение влаги в ко­ лонне позволит найти величи­ ну максимальной молекуляр­ ной влагоемкости, которая от­ вечает среднему значению по­ стоянной влажности исследуе­ мой породы, находящейся в верхней части колонны.

О п редел ен и е ест ест вен­ н о й в л а ж н о с т и. Естествен­ ной называют влажность поро-* ды, соответствующую фактиче­ скому содержанию в ней воды, которая может быть удалена высушиванием при температу­ ре 100—^105° С. В ы раж аю т.эту влажность в весовых или объ­ Рис. 4. Высокие колонны — прибор емных процентах к весу сухой для определения максимальной м о­ лекулярной влагоемкости. породы.

П о р я д о к работы, к Взвесить сухой бюкс на технических весах (g'l).

2. Поместить в бюкс исследуемый образец и вновь взвесить (Ы 3. Высушить образец в сушильном шкафу или термостате при температуре 105° С до постоянного веса. Первый раз выдержать в шкафу 3 ч, повторно — около 1 ч. О хлаждать бюкс с образцом перед каждым взвешиванием в эксикаторе (g's).

Естественная влажность рассчитывается по формуле 5-2 - S's (7) 100%.

W. • gz~ gl Данные по определению влажности сводятся в табл. 4, Таблица Журнал опыта по определению естественной влажности Вес, г бю кса с бюкса и спарив­ № об­ № сухой в л аж ­ Дата влажной с сухой ш ейся бюкса разца бюкса породы ность, породой породой воды (^ i) (да) {S z-g O ( ^ 2) (g-s) О пределение вы сот ы и скорост и к а п и л л я р н о го п о д н я ­ т и я.* Д ля проведения опыта используются стеклянные труб­ ки диаметром 3 —4 см. Нижний конец их обвязывается марлей.

^ П о р я д о к р а б о т ы. 1. Загруж ать исследуемую породу в трубку небольшими порциями, все время уплотняя ее постуки­ ванием по стенкам трубки. Если образец глинистый или сугли. нистый, его необходимо предварительно растереть в ступке рези­ новым пестиком.

2. Укрепить трубку в штативе, а ее нижний конец погрузить в воду на несколько миллиметров. О высоте капиллярного под­ нятия судить по потемнению породы вследствие увлажнения.

' 3. Через 5, 10, 15, 30 м ин, а затем через часовые и суточные интервал*ы производить отсчет высоты поднятия воды’ в трубке.

Результаты наблюдения наносить на сетку прямоугольных коор­ динат, откладывая по оси ординат высоту поднятия, по оси абсцисс — скорость поднятия воды. Длина столба породы с тем­ ной, окраской равна высоте капиллярного поднятия. Построенный график дает возможность установить зависимость высоты капил­ лярного поднятия от скорости движения воды по капиллярам.

Водоотдача — это свойство породы, насыщенной водой, отда­ вать часть ее путем свободного стекания под влиянием силы тя­ жести. По Л ебедеву;

водоотдача равна разности м еж ду йодной и'максимальной молекулярной влагоемкостями. Количественно ее выражают отношением объема вытекающей воды к объему всей породы в долях единицы или процентах. Наибольшей водо­ отдачей характеризуются породы с крупными пустотами и тре­ щинами. Сильно трещиноватые граниты, известняки, песчаники, крупнозернистые пески и галечники могут отдавать содерж а­ щуюся в них воду почти полностью. Тонкозернистые, иловатые пески, лёсс и суглинки отличаются слабой водоотдачей;

и нако­ нец, глины, насыщенные водой до состояния пластичности, не способны отдавать воду совсем.

* Кроме описанного метода, для определения высоты капиллярного подня­ ти я используются капилляриметры. Устройство и принцип работы См.:

А. М. О в ч и н н и к о в. О бщ ая гидрогеология. Госгеолтехиздат, 1954.

/ Кроме водоотдачи, различают величину, ей обратную,— недо / ^ г а т о к насыщения, понимая под ним количество воды, нёобходи '^'”^мо,е для полного насыщения породы, находящейся^ в состоянии ^«стественной влажности. Если содерж ание влаги отвечает макси­ мальной молекулярной влагоемкости, то недостаток насыщения численно равен водоотдаче породы, В о д о п р о н и ц а е м о с т ь эт о способность горных пород пропус­ кать через себя воду. Она зависит от размера и конфигурации сообщающихся м еж ду собой пор, трещин и наличия пленок связ­ ной воды. Различают породы водонепроницаемые (водоупоры), которые могут быть как сильно влагоемкими (глины), так и очень слабо влагоемкими (различные скальные породы) с водоот­ дачей, практически равной нулю;

водопроницаемые, ртличающие ся высокой водоотдачей (галечники, пески, сильно трещиноватые известняки, изверженные и эффузивные породы и пр.), и полу­ проницаемые, занимающие промежуточное положение меж ду первыми двумя группами пород (глинистые пески, лессы и пр.).

§ 2. О С Н О В Н Ы Е ЗА К О Н О М ЕРН О С ТИ Д В И Ж Е Н И Я П О Д ЗЕ М Н Ы Х В О Д Подземные воды, заполняющие пустоты горных пород, нахо­ дятся в движении. Известны два основных типа движения сво­ бодной воды: ламинарное, сравнительно медленное, параллель­ но-струйчатое (является наиболее типичным для подземных вод), и турбулентное, быстрое, сопровождающ ееся завихрениями и см е­ шением отдельных струй (наблю дается в больших карстовых пу­ стотах, в крупных галечниках и зияющих трещ инах).

Движение воды (в общем случае движение любой жидкости) в порах и трещинах горных пород в зоне насыщения называется фильтрацией. В теории фильтрации горная порода рассматри­ вается как среда, состоящая из зерен различной величины и фор­ мы, прилегающих друг к другу, образующ их сообщающиеся м еж ­ д у собой пустоты, в которых происходит движение жидкости (или га за ). Такая модель оказывается применимой и к случаю фильтрации в трещиноватых породах (Л омизе, 1951).

При изучении движения рассматривается так называемый фильтрационный поток — условный поток жидкости, идущий через пористую или трещиноватую среду, причем допускается, что он проходит не только через- поры (что наблюдается в дейст­ вительности), а через сечение всей породы (Силин-Бекчурин, 1958).

Закон фильтрации был открыт в середине XIX в. французским гидравликом Д арси, изучавшим водопроницаемость алл1 иаль р ных отложений долины р. Роны. Опыты Д арси показали, что при прохождении воды через породу количество ее в единицу времени прямо пропорционально разности уровней в начале и конце пути фильтрации, площади поперечного сечения фильтрующего слоя, некоторой постоянной величине, зависящей от свойств' породы и 16.

фильтрующейся жидкости, и обратно дропорционально длине пути фильтрации. Математически такая зависимость выражается формулами ^K F ^ (8 ) q Q = K F1, (9) где Q — расход, т. е. количество воды в единицу времени;

К — постоянная величина;

1^Н — перепад напоров, равный раз­ ности уровней;

F — площадь поперечного сечения фильтрую­ щ его слоя;

Д/ — длина участка фильтрационного потока;

/ — напорный градиент, или гидравлический уклон, равный отно­ шению к Д/.

Параметр Н носит название пьезометрического напора (или просто напора) и слагается из дв ух величин:

( 10) + где р — гидростатическое давление в данной точке потока;

Т — удельный вес жидкости;

г — высота данной точки потока над выбранной плоскостью сравнения.

Если обе части уравнения (9) разделить на F, т. е. расход воды отнести к единице площади поперечного сечения, то слева мы получим скорость фильтрации (v)_, а уравнение примет вид 'V = K I. (И ) ^ Выражение (11) является самой краткой формой записи з а ­ кона Дарси. И з него следует, что скорость фильтрации прямо пропорциональна величине напорного градиента в первой сте­ пени. Закон Д арси вследствие этого носит название линейного закона фильтрации.

