3. Особенности движения влаги при опробовании пород зоны аэрации наливами в шурфы

Задача о наливе в шурф имеет особое практическое значение, так как в подавляющем большинстве случаев именно данные таких опытных наливов используют для оценки связи подземных вод с вновь проектируемыми водоемами и водотоками, для прогноза гид­родинамического режима на орошаемых площадях, для оценки воз­можного загрязнения подземных вод из бассейнов промышленных стоков и т.д.

Традиционная теория опытных наливов базируется в общем на принципах, близких к изложенным в предыдущем разделе при выво­де зависимости (6.82), хотя в отдельных вариантах делаются попыт­ки дополнительно учесть те или иные особенности гидродинамиче­ской картины при наливе. Вместе с тем достаточно общеизвестно, что результаты опытных наливов очень часто далеки от реальности [21 ]. Интересно поэтому специально рассмотреть те особенности движе­ния влаги при опытных наливах, которые делают эти эксперименты столь трудно интерпретируемыми, т.е. в конечном счете — малона­дежными. Такой анализ позволит нам частично понять, с какими объективными трудностями сталкивается изучение влагопереноса в зоне аэрации (хотя здесь они будут отражены отнюдь не полностью).

На результаты опытных наливов существенное влияние оказы­вают следующие факторы, не учитываемые вовсе или принимаемые во внимание лишь частично при стандартных экспериментах:

1. боковое растекание наливаемой воды;

2. неполное водонасышение порового пространства в процес­се налива;

|~3~| изменения расчетного градиента ввиду недоучета сло­истости и капиллярных эффектов или, наоборот, подпора вблизи фронта просачивания воды;

4. диффузионные эффекты;

5. несоответствие напряженного состояния пород прогноз­ными условиям.

Отметим, что все эти факторы в наибольшей степени проявля­ются при проведении экспериментов на слабопроницаемых неодно­родных (слоистого строения) грунтах. Рассмотрим их влияние более подробно.

|~1~| Боковое растекание обусловлено как гидродинамически­ми силами, так и капиллярными эффектами (по боковой поверхно­сти зоны увлажнения — рис. 6.26,а). В однородных грунтах оно может быть в принципе учтено в рамках априорных теоретических построений. Соответствующие расчетные схемы и методики интерп­ретации наливов были предложены рядом авторов. Трудности их реализации связаны с необходимостью независимой оценки капил­лярных сил на фронте увлажнения. Дополнительные искажения в оценки бокового растекания вносят диффузионные эффекты (см. ниже).

ВОПРОС. В каком случае, при прочих равных условиях, боковое растекание выражено сильнее — при наливе в сухой грунт или в увлажненный?

Более важно, однако, что боковое растекание многократно уси­ливается слоистостью и профильной фильтрационной анизотропией испытуемых отложений (рис. 6.26,6). В такой ситуации его влияние может быть учтено лишь на основе прямых наблюдений. В противном случае можно попытаться снизить это влияние многократным увели­чением размеров площади налива, хотя и такой подход может при­вести к успеху лишь при не слишком ярко выраженной фильтраци­онной неоднородности.

а.

S

Рис. 6.26. Боковое растекание воды при наливах в шурфы: а - однородные породы; б - слоистый комплекс; I - положение фронта увлажнения

ВОПРОС. Почему влияние бокового растекания ослабевает с ростом площади налива?

[~2~] Неполное водонасыщение в пределах зоны увлажнения вызывается боковым растеканием (кстати, почему ?). Кроме того, оно может быть обусловлено:

а) профильной фильтрационной неоднородностью (вместе с тем отметим, что постановка налива обычно исключает образование по ходу опыта слабопроницаемой закольматированной зоны под дном шурфа, подобной описанной в разделе 6.9.2);

б) трудностью вытеснения воздуха из-под шурфа (подумайте, как этот фактор зависит от площади налива);

в) недостаточной длительностью опыта, в частности, в условиях гетерогенных пород, коща водой успевают заполниться только наи­более крупные водопроводящие поры, а насыщение более мелкой «поровой матрицы» происходит в продолжение всего эксперимента.

