6 Гидрогеологические наблюдения
6.1 Определение коэффициента водопроницаемости грунтов методом наливов (способ а.К. Болдырева)
Одним из широко применяемых полевых методов исследования водонепроницаемости однородных приповерхностных горизонтов (до глубины 3-5 метров), обычно ненасыщенных водой, является испытание их на инфильтрацию методами налива воды в шурфы и скважины. Таким испытаниям могут подвергаться также скальные и полускальные породы в зоне выветривания, а теоретически – и вне ее.
Инфильтрацией принято называть явление просачивания воды в горную породу под влиянием ее собственного веса в отличие от фильтрации, то есть движения воды в пористых водоносных горных породах. Сущность методов испытаний горных пород на инфильтрацию состоит в следующем. В шурфе на необходимой глубине устраивают зумпф квадратного сечения размерами 20-25 см., глубиной 15-20 см. В неустойчивых породах стенки зумпфа крепят металлической рамкой высотой 20-25 см. Наливаем в зумпф воду и, поддерживая ее уровень постоянным путем непрерывной подачи воды, наблюдают за ее расходом на просачивание – инфильтрацию в дно зумпфа. При подаче воды в зумпф не допускают размыва пород и нарушения их сложения.
Согласно закону Дарси коэффициент фильтрации оценивает скорость движения воды через систему пор грунта:
Где:
-
скорость движения воды, равная
,
[м/сутки];
-расход воды [л/мин];
-
площадь поперечного сечения зумпфа
[м2]
-коэффициент
фильтрации [м/сутки];
- гидравлический градиент.
При практически установившимся расходе воды на инфильтрацию и малой высоте слоя воды в зумпфе путь фильтрации воды l и напора H почти одинаковый и соответственно гидравлический градиент равен 1. Поэтому коэффициент фильтрации будет равен скорости движения воды при инфильтрации. Так определяют основной количественный показатель водонепроницаемости горных пород по методу А.К. Болдырева. Однако, процесс инфильтрации воды в ненасыщенной водой горной породы отличается определенной сложностью. Значительное влияние на этот процесс оказывает растекание инфильтрационного потока, защемленный воздух, температура воды, уровень залегания грунтовых вод, водоупоров и др.
При инфильтрации воды в толще горных пород кроме гравитационных сил действуют также капиллярные, которые вызывают расширение зоны увлажнения ниже дна зумпфа. Происходит растекание инфильтрационного потока в стороны и вниз. Наибольшее растекание наблюдается в глинистых породах, в которых капиллярные явления наиболее развиты; в грубозернистых породах оно меньше, так как в них капиллярные явления выражены слабо. Вследствие растекания воды площадь горизонтального сечения инфильтрационного потока ниже дна зумпфа увеличивается и соответственно изменяется его скорость. С другой стороны, в однородных породах зона увлажнения постепенно вытягивается вниз, так как в этом направлении действие гравитационных и капиллярных сил суммируется. Все это искажает результаты определения водопроницаемости горных пород.
Значительное влияние на водопроницаемость оказывает воздух, находящийся в ненасыщенных водой породах. При длительной инфильтрации постепенно вытесняется или растворяется в воде, но не весь. Оставшиеся пузырки воздуха в породе уменьшают живое сечение инфильтрационного потока и соответственно его расход.