^ Н еобходимо иметь в виду, что скорость фильтрации не пред ч ст а м я ет собой истинную скорость движения воды в породах, лоокольку речь идет о фиктивном потоке жидкости, отнесенном ко /всему поперечному сечению фильтрующей породы. Истинная (действительная) средняя скорость движения воды связана с фиктивной уравнением / u= f, (12) где и — истинная средняя скорость;

v — фиктивная скорость;

р — •общая пористость в долях единицы.

/ В формулах закона Д арси весьма важной является величина Она была названа Д арси коэффициентом фильтрации, или во­ допроницаемости. Коэффициент фильтрации зависит от водно 'физических свойств горных пород и от вязкости фильтрующейся жидкости. Численные его значения характеризуют водопроницае­ мость пород. Поскольку из выражения (11) следует, что при 2 Зак. 6S8, ' / = 1, v = K, можно сказать, что коэффициент фильтрации равен скорости фильтрации при единичном уклоне и имеет размерность скорости, т. е. измеряется в с м 1 с е к, м 1 с у т к и и т. д.

Исследования показали, что закон Д арси применим при л а­ минарном.режиме движения и не может быть использован при турбулентном.

В гидравлике для определения вида движения воды приме­ няют число Рейнольдса (Re)-;

, ‘ Re = ^, (13) гд е и — средняя скорость движения воды;

d — диаметр трубки,, но. которой движ ется вода;

'^= -7------ кинематический коэффи­ циент вязкости (fj. — вязкость воды, р — плотность воды).

Ламинарный режим движения воды в трубах наблюдается при R e 2 3 0 0, турбулентный — при R e 2300. Н. Н. Павловский преобразовал уравнение (13) для рыхлых горных пород, введя в, него действующий диаметр зерен, пористость и критическую скорость фильтрации, при которой ламинарное движение воды переходит в турбулентное. Г. И. Л омизе на основе эксперимен­ тальных исследований движения воды в щелях с гладкими и ше­ роховатыми стенками выявил величины критических градиентов^ при которых начинается турбулентное движение (Силин-Бекчу­ рин, 1958).

Опыты показали, что.критическая скорость фильтрации для крупнозернистых песков равна в среднем 0,5 сж/се/с (или около 400 м / с у т к и ). Это соответствует действительной (истинной) ско­ рости движения воды в порах примерно около 1000 м 1 с у т к и., В природных условиях скорость движения воды в горных поро­ дах обычно гораздо меньше, поэтому закон Д арси весьма ши­ роко используется в практике гидрогеологических работ.

В грубообломочных, сильно трещиноватых и закарстован ных породах в отдельных случаях может возникать турбулентное движение воды. Оно подчиняется закону Ш ези— Краснополь­ ского V ^K.V Z (14) где V'— скорость фильтрации;

К к —^коэффициент фильтрации, характеризующий проницаемость породы при турбулентном дви­ жении;

I — напорный градиент.

Из- приведенной формулы видно, что при турбулентном дви­ жении скорость фильтрации пропорциональна корню квадрат­ ному из величины напорного градиента.

Д л я ха:рактеристики фильтрационных свойств горных пород определяют коэффициент фильтрации. Методы его нахождения распадаются на косвенные (расчетны е), лабораторные и поле­ вые, В последующих главах рассматриваются некоторые из этих 18 методов, а ниже дана принципиальная схема классификации спо­ собов определения коэффициента фильтрации (по В. А. Сер­ гееву).

Перечисленные методы имеют различное практическое значе­ ние и ограничения при использовании. 1-й метод дает возм ож ­ ность массовых определений коэффициента фильтрации быстрым -и дешевым способом, однако результаты получаются грубо ори­ ентировочными, часто несравнимыми при подсчете по разным формулам. Применим метод только для сравнительно однород­ ных песков, причем при употреблении формул требуется обяза­ тельное соблюдение соответствующих условий.

2-й и 3-й методы также дают возможность массовых определе­ ний водопроницаемости пород быстрым и дешевым способом и особенно ценны при опробовании тонких прослоев и линз. Изу 9* чаются породы с нарушенной и ненарушенной структурой в о б ­ становке, приближающейся к природной. Однако вследствие то­ го, что подвергаются испытанию образцы, а не породы в естест­ венном залегании, методы имеют невысокую точность, исполь­ зуются в качестве вспомогательных, требуют тщательного учета особенностей подготовки и проведения опыта., 4-й метод позволяет определять водопроводимость по скоро­ сти движения подземных вод;

самостоятельного значения не имеет, так как в процессе опыта могут быть учтены только мест­ ные скорости движения и, следовательно, найдены лишь частные значения коэффициента фильтрации. Точность зависит от выбора индикатора, гидрогеологических условий и т. д.

5-й метод дает возможность устанавливать ориентировочно водопроницаемость пород выше уровня подземных вод, в зоне аэрации. Трудность учета влияния всех факторов инфильтрации (капиллярного растекания, защемленного воздуха и пр.), а так­ ж е условность расчета величины напора и площади фильтрую­ щего слоя вносят элемент условности при определении коэффи, циента фильтрации этим методом.

6 -й метод дает приближенную характеристику коэффициента фильтрации трещиноватых и крупнообломочных пород. Погреш ­ ность связана с тем, что при искусственном повышении давления создается режим движения, не свойственный пласту в естествен­ ном состоянии;

также возможна кольматация трещин.

7-й метод является наиболее простым способом определения коэффициента фильтрации при глубоком залегании подземных вод. М ожет применяться для опробования сухих пород. Д ля по­ лучения надежных результатов требуется повышенная точность Ъри зам ере уровня.

8 -й метод откачек из скважин является основным, наиболее надежным способом определения коэффициента фильтрации во­ доносных пород. Точность результатов зависит от техники прове­ дения подготовки опыта (соблюдения условий зам ера уровня, д е ­ бита и т. д.), качества оборудования. Откачки из шурфов дают приблизительные результаты, так как небольшое заглубление в водоносный горизонт позволяет охарактеризовать лишь какую то часть горизонта.

РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛАВА.

КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ § О СН ОВЫ М ЕТОДА 1.

Величина коэффициента фильтрации может быть найдена расчетным путем по эмпирическим формулам. Формулы выве­ дены с учетом зависимости коэффициента фильтрации от свойств горных пород — величины их пористости, размера частиц, степени однородвости и пр. Ряд допущений, принятых при разработке этого метода, сильно снижает точность получае­ мых по формулам результатов. В основе их леж ат представле­ ния об идеальном строении породы: принимается, что конфигу­ рация частиц имеет геометрически правильную, шаровую форму и что уложены они в виде правильных фигур;

свойства пород неоднородного состава, состоящих из частиц различных ди а­ метров, приводятся к свойствам однородных пород, и с этой целью вводится понятие о действующем, или эффективном, диаметре. Последний рассматривается как такой размер зерен, из которых искусственно составленная порода имеет водопро­ ницаемость, аналогичную данной, естественной. Вычисление действующего диаметра как средней величины из размера всех зерен дает заведомо неверные результаты, поскольку средняя величина будет резко меняться от наличия в породе отдельных крупных зерев, тогда как на водопроницаемости такие зерна почти не скажутся. В то ж е время мелкие фракции, содержание которых мало повлияет на значение среднего диаметра,' изменяя капиллярные свойства породы, приведут к значительному уменьшению или увеличению ее коэффициента фильтрации.

Вследствие этого действующий диаметр не является средним диаметром зерен, и различные авторы его определяют по разному.

Исходным материалом для расчета по эмпирическим форму­ лам служ ат результаты гранулометрического анализа пород, которые предварительно подвергаются определенной обработке.

