ГЛАВА IV. ПОЛЕВЫЕ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАБОТЫ

Основным видом исследований при изучении месторождения подземных вод и решении разнообразных гидрогеологических задач является расчет гидрогеологических параметров водоносных толщ и горных пород зоны аэрации, Без установления этих параметров обычно невозможны количественные оценки и различного рода инженерные расчеты и прогнозы, связанные с выявлением подземных вод, их количественным и качественным изучением, народнохозяйственным освоением или регулированием.

В настоящее время для определения расчетных гидрогеологических параметров, характеризующих главным образом фильтрационные свойства и водообильность горных пород, применяются различные методы, целесообразность и эффективность использования которых зависит от стадии и технических условий проведения исследований, характера и специфики решаемых задач, природных условий изучаемого гидрогеологического объекта и других факторов. К числу таких методов относят: 1) откачки, 2) наливы и нагнетания в скважины, 3) наливы в шурфы, 4) экспресс-методы, 5) определение параметров по данным наблюдений за режимом подземных вод, 6) лабораторные исследования, 7) геофизические методы, 8) моделирование.

Перечисленные методы характеризуются различной степенью надежности определения фильтрационных свойств и спецификой их проведения. Первые четыре метода могут быть отнесены к группе полевых опытно-фильтрационных и являются преобладающими в практике гидрогеологических исследований как обеспечивающие эффективное и более достоверное определение расчетных гидрогеологических пара метров.

Определение параметров по данным стационарных наблюдений представляется одним из наиболее точных методов, особенно в районах действующих водозаборных или дренажных сооружений, а также на прибрежных участках водотоков и водоемов, где возмущения от действия, указанных объектов проявляются наиболее ощутимо и данные о поведении уровней подземных вод являются надежной основой для количественной оценки различных гидрогеологических параметров. Применение этого метода требует наличия точек режимной сети (скважин, створов, постов) и организации соответствующих наблюдений за режимом подземных вод (см. гл. V).

Лабораторные методы определения фильтрационных свойств применяются для массовых ориентировочных предварительных оценок на первоначальных этапах изучения горных пород (главным образом глинистых и песчаных) и основаны на проведении опытной фильтрации воды через специально отбираемые образцы горных пород с помощью различных приборов, (см. гл. VI). Сюда же следует отнести и методы определения фильтрационных свойств по различного рода эмпирическим зависимостям, учитывающим корреляционные связи этих свойств с различными показателями горных пород (гранулометрическим составом, пористостью и др.), определяемыми в лабораторных условиях.

Геофизические методы дают результаты, пригодные для предварительных ориентировочных оценок фильтрационных свойств и гидрогеологического расчленения изучаемого разреза. Среди этих методов следует выделить: 1) электролитический метод (резистивиметрия), используемый в трещиноватых породах, а также в рыхлых отложениях, не содержащих значительных количеств глинистых и пылеватых частиц; 2) расходометрию, применяющуюся в незакольматированных глинистым раствором стволах скважин; 3) термометрию, проводимую в основном для изучения слабопроницаемых разделяющих водоносные горизонты пород; 4) акустические методы каротажа, применяющиеся, в трещиноватых породах; 5) радиоактивный каротаж, использующийся для выделения водоносных горизонтов и определения пористости горных пород.

Моделирование дает возможность определять и уточнять гидрогеологические параметры на основе решения комплекса обратных задач, используя результаты режимных наблюдений или наблюдений за изменением уровней и расходов в процессе проведения опытно-фильтрационных работ. Оно обеспечивает достаточно высокую надежность определения параметров и целесообразно в сложных гидрогеологических условиях при отсутствии возможности достоверного определения фильтрационных свойств другими методами.

Для обеспечения требуемой надежности определения гидрогеологических параметров и повышения экономической эффективности гидрогеологических исследований целесообразно комплексировать различные методы определения фильтрационных свойств с учетом конкретных гидрогеологических условий изучаемого объекта, характера и требований решаемых задач, технических возможностей и экономической эффективности отдельных используемых методов, последовательности их проведения и других факторов.

§ 1. Основные виды полевых опытно-фильтрационных работ, их задачи и условия применения

К полевым опытно-фильтрационным работам относятся полевые гидродинамические опыты по определению фильтрационных свойств горных пород. Это различного вида откачки, наливы я нагнетания в скважины, наливы в шурфы, экспресс-наливы и экспресс-откачки, опережающее опробование водоносных горизонтов, опробование с помощью испытателей пластов и некоторые другие методы. В учебнике к специальным видам опытно-фильтрационных работ отнесены и традиционно считавшиеся геофизическими методами разистивиметрия и расходометрия, являющиеся в своей основе гидродинамическими (замеры и анализ профиля расхода потока в скважине), но используемые с широким применением геофизической аппаратуры.

Все указанные методы обеспечивают определение с той или иной степенью достоверности различных гидрогеологических параметров изучаемых горных пород на основе использования получаемой в процессе опытной фильтрации информации о значениях напоров, расходов, скоростей движения воды и других показателей. Достоверность определения параметров определяется степенью соответствия выбранной для обработки опытных данных фильтрационной схемы реальным условиям фильтрации в процессе опыта.

Откачка подземной воды из буровых скважин, шурфов, канав и другого вида горных выработок проводится для разрешения различных задач, связанных с водоснабжением, орошением, осушением и др. Откачками чаще опробуются основные водоносные горизонты. По данным откачек определяют общий и удельный дебиты, величину понижения уровня, рассчитывают коэффициенты фильтрации, выявляют размеры, форму и темпы роста депрессионной воронки (при кустовой откачке), связь между отдельными водоносными горизонтами, а также гидравлическую связь подземных вод с поверхностными водотоками и водоемами; изучают взаимодействие скважин, возможности искусственного водопонижения для целей строительства инженерных сооружений и осушения месторождений.

В результате проведения и обработки опытно-фильтрационных работ в зависимости от поставленной задачи определяются следующие основные гидрогеологические параметры: кривая дебита Q= f(S_c), коэффициент фильтрации К (или значение водопровода мости Т = Кmили T= Kh_cp), радиус влияния R, коэффициент пьезопроводности а (или уровнепроводности для грунтовых вод), водоотдача пород в безнапорных потоках μ, и показатель упругой водоотдачи μ*, показатель несовершенства скважин ξ₀, параметр перетекания В, показатель, характеризующий закольматированность и несовершенство вреза русловых отложений, скорость движения подземных вод.

Для обработки результатов опытно-фильтрационных работ в настоящее время широко используются формулы неустановившейся и установившейся фильтрации с акцентом на применение решений неустановившегося движения подземных вод. В связи с этим необходимо отметить, что до недавнего времени методика проведения и обработки результатов опытно-фильтрационных работ основывалась почти полностью на теории установившейся фильтрации, что неизбежно сказывалось и на эффективности гидрогеологических исследований (необходимость выполнения длительных опытно-фильтрационных работ до наступления стационарной фильтрации). В настоящее время широкое развитие получили методы проведения и обработки опытно-фильтрационных работ в условиях неустановившегося движения подземных вод. Наряду с повышением эффективности гидрогеологических исследований они позволяют получить более полные данные о параметрах потоков подземных вод (в частности, параметры неустановившейся фильтрации: пьезопроводность, уровнепроводность, упругую водоотдачу). Вместе с тем в отдельных методических руководствах в силу традиционной приверженности методам теории установившейся фильтрации отдается необоснованное предпочтение по сравнению с методами определения параметров, основанными на формулах неустановившегося движения (9, 10).

Основной и наиболее распространенный вид опытно-фильтрационных работ — откачки, которым отдается предпочтение почти всегда при опробованиях водоносных пород, особенно при проведении изысканий для целей водоснабжения, осушения и дренажа.

На участках с глубоким залеганием подземных вод, а также в условиях, неблагоприятных для проведения откачек (слабая водообильность и водоотдача пород), при необходимости определения гидрогеологических параметров ненасыщенных водой пород применяются наливы и нагнетания в скважины, опытные наливы в шурфы. Опытные нагнетания целесообразны при оценке фильтрационных свойств и удельного водопоглощения трещиноватых скальных и полускальных водоносных пород, а опытные наливы в скважины главным образом в неводонасыщенных рыхлых и трещиноватых породах зоны выветривания. Опытные наливы в шурфы используются для изучения водопроницаемости необводненных связных и рыхлых горных пород в естественном залегании.

Экспресс-методы применяются для ориентировочной сравнительной оценки фильтрационных свойств водоносных пород на первоначальных стадиях гидрогеологических исследований, для выявления объектов и обоснования объемов дальнейших гидрогеологических исследований, характеристики водопроницаемости пород в разрезе и решения некоторых других задач. В настоящее время экспресс-опробование водоносных горизонтов осуществляется с помощью опережающего опробования в процессе бурения скважин, применения специальных испытателей и опробователей пластов, экспресс-откачек и экспресс-наливов, расходометрии, термометрии и других методов (1, 7, 11, 15).

§ 2. Методы определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек

Откачки подземных вод из скважин — один, из основных, наиболее надежных, но вместе с тем и дорогостоящих видов фильтрационного опробования водоносных горизонтов (затраты на откачки нередко достигают 35-60% от общих затрат на разведку подземных вод). Поэтому правильное обоснование их видов, объемов и методики проведения во многом определяет эффективность и успех решения поставленных задач.

Виды откачек и их назначение. В зависимости от назначения все откачки, которые проводятся при поисках и разведке различных типов месторождений подземных вод, подразделяются на три вида: пробные, опытные и опытно-эксплуатационные. Они отличаются главным образом продолжительностью опытных работ и конструкцией опытного куста. В связи с этим для проведения полевых опытных работ необходимо четко установить задачи, для решения которых проектируются опытно-фильтрационные исследования.

Наиболее массовым видом откачек при поисках и разведке подземных вод являются пробные, которые проводятся практически на всех скважинах, пробуренных в процессе гидрогеологических исследований (поисковых, разведочных, наблюдательных). Они выполняются для предварительной оценки фильтрационных свойств водовмещающих пород, качества подземных вод, получения сравнительной характеристики на различных участках и зонах. Пробные откачки (выпуски) проводятся кратковременно (6-24 ч), как правило, на одну ступень понижения уровня.

Основной вид фильтрационных работ на стадиях предварительной и детальной разведки — опытные откачки. Они проводятся для решения следующих вопросов: 1) определения основных гидрогеологических параметров водоносных горизонтов (дебита, величины понижения уровня, коэффициентов фильтрации, водопроводимости, пьезо- и уровнепроводности, водоотдачи, перетекания, приведенного радиуса влияния, суммарного сопротивления русловых отложений и др.); 2) изучения граничных условий водоносных горизонтов в плане и разрезе (взаимосвязи подземных и поверхностных вод, взаимодействия смежных горизонтов и т. д.); 3) установления зависимости между дебитом скважины и понижением уровня; 4) определения величин срезок уровня в пределах участка расположения водозабора при совместной работе нескольких взаимодействующих эксплуатационных «скважин. Круг вопросов определяется конкретными местными условиями и поставленными задачами.

Опытные откачки подразделяются на кустовые и одиночные. Одиночные опытные откачки проводятся для установления зависимости дебита от понижения уровня. В связи с этим (в отличие от пробных) одиночные опытные откачки проводятся с двумя-тремя ступенями понижения уровня. Кустовые откачки — основной вид опытных работ, если задачей откачек является определение гидрогеологических параметров, изучение граничных условий, опытное определение величин срезок уровня.

Кустовые опытные откачки позволяют более надежно и полно изучить параметры, потока в зоне влияния откачки, исключить влияние фильтра и призабойной зоны центральной скважины на точность определения параметров и, наконец, определить непосредственно показатель обобщенного сопротивления скважины (ξ₀), что имеет большое значение для прогноза условий работы проектируемых водозаборных и дренажных сооружений.

Разновидностью кустовых откачек являются опытные групповые откачки, которые проводятся для изучения условий взаимосвязи водоносных горизонтов и определения основных гидрогеологических параметров и а тех участках, где отбор воды из одиночной скважины не может обеспечить необходимой точности расчетов в связи с незначительными абсолютными величинами понижений уровня.

Опытно-эксплуатационные откачки из одной или нескольких скважин проводятся только на стадии детальной разведки в сложных гидрогеологических и гидрогеохимических условиях, которые не могут быть отображены в виде расчетной схемы. Цель опытно-эксплуатационных откачек — установление закономерностей изменения уровней подземных вод или их качества при заданном водоотборе. Проводятся они довольно длительное время (1-3 месяца и более) при дебитах скважин, близких к проектному водоотбору, и их данные принимаются за основу при прогнозах условий работы водозаборных и дренажных сооружений.

Методы обработки результатов откачек. При проведении опытных откачек с целью определения параметров особое внимание необходимо уделять вопросам установления источников формирования эксплуатационных запасов подземных вод, оценке влияния особенностей строения водовмещающих пород и границ области фильтрации и различного рода других специфических факторов на закономерности и особенности поведения уровней и дебитов скважин. Это обеспечивает обоснованный выбор фильтрационной схемы, достоверное определение расчетных гидрогеологических параметров и надежность выполняемых впоследствии инженерных оценок и прогнозов.

Режим движения подземных вод при опытных откачках определяется гидрогеологическими условиями (строением водовмещающей толщи и граничными условиями ее в плане и в разрезе), естественным режимом подземных вод и техническими условиями проведения опыта. В первоначальный период откачки движение подземных вод имеет резко выраженный неустановившийся характер. Однако уже через сравнительно небольшой период времени вокруг опытной скважины начинает развиваться зона с квазиустановившимся характером режима (кривые депрессии в этой зоне перемещаются параллельно самим себе). По мере дальнейшего развития депрессионной воронки на ее формирование могут оказать влияние перетекание из смежных в разрезе горизонтов, дополнительные источники питания, границы пласта в плане и другие факторы. В зависимости от характера действия указанных факторов режим движения подземных вод может стабилизироваться (при открытых границах и дополнительном питании) или оставаться неустановившимся (при закрытых границах и отсутствии дополнительных источников питания). Соответственно этому и определение параметров по данным откачки следует проводить с учетом особенностей того или иного режима фильтрации и характера, действующих в процессе откачни факторов.

