ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

НАЛИВ НА СЛАБОПРОНИЦАЕМЫЙ СЛОИ

При слоистом строении зоны аэрации, когда в ней имеются пес - чано-супесчаные слои мощностью несколько метров, подстилаемые глинистыми слоями, опробование может производиться наливом через скважины в песчаный слой (рис. 54). При этом поток расте­кается в опробуемом (песчаном) слое, одновременно просачиваясь через подстилающий (глинистый) слой. Такое опробование дает принципиальную возможность определить горизонтальную прони­цаемость опробуемого слоя и вертикальную проницаемость под­стилающего слоя. Именно эти характеристики необходимы для прогнозных расчетов дренажа или фильтрации из водохранилищ и каналов.

Предложение по методике такого опытного налива в скважину впервые было сделано для определения проницаемости песчаного слоя, подстилаемого водоупором [25], а в дальнейшем рассматри­вались расчетные зависимости с учетом проницаемости подстилае­мого слоя [13]. Однако эти зависимости были получены с рядом упрощений, допустимость которых только в последнее время могла быть критически рассмотрена на основании данных полевых опро­бований [6].

Рассмотрим основные представления о методике проведения опытного налива в скважину на слабопроницаемом слое, уделяя особое внимание оценке влияния различных факторов, осложняю­щих процессы формирования фильтрационного потока при таком наливе.

Опытный налив в скважину обычно проводят к течение несколь­ких дней и даже недель, так что существенным является обоснова­ние расхода налива и размеров воронки депрессии. При реальных значениях радиусов скважин и воронки депрессии можно оценить расход налива из выражения

(4.5)

Для радиуса воронки можно использовать соотношение

(4.6)

Из которого видно, что величина г0 может меняться от десятков метров для легких глинистых пород (когда соотношение kfk0 будет в пределах сотен—тысяч единиц) до сотен метров для тяжелых глинистых пород (когда соотношение kjkо достигает десяти тысяч и более).

Из анализа закономерностей нестационарного режима можно получить представления о времени tcт достижения практической стабилизации потока при просачивании через слабопроницаемый слой

(4.7)

При наличии легких глинистых пород в слабопроницаемом слое (&о«0,01 м/сут) опытный налив должен длиться в течение не­скольких суток, а при наличии в этом слое тяжелых глинистых пород требуемая длительность опыта может достигать десятков и сотен суток. Из такого анализа можно сделать вывод, что до­ведение опытного налива до стабилизированного состояния, когда возникает возможность оценки проницаемости слабопроницаемого слоя, реально только при сравнительно высокой проницаемости этого слоя, характерной для супесей и легких суглинков. Если же слабопроницаемый слой представлен тяжелыми глинистыми поро­дами, то для определения его проницаемости следует опираться на данные понижения уровней после прекращения налива.

Переходя к обоснованию методики проведения и интерпретации опытного налива, оценим прежде всего допущения, заложенные при выводе используемых для этого расчетных зависимостей. При ста­ционарном режиме основными допущениями являются горизон­тальность и фильтрационная однородность слоев. Опыт таких опро­бований показал, что из-за небольших размеров зоны опробования значительных деформаций контакта слоев в пределах зоны ожи­дать трудно, вместе с тем в некоторых случаях встречаются зна­чительные локальные углубления и искривления контакта слоев.

Например, при наливе на слой красно-бурых глин аллювиаль­ный хазарской террасы на площадке размером 60x80 м В. Я. Бу - ряковым [6] были обнаружены понижения в рельефе кровли слоя глубиной до 1 м. Что касается влияния фильтрационной неодно­родности опробуемых отложений, то каких-либо конкретных сведе­ний на этот счет не имеется, и только из общих представлений о фильтрационной структуре глинистых отложений можно предпо­лагать определенную избирательность просачивания в глинистом слое.

Значительные дополнительные допущения вводятся при описа­нии нестационарного режима формирования воронки растекания. В этом случае довольно грубо схематизируется перетекание через слабопроницаемый слой, поскольку не учитывается его нестацио­нарность. При залегании уровня грунтовых вод в слабопроницае­мом слое весьма существенное влияние на условия просачивания может также оказать «амортизационный» эффект воздушной по­душки, образуемой между воронкой депрессии и уровнем грунто­вых вод. В таких условиях возможность интерпретации нестацио­нарного режима налива становится проблематичной.

Кроме того, на закономерности нестационарного режима здесь может заметное влияние оказывать изменчивость гравитационной емкости (коэффициента недостатка насыщения р.), связанная с ди­намикой капиллярной зоны. На это указывают, в частности, дан­ные повторных опытных наливов, проведенных при изучении зоны аэрации под проектируемым Талимарджанским водохранилищем (рис. 55). Расход составил 20 м3/сут в глинистые пески, подстилае­мые глинистым слоем мощностью 2 м, причем уровень грунтовых вод находился значительно глубже подстилающего глинистого слоя. При повторных наливах подъем уровней происходил гораздо быстрее, чем при начальном наливе, т. е. динамику уровней суще­ственно отличалась. Попытки определения параметров (k, k0, p.)

