Гидрогеологические наблюдения при разведочных работах

В процессе бурения могут быть собраны весьма ценные сведе­ния о водоносных горизонтах, глубине их залегания и мощности, статических уровнях, пьезометрических напорах, производительно­сти и химическом составе воды. Для этого необходимо тщательно следить за появлением воды и за изменением ее уровня по мере углубления скважины. Замерять уровни, отбирать пробы для хи­мического анализа и измерять температуру воды можно во время перерывов в бурении. При бурении с промывкой необходимо обра­щать внимание на зоны, в пределах которых происходит повышен­ное водопоглощение.

Замеры уровня воды в скважинах. Если в процессе бурения из скважины начинают изливаться или фонтанировать вскрытые ею подземные воды, бурение следует временно приостановить для из­мерения дебита и уровня воды. Необходимо документировать глу­бину скважины, обсадку трубами, измерить статический уровень (напор) воды. Статический уровень в самоизливающихся скважи­нах измеряют, наращивая обсадные трубы выше поверхности Зем­ли до тех пор, пока самоизлив не прекратится и уровень воды не установится в трубах (рис. 108). После этого измеряют уровень воды над устьем скважины.

Для замера уровня подземных вод в скважинах, не дающих са-моизлива, применяются различные приборы. При неглубоком за­легании воды часто используют деревянную рейку длиной 3 м с делениями через 1 см или рулетку (в крайнем случае шнур) с гру­зом на конце в виде «глухаря» или «хлопушки».

Глухарь (рис. 109, А) —металлическая трубка длиной до 5 см, один конец которой заделан втулкой. Втулка снабжена крюком или кольцом, к которому прикрепляется рулетка или шнур. Опу­щенный в выработку глухарь при соприкосновении с поверхностью воды издает глухой отчетливый звук. Сделав отсчет по рулетке (с учетом длины глухаря), определяют глубину зеркала воды.

231

Хлопушка (рис. 109, Б)—расширяющийся книзу цилиндр с разрезом в верхней части, куда пропускается конец рулетки, за­крепленной винтом. При ударе хлопушки о поверхность воды по­лучается характерный хлопающий звук, отчего прибор и получил свое название.

К числу простейших приборов относится также поплавковый из­меритель (рис. ПО, А). Поплавок в виде полого латунного шара или какого-либо другого герметически закупоренного сосуда при­вязывают к шнуру и спускают в скважину. К противоположному концу шнура, перекинутому через блок рейки, привязывают про­тивовес, который при изменениях уровня воды в скважине переме­щается вдоль шкалы, укрепленной на рейке прибора.

Рис 108. Измерение напора фон­танирующей скважины:

/—высота фонтана, 2 — высота стати­ческого уровня, 3 — высота динамиче­ского уровня

Рис. 109 Аппаратура для измере­ния уровня воды. А — глухарь, Б — хлопушка

При глубоком залегании подземных вод часто применяют при­бор, называемый водяным свистком (рис. ПО, Б). Это полый ци­линдр длиной 10 см, на котором через каждые 0,5 см расположены чашеобразные желобки. Внутрь цилиндра вставлен пищик. При погружении прибора в воду последняя вытесняет из внутренней части цилиндра воздух, который, проходя через пищик, заставляет его пластинку колебаться и издавать свист. В этот момент делают отсчет по рулетке, на которой прибор опускается в выработку, а после того, как прибор извлекут на поверхность, по числу жело­бов, наполненных водой, узнают, на какую глубину он был опущен в воду. Вычитая эту величину из общего замера по рулетке, опре­деляют глубину уровня воды

Для определения уровня воды на глубине более 20 м исполь­зуют и электрические измерители (рис. ПО, В). В верхней части прибора вставлены изолированные друг от друга контакты, соеди­ненные проводом с батареей. В цепь включается находящаяся на поверхности электрическая лампочка или электрический звонок. Во

232

внутренней части прибора имеется корковый поплавок, верхняя грань которого покрыта металлической пластинкой. При погруже­нии прибора в воду поплавок всплывает, металлическая пластинка прижимается к контактам и замыкает электрическую цепь, заго­рается лампочка или начинает звонить звонок, сигнализируя о том, что прибор достиг уровня воды.