В условиях стабилизации режима движения подземных вод в процессе опыта определение расчетных гидрогеологических параметров можно проводить как по формулам неустановившейся и квазиустановившейся фильтрации, используя первый период откачки, так и по формулам установившейся фильтрации на основе наблюдений в период стабилизации движения подземных вод. Для более обоснованного определения параметров целесообразно комплексное применение методов, базирующихся на уравнениях как установившейся, так и неустановившейся фильтрации.

Ниже рассмотрены различные методы и способы обработки результатов откачек при опробовании главным образом пресных и слабоминерализованных вод, когда не требуется учитывать влияние таких специфических факторов, как изменение температуры, проявление газовой составляющей, гидравлических потерь на преодоление сопротивлений по стволу скважины и некоторых других. Специфика оценки и учета влияния указанных факторов при проведении опытно-фильтрационных работ и обработка их результатов освещена в специальной литературе (4-6, 8, 11, 15, 21).

На практике, учитывая незначительную продолжительность откачек, для определения параметров используется схема откачки из грунтовых или артезианских совершенных (или несовершенных) скважин, расположенных в условно однородных изолированных в разрезе и неограниченных в плане пластах, когда зависимость между понижением уровня Sи временем tописывается уравнением Тейса:

или грунтовых вод

(IV.1)

где Q– постоянный во времени дебит скважины; Т – водопроводимость; W(u) – функция скважины, соответствующая интегральному экспоненциалу – Ei(-u); u– аргумент функции скважины, равной r²/4at(r– расстояние от возмущающей скважины до точки, в которой обеспечивается понижение уровня S); Н_е – естественная мощность потока грунтовых вод.

При влиянии на условия движения подземных вод при откачке процессов перетекания или боковых границ пласта для обработки результатов откачек используются схемы ограниченных водоносных горизонтов и слоистых толщ с перетеканием. На рисунке 23 представлены типовые графики S= f(lgt), характеризующие закономерности изменения уровня во времени в различных гидрогеологических условиях (типовые расчетные схемы) при действии различных факторов. Анализ этих графиков позволяет более целенаправленно и особенно подходить к проведению опытных работ, интерпретации их результатов и определению расчетных гидрогеологических параметров (4, 8, 15, 18, 21).

При откачке из напорного водоносного горизонта, изолированного в разрезе и неограниченного в плане (рис. 23, А), на графике S=f(lgf) выделяется два участка: криволинейный I, отвечающий периоду неустановившейся фильтрации и соответственно экспоненциальной зависимости (IV.1) понижения Sот времени t, и прямолинейный II, характеризующийся логарифмической зависимостью понижения уровня от времени и отвечающей периоду квазиустановившейся фильтрации.

В условиях квазиустановившейся фильтрации формула Тейса видоизменяется, так как при значении аргумента u= r²/4at<0,09÷0,15 функция скважины W(u) с точностью 5-10% может быть представлена в виде ее логарифмического приближения W(u)≈ln(225/²) и выражение (IV.1) приобретает вид

(IV.2)

Рис. 23. Закономерности изменения уровня при откачках в типовых гидрогеологических условиях: А — неограниченный напорный однородный пласт; Б — безнапорный пласт; В — пласты, сложенные трещиноватыми и трещинно-карстовыми породами; Г — двухслойная толща с изменяющимся напором в верхнем слjе; Д — слоистая толща с постоянным напором в верхнем слое; Е — слоистая толща с разделяющим водоупором при переменном напоре в верхнем слое; Ж — водоносный пласт у реки; 3 — пласт с границей неоднородности по водоотдаче (напорно-безнапорный пласт):1 — по Тейсу; 2 — при перетекании; 3 — при перетекании в опробуемом горизонте; 4 — при перетекании в питающем горизонте; 5 — при несовершенной связи с рекой; 6 — при совершенной связи с рекой.

Уравнение (IV.2) аналогично формуле Дюпюи для стационарной фильтрации. Это позволяет использовать традиционные приемы теории установившейся фильтрации для определения параметров в условиях квазиустановившегося режима движения подземных вод.

При откачке из безнапорного неограниченного в плане горизонта (рис. 23,5) режим движения подземных вод может быть осложнен проявлением вертикальных составляющих скорости фильтрации у скважины, изменением водоотдачи во времени и другими факторами, в связи, с чем график зависимости (2Н_е—S)·S= f(lgt) будет иметь более сложный вид, чем при откачке из напорного во­доносного горизонта (4, 15, 18,21).

В общем случае (рис. 23, Б), на графике (2H_е—S)S= f(lgt) выделяются три участка I, IIи III, характеризующиеся специфическими режимами фильтрации. В первый период откачки (участок I) понижение формируется практически так же, как и в напорном изолированном пласте с упругой водоотдачей при логарифмическом характере изменения понижения уровня во времени. Во второй период (участок II) отмечается выполаживание графика, вызванное замедлением темпа снижения уровня в процессе формирования гравитационной водоотдачи (эффект Болтона). Отличительной особенностью этого периода является кажущаяся стабилизация уровня к его концу, в связи, с чем он получил название периода ложностациоциарного режима. Продолжительность его зависит от коэффициента фильтрации водоносного горизонта, его водоотдачи и мощности, и, как показывает опыт откачек из безнапорных горизонтов, составляет обычно несколько суток. Наличие периода ложностационарного режима предъявляет особые требования к методике проведения опытных откачек. Если, например, откачка будет закончена до начала третьего периода, то могут быть сделаны качественно неверные выводы о практической стабилизации движения и получены завышенные параметры.

Третий участок графика (2Н_е—S)·S= f(lgt) соответствует логарифмической аппроксимации уравнения Тейса при гравитационной водоотдаче. Таким образом, в безнапорных водоносных горизонтах, залегающих в рыхлых отложениях, в отличие от напорных пластов квазистационарный режим при гравитационной водоотдаче формируется с определенным запаздыванием, и это необходимо учитывать при проведении откачек и их обработке.

Следует отметить, что физическая сторона процессов, осложняющих закономерности изменения уровня подземных вод во времени, изучена недостаточно. Анализ фактических данных показывает, что первые два участка отмечаются далеко не на всех графиках. Однако неизученность процессов изменения водоотдачи, отсутствие строгих теоретических решений не позволяют заранее предсказать условия, в которых могут возникнуть эти осложнения, и обеспечить их учет.

Аналогичные отмеченным закономерности поведения уровня наблюдаются при откачках из водоносных горизонтов, сложенных трещиноватыми и трещино-карстовыми породами (рис. 23, В) и из двухслойной толщи с изменяющимся напором в верхнем слое (рис. 23, Г). Детальный анализ закономерностей Поведения уровня при откачках для этих и других типовых схем, изображенных на рис. 23, приведен в специальных методических руководствах (4, 11, 15); там же даны и рекомендации по проведению опытных работ и интерпретации их результатов в конкретных условиях.

Методы определения параметров по результатам откачек из однородных изолированных в разрезе неограниченных пластов. Приемы обработки результатов откачки рассмотрены на примере наиболее распространенной схемы — напорного изолированного в разрезе условно однородного пласта. Отметим, что они в равной мере справедливы и при откачках из безнапорных пластов. Если величина понижения уровня в грунтовых водах не превышает 15-20% первоначальной их мощности, то можно с достаточной для целей практики точностью вести обработку результатов откачек как для напорных вод. В противном случае следует использовать соответствующие зависимости для грунтового потока (3, 4, 12, 18).

В условиях кратковременных откачек и при использовании наблюдении первого периода длительных откачек определение расчетных гидрогеологических параметров проводится на основе методов подбора, эталонной кривой и характерных точек.

Метод подбора основан на сопоставлении величин понижения уровня в одной и той же точке потока (в скважине) на два момента времени либо в двух разных точках потока на один момент времени и подборе значений параметров, удовлетворяющих рассматриваемое соотношение понижений уровня.

Если, например, при откачке из напорного водоносного горизонта с постоянным дебитом (Q=сonst) в наблюдательной скважине, расположенной на расстоянии г от центральной, в моменты времени t₁и t₂зафиксированы понижения уровня S₁и S₂, то на основе уравнения (IV. 1) можно записать следующее соотношение:

. (IV.3)

В выражении (IV.3) известны все величины, кроме значения пьезопроводности , которое и подлежит определению методом подбора. Для этого обычно задаются несколькими значениями а и, получив соответствующие величины S₂/S₁, строят вспомогательный график S₂/S₁=f(a), по которому, исходя из соотношения наблюденных понижений S₂/S₁, находят расчетное значение пьезопроводности а.

При найденном значении пьезопроводности коэффициент водопроводности определяется из выражения для S₁или S₂:

или (IV.4)

uдеu₁=r²/4at₁, u₂=r²/4at₂.

Удобные для практического применения приемы подбора с использованием вспомогательных графиков и таблиц предложены В. М. Шестаковым (3, 5, 12) и Э. А. Грикевичем (17). Однако метод подбора нельзя признать надежным, так как определение параметров осуществляется по двум замерам. Для более обоснованного определения параметров этим методом следует проводить повторные определения по новым замерам, а выбор замеров для сопоставлений контролировать составлением графика S= f(t).

Метод эталонной кривой заключается в составлении графика зависимости lgS= f[lg(t/r²)] по данным опыта и последующем совмещении его с эталонной кривой — графиком зависимости lgWот lg(1/u). Совмещение графиков проводится до удовлетворительного их совпадения по большинству точек при условии сохранения параллельности координатных осей (рис. 24). Снимая далее координаты любой точки совмещенного графика IgS, lgW, lg(t/r²) и lg(1/u), определяют водопроводность Т и пьезопропроводность соответственно из уравнений

и . (IV.5)

Рис. 24. Схема к определению параметров эталонной кривой.

Для удобства совмещения опытной и эталонной кривых последняя строится на кальке; для ее построения можно воспользоваться следующими данными (15):

Ig(1u) — 0,3 — 0,15 0,0 0,15 0,3 0,5 0,7 1 1,3

lgW — 1,31 — 0,943 — 0,66 — 0,433 — 0,254— 0,062 — 0,086 0,26 0,393

Необходимо отметить, что построенные в системе координат IgS— lg(t/r²) графики для разных наблюдательных скважин должны совпадать и по степени их совпадения можно судить о соответствии исходного уравнения (IV. 1) реальным условиям фильтрации при откачке, а также о степени однородности и изолированности опробуемого горизонта (15).

Метод характерных точек основан на использовании для определения параметров характерных точек кривой изменения уровня в наблюдательных скважинах (точка начала реагирования, точка перегиба, точка касания). Существенного распространения в практике опытно-фильтрационных исследований метод не получил (5, 8,11,17).

В условиях квазиустановившейся фильтрации, время наступления которой t_кпри точности замены экспоненциальной функции логарифмической до 10% определяется критерием t_к≥1,7(г²/а), возможно использование графоаналитических и аналитических методов, основанных на логарифмической зависимости понижения уровня от времени, т. е. на исходной формуле (IV.2).

Наиболее широким распространением в практике гидрогеологических расчетов пользуются графоаналитические методы определения параметров, основанные на возможности представления исходных уравнений движения воды к скважине в виде уравнения прямой линии. Например, исходное уравнение (IV.2), описывающее неустановившееся движение воды к совершенной артезианской скважине, работающей в неограниченном пласте, может быть представлено в виде следующих трех формул:

; (IV.6)

; (IV.7)

; (IV.8)

Все три приведенные формы записи одного и того же уравнения (IV.2) представляют собой уравнения, прямой линии в разных системах координат: (IV.6) — в координатах S—lgt; (IV.7)—в координатах S—lgt(г²/t) и, наконец, (IV.8) — в координатах S—lgr(рис. 25). Угловой коэффициент каждой из прямых, описываемых уравнениями (IV.6—IV.8), определяется членом уравнения, стоящим перед скобкой, а величина, отсекаемая прямыми на оси абсцисс (по линии нулевого понижения уровня), — первыми членами уравнения в скобках. В аналогичных трех формах может быть соответственно представлено и исходное уравнение, характеризующее движение подземных вод к совершенной грунтовой скважине, работающей в неограниченном пласте.

Рис. 25. Графики зависимости (А, Б, В)

В соответствии с тремя приведенными выше формами исходных уравнений можно использовать три способа обработки данных опытных откачек. Обработка и представление опытных данных в виде прямой, описываемой уравнением (IV.6), широко используется как при одиночных, так и при кустовых откачках. Для каждой фиксированной точки (скважины) может быть построен график S=f(lgt) позволяющий проводить определение расчетных параметров (рис. 25, А).

Обработка и представление опытных данных в виде графиков S= f[lg(r²/t)] и S= f(lgr), описываемых соответственно уравнениями (IV.7) и (IV.8), возможны при наличии достаточного количества наблюдательных скважин (не менее трех-четырех).

Ниже для примера дается более обстоятельное описание одного из графоаналитических методов определения параметров, который в практике гидрогеологических исследований называют способом временного прослеживания (4, 18).

При временном прослеживании используется видоизмененная форма исходного уравнения квазиустановившейся фильтрации (IV.6), которое аппроксимируется в виде прямой линии в системе координат S-lgt. Действительно, принимая в уравнении (IV.6)

и , (IV.9)

получаем уравнение прямой линии в виде

S= A+Blgt. (IV.10)

Таким образом, если опытные данные по любой из скважин нанести на график S= f(lgt), откладывая по оси абсцисс логарифмы времени, а по оси ординат — соответствующие рассматриваемым моментам времени значения понижения уровня, то на основе полученного прямолинейного графика можно определить величины А и В, а из них с учетом соотношений (IV.9) — значения водопроводимости Т и коэффициента пьезопроводности . Величина А представляет собой начальную ординату прямой S= f(lgt), т. е. отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат. Величина В численно равна угловому коэффициенту прямой и может быть определена по любым двум точкам, лежащим на прямой S= f(lgt), координаты которых снимаются непосредственно с графика (см. рис. 25, А).

