Методические рекомендации к выполнению курсового и дипломного проектов к главе «Опытно-фильтрационные работы».

Министерство образования и науки  Республики Казахстан Геологоразведочный колледж. Методические рекомендации к выполнению курсового и дипломного проектов к главе «Опытно­фильтрационные работы». По специальности 0703 «Гидрогеология и инженерная геология». Семей 2011 год. Рассмотрено на заседании ГБ ПЦК Приказ №________от____________ Председатель ГБ ПЦК : _____________ Составил преподаватель спец. дисциплин : Кимкина В.М. Введение. Задачей курсового и дипломного проектирования является подведение итогов теоретических и практических знаний, полученных учащимися, как в колледже,   так   и   на   производстве   и   проверка   реализации   этих   знаний   при решении   конкретной   задачи   ­   составлении   проекта   на   проведение геологоразведочных работ. Задача,   поставленная   перед   учащимся,   находится   в   тесной   связи   с требованиями, предъявляемыми к технику­гидрогеологу на производстве. Данное   методическое   указание   составлено   основываясь   на   проекты геологоразведочных организаций с указанием полного перечня проводимых работ. При   проведении   поисково­разведочных   работ   определение гидрогеологических   параметров   водоносных   пород   является   одной   из главных   задач,   без   решения   которой   невозможны   количественные   оценки, расчеты и прогнозы в связи с хозяйственным освоением подземных вод. Для оценки фильтрационных свойств и водообильности горных пород применяются следующие методы: ­ полевые опытно­фильтрационные работы; ­ по данным режимных наблюдений за подземными водами; ­ лабораторные исследования; ­ геофизические методы; ­ методы моделирования. Каждый   из   этих   методов   характеризуется   различной   степенью надежности   получаемых   результатов   и   применяется   зачастую   комплексно, дополняя друг друга. Все эти методы имеют свою определенную специфику проведения и неоднозначны по своей значимости. Преобладающим в практике гидрогеологических   исследований   являются   полевые   опытно­ фильтрационные работы.  К   полевым   опытно­фильтрационным   работам   относятся   откачки   из скважин,   шурфов,   колодцев,   горных   выработок,   наливы   и   нагнетания   в скважины, наливы в шурфы, экспресс­методы (экспресс­откачка, экспресс­ налив, опережающее опробование). Степень достоверности получаемой информации о гидрогеологических параметрах у каждого из этих методов различная и зависит от правильности выбора метода получения результатов и других показателей.  Откачки из скважин, шурфов, колодцев, горных выработок являются преимущественными   видами   опытных   работ   при   гидрогеологических исследованиях для организации водоснабжения, орошения, осушения и др. Откачками   опробуются,   как   правило,   наиболее   перспективные   основные водоносные горизонты и при этом определяются следующие показатели: ­ дебит и удельный дебит скважины; ­ величина понижения уровня подземных вод в скважинах; ­ рассчитывают коэффициент фильтрации; ­ оценивают показатели и динамику развития депрессионной воронки; ­ степень гидравлической взаимосвязи подземных и поверхностных вод; ­ степень взаимосвязи между водоносными горизонтами; ­ степень взаимодействия между собой возмущающих скважин и т.п.  Наливы и  нагнетания используются при незначительной водоотдаче или водообильности   водоносных  пород,  при  определении  этих  свойств   в нена­ сыщенных водой породах. Опытные   нагнетания   проводятся   обычно   для   определения фильтрационных свойств трещиноватых скальных и полускальных пород. Наливы   в   скважины   проводятся   при   изучении   рыхлых   отложений,   а наливы в шурфы – в рыхлых и связных грунтах зоны аэрации. Экспресс­методы   необходимы   для   предварительной   оценки фильтрационных   свойств   пород   и   предполагают   использование   для   этого специального оборудования и оригинальной методики расчетов. Откачки, их виды и методика проведения Откачки являются одним из основных видов опытно­фильтрационных работ,   проводящихся   с   целью   изучения   гидрогеологических   условий водоносных горизонтов и комплексов. Откачка    это   способ   принудительного   отбора   подземных   вод   из скважин,   колодцев,   шурфов,   шахт   и   т.д.,   вызывающий   деформацию естественного фильтрационного поля, причем, чем интенсивней деформация фильтрационного   поля   напоров   (уровней,   скоростей),   тем   информативней результат.   Откачка,   проводящаяся   при   самоизливе   воды   из   скважины, называется   выпуском.   Это   наиболее   надежный,   но   весьма   дорогой   метод получения   информации   (35   –   60   %   от   общих   затрат   на   разведку). Эффективность откачки зависит от правильного ее обоснования, проведения и интерпретации результатов. Методы   проведения   откачек   зависят   от   стадии   гидрогеологических исследований, на которой они проводятся, назначения и природных условий объекта. Под понятием методика проведения откачек понимается: ­ выбор вида откачки; ­ выбор схемы опытного куста и его положение на местности; ­ характер и степень возмущения пласта (на какое понижение, количество ступеней понижения и т.п.); ­ продолжительность откачки; ­ последовательность осуществления операций при откачке; ­ обоснование конструктивных особенностей скважин в кусте; ­ обоснование способов контроля за дебитом, понижением, температурой и качеством подземных вод; ­ обоснование способа отведения воды от опытной скважины. Пробные   откачки   выполняются   на   всех   стадиях   исследований   для получения сравнительной характеристики фильтрационных свойств пласта и предварительного определения возможности производительности скважин. Опытные одиночные откачки  проводятся для оценки фильтрационных свойств пласта и определения зависимости между дебитом и понижением. Опытные кустовые откачки  необходимы для оценки фильтрационных свойств пласта, гидрогеологических параметров и оценки граничных условий. Опытно­эксплуатационная   откачка  проводится   в   сложных гидрогеологических условиях для определения опытным путем возможностей производительности   водозабора   и   изменения   качества   подземных   вод   при эксплуатации. При проведении всех видов откачек рекомендуется следующее : 1) откачки   надо   проводить   с   максимальным   для   данного   насосного оборудования постоянным дебитом; 2) снижение уровня в пределах опробуемого пласта должно быть не менее 3 – 5  м в опытных скважинах и не менее 0,3 – 0,5 м в наблюдательных; 3) для получения искомых параметров, основанных на закономерностях квазистационарной фильтрации, откачка должна быть продолжительностью не менее 2 – 3 суток; 4) по степени и характеру вскрытия опытные скважины должны быть по возможности совершенными; 5) ближайшие   наблюдательные   скважины   должны   быть   на   расстоянии, превышающем мощность опробуемого пласта; 6) для   более   точного   определения   параметров   призабойной   зоны   жела­ тельно наличие затрубного пьезометра; 7) необходимо наличие режимных скважин вне зоны влияния откачки.  