Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Гидрогеология и основы геологии

ПОЛЕВЫЕ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАБОТЫ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ

ТИПЫ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН И ОТКАЧКИ ИЗ СКВАЖИН

Сооружения, предназначенные для захвата и извлечения подземных вод, используемых для различных целей (водоснабжения, орошения, водопонижения), называются водозаборными.

В конструктивном отношении водозаборные сооружения подразделяются на вертикальные (скважины, шахтные колодцы, шурфы), горизонтальные (каптажные галереи, дренажные канавы, водозаборные траншеи, кяризы, трубчатые дрены, горизонтальные скважины) и комбинированные (сочетание вертикальных сооружений с горизонтальными, например, лучевые водозаборы — сочетание шахтного колодца с горизонтальными скважинами). Наибольшее распространение из всех водозаборных сооружений в практике водоснабжения и для других целей имеют скважины (как вертикального, так и горизонтального заложения) и колодцы. По гидрогеологическим условиям все водозаборные сооружения могут быть разделены на две группы: 1) инфильтрационные; 2) фильтрационные.

Инфильтрационные водозаборы располагаются, как правило, в области активной связи подземных и поверхностных вод (в области питания) и работают в основном за счет привлечения вод поверхностных водотоков. Постоянное восполнение подземных вод при их эксплуатации за счет поступления вод поверхностных водоемов приводит к быстрой стабилизации расходов и уровней подземного потока, в связи с чем инфильтрационные водозаборы работают, как правило, в условиях установившейся фильтрации.

Фильтрационные водозаборы располагаются обычно в области распространения и стока подземных вод. При их эксплуатации привлекаются естественные запасы подземных вод (упругие и за счет осушения пласта) и естественные расходы потоков. Имея менее благоприятную природную обстановку для восполнения забираемых при эксплуатации подземных вод, фильтрационные водозаборы работают обычно в условиях неустановившейся фильтрации. При взаимосвязи водоносных горизонтов и наличии перетекания фильтрационные водозаборы могут работать и в условиях установившейся фильтрации.

Вертикальные водозаборы, вскрывающие грунтовые безнапорные воды, называются грунтовыми; вертикальные же водозаборы, вскрывающие напорные (артезианские) подземные воды, носят название артезианских скважин, или колодцев.

По степени вскрытия водоносных горизонтов различают совершенные и несовершенные грунтовые и артезианские скважины (колодцы).

Совершенные выработки вскрывают эксплуатируемый водоносный горизонт на всю мощность, обеспечивая поступление воды в выработку по всей длине ее водоприемной части в пределах мощности водоносного пласта (рис. 10.1, а).

Несовершенные выработки не вскрывают водоносного горизонта по всей мощности и обеспечивают поступление воды в пределах вскрытой части через боковые стенки или дно выработки (рис. 10.1, б).

Рис. 10.1. Типы грунтовых и артезианских скважин [14]: а — совершенные; б — несовершенные

У несовершенных скважин водоприемная часть (фильтровая или бесфильтровая) может располагаться в любой части водоносного пласта (у кровли или свободной поверхности, у подошвы или в средней части пласта). Если водозаборное сооружение работает, не испытывая влияния других водозаборов, то оно называется одиночным в отличие от взаимодействующих водозаборных сооружений.

Взаимодействующие водозаборы, состоящие из скважин, различаются по схемам их расположения. При этом может иметь место как их закономерное расположение (линейное, кольцевое, по сетке), так и произвольное. Взаимодействие водозаборов приводит к ухудшению условий их работы, так как при этом происходит наложение депрессионных воронок взаимодействующих водозаборов. При работе водозаборных скважин вследствие непрерывного отбора воды вокруг них начинает формироваться депрессионная воронка. При этом в безнапорных водах происходит осушение водоносного пласта в пределах интенсивно развивающейся депресси- онной воронки. В напорных водах вследствие наличия избыточных над кровлей пласта напоров непосредственного осушения пласта не происходит, и поступление воды в скважину обеспечивается за счет высвобождения ее упругих запасов при снижении напоров в пределах развивающейся депрессии и перехвата естественного расхода потока.

В первый период эксплуатации водозаборных скважин депрессионная воронка развивается очень интенсивно как в глубину, так и ширину. При этом основные параметры потока в сечениях вокруг скважин прерывно изменяются, что отвечает периоду резко выраженной неустановившейся фильтрации. Со временем интенсивность развития депрессионной воронки затухает и происходит стабилизация уровней и дебитов потока по всем его сечениям, что отвечает периоду установившейся фильтрации. При этом отбор воды из скважин компенсируется ее притоком в пределах стабилизировавшейся воронки депрессии.

