книги из ГПНТБ / Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов

Для окончательного построения кривой депрессии от действия дренажа, а также для выбора конструктивных параметров дрены (в частности, высоты фильтрационной обсыпки) определяется раз­ рыв уровней или участок высачивания воды в дрену. Для горизон­ тальных дрен значение Аh можно определять по специальным гра­ фикам П. Я. Полубариновой-Кочиной или приближенно по фор­ муле:

Для совершенных дрен величина Я0 обычно невелика и неред­ ко ее не учитывают, тогда соответственным образом формулы (Х,38 и Х,39) видоизменяются.

Если ложе реки закольматировано, то это следует учитывать в расчетах, увеличивая расстояние /і или /2 на величину АL, которая определяется по методике, изложенной ранее (см. гл. VII, стр. 221). При значительном удалении границ потока от дренажа вместо рас­ стояний до границ Іі и /2 принимается значение радиуса влияния дренажа R.

Если необходимо определить положение сниженного уровня под­ земных вод через любое время t от начала действия береговой со­ вершенной дрены в сечении на расстоянии л: от нее (см. рис. 144, а) используется формула H. Н. Веригина, учитывающая неустановившийся процесс развития депрессионной кривой при мгновенном сни­ жении уровня в дрене до Я 0:

ры, учитывающие положение сечения и время, на которое определя­

^Формула (Х,43) записана применительно к определению значе­ ний Ях на участке между дреной и границей с напором Я ь При оп­ ределении Ях в другую сторону от дрены (в сторону границы с напором Я2) в формуле (Х,43) Я) заменяется на Я2, 1\ на /2. Значе-

ние функции 5 ( у , т ) определяется по специальному графику (см.

рис. 103).

При определении расстояния между дренами по формуле (Х,44) необходимо задаваться мощностью потока hMакс в сечении, находя­ щемся посередине между дренами, исходя из обеспечения необхо­ димой нормы осушения в пределах защищаемой территории. Есте­ ственно, что в других точках, находящихся ближе к дренам, поло­ жение уровня будет более низким (между h0 и /гмакс). Значение W (интенсивность инфильтрации атмосферных осадков в м/сут) уста-

w

Рис. 146. Схема к расчету систематического гори­ зонтального дренажа несовершенного типа

навливается опытным путем. При этом может учитываться инфиль­ трация воды и от других источников питания, являющихся причиной повышения уровня подземных вод в пределах рассматриваемой тер­ ритории (утечка воды из систем водоснабжения, оросительные во­ ды, сточные воды и др.). Для ориентировочной оценки можно при­ нимать значения W из опыта: для средней полосы СССР в легких супесях и суглинках W = 0,001—0,002 м/сут-, в песках 1SX= 0,002—- 0,005 місут.

При обратном ходе расчетов, когда задавшись расстоянием меж­ ду совершенными соседними дренами 2а и положением уровня во­ ды в дрене ho, требуется определить положение уровня в сечениях между дренами, используется формула:

Максимальная мощность потока /гх= /імакс отвечает сечению посе­ редине между дренами, т. е. х — а, тогда:

Расход, который будет иметь каждая дрена систематического дре­ нажа, определяется по формуле Q — 2aWL (где L — длина дрены).

Систематический горизонтальный дренаж несовершенного типа.

При значительной мощности потока подземных вод систематичес­ кий дренаж устраивают несовершенного типа (рис. 146). Расстоя­

ние между дренами несовершенного типа 2а может быть определе­ но по формуле С. Ф. Аверьянова:

подземных вод); /імакс — положение уровня в центральном сечении

rR — радиус дрены).

Дебит каждой дрены, как и в предыдущем примере, определя­ ется исходя из интенсивности инфильтрации W, длины дрены L и междренного расстояния 2а по формуле Q = 2aWL.

П р и м е р . Для снижения уровня в пределах городской террито­ рии проектируется заложение систематического горизонтального дренажа несовершенного типа. Глубина залегания уровня подзем­ ных вод в пределах территории составляет 0,5 м, естественная мощ­ ность потока Яе=14,0 м. Норма осушения принята 2,5 м. Требуется определить необходимое расстояние между дренами-осушителями при глубине заложения их под уровень подземных вод Яі = 4 м. Ко­

Р е ш е н и е . Исходя из нормы осушения 2,5 м и глубины зале­ гания уровня подземных вод 0,5 м, устанавливаем, что минималь­ ное понижение уровня должно составить SMHH= 2 м . Значение hMакс при глубине заложения дрен Яі =4 м при этом составит: hMак0= = Я]—5МИН= 4—2 = 2 м\ параметр Т = Яе—Я і = 14—4 = 10 м.

Определение расстояния 2а между дренами проводим по фор­ муле (Х,47), для чего предварительно рассчитаем значение коэф­ фициента Б J, входящего в расчетную формулу:

Подставляя полученные и заданные величины в формулу (Х,47), находим 2а:

ПРИМЕНЕНИЕ ОСНОВНЫХ УРАВНЕНИЙ ФИЛЬТРАЦИИ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Определение гидрогеологических параметров — одна из важнейших задач динамики подземных вод. Гидрогеологические параметры являются основой для выполнения гидрогеологических расчетов по количественной оценке условий движения подземных вод при проектировании водозаборов, дренажей, систем орошения, гидротехнических и других инженерных сооружений.