Строится график гранулометрического состава в обыкновенном или полулогарифмическом масштабе. По оси ординат отклады­ вается" процентное содерж ание фракций, причем вначале — наименьшей фракции, затем производится последовательное суммирование всех фракций таким образом, чтобы последняя отвечала ординате, соответствующей 100%. По оси абсцисс Таблица Д анны е гранулом етри ческого ан ал и за Содерж ание по Диаметры частиц Верхний предел С одерж ание по каждой фракции, отдельным ф рак­ диаметра фракций, совокупности мм циям, % ф ракций/ % мм 3=-1 3,7 1 - 0,5 96, 4,3 0,5 —0,25 92, 0. 7, 0,25—0,05 85, 0, 80, 0,05—0,01 0,05 4,5, 1, 0,01 0,01 3, 3. 0.15 dMM Рис. 5. График гранулометрического состава породы.

d — диаметр частиц;

q — содержание фракций.

откладываются диаметры частиц в миллиметрах (или логариф­ мы их). Для построения графика данные гранулометрического анализа удобно свести в таблицу (см. табл. 5). В графах 3 и содержится цифровой материал, на основании которого строит­ ся график — находятся абсциссы и ординаты всех точек (рис. 5).

Характер кривой гранулометрического состава отражает степень однородности исследуемой зернистой породы: чем кру­ че кривая, тем выше степень однородности.

§ 2. НЕКОТОРЫЕ ЭМПИРИЧЕСКИЕ ФОРМУЛЫ По данным гранулометрического состава пород можно рас­ считывать коэффициент фильтрации, пользуясь эмпирическими формулами Хазена, Слихтера, Замарипа, Крюгера, Терцаги, Цункера и др. К аж дая из этих формул может использоваться в определенных пределах, поскольку авторы, разрабатывая их, базировались на допущениях применительно к породам р аз­ личной крупности зерен и степени однородности. Так, например, формулы Терцаги и Слихтера дают более или менее удовлетво )ительные результаты для крупнозернистых песков, формула Дункера — для песков мелко- и среднезернистых и т. д. Для знакомства с методикой расчета по формулам рассмотрим две из них — Хазена и Крюгера.

Ф ормула Х азена. Использование ее ограничено величиной дей­ ствующего диаметра и степенью однородности породы (песка).

П од действующим диаметром Хазен понимает размер таких частиц, мельче которых в породе содержится 10 % по „весу.

Определяется этот диаметр графически (см. рис. 5);

из точки на оси ординат, соответствующей 1 0 %, проводится прямая, п а р а л -" лельная оси абсцисс до пересечения ее с кривой, а затем из этой точки опускается перпендикуляр на ось абсцисс. Полученный.

отрезок соответствует эффективному диаметру (^^эф) • Величина его при использовании формулы Хазена не должна превышать,1— 3,0 жж. Степень однородности-породы такж е определяется по резуль­ татам гранулометрического анализа и характеризуется коэф­ ф'ициентом однородности. Последний, по Хазену, равен' отноше­ нию диаметров, отвечающих ординатам на графике — 60 и 10 % (см. рис. 5 ). При в е л и ч и н е ^ 5 формулой Хазена пользо ватвся не рекомендуется.

В наиболее простом выражении приведенная к температуре 10° С формула Хазена имеет вид K = c d \^ Mj c y mK U, (15) г д е К — коэффициент фильтрации;

с — эмпирический Коэффи­ циент «чистоты и однородности» песков (изменяется для чистых и однородных песков от 1200 до 800, для загрязненных, глини­ стых и неоднородных — от 800 д о 400);

б?эф — действующий диаметр в миллиметрах., Поскольку величина с зависит от пористости, для вычисле-' -'ния ее Ланге предложил эмпирическую формулу:

с = 4 0 0 -Ь 40 (р — 26), (1 6 )/ где р — общая пористость в процентах.

Арифметические действия по формуле Хазена можно зам е­ нить определением коэффициента фильтрации по номограмме, составленной Н. Н. Биндеманом применительно к этой формуле (рис. 6 ). Н а оси абсцисс номограммы нанесены различные зн а­ чения эффективного диаметра от О до 3 мм, а по оси ординат — величины коэффициента фильтрации от О до 25 м1сутки.

В образуемом координатами поле проведен пучок кривых, каж ­ дая из которых соответствует постоянной с.

|||Г|||1П1||111|и11 Ttnfmrfi 0,20 0,15 0, Действующий диаметр.Г ' Рис. 6. Н омограмма формулы Х азена (по Н. Н. Биндеману).

При использовании номограммы необходимо;

1) с кривой гранулометрического состава (см. рис. 5) снять величину дей­ ствующего диаметра и по формуле Ланге вычислить вели­ чину с, 2 ) найти точку, отвечающую действующему диаметру на оси абсцисс номограммы. Провести из нее прямую до пере­ сечения с кривой, отвечающей вычисленному значению с. Орди­ ната полученной точки даст искомую величину коэффициента фильтрации {в м1с'утки).

Формула Крюгера. Применима для определения коэффициента фильтрации среднезернистых песков (дает наилучшие резуль­ таты). При нахождении действующего диаметра частиц Крю rep учитывает весь гранулометрический состав породы, отра­ жаемый величиной суммарной (удельной) поверхности частиц.

П од последней он понимает поверхность всех частиц в 1 см^' породы. Действующим он считает диаметр таких зерен, из которых сложенная искусственная порода имеет удельную поверхность, одинаковую с данной исследуемой породой. Чис­ ленно действующий диаметр равен величине, обратной отношению суммы весового содерж ания каждой фракции к среднему диам е­ тру их, С удельной поверхностью он находится в следующей з а ­ висимости:

60(1 - / 7) (1 ^эф ’ где 6 — удельная поверхность в см^\ р — пористость в долях в мм, единицы;

— действую щ ий диаметр равный ср q — весовое содерж ание каждой фракции в долях единицы;

, ^ср — средний диаметр каждой фракции, определяется как ср едн ее арифметическое из диаметров, ограничивающих фрак­ цию;

S — знак суммы. Д ля вычисления величины 6 данные гра­ нулометрического анализа реком ендуется сводить в табл. 6.

Таблица б Вспомогательная при расчете К по формуле Крюгера Размеры частиц, м м Расчетны е величины 0,0 5 1—0,5 0,5-0,25 0, 2 5 - 0,0 з4д 0,05 0, 3, С одерж ание ф ракций, %. 3,7 4.3 80, 7,0 1, С одерж ание фракций в д о ­ 0, лях единицы, q................. 0,037 0,07 0,805 0, 0, Средний ди ам етр ф ракций, 0, 0,38 0,15 0, 0, 2, “ с р..........................................

^ Я 0,057 0,18 5,36 0, 0,018 dcp В наиболее простом выражении приведенная к температуре 10° С формула Крюгера имеет вид А = 1,16 • 10®-j^ Mj c yni KU, Г (18) где К — коэффициент фильтрации;

р — общая пористость в д о ­ лях единицы;

0 — удельная поверхность частицы в см^.

Для удобства расчета по формуле Крюгера рекомендуется найденное значение 6^ округлить и представить в виде опреде­ ленного числа, умноженного на 10®. Такой прием даст возм ож ­ ность сократить все выражение формулы на эту величину.

25 к?

(J) Рис. 7. Н омограмма формулы Крюгера (по Н. Н. Биндеману).

Арифметические вычисления по, формуле Крюгера можно заменить определением коэффициента фильтрации по номограм­ ме, составленной Н. Н. Биндеманом (рис. 7) применительно к этой формуле. Номограмма состоит из двух частей. В правой по горизонтальной оси отложено в масштабе процентное содер­ ж ание каж дой взятой отдельно фракции. Из нулевой точки правого графика выпущен пучок расходящихся прямых, соот­ ветствующих различным диаметрам, ограничивающим обычные фракции. В левой части номограммы по вертикальной оси (эта ось общая у обоих графиков) откладываются величины “ эф по горизонтальной оси — коэффициент фильтрации в м1сутки.

