ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

НАЛИВЫ В ШУРФЫ

Наливы в шурфы являются сейчас наиболее распространенным способом оценки проницаемости пород зоны аэрации. Впервые схема такого опыта —с оборудованием шурфа двумя концентриче­скими кольцами — была предложена Н. С. Нестеровым [5, 10]. При использований такой схемы предполагается, что поток, ин - фильтрующийся между внешним и внутренним кольцом, играет роль буфера, а проницаемость определяется величиной стабилизи­рованной скорости инфильтрации из внутреннего кольца.

Существует ряд предложений по методике обработки данных наливов в шурфы, которые исходят из различных допущений по структуре и режиму инфильтрующегося потока [10J.

При стационарном режиме наиболее обстоятельно решение за­дачи фильтрации из кольца рассмотрено Н. К. Гиринским, который предполагал поток по проницаемости однородным и изотропным, а влияние капиллярных сил учитывал заданием отрицательного давления pK — yhK на свободной поверхности. В аппроксимирован­ном виде [5, 24] это решение связывает скорость инфильтрации из шурфа v с коэффициентом фильтрации соотношением

„ = £4« ^М^ + М+Ш, (4.1)

Причем отсюда следует, что коэффициент бокового растекания Єб весьма существенно зависит от величины hK. Имеются также пред­ложения [24] по экспериментальному обоснованию поправок Єб в таком соотношении.

Нестационарный режим просачивания наиболее просто описы­вается уравнением вертикального просачивания вида [10, 27]

(4.2)

Где I — глубина зоны промачивания, в которой влажность прини­мается постоянной.

Для обоснования методики проведения и обработки наливов следует рассмотреть экспериментальные данные по формированию фильтрационного потока под шурфом. В. В. Бадовым приведены данные [24J, иллюстрирующие динамику увлажнения при опытном наливе в эолово-делювиальные суглинки, которые показывают, что непосредственно под шурфом формируется зона с практически полным насыщением, ниже основной части зоны просачивания
влажность оказывается довольно стабильной, а затем она резко па­дает на границе зоны просачивания.

Приведем также данные об условиях фильтрации из шурфов для характерных условий опытного участка Джизакского массива орошений, расположенного в периферийной части конусов выноса, где проводилось изучение проницаемости зоны аэрации для обо­снования промывок засоленных земель [40]. Породы зоны аэрации здесь представлены в основном средними суглинками с прослоями легких суглинков и супесей (мощность слоев 0,2—0,4 м), сильно засолены (засоленность 0,5—2%), причем соли прослеживаются в виде обильных присыпок, гнезд, прожилок. В интервале глубин 0,4—0,8 м породы зоны аэрации сильно загипсованы. Гипсы встре­чаются в виде кристаллов, прожилок, конкреций размером от 0,3 до 2—3 см; весовое содержание гипса достигает в этом случае 35—40%. Характерным для пород зоны аэрации является широ­кое развитие трещин, каналов, ходов землероев, многочисленных пор, очень неравномерно распределенных по глубине. В загипсо­ванном слое количество макропор и ходов существенно умень­шается.

Для наглядного изучения процессов влаго - и солепереноса здесь проводились опытные наливы в шурфы (диаметром 0,4 м) с цветными индикаторами, в качестве которых использовались рас­творы брильянтовой зелени и синьки, имеющие гидродинамические свойства, примерно такие же, как у воды. При проведении опыта в кольцо заливался определенный объем индикатора и после пол­ного его просачивания послойным вскрытием шурфа изучалась и зарисовывалась картина распространения цветного индикатора. Характерные зарисовки распространения цветного индикатора по порам и ходам для разных слоев приведены на рис. 52. Данные таких наблюдений показывают, что при отсутствии в слое крупных пор просачивание влаги происходит сплошным фронтом на неболь­шую глубину, при наличии в породе крупных каналов фронт сплошного просачивания влаги во много раз меньше общей глу­бины проникновения растворов по отдельным ходам и Порам. Про­веденные опыты позволили также установить, что распространение крупных пор и ходов имеет преимущественно вертикальное напра­вление, что обусловливает резкое изменение влажности по глубине просачивания при наливах и незначительное боковое растекание.

Таким образом, исходя из опытных данных можно утверждать, что при инфильтрации из шурфа поток имеет чрезвычайно слож­ный характер, в значительной степени определяемый неоднородно­стью строения зоны аэрации, в связи с чем не представляется воз­можным составить расчетную схему фильтрации из шурфа, которая в полной мере отобразила бы все его особенности. Поэтому для практических расчетов целесообразно использовать наиболее про­стую расчетную схему вертикального просачивания, описываемого уравнением (4.2), тем более, что такой характер просачивания ха­рактерен для типичных условий фильтрационного строения зоны аэрации.

Налив і

Г/ - Д?,

/ «' -; 3.

