Метод наливів в шурфи
В практиці гідрогеологічних та інженерно-геологічних досліджень найбільш поширеним і розробленим методом вивчення фільтраційних властивостей ненасичених пухких і зв’язних гірських порід зони аерації є дослідні наливи в шурфи, які забезпечують фільтраційне випробування порід на глибину до 5 м.
Сутність метода полягає в нагляді за ходом інфільтрації води з шурфів та отриманні характеристик інфільтраційного потоку в умовах постійного рівня води в шурфі в процесі досліду. Метод інфільтрації води з шурфів, який був вперше запропонований А.К.Болдиревим, зараз використовується в різних модифікаціях, найбільшого поширення набули способи Г.М.Каменського, М.С.Нестерова, М.М.Біндемана та М.К.Гіринського.
Інфільтрацією називається явище просочування води в гірську породу, пори та тріщини якої не заповнені водою. Процес інфільтрації в ненасиченому водою грунті відрізняється значною складністю. Тут одночасно діють два основних фактори: гідравлічний тиск води, яка налита в шурф та капілярний тиск, що виявляється в капілярному всмоктуванні.
Всі способи визначення коефіцієнта фільтрації дослідними наливами в шурфи розроблені для випадку, коли інфільтрація проходить в однорідній за своїм складом і структурою товщі порід, а глибина залягання рівня грунтових вод від дна шурфу перевищує суму глибини просочування води за час проведення досліду і висоти капілярного підняття.
В процесі досліду змикання з грунтовим потоком води, що інфільтрується, має бути виключено і тому досліди по наливах води у шурфи здійснюються при глибині залягання рівня грунтових вод не меньш ніж 4 – 5 м.
Породи зони аерації являють собою трьохфазну систему: скелет грунту, звязна вода та повітря, що заповнює пори і тріщини. В таких умовах поверхневі води, що надходять із шурфу до породи, витискають повітря та рухаються по порах і тріщинах під дією гравітаційних і капілярних сил, які виникають на межі поділу вода-повітря.
Капілярний тиск, що співпадає за напрямком з інфільтрацією та виявляється в капілярному всмоктуванні, діє як деякій додатковий напір, який необхідно враховувати при визначенні напірного градієнта потоку, що інфільтрується з шурфу. Таким чином, швидкість інфільтрації на відміну від швидкості фільтрації залежить, крім напірного градієнта і коефіцієнта фільтрації, ще і від капілярного тиску.
В результаті при просочуванні води вниз обидві вказані вище сили накладаються і швидкість інфільтрації стає більшою за звичайну швидкість фільтрації, коли вода рухається в насиченому водою грунті.
При проведені дослідних наливів в шурфи дуже важливо дотримуватись таких умов: збереження непорушеного природного стану грунтів в межах площі інфільтрації; виключення розмиву грунту на площі інфільтрації при наливі води, тому цю площу необхідно покрити шаром дрібного гравію завтовшки 2 – 3 см, а налив води до постійного рівня, при якому буде виконуватись дослід (не більш 10 см), здійснювати поступово, що важливо і для поступового витискування повітря з грунту поверхневої зони площі інфільтрації; суворе дотримання постійного рівня шару води на площі інфільтрації, що здобувається за допомогою посудин Маріотта або баків; використання тільки чистої води для запобігання замулення поверхні інфільтрації.
Майже всі способи визначення фільтраційних властивостей порід за даними інфільтрації з шурфу, крім способу М.М.Біндемана, грунтуються на формулах сталої фільтрації тому, що форма верхньої частини потоку, який інфільтрується з шурфу, через деякий час після початку досліду стає майже незмінною. Однак при цьому часто не враховується замулення дна шурфу і ущільнення верхньої фільтруючої частини породи, внаслідок чого стала витрата виявляється лише уявною.
Спосіб А.К. Болдирєва застосовують для визначення коефіцієнта фільтрації пісків і тріщинуватих порід. На дні шурфу перерізом 1,0 х 1,0 м, пройденого до заданої глибини, закладають зумпф перерізом 0,5 х 0,5 м і глибиною 10 – 15 см, в якому встановлюється мірна рейка.
Біля бровки шурфу встановлюють мірну ємність (бак), з якої по трубах безперервно подається вода в зумпф з інтенсивністю, що забезпечує постійний шар води z висотою приблизно 10 см (див. рис.4.4.).