ВОПРОС. Под влиянием каких сил вода из вертикального про­водящего канала поступает в окружающие мелкопористые блоки? Как эти силы зависят от влажности блоков?

В однородных гомогенных грунтах неполное насыщение может быть ориентировочно учтено на базе контрольных определений влажности пород в зоне увлажнения. В слоистых грунтах, при прове­дении достаточно длительных опытов, наименее проницаемые слои оказываются обычно в водонасыщенном состояний, так что при на­личии точечных пьезометров в зоне увлажнения, позволяющих оп­ределить истинное значение градиента (см. ниже), и при условии количественного учета величины бокового растекания может быть найдена проницаемость этих слоев.

Влияние же последнего из упомянутых выше факторов — вре­менного — может быть устранено или ограничено лишь увеличением длительности эксперимента. Тоща, например, можно осуществить предварительное длительное замачивание опробуемого грунта, про­водя основной эксперимент после некоторого перерыва или без пере­рыва, но используя «меченую» воду.

ВОПРОС. Влияние каких из перечисленных выше факторов снижает или устраняет такое замачивание?

ЗАДАЧА. Длительный налив производится с постоянным напо­ром в трехслойную толщу (см. рис. 6.26,6). Почему в конце налива суглинок будет находиться в состоянии, близком к полному водона- сыщению? Как качественно связаны между собой проницаемость

суглинков и предельный радиус бокового растекания воды по их кровле? В какую сторону изменяется градиент напоров при переходе от верхних песков к суглинкам? Какие пески лучше пропускают воду в условиях налива — верхние или нижние (считая их идентичными по составу и проницаемости)? Как изменится ситуация, если сугли­нок залегает сверху (рис. 6.27) и при какой минимальной глубине воды в шурфе Л еще возможно тоща существование насыщенного

min

потока в песках? Для ответа на последний вопрос составьте выраже­ние для расхода насыщенного потока через двухслойную толщу и приравняйте его к расходу нижнего слоя при градиенте, равном еди­нице; в итоге получите:

Рис. 6.27. Схема оценки условий образования насыщенного потока при наливе в двухслойную толщу

I 3 I При пренебрежении боковым растеканием и диффузион­ными эффектами (см. ниже) расчетный градиент фильтрации под шурфом равен:

А_ш+1+%

¹ I ’ (6.83)

гае I — длина зоны просачивания;

— высота всасывания на фронте просачивания; объясните

физический смысл формулы (6.83), ориентируясь на рис. 6.25.

ВОПРОС. Как изменяется градиент с ростом начальной влажно­сти W_о и с увеличением длины зоны просачивания?

Недоучет капиллярных эффектов вблизи фронта просачивания, отраженных членом (W), приводит к занижению расчетного гра­диента. При наливе в «сухие» грунты эти эффекты можно принять во внимание черезрасчетную высоту капиллярного поднятия h_k (Ч* ~ А^). В общем же случае для интерпретации налива необходи­ма опытная кривая зависимости всасывающего давления от влажно­сти для всех разновидностей грунтов в зоне налива. Другой путь — прямые замеры всасывающего давления на фронте увлажнения.

Значение капиллярных эффектов убывает с ростом размеров зоны увлажнения (продолжительности эксперимента).

Противоположным по своему эффекту является влияние подпо­ра на нижней границе зоны увлажнения, который может вызываться, в частности, трудностями вытеснения воздуха из-под шурфа. Значе­ние этого фактора растет с увеличением площади шурфа и с умень­шением проницаемости пород. Для учета подпора также необходим замер давления вблизи фронта просачивания.

Наконец, изменение расчетного градиента инфильтрации, обус­ловленное слоистостью, требует дифференцированных замеров дав­ления в пределах зоны увлажнения.