Уровнемер, или лимнимер, системы Е. В. Симонова (рис. 111) состоит из свободно вращающихся в конических заточках двух за-

Рис. 110. Аппаратура для измерения уровня воды: А — поплавко­вый измеритель, Б — водяной свисток, В — электрический изме­ритель

жимных винтов 2 (на рисунке виден только один из них), на ось которых насажен алюминиевый диск 3, имеющий желобообразный венец. Диск нажимными винтами укреплен в железной скобе 1 и гремя заклепками прикреплен к оси. На диск наклеен циферблат с делениями от 0 до 49, каждое деление дополнительно разделено на десять частей. На желоб диска намотана нить; один конец нити закреплен на диске, для чего в нем предусмотрено специальное от­верстие, а к другому концу подвешен поплавок 5 весом около 150 г. Материалом для нити может служить тонкая медная проволока (эмалированная) диаметром 0,2—0,15 мм или, лучше, более проч­ная никель-хромовая проволока. Длина нити обычно 20—25 м, при необходимости может быть увеличена до 50 м и более.

233

На ось диска свободно посажен блок противовеса 4, который с помощью гайки может быть фрикционно сцеплен с диском. На блок противовеса намотана нить длиной 0,3—0,4 м, обладающая доста­точной прочностью на разрыв. Один конец нити закреплен в отверстии на блоке, к другому привязан противовес. На нити завя­заны узелки, расстояние между которыми равно длине окружности блока.

Минимальный диаметр обсадных труб 6, на которые рассчитан прибор, 2 дюйма. Прибор крепится к обсадной трубе с помощью стойки 7, причем скоба 1 посредством барашкового зажима укреп­ляется в стойке таким образом, что ей можно придать любой угол наклона.

Рис. 111. Уровнемер системы Симонова

На конец обсадной трубы с помощью барашкового винта устанавливают стой­ку/с укрепленным в ней уровнемером. Скобе / придают такой наклон, при ко­тором поплавок 5 устанавливается в центре скважины, после чего ее закреп­ляют барашком 8. Нажимным винтом 2 освобождают противовес 4, и он под дей­ствием своего веса опускается на всю длину нити. После этого рукоятку 9 лег­ким нажатием выводят из гнезда и дают возможность вращаться; поплавок опус­кается в скважину до тех пор, пока натя­жение нити не ослабеет. Затем рукояг-ку 9 снова закрепляют на скобе и начи­нают вращать блок противовеса в на­правлении, противоположном тому, в ко­тором намотана нить поплавка. При этом нить будет наматываться на блок проти­вовеса. Намотав на блок три-четыре обо­рота нити, закрепляют блок в этом поло­жении с помощью нажимного винта 2 и освобождают диск 3. Диск, повернув­шись, установится в положении, соответ­ствующем данному уровню воды в скважине. После этого стрелку устанавливают на нулевое деление шкалы циферблата, '-" Правильность установки прибора и точность его показаний про­веряют легким поворотом диска. Если прибор установлен правиль­но, диск возвращается в установленное положение, а стрелка будет все время находиться на одном и том же делении (при условии, если не изменяется уровень воды в скважине). В дальнейшем пе­ремещение стрелки по шкале будет соответствовать изменению уровня воды (в см). Точность прибора, как указано, 0,5 мм. Если прибор не дает такой точности, то это может объясняться либо уве­личением трения в конических опорах, либо трением поплавка о стенки обсадных труб. В первом случае трение можно отрегули­ровать поворотом винта 2, во втором — небольшим перемещением

234

скобы 1 вокруг оси, т. е. центрированием поплавка по оси сква­жины.

После установки прибора записывают в журнал количество узелков на нити противовеса на участке между противовесом и его блоком. При дальнейших наблюдениях также, помимо отсчета по шкале, отмечают количество узелков. Появление каждого нового узелка означает удлинение нити на один полный оборот блока про­тивовеса. Зная, что один оборот блока соответствует 0,5 м, легко по количеству прибавившихся узелков определить понижение уров­ня воды после установки прибора.

Перед началом наблюдений прибор должен быть отрегулирован так, чтобы при многократном выведении диска из равновесия он возвращался бы в первоначальное положение с точностью до тол­щины стрелки (0,5 мм).

