Изучение трещиноватости скальных оснований инженерных сооружений с помощью индикаторных методов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Изучение трещиноватости скальных оснований инженерныхсооружений с помощью индикаторных методов

Д.А. Манукьян

г. Москва

Наиболее распространенными основаниями гидротехнических сооружений, возводимых в Сибирском регионе России, являются скальные грунты, что связано с широким развитием здесь вулканогенных и осадочных образований. Последние представлены преимущественно карбонатными, сильно закарстованными породами. В связи с этим изучение трещиноватости становится фундаментальным направлением изысканий под гидротехнические сооружения. В настоящее время данная проблема решается, как правило, с помощью косвенных фильтрационных методов: откачек, наливов или нагнетаний в скважины. Результаты фильтрационных опытов, выражаемые в величинах коэффициентов фильтрации, несмотря на их практическую важность и широкое использование при проектировании гидротехнических и других инженерных сооружений, дают в основном снивелированное представление о структуре трещиноватости массива скальных пород. Ни коэффициент фильтрации, ни удельные водопоглощения не дают представление о геометрических особенностях трещин, их размерах и распределении в пространстве.

Прежде чем излагать теорию и методику экспериментального опробывания скальных массивов, рассмотрим наиболее перспективные модели, описывающие фильтрацию подземных вод в трещиноватых средах. Максимально приближенной к натуре, по-нашему мнению, является модель, когда горная порода представляется в виде системы пористых блоков, разделенных статистически распределенными трещинами (I). Фильтрация в подобной трещиновато-пористой среде или среде с двойной пористостью происходит в основном по трещинам, в то время как пористые блоки играют роль емкостей.

Определяющими фильтрацию особенностями в подобных условиях являются: неравномерность скоростей фильтрации, связанная с фильтрационной неоднородностью трещиноватой среды и фильтрация в пористых блоках. Основными параметрами фильтрационного потока являются, таким образом, параметр макродисперсии и величина активной пористости.

Следует подчеркнуть, что вопросы изучения трещинова-тости горных пород, также как и особенности пористых сред, имеют фундаментальное значение для расчетов миграции подземных вод в природных средах.

Исходя из вышесказанного, возникает необходимость в широком использовании новых методов эксперименталь-ного опробования природных сред с целью количественной оценки их фильтрационной неоднородности, геометрических особенностей трещиноватости скальных массивов.

В настоящее время наиболее перспективными в этом отношении являются индикаторные методы, суть которых заключается в закачке (наливе) индикаторного раствора в скважину с постоянным расходом Q и концентрацией индикатора С. По наблюдательным скважинам, расположенным в зоне распространения индикатора, замеряется концентрация С (X,t). Выбор индикаторного раствора определяется геолого-гидрогеологическими условиями конкретного объекта, а также техническими возможностями применения того или иного индикатора.

В качестве последнего могут быть использованы солевые индикаторы (высокоминерализированные растворы различных солей) радиоактивные изотопы; цветные индикаторы, представляющие собой растворы различных красителей; тепловые индикаторы, то есть природные зоны, имеющие отличную от пластовой температуру.

Основные теоретические положения миграции подземных вод

Процесс фильтрации индикаторов в трещиноватой или пористой среде описывается дифференциальным уравнением конвективной диффузии (дисперсии) (1), (3)

где - относительная концентрация (или температура), равная

со - фоновая концентрация (температура) индикатора;

пэ - коэффициент эффективной пористости (пустотности);

D - коэффициент дисперсии; V - скорость фильтрации.

Указанные параметры - коэффициенты эффективной пористости (или коэффициент пустотности) и дисперсии являются основными параметрами, определяющими интенсивность миграции подземных вод различного состава в различных природных средах.

Первый из них характеризует емкостные свойства пласта, степень его пустотности; в то же время данный параметр учитывает изменение данных свойств, которые происходят в результате сорбции или ионного обмена.

Коэффициент дисперсии D в общем случае может быть представлен в виде (2), (3) подземный вода карбонатный порода

где Dм - коэффициент молекулярной диффузии;

1, 2 - параметры микро- и макродисперсии.

