Определение водопроницаемости горных пород

Водопроницаемость горных пород изучается в лабораторных и полевых условиях.

Лабораторные методы определения водопроницаемости. В ла­бораторных условиях водопроницаемость пород определяют в спе-

240

циальных приборах. Широко используются приборы конструкции Г. Н. Каменского и СПЕЦГЕО.

Прибор Каменского (рис. 116) —металлический цилиндр с глу­хим дном, в котором при помощи железного кольца на 5 см выше дна укреплена фильтровальная сетка. К боковой стенке цилиндра на различной высоте посредством нипелей присоединены три рези­новые трубки, другими концами соединяющиеся с тремя стеклян­ными трубками (/, 2, 3). Трубки служат для измерения пьезомет­рического напора воды в соответствующих сечениях цилиндра. С другой стороны цилиндра имеется боковой отвод 5 с трубкой 6, посредством которых в приборе поддерживается постоянный уро­вень воды. Такой же отвод 7 есть и в нижней части цилиндра, под сеткой 4; к нему присоединяется резиновая труб­ка 8, другой конец которой опускается в стакан. Это приспособление служит сначала для насыщения песка водой, а во время опытов для регулирования напора и измерения (сосудом) коли­чества профильтровавшейся воды. Во­да в сосуд подается из водопровода 9, подача воды регулируется зажи­мом 10.

Рнс. 116 Прибор Каменского

Опыт начинается с загрузки прибо­ра испытуемым грунтом и насыщения его водой. Для создания условий, мак­симально приближающихся к естест­венному состоянию песка в водоносном пласте, необходимо всю колонку песка равномерно уплотнять. Одновременно следят за на­полнением водой всех пьезометрических трубок. После установле­ния одинаковых уровней воды в них приступают к опыту. Стакан с регулирующей трубкой 8 опускают на несколько сантиметров ниже > ровня воды в приборе и закрепляют в этом положении на штативе. В результате создается некоторый напорный градиент, под влиянием которого происходит фильтрация воды. В процессе фильтрации врды наблюдают за изменением уровней в пьезомет­рических трубках и, когда они устанавливаются на определенной высоте, производят отсчет и заносят показания в журнал, форма которого приведена ниже (табл. 14).

Через 5 мин делают вторую запись показаний пьезометров. Если уровни их окажутся теми же, приступают к измерению расхода. Если нет, продолжают наблюдения, повторяя записи через каждые 5 мин; пока уровни воды в пьезометрических трубках не станут по­стоянными.

Расход фильтрующейся воды измеряют при помощи какого-ни­будь мерного сосуда, контролируя его заполнение секундомером. Показания пьезометров до и после измерения расхода воды долж­ны быть одинаковыми. Записав расход воды и контрольные отсче­ты по пьезометрическим трубкам, повторяют опыт при других на-

241

ТАБЛИЦА 14

		Показания			Разность уровней в			cd о.
№		пьезометров, см			пьезтме!рах, см			X «?
опы га	Время наблюдений	1	2	3	1—2	1-3	средняя	Оч° щ „ 13 01 3
								Н а
1	9 ч 10 МИН	46,2	44,2	42,2	2,0	2,0	2,0	16,0
	9 ч 15 мин	46,2	44,2	42,2	2,0	2,0	2,0	16,0
	9 ч 23 мин 40 с	46,2	44,2	42,2	2,0	2,0	2,0	16,0
2	10 ч 05 мин	45,1	40,5	зе,з	4,6	4,2	4,4	16,0
	10 ч 13 мин 20 с	45,0	40,0	36,3	4,6	4,1	4,35	16,0

порах, величина которых регулируется положением стакана. Во время каждого опыта необходимо измерять температуру фильт­рующейся воды и определять температурную поправку.

Пример. Внутренний диаметр прибора d = 8,8 см. Площадь сечения фильтрующей колонки

Расстояние между пьезометрическими трубками по оси прибора /=10 см. Расчеты по данным опыта оформляются таблицей (табл. 15).

ТАБЛИЦА 15

Для определения коэффициента фильтрации песков часто поль­зуются трубкой Каменского. Это стеклянная трубка диаметром 2—4 см и длиной около 25 см, на которой нанесены деления через 1 см (рис. 117). На нижнем конце трубки с помощью металличе­ского кольца укреплена сетка; в случае необходимости сетка может быть заменена марлей.