По данным подъема уровней е использованием решений, приведен­ных в прил. 1, дали неудовлетворительные результаты: характер изменения уровней не соответствовал теоретическому (в частности, не наблюдалось выхода на квазистационарный режим); получен­ные значения параметров имели неустойчивый характер, а иногда получались нереальными (например, величина р, при начальных наливах оказывается аномально высокой — на порядок превышаю­щей пористость породы).

Таким образом, возможности использования данных нестацио­нарного режима для интерпретации данных опытного налива на слой весьма ограничены, причем применение этих данных для определения проницаемости слабопроницаемого слоя представ­ляется практически нереальным. Исходя из приведенных сообра­жений, приходим к рекомендации использовать данные налива лишь для определения проницаемости песчаного слоя, а определе­ние проницаемости подстилающего (глинистого) слоя следует про­водить по данным режима восстановления уровня после прекраще­ния налива.

Интерпретация данных налива. Для определения коэффициента фильтрации песчаного слоя целесообразно исполь­зовать данные квазистационарного режима, формирующегося при сравнительно длительном наливе в скважину, когда в зоне, при­мыкающей к скважине, форма воронки депрессии описывается уравнением Дюпюи. При наличии двух пьезометров, располагаемых в зоне квазистационарного режима, величина «&» рассчитывается по формуле

6=0,73-^ Ig-^f, Д h\x=h\-h\. (4.8)

Д Л21 ' 1

Как следует из теоретического анализа, формулу (4.8) практиче­ски можно применять при r<0,3rt, причем величину радиуса рас­текания rt можно оценивать по формуле

(4.9)

Практическую диагностику применимости формулы (4.8) можно провести при наличии нескольких наблюдательных скважин на од­ном луче, строя по этим данным график зависимости /г2 от lg г, ко­торый должен быть линейным. Такие же расчеты могут произво­диться и при наливах в круглый котлован радиусом гк. При этом, если наблюдательная скважина располагается под котлованом, на расстоянии г от его центра, то ее расчетное расстояние до центра го определяется по формуле
симметричным относительно центральной скважины. При этом в качестве расчетного принимается среднее из значений «&», опре­деленных по каждому из лучей.

При наливе в квадратный котлован уже на расстоянии не­скольких метров поток также можно считать радиальным в плане. В этом случае, располагая пьезометры в зоне радиального потока, можно вести обработку данных по тем же зависимостям, как и для налива в скважину, а для пьезометров, располагаемых под кот­лованом размером ІХІ при г<0,Ы, расчетные расстояния опреде­ляются по формуле (4.10) при гк = 0,56/.

При одиночном наливе или наличии только одной наблюда­тельной скважины единственной возможностью является определе­ние «k» по данным изменения уровня в период квазистационарного режима, предварительно диагносцируемого по прямолинейной за­висимости графика h2 от 1 gt. Выбрав на таком графике две точки с глубинами hi и h2 в моменты времени t\ и h, расчет ведут по формуле

^0,37-^-g-lg-g-. (4.11)

К ~ hi tl

Для уменьшения влияния динамичности емкостных свойств пород такой налив должен повторяться (после полного спада уровней от предыдущего опыта) до тех пор, пока расчеты не дадут практиче­ски повторяющиеся результаты. Следует иметь в виду, что такие расчеты являются менее достоверными, чем расчеты по формуле (4.8), и их применение может быть оправдано только при проведе­нии на большой глубине при высокой стоимости бурения наблюда­тельных скважин.

Интерпретация данных снижения уровня по­сле налива. Проницаемость подстилающего глинистого слоя рекомендуется определять по режиму снижения уровней воды по­сле прекращения налива. Для этого используются данные замеров по лучам пьезометров в период, когда уровни в этих пьезометрах становятся близкими, причем расположение пьезометрических створов обусловливается структурой потока.

При наливах в скважину или в круглый (квадратный) котлован пьезометрический створ должен иметь радиальное направление и состоять кроме центральной скважины еще из одного-двух пьезо­метров, располагаемых в центральной зоне.

При наличии двух пьезометров, располагаемых на расстоянии Г] и г2 от центральной скважины, рассмотрим баланс потока внутри наблюдательного створа, считая, что скорости снижения уровней Vh и перетекания через слабопроницаемый слой vq посто­янны по площади.

Тогда в рассматриваемой области будет одинаковой интенсив­ность w площадного поступления воды в воронку депрессии

W=ц»А —Мо, (4.12)

Где /о — средний градиент напора вертикального перетекания.