Второе и третье слагаемые характеризуют фильтрацион-ную неоднородность как пористой, так и трещиноватой сред. В нарушенных условиях параметр дисперсии сводится к выражению

причем для коэффициента макродисперсии справедлива следующая оценочная формула

где m! - линейные размеры блоков;

mo - ширина трещин между блоками.

Для определения рассмотренных параметров nэф, 2 предлагается проведение различных видов полевых опробы-ваний пластов, основными из которых являются:

а) кустовая схема при непрерывном запуске индикатора;

б) односкважинная схема при непрерывном запуске индикатора;

в) кустовая схема опробывания по способу «индика-торной волны».

Основное решение задачи, описывающее распределение относительной концентрации индикаторной жидкости при непрерывном ее запуске в скважину с постоянным дебитом Q имеет вид (3), (4)

С = 0,5 erfc1,

где l - опробываемый интервал пласта; r - расстояние от центральной до наблюдательной скважины; t - время наблюдения, отсчитываемое от начала опыта.

Остальные обозначения прежние.

Однако непрерывная закачка индикатора в пласт в течение даже нескольких суток с достаточным дебитом связана со значительными трудностями по приготовлению индикаторной жидкости. Кустовая схема опробования по методу индикаторной волны представляется более простой, так как требует приготовления относительно небольшого количества индикаторной жидкости, после чего проводится налив пластовой воды.

Если решение задачи для непрерывного налива (5) представить в виде С = Ф (r,t), то решение задачи для схемы «Индикаторной волны» представляется в виде

С = Ф (r,t) - Ф (r,t -tи),

где tи - время запуска индикаторного раствора.

Рассмотрим далее на основе полученных решений типа (5) и (6) методику определения искомых миграционных параметров по характеру выходной кривой. Последняя стро-ится по данным измерения концентрации в наблюдательной скважине в виде графика изменения относительной концентрации C (r,t) от времени. Согласно выходной кривой по прохождению максимальной относительной концентрации . В момент времени tmax может быть определена величина коэффициента эффективной пористости (4)

Затем по величине относительной концентрации опреде-ляется параметр макродисперсии 2, используя для этого график, приведенный в указанной выше работе.

По величине a = t /tmax - 0,5t и определяется величина , по которой рассчитывается параметр макродисперсии 2

Исследование трещиноватости карбонатных пород левого примыкания плотины Максимо

Изложенная методика определения геометрических особенностей трещиноватых пород и миграционных параметров водоносных горизонтов была использована для характеристики карбонатных пород, залегающих в левом примыкании проектируемой плотины «Максимо». Основные вопросы, стоящие перед экспериментом по закачке индикаторной жидкости, сводились к следующим:

определение характеристик трещиноватости - пустотно-сти, размеров трещин и блоков - карбонатных пород;

выяснение гидрогеологического характера разлома, по которому контрактируют трещиноватые известняки и вулканическая брекчия;

установление возможной связи между трещиноватыми известняками, расположенными в зоне обходной фильтра-ции, и карстовыми воронками, расположенными в нижнем бьефе.

а. Определение миграционных параметров

Для решения перечисленных проблем в зоне левого примыкания был разбурен створ из трех скважин - одной центральной № 1 и двух наблюдательных скважин № 2 и 3 - для проведения опыта по методу индикаторной волны. Первые две скважины располагались в зоне развития карбо-натных пород и вскрывали их на глубину порядка 25,0 м, третья скважина приурочена к полю развития вулканической брекчии и имеет глубину 25 м. Последнюю скважину от первых двух отделяет достаточно четко выраженный разлом, гидрогеологический характер которого без проведения специальных опытных работ не представляется возможным. Расстояния между рассмотренными скважинами луча составляют, соответственно, между № 1 и 2 - 13,3 м и между № 2 и 3 - 15,45 м.

В качестве индикаторной жидкости был использован раствор органического красителя - флюоростеина. Данный раствор с начальной концентрацией C0 = 700 (определение цветности красителя проводилось с помощью оптического колориметра) запускался в скважину № 1 с дебитом Q = 1,2 л/с в течение tи = 2,0 ч, после чего в течение 5 ч проводился налив пластовой воды. Последняя откачи-валась из скважины, расположенной на расстоянии более 200 м от места проведения опыта.