Откачки на несколько ступеней понижения  осуществляются,  начиная с меньшего понижения уровня (кроме трещиноватых пород и мелкозернистых песков). Понижение должно быть не менее 1 – 2 м и в 2 – 3 раза меньше максимально возможного. Частота замеров уровня определяется в зависимости от темпов его сни­ жения   и   должна   обеспечить   представительный   материал   для   дальнейших расчетов. Обычно   частота   замеров   в   процессе   откачки   выглядит   следующим образом: ­ в первые 2 ч.  через 5 – 10 мин; ­ в последующие 12 ч.   через 0,5 – 1,0 ч; ­ далее до конца откачки  через 2 – 3. В процессе восстановления уровня наблюдения ведутся: ­ первые 15 – 20 мин.  через 1 – 2 мин; ­ в течение 1 – 2 ч.  через 2 – 10 мин; ­ затем через 1 ч. на весь период наблюдений. Продолжительность   откачки   должна   обеспечивать   стабилизацию уровней   во   всех   наблюдательных   скважинах   для   условий   стационарного режима   фильтрационного   потока   или   получения   представительных   для интерпретации   участков   графиков   прослеживания   уровня   при неустановившемся режиме фильтрации. Для   напорных   песчано­гравийно­галечных   водоносных   горизонтов рекомендуется длительность откачки от 5 до 10 сут., иногда  до 15 сут. В   безнапорных   зернистых   и   трещиноватых   водоносных   горизонтах продолжительность кустовой откачки принимается 10 – 15 сут. Откачки   для   определения   взаимосвязи   между   подземными   и поверхностными водами проводятся обычно не более 15 сут. и за это время, зачастую, наступает стабилизация уровня. Как известно, кустовые откачки проводятся: ­ для определения гидрогеологических параметров; ­ для изучения и оценки граничных условий. Кусты   для   определения   гидрогеологических   параметров   водоносного горизонта   должны   размещаться   равномерно   по   изучаемой   площади   и подальше от возможных границ пласта. Число наблюдательных скважин, их размещение   и   дебит   опытной   скважины   должны   предопределять   их нахождение в зоне квазистационарного режима фильтрационного потока. Лучи   наблюдательных   скважин   должны   быть   ориентированы   в направлении возможных изменений гидрогеологических условий:  ­ изменения трещиноватости; ­ изменения фильтрационных свойств; ­ изменения емкостных свойств; ­ выявления   границ   пласта   с   постоянным   напором   или   постоянным расходом. Число   наблюдательных   скважин   может   быть   от   двух   до   десяти,  что зависит от гидрогеологических условий и целей опыта. При простых гидрогеологических условиях, к которым относятся од­ нородные   напорные   водоносные   горизонты   в   зернистых   или   равномерно трещиноватых   породах,   рекомендуется   использование   2   –   3   ­   х   наблю­ дательных скважин, расположенных на одном луче. В сложных гидрогеологических условиях (неоднородные безнапорные водоносные   горизонты   в   зернистых   породах,   напорные   и   безнапорные водоносные   горизонты   в   трещиноватых   и   закарстованных   породах   и   т.п.), рекомендуется организация  двухлучевого  куста  с количеством скважин от трех до десяти. В каждом случае число наблюдательных скважин выбирается индивидуально в зависимости от сложности гидрогеологических условий. При откачках, проводимых для изучения и оценки граничных условий пласта,   задается   по   два   луча:   один   параллельно   границе,   а   другой перпендикулярно к ней. Число наблюдательных скважин может колебаться от четырех до шести. При   исследовании   глубоких   водоносных   горизонтов   необходимо   ог­ раничиваться минимальным количеством наблюдательных скважин (учитывая высокую стоимость бурения). В каждом случае необходимо по возможности включение в наблюда­ тельную   сеть   всех   имеющихся   скважин   (поисковых,   картировочных,   раз­ ведочных),   а   при   проектировании   работ   учитывать   возможность   такого использования парка скважин. Расстояние   от   опытной   скважины   до   ближайшей   наблюдательной должно быть примерно равно мощности водоносного пласта. При мощности пласта более  100 м  0,7 мощности. Остальные наблюдательные скважины в кусте   должны   располагаться   так,   чтобы   на   графике   площадного   просле­ живания точки замеров уровней располагались равномерно. Этому условию отвечает зависимость r r  1n n , где  rn+1 и rn  расстояния до наблюдательной скважины;   коэффициент для безнапорных вод, равный 1,5; для напорных – 2,5. Расстояние от самых удаленных наблюдательных скважин до опытной не должно быть более 150 м для безнапорных вод и 1500 м  для напорных.  В   литературных   источниках   на   основании   богатого   опыта   работ приводятся   рекомендации   по   размещению   наблюдательных   скважин   при проведении кустовой откачки (табл. 1). Дебит опытной скважины должен обеспечивать при понижении уровня в центральной скважине на 3 – 4 м понижения на конец опытной откачки в самой удаленной наблюдательной скважине не менее 20 см. Выбор дебита скважин   зависит   от   предполагаемой   водопроводимости   пласта   (Km). Практика показывает, что при водопроводимости горизонта 50 – 500 м2/сут дебит   опытной   скважины   должен   быть   равен   5    25   дм3/с,   при   во­ допроводимости                                     500 – 1000  м2/сут.    25 – 50 дм3/с, при водопроводимости 1000 – 3000 м2/сут.