. (IV.11)

Значения коэффициентов водопроводимости и пьезопроводности определяются соответственно по формулам:

и lg = 2lgr-0,35+ (IV.12)

В методических рекомендациях ВСЕГИНГЕО предлагается определять упругую водоотдачу μ* графику S= f(lgt). Для расчета берется отрезок, отсекаемый прямой по оси абсцисс lgt₀, и определяется μ по формуле

(IV.13)

где t₀— время, определяемое величиной отрезка lgt₀на графике

S= f(lgt)

Если опытная скважина несовершенная, то при обработке данных откачек графоаналитическим методом методика определения параметров остается прежней. Несколько видоизменяется лишь расчетная формула для определения коэффициента пьезопроводности, которая принимает следующий вид:

lg = 2lgr-0,35+ -0,434ξ (IV.14)

где ξ — величина гидравлического сопротивления, учитывающая несовершенство скважины (определяется по графикам или таблицам в зависимости от l_o/mи m/r) (3, 5, 8, 12, 16). Для наблюдательных скважин величина ξ незначительна и ею можно пренебречь. Обработка результатов опытных откачек из безнапорных водо­носных горизонтов проводится так же, как и для напорных. Если величина понижения уровня Sсоставляет не более 15—20% от первоначальной мощности водоносного горизонта Н_е, то для безнапорных вод можно с допустимой для практики погрешностью определять расчетные параметры как для напорных вод, пользуясь графиком S=f(lgt).Если это условие не соблюдается, то для определения параметров необходимо построить график (2Н_е—S)S= f(lgt), также выражающийся прямой линией, уравнение которой имеет вид

(IV. 15)

Снимая с графика значения коэффициентов А (отрезок, отсекаемый на оси ординат) и В (угловой коэффициент прямой), определяют коэффициенты фильтрации К и уровнепроводности а соответственно из выражений (IV.16):

и lg =2lgr-0,35+ (IV.16)

При построении графиков S=f(lgt) и (2H_е—S)S=f(lgt) понижение уровня и время выбираются в наиболее удобных размерностях (понижение в метрах или сантиметрах, время — в сутках, часах, минутах). Необходимо только помнить, что размерность коэффициента пьезопроводности (уровнепроводности) зависит от размерностей понижения уровня и времени, выбранных при построении графика. Так, при измерении понижения уровня в метрах, а в времени в сутках пьезопроводность будет иметь размерность м²/сут (Sв м, tв ч, а в м²/ч). Размерность водопроводимости или коэффициента фильтрации, определяемых по формулам (IV.12) и (IV.16), зависит только от размерности дебита. При измерении Qв м³/сут размерность водопроводимости будет м²/сут, а коэффициента фильтрации — м/сут; при измерении Qв м³/ч размерность Kmбудет м²/ч, а К — м/ч и т. д.

При определении параметров по центральной скважине в формулы (IV.12), (IV.14) и (IV. 16) подставляется r= r_с, а по наблюдательной — расстояние ее до центральной. Как показывает опыт, определение коэффициента пьезопроводности (уровнепроводности) по центральной скважине обычно дает неудовлетворительные результаты из-за неучета сопротивлений, возникающих в призабойной зоне. Поэтому для достоверного определения значений, а рекомендуется использовать опытные данные по наблюдательным скважинам.

Определение параметров методом временного прослеживания, возможно, проводить также и то результатам наблюдений за восстановлением уровня воды после откачки в центральной и наблюдательных скважинах. При этом, как правило, получаются более качественные результаты, чем по данным о снижении уровней вследствие отсутствия влияния на условия проведения опыта разнообразных технических причин.

При определении параметров по данным восстановления уровней методика обработки результатов аналогична изложенной выiе, только вместо понижений берутся повышения уровней, отсчитываемые от динамических уровней, замеренных перед окончанием откачки. За расчетный дебит принимается расход скважины в процессе откачки. Время tпри построении графика S= f(lgt) принимается от конца откачки. Для построения графика используются только замеры уровня, входящие по времени в интервал от t₁до t₂, t₁≤1,1 t₀, а t₂≤ 1,1_. t₁. Таким образом, за начальную точку при построении графиков восстановления уровней принимается момент времени t₁≤1,1 t₀(где t₀ — длительность откачки), а за конечную — момент времени, отвечающий условию t₂≤ 1,1_. t_1.

При не очень длительных откачках обработку данных о восста­новлении уровней в скважинах следует вести с учетом продолжительности откачки. В качестве уравнения, описывающего восста­новление уровня, используется следующее выражение:

. (IV.17а)

График строится в координатах S-lg[(t₀+t)/t] (t— время восстановления, отсчитываемое от конца откачки, t₀— длительность откачки),. Значение водопроводимости Т определяется по формуле (IV. 12), где В — угловой коэффициент прямой, снимаемый с прямолинейной части графика S—lg[(t_o+t)/t]. Пересечение графика с осью ординат дает полную величину восстановления уровня S_makc. Это позволяет определять отметку статического уровня воды в скважине, не проводя полного цикла наблюдений за восстановлением. Величину коэффициента пьезопроводности можно определять по формуле (18)

(IV.17б)

Аналогично изложенному проводится определение параметров графологическим методом с использованием графика S=f[lg(r²/t)], аппроксимирующего зависимость (IV.7), и графика S=f(lgr), аппроксимирующего зависимость (IV.8). Эти способы обработки опытных данных для определения параметров получили соответственно название комбинированного и площадного способов прослеживания (4, 8, 18).

При комбинированном прослеживании для построения графика S=f[lg(r²/t)] используются результаты одновременных замеров понижения уровня в нескольких наблюдательных скважинах (чем больше используется наблюдательных точек, тем надежнее и достовернее будут определяемые параметры). Возможно, и желательно построение таких графиков проводить для нескольких моментов времени (графики должны быть параллельны один другому) и тем самым контролировать соответствие принятой расчетной схемы реальным условиям фильтрации в процессе откачки. Снимая с прямолинейной части графика S= f[lg(r²/t)] начальную ординату А и угловой коэффициент В, определяют значения коэффициентов водопроводимости Т и пьезопроводности а соответственно по формулам:

и (IV.18)

Значение коэффициентов упругой водоотдачи μ* и пьезопроводности можно определять по величине отрезка Ig(r²/t)_o, отсекаемого прямолинейным графиком S=f[lg(r²/t)] по линии нулевого понижения (на оси абсцисс, см. рис. 25, Б) соответственно по формулам:

и (IV.19)

Следует отметить, что при обработке результатов откачек способом комбинированного прослеживания построение графиков проводится в системе координат S—lg(r²/t) или S—lg(t/r²), что отражается лишь на уклоне графиков (см. рис. 25, 5).

При обработке результатов откачки способом площадного прослеживания по единовременным замерам понижения в наблюдательных скважинах (при t=const) строится график S=f(lgr). Определение значений параметров Т и осуществляется аналогично выше изложенному с использованием, величин А (начальная ордината) и В (угловой коэффициент), снимаемых для прямолинейной части графика S= f(lgr), по зависимостям (IV.20):

и (IV.20)

По величине отрезка lgr₀, отсекаемого прямой S=f(lgr) по линии нулевого понижения (см. рис. 25, В), можно определять:

и (IV. 20)

Располагая значениями водопроводности и пьезопроводности, определенными по преобразованным графикам понижения или восстановления уровня в наблюдательных скважинах, можно графоаналитически определить показатель суммарного сопротивления ξ₀ по данным понижения уровня в центральной скважине. Для этого необходимо построить график зависимости _t= f[lg(R_п/r_c)], откладывая по оси абсцисс значения lg(R_п/r_c) (где на каждый момент времени величина радиуса влияния определяется по зависимости R_п=l,5 ), а по оси ординат — значения _t= 2πKmS_t/Q(где St—понижение уровня воды в центральной скважине на соответствующий момент времени t). Опытные данные при таком построении должны укладываться на прямую, которая будет отсекать на оси ординат отрезок, численно равный величине показателя суммарного сопротивления скважины ξ₀ (рис. 26).

Рис. 26. Графоаналитическое определение показателя ξ₀

Аналитические методы определения параметров при квазиустановившемся характере фильтрации основаны на сопоставлении величин понижения уровня S₁и S₂, фиксируемых в одной и той же точке (скважине) на два момента времени t₁и. t₂либо в двух точках потока, расположенных на расстояниях r₁и г₂ от возмущающей скважины, на одни и тот же момент времени. Эти методы могут использоваться при отсутствии систематических замеров понижения уровня и невозможности применения графоаналитических методов определения параметров.

Соответствующие формулы для аналитических расчетов могут быть легко получены при рассмотрении разности двух понижений уровня с использованием при этом основных модификаций (IV.6 — IV.8) исходного уравнения квазиустановившейся фильтрации. При сопоставлении понижений уровня в одной точке на два момента времени для определения водопроводимости и пьезопроводности используются формулы:

(IV.22)

(IV.23)

При сопоставлении понижений по двум точкам на один и тот же момент времени tводопроводимость Т определяется по формуле

(IV.24)

а пьезопроводность — по (IV.25):

(IV.25)

Попутно заметим, что при сопоставлении понижений S₁и S₂, фиксируемых в двух точках потока в любой момент времени tпериода квазиустановившейся фильтрации, расчетная формула (IV.24) оказывается идентичной соответствующей формуле установившейся фильтрации. Это лишний раз подтверждает, необоснованность требования о проведении опытных откачек до стабилизации уровней и возможность использования основных приемов и зависимостей установившейся фильтрации для обработки результатов откачки в условиях квазиустановившегося режима.

Аспекты применения аналитических зависимостей для определения параметров по результатам замеров понижений уровня при установившейся (квазиустановившейся) фильтрации не исчерпываются изложенными приемами. В частности, на основе сопоставления понижений уровня по двум наблюдательным скважинам на один момент времени достоверно определяется величина водоотдачи грунтовых вод по методу Н. Н. Биндемана, выявляется величина показателя несовершенства ξ₀ центральной скважины, оценивается радиус влияния в условиях установившейся фильтрации Rи решаются другие задачи (3-5, 8-19).

Детально вопросы применения уравнений установившейся и неустановившейся фильтрации подземных вод к скважинам для определения значений различных гидрогеологических параметров по результатам опытно-фильтрационных работ рассматриваются в курсе «Динамика подземных вод».

Учет непостоянства дебита в процессе откачек. Обязательными условиями применимости изложенных методов и приемов определения параметров являются постоянство дебита опытной скважины и однородность пород опробуемого горизонта. При нарушении этих условий требуются соответствующая корректировка приемов обработки результатов откачек и учет возможных отклонений.

Изменение дебита опытной скважины в процессе откачки ведет к усложнению приемов обработки ее результатов, увеличению трудоемкости и вероятности случайных ошибок, поэтому вполне обоснованным и правильным является стремление к проведению откачек с постоянным дебитом.

Если в процессе откачки наблюдаются незакономерные колебания дебита относительно его средней величины, то в расчет принимается осредненное значение дебита и обработка результатов откачки ведется по методике, учитывающей постоянство дебита. При закономерных изменениях дебита (ступенчатое, линейное, параболическое и др.) применяются другие приемы учета этих изменений, которые можно проиллюстрировать на примере обработки результатов опытных выпусков и групповых откачек.

Опытные выпуски. При кустовых опытных выпусках, практикуемых при избыточных напорах над устьем опробуемых скважин, имеют место постоянное понижение и переменный во времени дебит для опытных скважин и непостоянное понижение уровня в наблюдательных скважинах. Это приводит к необходимости применения различных способов определения параметров: для опытной (возмущающей) скважины по временной закономерности изменения дебита, для наблюдательных — по закономерностям изменения приведенного понижения = S/Q_t— f(t).

Обработка данных выпуска по возмущающей скважине ведется на основе формулы (IV.26):

при (IV.26)

где S_c— постоянное во времени понижение уровня в опытной скважине.

Представляя зависимость (IV.26) в виде уравнения прямой линии 1/Q_t= A+Blg(t), где В = 0,183/TS_c— угловой коэффициент, а А —начальная ордината прямолинейной части графика l/Qt= f(lgt). получаем возможность определения водопроводимости по величине углового коэффициента В:

. (IV.26)

При опробовании глубоких горизонтов (>200 м) и значительном дебите опытной скважины величину S_cследует принимать с учетом потерь напора ΔН в скважине, определяемых по формуле (IV.28):

(IV.28)

где Q— дебит-скважины, л/с; L— длина колонны обсадных труб, м; d— внутренний диаметр колонны, см (АН определяется в м).

Для обработки данных об изменении понижений уровня в наблюдательных скважинах при выпуске с переменным дебитом можно использовать рассмотренные выше приемы временного, площадного и комбинированного прослеживания с той лишь разницей, что при этом рассматриваются зависимости изменения приведенного понижения S= S/Q_tи соответственно составляются графики прямых S/Q= A+Blgt(при временном прослеживании), S/Q= T=A—Blgr(при площадном прослеживании) и SIQ= A+Blg(t/r) (при комбинированном прослеживании).

Коэффициенты водопроводимости и пьезопроводности определяются по угловым коэффициентам и начальным ординатам прямолинейных частей получаемых графиков по формулам, приведенным в табл. 2.

Для обеспечения более достоверного определения параметров и контроля обработку данных опытных (выпусков следует вести всеми возможными способами. Контрольное время, начиная с которого можно использовать предложенные способы обработки опытных данных, определяется критерием

t> (IV.29)

Таблица 2

Способ обработки, график	Расчетные формулы для определения параметров
	водопроводимости	пьезопроводности
Временное прослеживание S/Q=f(lgt)	Т=0,183/5	lga=2lgr — 0,35+А/В
Площадное прослеживание S/Q=f(lgr)	T=0,366/5	lga=2A/B — 0,35 — lg t
Комбинированное прослеживание S/Q=f(t/r2)	T=0,183/5	lga=A/B — 0,35

Отметим, что рассмотренные приемы обработки опытных данных применимы при обработке откачек с переменным дебитом, который имеет линейный, логарифмический или параболический характер изменения. В расчетных формулах для определения пьезопроводности вместо числового коэффициента 0,35 используется коэффициент 0,08 при линейном и 0,29 при логарифмическом и параболическом характерах изменения дебита (4, 11, 15, 18). По аналогичной методике обрабатываются и данные групповых выпусков, когда в качестве дебита Qtрассматривается суммарный дебит возмущающих скважин, а в качестве расстояния rдо наблюдательных скважин принимается приведенное расстояние r_пр.