Рис.4.4 . Схема дослідної інфільтрації води із шурфу за способом А.К.Болдирева
Дослід триває доти, поки витрата води не стане постійною. Під час проведення досліду визначають кількість води Q, яка надходить в шурф за одиницю часу. Потім будують криву залежності Q = f (t).
Приймаючи, що градієнт напору дорівнює одиниці, обчислюють коефіцієнт фільтрації k за формулою:
k = Q /F, (4.2.)
де Q – стала витрата, см3/хв, F – площа поперечного перерізу зумпфа, см2.
Спосіб А.К.Болдирева дає завищене значення коефіцієнта фільтрації, бо не враховує дії капілярних сил і величину бокового розтікання.
Спосіб Г.М.Каменського являє собою дещо змінений спосіб Болдирева і його також застосовують для визначення коефіцієнта фільтрації пісків і тріщинуватих порід.
На дні шурфу влаштовують зумпф перерізом 40 х 40 см і глибиною 10 см, в нього встановлюють металеве кільце діаметром 35,75 см і висотою 20 см (площа кільця 1000 см2 , що дуже зручно при розрахунках) (див.рис.4.5.).
Рис.4.5.Схема приладу для дослідів по інфільтрації із шурфу
за методом Г.М.Каменського
Над зумпфом на спеціальній підставці встановлюють перевернутий догори дном градуйований бутель ємністю 3 – 5 л. Бутель закрито пробкою, в яку вставлена скляна трубка діаметром 1 см.
Перед початком досліду зумпф наповнюють водою до висоти 12 – 14 см. Кінець трубки бутля занурений у воду на висоту 10 см від його дна. Такий пристрій дає можливість підтримувати постійний рівень води у зумпфі.
Дослід закінчують в тому разі, якщо через 30 хвилин витрати відрізняються від середнього за останні 2 години не більше ніж на 10%. Середня тривалість досліду 10 – 48 годин.
Коефіцієнт фільтрації k визначається за формулою:
k=Q/F, (4.3.)
де F = 1000 cм2. Тоді
k=,001Q. (4.4.)
Спосіб М.С.Нестерова застосовують для слабопроникних порід (супісків та суглинків). Він грунтується на припущенні, що при інфільтрації води з двох циліндрів, які розташовані концентрично і заповнені водою на однакову висоту, на розтікання витрачається вода лише з зовнішнього циліндра, а потік води із внутрішнього циліндра має напрямок тільки донизу.
Вважається, що розтікання цього потоку не відбувається і що він має постійний переріз, який дорівнює перерізу внутрішнього циліндра, а лінії течії взаємно рівнобіжні і вертикальні.
В цих умовах при сталій витраті води із внутрішнього циліндра і малій висоті стовпа води у ньому, можна прирівняти градієнт інфільтраційного потоку із внутрішнього циліндра до одиниці, а швидкість інфільтрації – до фільтрації.
Для того, щоб це припущення було допустиме, співвідношення між діаметром зовнішнього і внутрішнього циліндрів має бути не менш ніж 2.
Тому звичайно виготовляють металеві циліндри діаметром 50 і 25 см, висотою 20 – 25 см та жорстко скріплюють їх, розташовуючи точно концентрично один в одному.
На дослідній ділянці проходять шурф на задану глибину перерізом 1 х 1,5 м. На дні шурфу закладають круглий зумпф глибиною 20 см і діаметром 50 см.
Для проведення досліду в дно зумпфа концентрично втискається два циліндри, в які заливається вода висотою 10 см і цей рівень підтримується протягом досліду посудинами Маріотта (див.рис.4.6.).
Рис. 4.6. Схема дослідного наливу в шурфи за методом М.С. Нестерова :
1- водозливні трубки;
2 – повітряні трубки;
З – крани;
4 – покажчик рівноваги;
5 – шкала;
6 – посудини Маріотта;
7 – місток;
8 – внутрішній циліндр;
9 – зовнішній циліндр;
10 – гравій;
Витрата виміряється через кожні 10 хвилин, дослід ведеться до стабілізації витрати через внутрішній циліндр. Розрахунок ведуть за формулою:
, (4.5.)
де Q – стала витрата води через внутрішній циліндр, (см3 /хв); – глибина просочування води за час проведення досліду, (см); – капілярний тиск, що дорівнює 0,5 максимальної висоти капілярного підняття (для суглинків Hk дорівнює 0,8-1м, супісків – 0,4-0,6 м, пісків – 0,05-0,3 м); z – висота шару води у внутрішньому циліндрі, (см).