Определение величин Vh и /о следует производить по средней глу­бине воды h в пределах расчетной области потока, т. е.

Ah. АН. ІО

Vh^~AГ' (4ЛЗ)

Где ДЯ —средний перепад напора в подстилающем слое, причем в случае свободной фильтрации из подстилающего слоя ДЯ = — /г4-/По, а в случае подпертой фильтрации ДЯ = /г + ДЯ0 (см. рис. 54).

При наличии одной центральной и двух наблюдательных скважин вели­чину h можно задавать как средневзвешенное значение глубин hc, hi и h2 по относящимся к ним площадям потока, считая, что к центральной скважине от­носится площадь F0=0,25xrj, к первому пьезометру площадь. Рі=0,25я[(г2-Ь

+Гі)2—rfj, а ко второму пьезометру площадь F2=0,25 яї(3гг+гі)2—{г2+г\)*\

Тогда

. hcFp + h\F\ + hiFi. ... h=—(4Л4)

В частности, при r2=2ri получим

Л=0,16 (0,25Лс + 2Аі + 4Л2). (4.14а)

В этом случае (т. е. при г2=2г{) центр тяжести радиального блока радиусом г2

Совпадает с положением первого пьезометра и поэтому здесь можно также счи­тать

H=h\. (4.146)

Этот же вариант задания h целесообразно, по-вИдимому, принимать при наличии помимо центральной скважины только одного пьезометра.

В радиальном безнапорном потоке при интенсивности площад­ного питания W распределение глубин потока будет описываться уравнением

Л*-Л2-—2-, (4.15)

Где hc — глубина потока в центральной скважине (приг = 0). Записывая это уравнение дЛя пьезометров 1 и 2, получим

(4Л6)

А подставляя сюда выражение (4.12) для W, представим это урав­нение в виде

Ah 2 k(h*-hl)

-Wo=-72-r.2— (4.17) '2 ' 1

Или

Фі (<)--£- Ч>2(0=~". (4.18)

Где

Tt\ /*\ " 4) (Л ІОді

^ М^ТГлГ' Ч»(0=-Г71---------------- 2Г - (4.18а)

0 М'з-'і)

Из уравнения (4.17) следует, что, если опытные данные пред­ставить на графике зависимости фі от <рг, то опытные точки дол­жны ложиться на прямую линию, отсекающую на оси (pi величину ko/р, а на оси <р2— величину k0fk.

Таким же образом можно получить решение, рассматривая ба­ланс потока между центральной скважиной и пьезометром 1, для чего уравнение (4.І4) записывается при г = г\ 2

О о Wrl

(4.19)

Тогда в уравнении (4.17) фі сохраняет то же выражение, а 2 {h\ — Л j)

<в=— , 2 ' (4-20)

Vi

Такой расчет целесообразно использовать как проверочный для подтверждения расчета по двум пьезометрам.

Описанная выше методика без каких-либо изменений может использоваться для интерпретации данных снижения уровней по­сле окончания налива в круглый или квадратный котлован. Спе­цифической при этом является только дополнительная инфильтра­ция под котлованом за счет стекания воды из зоны аэрации. Влия­ние этого фактора еще требует проверки.

Предлагаемая методика интерпретации данных снижения уровня после на­лива в скважине была опробована на одном модельном опыте. Результаты данного опыта получены И. С. Пашковским и Л. Р. Шредером путем числен­ного решения иа ЭВМ дифференциального уравнения радиального безнапорного потока с перетеканием, в котором задавалось осредненное значение градиента напора вертикального перетекания Io=l+h0f3tn0, где ho — глубина потока при г=0. Расчет проводился при следующих исходных данных: k~l м/сут, k0— =0,05 м/сут, ц=0,2, mQ—0,5 м, радиус центральной скважины гс = 0,1 м, рас­ход налива Q=14,4 м3/сут. Графики изменения глубин потока во времени пред­ставлены на рис. 56.

Для экспериментальной интерпретации, приведенной С. Б. Горожанкиной, были выбраны две пары расчетных точек, соответствующих расположению ус­ловных скважин: 1) центральная скважина и наблюдательная на расстоянии Г\=2 м и 2) две наблюдательные скважины при п=2 м; г2=4 м. Расчеты про­водились при Д^=0,2 сут, причем находились значения фі(0 и фг(0 для сере­дины каждого временного интервала. При этом средняя мощность потока для случая двух наблюдательных скважин рассчитывалась по формулам (4.14а) и (4.146). На рис. 61, б представлены графики зависимости <рі(<) от фг(<)- Для каждого из способов интерпретации можно найти прямую, приближенно прохо­дящую через точки соответствующего графика, причем в случае двух наблюда­тельных скважин такую прямую можно провести лишь при условии отбрасы­вания начальных точек (при <>0,5 сут).

По величине отрезков, отсекаемых прямыми на осях графика зависимости фі от ф2, были определены параметры, представленные в табл. 38.