242

Трубку устанавливают в банку высотой 20—25 см, в которую по мере наполнения трубки песком понемногу наливают воду для постепенного насыщения песка; песок слегка уплотняют легкой де­ревянной трамбовкой. Наполнив трубку песком до деления 10 см и увлажнив его, добавляют в банку такое количество воды, чтобы, просочившись под напором снизу, она образовала под песком слой в 1—2 см. На песок насыпают слой гравия в 1—2 см для предохра­нения его от размыва. Наполняют трубку водой сверху, вынимают из банки и помещают на небольшой подставке в стакан с водой. Рядом со стаканом ставят широкий низкий сосуд, в который собирают во­ду, изливающуюся из сливного носика стакана по мере падения уровня в трубке. По секундомеру отмечают мо­мент прохождения мениска воды в трубке через нулевое и последующие деления (для малопроницаемых пес­ков можно ограничиться близкими делениями—вторым, третьим).

Рис. 117. Трубка Каменского

Для проверки опыта трубку вновь наполняют водой и повторяют наблю­дения. В случае совпадения результа­тов наблюдений вычисляют коэффи­циент фильтрации, при несовпадении опыт повторяют. Коэффициент фильт­рации вычисляют по формуле

(VIII-4)

где / — длина пути фильтрации в см; Т — время фильтрации воды в с; S — падение уровня в трубке в см; h₀ — первоначальный напор в см.

э / 5 \

Значение <р — для различных соотношении падения уровня

I ао/

в трубке с первоначальным напором берется по графику, состав­ленному Г. Н. Каменским (рис. 118). Описанный способ отличается чрезвычайной простотой оборудования и техники проведения-опы­та. Форма журнала для записи результатов опыта и данных расче­та приводится ниже (табл. 16).

ТАБЛИЦА 16

№		Первоначаль-	Падение	Время
опыта	Краткое описание грунта	ный напор Л0,	уровня S,	наблюдений
		см	см	t, с
1	Аллювиальный мелкозернистый пе­ сок	19 19	3 5	540 960
2	То же	10	3	1100
		10	5	2160

243

При массовых определениях коэффициента фильтрации песков широко применяется трубка СПЕЦГЕО системы Е. В. Симонова (рис. 119). Прибор состоит из основной трубки 1, нижней крышки 2 с сеткой, верхней крышки 3 и стеклянного мерного цилиндра 4, снабженного шкалой с делениями, каждое из которых соответст­вует 1 см³. Форма записи для расчета коэф­фициента фильтрации дана в табл. 17.

Определение коэффициента фильтрации при помощи трубки СПЕЦГЕО производят в таком порядке. Заполняют трубку 1 испы-

Рис. 118. График для определе-

/ S \

ния <р — (по Г. Н. Камен-\ ^Ао/

скому)

Рис. 119. Трубка Спецгео

ТАБЛИЦА 17

5 Йо	/ 5 \ v — V /'о /	Путь фильтрации 1, см	Коэффициент фильтрации К, см/с	Темпера­тура воды t, СС	Температурная поправка -	Коэффициент фильтрации, приветен ный к 10 J С, см/с
0,159	0,173	10	0,0032	16	1,18	0,0027
0,265	0,308	10	0,0031	16	1,18	0,0026
0,300	0,357	10	0,0032	15	1,15	0,0028
0,500	0,693	10	0,0032	15	1,15	0.0028

244

туемым грунтом. Если нужно определить коэффициент фильтрации в породе с ненарушенной структурой, трубку погружают непосред­ственно в грунт, не нарушая его сложения. Снизу вверх постепенно грунт в трубке замачивают, заполняют мерный цилиндр водой, оп­рокидывают его над трубкой и укрепляют в верхней крышке так, чтобы горлышко его отстояло от поверхности грунта в трубке при­близительно на 0,5—1 мм. В таком положении мерный цилиндр автоматически поддерживает постоянный уровень воды над поверх­ностью грунта. Как только вода просочится через образец, уровень понизится, в мерный цилиндр прорвется пузырек воздуха и вытес­нит из него соответствующее количество воды. Этим достигается и постоянство градиента, численно равного единице, так как напор равен длине пути фильтрации. Крупные пузырьки воздуха обычно свидетельствуют о том, что горлышко цилиндра находится слишком далеко от поверхности грунта, поэтому в таком случае необходимо опустить цилиндр немного глубже, чтобы в мерный сосуд подни­мались только мелкие пузырьки воздуха, следующие на одинако­вом расстоянии один за другим. Затем замечают по шкале уро­вень воды в мерном цилиндре и через определенный промежуток времени, отсчитанный по секундомеру (50—100 с для среднезер-нистых грунтов, 250—500 с для глинистых песков), отмечают вто­рой уровень и подсчитывают коэффициент фильтрации по формуле:

(VHI-5)

где Q — количество профильтровавшейся воды, в см³; F — площадь поперечного сечения трубки, 28 см³; Т — время фильтрации, в с. Опыт повторяют несколько раз. Результаты опыта заносят в журнал установленной формы (табл. 18) и вычисляют среднее арифметическое значение коэффициента фильтрации.