– 50 – 150 дм3/с. Рекомендации по размещению  первой и второй наблюдательных скважин в кустах (при продолжительности откачек 3 – 5 сут. для напорных и 5 – 10 сут. для безнапорных вод) Таблица 1 Водоносные горизонты Гидравлический характер горизонта Пески мелко­ и средне­ зернистые Пески крупнозернистые Гравийно­галечниковые отложения Трещиноватые породы Напорные воды Грунтовые воды Напорные воды Грунтовые воды Напорные воды Грунтовые воды Напорные воды Грунтовые воды Максимальное расстояние, м до второй наблюдател наблюдательной до первой скважины ьной скважины 80 10 200 15 200 25 80 30 150 15 450 30 450 40 150 50 В состав документации опытно­фильтрационных работ входят: ­ разработка   расписания   для   регистрации   уровней   и   дебитов   (схема маршрутного обхода скважин, частота замеров); ­ регистрация уровней и дебитов в полевом журнале; ­ построение индикаторных графиков  ,   (рис. 1),  )t(fS  )t(fQ  а также  (lgfS  )t ,  (lgfS  )r ,  (lgfS  . 2 r )t Рис. 1. Примерный график колебания динамического уровня и дебита  при откачке из одиночной скважины Под   натурным   исполнением   проекта   опытно­фильтрационных   работ понимается: ­ перенесение на натуру всех запроектированных скважин; ­ бурение опытной и наблюдательных скважин; ­ оборудование   устья   скважин   для   наблюдений   за   уровнями   и   расхо­ дом воды; ­ строительство водовода для сброса воды. Обработка результатов откачек сводится к составлению сводного листа откачек и расчету параметров исследуемого водоносного горизонта. При этом необходимо   учитывать   возможные   колебания   естественного   уровня подземных   вод,   что   устанавливается   по   наблюдательным   скважинам, расположенным вне зоны влияния откачек. На листе откачек приводятся следующие материалы: ­ схема  расположения  скважин  опытного куста в масштабе 1:500 – 1:2 000, ситуация местности, направление подземного потока; ­ геолого­технический разрез по скважинам опытного куста по каждому лучу   (в   масштабе   1:500   –   1:2   000   и   по     возможности     без     искажения масштаба).   На   разрезе   показываются   отметки   поверхности   земли, статического   и   динамического   уровней   подземных   вод,   кривых   депрессии, интервал установки фильтра; ­ сведения о технической характеристике фильтра, откаченного средства, оборудования для наблюдений за уровнями и дебитами; ­ графики колебания уровня и дебита в процессе откачки (совмещенные). Наносятся все замеры уровней, включая наблюдения за естественным уровнем воды и за восстановлением уровня после откачки; ­ графики временного, площадного и комбинированного прослеживания с указанием   основных   расчетных   параметров   (А,   С)   для   определения фильтрационных свойств водоносных горизонтов и оценки влияния граничных условий на режим откачки; ­ таблица   основных   данных   откачки,   где   приводятся   сведения   о   дате, времени   и   продолжительности   откачки,   величины   понижения,   дебита, результатах расчета коэффициента фильтрации и других параметров; ­   таблица   результатов   определения   химического   состава   и   минерализации подземных вод с указание типа воды и формулой Курлова.   Пробные откачки являются наиболее массовым видом опытных работ, которыми опробуются практически все гидрогеологические скважины. Эти откачки   проводятся   из   поисковых,   картировочных,   наблюдательных   и разведочных скважин для предварительной оценки фильтрационных свойств водовмещающих   пород   и   качества   подземных   вод   для   получения сравнительной характеристики различных участков водоносных горизонтов.  Пробные откачки производятся на стадии поиска для предварительной оценки   фильтрационных   свойств   и   качества   воды   отдельных   водоносных горизонтов для получения сравнительной характеристики различных участков распространения основных водоносных горизонтов с целью выбора площади разведочных работ. При   проведении   разведки   пробные   откачки   производятся   для определения   возможной   производительности   разведочно­эксплуатационнах скважин – для уточнения фильтрационных свойств водоносных пластов по площади и в разрезе. Если пробными откачками оцениваются различные интервалы разреза водоносного горизонта (комплекса), то они называются интервальными.  Пробная   откачка   производится   из   одиночной   скважины   с   одним максимально возможным понижением уровня продолжительностью 1 – 2 сут. (помимо времени, затраченного на прокачку скважины). Продолжительность пробной откачки для каждой скважины определяется проектом работ. Опытные откачки  проводятся главным образом на этапе поисково ­ оценочных работ и разведки и являются основным видом гидрогеологических работ.   фильтрации, Цели   проведения   опытных   откачек   заключаются   в   определении основных   гидрогеологических   параметров   водоносных   горизонтов (коэффициентов и уровнепроводности, водоотдачи, приведенного радиуса влияния, суммарного сопротивления   русловых   отложений),   изучении   граничных   условий водоносных горизонтов в плане и разрезе, оценки взаимосвязи подземных и поверхностных   вод,   взаимодействия   смежных   водоносных   горизонтов, установлении   зависимости   между   дебитом   и   понижением   уровня, определении   оптимальной   производительности   эксплуатационных   скважин, водопроводимости,     пьезо­ определении   величин   срезок   уровня   при   совместной   работе   эксплуата­ ционных скважин. Опытные   откачки   в   зависимости   от   наличия   или   отсутствия наблюдательных скважин подразделяются на одиночные и кустовые. Опытные  одиночные откачки из скважины с одним понижением уровня проводятся   только   на   стадии   разведки   из   разведочных   и   разведочно­ эксплуатационных скважин с целью установления максимально возможного, близкого по величине к проектному дебиту скважины, а также для изучения качества   подземных   вод   и   ориентировочной   оценки   коэффициента водопроводимости (фильтрации) водоносного горизонта. Опытные одиночные откачки из скважин с несколькими понижениями уровня   необходимо   проводить,   когда   дебит   разведочно­эксплуатационных скважин   при   откачке   существенно   меньше   проектного   и   необходимо установить зависимость между дебитом скважины и понижением уровня воды. Для   получения   кривой   дебита   в   большинстве   случаев   достаточно   двух понижений   уровня   и   лишь   в   безнапорных   трещинно­карстовых   горизонтах необходимо три понижения уровня. Опытную   одиночную   откачку   следует   проводить   с   постоянным расходом   или   с   постоянным   понижением   уровня.   