Групповые откачки. Для обеспечения ощутимого понижения уровня в водообильных пластах выполняются откачки из нескольких опытных скважин одновременно (групповые откачки). Время включения каждой возмущающей скважины в действие может быть разным (асинхронное возмущение).

В основе решений для обработки данных таких опытов лежит метод наложения течений, в соответствии с которым суммарное понижение уровня нескольких возмущающих скважин равно алгебраической сумме понижений уровня, вызванных действием каждой скважины системы.

После несложных преобразований формула понижения уровня при групповой откачке из системы разновременно включенных скважин принимает следующий вид:

(IV.30)

Значение t_пр и r_пропределяется кА средневзвешенное по дебитам действующих скважин из выражений:

(IV.31)

(IV.32)

где Q_cyмм— суммарный дебит системы; Q_1,Q₂, ..., Q_n— дебиты соответствующих скважин; t— текущее время опыта с начала работы первой скважины; t₁, ..., t_n — время подключения соответствующих скважин; r₁r₂, ..., r_n —расстояние от этих скважин до точки, где определяется понижение уровня; (t—t₂), …, (t—t_n) — время действия каждой из скважин системы. Знак плюс в формулах означает включение отдельных скважин системы, минус — их остановку.

Обработка группового асинхронного опыта проводится путем временного, площадного и комбинированного прослеживания по­нижения уровня на основе трафиков в координатах S—lgt_np, S—lgr_np, S—lg(t_np/r²_np) аналогично изложенному ранее для опытов с постоянным дебитом. Остаются справедливыми и все предложен­ные расчетные формулы (IV. 16), (IV. 18) и (IV.20) с той лишь разницей, что в них понимается t= t_np и r= r_np(4, 18).

Обработка результатов наблюдений за (восстановлением уровней после откачки с переменным дебитом обычно осуществляется по методике, аналогичной ранее изложенной для откачек с постоянным дебитом, однако такая аналогия допустима лишь при соответствующем учете характера возмущения в процессе откачки (путем введения значений t_Пр и r_пр, определяемых в соответствии с условиями изменения дебита). В зависимости от быстроты восстановления уровня определение параметров основывается на построении графиков S*—lg[(t₀+t)/f] или S*—lgt. Соответствующие обоснования приемов обработки результатов наблюдений за восстановлением уровня и рекомендуемые расчетные формулы приведены в специальных руководствах (4, 5, 11, 15, 18, 21).

Откачки в условиях ограниченных пластов и слоистых толщ. Схемы откачки в условиях влияния одной или нескольких границ пласта (проницаемых или непроницаемых), а также в условиях взаимосвязи смежных в разрезе водоносных горизонтов (слоистые толщи) используются в практике гидрогеологических исследований сравнительно редко. Влияние этих факторов на режим уровней в процессе опытных работ требует применения своеобразных способов обработки опытных данных и приемов интерпретации их результатов. Тем не менее, на многих участках оказывается возможным использовать способы временного, площадного и комбинированного прослеживания, детально рассмотренные выше применительно к условиям неограниченного в плане пласта. Основным вопросом при интерпретации графиков прослеживания является выделение наиболее представительного участка графика, который еще не испытывает влияния границ или других действующих факторов и может соответственно использоваться для определения фильтрационных и емкостных свойств опробуемого горизонта. При использовании этих способов обработки и интерпретации опытных данных предъявляются определенные ограничения к исходной информации. В частности, при выполнении общего условия о наличии квазиустановившейся фильтраций (t>t_K>l,7r²/a) для определения параметров рассматриваются скважины, расположенные в зоне m≤r≤ (0,3÷0,45)/, где. m— мощность опробуемого пласта, l— расстояние до его ближайшей границы. Более детально методы обработки и интерпретации результатов опытных работ в ограниченных пластах изложены в специальной литературе (4-6, 8, 11, 15, 18).

Другие методы определения параметров в сложных гидрогеологических условиях основаны на использовании зависимостей, учитывающих влияние проницаемых и непроницаемых границ пласта в плане и в разрезе, а также особенности строения области фильтрации. В данном случае, как и для схемы неограниченного пласта, широко применяются графоаналитические методы, основанные на линейной аппроксимации исходных зависимостей, а также аналитические зависимости, получаемые на основе точных или приближенных решений (2, 4-6, 8, 11, 15, 21). Наиболее широко практикуются решения для полуограниченных, полосообразных и замкнутых пластов, а также пластов, имеющих простые по конфигурации границы раздела зон неоднородности (главным образом, это методы Ф. М. Бочевера, В. М. Шестакова и Ю. О. Зеегофера, Е. Л. Минкина, В. А. Максимова, М. С. Хантуша, В. А. Мироненко и Л. И. Сердюкова, В. Д. Бабушкина, Л. В. Боревского и др.).

Рис. 27. Схема к расчету параметров по данным кустовой откачки в полуограниченном пласте.

Для простейших схем полуограниченных потоков, когда на условия притока воды к скважине в процессе откачки влияет одна из границ потока» (проницаемая с Н=constили непроницаемая с Q= const= 0), расчеты параметров можно выполнять по аналитическим формулам, приведенным в настоящем параграфе для неограниченного пласта, с введением в них вместо действительных расстояний r_iот наблюдательных скважин до центральной и радиуса центральной скважины r_снекоторых приведенных значений r_i* и r_с*, которые учитывают характер и положение границы потока. При расположении скважин у контура постоянного напора (река, озеро, канал) принимают r_i* = r_i/ρ_iи r_с* = r_с/ρ_с, у непроницаемого контура — соответственно r_i= r_iρ_iи г_с* = r_ср_с, где р_iи р_с — расстояние от реальных наблюдательных и центральной скважин до зеркального отображения центральной скважины относительно рассматриваемого контура (рис. 27).

Так, например, при откачке из одиночной скважины в напорном потоке у реки для определения водопроводимости может использоваться формула Ф. Форхгеймера, откуда

(IV.33)

При кустовой откачке и наличии двух наблюдательных скважин (рис. 27) величину водопроводимости можно определять по парам скважин (центральная — наблюдательная либо две наблюдательные) по формулам, аналогичным формуле (IV.24), которая с уче­том значений r_i* и ρ_i* приобретает вид

(IV.34)

Аналогичным образом могут быть записаны «расчетные формулы и для других схем расположения скважин.

Говоря о методах определения параметров ограниченных в плане водоносных образований, следует несколько остановиться на своеобразном приеме определения так называемых обобщенных параметров, под которыми В. А. Грабовникав и Б. М. Зильберштейн понимают такие параметры, которые комплексно характеризуют опробованную часть водоносного пласта с учетом его водопроводящих и емкостных свойств и влияние его внешних границ. Обобщенные параметры определяются по конечным прямолинейным участкам графиков прослеживания S= f(lgt), которые количественно учитывают влияние установленных непроницаемых или полупроницаемых границ пласта, а прогнозные расчеты ведутся по зависимостям для неограниченного в плане пласта, т. е. реальный пласт при расчетах заменяется некоторым неограниченным пластом, который с учетом определенных для него обобщенных параметров является эквивалентом реальной области фильтрации, проявившей себя в процессе опыта. Один из наиболее важных и сложных вопросов при определении таких обобщенных параметров — вопрос о необходимой продолжительности откачек, обеспечивающей проявление всех основных факторов и границ области фильтрации, и соответствующий их учет в обобщенных параметрах.

§ 3. Методика организации и проведения откачек

Методика проведения откачек зависит от их назначения, стадии гидрогеологических исследований и конкретных природных условий изучаемого месторождения подземных вод. В понятие методики включаются вопросы выбора вида откачки, схемы опытного куста и его местоположения, характера и степени возмущения пласта, продолжительности и последовательности осуществления откачки, контроля ее проведения, обоснования конструктивных особенностей, опытных и наблюдательных скважин.

Пробные откачки выполняются на всех стадиях гидрогеологических исследований. На стадии поисков их основная цель — получение сравнительной характеристики фильтрационных свойств пласта на отдельных участках распространения водоносного горизонта и качества подземных вод, а также для определения свободной или пьезометрической поверхности подземных вод. На стадиях предварительной и детальной разведки пробные откачки проводятся из разведочных и разведочно-эксплуатационных скважин для предварительного определения возможной производительности скважин, как правило, на одну ступень понижения уровня продолжительностью не более 1-1,5 сут.

Одиночные опытные откачки проводятся на стадиях предварительной и детальной разведки из разведочных и разведочно-эксплуатационных скважин с целью определения коэффициента фильтрации (водопроводимости) и главным образом зависимости дебита от понижения уровня. Для решения этой задачи требуются откачки на две ступени понижения уровня в зернистых коллекторах и на две-три ступени в трещиноватых (4, 16, 18). Продолжительность откачки определяется временем стабилизации понижения уровня на каждой из ступеней.

Опытные кустовые откачки осуществляются на стадиях предварительной и детальной разведок главным образом для определения расчетных гидрогеологических параметров и оценки граничных условий. Если при откачке из одной скважины не удается добиться достаточно надежных для последующей интерпретации понижений уровня (в связи с высокой водопроводимостью водоносных горизонтов), проводится групповая откачка.

Другие вопросы методики проведения опытных кустовых откачек — основного вида опытно-фильтрационных работ рассмотрены ниже более детально.

Опытно-эксплуатационная откачка из одной или нескольких скважин проводится только на стадии детальной разведки в сложных гидрогеологических условиях для определения опытным путем возможной производительности водозабора или установления закономерностей изменения уровней при его эксплуатации, а также возможного изменения качественного состава подземных вод. Откачка проводится в период меженного стояния уровня подземных вод с одним максимально возможным дебитом (близким к проектному), продолжительностью 1-3 месяца и более. На каждом конкретном участке продолжительность опытно-эксплуатационной откачки должна обеспечивать квазистационарный режим по всем возмущающим и наблюдательным скважинам, а также проявление и учет всех основных факторов, осложняющих условия эксплуатации изучаемого месторождения. Схема расположения опытных скважин должна задаваться с учетом схемы расположения эксплуатационных скважин проектируемого водозабора.

В качестве общих для всех видов откачек рекомендаций следует отметить следующие.

Откачки необходимо проводить с максимально возможным (для выбранного насосного оборудования) постоянным во времени водоотбором, обеспечивая значительное снижение уровня в пределах опробуемой части пласта (не менее 3-5 м в опытных скважинах и не менее 0,3-0,5 м в наблюдательных). Продолжительность откачек должна обеспечивать определение искомых параметров наиболее надежными методами (как правило, основанными на анализе закономерностей квазиустановившейся фильтрации), исходя из чего она должна составлять не менее 2-3 сут. Опытные скважины должны быть по возможности совершенными по степени и характеру вскрытия горизонтов, а ближайшие наблюдательные скважины, как правило, расположенными на расстояниях, превышающих мощность опробуемого пласта. Для более точного определения параметров призабойной зоны желательно наличие затрубного пьезометра, а для оценки характера и степени влияния естественных условий обязательно наличие режимных скважин вне зоны влияния откачки.

При откачках на несколько ступеней понижения их следует проводить, начиная с меньшего понижения уровня (в трещиноватых породах и мелкозернистых неоднородных песках наоборот), которое должно быть не менее 1—2 м и вместе с тем в 2—3 раза меньше максимально возможного. При переходе с большего понижения уровня на меньшее откачку прекращают до полного восстановления пониженного уровня воды.

Лучи наблюдательных скважин следует ориентировать в направлении выявленных или возможных изменений гидрогеологических условий (по направлениям затухающей или преобладающей трещиноватости, резкого изменения фильтрационных и емкостных свойств пород, проницаемых и непроницаемых границ, пласта и т. п.).

Последовательность и частота замеров уровня, определяемая темпами его снижения в точках наблюдения, должна обеспечивать выявление закономерностей его изменения в процессе опытных работ. Исходя из возможностей и целесообразности комплексного применения различных методов обработки результатов опытных работ, рекомендуется проводить замеры уровня в процессе откачки в первые два часа через 5—10 мин, в последующие 12 ч через 0,5—1 ч и далее через 2—3 ч до конца откачки. Замеры уровня в процессе восстановления: первые 15—20 мин через 1—2 мин, далее в течение 1—2 ч через 3—10 мин, затем через час до получения представительных материалов.

Для обеспечения надежного определения расчетных гидрогеологических параметров, их осреднения и контроля количество наблюдательных скважин в опытном кусте должно быть не менее трех (при наличии принципиальной возможности определения всех параметров по одной-двум наблюдательным скважинам). В сложных природных условиях (трещинные и трещинно-карстовые типы водоносных горизонтов, наличие перетекания и затрудненной связи подземных вод с поверхностными, существенная неоднородность пластов и т. п.) целесообразно иметь 4—5 наблюдательных скважин. Если имеется возможность увеличить число наблюдательных скважин без дополнительных затрат (за счет использования ранее пройденных поисковых, картировочных, разведочных, режимных и других категорий скважин), следует этим воспользоваться (особенно в сложных для интерпретации природных условиях), а иногда даже пойти ради этого на увеличение продолжительности опыта.

Размещать наблюдательные скважины целесообразно по лучам, количество и ориентировка которых зависят от сложности условий опробуемого объекта, назначения куста, количества наблюдательных скважин и особенностей проектируемого на основе изысканий инженерного сооружения (обычно практикуются одно — трехлучевые схемы). Двухлучевые схемы опытных кустов используются при опробовании анизотропных (лучи — по осям анизотропии) и ограниченных пластов (лучи — параллельные и перпендикулярные границам). Возмущающие скважины (в зависимости от необходимой степени возмущения их может быть от одной до четырех) целесообразно располагать компактно в вершинах наблюдательных лучей, в зоне квазистационарного режима. Такое размещение скважин должно обеспечить достаточные срезки уровней, исключение влияния разнообразных помех (границ, прискважинной зоны и др.) и получение качественных графиков временного и площадного прослеживания. Ниже предлагается полуэмпирическая зависимость для определения расстояний r_nот опытной скважины до соответствующей наблюдательной (4):

r_п = r₁ ^n-1 (IV.35)

Где r; — расстояние до ближайшей наблюдательной скважины (принимается обычно r₁≥(0,7—1)m; m— мощность опробуемого пласта); — эмпирический коэффициент, принимаемый для безнапорных горизонтов равным 1,5, для напорных 2,5; n— порядковый номер наблюдательной скважины в луче в направлении от опытной (рис. 28).