Диффузионные эффекты, как уже отмечено (см. раздел 6.9.2 [риводят к «размыванию» фронта увлажнения и на нижней, и на боковых границах. Роль их в целом растет с падением проница­емости, но в случае гетерогенных сред они могут иметь определяю­щее значение (поступление воды в слабопроницаемые пористые блоки) и при высоких коэффициентах фильтрации пород. Увеличение продол­жительности и площади эксперимента способствует снижению роли диффузионных эффектов, прямой же их учет в расчетной модели (урав­нение ».74)) требует серьезного усложнения методики опыта.

При использовании данных опытных наливов для прогно­за фильтрации под инженерными сооружениями дополнительные погрешности вызываются недоучетом возможного снижения прони­цаемости вследствие сжатия испытуемых пород под весом сооруже­ния. Например, для лессовидных суглинков проницаемость может падать при этом на два-три порядка [21 ]. Аналогичное влияние на нижнюю часть опробуемой экранирующей толщи может оказывать (после затопления) вес вышележащих слоев пород. Вопрос этот тем более важен, что при наливах в глинистые грунты могут иметь место эффекты прямопротивоположного свойства, обусловленные набуха- ниемлгород в процессе налива.

Особо следует отметить некоторые из более тонких эффек­

тов, например зависимость проницаемости от состава и температуры воды, используемой при наливах в глинистые породы.

Все сказанное делает наливы в шурфы малонадежным экспери­ментом. Простейшие (стандартные) его модификации, очевидно, ра­зумно использовать лишь в условиях однородных, достаточно хоро­шо проницаемых (песчаных) грунтов. В прочих же условиях можно- рассчитывать на достаточную надежность эксперимента только при соблюдении следующих требований, важность которых подчеркива­ется многими авторами:

а) прямое прослеживание фронта увлажнения или, в противном случае, достижение при опыте стационарного режима (конечно, если последнее вообще реально);

б) прямое определение зависимости всасывающего давления от влажности или достижение условий, когда роль капиллярных эф­фектов на фронте увлажнения пренебрежимо мала; прямое опреде­ление давленик в отдельных замерных точках, расположенных по высоте зоны увлажнения;

в) контроль изменения влажности пород в процессе опыта или обеспечение такой продолжительности опыта, при которой заведомо достигается стационарное распределение влажности в пределах зоны увлажнения (в этом вариенте можно ограничиться контрольными определениями влажности после опыта);

г) достижение в эксперименте режима, исключающего сущест­венное влияние диффузионных эффектов, что в слабопроницаемых породах реально может быть обеспечено только выходом на стацио­нарный режим эксперимента;

д) при необходимости последующего учета дополнительных на­грузок от сооружения или от вышележащих слоев пород — обеспече­ние по ходу опыта соответствующего напряженного состояния, что в условиях проведения полевого опыта подчас трудно выполнимо;

е) установка контрольно-измерительной аппаратуры не должна вносить серьезных искажений в ход эксперимента.

Естественно, выполнение всей совокупности упомянутых здесь требований к опытным наливам связано с необходимостью резкого увеличения масштабов, продолжительности и информативности экс­перимента. В том что касается информативности, интересные воз­можности связаны с наливами «меченой» воды, т.е. с применением солевых или тепловых индикаторов [21 ].

Думается, всего сказанного достаточно, чтобы хоть частично понять, с какими трудностями связаны оценки

параметров влагопереноса в зоне аэрации и почему эти оценки очень часто оказываются на практике весьма не­надежными. Повторим в заключение, что именно по этой причине мы воздержимся здесь от более детального об­суждения теории влагопереноса: применение ее на прак­тике — в основном дело будущего.

Контрольные вопросы

[~Г] Какие основные механизмы миграции в водоносных поро­дах вам известны? Перечислите соответствующие им основные миг­рационные параметры массопереноса в водоносных горизонтах. Ка­кие для них существуют аналоги в характеристиках процесса тепло- переноса?

