Практика геология

распространения водоносных толщ и различных типов подземных вод и их качества.

Разведочные работы состоят из проходки, буровых скважин и реже мелких горных выработок - шурфов, канав, расчисток. Буровые работы - основной вид гидрогеологических исследований. Гидрогеологические скважины позволяют изучить геолоro-литологический разрез до требуемой глубины, установить глубину залегания кровли и подошвы водоносного горизонта, его мощностъ, состав водовмещающих пород, положение зеркала или пьезометрического уровня подземных вод, высоту напора, а при определенных условиях и высоту самоизлива воды скважинами.

Опытно-фильтрационные работы осуществляются с целью определения гидрогеологических параметров водоносных толщ и горных пород зоны аэрации и заключаются в проведении откачек из скважин, колодцев, шурфов, наливов воды в скважины и шурфы и нагнетаний воды в скважины.

Откачки - основной вид опытно-фильтрационных работ. Они проводятся при гидрогеологических исследованиях подземных вод для любых целей. Наливы воды в скважины и шурфы чаще всего ведутся при гидрогеологических исследованиях, связанных с орошением и осушением земель, проложением каналов, устройством водохранилищ.

Опытные нагнетания воды в скважины чаще всего проводятся при гидрогеологических исследованиях под гидротехническое строительство.

Наблюдения за режимом подземных вод. Исследования по изучению режима подземных вод проводят с целью оценки условий их формирования, для решения вопросов прогноза режима, использования этих вод или борьбы с ними, оценки запасов, разработки мероприятий по охране их от истощения и загрязнения и др. Режимные наблюдения ведут по специально оборудованной сети наблюдательных точек, в число которых могут быть включены

скважины, колодцы, источники, водомерные посты па реках.

Опробование и лабораторные работы осуществляют с целью изучения водно-физических свойств грунтов и физических свойств, химического и газового состава подземных вод. Заключаются эти работы в отборе проб грунта и воды на различные виды анализов. Пробы отбираются в процессе проведения гидрогеологической съемки, разведочных работ, опытнофильтрационных и наблюдений за режимом подземных вод.

В зависимости от целей и задач гидрогеологических исследований основные виды работ могут дополняться проведением геофизических, топографо-геодезических, гидрологических работ.

211

Задание 10. Определение коэффициента фильтрации грунтов опытными наливами в шурфы

Цель и результаты работы.

Цель работы-знакомство студентов с методом определения коэффициента фильтрации грунтов, залегающих в зоне аэрации.

В качестве отчетных материалов студентами представляется:

1.Схема прибора. Описание сущности и области применения

метода.

2.Журнал наблюдений.

3.График зависимости Q = f(t).

Основные положения метода Для определения коэффициента фильтрации неводонасыщенных

грунтов, т.е. грунтов, залегающих в зоне аэрации, используется метод налива воды в шурф.

Рис. 57. Конструкция прибора Н.С. Нестерова и условия движения воды в зоне аэрации при опытном наливе. 1 – шурф; 2 – внешний цилиндр прибора; 3 – внутренний цилиндр прибора; 4 – подставка для мерных баков; 5 – мерные баки; а) зоны увлажнения грунта в различные интервалы времени (t1 < t2 < t3); б) линии тока воды при ее инфильтрации из шурфа; в) план размещения прибора Н.С. Нестерова в шурфе.

212

Сущность метода заключается в создании вертикального фильтрационного потока, просачивающегося через сухой грунт вниз от дна шурфа, измерении площади сечения потока, расхода и гидравлического уклона, т.е. всех параметров закона Дарси кроме Кф.

Условия движения воды в зоне аэрации существенно отличаются от условий ее движения в водонасьщенных грунтах. Вода, поступающая в шурф, впитывается в сухой грунт и движется в нем не только под действием сил тяжести, направленных вниз, но и капиллярных сил, которые могут действовать во всех направлениях. Благодаря действию этих сил вода, просачиваясь из шурфа в сухой грунт, растекается, образуя увлажненную зону (фигура увлажнения), форма которой изменяется во времени, вытягиваясь вниз (Рис.57).

По мере увеличения глубины промачивания темп изменения фигуры увлажнения замедляется, и расход воды на инфильтрацию изшурфа стабилизируется. Однако, даже при постоянном расходе линии токов инфильтрационного потока не параллельны между собой, т.е. площадь горизонтального сечения потока, а значит и его скорость меняются с глубиной. Влияние растекания ограничивают специальной схемой опытных установок или учитывают в расчетных формулах. Таким образом, существующие методы позволяют установить величину коэффициента фильтрации только приближенно, но с точностью вполне приемлемой для практических целей.