Рис. 28. Схема опытного куста. А — в неограниченном пласте; Б — при связи пласта с рекой: 0 — опытная скважина; 1, 2, 3, 4 — наблюдательные скважины

В формуле (IV. 35) эмпирические коэффициенты подобраны таким образом, чтобы при понижении уровня в центральной скважине на 3—4 м и длительности откачки около 10 сут разность понижений уровня в соседних и понижение в наиболее удаленной наблюдательной скважине составляли не менее 0,2 м. Исходя из этих условий максимальное удаление наблюдательных скважин следует ограничивать 150 м в безнапорных и 1500 м в напорных водоносных горизонтах. При опробовании слоистых толщ с перетеканием в первом приближении следует руководствоваться рекомендациями для опытного куста в грунтовых водах (с заложением наблюдательных на все взаимосвязанные горизонты).

Опытные кусты для опробования водоносных горизонтов и степени их взаимосвязи с рекой рекомендуется размещать по двухлучевой схеме (перпендикулярно и параллельно реке) с расположением не менее двух наблюдательных скважин на каждом из лучей (одна обязательно на урезе реки, другая вблизи опытной, как показано на рис. 28, Б).

В табл. 3 приведены обобщенные рекомендации по размещению первой и второй наблюдательных скважин при проведении кустовых откачек в напорных и безнапорных водоносных горизонтах, сложенных породами различного состава при ориентировочной продолжительности откачек 3—5 сут в напорных горизонтах и 5—10 сут в грунтовых водах (16).

Таблица 3

Водоносные породы	Гидравлический характер горизонта	Максимальное расстояние, м
		до первой наблюдательной скважины	до второй наблюдательной скважины
Пески мелко- и среднезернистые	Напорные воды	80	150
	Грунтовые воды	10	15
Пески крупнозернистые	Напорные воды	200	450
	Грунтовые воды	15	30
Гравийно-галечниковые отложения	Напорные воды	200	450
	Грунтовые воды	25	40
Трещиноватые породы	Напорные воды	80	150
	Грунтовые воды	30	50

Указанные рекомендации в отношении размещения наблюдательных скважин и продолжительности опытных откачек следует считать ориентировочными, подлежащими уточнению при выполнении полевых работ на каждом конкретном участке с учетом целевого назначения откачек и гидрогеологических особенностей изучаемого объекта. В условиях быстрого установления уровней в процессе откачек последние могут быть прекращены через 1—2 сут после начала стабилизации. При опробовании трещиноватых водоносных пород, а также при проведении кустовых откачек с целью оценки степени взаимосвязи подземных и поверхностных вод (величины гидравлического сопротивления подрусловых отложений) и определения параметров перетекания в условиях слоистых толщ может потребоваться увеличение их продолжительности до 15—30 сут при весьма значительном водоотборе (4, 16, 18).

При проведении опытных откачек необходимо обеспечивать постоянство дебита возмущающих скважин, компактное их размещение и синхронный пуск (при групповых откачках). Опробование скважин, дающих воду самоизливом, возможно при условии постоянства понижения уровня с обязательным получением информации об изменении уровней по наблюдательным скважинам.

Количество откачиваемой воды должно обеспечивать снижение уровней не менее 3—4 м в опытных скважинах и не менее 0,2 м в наиболее удаленных наблюдательных скважинах (при такой же разности понижений по соседним наблюдательным скважинам) при ориентировочной ее продолжительности 5—10 сут.

Необходимый дебит при откачках рекомендуется определять на основе графика зависимости lgQ= f(lgKm), представленного на рис. 29, и обобщающего опытные данные по разведке 30 месторождений подземных вод различного типа и результаты многочисленных аналитических расчетов (4). Диапазон практикуемых при опробовании дебитов показан на графике пунктиром, расчетный график дебита откачки в зависимости от водопроводимости опробуемых горизонтов lgQ=f(lgT) — спошной линией.

Рис. 29. График зависимости lgQ=f(lgT) для определения дебита опытной откачки (по оси абсцисс — Tв м²/сут и lgT, по оси ординат — Qв л/с и lgQ) (по Б. В. Боревскому и Б. Г. Самсонову): T— опробуемые горизонты (I— пески и слабые песчаники дочетвертичных отложений, трещинные некарстующиеся водовмещающие породы; II— пески аллювиальных и аллювиально-пролювиальных отложений четвертичного возраста, трещинно-поровые горизонты с мелким рассеянным карстом; III— галечники и гравийно-галечники с песчаным заполнителем, трещинно-карстовые водоносные горизонта); n— рекомендуемое количество возмущающих скважин. Пунктиром показан диапазон практикуемых значений дебита при откачках.

Дебит при откачке и рекомендуемое количество возмущающих скважин определяются по графику на основе данных о характере водоносных пород и их ориентировочной проводимости. Как следует из графика, при опробовании гравийно-галечниковых и трещинно-карстовых водообильных горизонтов может возникнуть необходимость в групповой откачке из 2—4 скважин с дебитами каждой из них 20—45 л/с.

Как уже отмечалось в общих рекомендациях, целесообразно стремиться к оборудованию совершенных опытных кустов, в которых опытные и наблюдательные скважины вскрывали бы водоносный горизонт полностью и закреплялись фильтрами со скважностью 10—20%. В пластах значительной мощности скважины куста могут быть несовершенными, но при этом необходимо стремиться к тому, чтобы поперечные оси фильтров опытных и наблюдательных скважин находились в одной плоскости (параллельной или совпадающей с осевой плоскостью опробуемого водоносного горизонта). Это обеспечивает исключение ошибок, вызываемых вертикальной анизотропией разреза.

Диаметры фильтровых колонн возмущающих скважин и глубина скважин должны обеспечивать размещение в них намечаемого для проведения откачки водоподъемного оборудования, а диаметры наблюдательных скважин — намечаемого для замеров оборудования и возможность проведения пробных откачек. Оборудование скважин опытного куста должно обеспечивать замеры и регулирование дебита при откачке (расходомеры, водомеры, счетчики и др.), снятие с необходимой частотой информации о положении уровня воды во всех скважинах, отбор проб воды для анализов, отвод откачиваемой воды на необходимое расстояние и удовлетворять другим требованиям технологии проведения откачек (3, 9, 10—18).

В процессе проведения опытных откачек выполняется их текущая камеральная обработка и составляется следующая полевая документация: 1) журнал откачки; 2) хронологические графики зависимости дебита и понижения уровня в центральной и наблюдательных скважинах от времени: Q=f(0) S₀=f(t) и S_н= f(t); 3) графики зависимости дебита и удельного дебита от понижения уровня: Q= f(S) и q= f(S); 4) графики S= f(lgt).

Хронологические графики следует составлять в таком масштабе, чтобы по ним можно было легко установить режим движения подземных вод. Поэтому целесообразно применять искаженный вертикальный масштаб; Наиболее нагляден вертикальный масштаб 1 см на графике — 10 см в натуре. При больших абсолютных значениях понижений уровня построение можно начинать с условного нуля.

Построение во время опыта хронологических графиков, особенно S=f(lgt), по всем точкам наблюдений обеспечивает надежный контроль за качеством и правильностью проведения опыта, служит основой для регулирования частоты и системы наблюдений и дает основание для своевременного прекращения откачки.

После окончания опытных откачек во всех скважинах обязательны наблюдения за восстановлением динамического уровня с построением всех необходимых хронологических графиков.

§ 4. Методика организации и проведения опытных нагнетаний и наливов в скважины и шурфы

Опытные нагнетания и наливы в скважины проводят для изучения и оценки водопроницаемости обводненных пород в условиях, затрудняющих организацию откачек (глубокое залегание, подземных вод, слабая водоотдача, невозможность обеспечения ощутимых понижений уровня и т. д.), а также при изучении фильтрационных свойств слабообводненных и необводненных пород зоны аэрации. Для оценки фильтрационных свойств верхней части зоны аэрации (до глубин не более 5 м) применяют также наливы в шурфы.

Опытные нагнетания и наливы в скважины. Под опытными нагнетаниями следует понимать опыты, при которых осуществляется фильтрация воды при избыточном напоре над верхней границей опробуемого интервала. Если в процессе опыта уровень воды поддерживается в пределах толщи опробуемых горных пород, то это отвечает понятию опытного налива (10—14).

Сравнительная простота и стандартизация условий проведения опытных наливов и нагнетаний в скважины обусловили достаточно широкое использование этих методов для оценки водопроницаемости как обводненных, так и необводненных горных пород, особенно при изысканиях для целей гидротехнического строительства. При гидрогеологических и инженерно-геологических исследованиях опытные нагнетания и наливы широко применяются для определения водопроницаемости и удельного водопоглощения трещиноватых скальных пород; выявления необходимости цементации скального основания под инженерным сооружением; опробования трещиноватых пород при выборе вариантов оснований для проектируемых сооружений; проверки качества цементации скальных пород.

Опытные нагнетания — основной метод оценки водопроводимости неводоносных трещиноватых скальных и полускальных пород, так как в этих породах можно относительно просто и надежно изолировать опробуемый интервал скважины от остальной части ствола и сохранить требуемое качество изоляции даже при значительном напоре. Схема установки для нагнетаний показана на рис. 14.

Опытные наливы рекомендуется применять главным образом в рыхлосвязных и трещиноватых породах зоны выветривания, относительная проницаемость которых характеризуется высоким удельным водопоглощением (где трудно обеспечить необходимую изоляцию опробуемого интервала скважины или невозможно создать избыточный напор).

Обычно нагнетания и наливы проводятся при отсутствии наблюдательных скважин. Однако в целях получения более точных показателей желательно иметь хотя бы одну контрольную скважину, в которой можно было бы регистрировать появление воды в процессе опыта.

Режим фильтрации в процессе опытов может быть установившимся, если опыт ведется с постоянным напором (или расходом) до стабилизации расхода (или напора), или неустановившимся, если опыт идет при постоянном расходе (Q=const) или напоре (H=const). Это и определяет выбор соответствующих расчетных схем и формул.

Наливы и нагнетения в водоносные породы. При наливах и нагнетаниях в водоносные породы для расчетов параметров можно применять те же формулы, что и при откачках, с учетом конструктивных особенностей, степени несовершенства опытных скважин и расчетной схемы опыта. Наиболее часто для расчетов применяются аналитические зависимости, полученные для условий установившейся или неустановившейся фильтрации подземных вод в процессе откачек. При этом в расчетных формулах вместо понижений уровня учитываются соответствующие повышения уровня в центральной и наблюдательных скважинах.

Методика обработки результатов опыта в таких случаях мало отличается от изложенной ранее применительно к откачкам. Однако в условиях нагнетания более часто, чем при откачках, возникает необходимость учета потерь напора в трубах, а также некоторых других факторов, искажающих результаты опыта (температура и качество нагнетаемой воды, возможность проявления нелинейности, явления кольматации, гидроразрыва и др.). Соответствующие расчетные зависимости для определения коэффициента фильтрации по результатам наливов и нагнетаний в водоносные породы (формулы Ж. Дюпюи, В. Д. Бабушкина, Н. Н. Веригина, В. М. Насберга и др.) для совершенных и несовершенных скважин приведены в справочной и специальной литературе (5, 10—15, 19).

Опытные нагнетания в скальные и полускальные породы позволяют оценить не только водопроницаемость, но и их относительную трещиноватость, условной характеристикой которых является удельное водопоглощение q', под которым понимают количество воды в литрах, поглощенной породой в минуту на 1 м длины опробуемого интервала скважины при напоре, равном 1 м. Удельное водопоглощение характеризует водопроницаемость и относительную трещиноватость пород данного интервала в среднем, так как может быть результатом наличия как многочисленных тонких трещин, пор и каверн, так и одной крупной трещины или полости.

Опытные нагнетания осуществляют обычно поинтервально (стандартный интервал 5 м) при нескольких ступенях напора. По построенным в результате опыта графикам зависимости расхода и напора от времени определяют величины установившегося напора и расхода для каждой ступени напора и вычисляют величины приведенных расходов q₀(л/мин на 1 пог. м) путем деления установившегося расхода (л/мин) на длину интервала (м). Графики приведенных расходов q₀= f(H) служат для контроля правильности проведения опыта и являются основой для определения удельного водопоглощения. Аналогично кривым дебита при откачках, эти графики могут иметь прямолинейный и криволинейный (параболический, степенной) характер.

Установленное в результате опытов удельное водопоглощение q' используется для сопоставительной характеристики водопроницаемости опробованных отложений, выделения наиболее и наименее проницаемых зон и ориентировочной оценки фильтрационных свойств. В последнем случае используется следующая формула В. Д. Бабушкина:

(IV.36)

где — коэффициент, принимаемый равным 0,66, если опробуемый интервал длиной lотстоит от ближайшего водоупора на расстоянии не меньшем, чем интервал опробования, и 1,32 при примыкании опробуемого интервала к одному из водоупоров.

Сочетая опытные нагнетания и наливы в водоносных отложениях с откачками, можно использовать результаты массовых нагнетаний для уточнения водопроницаемости пород в плане и в разрезе, более обоснованно интерполируя и экстраполируя значения параметров, установленные при откачках, на участки, опробованные более быстрым и дешевым способом (с помощью наливов и нагнетаний).