Поплавок уровнемера изготовляют из плотного дерева (береза, бук, липа) и проваривают в парафине. В результате его объемная масса становится приблизительно равной единице. Наибольшая чув­ствительность прибора к изменению уровня воды будет при погру-,жении поплавка в воду наполовину (максимальное сечение по­плавка). Масса грузика противовеса, необходимая для такого погру­жения поплавка, рассчитывается по формуле

(VHI-2)

где q\ — масса поплавка в г; R — радиус диска в см; г — радиус блока противовеса в см.

Для уменьшения трения поплавка о стенки обсадных труб и предотвращения прилипания его к стенкам он снабжается фонарем на направляющих, изготовленных из нержавеющей проволоки.

Для непрерывной записи изменений уровня в скважинах и ко­лодцах применяют самописцы, или лимниграфы (рис. 112). Они состоят из поплавка, блока, противовеса, барабана, приводимого во вращение часовым механизмом, и передачи, которая приводит в движение перо, вычерчивающее на ленте барабана кривую изме­нений уровня. Недостаток лимниграфа заключается в том, что он не может обеспечить достаточно четкой записи при небольших изменениях уровня.

Прибор для автоматической записи уровня воды в скважине, позволяющий фиксировать положение уровня с точностью до 1 см вне зависимости от амплитуды колебаний, называется цифрогра-фом (рис. ИЗ). Он состоит из цифронесущего диска, связанного с поплавком, опускаемым в выработку, и с электромеханическим устройством, автоматически передвигающим бумажную ленту, на которой периодически отпечатываются цифры, соответствующие уровню воды в выработке. На цифронесущий диск нанесены деле­ния от 0 до 99°, одно деление соответствует перемещению поплав­ка на 1 см. При полном обороте цифронесущего диска специальный зуб, укрепленный на нем, поворачивает другой, малый цифронесу­щий диск с делениями от 0 до 9, соответствующими целым метрам.

235

Часовой барабан имеет недельный или двухнедельный завод Дли­на бумажной ленты на катушке 6 м.

Цифрограф устанавливают над скважиной. Периодически он записывает положение уровня воды (в м и см). Каждая запись отделяется от другой промежутком приблизительно в 1 см. Таким

Рис 112 Потавковый лимниграф

Рис 113 Цифрограф

образом, на шестиметровой ленте может быть записано 600 заме­ров. Барабан часового механизма поворачивается за сутки на один оборот, соответственно с чем за сутки может быть сделано двенад­цать замеров. Для непрерывной работы прибора в течение года требуется восемь сухих элементов типа ЭЛ-30.

Электроуровнемер конструкции А. Лебедянцева выгодно отли­чается от описанных выше электроуровнемеров отсутствием сухих элементов и наличием счетчика, показывающего глубину опуска-

236

ния электрода в скважину Весь прибор смонтирован в портатив­ном ящике 7 (рис 114) Он состоит из ручки 1, катушки 2, на кото­рую намотано около 100 м изолированного провода, индуктора, помещенного внутри катушки, счетчика оборотов 3, электроуказа­теля 4, ролика 5, электрода, укрепленного на изолированном про­воде и входящего в специальное гнездо в дне металлического ящи­ка и контактного присоединения 6. Действие электроуровнемера основано на возбуждении индукционных токов при вращении руч­ки 1. Одновременно на катушке разматывается провод с электро­дом, опускающимся в скважину. При соприкосновении электрода с водой цепь замыкается и электро­указатель 4 подает световой сигнал. Глубину, на которой происходит за­мыкание цепи, отсчитывают по счет­чику 3. Последний приводится в движение опускающимся изолиро­ванным проводом при помощи ро­лика 5, через который проходит про­вод. Контактное приспособление 6 укрепляется на обсадной трубе для образования замкнутой электриче­ской цепи. При измерении уровня воды весь прибор в закрытом виде помещается над скважиной Пока­зания счетчика и сигналы электро­указателя воспринимаются наблю­дателем через отверстие в крышке прибора.