А — данные, полученные расчетами на ЭЦВМ (по материалам И. С. Паш - ковского и Л. Р. Шредера); б — интерпретация данных модельного налива; 1, 2, 3 — расчетные прямые, проведенные соответственно по точкам: / — г,=2 м. г2=4 м и расчете h по формуле (4.14б); 2 — г0=0,1 м, п-2 м; 3~ то же, при расчете h по формуле (4.14а)

ТАБЛИЦА 38 Определение параметров контрольного налива

Способ расчета

По двум пьезометрам с определением А по формулам

(4, 14 б)

<4. 14 а) 0,22 0,046

Сопоставление найденных значений параметров с фактическими (к0/ц=* =0,25 м/сут, k0/k=0,0b) позволяет признать возможность применения рекомен­дуемой методики интерпретации, по крайней мере, при достаточно длительном периоде снижения уровней. Кроме того, на основе такого сопоставления можно сделать вывод, что из двух предлагаемых способов определения h предпочти­тельным следует считать расчет по формуле (4.14а).

Заметного различия результатов интерпретации при одном и двух пьезо­метрах не наблюдается, причем результаты расчета при одном пьезометре ока­зались даже лучше, чем при двух, к тому же точки на графике фь <р2 в слу­чае одного пьезометра аппроксимируются прямой линией в большем интервале времени. Однако не следует спешить с выводами, полученные результаты тре­буют дополнительной проверки и сопоставительных расчетов по большему объему материалов.

В качестве примера определения параметров по данным снижения уровней после налива в скважину приведем результаты интерпретации полевого опыта, проведенного прн изысканиях в ложе Талимарджанекого водохранилища *. На­лив производился в слой мелкозернистых песков, подстилаемый слоем глин мощностью 2 м. Опытный куст, кроме центрального, был оборудован двумя наблюдательными скважинами, расположенными на расстояниях 2 и 4 м. Гра­фики, снижения уровней после налива приведены на рис. 57. Расчеты величин Фі(0 н ф2(0 производились по выражениям (4.18а) и (4.20) при А/= 1 ч. На графике фь ф2, представленном на рис. 57, б, показаны прямые, проведенные через точки, полученные для центральной скважины и одного пьезометра (при = 4 м), а также для двух наблюдательных скважин (при тх = 2 м и г2=4 м), причем в последнем случае h определялась по выражению (4.14а). В первом случае опытные точки на графике фь ф2 ложатся на прямую при />0,5 час, а во втором случае при />1,5 час. По отрезкам, отсекаемым прямой на коор­динатных осях фі и ф2, определяются значения k0fp=l,0 м/сут, &о/£=0,020. Используя далее рассчитанное В. Я. Буряковым по периоду стабилизации уровней во время налива значение £=3,6—4,2 м/сут, получаем значения пара­метров &о=0,07—0,08 м/сут, 0,07—0,08.

Рассмотрим теперь рекомендации по постановке опытных наливов, следующие из изложенных выше сообра­жений и методики расчета. При этом следует исходить из общего положения, что пока подробную рецептуру проведения таких опы­тов дать не представляется возможным и каждый раз необходимо проводить ее обоснование, опираясь на результаты разведочных

* Расчеты проводились С. Б. Горожанкиной по материалам В. Я. Бурякова.

161

Расчетов в конкретных условиях. При проведении серии таких на­ливов обязательно следует выделять ключевые опыты, которые проводятся более обстоятельно с тем, чтобы на них можно было выверить методику расчетов и рациональную схему опыта в целом. Такие наливы целесообразно проводить в скважину (а не в кот­лован), поскольку при наливе в скважину обеспечивается наибо­лее четкая расчетная схема опыта. Расход налива оценивается по приближенной формуле (4.5), где величина hc задается в зависи­мости от мощности опробуемого пласта. Поскольку в процессе опыта может происходить ухудшение приемистости скважины и снижение расхода налива, следует предусмотреть возможность устройства одной-двух дополнительных центральных скважин, рас­полагаемых в непосредственной близости (на расстоянии до 2-х метров) друг от друга. Следует стремиться к заданию возможно большего диаметра центральной скважины, что обеспечивает уве­личение приемистости скважины. Вместе с тем четкие рекоменда­ции по диаметру центральной скважины и способу ее устройства еще требуют обоснования.

Пьезометры опытного куста рекомендуется располагать по лу­чам на расстоянии гх — 3—4 м и г2 = 5—7 м от центральной, за­давая дополнительный пьезометр на расстоянии г з = 10—15 м. На ключевых опытных наливах целесообразно располагать 2—3 та­ких луча в различных направлениях,

Пока нет достаточных материалов для обоснованного задания длительности опытного налива, определяющего радиус воронки растекания, за исключением соображений, полученных из анализа условия (4.7).