ТАБЛИЦА 18

№ опыта	Краткое описание грунта	Время наблю­дения Г, с	Расход воды Q, см3	Коэффициент фильтрации К, см/с	Средний коэф­фициент фильт­рации /Сср, см/с
1	Аллювиальный мелко-
	зернистый песок ....	170	10	0,0021	—
9	То же . ...	282	15	0,0019	0,0022
3	То же	286	20	0,0025

Приближенно коэффициент фильтрации можно определить по данным механического анализа.

Для сравнительно однородных крупнозернистых песков при гид­равлическом уклоне, равном единице, величину коэффициента фильтрации можно принять численно равной среднему диаметру зерен песка, выраженному в миллиметрах. Для грунтов с действую­щим диаметром зерна от 0,1 до 3 мм и коэффициентом неоднород-

245

ности не больше 5 величина коэффициента фильтрации может быть вычислена по формуле

K = dl ' (VHI-6)

где d_e — действующий диаметр в мм; при <4=0,5 мм величина фильтрации в сутки по этой формуле будет равна 0,25 м.

Полевые методы определения водопроницаемости пород. Из по­левых методов" наиболее часто применяются опытные откачки из скважин (шурфов, шахт и других горных выработок). На участке, где предполагается изучать водопроницаемость пород, закладыва­ют одну или несколько скважин на водоносный слой и откачивают воду. В результате уровень подземных вод понижается и вокруг скважин образуется воронка депрессии. Дебит скважины, как по­казано выше, зависит от величины коэффициента фильтрации, по­нижения уровня подземных вод и расстояния, на которое распро­страняется депрессионная воронка (радиус влияния). Определив при откачке дебит, а также уровень и радиус влияния, можно вы­числить и коэффициент фильтрации.

Откачки бывают одиночные и кустовые. Одиночные откачки производят из одной скважины без наблюдения за депрессионной воронкой. Радиус влияния при этом берется из расчетных таблиц на основании данных механического анализа пройденных водонос­ных пород.

При кустовых откачках бурят группу, куст скважин, из которых одна (центральная) является опытной, из нее ведут откачку, а остальные служат для наблюдения за уровнем грунтовых вод и распространением воронки депрессии вокруг центральной скважи­ны. Наблюдательные скважины в кустах располагаются по одному или нескольким (2—4) лу,чам, отходящим от центральной скважи­ны. На каждом луче закладывают не меньше двух скважин, от­стоящих от опытной на расстоянии 15—50 м в среднезернистых пес­ках и 25;—100 м в крупнозернистых. Наблюдательные скважины необходимы для более точного вычисления коэффициента фильтра­ции, так как величины уровня воды в опытной скважине часто бывают искаженными. Можно обойтись и одной наблюдательной скважиной, но в таком случае бурят затрубную скважину рядом с опытной, замеряя в ней истинный уровень при откачке.

Величина коэффициента фильтрации, полученная по данным опытной откачки, является средней, характеризующей водопрони­цаемую породу в целом в пределах площади, охваченной опытным кустом.

Для определения коэффициента фильтрации по данным одиноч­ных откачек пользуются формулами, по которым вычисляют при­ток воды к колодцам.. При этом радиус влияния \(R) можно при--нять равным 500 м для крупнозернистых песков, 100—150 м для среднезернистых, 50—75 м для мелкозернистых и 20—30 м — для глинистых.

Коэффициент фильтрации вычисляется по следующим форму­лам:

246

1) для совершенного грунтового колодца (см. рис. 90)

(VIII-7)

2) для напорного совершенного колодца (см. рис. 93)

( VIII-8)

где Q — дебит опытной скважины; Я —радиус влияния; г—радиус скважины; S — понижение уровня в опытной скважине; т — мощ­ность напорного водоносного горизонта; Я—-мощность безнапор­ного водоносного горизонта.