Во   время   откачки допускается отклонение дебита или понижение уровня от среднего не более чем на 10 %. Продолжительность   опытной   одиночной   откачки   из   скважины, количество ступеней расхода, их последовательность в каждом конкретном случае   определяются   проектом   работ,   но   продолжительность   откачки   на каждой   ступени   не   должна   превышать   2   –   7   сут.   в   зависимости   от   типа месторождения. Величина   максимального   понижения   уровня   должна   составлять   не менее   50   –   60   %   от   расчетного   понижения   уровня   в   скважине   при эксплуатации. Откачку   целесообразно   начинать   с   большего   понижения   уровня,   а переход   на   меньшее   понижение   уровня   осуществляется   после   полного восстановления   уровня,   пониженного   при   первом   понижении   уровня. Продолжительность опытной одиночной откачки на наименьшем понижении уровня по сравнению с максимальным может быть несколько сокращен. Если водоносный горизонт представлен  песками, то откачку следует начинать с наименьшего уровня. Второе понижение уровня должно быть в 2 – 3 раза меньше максимально возможного,   но   не   менее   1   м.   Если   при   увеличении   понижения   уровня наблюдается   увеличение   удельного   дебита,   откачку   на   наименьшем понижении   уровня   следует   повторить,   предварительно   добившись восстановления статического уровня. В процессе откачки замеры расхода и уровня воды проводятся первые 2  ч.  –  через  10  мин.  и   далее   до   конца   откачки   –  через   один   час,   замеры температуры воды и воздуха через два часа. После   остановки   опыта   необходимо   провести   восстановление   уровня воды   в   скважине.   Замеры   уровня   проводить   со   следующими   интервалами: первые 15 мин. – через минуту, далее в течение часа – через 5 мин., затем – через час до полного восстановления уровня (последние 5 – 6 часов уровень подземных вод должен быть неизмененным). Измерение расхода воды объемным способом производится не менее 3­х раз. Разница в значениях времени, необходимого для наполнения емкости, не должна превышать 2 %. Для расчета расхода принимается среднее время по трем показателям секундомера. Опытная   одиночная   откачка   должна   быть   непрерывной,   но   если   в процессе   откачки   имело   место   кратковременная   остановка   (1   –   2   ч.),   то продолжительность откачки после остановки должна быть   в 10 раз больше продолжительности остановки. Опытная   кустовая   откачка  –   основной   вид   опытных   работ   при разведке   месторождения   подземных   вод.   Проводится   для   определения расчетных   гидрогеологических   параметров   водоносных   горизонтов (коэффициентов и уровнепроводимости,   водоотдачи,   перетекания,   приведенного   радиуса, суммарного   сопротивления   русловых   отложений,   опытное   определение величин срезок уровня), изучения граничных условий водоносных горизонтов в   плане   и   в   разрезе   (взаимосвязи   поверхностных   и   подземных   вод, взаимодействия смежных водоносных горизонтов и т. д.). водопроводимости, пьезо­   фильтрации,       Разновидность опытной кустовой откачки – опытная групповая откачка, которая проводится из 2 – 3 центральных скважин, когда отбор воды из одной центральной скважины не может обеспечить необходимой точности расчетов в связи с незначительными абсолютными величинами понижений уровня из­за высокой водопроводимости водоносного горизонта. Опытную   кустовую   (групповую)   откачку   осуществляют   с   одним максимально   возможным   понижением   уровня.   При   этом   опытные   кусты скважин   необходимо   располагать   на   участках   будущего   водозабора равномерно,   чтобы   получить   полную   характеристику   по   пощади   будущего водозабора   и   ближайших   к   ней   участков   водоносного   горизонта.   В   тех случаях, когда кустовая откачка проводится для изучения граничных условий водоносных   горизонтов,   местоположение   куста   скважин   определяется изучаемой границей. При выборе местоположения опытного куста следует учитывать, что наилучшие результаты при определении гидрогеологических параметров дают откачки,   в   процессе   проведения   которых   на   опытные   закономерности понижений уровня не накладывается влияние границ. Влияние границы, независимо от ее природы, считается малым в течение ,   если   дальняя   наблюдательная   скважина   располагается   от времени   t   >  tk возмущающей на расстоянии r    0,5l  ( где  l  – расстояние до границы). Если конфигурация   границы   известна   детально,   допустимо   большее   удаление наблюдательных скважин: в параллельном луче r = 0,6l во внутреннем луче r  0,8l.   Такое   удаление   позволяет   использовать   крайние   наблюдательные скважины   для   определения   гидрогеологических   параметров   способом площадного прослеживания. Выбор  схемы опытного куста заключается в обосновании количества возмущающих   и   наблюдательных   скважин   и   их   взаимного   расположения   в плане   и   разрезе   опробуемого   участка.   Минимальное   количество наблюдательных   скважин   в  опытном   кусте  должно  быть   не  менее  трех.  И только   в   достаточно   однородных   пластах   можно   ограничиваться   двумя   с использованием в дальнейшем для определения водопроводимости формулы Дюпюи.   По   мере   увеличения   сложности   гидрогеологических   условий возрастает количество наблюдательных скважин. Рекомендуется   следующее   количество   наблюдательных   скважин:   для однородных   водоносных   пластов   2 –  3,  для   неоднородных   пластов  3  – 4, весьма   неоднородных   4   –   10.   При   размещении   скважин   опытного   куста необходимо придерживаться лучевой системы. При большой глубине залегания водоносного горизонта (более 300 м) число   специально   разбуриваемых   наблюдательных   скважин   сокращается   за счет увеличения продолжительности откачки в вовлечения в сферу развития депрессии более удаленных разведочных скважин. В   зависимости   от   гидрогеологических   условий   проектируется   одно­, двух­   и   трехлучевые   кусты.   