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

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

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

243

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

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:

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

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)

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)

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

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

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:

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.