В поле, образованном этими осями, расположен пучок кривых линий, каж дая из которых отвечает определенной пористости.

Вкрест их направлению проведена параболическая пунктирная кривая.

При использовании номограммы необходимо:

1. Д ля нахождения величины, обратной действующему диа­ метру, на горизонтальной оси правой части номограммы опре­ делить точки, отвечающие содержанию заданных фракций. Из каждой точки восстановить перпендикуляр до пересечения с прямыми, указывающими размеры зерен, в пределах которых заключено данное процентное содерж ание фракции;

на верти­ кальной оси отсчитать для каждой фракции размер величины, обратной действующ ему диаметру. Найденные зн ачен ия-т^ Uэф -.

удобно,свести в таблицу (см. пример в табл. 7).

Таблица В с п о м о г а т е л ь н а я п р и р а с ч е т е К по ф о р м у л е К р ю г е р а Р азм ер ф р ак ­ С одерж ание, ций, м м ^эф эф 0,01 3,0 0,01—0,05 1,5 0, 0,0 5 -0,2 5 80,5 5,5 12, 0,2 5 -0,5 7,0 0, 0,5 - 1 4, 0, —3 3,7 / 2. По оси, где отложены найти величину ^эф (в приведенном примере — 12,28). Из точки, ей соответ­ ствующей, взять проекцию на кривую, отвечающую заданной по­ ристости, и опустить перпендикуляр на пунктирную 'кривую.

Ордината полученной точки даст искомую величину коэффи­ циента фильтрации в Mj cyTKu.

При незначительном содержании отдельных фракций обыч­ но труднО’ произвести точный отсчет по оси абсцисс правой части номограммы из-за условий масштаба. В таких случаях рекомендуется увеличить значение процентного содержания в 10 раз, а, следовательно', отсчет на ординате соответственно уменьшить во столько ж е раз. Д ля крупнозернистых фракций имеется особый график, помещенный в верхней части номо­ граммы.

ЛАБОРАТОРНЫЙ МЕТОД О П РЕДЕЛЕН И Я ГЛАВА КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ § 1. О СН ОВЫ М ЕТОДА В лабораторных условиях коэффициент фргльтрации опре­ деляется на специально отобранных образцах горных пород Б соответствующих приборах. Образцы для исследования берут­ ся либо о ненарушенной структурой, в этом случае степень точности нахождения величины коэффициента фильтрации повышается, либо с нарушением структуры, соответственно точ­ ность метода снижается. Погрешность лабораторного метода в целом связана с тем, что он дает «точечную» характеристику водопроницаемости породы на случайных, хотя и тщательно ото­ бранных образцах.

Основывается метод исследования пород в приборах на законе Дарси, в соответствии с которым ^~ТК н В се величины, входящие в это уравнение, определяются срав­ нительно легко, поскольку они могут быть заданы соответ­ ствующей конструкцией прибора [ F — площадь поперечного сечения;

А/ — длина фильтрующего слоя) или найдены в про­ цессе проведения опыта (Q —-количество воды, фильтрующей­ ся в единицу времени). Затруднение создает величина ДЯ — падение напора. В о время опыта она является переменной, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от количества подаваемой на фильтрацию воды. В приборах различной кон­ струкции затруднение это преодолевается по-разному: в одних опыты осуществляются при переменном напоре, т. е. при не установившемся движении воды, в других — напор искусственно поддерживается постоянным, вследствие чего движение воды приобретает установившийся характер. Н иж е рассмотрены не­ которые приборы, принадлежащие к о-боим типам.

§ 2. ПРИБОРЫ, РАБОТАЮЩИЕ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПОРЕ Трубка Каменского используется для определения коэффи­ циента фильтрации песчаных пород (рис. 8 ), и.меет диаметр 2—4 см, длину 23— 25 см, нижний конец ее закрыт марлей или сеткой. Н а 3— 5 см от верхнего края находится нулевое дел е­ ние, 2 0 -е деление располагается у основания трубки;

цена каж ­ дого деления 1 см.

~Т Ж.

Рис. 8. Т рубка Каменского.

а — опыт при свободном истечении;

б — опыт при несвободном истечении жидкости.

в трубку загруж ается песок, затем наливается вода, уро­ вень которой по мере просачивания все время понижается.

Вместе с понижением уровня падает напор и уменьшается ско­ рость фильтрации. Поскольку скорость фильтрации является переменной величиной, можно говорить лишь о скорости в какой-то данный момент и определять ее как первую производ­ ную пути по времени. Следовательно, (20) где о — скорость фильтрации;

d s — понижение уровня воды в трубке за отрезок времени clt.

В соответствии с законом Д арси скорость фильтрации для этого ж е момента равна (2 1 ) где ч) — скорость фильтрации;

К — коэффициент фильтрации;

;

Ло— первоначальная величина напора;

s —-величина понижения у р о в н я ;

/ — высота столба песка в трубке. Поскольку в урав­ нениях (2 0 ) и (2 1 ) равны левые части, значит, равны и пра лп гг hn — ^ ds S —К вые. 1 аким ооразом, можно написать }— или, раз­ делив переменные, ( = Решив дифференциальное уравнение (22) для величины понижения уровня от О д о s за отрезок времени от О д о f и произведя несложные математические преобразования, полу­ чим новое уравнение S ( -In Йо Оно является основным расчетным уравнением при н а х о ж д е­ нии величины коэффициента фильтрации. Для удобства расчета, по этому уравнению составлена табл. 8, в которой в зависи­ мости от з н а ч е н и я п р и в е д е н а величина — I n / l —, обо S\ значенная в таолице как / -т—.


V«о у Опытное определение коэффициента фильтрации в трубке Каменского производится различным способом в зависимости от крупности зерна исследуемых, песков. Д ля мелко- и средне- зернистых песков допускается свободное стекание фильтрую­ щейся воды из трубки. Д ля крупных песков, чтобы избежать возникновения слишком больших скоростей фильтрации, искус ственнф понижают первоначальный напор (Ло), погружая ниж­ ний конец трубки в стакан, заполненный до краев водой.

Известно, что коэффициент фильтрации зависит не только от водно-физических свойств горных пород, но и от вязкости фильтрующейся жидкости. Последняя определяется минера­ лизацией и температурой жидкости.* Влияние температуры учитывается введением специальной температурной поправки:

по формуле т = 0, 7 + 0,03 Г, (24) где Т — температура водц в градусах Цельсия в течение опыта.

Зависимость коэффициента фильтрации от минерализации воды устанавливается проведением в трубке Каменского спе­ циального опыта, в процессе которого через песок пропускается минерализованная вода известной концентрации (например, 5— 25%-ный раствор N aC l).

* См.: А. И. С и л и и - Б е к ч у р и н. Д инам ика подземных вод. И зд.

МГУ, 1958.