Для определения параметров используются основные уравнения движения подземных вод, описывающие закономерности их фильт­ рации как в естественных условиях, так и, главным образом, в ус­ ловиях искусственного воздействия на поток различных инженер­ ных сооружений (преимущественно скважин). При этом, распола­ гая данными о поведении уровней и расходов потоков подземных вод, соответствующие уравнения решаются относительно входящих в них гидрогеологических параметров.

Данные о поведении потоков подземных вод получают в резуль­ тате проведения режимных наблюдений, а также наблюдений за работой скважин при их специальном опробовании. В настоящей главе рассматриваются методы определения параметров по данным специальных гидрогеологических исследований, так называемых опытно-фильтрационных работ (откачек, наливов, нагнетаний и других). Некоторые сведения о методах определения гидрогеологи­ ческих параметров по данным о распределении естественных уров­ ней приведены выше (см. гл. IV, V, VI), а также обстоятельно осве­ щены в работах [5, 22, 29, 58, 67, 89, 94, 95, 106].

Ориентировочное определение гидрогеологических параметров может проводиться также в лабораторных условиях на основе вы­ полнения опытов на специальных приборах (трубка Каменского, прибор Тима, трубка Спецгео, приборы конструкции Маслова, МГРИ, Гидропроекта и др.) или путем вычислений по эмпиричес­ ким формулам. Подробное изложение указанных методов определе­

ния гидрогеологических параметров дается в работах [67, 95, 97 и 98].

До недавнего времени методика проведения и обработки резуль­ татов опытно-фильтрационных работ основывалась почти целиком

на теории установившейся фильтрации, что неизбежно сказывалось и на эффективности гидрогеологических исследований (необходи­ мость выполнения длительных опытно-фильтрационных работ до наступления стационарной фильтрации). В последние же годы ши­ рокое развитие получают методы проведения и обработки опытно­ фильтрационных работ в условиях неустановившегося движения подземных вод, что наряду с повышением эффективности гидрогео­ логических исследований позволяет получать более полные данные о параметрах потоков подземных вод (в частности, параметры не­ установившейся фильтрации: пьезопроводность, уровнепроводность, упругую водоотдачу).

Основным видом опытно-фильтрационных работ являются откач­ ки из скважин, которые подразделяются на пробные, опытные и опытно-эксплуатационные.

Пробные откачки проводятся непосредственно после сооружения скважины с целью ее прочистки, установления технической исправ­ ности оборудования и получения предварительных данных о дебите и понижениях уровня. Они проводятся кратковременно (5—8 ч), как правило, на одну ступень понижения уровня.

Опытные откачки выполняются более длительное время (не­ сколько суток), на несколько ступеней понижения уровня (две-три и более) и предназначены как для получения кривой дебита Q = —f (Sc), так и для определения других расчетных гидрогеологичес­ ких параметров.

Опытно-эксплуатационные откачки служат для того, чтобы под­ твердить возможность получения проектируемого дебита или до­ стижения заданных понижений уровня, и проводятся довольно дли­ тельное время (1—3 месяца и более). Интенсивность работы сква­ жин при таких откачках должна быть соизмерима с проектной. Проведение опытно-эксплуатационных откачек целесообразно в сложных гидрогеохимических и гидрогеологических условиях, когда надежный прогноз условий работы проектируемых сооружений воз­ можен лишь на основе их опытной эксплуатации [68].

Основным и наиболее распространенным видом откачек явля­ ются опытные. При этом в зависимости от количества скважин, ис­ пользуемых в процессе проведения опыта, различают одиночные и кустовые опытные откачки (при наличии наблюдательных сква­

жин).

Кустовые опытные откачки обладают большими преимущества­ ми перед одиночными, позволяя более надежно и полно изучить па­ раметры потока в зоне влияния откачки, исключить влияние фильт­ ра и призабойной зоны центральной скважины на точность опре­ деления параметров и, наконец, определить непосредственно показатель обобщенного сопротивления скважины (£о), что имеет большое значение для прогноза условий работы проектируемых водозаборных и дренажных сооружений.

Количество наблюдательных скважин при проведении кустовых опытных откачек и их расположение принимаются в зависимости от конкретных условий, целевого назначения и длительности опыта.

Обычно наблюдательные скважины размещают по одному—четырем лучам. Ориентация лучей должна лучшим образом способствовать выявлению неоднородности и особенностей формирования депрессионной поверхности при откачках. Вблизи рек наблюдательные скважины целесообразно располагать вдоль русла и нормально к нему. При откачках из слоистых толщ необходимо закладывать наблюдательные скважины и на соседние с испытуемым водоносные пласты и горизонты с целью выявления условий их взаимодействия (подробно см. в работах [23, 54, 68]). В процессе проведения откачек ведутся наблюдения за изменением расхода, уровней, химического состава подземных вод и других показателей. В большинстве слу­ чаев откачки проводятся с поддержанием в процессе опыта посто­ янной производительности скважин и реже в условиях постоянства понижения уровня. Методика подготовки и проведения откачек из­ ложена в работах [23, 24, 28, 34, 54, 68, 96 и др.].

