Определение гидродинамических параметров пород зоны аэрации по данным наливов в шурфы

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Определение гидродинамических параметров пород зоны аэрации по данным наливов в шурфы

Наиболее распространенным и разработанным методом изучения фильтрационных свойств связных и рыхлых пород зоны аэрации являются опытные наливы в шурфы. Они обеспечивают фильтрационное опробование пород на глубину до 5 м (при ярусном проведении опытов на глубину до 10-15 м).

Сущность опытов заключается в наблюдениях за ходом инфильтрации воды из шурфов и снятии характеристик инфильтрационного потока в условиях постоянного уровня воды в шурфе в процессе опыта. Метод инфильтрации воды из шурфов, предложенный впервые А.К. Болдыревым, применяется в различных модификациях (по Н.С. Нестерову, Н.К. Гиринскому, Н.Н. Биндеману и др.). В процессе опыта должно быть исключено смыкание инфильтрующейся воды с потоком грунтовых вод. Следовательно, опыты по наливам воды в шурфы осуществляются при глубине залегания уровня подземных вод не менее 4-5 м. В таких условиях основными действующими силами при инфильтрации воды из шурфа являются гидростатический напор слоя воды в шурфе и капиллярное давление, совпадающее по направлению с инфильтрацией и проявляющееся в капиллярном всасывании воды. Особенно существенно влияние капиллярного всасывания влияет на инфильтрацию воды в суглинистых и глинистых породах и несущественно в хорошо проницаемых породах (песках и супесях). Проведение опыта может осложняться боковым растеканием инфильтрационного потока, влиянием защемленного в породах воздуха, неоднородностью строения зоны аэрации.

В наиболее простых условиях скорость вертикального просачивания воды (v) через зону аэрации может быть выражена следующим уравнением:

v = K(z+hк+l)/l,

где hк капиллярное давление, развивающееся при инфильтрации; z толщина слоя воды в шурфе; l глубина просачивания воды; (z+hк+l)/l действующий напорный градиент.

По способу А.К. Болдырева в испытуемой породе до заданной глубины отрывают шурф, у бровки которого устанавливают два бака, в ходе опыта поочередно наполняемые водой. Из баков по опущенной вниз трубке подается на дно шурфа вода с интенсивностью, обеспечивающей постоянный слой воды в шурфе высотой около 10 см. Толщина слоя воды в шурфе контролируется по мерной рейке. Опыт ведут до стабилизации расхода воды из шурфа, то есть до наступления стационарного режима инфильтрации.

Расход воды Q через площадь поперечного сечения фильтрующей породы F определяется формулой Q = vF = KIF. Если пренебречь капиллярным давлением и считать, что в процессе длительной инфильтрации напорный градиент близок к единице, коэффициент фильтрации можно определить при известном расходе потока Q как скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице: K = v = Q/F

При определении коэффициента фильтрации по данной формуле действительно можно принимать напорный градиент близким к единице, так как величина l намного больше z и, следовательно, I = (l+ z)/l l. Однако способом Болдырева, не учитывающим действие капиллярных сил, а также боковое растекание инфильтрационного потока, допустимо пользоваться для приближенного определения коэффициента фильтрации в песчаных и трещиноватых породах, где влияние капиллярных сил и бокового растекания невелико.

По способу Н. С. Нестерова для исключения влияния бокового растекания в спланированное дно шурфа устанавливают концентрично два стальных цилиндра разного диаметра, вдавливая их на глубину 5-10 см (рис. 1). В цилиндры наливают воду (высота слоя z = 10 см). В процессе всего опыта вода поддерживается на одном и том же уровне с помощью двух сосудов Мариотта. Опыт ведут до стабилизации расхода воды во времени через внутреннее кольцо прибора.

Рис. 1. Схема установки для проведения опытов по инфильтрации из шурфа по способу Н.С. Нестерова

Допускается, что вода из кольцевого промежутка, образованного внешним и внутренним цилиндрическими кольцами, расходуется на просачивание, боковое растекание и капиллярное всасывание. Вода, заполняющая внутренний цилиндр, расходуется главным образом на инфильтрацию в вертикальном направлении. Это позволяет приближенно принимать поперечное сечение инфильтрационного потока равным поперечному сечению внутреннего цилиндра.