Л Таблица Н ахож дение ф ункции / йз 5 S Ло Ло ho 1, 0,288 0,50 0,693 0, 0,00 0, 1, 0,010 0, 0,01 0,301 0,713 0, 0, 0,02 1, 0, 0, 0,27 0,315 0, 0, 1, 0, 0,030 0, 0,03 0,28 0,329 0, 1, 0, 0, 0,040 0, 0,04 0,29 0. 1, 0,357 0,799 0, 0,051 0,30 0, 0, 0,371 1, 0,821 0, 0,31 0, 0, 0, 1, 0, 0,57 0, 0,07 0, 0,073 0, 0, 0,868 0, 0, 0,083 0,33 0, 0, 0,84 1, 0,094 0,416 0,59 0, 0,09 0, 1, 0, 0,10 0,431 0,60 0, 0,105 0, 0,86 1, 0,61 0, 0,117 0,36 0, 0, 2, 0, 0,37 0,62 0, 0,128 0,, • 0,1‘^9 0,88 2, 0,478 0, 0, 0, 0, 2, 0,494 0,64 1,022 0, 0,14 0, 0, 2, 0, 0,510 0, 0,40 1, 0,15 0, 2, 0, 0,527 0, 1, 0, 0,16 0, 2, 0, 0,17 0,545 0,67 1, 0, 0, 2, 0, 0,562 1, 0, 0, •0,18 0, 0,94 2, 1, 0,580 0,« 0, 0,19 0, 0,20 2, 1,204 0, 0,598 0, 0,223 0, 3, 0, 0,616 0,71 1, 0,21 0,236 0, 0,22 3, 0, 0,72 1, 0,47 0, 0, 3, 1,309 0, 0,654 0. 0,23 0,261 0, 1,347 4, 0,74 0, 0, 0,24 0, 0, Подготовка п р и б о р а. 1. Загрузку трубки произ­ водить одновременно с увлажнением песка. Д ля этой цели трубку поместить в стакан высотой не менее 15— 20 см ;

на дно которого налить, воды. Песок насыпать небольшими порциями, все время слегка уплотняя его постукиванием по стенкам труб­ ки резиновым молоточком. По мере наполнения прибора в ста­ кан понемногу подливать воду.

Когда трубка заполнится на высоту 10 см и песок путем 2.

капиллярного поднятия полностью увлажнится, в стакан д о б а ­ вить еще воды в таком количестве, чтобы она выступала на 1—2 см выше уровня песка в трубке. Затем поверх песка насы­ пать 2 — 3 см гравия для предохранения поверхности от размыва во время опыта.

Опыт п р и сво б о д н о м истечении вод ы. П о р я д о к р а б о т ы.

1, Закрепить трубку в штативе над стаканом или чашкой, налить воду в трубку выше нулевого деления и дать ей свобод­ но стечь д о слоя гравия. Такую операцию повторить дважды.

. 2. Вновь налить воды выше нуля, и при про­ а хождении уровня через S нуль пустить секундомер, и 80‘0 + Z ‘0 = = i ) HHQBduou предварительно задав ­ KEHd^iud0nw3x шись величиной пониже­ ния ( s ).

о Эс ‘( i ) BINUO U 3. При прохождении BdAiBdsuwax О 'ai.

уровня через заданное и X деление выключить се­ жэ1жэ г HHtiudx кундомер и, сняв с него -Ч1гиф хнэийиф отсчет, внести в журнал -фбон HHHlT3d D наблюдений (табл. 9) по­ а \о нижение ( s ) и время (/), MojWD а потребовавшееся на это H tiBdiqifH H cf) н понижение. Замерить 1 Н Э И 'П И ф ф б О температуру профильтро­ S S вавшейся Б О Д Ы. с« о, 4. Повторить опыт при Н.

ja трех понижениях уровня Oj е?

S (например, 3, 5 и 7 с м) s •е с трехкратным контро­ н лем на каждом пониже­ S нии. В сё данные занести S 0 J9 ln 0 lX d x Kf в журнал наблюдений. -ч ш ф BHHirtr S Опыт п р и н е св о б о д ­ (Т) ном ист ечении вод ы. П о ­ о liS Х^ц) doireH р т н р я д о к р а б о т ы. 1. Что­ -qifBhBHoadau бы уменьшить величину S первоначального напора аз ^do ч ‘(;

) эинэжинои (Ло), нужно нижний ко­ о нец подготовленной для FH эо к э е а и ь О -ediEE ‘Bwsdg.

опыта трубки - погрузить С о в стакан, наполненный до ЖЭ краев водой. Стакан по­ ‘( s ) К И Н 9Ж И Н ставить в чашку, для то­ -ou вниьи1гэд го чтобы фильтрующаяся через песок вода, выли­ li ваясь из него, не попада­ о ла на стол. D 2. Выполнять все опе­ с S о о рации, изложенные в о CQ il пунктах 2, 3, 4 при про­ s«g w X \ s « ^ о ^о ведении опыта со свобод­ CQ s. ^ о о CQ Юи о си Ю u оО ) ным истечением воды. о, о ик с “ U S S Д ля нахождения величи­ якщ ны первоначального на­ CliO^iD Q - G Ф с П сг i= с l " пора (йо) произвести от 3 Зак. счет по шкале трубки у деления, отвечающего уровню воды в стакане. Результаты сводить в журнал наблюдений.

Опыт по фильт рации со л я н о й воды. П о р я д о к р а б о т ы.

1. По окончании опыта с пресной водоп через трубку с песком пропустить несколько раз соляную воду для полного вытесне­ ния пресной воды.

2. Выполнить, используя соляную воду, все операции, изло­ женные в пунктах 2, 3, 4 при проведении опыта со свободным истечением воды. Данные сводить в журнал наблюдений.

О б р а б о т к а р е з у л ь т а т о в о п ы т а. 1. Вычислить по формуле (23) коэффициент фильтрации для каж дого отдель­ ного опыта. Определить среднее значение К в условиях свобод­ ного и несво'бодпого истечения для пресной и соляной воды.

Ввести поправку на температуру воды (т), разделив на нее найденные значения К.

2. Пересчитать средние величины коэффициента фильтра­ ции из cm jceK в м1сутки, умножая их для этой цели на 864. При значительных расхож дениях результатов опыта при свободном и несвободном истечении пользоваться данными последнего..

§ 3. ПРИБОРЫ, РАБОТАЮЩИЕ ПРИ ПОСТОЯННОМ НАПОРЕ Прибор! Тима— Каменского. Используется для определения коэффициента фильтрации рыхлых, песчаных пород и связных, супесчаных и суглинистых. Собственно прибор Тима пред­ назначался для исследования песка. Каменский ввел в него дополнительную д етал ь— стальной стакан с режущими края­ ми, при помощи которого берутся (вырезываются) образцы связных пород с ненарушенной структурой (рис, 9;

уИ — моно­ лит породы). Этот стакан вставляется в нижнюю часть прибора и закрепляется специальными болтами. Сам прибор состоит из двух цилиндров — верхнего и нижнего. Нижний имеет глу­ хое дно и два боковых отростка (7 и 2 ). Первый служит для измерения пьезометрического напора, второй — для насыщения образца породы водой, регулирования напора и отвода фильт­ рующейся воды. Нижний цилиндр соединяется с верхним посредство'м болтов. На боковой поверхности верхнего ци­ линдра также имеются отростки [4, 5, 6 ). Один из них (4 ) находится почти на самом верху прибора. Его назначение — обеспечивать слив избыточной воды, подаваемой в прибор во время опыта. Отростки (6 я 6) используются для измерения напора. П одобно (7), они подключаются при помощи резиновых шлангов (S) к пьезометрическим стеклянным трубкам (9), помещенным на специальной шкале ( 1 0 ). Стеклянные трубки при заполнении прибора водой (без образца породы) играют роль сообщающихся сосудов. В момент прОЁедения опыта с исследуемым образцом они дают возможность определять действующий напор в соответствующих сечениях прибора.

Величина напора Н, под действием которого происходит филь­ трация через монолит породы, снимается как разность показа­ ний пьезометров.

Н иж е рассматривается определение коэффициента фильтра­ ции песчаной породы с нарушенной структурой. При подготов­ ке опыта и загрузке прибора песком следует максимально приблизить условия опыта к естественному состоянию песка в водоносном пласте, равномерно у-плотнить его и / насытить (по капиллярам) водой.

Рис. 9.' П рибор Тима— Каменского.

Объяснение дается в тексте.

П о д г о т о в ' к а п р и б о р а. 1. В нижний цилиндр вложить резиновую прокладку, затем две сетки (грубую и мелкую) и вновь резиновую прокладку.