При инженерных изысканиях используются методы наливов, разработанные А.К.Болдыревым, Н.К.Гиринским, Н.С.Нестеровым, Н.Н.Биндеманом, НН.Веригиным. Все они предназначены для случая инфильтрации воды из шурфа в однородную толщу, не содержащую гравитационную и капиллярную влагу, при глубине залегания уровня подземных вод свыше 5 м от дна шурфа. Опыты ведут при постоянной высоте столба воды в зумфе шурфа Н=10 см, который обеспечивается специальными регуляторами до достижения установившегося расхода (принимается расход, не отличающийся от среднего за период 2 последних часовых наблюдений более чем на 10%) – прил. 10.

На практике студенты подробно знакомятся с методом Н.С.Нестерова. Этот метод несколько сложнее, но совершеннее других. Он основан на предположении, что благодаря конструкции прибора, состоящего из двух концентрически вдавливаемых в грунт цилиндров, на растекание расходуется вода, поступающая в грунт из кольцевого зазора, а вода внутреннего цилиндра просачивается вертикально вниз, т.е. площадь фильтрационного потока равна площади внутреннего цилиндра. На основании этого допущения замеряют и регистрируют в журнале опыта расход только из внутреннего цилиндра.

Значение коэффициента фильтрации определяется по формуле:

213

Кф Qуст ,

W i

где Qуст – установившийся расход во внутреннем цилиндре, м3/сут, см3/мин;

W-площадь поперечного сечения внутреннего цилиндра, м2; i=гидравлический уклон (принимаем i=1).

Конструкция прибора Нестерова Прибор состоит из двух цилиндров диаметром 25 и 50 см и высотой 20-

25 см, располагаемых концентрически на дне шурфа. Цилиндры вдавливают в дно на 5-8 см для защиты от размыва. На внешний цилиндр устанавливается подставка, на которой размещаются два сосуда Мариотта для автоматического поддержания уровня воды в цилиндрах на одинаковой высоте (H=10 см). На сосудах имеется прозрачная шкала, с помощью которой измеряется объем воды ∆V, профильтровавшейся в грунт за определенное время ∆t.

Порядок выполнения работы

1.Описать сущность метода, область его применения и дать схему прибора с указанием основных узлов.

2.Отрыть шурф в грунте на заданию глубину. На выровненную поверхность установить кольца. Задавить их в грунт на 5-8 см. Установить сосуды Мариотта. Залить в них воду.

Подготовить журнал, форма которого приведена в таблице 35.

3.Из ведра залить воду во внутреннее и внешнее кольца, создав слой воды 10 см, открыть краны сосудов Мариотта для автоматического выпуска воды вo внутреннее и внешнее кольца. С момента начала истекания воды во внутреннее кольцо включается секундомер. Уровни воды в сосуде Мариотта фиксируются по мерной шкале и заносятся в журнал через определенные интервалы времени. Замеры производятся до получения установившейся величины расхода воды. За установившийся можно принять расход, который с течением времени меняется незакономерно (без затухания)

иколеблется в пределах 20% своей величины не менее 15 мин.

4.Обработать опытные данные (вычислить поглощенный объем

воды ∆V и расход Q):

Q V ,

t

Результаты занести в журнал и оформить в виде графика. Пример оформления приведен в приложении 10.

214

Таблица 35

Уровень подземных вод поддерживался выше дна шурфа на ___ см на глубине ______м;

Диаметр внутреннего кольца______.

Исполнители работ:

_________________________________

_________________________________

_________________________________

Дополнительно к обработке материалов собственного эксперимента бригада, по указанию преподавателя, обрабатывает результаты опытных данных, полученные при изысканиях по таблице 36.

215

Таблица 36

216

Продолжение табл. 36

217

Продолжение табл. 36

218

Продолжение табл. 36

219

Задание 11. Определение коэффициента фильтрации грунтов опытными откачками воды из скважины

Цель и результаты работы Цель работы – знакомство студентов с методом определения

коэффициента фильтрации водонасыщенных грунтов.

В качестве отчетного материала должны быть представлены:

1.Схема опытного куста скважины с указанием его параметров. Описание сущности и области применения метода.

2.Расчет коэффициента фильтрации.

Основные положения метода Откачки – основной и наиболее распространенный метод опытно-

фильтрационных исследований водонасыщенных грунтов. При кустовой откачке бурят центральную скважину, из которой производится откачка воды насосом, и ряд наблюдательных скважин, по которым следят за изменением уровня воды во время откачки.

Рис.58. План куста опытной откачки: ЦС – центральная скважина с насосами и фильтрами; Н1-Н11 – наблюдательные скважины, оборудованные фильтрами

220