Однолучевые   кусты   проектируются   в относительно однородных пластах на удалении от границ; двухлучевые кусты ­ в анизотропных пластах, где один луч ориентируется параллельно границе, другой ­ нормально к ней. Если влияние границы нежелательно, нормальный луч   задается   в  направлении   от   неё   (луч   внутренний),   при   необходимости информации о границе ­ в направлении к ней (луч встречный). Трехлучевые кусты задаются в неоднородных пластах со сложными границами. Положение   наблюдательных   скважин   относительно   центральных   на разных   лучах   должно   различаться.   Расстояние   от   возмущающей   до соответствующей наблюдательной скважины (rn) определяется по формуле                                                rn  r1n­1   ,                                                                                             (5.2)   где    –   коэффициент,   принимаемый   для   безнапорных   горизонтов равным 1,5; для напорных – 2,5;  n  –   порядковый   номер   наблюдательной   скважины   (   нумерация возрастает   в   направлении   от   возмущающей   скважины,   по   одному   лучу присваивают четные номера, по другому ­ нечетные, при однолучевом  кусте ­ нечетные номера; r1 – расстояние до наблюдательной ближайшей скважины, определяемое из выражения  r1(071)m, где m ­ мощность водоносного горизонта. В приречной зоне для изучения взаимосвязи с рекой задается опытный куст скважин в наиболее характерных пунктах разведуемого участка долины вдоль береговой линии. Возмущающая скважина размещается на расстоянии 25   –   40   м   от   меженного   уреза   воды   в   реке.   Наблюдательные   скважины располагаются   по   двум   лучам   (параллельный   и   перпендикулярный   по отношению к береговой линии). Положение   наблюдательных   скважин   на   параллельном   луче   должно соответствовать   требованиям,   приведенным   выше,   причем   расстояние   от возмущающей   скважины   до   дальней   наблюдательной   скважины   не   должно превышать расстояние от возмущающей скважины до реки. Первая наблюдательная скважина на перпендикулярном луче находится от   возмущающей   скважины   на   расстоянии,   превышающем   0.7   мощности водоносного   пласта,   вторая   располагается   на   урезе   реки   рядом   с гидрометрическим постом. Если река узкая (менее 50 – 70 м) или отсутствует совершенная   гидравлическая связь поверхностных и подземных вод, то на противоположном берегу бурится третья наблюдательная скважина. В   опытных   кустах,   которые   сооружаются   для   изучения   условий   наблюдательные   скважины взаимодействия   водоносных   горизонтов, закладываются   на   все   горизонты.   Наблюдательные   скважины   на   смежные горизонты   закладываются   рядом   с   наблюдательными   скважинами   на опробуемый горизонт и одну из них, оборудованную на горизонт, из которого может происходить перетекание, следует располагать рядом с возмущающей скважиной.                  При   наличии   водоупоров   мощностью   несколько   десятков   метров   с коэффициентом фильтрации     К < 10­4  м/сут. эффект перетекания ощутимо проявляется через длительный промежуток времени (более 10 суток). В   каждом   конкретном   случае   продолжительность   опыта   для определения перетекания рассчитывается расчетным путем. Количество   возмущающих   скважин   при   опытной   кустовой   откачке определяется   необходимостью   получения   расхода,   способного   обеспечить требуемое   понижение   уровня   в   удаленных   наблюдательных   скважинах   и разницу   между   понижениями   в   соседних   (составляет   не   менее   0,20   м). Понижение уровня в возмущающей скважине должно быть не менее 3 – 4 м. Возмущающие   скважины   располагаются   компактно   в   вершине   лучей наблюдательных скважин. Расстояние между возмущающими скважинами () должно быть для безнапорных пластов  = 0,3r1. В зависимости от строения водоносного горизонта опытные кустовые откачки должны проводиться со следующими расходами: ­   дочетвертичные   пески,   слабые   песчаники,   некарстующие трещиноватые породы (Km = 50  500 м2/сут; Q = 5  25 дм3/c);   ­   четвертичные   аллювиальные   пески,   аллювиально­пролювиальные песчано­гравийные отложения, сильно трещиноватые и трещинно­кавернозные пласты (Km = 500  1000 м2/сут; Q = 25  50 дм3/c);    ­   галечники   с   песчано­гравийным   заполнителем,   интенсивно трещиноватые и закарстованные пласты (Km = 1000  3000 м2/сут; Q = 500  1500 дм3/c и более).   Перед   началом   опытной   кустовой   откачки   необходимо   провести нивелировку   всех   скважин   с   целью   приведения   их   к   одной   плоскости сравнения и промерить расстояние от центральной скважины до оси каждой из наблюдательной, составить план их расположения в масштабе 1:100.  Опытную кустовую откачку следует проводить с постоянным дебитом. Во время откачки допускается отклонение дебита от среднего не более чем на 10 %. Продолжительность опытной кустовой откачки принимается равной t = 4tk (tk – время наступления квазистационарного режима в дальней наблюдательной скважине) , t k  2 r 4,0  где  – коэффициент пьезопроводности; r – расстояние до дальней наблюдательной скважины. При проведении опытных кустовых откачек в условиях стационарного режима их продолжительность должна быть такой, чтобы время стабилизации уровня при постоянном расходе составляло не менее одной трети от общей продолжительности   опыта.   