2. К шлангу (2) присоединить воронку, укрепить в штативе и через нее заполнить нижнюю часть прибора до появления воды над сеткой. Укрепить верхний цилиндр.

3. Н асыпать в верхний цилиндр небольшими порциями песок, создавая слой не более 2—3 см и уплотняя его при помощи специальной деревянной трамбовки с широким основа­ нием за счет веса и без применения силы.

4. Следить за уровнем воды в воронке;

он будет падать вследствие того, что вода, поднимаясь по капиллярам, насы­ щает постепенно песок. Необходимо восполнять убыль воды.

,3* подливая ее время от времени в воронку. Последнюю нужно поднимать все выше и выше, укрепляя в штативе на более высоких отметках. Однако уровень воды в воронке всегда дол­ жен быть ниже уровня песка в приборе.

5. По мере появления воды в бдковых отростках (5, 6), подключать их к стеклянным пьезометрам (5), предварительно обвязав отростки кусочками марли для защиты от проникно­ вения песка. Заполнить резиновый шланг (S) водой, подня­ тием вытеснить из ш ланга воздух и одеть его на соответствую­ щий боковой отросток.

6. По окончании загрузки прибора песком (его следует насыпать выше отростка 5) увеличить напор, подняв для этой цели воронку, подающую воду в прибор, на такую высоту, что­ бы вода появилась над поверхностью песка. Д л я предохране­ ния песка от размы ва во время опыта насыпать защитный слой гравия в 2—3 см..


7. Ш ланг (2) отсоединить от воронки и укрепить его в ш та­ тиве на некоторой высоте над сетчатым основанием верхнего цилиндра. Положением этого шланга регулируется напор во время проведения опыта: чем ниже будет опущен шланг, тем больше окажется величина напора.

8. П одавать воду из бачка (3) в прибор. Количество ее отрегу­ лировать при помощи заж им а на резиновом шланге, подводя­ щем воду из бачка. Д л я нормального течения опыта следует добиться, чтобы слив избытка воды через отросток (4) происхо­ дил по каплям.

П о р я д о к р а б о т ы. 1. Произвести проверку пьезометров.

С этой целью поднять шланг (2) до уровня воды в приборе, после чего фильтрация прекратится, а вода в пьезометрах через некоторое время должна занять одинаковое положение.

Это укаж ет на правильность подключения пьезометров и на готовность прибора к работе.

2. Опустить ш ланг (2) ниже уровня воды в приборе на не­ сколько сантиметров и тем самым создать определенный напор­ ный градиент, под влиянием которого начнется фильтрация воды через породу. Добиться постоянства показаний пьезо­ метров и записать их в ж урнал (табл. 10).

3. Подставить под нижнее сливное отверстие пустой мерный стакан (1) и включить секундомер или часы. Д л я песчанык' пород опыт продолжать в течение 5 мин, после ч€|го секундо­ мер выключить и измерить объем профильтровавкгейся воды и ее температуру. В конце опыта- снова снять показания пьезо­ метров. Если они изменились, из начального и конечного отсче­ тов взять среднее. При очень больших расхождениях определе­ ние необходимо повторить. При заданном напоре произвести трехкратный контроль. Если количество фильтрующейся воды за один и: тот же отрезок времени будет близким, перейти к проведению опыта при другой величине напора.

4. Изменения напора ^98 X = (Я ) добиваться подняти­ Р З = пяш/\01ж У} опусканием SГ != ем или ш ланга (2). Рекомендует­ с ? :иээ1жз ‘ ^ VD ся начинать испытание об­ У{ разца с наименьшего Н, ( i g 0 ‘0 + i ‘0 = затем его увеличить, а в О » = i ) Bsapduou О конце вновь вернуться к KBHdjfiBdsnwgx з:

о первоначальному напору. гв с Таким образом опыт по­ D o U ) BIHUO :rs Bd^iBdauHisx вторяется три раза. Это необходимо для провер­ г S ки работы прибора. ^Про­ ^ p lw o ‘^^yj н исшедшие в образце а нарушения (промоины, ( \ о \о тэ1жо ‘ — yj утечка воды и др.) отра­ S а \ (y зятся на величине коэф ­ с ииlIвdlЧIfиф фициента фильтрации, 1НэиИиффео{ полученного в начале и S S конце опыта, при близ­ e d f i - = z') 1НЭИ1Г О.

кий значениях напорного Н \H Л градиента. Следует пом­ -BdJ HNHdouBH SS нить, что ш ланг (2) ни в ЖЭ коем случае нельзя опу­ BdoHBH эинэИвц скать ниже сетки, на ко­ X торой находится образец. S ЖЭ Ч ^н) Нарушение этого прави­ Bdl9K0E34O 0J9H S ’в- -ЖИН ЭИНВЕВМОЦ ла выводит прибор из р а ­ О) бочего состояния, в ре­ о ЖЭ ‘(^Н) ia зультате чего его вновь Bdxawosaqu o js h придется подготавливать -xdaa эинвевноц S для исследования. Ф = Обработка ре­ о ЖЭ ‘(7) BOifD ojalnoijfd S зультатов опыта. с. -1Ч1ГИф BHHir'n' 1. Вычислить коэффи­ с:

о циент фильтрации по 4j ) формуле винэьээ oJOHhad л н -auou qirBtaoifij с ^ РШ ’ о даз/ежэ cd t где F — плош;

адь попе­ 5 -= d fOXOBd а речного сечения в смР-, на­ / ходится как площадь круга {лЮ) по радиу­ МЭ ‘{f) Bwsdg су прибора;

А1 — длина фильтрующего слоя в см, ‘(®) iqfoa HOHHBHodi рав,на высоте столба з а ­ -qifHc^odu oa-j груженного в прибор об разца;

АЯ — перепад напора в'см, равный разности показаний верхнего и нижнего пьезометров;

Q — расход воды в см^!сек, определяется делением количества профильтровавшейся воды за время t.

2. Найти среднее значение коэффициента фильтрации, ввести поправку на температ^фу воды (т), разделив на нее полученную величину К, и перевести К из см1сек в м!сутки, умножив его для этой цели на 864.

Рис. 10. Трубка СПЕЦГЕО (Знаменского).

Трубка СПЕЦГЕО (Знаменского), Д ает возможность опреде­ лять коэффициент фильтрации ’Песчаных пород с нарушен­ ной и ненарушенной структурой. Н а рис. 10 изображен общий вид прибора (а) и его разрез (б). Прибор состоит из телеско­ пического приспособления (цилиндры 2 и 3), позволяющего изменять величину напорного градиента, стального стакана (5) с режущими краями для загрузки песка или взятия образ ца с ненарушенной структурой и стеклянного сосуда ( /), устроенного по принципу М ариотта и автоматически подающего воду в прибор во время фильтрации.

Телескопическое приспособление вклю чает наружный (3) и внутренний (2) цилиндры, соединенные резьбой, с помощью которой один цилиндр выдвигается из другого. Их взаимное положение создает определенный напор, под действием кото­ рого идет фильтрация воды. Внутренний цилиндр имеет сет­ чатое дно (9), на нем во время работы устанавливается сталь­ ной стакан (6) с образцом породы. Н а внешней стороне цилиндра [2) выгравированы цифры, показывающие величину напорного градиента I, которая определяется положением цилиндров ф и 3) относительно друг друга. Если внутренний цилиндр полностью ввернут во внешний, разность уровней воды равна нулю и фильтрации в приборе не происходит. Она может начаться при выдвижении цилиндров на величину Я, так как при этом вода поступит в образец на уровне верхней сет­ ки (5), проникнет через сетку (9) внутреннего цилиндра и выльется из прибора через зазоры (7). Разность в уровнях и составит действующий напор Я во время опыта. Соотношение меж ду Я и I (длина монолита) определит гидравлический гра­ диент I. М аксимально возмож ная величина / в данном приборе равна единице. Такой градиент будет иметь место при выдвиже­ нии цилиндра (2) из цилиндра (5) на длину монолита I.

