6.Гидрогеологические наблюдения

6.1 Исследование водопроницаемости горных пород методами налива воды в шурфы и скважины. (способ а.К. Болдырева)

Водопроницаемостью грунта называют его способность пропускать через себя свободногравитационную воду под действием разности напоров.

Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающих земную кору, зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы: водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные.

К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески, трещиноватые породы и т.д. К водонепроницаемым породам – массивно- кристаллические породы (гранит, порфир, мрамор), имеющие минимальную впитывать в себя влагу, и глины. Последние, пропитавшись водой, в дальнейшем ее не пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, лесс, рыхлые песчаники, рыхловатые мергели и т.п.

В грунтах часть его объема занимают твердые минеральные частицы, а другую часть — поры, которые обусловливают водопроницаемость. Различные виды грунтов обладают разной водопроницаемостью. При прочих равных условиях лучшей водопроницаемостью обладают песчаные грунты и меньшей — глинистые.

От водопроницаемости грунтов зависит ряд процессов, влияющих на устойчивость сооружений, в том числе:

• скорость уплотнения основания (грунтов);

• суффозия грунта — перемещение или вынос мелких частиц по порам, образованным более крупными частицами под воздействием фильтрационного потока;

• оползневые явления — перемещение грунтовых масс под действием силы тяжести или внешней нагрузки.

Движение свободно-гравитационной воды в грунтах оснований называется фильтрацией.

Полевые методы определения коэффициента фильтрации К_фпозволяют получить более близкие к действительности результаты, т.к. движение воды происходит в породах, сохраняющих свое природное строение.

Методы определения:

1) Метод откачки

Используют тогда, когда вода подходит близко к дневной поверхности.

Для этого бурят скважину, из нее откачивают воду, систематически наблюдая за дебетом и уровнем воды в ней. Каждый раз при испытаниях отбирают пробу воды.

Скважина, из которой ведется откачка, оборудуется фильтром, насосом или эрлифтом (для откачки воды сжатым воздухом), приспособлением для замера дебета и прибором для контроля воды в скважине.

Дебит – объем воды, выдаваемый скважиной или другими водозаборными сооружениями в единицу времени (т.е. производительность скважины).

2) Метод нагнетания

Производят в тех случаях, когда нужно определить водопроницаемость трещиноватых пород.

Определяемый интервал скважин тем или иным способом перекрывают сверху, и в него подается вода.

По способности породы вскрытой стенками скважины поглощать воду судят по ее водопроницаемости.

3) Метод налива (метод Болдырева)

Этот метод является одним из широко применяемых полевых методов исследования водопроницаемости однородных приповерхностных горизонтов (до глубины 3-5м) песчано-гравийно-галечных и глинистых пород зоны аэрации, т. е. обычно ненасыщенных водой, является испытание их на фильтрацию. Таким испытаниям могут подвергаться также скальные и полускальные породы в зоне выветривания, а теоретически – и вне её.

Инфильтрацией принято называть явление просачивания воды в горную породу под влиянием её собственного веса в отличие от фильтрации, т. е. 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 размером 20 – 25 см, глубиной 15 – 20 см. В неустойчивых породах стенки зумпфа крепят металлической коробкой высотой 20 – 25 см. Наливая в зумпф воду и поддерживая её уровень постоянным (10 – 15 см), путём непрерывной подачи воды, наблюдают за её расходом на просачивание – инфильтрацию в дно зумпфа.

Согласно закону Дарси:

где v – скорость движения воды, равная Q/F, м/сутки; Q – расход воды л/мин; F – площадь поперечного сечения зумпфа, м²; К_ф – коэффициент фильтрации , м/сутки; I – гидравлический градиент.

При практически установившемся (мало изменяющемся) расходе воды на фильтрацию и малой высоте слоя воды в зумпфе путь фильтрации воды l и напор H почти одинаковы и соответственно гидравлический градиент равен единице. Поэтому коэффициент фильтрации К_ф будет равен скорости движения воды при инфильтрации. Так определяют основной количественный показатель водопроницаемости горных пород по методу А. К. Болдырева. Однако процесс инфильтрации воды отличается определённой сложностью.

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 действуют гравитационных и капиллярных сил суммируется. Всё это искажает результаты определения водопроницаемости горных пород.

Значительное влияние на водопроницаемость оказывает воздух, находящийся в ненасыщенных водой породах. При длительной инфильтрации он постепенно вытесняется или растворяется в воде; но не весь. Оставшиеся пузырьки воздуха уменьшают живое сечение инфильтрационного потока и соответственно его расход.

Степень водопроницаемости зависит от:

• размера пор и пустот

• однородности состава обломочного материала

По К_ф можем установить категорию пород по степени водопроницаемости.

Категории пород по степени водопроницаемости

Категории водопроницаемости	Характеристика пород	Кф, м/сут
I	Хорошо водопроницаемые	>10
II	Водопроницаемые	10-1
III	Слабопроницаемые	1-0.01
IV	Весьма слабопроницаемые (суглинки)	0.01-0.001
V	Непроницаемые (практически водоупор – глины)	<0.001

К_ф используется:

1. При расчетах скорости уплотнения грунта под нагрузкой;

2. Подсчета запасов подземных вод;

3. При определении притока воды в строительные котлованы, а это, в свою очередь, влияет на выбор количества и мощности насосов для откачивания воды, которая будет мешать строительству;

4. При проектировании водоотводных и дренажных сооружений;

При расчетах глубины (размеров) заложения фундаментов и других расчетах.