Под   стационарным   режимом   подразумевается отсутствие изменений расхода и уровня во времени. В процессе опытной кустовой откачки и восстановления уровня замеры расхода   и   уровня   воды   в   скважинах   осуществляются   со   следующими интервалами: первые 15 мин. – через минуту, далее в течение часа – через 5 мин.,       затем – через час. В   течение   первого   часа   откачки   и   восстановления   уровня   на   всех скважинах опытного куста должны находиться наблюдатели и производить одновременные замеры по единому сигналу. После первого часа в процессе откачки   и   восстановления   уровня   наблюдателей   должно   быть   такое количество, чтобы они выполняли все замеры в течение 0,5 часа. Измерения   расхода   воды   необходимо   производить   не   менее   3­х   раз. Разница в значениях времени, необходимого для наполнения мерной емкости, не должна превышать 2 %. Для расчета расхода принимается среднее время по трем показаниям секундомера. В   процессе   опытной   кустовой   откачки   и   восстановления   уровня необходимо   строить   график   зависимости   дебита   и   понижения   уровня   в возмущающих и наблюдательных скважинах от времени откачки и графики прослеживания    S = f(lgt), S = f(lg(t/r2)), S = f(lgr). Только после получения на этих   графиках   необходимых   асимптотических   участков   либо   достижения стабилизации откачка может быть прекращена. В журнале опытной кустовой откачки необходимо отмечать цвет воды и примесей в ней, причину и продолжительность остановки опыта, сведения о пробах воды. Опытно­эксплуатационная   откачка  проводится   при   разведочных работах в следующих случаях: ­ в   сложных   гидрохимических   условиях   при   наличии   опасности подтягивания   некондиционных   вод   в   вертикальном   разрезе   или   в   случае расположения   водозабора   в   непосредственной   близости   (несколько   сотен метров) от контура распространения привлекаемых некондиционных вод; ­ из одной или группы скважин на месторождениях подземных вод третьей группы в сложных гидрогеологических и гидрохимических условиях, которые не могут быть отображены в виде расчетной схемы. Целью   опытно­эксплуатационной   откачки   является   установление закономерностей   изменения   уровней   подземных   вод   или   их   качества   при заданном   водоотборе,   т.е.   условий   длительной   работы   эксплутационных скважин.   Опытно­эксплуатационная   откачка   позволяет   оценить   качество применяемой конструкции скважины и оборудования. При этом возмущающие разведочные   и   разведочно­эксплуатационные   скважины   располагаются   в точках заложения будущих эксплуатационных скважин.   Расстояние между возмущающими скважинами выбирается с учетом возможности их взаимодействия, которое определяется при предварительном одиночном   опробовании.   По   линии   водозабора   наблюдательные   скважины должны располагаться возле каждой возмущающей скважины и между ними. В сторону выявленных и предполагаемых границ участка располагаются лучи из 2 – 4 наблюдательных скважин.    При   наличии   в   кровле   опробуемого   пласта   обводненных   или слабопроницаемых   отложений   на   них   также   оборудуются   2   –   3 наблюдательные скважины.   Если   в  процессе   эксплуатации   ожидается   осушение   того   или   иного обводненного   интервала   водоносного   горизонта,   то   при   опробовании скважины этот интервал должен быть перекрыт глухими трубами.   Расход   опытно­эксплуатационной   откачки   подбирается   близким   к эксплуатационному,   т.к.   существенное   превышение   проектного   дебита   по сравнению   с   опытным   может   привести   к   изменению   закономерностей снижения уровня. Если выполнение этого условия   связано с большими материальными затратами (необходимость опробования большого числа скважин), то расход опытно­эксплуатационной   откачки   должен   быть   не   меньше   30   –   50   %   от расхода будущего водозабора.   Опытно­эксплуатационная   откачка   проводится   при   постоянном расходе   на   одно   понижение   до   полной   стабилизации   зависимости   между расходом   и   понижением   или   до   установления   закономерности   снижения уровня при постоянном расходе.   Продолжительность   опытно­эксплуатационной   откачки   обычно составляет   1.0   –   3.0,   редко   5   –   7   месяцев.   При   определении продолжительности   опыта   следует   исходить   из   следующих   основных требований: ­ во   всех   возмущающих   и   наблюдательных   скважинах,   кроме удаленных,   должен   быть   достигнут   квазистационарный   режим   изменения уровня;  ­ квазистационарный   режим   должен   быть   достигнут   с   учетом взаимодействия всех возмущающих скважин. Это условие соблюдается при параллельности графиков изменения уровней во времени   S  =  f(lgt) по всем скважинам в центральной зоне опытного куста; ­ в   процессе   кустовой   откачки   изменения   уровня   должны наблюдаться   у   границ   питания   и   разгрузки   опробуемого   водоносного горизонта.   Прекращение   длительной   откачки   производится   после   того,   как устойчивая работа скважины наблюдается в течение 10 – 20 сут. Опытно­ эксплуатационная   откачка   на   участках   с   ограниченными   естественными ресурсами проводится при двух ступенях возмущения, различающихся в 2 – 2,5 раза. Дебит при первой ступени откачки должен быть равен естественным ресурсам   либо   близок,   либо   превышать   их,   а   саму   откачку   желательно проводить в период меженного стояния уровня подземных вод.  В процессе опытно­эксплуатационной откачки и восстановления уровня замеры расхода и уровня воды в скважинах осуществляются со следующими интервалами: первые 15 мин. – через минуту, в течение первого часа – через 15 минут, затем первые 2 сут. – через час и далее через два часа.   В   течение   первого   часа   откачки   и   восстановления   уровня   на   всех скважинах   должны   находиться   наблюдатели   и   производить   одновременные замеры   по   единому   сигналу.   После   первого   часа   в   процессе   откачки   и восстановления уровня наблюдений должно быть такое количество, чтобы они выполняли все замеры в течение 0,5 часа.  В процессе опытно­эксплуатационной откачки и восстановления уровня необходимо   строить   график   зависимости   дебита   и   понижения   уровня   в возмущающих и наблюдательных скважинах от времени откачки и графики прослеживания S = f(lgt), S = f(lg(t/r2)) и S = f(lgr). Только после получения на этих   графиках   необходимых   асимптотических   участков,   либо   достижения стабилизации откачка может быть прекращена.     В журнале опытно­эксплуатационной откачки необходимо отмечать цвет воды и примеси в ней, причины и продолжительность остановки опыта, сведения о пробах воды. Определение параметров водоносных горизонтов по результатам откачек Параметры   водоносных   горизонтов,   характеризующие   емкостные   и фильтрационные   свойства   водовмещающих   пород,   служат   основой   для гидрогеологических   расчетов,   выполняемых   при   поисково­разведочных работах   для   решения   задач   водоснабжения,   орошения,   проектирования   и эксплуатации горнорудных предприятий, захоронения промышленных стоков и   др.   