А-з - на глубине 3,5 (а); 6(6); 9 (в); 12 (г); 1 (д); И (в); 16 (ас); 21 см Ш

Способы обработки данных наливов в шурфы на основе реше­ний, получаемых интегрированием уравнения (4.2), предложены Н. Н. Биндеманом [25] и Н. Н. Веригиным [10], В. В. Бадовым и В. М. Шестаковым показано [24], что удобный способ примене­ния этого уравнения получается при непосредственном его исполь­зовании путем замены в нем глубины просачивания через объем залитой воды w — pel, где со — площадь фильтрующей поверхно­сти шурфа. Тогда это уравнение приводится к виду

(М + hK) up) + w w

Из выражения (4.3) следует, что если опытные данные налива с постоянным напором ho нанести на график зависимости v от 1/w, то точки должны лечь на прямую линию, отсекающую на оси v расчетную величину коэффициента фильтрации k. Кроме того, можно, как это рекомендуется в [15], использовать для такой обработки данных график зависимости vw от w, на котором опыт­ные точки также должны ложиться на прямую линию с уклоном, численно равным расчетному значению k. Интересно, что справед­ливость прямолинейной зависимости v от І/w (или vw от w) под­тверждается также обработкой теоретического решения Дж. Фили­пом уравнений влагопереноса при одномерной инфильтрации [24], что расширяет представления о возможности практического при­менения уравнения (4.3).

Применение таких графоаналитических способов для обработки многочисленных опытов показало [24] достоверность и удобство, а также возможность сокращения времени проведения наливов. Существенным достоинством таких способов является возможность диагностики качества опыта по тому, насколько опытные токи укладываются на прямую линию. Отклонение опытных точек на расчетных графиках от прямой линии свидетельствует о влиянии неоднородности строения пород под шурфом, причем по характеру этих графиков можно судить о характере изменения проницаемо­сти с глубиной [5, 24].

Сопоставление различных форм расчетных графиков свидетель­ствует о том, что график vw — w несколько удобнее в интерпрета­ции, однако на графике v — 1/w четче выделяются наиболее инте­ресные и конечные участки, что делает его применение более пред­почтительным.

Для экспресс-определений В. В. Бадов рекомендует [5, 24] ис­пользовать мгновенные наливы в шурфы со свободным пониже­нием уровня воды, когда процесс инфильтрации аналогично (4.3) выражается линейной зависимостью вида

(fto + Лк) + (1 — И) kS, (4.4)

Где v и S — соответственно скорость снижения уровня воды и ве­личина этого понижения от начала опыта.

Из выражения (4.4) следует, что на графике зависимости vS от S опытные точки должны укладываться на прямую линию
с уклоном к оси S, численно равным (1 —Поскольку реальные значения недостатка насыщения для покровных отложений лежат в пределах р, = 0,05—0,2, то задание здесь среднего значения р = = 0,1 вносит погрешность в величину k не более 10 %, что вполне приемлемо.

Имеющиеся данные не позволяют сделать достаточно ясные вы­воды о преимуществах двухкольцевого налива перед однокольце - вым, причем экспериментальный материал [5, 24, 41] свидетель­ствует о незначительной разнице определений проницаемости по однокольцевому и двухкольцевому инфильтрометрам.

До сих пор нет достаточной ясности в рекомендациях по на­значению диаметра колец. Значительный материал по этому во­просу представлен В. В. Бадовым [25], который для опытных на­ливов в супесчано-суглинистых отложениях Северного Кавказа отметил некоторую тенденцию к уменьшению расчетной величины проницаемости при увеличении диаметра. Для оценки влияния диаметра колец проводились два контрольных налива в большие кольца на опытном участке Джизакского массива орошения [40], где проницаемость, рассчитанная по наливам в кольцах большого диаметра, получилась заметно меньшей, чем по наливам в стан­дартных кольцах. Можно предположить, что это различие либо связано с эффектом защемленного воздуха, либо с повышением роли слабопроницаемых слоев при увеличении диаметра кольца.

Следует также отметить, что существуют данные, свидетельст­вующие о возможности заметного нарушения принятой расчетной модели просачивания из шурфа. В частности, в некоторых опытах получен немонотонный характер изменения инфильтрующего рас­хода по времени (рис. 53) с выделением трех периодов: I — интен­сивного уменьшения расхода (длительностью 6—12 часов), II — возрастания расхода (длительностью 2—8 сут) и III — последую­щего уменьшения расхода. Такая картина может объясняться изменением проницаемости за счет освобождения первоначально за­

Щемленного воздуха, что под­тверждается наблюдаемыми вы­ходами воздуха при наливах в большие кольца. Кроме того, аномалия в режиме просачива­ния могут обусловливаться фи­зико-химическим переформиро­ванием порового пространства фильтрующих пород.

І Таким образом, существую-

Щие данные изучения наливов в кольцевые инфильтрометры не

Чить весьма ориентировочные значения коэффициентов фильт­рации, которые дают некоторую условно сопоставительную оценку опробуемых слоев по степени и характеру проницаемости, однако они не могут непосредственно использоваться для фильтрацион­ных прогнозов и, в частности, для определения инфильтрационных потерь при промывках и поливах.