Наливы и нагнетания в необводненные породы. Опытные нагнетания и наливы воды в скважины — пока практически единственный метод, позволяющий расчленить по водопроницаемости неводоносные породы, залегающие на глубинах, где исключается проведение опытных наливов в шурфы. Однако часто эти опыты не дают возможности с необходимой точностью определить коэффициент фильтрации опробованных пород, так как при нагнетации воды в необводненные трещиноватые породы фильтрация носит резко выраженный избирательный характер вследствие действия гравитационных сил. Поэтому коэффициенты фильтрации и удельные водопоглощения, определенные нагнетаниями в водоносных трещиноватых породах, по сути дела мало сопоставимы с этими же показателями водопроницаемости неводоносных пород. При опытных нагнетаниях воды в необводненные породы возникают дополнительные трудности, как в технике проведения опытов, так и в обработке полученных материалов. Очистка трещин, пор, каверн и прочих полостей породы от бурового шлама в необводненных интервалах скважин значительно сложнее и менее надежна, чем в обводненных, так как применяемая для этого обратная промывка интервала до осветления воды не гарантирует хорошего качества очистки. Чтобы уменьшить кольматацию полостей породы, желательно скважины, опробуемые опытными нагнетаниями, особенно в интервалах, расположенных выше уровня подземных вод, бурить с обратной промывкой.

Нагнетание в необводненных породах требует значительно боль­шего времени для того, чтобы получить установившийся расход при данном напоре, чем нагнетание в водоносные породы. Поэтому методы, основанные на использовании зависимостей неустановившегося режима фильтрации, являются в данных условиях весьма перспективными. Определение действующего напора при нагнетании в необводненные породы весьма условно: величина напора Н находится в пределах Н₁<Н<Н₂, где Н₁ — превышение уровня воды в скважине во время опыта над верхней границей опробуемого интервала, а Н₂ — то же, над уровнем подземных вод или подстилающего водоупора. В практике гидрогеологических исследований при вычислении удельного водопоглощения условно принято отсчитывать напор от середины опробуемого интервала.

Опытные нагнетания и наливы, могут проводиться при установившемся и неустановившемся режимах фильтрации. Вблизи опытной скважины при нагнетаниях возникает напорная или напорно-безнапорная фильтрация, а при наливах — только безнапорная.

Методика послойного определения фильтрационных свойств не-обводненных горных пород по результатам нагнетаний в скважины в условиях неустановившейся фильтрации (нагнетание с постоянным расходом или напором) разработана Н. Н. Веригиным (10). Для осуществления опытов по этой методике в скважинах, необходимо обеспечить напоры, в 10—12 раз превышающие длину испытуемого интервала (что позволяет не учитывать влияние гравитационных сил). Практическое использование этой методики ограничивается трудностями технического порядка. Более широко используются методика В. М. Насберга, разработанная для условий установившейся фильтрации, и В. М. Шестакова и Г. И. Баренблатта в условиях неустановившейся фильтрации (5, 10, 11, 13,. 15, 21).

Нагнетания в скважину. При нагнетании воды в сухие породы через скважину с постоянным расходом происходит изменение уровней образующегося местного потока. Наблюдения за положением уровня являются исходными данными для расчетов параметров. По, Н. Н. Веригину, по данным о положении пьезометрического уровня воды в центральной и наблюдательных скважинах можно определить коэффициенты фильтрации К и активной пористости μ следующим методом.

При наличии двух замеров уровня воды h₁и h₂над кровлей водоносного горизонта в центральной скважине, соответствующих моментам времени t₁и t₂(время отсчитывается от начала опыта в сутках), используются следующие расчетные формулы: для определения коэффициента фильтрации

, (IV/37)

для определения активной пористости

. (IV.38)

При наличии наблюдательной скважины, в которой фиксируется время появления воды от начала опыта t_n, расчеты параметров ведутся соответственно по формулам:

и , (IV.39)

где h_n— столб воды в центральной скважине в момент появления воды в наблюдательной скважине.

Наливы в скважину по методу В. М. Насберга. Для определения коэффициента фильтрации сухих пород при глубоком залегании грунтовых вод по методу Насберга вода наливается в скважину так, что ее уровень не превышает верхней части фильтра. Для вычисления коэффициента им рекомендуется следующая расчетная формула (19):

(IV.40)

где h_c— созданная наливом высота столба воды в скважине над нижним концом фильтра (h_c= const).

Формула применима в однородных изотропных породах при условии 50,0 </h_с/r_с<200, т.е. для скважин диаметром от 50 до 400 мм при столбе воды в них 5—10 м (рис. 30).

Опытные нагнетания воздуха. В последнее время при изучении фильтрационных свойств необводненных пород практикуются нагнетания в изолированный интервал скважины не воды, а воздуха. Этот метод рекомендуется для определения фильтрационных характеристик трещиноватых, рыхлых и некоторых типов связных горных пород, а также для расчленения необводненных пород по степени их водопроницаемости. В основу метода положен закон А. Дарси, справедливый для фильтрации жидкостей и газов в пористой среде:

, (IV.41)

где K_п— коэффициент проницаемости; Y_ви μ_в — объемная масса и динамический коэффициент вязкости воздуха.

Применение для нагнетаний воздуха исключает необходимость учета гравитационных и капиллярных сил, резко снижает кольматацию пор и трещин в процессе опыта, дает возможность проведения опытов в отсутствие воды. Вместе с тем проведение этих опытов сопряжено с некоторыми трудностями технического характера (обеспечение и контроль расчетного количества воздуха, необходимость достижения высокой чувствительности системы замеров давления воздуха в наблюдательных точках, тщательный контроль и регулирование условий проведения опытов и др.).

Рис. 30. Схема опытного налива в необводненные породы по методу В.М. Насберга.

Сущность опытов сводится к обеспечению подачи определенного количества воздуха через бурильные трубы в испытуемый интервал и осуществлению наблюдений за распространением нагнетаемого воздуха в пласте через систему наблюдательных скважин. В процессе опыта фиксируются расход воздуха и его физические параметры по центральной скважине, а также давление воздуха и его температура по всем точкам наблюдения. Опыт проводится на несколько (обычно на три) ступеней расхода с поддержанием его постоянства на каждой из ступеней. Для осуществления опыта применяется специальное оборудование, обеспечивающее изоляцию испытуемого интервала (тампонирующее устройство), подачу воздуха в пусковую скважину и управление режимом опыта (блок-пульт или распределительное устройство), систему замеров основных параметров в процессе опыта (блок регистрации и разжатия тампонов). Продолжительность опыта на каждой ступени составляет в среднем 2—4 ч при относительной стабилизации расхода воздуха в интервале пусковой скважины в течение 1—1,5 ч. Испытания ведутся по схеме «снизу — вверх» или «сверху — вниз». Специальный комплект оборудования для опытных нагнетаний воздуха ОНВ-1 разработан институтом Гидропроект.

На основе обработки результатов опытных нагнетаний воздуха и учета перехода от характеристик воздуха к воде определяются такие параметры, как коэффициенты фильтрации и пьезопроводности, величина активной пористости (пустотности) пород, фильтрационная анизотропия. Самым важным вопросом, определяющим достоверность оценки расчетных параметров, является обоснованность расчетной схемы, принимаемой для обработки результатов опытных нагнетаний.

Опытные наливы в шурфы. Наиболее распространенным и разработанным методом изучения фильтрационных свойств связных и рыхлых пород зоны аэрации являются опытные наливы в шурфы, которые обеспечивают фильтрационное опробование пород на глубину до 5 м (при ярусном проведении опытов на глубину до 10—15 м). Сущность опытов заключается в наблюдениях за ходом инфильтрации воды из шурфов и снятии характеристик инфильтрационного потока в условиях постоянного уровня воды в шурфе в процессе опыта. Метод инфильтрации воды из шурфов, предложенный впервые А. К. Болдыревым, применяется сейчас в различных модификациях (по Н. С. Нестерову, Н. К. Гиринскому, Н. Н. Биндеману и др.). В процессе опыта смыкание инфильтрующейся воды с грунтовым потоком должно быть исключено и, следовательно, опыты по наливам воды в шурфы осуществляются при глубине залегания уровня подземных вод не менее 4—5 м. В таких условиях основными действующими силами при инфильтрации воды из шурфа являются гидростатический напор слоя воды и капиллярное давление, совпадающее по направлению с инфильтрацией и проявляющееся в капиллярном всасывании воды. Особенно существенно влияние капиллярного всасывания на инфильтрацию воды в суглинистых и глинистых породах и несущественно в хорошо проницаемых породах (песках и супесях). Проведение опыта может осложняться боковым растеканием инфильтрационного потока и влиянием защемленного в породах воздуха.

С достаточной для целей практики точностью влияние защемленного воздуха может быть оценено по формуле С. Ф. Аверьянова, устанавливающей связь между коэффициентом водопроницаемости пород Kwпри влажности их Wи коэффициентом фильтрации пород К в условиях их полного насыщения:

(IV.42)

Влияние бокового растекания может учитываться, не учитываться или частично исключаться в процессе опыта.

В основном все практикуемые методы определения водопроницаемости по данным инфильтрации воды из шурфа, кроме метода Н. Н. Биндемана, основаны на расчетах по формулам установившейся фильтрации.

Способ А. К. Болдырева. В испытуемой породе до заданной глубины отрывается шурф, у бровки которого устанавливаются два бака, поочередно наполняемые водой в ходе опыта. Из баков по опущенной вниз трубке подается на дно шурфа вода с интенсивностью, обеспечивающей постоянный слой воды высотой около 10 см. Толщина слоя воды в шурфе контролируется по мерной рейке (рис. 31).

Рис. 31. Схема опытной инфильтрации воды из шурфа по способу А. К. Болдырева

Рис. 32. Схема установки для опытов по инфильтрации из шурфа по способу Н. С. Нестерова (цифрами даны размерыустановки в мм)

Расход воды Qчерез площадь поперечного сечения фильтрующей воды со определяется по формуле

(IV.43)

где h_к— капиллярное давление, развивающееся при инфильтрации; Z— толщина слоя воды в шурфе; l— глубина просачивания воды.

Пренебрегая капиллярным давлением и принимая в процессе длительной инфильтрации напорный градиент близким к единице, коэффициент фильтрации из формулы (IV.43) можно определить при известном расходе потока Qкак скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице:

, (IV.44)

где Q– стабилизировавшийся в процессе опыта расход воды.

При определений коэффициента фильтрации по формуле (IV. 44) действительно можно принимать напорный градиент б VIблизким к единице, так как величина lнамного больше Zи, следовательно, l=(l+ Z)/l≈1. Однако при этом не учитывается действие капиллярных сил, а также боковое растекание потока, поэтому способом Болдырева допустимо пользоваться для приближенного определения коэффициента фильтрации в песчаных и трещиноватых породах, где влияние капиллярных сил и бокового растекания невелико.

Способ Н. С. Нестерова. Для того чтобы уменьшить влияние бокового растекания, Н. С. Нестеров предложил на спланированное дно шурфа устанавливать концентрично два стальных цилиндра разного диаметра, вдавливая их на глубину 5—10 см (рис. 32). В оба цилиндра наливается вода (высота слоя Z=10 см) и в процессе всего опыта поддерживается на одном и том же уровне, с помощью двух сосудов Мариотта, наполненных водой. Опыт ведется до стабилизации расхода воды через внутреннее кольцо прибора во времени.

Допускается, что вода из кольцевого промежутка, образованного внешним и внутренним цилиндрическими кольцами, расходуется на просачивание, боковое растекание и капиллярное всасывание. Вода, заполняющая внутренний цилиндр, расходуется главным образом на инфильтрацию в вертикальном направлении, что позволяет приближенно принимать поперечное сечение инфильтрационного потока равным поперечному сечению внутреннего цилиндра. Следовательно, этот метод значительно упрощает определение поперечного сечения потока.

Для определения глубины просачивания бурятся две скважины небольшого диаметра: одна — на расстоянии 3—4 м от стенки шурфа до опыта и другая — в центре внутреннего кольца по окончании опыта. Глубина просачивания устанавливается по величине влажности породы. Вычисление коэффициента фильтрации ведется по формуле

Способ Нестерова дает лучшие результаты в слабопроницаемых породах, особенно в покровных суглинках и лессах. К недостаткам способа относятся приближенный учет капиллярного растекания и длительность проведения опытов.

Способ Н. К. Гиринского. Он основан на гидромеханическом решении для стационарного осесимметричного потока, учитывает растекание инфильтрационного потока, силы капиллярного всасывания и влияние защемленного воздуха, остающегося в порах пород, насыщаемых при инфильтрации. В шурф, пройденный на необходимую глубину, через полый цилиндр, вдавливаемый в его дно на 1—2 см, наливают воду. Диаметр цилиндра принимается от 35 до 50 см, что упрощает последующие расчеты. Подача воды в цилиндр и поддержание в нем постоянного уровня осуществляется с помощью предложенного Е. В. Симоновым автоматического регуля­тора.

В процессе опыта ведется учет расхода воды на инфильтрацию (для контроля опыта строится график Q= f(t). По достижении стабилизации расхода (отклонение от среднего расхода не более 10% в течение 2—3 ч) опыт прекращается. Длительность опыта в мелкозернистых песках и супесях 5—10 ч, в глинистых породах больше.

Значение коэффициента фильтрации К (м/сут) определяется в зависимости от величины установившегося расхода воды Q(л/мин) и условий проведения опыта по формуле

K= , (IV.46)

где а — коэффициент, зависящий от глубины вдавливания кольца в породы /о и диаметра кольца d(при l₀/dдо 0,03 значение, а = 1,06; при l₀/d= 0,04 а =1,08 и при l₀/d=0,05 а = 1,1); ζ —коэффициент, величина которого зависит от значения h_k+ Zи диаметра кольца (здесь Z— слой воды в кольце, см).

Ниже приведены значения ζ при диаметре цилиндра d= 35 см. Значение коэффициента ζ при других диаметрах кольца (от 35 до 50 см) приведены в специальной литературе (14, 19).

Z+ h_K, см 10 15 20 30 35 40 45 50 55

ζ........ ……5,56 4,40 3,64 3,08 2,69 2,37 2,12 1,92 1,75

Z+ h_K, см . 60 6570 75 80 85 90 95 100

ζ......... 1,611,491,38 1,291,13 1,07 1,01 0,96 0,91

Метод Н. К. Гиринского целесообразно применять для опреде­ления коэффициента фильтрации песчаных и суглинистых пород.