Основными   гидрогеологическими   параметрами   водоносного   пласта являются:   коэффициенты   фильтрации,   водопроводимости,   пьезо­   и уровнепроводности. При проведении откачки развитие депрессионной воронки зависит от следующих факторов: ­ осушение пласта (для безнапорных вод); ­ изменение упругого режима (для напорных вод); ­ перетекание из нижележащих и вышележащих водоносных горизонтов; ­ привлечение подземных вод, разгружающихся в естественных условиях (родниковый сток); ­ границы пласта в плане и разрезе; ­ естественные колебания уровня подземных вод; ­ технические факторы (колебание дебита и пр.). Таким   образом,   режим   подземных   вод   при   откачках   определяется тремя группами факторов: ­ гидрогеологическими   условиями   (строением   водовмещающей   толщи   и условиями на границах пласта в плане и разрезе); ­ естественным режимом подземных вод (внешними влияниями); ­ техническими условиями проведения опыта. Основная   группа   факторов   –   первая.   Рассмотрим   закономерности режима   для   типовых   гидрогеологических   условий,   характеризующихся различными условиями на границах водоносного горизонта в плане и разрезе и строением водовмещающей толщи. По особенностям режима подземных вод, которые следует учитывать при   анализе   данных   опытно­фильтрационных   исследований   и   определении основных   гидрогеологических   параметров,   целесообразно   следующим образом типизировать гидрогеологические условия: 1)   неограниченные   водоносные   горизонты,   условно   однородные   по проницаемости и изолированные по кровле и подошве: ­ напорные водоносные горизонты в рыхлых отложениях; ­ безнапорные водоносные горизонты в рыхлых отложениях; ­ напорные и безнапорные водоносные горизонты в трещиноватых породах; 2) водоносные горизонты в слоистых толщах: ­ двухслойное строение водоносной толщи; ­ многослойное строение водоносной толщи; 3) ограниченные водоносные горизонты: ­ водоносные   горизонты,   связанные   с   поверхностными   водотоками   и водоемами; ­ водоносные горизонты, ограниченные непроницаемыми контурами; ­ водоносные   горизонты,   состоящие   из   отдельных   зон   с   различной водопроводимостью и (или) водоотдачей; ­ участки   водоносных   горизонтов   с   локальными   очагами   питания   и разгрузки. Отбор   воды   из   артезианских   скважин   вызывает   снижение   только пьезометрического   напора   подземных   вод   при   постоянной   мощности водоносного горизонта, а откачка воды из скважины в грунтовых условиях обуславливает осушение водоносного горизонта и уменьшение его мощности. Если   при   работе   скважины   во   время   откачки   обеспечивается непрерывное   восполнение   отбираемой   воды,   то   она   работает   в   условиях установившейся фильтрации. Этот режим работы скважины характерен для водозаборов, расположенных вблизи контура питания подземных вод. Располагая данными о постоянном дебите и установившемся понижении в процессе кустовой откачки коэффициент фильтрации можно определить для артезианских вод (рис. 2) по следующим зависимостям:  Рис. 2. К определению гидрогеологических параметров  при откачке из артезианской скважины для центральной скважины                                              Q366,0K  Rn lg r c mS c ;                                           для центральной и наблюдательной скважин                                           Q366,0K  r 1 lg S(m c r c  )S 1 ;                                            для двух наблюдательных скважин                                           K  ,0 366 Q ;                                            r 2 lg ( Sm 1  r 1 S ) 2 Для   грунтового   водоносного   горизонта   (рис.   3)   коэффициент фильтрации определяется: Рис. 3. К определению гидрогеологических параметров  при откачке  из грунтового водоносного горизонта для центральной скважины n Rlg( )r  S)SH2( c c e ; c Q732,0K  для центральной и наблюдательной скважин ; r 1 r c S)(S 1  c )S 1 lg  c SH2(  e Q732,0K  для двух наблюдательных скважин ; K  ,0 732 Q lg 2( SH 1 e   )( S 1  S 2 ) r 2 r 1 S 2 где    Q – дебит центральной скважины,| м³/сут; rc – радиус центральной скважины, м; r1, r2 – расстояния от центральной скважины до первой и второй                          наблюдательных скважин, м; He – мощность грунтового водоносного горизонта; м; m – мощность артезианского пласта, м; Sc, S1, S2 – понижение уровней в центральной, первой и второй              наблюдательных скважинах, м; Rn – приведенный радиус влияния, м. Приведенный радиус влияния (Rn) определяется по данным кустовой откачки   при   наличии   двух   наблюдательных   скважин   по   следующим зависимостям: для напорных вод                                                                         Rlg n  rlgS 1 2 S 1   rlgS 2 1 S 2 ;                                               для грунтовых вод                                    Rlg n   e rlgS)SH2( 2  SH2( 1 1  1 e ;                                rlgS)SH2( e 1 S)(S 2 1 2 )S 2   2 Неустановившийся режим фильтрации характеризуется тем, что при откаче   с   постоянным   дебитом   наблюдается   постоянное   снижение депрессионной кривой. Причем в начальный этап откачки неустановившийся режим выражен очень резко. На втором этапе откачки движение подземных вод   остается   неустановившимся,   но   характер   его   значительно   меняется   – депрессионная   кривая  продолжает   снижаться,  но  уровни,  снижающиеся   во времени, остаются параллельными самим себе (рис. 4). Рис. 4. Совершенная артезианская скважина при  квазистационарном режиме откачки Режим   подземных   вод   при   опытных   откачках   в   неограниченных напорных   горизонтах   в   рыхлых   отложениях   формируется   в   результате проявлений   упругого   режима.   