Рис 114 Уровнемер Лебедян-цева

Для определения уровня воды в скважинах можно использовать ра­диоактивные изотопы Для этого

достаточно опустить в скважину ампулу с радиоактивным вещест­вом, а вверху скважины поставить счетчики для измерения радио­активности Она будет изменяться с изменением уровня воды в скважине. Можно поместить ампулу с радиоактивным веществом на поверхности поплавка, помещенного на уровне воды в скважине. В этом случае изменение радиоактивности вызывает поднятие или опускание поплавка в зависимости от падения или подъема уровня воды в выработке.

В качестве изотопных индикаторов широко применяется изотоп водорода Н₂ — дейтерий. Используются также изотопы углерода, азота, кислорода, серы и др

Определение дебита скважины. Дебит скважины — количество воды, изливающейся или откачиваемой из нее в единицу времени. Его обычно измеряют в л/с или м³/ч, м³/сут.

При самоизливе дебит определяют способом, описанным Ю. В Мухиным. В листе эластичного материала (фанеры, резины и т. п ) вырезают круг диаметром, точно соответствующим наруж­ному диаметру обсадной трубы или направляющего патрубка,

237

через которые происходит самоизлив Лист надевают на трубу и слег­ка сгибают его таким образом, чтобы получился лоток, немного на­клоненный в одну сторону. Подставляя под этот лоток сосуд, опре­деляют по часам с секундной стрелкой или по секундомеру время его наполнения. Разделив объем сосуда на время наполнения его водой, получают дебит скважины Во избежание ошибок замер повторяют до трех раз и вычисляют среднее значение Если отдель­ные замеры дают большие отклонения, измерение следует повто­рить несколько раз и более тщательно, а затем уже вычислить сред­нее значение.

Объем мерного сосуда должен быть достаточно большим, иначе неизбежны грубые ошибки, особенно при замерах через час Же­лательно употреблять мерные сосуды, которые при данном дебите наполняются не менее чем в течение 15 с при отсчете времени по секундомеру и 30 с — при отсчете по часам с секундной стрелкой.

При замере дебита необходимо фиксировать понижение уровня и высоту излива (динамический уровень) воды над устьем сква­жины Динамический уровень определяют, измеряя расстояние от устья скважины до края патрубка или трубы, из которых проис­ходит самоизлив Понижение уровня равно расстоянию от отметки статического уровня до отметки динамического Следует также из­мерить внутренний диаметр патрубка или трубы.

При сильном самоизливе из скважины, когда вода фонтанирует и поднимается над краем трубы на высоту более 5—10 см, для определения дебита достаточно измерить (линейкой или метром) высоту фонтана над краем трубы (с точностью до 1 мм). На осно­вании результатов измерений дебит скважины можно приближен­но определить по формуле Ю В Мухина:

Q=na²yT, (viii-3)

где d — внутренний диаметр трубы фонтанирующей скважины в дм; / — высота фонтана в см.

Измерение температуры подземных вод в скважинах. До глуби­ны 100 м температуру измеряют родниковым термометром. Это обыкновенный термометр, заключенный в металлическую оправу с чашечкой или цилиндром на конце Очень удобен родниковый тер­мометр-хлопушка (рис 115), позволяющий измерять и уровень во­ды, и ее температуру за один спуск. Цилиндр (чашечка) роднико­вого термометра имеет в верхней части отверстия для поступления воды Термометр сохраняет температуру воды в скважине в тече­ние 2—3 мин В течение этого времени его надо извлечь из скважи­ны и сделать отсчет Цена деления термометра 0,2°, точность отсче­та (на глаз) 0,1°. Сначала следует отсчитывать десятые доли гра­дуса, а затем целые градусы

Для контроля замера температуры термометр после отсчета не-' обходимо снова быстро погрузить в скважину на ту же глубину и проверить отсчет через 10—15 мин. Если расхождение в отсчетах будет больше, чем на одно деление термометра (0,2°), замер сле-

238

дует повторять до получения расхождений, не превышающих одно­го деления.

Как правило, температура воды измеряется для каждого водо­носного горизонта отдельно. Если скважина вскрывает один мощный водоносный горизонт, температуру рекомендуется измерять на трех глубинах: на 2—3 м ниже уровня воды, в сере­дине водоносной толщи и в ее основании, не­сколько выше забоя скважины. Измерения тем­пературы на этих глубинах желател-ьно произво­дить одно за другим, по возможности в течение одной смены или одного дня.