Способ Н. Н. Биндемана. Для определения коэффициента филь­трации при инфильтрации из шурфов по способу Н. С. Нестерова Н. Н. Биндеман предложил обрабатывать результаты опыта по формулам неустановившейся фильтрации.

Расчет коэффициента фильтрации проводится по формуле

(IV.47)

где V — объем воды, израсходованной за время tот начала опыта; β — коэффициент, величина которого зависит от l/Zи определяется выражением β = 1— [(Z+ h_K)/l]ln[l+l/(Z+ h_K)].

Для облегчения расчетов величина р определяется по вспомогательному графику (рис. 33) в зависимости от t/t₁, где под t₁принимается промежуток времени от начала опыта, за который объем воды на инфильтрацию V_tсоставляет половину объема воды, израсходованной на инфильтрацию за время t(время t₁легко устанавливается по кривой израсходованного объема воды —V=f(t).

Метод Н. Н. Биндемана удобен, прост и не требует длительного проведения опыта (стабилизация расхода воды во времени не обязательна); он дает возможность неоднократно определять параметры по результатам одного опыта (определение осуществляется для разных значений tи t₁), показывает достаточно точные результаты и особенно эффективен при проведении опытов в слабопроницаемых породах. Точность определения К увеличивается с увеличением длительности опыта, поэтому желательно по результатам нескольких определений строить график K=f(t) и принимать за расчетное предельное значение К по этому графику (К уменьшается во времени, асимптотически приближаясь к величине, определяемой способом Н. С. Нестерова (13—15).

Рис. 33. Вспомогательный график

Рис. 34. Вспомогательный график

Наряду с определением коэффициента фильтрации пород по методу Биндемана можно определять величину капиллярного давления h_Kи недостаток насыщения μ, т. е. параметры, необходимые для прогноза неустановившейся фильтрации. Для этого, вычислив предварительно отношение t/t₁по графику l/(Z+h_K)=f(t/t₁), изображенному на рис. 34, находят величину l/(Z+h_K), по которой определяется значение капиллярного давления h_K(для этого надо знать глубину просачивания воды l), или при известном h_Kопределяется l.

Значение недостатка насыщения μ определяется в данном случае как отношение общего объема воды V, поступившей в породы из внутреннего кольца от момента начала опыта, к объему увлажненных ею горных пород ωl, т. е.

(IV.48)

где ω — площадь сечения внутреннего кольца.

Принципиально аналогичный способ, но несколько более трудоемкий в обработке результатов опыта, выполняемого по способу Н. С. Нестерова, предложен Н. Н. Веригиным (14).

Оригинальная методика обработки результатов опытной инфильтрации воды из шурфов (при постоянном напоре в инфильтрометре), основанная на графоаналитическом представлении уравнения одномерной неустановившейся инфильтрации, изложена в работе (15). Там же описан способ графоаналитической обработки экспресс-наливов в шурфы с использованием наблюдений за интенсивностью свободного понижения уровня воды в инфильтрометре при мгновенных доливах и за объемами воды, расходуемыми на инфильтрацию. Определяемые в результате обработки опытов значения коэффициента фильтрации корректируются введением поправочных коэффициентов на влияние защемленного воздуха (для этого требуется изучение профиля распределения влажности под инфильтрометром) и бокового растекания (поправка на основе точного решения Н. К. Гиринского).

Все изложенные методы предполагают однородность строения зоны, через которую осуществляется инфильтрация воды из шурфа. Наличие в этой зоне слоев более высокой или более низкой проницаемости может предопределить недостоверность результатов опыта. Поэтому при постановке опытов по инфильтрации необходимо иметь четкое представление о литологическом строении зоны аэрации, положении в разрезе относительных водоупоров или хорошо дренирующих слоев и глубине залегания подземных вод. Это позволит обоснованно выбрать схему проведения опыта, его продолжительность, методику обработки результатов опыта и их правильную интерпретацию.

Изучение фильтрационных свойств кусочнооднородных в разрезе толщ возможно путем поинтервального опробования различных в литологическом отношении слоев с помощью экспресс-наливов ограниченной продолжительности.

Изучение инфильтрационных свойств анизотропных отложений возможно при сочетании опытных наливов в шурфы с лабораторными методами определения коэффициента фильтрации (14). На основе лабораторных определений коэффициента фильтрации опробуемых пород в горизонтальном К_rи вертикальном К_в направлениях устанавливается степень их анизотропии λ² = К_в/К_r, а при известных значениях λ и достоверной величине коэффициента инфильтрации пород в вертикальном направлении К_в, определенной с помощью наливав воды в шурфы, можно определять достоверное значение коэффициента фильтрации в горизонтальном направлении К_r=К_в/λ² или среднее значение коэффициента фильтрации анизотропных пород — К_ср = vК_r•K_в=К_в/λ

Используя корреляционные связи между результатами определения фильтрационных свойств одних и тех же пород лабораторным путем и полевыми опытно-фильтрационными работами, можно уменьшить объемы более дорогостоящих полевых исследований за счет обоснованной интерполяции и экстраполяции лабораторных определений либо определений, осуществляемых другими вспомогательными методами (экспресс-опробованием, геофизическим и др.).

§ 5. Экспресс-опробование водоносных горизонтов

Экспресс-опробование водоносных горизонтов, основанное на изучении реакции опробуемых объектов на кратковременное их возмущение, получает все более широкое применение для предварительной оценки фильтрационных свойств и расчленения изучаемого разреза отложений по водопроницаемости как в процессе бурения гидрогеологических скважин (опережающее опробование с помощью специальных установок и комплектов испытательных инструментов), так и после их сооружения (экспресс-откачки, экспресс-наливы, опробование пластов с помощью специальных снарядов и пластоиспытателей, расходометрия, термометрия и др.).

Опережающее опробование водоносных горизонтов. Используется при вращательном бурении скважин в рыхлых породах с применением глинистого раствора. Оно позволяет получить качественную и количественную характеристику опробуемых в процессе бурения горизонтов с точностью, достаточной для предварительных исследований (1). По результатам откачек при опережающем опробовании, выполняемых до стабилизации понижения S_oпри известном значении дебита Q, определяется коэффициент фильтрации К. Для расчета используется формула Н. Н. Веригина, учитывающая несовершенство опытной скважины по степени и характеру вскрытия пласта:

(IV.49)

где l— длина фильтра-опробователя (обычно 1—2 м); r₀— его радиус; е — коэффициент, равный 2 при расположении фильтра у кровли или подошвы пласта и 1 при положении фильтра внутри пласта; S_p—расчетное понижение уровня с учетом потерь напора ΔS в бурильных трубах (S_P= S_O—ΔS); ζ_ф — показатель сопротивления стандартного фильтра-опробователя (в зависимости от типа фильтра и пород изменяется от 1,5 до 6,5).

При бурении глубоких скважин в устойчивых породах целесообразно пласта и горизонты опробовать с помощью специальных опробователей и пластоиспытателей, опускаемых в скважины на бурильных трубах или кабеле (см. гл. III, § 2).

Экспресс-откачки и экспресс-наливы. Эти экспресс-методы определения параметров, основанные на использовании наблюдений за изменением уровня воды в скважине в результате кратковременного водоотбора или налива воды, применяются при изучении фильтрационных свойств пород с относительно невысокой водопроницаемостью (0,01<К<5 м/сут). В более проницаемых породах восстановление уровней в результате экспресс-возмущения происходит очень быстро, и это ограничивает возможности применения рассматриваемых методов.

Мгновенное снижение уровня воды в опытной скважине (экспресс-откачка) осуществляется быстрым ее отбором (желонкой, включением насоса, открытием задвижки), мгновенный подъем (экспресс-налив) — единовременным наливом воды или погружением под уровень воды какого-либо емкого тела.

Общий недостаток экспресс-определений — зависимость искомых параметров от сохранности и состояния призабойной зоны опытных скважин и их малый диапазон действия (при незначительной степени возмущения параметры характеризуют небольшую зону пород вокруг скважины). Достоверность определения параметров может быть повышена за счет массовости экспресс-определений и учета состояния призабойной зоны.

Детальное изложение методики обработки данных экспресс-методов приведено в специальных работах (1, 13, 15,21).

Экспресс-налив (откачка) в совершенную скважину. Обработка результатов таких опытов возможна по методике Б. С. Шержукова и Н. И. Гамаюнова. С помощью серии эталонных кривых определяются последовательно водоотдача и коэффициент фильтрации опробуемых пород (1, 14, 15). Менее трудоемка оценка водопроводимости на основе приближенной зависимости, определяющей изменение уровня на конечных стадиях опытов:

(IV.50)

где S_t— повышение или понижение уровня через время tпосле опыта; V= ω S_o— объем воды, прилитой (или отобранной) в процессе возмущения (ω — сечение скважины, S_o— повышение или понижение уровня воды при экспресс-опробовании).

Обработка опыта может проводиться графоаналитическим способом — построением графика S_t=f(1/t), который, как это видно из уравнения (IV.50), представляет собой прямую линию с угловым коэффициентом B=V/4πT. Следовательно, по величине В может быть определена водопроводимость T=V/4πB. В принципе по любой точке прямолинейной части графика St= f(1/t) водопроводимость может быть определена по формуле

Экспресс-налив (откачка) в несовершенную скважину. В условиях квазиустановившейся фильтрации и при отсутствии влияния границ потока для анализа результатов экспресс-наливов (откачек) в несовершенные скважины рекомендуется использовать зависимость (15):

(IV.52)

где S_oи S_t— положение уровня по отношению к статическому на начало опыта и через время t; t_р— расчетная длина рабочей части скважины, определяемая в зависимости от ее диаметра и размеров фильтра. Для несовершенной скважины с длиной фильтра l₀и радиусом r_с:

(IV.53)

а для скважины, работающей только дном, l₀=10r_с.

Из уравнения (IV.52) следует, что график зависимости ln(S₀/S_t)=f(t) представляет собой прямую линию с угловым коэффициентом В = Kl_р/ω) (рис. 35), чем и можно воспользоваться при определении коэффициента фильтрации. Сняв с прямолинейной

Рис. 35. Экспресс-налив в несовершенную скважину: А — схема опыта; Б — график

части графика lg(S₀/S_t) =f(t) величину углового коэффициента В или координаты любой ее точки lg(S₀/S_t) и tкоэффициент фильтрации определим по формулам

(IV.54)

При проведении опытов рекомендуется заглублять фильтр опытной скважины под уровень воды не менее чем на полторы его длины, т. е. С≥1,5l₀(рис. 35).

При проведении экспресс-откачек из незакрепленных фильтрами скважин для определения коэффициента фильтрации можно пользоваться формулами К. Я. Кожанова и Л. Эрнста (14).

В отдельных случаях экспресс-опробование глубоких скважин осуществляется способом подкачки газа, заключающемся в повышении давления в предварительно загерметизированной скважине и последующей фиксации кривой восстановления сниженного таким образом уровня подземных вод (1). Для обработки опытных данных используется любой из методов обработки кривых восстановления уровня с учетом притока воды в скважину (5, 6, 15).

Рис. 36. Схема расходометрического исследования скважины при откачке: А — расходограмма Q'=f(h); Б — дифференциальная расходограмма AQ'=f(h); h₀— установившийся общий уровень воды в скважине; h_д— динамический уровень воды в скважине при откачке

Расходометрия скважин. Суть метода заключается в определении и анализе профиля расхода потока по стволу скважины при наливе, откачке или в естественных условиях. Ее применение эффективно и целесообразно в незаглинизированных скважинах. Интерпретация расходограмм осуществляется с учетом того, что осевой лоток воды в скважине изменяется лишь в интервалах проницаемых (водоносных) пород, а в пределах водоупоров он остается постоянным (рис. 36). Анализ графиков расхода воды по стволу скважины Q'=f(h) позволяет определять глубину залегания, мощность и гидродинамические параметры (водопроницаемость, напоры и др.) проницаемых пород. Границы пластов различной водопроницаемости устанавливаются по точкам перелома расходометрического графика (рис. 36, А). Расход воды в интервале проницаемого пласта находится по разности расходов потока в его кровле и подошве (Q_i= Q'_i,k—Q_iп). Характер неоднородности пластов выявляется на основе анализа графиков изменения расхода потока по их мощности; водопроницаемость и напоры каждого из пластов определяются на основе гидродинамических расчетов, учитывающих «участие» каждого из пластов в формировании общего расхода потока, его пьезометрического уровня, суммарной водопроводимости.

Методика расходометрии гидрогеологических скважин зависит от задач выполняемых исследований, геолого-технических условий объектов и вида применяемой аппаратуры. Детальное ее освещение применительно к решению гидрогеологических задач (расчленение разреза по водопроницаемости, определение фильтрационных свойств и напоров пластов, выявление зон перетока и водопоглощения, оценка работы фильтров и др.) дано в специальной литературе (1, 6, 7, 15).

Расходометрия осуществляется в фонтанирующих скважинах, при откачках, наливах и нагнетаниях в условиях установившейся и реже неустановившейся фильтрации подземных вод. Для этой цели скважина должна быть соответствующим образом оборудована и подготовлена (посадка фильтра, очистка от шлама, разглинизация, шаблонирование, прокачка, установка оборудования). На рис. 37 для примера показана схема установки расходомера в скважине при опробовании ее откачкой. При дискретных замерах расхода (практикуется наиболее часто) расходомер устанавливают в различных по глубине точках. Шаг установки прибора в зависимости от детальности и глубины исследований составляет 5—10 м при обзорных измерениях и 2-0,1 м при детальных измерениях. В результате обзорных измерений, выполняемых в открытом стволе скважины, выявляются зоны изменения расхода соды и интервалы для детальных измерений. Детальные измерения проводят с целью уточнения границ и структуры водопритоков отдельных водопроницаемых пластов (8).