Стальной стакан (6) представляет собой полый цилиндр с заостренными краями. При помощи стакана можно брать образцы породы без нарушения их естественного сложения.

Д ля этой цели стакан вдавливаю т в породу, а затем отделяют от нее при помощи ножа. Выступающие части породы срезаю т­ ся вровень с краями стакана. В поперечном сечении фильтрую­ щ ая площадь взятого образца равна 25 см. Т акая цифра нанесена на внешней стороне стакана. Дном для монолита служ ит сетка (5), которая одевается на стакан перед его уста­ новкой в прибор или перед загрузкой, если опыт проводится с рыхлой породой. Д л я защиты исследуемого образца во время опыта от размы ва поверх него кладется верхняя сетка (5), а затем на стакан одевается колпачок с заж имами (4) для сосуда (У).

Сосуд (1) — это стеклянный градуированный баллон. В ниж­ ней части имеет отверстие с загнутыми внутрь краями, что дает возможность подавать воду в прибор автоматически. Поступле­ ние воды по мере ее расходования на фильтрацию основано на принципе М ариотта. Сосуд ( /) укрепляется над прибором таким образом, что горлышко его отстоит от поверхности породы на 2—3 мм. Когда из-за фильтрации воды через породу уровень воды в колпачке (4) несколько понизится, в сосуд сразу же прорвется пузырек воздуха и вытеснит соответствующее ему количество воды из сосуда, пополнив уровень воды в цилиндре.

Таким путем достигается постоянство напорного градиента. Количество = П 1^э1ж^ })Ш s фильтрующейся воды \o определяется по градуи­ рованной шкале, имею­ Mojw3 щейся на боковой поверх­ ности сосуда, цена деле­ о do ния которой. соответст­ E C О вует 1 см?.

S ce При подготовке опыта S CO и загрузке прибора сле­ Q eo‘o+z'o = i) 0 BMaBduou a дует максимально при­ о B B H d jC iB d s n w s x \o близить условия опыта к s a естественному состоянию породы в водоносном пласте — уплотнить и на­ Do ‘(I) Niroa S s сытить образец водой по BdiiBdsnwax Л капиллярам. С целью Q E.

- ускорения этого процес­ са, в отклонение от ин­ S ’ в- жэ1жэ иий струкции, приложенной к е й в d IЧ Ifи ф 1НЭИ Н прибору, насыщение во­ s •иффбол HHHirad d дой лучше проводить в s отдельном специальном =f s сосуде или чашке.

*9- }{ээ1жэ Подготовка при­ m о бора. 1. Н а стальной » HH H BdiqifH ({) стакан {6) надеть сетчатое хнэи'пиффео}] я дно {8), предварительно s см азав слегка резиновую g (/ ) ХНЭ прокладку мылом. С м аз­ s -HtfBdj HNHdouBH ка необходима для того, a чтобы сетка свободно надевалась и снималась.

ЯЭ012ЖЭ Стакан поставить в чаш ­ ce H ^-=6] iroxoBd ку с водой, уровень кото­ с рой в чашке должен быть о ез на 1—2 см выше сетки е в стакана. Если при этом X гжэ а вода не выступит над по­ ‘(ж )? Bwada bs верхностью сетки (что Hiroa. вэи эш ава -odxчIfиф odц о а -л возможно из-за образо­ вания воздушного пу­ зыря под сеткой), не­ обходимо стакан пока­ мэ '(;

) Bwadg чать до появления’ в нем воды.

2. Загруж ать породу в стакан небольшими порциями, онсиг дая, пока не произойдет насыщение ее водой (потемнение). При загрузке уплотнять породу легким постукиванием резиновым молоточком по краям стакана. Д л я ускорения насыщения в чашку время от времени подливать воду. После заполнения стакана до краев и полного насыщения породы водой закры ть его сверху сеткой (5) и надеть колпачок [4).

3. Выдвинуть цилиндр {2) из цилиндра (3) до положения / = 0,6. Налить воду так, чтобы она выступила в пазах (7)..

Поставить прибор в чашку, перенести в него стакан с образцом породы {6) и привести цилиндры (2 и 5) в нулевое положение.

4. В стакан с образцом налить поверх сетки (5) воду. Посте­ пенно вывинчивая цилиндр (2) опять привести прибор в рабо­ чее положение, когда / = 0, 6. При этом необходимо все время добавлять воду и в стакан с образцом и в паз.

5. Заполнить водой сосуд ( /) и, прикрыв, указательным пальцем отверстие, быстро опрокинуть й укрепить его над при­ бором в заж им ах колпачка {4). С момента появления в сосуде поднимающихся пузырьков воздуха прибор находится в рабо­ чем -состоянии. Д л я получения хороших результатов не следует допускать потери воды из исследуемого образца. С этой целью сосуд М ариотта всегда должен быть заполнен водой. Если ока­ жется нужным отключить его от прибора, воду необходимо подливать в колпачок. При перерыве опыта прибор возвращ аю т в нулевое положение.

П о р я д о к р а б о т ы. 1. При прохождении уровня воды в сосуде М ариотта через нулевое деление включить секундомер и выключить егО', когда уровень достигнет деления 50. Повто­ рить опыт с трехкратным контролем (при / = 0,6). Зам ерить температуру профильтровавшейся воды. Результаты занести, в ж урнал (табл. 11).

2. Перевести прибор на новое положение, при / = 0,8.

С этой целью сначала соединить края цилиндров (2 и 5), а затем повторить операцию, описанную в пункте 4, выполнив опыт с трехкратным контролем.

3. Привести прибор в положение / = 1 и вновь проделать опыт с трехкратным контролем.

О б р а б о т к а р е з у л ь т а т о в ' о п ы т а. 1. Вычислить коэф­ фициент фильтрации по формуле К = ^ -^ см!сек, где Q — расход воды в см^!сек, определяемый делением количе­ ства профильтровавшейся воды на время /;

f — площ адь поперечного сечения стакана в см^\ I — напорный градиент.

2. Найти среднее значение коэффициента фильтрации, вве­ сти поправку на температуру воды (т), разделив на нее полу­ ченную величину К, и перевести К из см)сек в M jcymu, умножив его для этой цели на 864.

ПОЛЕВЫЕ МЕТОДЫ О П РЕД ЕЛ ЕН И Я Г Л А В А 4.

КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ § 1. М ЕТО Д ОТКАЧЕК Особенности метода. Откачки применяются для определения коэф фициента фильтрации пород, полностью насыщенных водой.

Из скважины и лИ колодца, вскрывающих водоносный горизонт, при помощи насоса извлекается вода, в результате чего происхо­ дит снижение уровня воды в выработке. Д лительная откачка вы­ зывает падение уровня по радиусу во всех направлениях к вы­ работке, поверхность подземных вод получает искривление,-и во­ круг места откачки образуется так назы ваем ая депрессионная воронка. Ось ее обычно совпадает с осью скважины (или колод­ ц а). Поверхность депрессионной воронки при удалении от места откачки постепенно выполаживается и на некотором расстоя­ нии от выработки сливается с зеркалом воды, не нарушенным от­ качкой. При горизонтальной или близкой к горизонтальной по­ верхности водоносного горизонта и при условии, что коэффи­ циент фильтрации примерно одинаков в различных частях гори­ зонта, воронка депрессии в процессе откачки является симмет­ ричной. Гидроизогипсы, отражаю щ ие характер ее поверхности, представляю т систему коицентрических окружностей, движение воды происходит перпендикулярно к ним (рис. 11). При наклон­ ном положении водоносного пласта депрессионная воронка имеет асимметричную форму (рис. 12).