Для визначення глибини просочування l бурять 2 свердловини: першу- на відстані 3-4 м від шурфу, другу – в центрі внутрішнього циліндра по закінченню досліду.
Глибина свердловин 3-5 м від дна шурфу. При бурінні з метою визначення вологості відбирають зразки грунту через кожні 20 см, по даним якої визначають глибину просочування.
До недоліків способу М.С.Нестерова відносять приблизне врахування капілярного розтікання і тривалість проведення досліду.
Спосіб М.К. Гіринського є найбільш досконалим для визначення коефіцієнта фільтрації звязних та пухких порід за даними інфільтрації з шурфу.
Він грунтується на гідромеханічній теорії потоку з вільною поверхнею, якій є симетричним відносно вертикальної вісі і дозволяє враховувати розтікання інфільтраційного потоку, силу капілярного всмоктування та вплив затисненого повітря, що залишилось в порах породи, яка насичується при інфільтрації.
Цей спосіб менш тривалий і більш простий у виконанні.
В дно зумпфа втискають металевий циліндр висотою 30 – 40 см та діаметром 35 – 50 см, в нього подають воду, рівень якої підтримують постійно за допомогою посудин Маріотта або баків (див.рис.4.7.).
Рис. 4.7.Схема дослідного наливу в шурфи за методом М.К. Гіринського :
1 – стінка зумпфа;
2 – зволожена глина;
3 – металевий циліндр; 4 – дно зумпфа;
5-шар дрібного гравію; 6 – дно шурфу;
7 – місток;
8 – баки;
9 – мірна скляна трубка;
10 – горловина бака;
11 – гумова пробка;
12 – вантаж;
1З – важіль;
14 – шарнір;
15 – опорний штир;
16 – повітряна трубка;
17 – вода в баку;
18 – зливна трубка;
19 – гумова трубка;
20 – шар води в зумпфі.
Дослід проводять аналогічно вище розглянутим до стабілізації витрати.
Коефіцієнт фільтрації k визначають за формулою:
k = a Q, (4.6.)
де a – коефіцієнт, що залежить від глибини втискання циліндра в породу і діаметра циліндра , – коефіцієнт, значення якого залежать від значення (Hk + z) і діаметра кільця , Q – стала витрата.
Спосіб М.М.Біндемана застосовується для обробки результатів досліду за способом М.С.Нестерова.
Для цього використовують формули несталої фільтрації, що дозволяє суттєво скоротити тривалість досліду.
Коефіцієнт фільтрації k розраховується за формулою:
k = V / Ft, (4.7)
де V – загальний об’єм води, який був витрачений за час проведення досліду, см3; t – загальний час проведення досліду, хв; – коефіцієнт, значення якого залежить від співвідношення глибини просочування води за час досліду до висоти шару води у кільці.
Спосіб М.М.Біндемана має ряд значних переваг в порівнянні з іншими способами визначення коефіцієнта фільтрації в слабопроникних породах. На дослід за цим способом витрачається менше часу, ніж на досліди, що виконуються до встановлення стабілізації витрати води.
Коефіцієнт фільтрації визначається в той період, коли замулення дна ще мале. Крім того, враховується весь обєм води, яка просочилась, що дає більшу точність розрахунків, при цьому автоматично враховується вплив капілярних сил, а також є можливість неодноразово визначати розрахункові параметри за результатами одного досліду, що надає можливість взаємоконтролю результатів.
Разом з тим, спосіб М.М.Біндемана дозволяє одночасно з коефіцієнтом фільтрації визначати величину капілярного тиску Hk та нестачу насичення , тобто ті параметри, які необхідні для прогнозу несталої фільтрації.
Разом з тим, спосіб М.М.Біндемана дозволяє одночасно з коефіцієнтом фільтрації визначати величину капілярного тиску Hk та нестачу насичення , тобто ті параметри, які необхідні для прогнозу несталої фільтрації.
Для визначення величини Hk за графіком, знаходять значення l / (z + Hk) по якому, знаючи глибину просочування l та рівень води в внутрішньому циліндрі під час досліду z, визначають Hk.
Нестачу насичення визначають по відношенню обєму води V, яка надійшла до породи із внутрішнього циліндра за весь час проведення досліду t до обєму зволожених порід, тобто :
(4.8.)