Рис.37. Схема установки расходомера в скважине: 1- пульт; 2- лебедка; 3 – водоподъемные трубы; 4 – насос; 5 – кабель; 6 – центральный фонарь; 7 – вертушка; 8 – груз; 9,10-фильтры

По результатам расходометрии снимается опытная кривая распределения скоростей движения жидкости по стволу скважины, на основе которой строятся дифференциальные, кривые изменения входных скоростей или приращения расходов по стволу скважины. По характерным точкам перегиба дифференциальных кривых выделяются интервалы наиболее проницаемых пластов, и определяется приходящийся на эти интервалы расход. На основе сопоставления фактических и теоретических кривых распределения входных скоростей по мощности каждого из выделяемых пластов делается вывод об их однородности, а по соотношению расходов или скоростей по отдельным пластам и суммарной водопроводимости (определяется, любым другим методом) оцениваются параметры каждого из пластов.

Необходимо отметить, что применять описанные в настоящем параграфе экспресс-методы следует в комплексе с основными видами опытно-фильтрационных работ и с геофизическими методами исследований. Так, весьма эффективным оказывается сочетание опробования пластов специальными пластоиспытателями и опробователями с геофизическими методами исследований и расходометрией, которое позволяет получать достаточно достоверную информацию о водообильности и фильтрационных свойствах пород в, процессе поисково-съемочных работ при существенном сокращении объемов дорогостоящих откачек.

§ 6. Определение направления и скорости движения подземных вод

Для решения многих теоретических и практических задач, связанных с выявлением условий и закономерностей формирования и разрушения месторождений полезных ископаемых (в том числе и подземных вод), миграции в воде различных химических и биологических компонентов, с прогнозами изменения качества подземных вод и подтягивания различных контуров и т. п., необходимо определять направление движения подземных вод, скорость их передвижения, активную пористость и некоторые другие миграционные параметры водоносных пластов и горизонтов. Эти показатели определяются гидрогеологическими и геофизическими методами. Обычно задачи выяснения направления и действительной скорости движения подземных вод решаются совместно, хотя нередко возникает необходимость лишь в определении направления движения подземного потока.

Определение направления движения подземных вод. Направление движения подземных вод легко устанавливается при наличии карт гидроизогипс (либо гидроизопьез) по изучаемым водоносным горизонтам. По таким картам направление движения подземных вод определяется линиями токов, проведенными перпендикулярно к линиям равного напора (гидроизогипсам или гидроизопьезам) по уклону потока.

При отсутствии карт, отражающих положение свободной или пьезометрической поверхности подземных вод, для определения направления их движения необходимо иметь (или заложить) не менее трех выработок, чтобы установить отметки уровня подземных вод. Выработки желательно располагать по углам равностороннего треугольника с длиной стороны от 50 до 200 м (чем меньше уклон потока, тем больше расстояние между скважинами). По известным или установленным отметкам уровня подземных вод путем интерполяции составляется план изолиний свободной или пьезометрической поверхности и определяется направление движения потока по линиям токов (рис. 38).

Рис. 38. Схема расположения скважин для определения направления движения грунтовых вод

Для получения надежных данных о направлениях движения потоков подземных вод следует использовать материалы режимных наблюдений (карты изолиний на различные периоды времени). Определение направления движения по картам гидроизогипс (гидроизопьез) следует считать основным методом. При отсутствии карт и достоверных данных об отметках уровней в отдельных точках направление движения подземных вод можно устанавливать с помощью геофизических (фотографирование в скважинах конусов распространения красителя от точечного источника, метод заряженного тела, замеры интенсивности конвективного переноса тепла в разных направлениях от датчика, круговые измерения естественного потенциала и др.), радиоиндикаторных и других методов.

Геофизические методы определения направления движения подземных вод. Они весьма детально изложены в специальных руководствах (13, 20). Наиболее перспективными из них являются односкважинные методы, в том числе метод фотографирования конусов выноса от точечного источника красителя, при котором периодически фотографируются распространяющиеся от специальной капсулы конуса красителя на фоне стрелки магнитного или гироскопического указателя. Всего за один спуск можно выполнить до 50 снимков. Направление движения подземных вод определяется по направлению конуса выноса красителя. Для получения надежных результатов достаточно 4—5 снимков.

Точность определения направления подземного потока может быть оценена величиной относительной погрешности от 3 до 20%. В значительной мере погрешность зависит от скорости движения подземных вод. Метод может использоваться при скоростях фильтрации не ниже 0,5 м/сут. По времени существования конуса можно ориентировочно определить и скорость фильтрации υ.

Этот метод значительно менее апробирован по сравнению с радиоиндикаторным, описанным ниже, но он несколько проще в исполнении и не требует согласования с органами Санэпиднадзора.

Односкважинные методы определения направления движения подземных вод не рекомендуется использовать в породах с редкой и неравномерной трещиноватостью.

Индикаторные методы определения направления и скорости движения подземных вод. Одним из важнейших показателей миграции подземных вод является действительная скорость их движения или фильтрации υ_д, которая связана со скоростью фильтрации υ следующим соотношением:

(IV.55)

где n_а— активная в фильтрационном отношении пористость породы, равная разности между полной пористостью п₀ и объемным содержанием связной воды п_с и защемленного воздуха п₃ (т. е. n_а= n₀—n_с—n₃).

При решении задач тепломассопереноса следует учитывать, что действительная скорость фильтрации, определяющая конвективный перенос вещества и тепла с фильтрационным потоком, может изменяться за счет сорбции солей и растворов, выщелачивания, фильтрационной диффузии, теплового воздействия воды и пород, влияния микроорганизмов и других факторов (5, 15).

При наличии карт гидроизогипс (гидроизопьез) и данных о коэффициенте фильтрации и пористости водоносных пород действительная скорость фильтрации υ_д может быть определена по значению скорости фильтрации (υ= KI) с учетом соотношения (IV.55).

Однако более надежным представляется определение действительной скорости движения подземных вод с помощью специальных полевых опытов, среди которых наибольшее практическое применение получили индикаторные методы, основанные на введении в испытуемый горизонт через пусковые скважины каких-либо индикаторов и определении скорости их передвижения в условиях подземного потока по времени появления индикаторов в наблюдательных скважинах.

В качестве наиболее часто практикуемых индикаторов используются красящие вещества (флюореецеин, метиленовая синька, родамин-В, уранин, эритрозин и др.), электролиты (поваренная соль, хлористый аммоний, соли лития и др.) и радиоактивные индикаторы (соединения, содержащие ¹³¹I, ⁸²Вг, ³Н, ⁶⁰Со, ⁵¹Сг и др.).

Перед проведением опыта участок работ необходимо хорошо, изучить в геолого-гидрогбологическом отношении. В пусковых и наблюдательных скважинах с помощью геофизических исследований, расходе метрии, лабораторных работ и поинтервального опробования должны быть выделены, соответствующим образом изучены и при необходимости (при послойном опробовании) изолированы пласты, горизонты или интервалы, подлежащие исследованию. Наблюдательные скважины для прослеживания передвижения индикатора закладываются ниже по потоку на расстоянии от 0,5 до 2 м в Суглинистых и супесчаных породах, от 2 до 8 м в песчаных зернистых породах, от 5 до 15 м в гравийно-галечных и хорошо проницаемых трещиноватых породах и от 15 до 50 м и более в закарстованных породах. Количество наблюдательных скважин может изменяться от одной до трех при расстоянии между ними от 0,5 до 2 м. В принципе возможно определение направления и скорости движения подземных вод и без наблюдательных скважин (односкважинные методы), если для таких определений используются данные наблюдений за изменением концентрации индикатора во времени или за его распространением непосредственно в пусковой скважине (фотографирование конусов распространения красителей, термометрические и радиоиндикаторные замеры и т. д.).

Рис. 39. Изменение концентрации индикатора С в наблюдательной скважине во времени t:

1 — точка появления индикатора в наблюдательной скважине; 2 — точка максимальной концентрации индикатора

Появление индикатора в наблюдательных скважинах устанавливается химическим, электролитическим и калориметрическим способами, при этом первые два дают наиболее надежные результаты.

При химическом способе появление индикатора устанавливается по изменению его концентрации в периодически отбираемых из наблюдательных скважин пробах воды. Для более точного и обоснованного установления момента появления индикатора в наблюдательной скважине результаты определения изображаются в виде графика изменения концентрации индикатора во времени C= f(t). Время прохождения индикатора от пусковой до наблюдательной скважины tмакс исчисляется с момента его запуска в пусковую скважину до момента максимальной концентрации индикатора в наблюдательной скважине (рис. 39). Действительная скорость движения подземных вод υ_допределяется как частное от деления, пройденного индикатором расстояния lна время: υ_д = l/t_макс(6, 21).

Аналогичным образом определяется действительная скорость движения воды при электролитическом и калориметрическом способах обнаружения индикатора в наблюдательных скважинах. В первом случае время появления индикатора в наблюдательной скважине фиксируется по максимальной силе электрического тока в цепи, замкнутой через скважину (максимальная сила тока отвечает моменту прохождения индикатора-электролита через наблюдательную скважину). Во втором случае время прохождения индикатором-красителем наблюдательной скважины определяется по максимальной интенсивности окраски отбираемых проб воды (интенсивность окраски оценивается с помощью флюороскопа). При использовании любого метода для более надежного определения момента появления индикатора в наблюдательной скважине необходимо строить графики изменения наблюдаемого показателя (силы тока или концентрации красителя) во времени, аналогичные изображенному на рис. 39.

Радиоиндикаторные методы. В последние годы все более широкое применение для определения направления и скорости движения подземных вод, а также для решения многих других практических задач приобретают радиоиндикаторные методы. В качестве индикаторов для мечения воды используются различные радиоизотопы. Контроль за перемещением изотопов ведется по замерам интенсивности излучения и определения их концентрации (21).

Возможность использования радиоактивных индикаторов низких концентрацией, их сравнительно незначительная сорбциоиная способность и высокая точность определений предопределяют большие перспективы применения радиоиндикаторных методов для решения гидрогеологических задач и, в частности, для определения направления и скорости движения подземных вод. Наибольшее применение в качестве индикаторов находят Соединения, содержащие ¹³¹I, ⁸²Вг, ³Н, ⁵¹Сг, ⁶⁰Со, ⁸⁶Rb, ³⁵S, ²⁴Naи др. (21).

Радиоиндикаторные методы применяются в различных вариантах и модификациях (односкважинные и с наблюдательными скважинами, одноиндикаторные и двухиндикаторные и др.).

Суть односкважинного радиоиндикаторного метода заключается в проведении наблюдений за изменением во времени концентрации введенного в скважину радиоактивного индикатора. Изменения концентрации индикатора во времени и эпюры распределения его активности, получаемые с помощью зонда, опускаемого в скважину, являются основанием для определения расхода, скорости и направления движения потока подземных вод. Особенно эффективным является этот метод при импульсном введении радиоиндикатора.

Радиоиндикаторные методы с наблюдательными скважинами в методическом отношении аналогичны описанным выше: фиксируется появление индикатора в наблюдательной скважине, и время его передвижения от пусковой до контрольной точки используется для определения действительной скорости фильтрации.

ЛИТЕРАТУРА

1.Алексеев В. С, Рохлин Л. Я., Тесля А. Г. Экспресс-опробование гидрогеологических скважин. Обзор. Сер. «Гидрогеология и инженерная геология». М., ВИЭМС, 1972, 50 с.

2.Бабушкин В. Д., Плотников Н. И., Чуйко В. М. Методы изучения фильтрационных свойств неоднородных пород. М., «Недра», 1974, 208 с.

3.Биндеман Н. И., Язвин Л. С. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. М, «Недра», 1970, 215 с.

4.Боревский Б. В., Самсонов Б. Г., Язвин Л. С. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек. М., «Недра», 1973, 304 с.

5.Бочевер Ф. М., Гармонов И. В., Лебедев А. В., Шестаков В. М. Основы гидрогеологических расчетов. М., «Недра», 1969, 368 с.

6.Васильевский В. Н., Петров А. И. Исследование нефтяных пластов и скважин. М., «Недра», 1973, 344 с.

7.Гринбаум И. И. Расходометрия гидрогеологических и инженерно-геологических скважин. М., «Недра», 1975, 271 с.

8.Изыскания и оценка запасов промышленных подземных вод. М., «Недра», 1971, 244 с.

9.Инструкция и методические указания по определению коэффициентов фильтрации, водоносных пород методом опытных откачек из скважин И-38—67. М., «Энергия», 1967, 184 с.

10.Инструкция и методические указания по определению водопроницаемости горных пород методом опытных нагнетаний в скважины И-39—67. М., «Энергия», 1968, 95 с.

11.Керкис Е. Е. Методы изучения фильтрационных свойств горных пород. М — Л., «Недра», 1975, 231 с.

12.Климентов П. П., Кононов В. М. Динамика подземных вод. М., «Высшая школа», 1973, 440 с.

13.Методическое руководство по гидрогеологическим и инженерно-геологическим исследованиям для мелиоративного строительства. Вып. 1—3. М., Изд-во Гипроводхоза, 1972, 130 с.

14.Определение водопроницаемости неводоносных горных пород опытными наливами в шурфы И-41—68. М., «Энергия», 1969, 62 с.

15.Опытно-фильтрационные работы. Под ред. В. М. Шестаков а и Д. Н. Башкатова. М., «Недра», 1974, 202 с.

16.Поиски и разведка подземных вод для крупного водоснабжения (метод, пособие). Коллектив авторов. М., «Недра», 1969, 328 с.

17.Плотников Н. И. Поиски и разведка пресных подземных вод для целей крупного водоснабжения. М., Изд-во МГУ, 1968, 420 с.

18.Самсонов Б. Г., Бурдукова О. Л., Кривошеева Л. И. Рекомендации по обработке результатов опытных работ на основе уравнений неустановившегося движения. М., Изд-во Второго гидрогеолог, управл., 1969, 104 с.

19. Справочное руководство гидрогеолога. Т. 2. М. — Л., «Недра», 1967, 360 с.

20.Чураев Н. В., Ильин Н. И. Радиоиндикаторные методы исследования движения подземных вод. М., Атомиздат, 1973, 176 с.

21.Шестаков В. М. Динамика подземных вод. М., Изд-во МГУ, 1973, 327 с.