Для определения глубины просачивания бурят две скважины небольшого диаметра: одну на расстоянии 3-4 м от стенки шурфа до опыта, другую закладывают в центре внутреннего кольца по окончании опыта. Глубину просачивания устанавливают по величине влажности породы.

Коэффициент фильтрации вычисляют по формуле

K = Ql/[F(hк+ z + l)],

где Q установившийся фильтрационный расход через внутреннее кольцо опытной установки; l глубина просачивания воды от дна шурфа за время опыта; z слой воды в кольцах.

Значение капиллярного давления hк равно примерно 50 % максимальной высоты капиллярного поднятия. Ниже приведены предельные значения высоты капиллярного поднятия для некоторых разностей пород.

Высота

Горные породы капиллярного поднятия Нк, м

Песок крупнозернистый 0,020,04

Песок среднезернистый 0,120,35

Песок мелкозернистый 0,351,2

Супесь 1,23,5

Суглинок 3,56,5

Глина легкая 6,512,0

Способ Нестерова дает лучшие результаты в слабо проницаемых породах, особенно в покровных суглинках и лёссах. К недостаткам способа относятся приближенный учет капиллярного растекания и длительность проведения опытов (необходимость достижения режима установившейся фильтрации).

Метод Н.Н. Биндемана. Результаты опытов по инфильтрации из шурфов могут обрабатываться и по формулам неустановившейся фильтрации. Это позволяет существенно сократить продолжительность опытов. Так Н.Н. Биндеман предложил обрабатывать опыты по способу Нестерова, учитывая наблюдения за ходом инфильтрации воды во времени, по формуле

K = V/Ft

где V объем воды, израсходованной за время t от начала опыта; коэффициент, величина которого зависит от l/z и определяется выражением

= 1 [(z + hк)/l] ln[1+l/(z + hк).

Для облегчения расчетов величину определяют по вспомогательному графику (рис. 2) в зависимости от t/t1, где под t1 принимают промежуток времени от начала опыта, за который объем воды на инфильтрацию Vt составляет половину объема воды, израсходованной на инфильтрацию за время t. Время легко устанавливают по кривой израсходованного объема воды: V = f(t).

Рис. 2. Вспомогательный график = f (t/t1)

аэрация налив шурф инфильтрация

Метод Н. Н. Биндемана удобен, прост и не требует длительного проведения опыта (стабилизация расхода воды во времени не обязательна); он дает возможность неоднократно определять параметры по результатам одного опыта (для разных значений t и t1), показывает достаточно точные результаты и особенно эффективен при доведении опытов в слабопроницаемых породах..

Кроме того, обработка результатов опытных наливов в шурфы данным методом позволяет на графике зависимости V = f (t) выделить в исследуемой толще пород отдельные пропластки, различающиеся по гидродинамическим параметрам, и определить значения последних, а также оценить средний коэффициент фильтрации для всей исследуемой толщи. В случае, если пробурены контрольные скважины для оценки глубины промачивания (l), методом Биндемана можно (наряду с определением коэффициента фильтрации пород) рассчитывать капиллярное давление hк и недостаток насыщения , т. е. параметры, необходимые для прогноза неустановившейся фильтрации.

Для этого, вычислив предварительно отношение t/t1 по графику

l/(z + hк) = f (t/t1), изображенному на рис.3 , находят величину l/(z + hк), по которой определяют значение капиллярного давления hк (для этого надо знать глубину просачивания воды l) или при известном hк определяется l.

Рис. 3.Вспомогательный график l/(z + hк) = f (t/t1)

Недостаток насыщения (в данном случае отношение общего объема воды V, поступившей в породы из внутреннего кольца от момента начала опыта, к объему увлажненных ею пород Fl) равен:

= V/Fl,

где F - площадь сечения внутреннего кольца.

Минимальная продолжительность опытов определяется временем поглощения объема воды Vмин, достаточного для обеспечения практической стабилизации влагосодержания на глубине не менее не менее 1,5 d (d - диаметр инфильтрометра). Ориентировочно этот объем определяется выражением Vмин= (z + hк) d2.

Размещено на Allbest.ru