Наблюдение за прохождением красителя проводилось в скважинах № 2 и 3. Результаты определения цветности подземных вод, отобранных в скважине № 2, представлены в виде выходной кривой цветности индикатора.

По моменту прохождения максимального значения цветности в скважине № 2, соответствующего tmax = 0,27 на основе зависимости (7) определяется значение эффективной пористости при l = 10 м, r = 13,3 м, tи = 0,09

Величина параметра макродисперсии, рассчитанной с помощью выражения (8) и экстраполяции графика № 1 при принятых значениях б = 0,3, = 0,2 и, соответственно, в = 4 10-2, оказывается равной

Исходя из полученной величины 2 из выражения (4), определим характеристику трещиноватости исследуемой зоны. Для этого преобразуем (4) следующим образом

Исходя из того, что линейные размеры трещиноватых блоков существенно больше размеров трещин между ними, то есть m! >> mo, Dм =10-4 м2/сут, искомая величина m! = 8 104 1 = 0,03 м.

Полученное значение хорошо согласуется с данными микроскопического изучения кернового материала, в частности, по скважине № 46. Величина пористости nэ = 0,01 характеризует высокое содержание слабонепроницаемого заполнителя, что также согласуется с результатами бурения.

Следует далее отметить, что ни в наблюдательной скважине № 3, ни в карстовых воронках не была обнаружена индикаторная жидкость ни во время опыта, ни по данным последующих наблюдений. Это позволяет сделать вывод о весьма затрудненной связи между карбонатными породами в зоне левого примыкания плотины, с одной стороны, и вулканической брекчией и карстовыми воронками - с другой.

б. Определение фильтрационных параметров

По данным проведенного опыта представляется возмож-ным определить также и фильтрационные параметры. Эта возможность основывается, прежде всего, на том, что данный опыт представляет собой налив в скважину, вскрывающую безнапорные воды карбонатных отложений.

Основной расчетной зависимостью для определения коэффициента фильтрации принимается формула Дюпюи

Полагая в качестве исходных данных m = 12,5 м, Н = 12 м, К = 50 м и rc = 0,064 м, получаем в качестве искомого значения Кф = 0,5 м/сут.

Выводы

Полученные фильтрационные и миграционные характеристики карбонатных пород, а также результаты гидрогеологических наблюдений в зоне левого примыкания позволили ответить на поставленные выше вопросы, а также сделать достаточно интересные сравнения.

1. Карбонатные породы в зоне левого примыкания плотины «Максимо» характеризуются весьма низкими миграционными параметрами, что говорит как о сильной трещиноватости исследуемых отложений - размер щебнистого материала варьирует в пределах 3…5 см, так и наличии супесчано-суглинистого заполнителя.

2. В гидрогеологическом отношении тектонический разлом, установленный между известняками и вулканической брекчией, является слабопроницаемым.

3. Связь между карбонатными породами, залегающими в зоне обходной фильтрации левого примыкания плотины «Максимо» и карстовыми воронками, расположенными в нижнем бьефе, существует весьма затрудненная.

4. Полученная в результате данного опыта по запуску индикаторной жидкости фильтрационная характеристика пород (коэффициент фильтрации, равный 0,5 м/сут), позво-ляет получить весьма интересное соотношение с коэффициентом пористости, равным 0,01.

В заключении следует отметить, что данная методика определения миграционных параметров является фундаментальной для прогноза изменения качества подземных вод при крупном водоотборе при подсосе цветных вод, интрузиях соленых морских вод, некачественных промышленных сбросов.

Библиографический список

1. Бочевер Ф.М. и др. Основы гидрогеологических расчетов. - М.: Недра, 1968.

2. Манукьян Д.А., Рошаль Н.А. Определение параметров миграции для прогноза изменения качества подземных вод при водоотборе. //Разведка и охрана недр. 1973. № II С. 41-47.

3. Шестаков В.М. К теории фильтрации растворов в грунтах. /В сб. «Вопросы формирования химического состава подземных вод». - М., 1971. С. 192-218.

Размещено на Allbest.ru