При отсутствии родникового термометра мож­но применять проверенные или имеющие паспорт термометры пращ, воздушный, так называемый «психометрический» и даже обыкновенный водя­ной, или наружный. Оправу для них делают из жести или трубки, как для родникового. Ртут­ный шарик обматывают ватой. Термометр в оп­раве слегка закрепляют при помощи эластичных прокладок (резины и т. п.).

Рис 115, Термо­метр хлопушка (разрез по а — а)

Прежде чем начать измерение, следует опре­делить время, в течение которого термометр со­храняет температуру неизменной. Для этого из­меряют температуру воды в каком-либо сосуде или водоеме, реке, ручье, а затем определяют по часам промежуток времени между моментом извлечения термометра и моментом, когда стол­бик ртути начал двигаться. Такую проверку по­лезно делать до начала работ и для родниковых термометров заводского изготовления. Если на извлечение родникового термометра из скважи­ны и отсчета требуется времени больше, чем вре­мя сохранения замеренной температуры, таким термометром нельзя пользоваться. В этом случае применяют ленивый термометр, сохраняющий измеренную температуру в течение 5—10 мин и более. Это обыкновенный термометр, заключен­ный в водонепроницаемую оправу, заполненную сухим изолирующим или теплоемким материалом (войлоком, опилками и т. д.). Держать его в скважине для измерения температуры воды при­ходится больше, чем родниковый (несколько ча­сов). Для ленивого термометра также нужно определить время, в течение которого он сохраняет температуру неизменной.

Для измерений температуры воды в глубоких скважинах (свы­ше 100 м), где давление воды весьма значительно, обык­новенные родниковые и ленивые термометры не применяются, так как они деформируются при погружении в скважину на большую

239

глубину. Если термометр даже выдерживает высокое давление во­ды, то он показывает температуру более высокую, чем истинная, так как под действием высокого давления резервуар с ртутью сжи­мается и столбик ртути поднимается. Опыты показали, что при оп} екании не защищенного герметическим кожухом термометра в скважину на глубину 400 м ниже статического уровня воды изме­ренная температура оказывалась на, 3,8° выше истинной.

Для замера температуры на больших глубинах применяют тер­мокаротаж или специальный «глубинный» термометр, рассчитан­ный на большие давления, а также герметически закрывающуюся термометрическую гильзу — стальной или латунный цилиндр, в ко­торый перед спуском в скважину помещают один или несколько термометров, заключенных в специальную обойму. По извлечении из скважины гильзу разбирают, извлекают термометры и по ним отсчитывают температуры. Термометрическая гильза снабжена по бокам направляющими, а снизу грузом, обеспечивающими при за­мере ее вертикальное положение в центре скважины. Спускают и поднимают гильзу на тонком стальном тросе (диаметром 3—5 мм) при помощи специальной лебедки со счетчиком, показывающим глубину ее спуска.

Для измерения температуры в скважинах можно применять также электротермометры, действие которых основано на измене­нии электрического сопротивления проводника при изменении его температуры. Некоторые типы электротермометров позволяют.из­мерять температуру с точностью до 0,01° С. Однако при гидрогео­логических исследованиях электротермометры пока еще не нашли широкого применения.

Температуру воды фонтанирующих скважин измеряют на днев­ной поверхности родниковым термометром и термометром без оправы, погружая их в струю воды. При работе с термометром без оправы отсчет следует делать через 3—5 мин, в момент извлечения термометра или когда шарик термометра еще находится в струе воды. При измерении температуры воды из неглубоких скважин нужно также измерять и записывать температуру воздуха.

Температуру воды при откачках измеряют в струе воды, пода­ваемой насосом (так же, как в фонтанирующих скважинах), в на­чале, середине и в конце каждой смены откачки. Если воду отка­чивают желонкой, температуру измеряют немедленно в только что вынутой желонке или в мерном сосуде, в который сливают воду из желонки. Отсчет записывают в журнал откачки. Одновременно измеряют и записывают температуру воздуха.