Зависимость   между   понижениями   уровня   и временем описывается уравнением Тейса, имеющим следующий вид:                                         S  4 Q (EmK   ,                                           2 r )ta4  i где S    понижение напора на расстоянии r от скважины, из которой прово­ дится откачка, через время t после начала откачки; Q  дебит откачки; Km  водопроводимость водоносного горизонта; a  коэффициент пьезопроводности; Ei  интегральная показательная функция. С   возрастанием   времени   аргумент   функции   Ei  уменьшается   и   при  можно заменить ее с погрешностью менее 7,8 % и записать уравнение r2 ta4   1,0 в логарифмической формуле                                             S  Q 183,0 ta25,2lg(mK    2 r . )                          Начиная с того момента,  когда  интегральную показательную функцию можно   заменить   логарифмом   на   опытном   участке   и   наступает квазистационарный   режим   фильтрации,   а   зона,   в   которой   справедлива зависимость   между   понижением   и   временем,   называется   зоной   (областью) квазистационарного режима. Время наступления квазистационарного режима определяется по формуле                                                           .                                              t 0  2 r5,2  a Радиус   зоны   квазистационарного   режима   определяют   по   следующей зависимости:   . r K ta58,1   0 Утверждение, что в напорном изолированном пласте понижение уровня через   определенное   время   после   начала   откачки   связано   с   логарифмом времени   прямолинейной   основой графоаналитического   метода   определения   расчетных   параметров   путем анализа графиков S = f(lgt). зависимостью,   послужило   Действительно,   зная,   что   при   применении   логарифмов   умножение заменяется сложением, т.е. lg(ab) = lga + lgb и, рассмотрев в этом аспекте уравнение , получим Q183,0S Q183,0  Km Km at25,2lg( ) 2 a25,2(lg( 2 a25,2lg( 2 Q183,0 Km )t  )tlg )    r r r      Q183,0 Km a25,2lg( 2 r Q183,0)  Km .                                                                    tlg Рассмотрев   слагаемые   этого   уравнения,   убедимся,     что   переменной величиной   здесь   является   лишь   время   t.   Таким   образом   обозначим постоянные , Q183,0 Km a25,2lg( A) 2  r Тогда уравнение примет вид . Q183,0 Km  C tlgCAS  . Это уравнение можно представить на графике S = f(lgt) виде прямой  линии, отсекающей   от оси ординат отрезок А и наклоненной к оси абсцисс с угловым коэффициентом C = tg  (рис. 5). α в Рис.5. График изменения уровня в процессе откачки из бесконечного  напорного пласта в координатах S = f(lgt) (график временного прослеживания) Из   уравнения   ,   определяя   уклон   графика,   можно   оценить водопроводимость . Зная отрезок А, отсекаемый на оси ординат, и уклон С, можно найти коэффициент пьезопроводности    ; Km  Q183,0 C 35,0rlg2alg    .  A C .                                                 )tlg  Q183,0S  Km a25,2(lg( ) 2 r Предлагаем   иные   преобразования   и   получим   следующие   разновидности уравнения:  at25,2(lg Q183,0S  Km Q183,0 at25,2lgm    1( at25,2lg2 )rlg                                                  Km Q183,02)rlg2 366,0 .rlgm  Обозначим постоянные                         Q183,0 at25,2gm   ;                                           A                                                                                                               Q366,0  m  C и тогда уравнение примет вид rlgCAS   . Это   уравнение   представляется   на   графике   S   =   f(lgr)   прямой   линией (рис. 6). Значение   параметров   водоносных   горизонтов   определяется   здесь следующим образом: ; Km  Q366,0 C A2alg  35,0C  . tlg  Рис.6. График изменения уровня в процессе откачки из бесконечного  напорного пласта в координатах S = f(lgr) (график площадного прослеживания) Осуществив преобразование уравнения в следующем виде, получим: .                                       S  Q183,0 Km rlga25,2(lg )t  2  Q183,0 Km Q183,0a25,2lg Km  2 rlg t Отсюда . 2 rlgCAS  t Это уравнение представляется на графике S = f(lg(r2/t)) прямой линией (рис.7). Рис.7. График изменения уровня в процессе откачки из бесконечного напорного  пласта в координатах S = f(lg(r2/t)) (график комбинированного прослеживания) Значения параметров водоносного горизонта рассчитываются в данном случае по следующим формулам:  ; Km  Q183,0 C . Aalg 35,0C  Обработку   материалов   опытной   откачки   с   постоянным   дебитом начинают   в   полевых   условиях   с   построения   графиков   изменения   уровня подземных   вод   в   опытной   и   наблюдательной   скважинах   в   координатах S = f(lgt) (рис.8). На   графике   для   наблюдательной   скважины   выделяется   несколько участков: I ­ участок     соответствует   начальному   моменту   откачки, квазистационарный   режим   не   установился,   точки   наблюдения   не   лежат   на прямой; ­ участок   II   соответствует   квазистационарному   режиму   фильтрации   и зависит только от свойств пород водоносного горизонта (граничные условия еще не влияют); ­ участок   III   возникает   при   деформации   в   связи   с   рядом   факторов, обусловленных влиянием границ. Характер участка III несет информацию о граничных условиях водоносного горизонта в плане и разрезе. Рис.8. График изменения уровня в процессе откачки для различных схем  (график временного прослеживания): 1  пласт­полоса с непроницаемыми границами;   2  полуограниченный пласт с непроницаемой границей; 3  неограниченный пласт;  4  двухслойный пласт с двойной пористостью; 5  полуограниченный пласт с контуром постоянного  напора  или перетоком из пласта с постоянным напором Рассмотрим несколько вариантов графиков и сделаем их анализ: 1) если график III прямолинеен и уклон его равен уклону на участке II, то пласт можно считать однородным и бесконечным (в пределах зоны влияния откачки) (рис.8, линия 3); 2) если график III прямолинеен, но уклон его отличается от уклона II (рис.8,   линия   2),   то   в   пределах   зоны   влияния   откачки   имеется   граница неоднородности (в данном случае – непроницаемая граница); 3) если уклон графика III круче (рис.8, линия 1), чем, например, линия 2, то это может быть пласт­полоса с непроницаемыми границами; 4) кривая 4 (рис.8) указывает, что имеются две или более влияющих границ; 5)   кривая   5   (рис.8)   указывает   на   влияние   границы   с   постоянным напором или перетоком из пласта. Список используемой литературы: 1.Учебное издание  Завалей Вячеслав Алексеевич « ПОИСКИ И  РАЗВЕДКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД».Алматы 2002год.