При наличии двух наблюдательных скважин коэффициент филь­трации определяется по формулам:

1) для грунтового колодца (рис. 120, А)

(VIII-9)

2) для напорного колодца (рис. 120, Б)

(VIH-10)

где a_t — расстояние от опытной скважины, из которой производится откачка, до первой наблю­дательной скважины; а-г — то же, до второй наблю­дательной скважины; S\ — понижение уровня в пер­вой наблюдательной сква­жине; S₂ — то же, во вто­рой наблюдательной сква­жине. Остальные обозна­чения те же, что и в пре­дыдущих формулах.

Откачку из опытной скважины ведут по край­ней мере при трех пони­жениях и соответственно получают три значения К. Если откачка произведе­на правильно,все три зна­чения К мало отличают­ся друг от друга; для по­следующих расчетов бе­рут среднее из них.

Рис. 120. Кривые депрессии (АБА) при от­качке из куста скважин: А — при безнапор­ных водах, Б — при напорных водах

Длительность откачки при каждом понижении зависит от характера грунта: чем мельче час-

247

тицы, слагающие грунт, тем более длительной должна быть откач­ка Откачку на принятое понижение можно считать законченной, если в течение 4 ч непрерывной откачки дебит опытной скважины и уровень воды в наблюдательных скважинах не изменяются Про­должительность откачки для различных грунтов и видов откачки приведена в табл 19

ТАБЛИЦА 19

			Откачка	Огкачка воды	Откачка из
	Величина	Ъ дельный	пробная	одиночная	куста скважин,
Порода	К м/сут	дебит, л/с	длитель-	длительность	длительн ость
			ность	в сменах	в сменах
			в сменах
Сильно трещиноватая
порода и гравий	60—70	5—10	1—2	6—9	9—15
Пески крупнозернистые	20—60	1—10	2—4	9—15	12—18
Пески разнозернистые
и трещиноватые породы	5—10	0,1—1	3-5	12—18	15—21
Мечкозернистые пески	1—5	0,1-0,5	4—6	12—18	15—24

Для того чтобы откачиваемая вода не попадала обратно в во­доносный пласт, ее необходимо отводить от опытной скважины по специально сделанным водонепроницаемым лоткам или трубам на расстояние, вдвое превышающее расстояние до второй наблюда­тельной скважины при откачке из грунтовых вод и на расстояние 10 м при откачке из напорного горизонта

Для определения водопроницаемости пород, кроме откачек, про­изводят опытные нагнетания в скважины и налив воды в шурфы При опытных нагнетаниях в скважине, а также в некоторой зоне вокруг нее повышаются уровни подземных вод Зная расход воды Q при нагнетании и величину повышения уровня в опытной и наблю­дательных скважинах, можно вычислить коэффициент фильтрации с помощью тех же формул, что и для опытных откачек, заменив в них величины понижений уровня S₀, 5[ и £2 соответствующими ве­личинами повышения уровня h₀, hi и h₂ (рис 121)

Налив воды в шурфы применяют для определения водопрони­цаемости верхних слоев пород (рис 122) Из сосуда в шурф пода­ют воду в таком количестве, чтобы в нем поддерживался постоян­ный уровень (около 10 см над дном) Определив количество воды Q, поступающей в ш\рф в единицу времени Т, и разделив его на пло­щадь шурфа F, в" простейшем случае получают среднюю скорость фильтрации

Q

v = — . F

Так как при этом напорный градиент примерно равен единице, то средняя скорость фильтрации численно равна коэффициенту] фильтрации (v-=K.)

Коэффициент фильтрации и коэффициент пьезопроводности мож­но определять по восстановлению уровня воды в центральной и

248

Рис 121 Кривые депрессии (АБА) при нагне

танин в кусте опытны\ скважин А — при без

напорных водах, 5 — при напорных водах

Рис 122 Схема опыта по начину воды в шурф

наблюдательных скважинах:

(VHI-11)

где 5 — понижение уровня воды в метрах на момент t в сутках от начала откачки; Т — время прекращения откачки из скважины в сут; Q — постоянный дебит в процессе откачки в м³/сут. Коэффи­циент пьезопроводности определяют по формуле

(VHI-12)

где S₀ — повышение уровня воды в скважине по отношению к ди­намическому перед прекращением откачки; t — время, исчисляемое от момента прекращения откачки; Q — дебит в процессе откачки.