В результате проведения и обработки опытно-фильтрационных работ определяются в зависимости от поставленной задачи следую­

мости T = km или T = khcр), радиус влияния R, коэффициент пьезо­ проводности % (или уровнепроводности а для грунтовых вод), во­ доотдача пород в безнапорных потоках р и показатель упругой во­ доотдачи [X*, показатель несовершенства скважин £о, параметр перетекания.

Движение подземных вод к скважинам при откачках в первый период является неустановившимся и описывается основными урав­ нениями вида (IX,76 и IX,66). В дальнейшем, в зависимости от кон­ кретных гидрогеологических условий и длительности опытно-фильт­ рационных исследований, может наступить стабилизация уровней и расходов потока в зоне откачки и движение подземных вод будет подчиняться уравнениям Дюпюи (IX,5 и IX,15). Определение рас­ четных гидрогеологических параметров в таких условиях можно проводить как по формулам неустановившейся фильтрации, исполь­ зуя первый период откачки, так и по формулам установившейся фильтрации, на основе наблюдений, отвечающих периоду стабили­ зации движения подземных вод. Для более обоснованного определе­ ния параметров целесообразно комплексное применение методов, базирующихся на уравнениях как установившейся, так и неустано­ вившейся фильтрации.

На участках с глубоким залеганием подземных вод, а также в условиях, неблагоприятных для проведения откачек (слабая водо­ обильность и водоотдача пород), и при необходимости определения гидрогеологических параметров ненасыщенных водою пород, при­ меняются такие виды опытно-фильтрационных работ, как наливы и нагнетания в скважины, опытные наливы в шурфы.

Детальное изложение методов определения гидрогеологических параметров по данным различных видов опытно-фильтрационных работ дается в работах [23, 29, 34, 54, 57, 68, 105, 111 и др.].

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДАННЫМ

о т к а ч е к и з с к в а ж и н п р и у с т а н о в и в ш е м с я

РЕЖИМЕ ФИЛЬТРАЦИИ

По данным откачек при установившемся режиме фильт­

диус влияния и внутреннее фильтрационное сопротивление скважи­ ны So-

Кривая дебита

Кривая дебита. График зависимости дебита скважины от понижения Q = f (Sc) (индикаторная кривая) является важнейшей характеристикой, позволяющей судить о производительности сква­ жин при разных понижениях уровня и о влиянии на условия ее ра­ боты всех факторов и явлений, возникающих в призабойной зоне скважины и в ней самой. Особенно важно получение этой характе­ ристики при использовании для прогнозов работы инженерных со­ оружений гидравлических методов расчета.

Для построения графика Q = f (Sc) необходимо проведение от­ качек не менее чем на две ступени понижения уровня в скважинах, из которых была проведена тщательная предварительная прокачка. Анализ получаемых в результате откачек кривых Q= f ( S c) позво­ ляет установить фактический характер зависимости дебита от по­ нижения уровня, которая, как правило, отклоняется от теоретичес­ кой зависимости, следующей из формул Дюпюи (IX,5 и IX,15), и использовать его при прогнозах работы водозаборных и дренажных сооружений. В реальных условиях, вследствие влияния разнооб­ разных факторов (изменение фильтрационного сопротивления при­ забойной зоны, отклонения от линейного режима фильтрации, не­ однородность водоносных отложений по вертикали и т. д.), зависи­ мость дебита от понижения уровня может быть параболической, степенной или логарифмической, выражаемых соответственно эм­ пирическими формулами (Х,32), (Х,33) и (Х,34). Приемы опреде­ ления характера зависимости индикаторной кривой Q — f ( Sc) опи­ саны ранее (см. гл. X, стр. 334). В работах Н. Н. Биндемана [24] и других (например, [89]) рекомендуется пользоваться всегда, если зависимость отклоняется от теоретической, формулой параболичес­ кой связи S c и Q, типа S c= aQ + bQ2. Как показали исследования, отклонение в прогнозируемых дебитах по сравнению с другими за­ висимостями не превышает 10% и чаще отмечается в сторону зани­ жения дебита, что дает основание при оценке эксплуатационных запасов отдавать предпочтение параболической зависимости (Х,32).

На рис. 147 показаны графики зависимости дебита Q и удельно­ го дебита q от понижения S c при откачке из грунтовых и артезиан­ ских скважин. Как следует из формул Ж- Дюпюи (IX,5 и IX,15), теоретически зависимость Q= /(S C) является параболической для грунтовых и прямолинейной для артезианских скважин (сплошные линии 1 и 2 на рис. 147). В реальных условиях кривые дебита имеют