[~2~] Что дает анализ фильтрационной картины для решения задач миграции подземных вод? При каких предпосылках о режиме фильтрации решались нами основные задачи миграции?

|з] Что такое действительная скорость фильтрации? Раскройте ее связь с фильтрационными и емкостными параметрами пород. Дайте понятие общей, активной и эффективной пористости горной породы. Какие между ними существуют количественные соотношения? Каков порядок значений этих параметров для пористых и трещиноватых по­род? Может ли эффективная пористость быть больше единицы?

[4 | Будет ли различаться скорость движения концентрацион­ного фронта при разных соотношениях между исходными концент­рациями вытесняемого и вытесняющего растворов (в случае линей­ной изотермы сорбции Генри) ?

рГ| Каковы основные факторы, определяющие интенсивность развития в водоносных горизонтах процессов плотностной конвек­ции? Приведите характерные примеры загрязнения подземных вод, специфика которого существенно определяется процессами гравита­ционной дифференциации растворов в водоносных горизонтах.

[~б | В чем физический смысл процессов продольной и попереч­ной гидродисперсии? Оцените значимость молекулярной диффузии в процессе продольного дисперсионного рассеяния для различных литологических разностей фильтрующих сред.

[~7~| Какое принципиальное значение имеют пространствен­но-временные масштабы для миграционных процессов? Как меняет­ся роль гидродисперсионных эффектов рассеяния в пористых и тре­щиноватых породах в зависимости от масштаба области переноса?

[~8~] Какое влияние на размер переходной зоны оказывают процессы равновесной сорбции? Изменится ли ваш ответ для нерав­новесных сорбционных процессов?

Проведите сравнительную оценку опасности загрязнения двух водоносных горизонтов, приуроченных к комплексам однород­ных пористых (в первом случае), и трещиноватых (во втором случае) пород считая, что в остальном гидрогеологические условия и фильт­рационные параметры для них подобны. Изменятся ли выводы для случая теплового загрязнения тех же водоносных горизонтов?

10 Что понимается в теории миграции подземных вод под терминами «гетерогенные водоносные комплексы» и «макродиспер­сия»? Какие основные расчетные схемы используются для физико- математического описания массопереноса в гетерогенных (слоистых и трещиновато-пористых) водоносных комплексах? Как смещаются диапазоны применимости этих схем в случае теплового воздействия на пласт?

11 Как изменяется значимость основных механизмов пере­носа в гетерогенных комплексах в зависимости от масштаба области рассмотрения и продолжительности процесса? При каких условиях миграцию в гетерогенных комплексах допустимо рассматривать с фор­мальных позиций, аналогичных случаю гомогенных комплексов?

Какие предпосылки легли в основу дифференциации ус- лов ийпроведени я миграционных экспериментов в различных комп­лексах водоносных пород? Какое место отводится лабораторным экс­периментам при изучении параметров массопереноса в пористых и трещиноватых породах?

12

13 Как влияет надежность фильтрационного расчленения разреза на точность определения миграционных параметров? Какие в связи с этим возникают требования к постановке полевых индика­торных экспериментов?

Какие энергетические характеристики используются при описании процессов влагопереноса при неполном водонасыщёнии пород? Как изменяется соотношение между силами гравитации и сорбционно-капиллярными силами с изменением влажности поро­ды? Перечислите основные параметры, определяющие интенсив­ность влагопереноса; какие между ними существуют количествен­ные соотношения?

[Щ В чем заключается специфика задания граничных усло­вий в задачах вертикального влагопереноса? В каких пределах изме­няется градиент напоров при вертикальном влагопереносе Через зону аэрации (для постоянных граничных условий)?

[1б| Какое влияние оказывает гетерогенность фильтрацион­ных свойств пород (в частности, профильная неоднородность фильт­рационного строения зоны аэрации) на закономерности вертикаль­ного влагопереноса? Определите основные пути повышения эффек­тивности опробования пород зоны аэрации опытными наливами в шурфы.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

Практические приложения динамики подземных вод (дополнительные главы курса)