Расстояние между центром депрессионной воронки и точка­ ми, где уровень водоносного горизонта остается неизменным, носит название радиуса влияния откачки и обозначается бук­ вой R. Понятие об этой величине впервые было введено Дюпюи, автором первого уравнения для расчета данных откачки.* Уровень водоносного горизонта, не нарушенного откачкой, яри н ято называть статическим, после создания понижения — * По современным представлениям, понятие об этой величине несколько изменилось (см. Веригин, 1962).

динамическим. В зависимости от реж им а'ф ильтрации (движения воды) различаю т откачки при установившемся (стационарном) режиме, когда все гидродинамические аракт^фибт.щ{и потока'— на1юрт^1в«иж еш 1ё~5^ б в н я, скорость и т. д. не изменяются со вре­ менем, и при неустановившемся (нестационарном) режиме, ко­ гда перечисленные параметры со временем изменяются. В каче­ стве промежуточного выделяют еще квазистационарный режим, при котором гидродинамические характеристики хотя и.близки к стационарным, но со временем несколько меняются.

В зависимости от режима самой откачки различаю т от­ качки при постоянном дебите (Q = c o n st) и при постоянном понижении уровня воды (s = = c o n s t ). При установившемся движении заданному постоян­ ному значению расхода (или Рис. 11. С имметричная воронка д е ­ Рис. 12. А симметричная воронка де­ прессии. прессии (по С илииу-Бекчурину).

понижения) отвечает стабилизировавшееся понижение (или расход). При неустановившемся движении эти параметры соот­ ветственно являю тся переменными, В зависимости от мощности водоносного пласта, который опробуется откачкой, различаю т пласты относительно небольшой (ограниченной) мощности и относительно большой (неограни­ ченной) мощности.

Испытанию откачкой подвергаются напорные и безнапорные водоносные горизонты. По длительности и целевому назначению откачки делятся на пробные и опытные. Пробные производятся в течение от нескольких часов до 1—3 смен, обычно при одном двух понижениях с целью предварительной оценки опробуемого горизонта. Опытные откачки осуществляются длительное время.

от неск0лышхсут0'к до одного и более месяцев./Д о последнего.

^ е м е н Т Г т а к и е ~ 'о т К в ч - к -и - г г р ^ Я ! ^ njpT Трех понижения.^ уровня воды. К ак указы вает Н. Н. Биндеман (1963), при соот щем расположении наблюдательных скважин опытную откачку можно выполнять с одним максимально возможным де­ битом, зависящим от производительности насоса и обеспечиваю­ щим понижение уровня в центральной скважине на 3—4 ж. Но для определения зависимости понижения от дебита производят откачки еще с двумя меньщими дебитами, составляющими 40— 50% от максимально возможного дебита.

Откачки делятся на одиночные, когда производятся из одной ч (одиночной) скважины, и кустовые, когда заклады вается не­ сколько (куст) скважин. Определение коэффициента фильтра­ ции методом откачки из одиночной скважины не является точ­ ным вследствие погрешности в измерении уровня воды во время откачки, наличия дополнительного сопротивления фильтра, при­ ближенного нахождения радиуса влияния и т. д. Гораздо луч­ шие результаты даю т опытные откачки из куста скважин. Ц ент­ ральная скважина куста используется для извлечения воды, остальные служ ат в качестве наблюдательных за понижением уровня во время испытания и его восстановлением по окончании опыта. Наблюдательные скважины располагаю тся по одному или нескольким лучам, чаще всего по двум: один из них за к л а ­ дывается по движению потока, второй — перпендикулярно к нему.* Направление лучей, рекомендуется выбирать по карте гидро- или пьезоизогипс. Расстояние между наблюдательными скважинами зависит от литологического состава пород на иссле­ дуемом участке (табл. 12).

Выработки, вскрывающие грунтовые воды, принято называть грунтовыми в отличие от артезианских, которые вскрывают, глу­ бокие, напорные воды. Различаю т гидродинамически совершен­ ные и несовершенные выработки. Первые (совершенные) прохо­ дят водоносный горизонт на всю его мощность до водоупора.

Поступление воды в них осуществляется через водопроницаемые боковые стенки. Вторые (несовершенные) вскрывают водонос­ ный горизонт только на какую-то часть его общей мощности.

Вода в них попадает или через боковые стенки и дно, если они проницаемы, или только через стенки, или только через дно в случае низкой проницаемости дна или стенок.

Скважины, из которых производится откачка, оборудуются специальными фильтрами.** Исключение составляют выработки, заложенные в скальных породах, стенки которых устойчивы и без крепления. Пример некоторых фильтров изображен на * Н. Н. Биндеман (1963) указы вает, что не всегда и не при любых гидро­ геологических условиях это требование следует соблюдать. В ряде случаев расположение наблю дательных скваж ин мож ет быть произвольным.

** Устройство фильтров различных систем см.: Справочник гидрогеолога, 1962.

44 Таблица Р а ссто я н и е м е ж д у н абл ю дател ьн ы м и скваж ин ам и Расстояние наблю­ К оэф ф и­ Р адиус дательных скважин циент от центральной, влияния Характер м (прибли­ ф ильтра­ Водоносны е породы горизонта ж енный), ции, MjcyniKU м 3-я 1-я 2-я 3 0 -4 0 6 0 -8 Н апорны е 15- 500 и 6 0 -7 Скальные сильно т р е ­ бол ее и бол ее щиноватые 10— 2 0 -3 0 4 0 -6 То ж е Г рунтовы е 6 -. 1 0 -1 5 2 0 -3 0 1 5 0 -2 Скальные трещ ино- Напорные От 2 0 - 6 8 -1 2 1 5 -2 ватые Грунтовы е 5 То же Г равийно-галечнико вые чистые, б ез 1 5 - 2 0 3 0 - 4 0 200— Н апорны е 6 0 -7 примеси мелких ча­ и бол ее стиц, крупнозерни-* Грунтовы е 1 0 -1 5 2 0 -2 То ж е 4 стые и с р е д н езер ­ нистые ® Гравийно-галечнико- С 8 - 1 2 1 5 - 2 0 1 0 0 -2 0 ковы е со значитель- ! 6 0 -2 0 Н апорные 1 0 -1 6 нон примесью м ел- | Г рунтовы е 6 0 -2 ких частиц I Н еодн ородны е разно­ 6 - Н апорные 10— 2 0 -5 8 0 -1 5 зерн исты е и м елко­ 8— 2 0 -5 Г рунтовы е 4 - зернисты е пески рис. 13. Д иаметр фильтра и его длина определяются целевым назначением скважины и мощностью вскрытого водоносного го­ ризонта. Существует приближенная зависимость между дебитом откачиваемой из скважины воды и диаметром фильтра. Формула для определения допустимой скорости фильтрации при поступ­ лении воды из водоносного пласта в фильтр (входная скорость) имеет вид (25) где 'Уф — входная скорость воды в м /сут ки;

Q — расход воды в м?{сутки;

d - диаметр скважины в м\ I — длина рабочей — части фильтра в м. ' По С. К. Абрамову (1952), для нормальной работы фильтра необходимо, чтобы (26) ^Ф = 6 5 / / С, где /С— коэффициент фильтрации в м /сут ки.

Н а рис. 14 показана зависимость входной скорости ф ильтра­ ции от коэффициента фильтрации.

Установка фильтра производится с помощью специальных спусковых приспособлений, нередко просто на колонне обсадных труб. При обработке результатов откачки необходимо распола­ гать данными о конструкции опробуемой скважины и фильтра.

Должны быть известны глубина опускания фильтра, диаметр и длина его, положение рабочей части по отношению к динамиче­ скому уровню во время откачки и т. д.

Весьма сложным являет ся вопрос О м етод ике р ас ш л /г чета величины коэффициен­ та фильтрации по данным откачки. Основывается эта методика на теории прито­ ка воды к выработкам, разработанной еще в 1857 г.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.