Размеры депрессионной воронки характеризуются радиусом влияния скважины при ее эксплуатации R, под которым понимается радиус кругового контура питания, концентричного скважине и обеспечивающего ее дебит при откачке (приведенный радиус питания по В.Н. Щелкачеву).

Нередко дальнейший рост депрессионной воронки прекращается в связи с тем, что в ее пределах в процессе откачки обеспечивается интенсивное поступление воды от дополнительных источников питания (перетекание из соседних горизонтов, поступление воды из поверхностных водотоков). При незначительных естественных уклонах потоков подземных вод влияние откачки распространяется одинаково во всех направлениях и формирующаяся депрессионная воронка является симметричной относительно оси скважины. В таких природных условиях воронка в плане имеет форму круга с концентрическим расположением линий равного напора (гидроизогипс или гидроизопьез) и радиальными линиями токов (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Схема движения воды к артезианской скважине [14]

Движение подземных вод к водозаборным скважинам на большинстве участков может рассматриваться как плановое двухмерное, описываемое дифференциальным уравнением Фурье [22, 23].

Учитывая, что при этом фильтрация подземных вод является радиальной осесимметричной, для получения решений ее рассматривают в цилиндрической системе координат как одномерную радиальную фильтрацию.

Общее дифференциальное уравнение, описывающее радиальную фильтрацию напорных и безнапорных вод в цилиндрических координатах, имеет вид [22]:

где U — напорная функция, которая для напорного потока принимается равной тН, для безнапорного — h2/2; а — соответственно коэффициент пьезопроводности при напорной фильтрации и коэффициент уровнепроводности — при безнапорной.

При dU / Э/ = 0 уравнение (10.1) описывает установившуюся фильтрацию радиального потока подземных вод.

Фильтрация подземных вод к взаимодействующим водозаборным сооружениям носит сложный характер, являясь радиальной на некотором удалении от них, поэтому она рассматривается как планово-радиальная. Такой же сложный характер имеет фильтрация к скважинам, расположенным вблизи границ области фильтрации. Для получения решений в таких условиях широко используются принцип сложения течений и метод зеркальных отображений.

Эксплуатация водозаборных скважин осуществляется в основном с помощью различного рода насосных установок с постоянной во времени производительностью. Поэтому при расчетах производительность скважин принимается постоянной, а решения получают применительно к определению положения уровня подземных вод при работе скважин с постоянным во времени дебитом.

Важнейшей задачей гидрогеологических исследований является определение расчетных гидрогеологических параметров водоносных горизонтов и пород зоны аэрации, без которых невозможны количественная оценка и различного рода инженерные расчеты и прогнозы при решении разнообразных народнохозяйственных задач. Гидрогеологические параметры (характеризующие главным образом фильтрационные свойства и водообильность горных пород) определяют на основе полевых опытно-фильтрационных работ (откачек из скважин, наливов и нагнетаний в скважины, наливов в шурфы, экспресс-опробований), стационарных гидрогеологических наблюдений, лабораторных работ, геофизических исследований, моделирования. При этом во всех случаях (кроме геофизических исследований) определение гидрогеологических параметров сводится к решению обратных задач, т.е. соответствующие уравнения движения подземных вод решаются относительно входящих в них гидрогеологических параметров.

Значения напоров, расходов и других элементов потока, входящих в исходные уравнения, принимаются равными их фактическим значениям, устанавливаемым в процессе исследований (при опытно-фильтрационных работах в полевых и лабораторных условиях, при стационарных наблюдениях и т.п.).

Чаще всего в гидрогеологической практике для определения параметров проводят опытно-фильтрационные работы (откачку, налив, нагнетание, экспресс-опробование). Достаточно надежные значения гидрогеологических параметров могут быть получены по данным режимных наблюдений и моделирования, однако в этих случаях необходимы сведения об изменении уровней и расходов потока по сети наблюдательных точек (скважин, створов, постов).

Лабораторные методы определения фильтрационных свойств применяют для массовых ориентировочных оценок на начальных этапах исследований. Воду фильтруют через отобранные образцы горных пород при помощи специальных фильтрационных приборов. Применяют также эмпирические методы определения фильтрационных свойств, основанные на учете связи этих свойств с различными показателями горных пород (гранулометрическим составом, пористостью и др.), определяемыми в лабораторных условиях.

Геофизические методы дают результаты, пригодные для ориентировочных оценок фильтрационных свойств и гидрогеологического расчленения изучаемого разреза. Их применяют также для определения направления и скорости движения подземных вод (индикаторные и другие методы). Для повышения надежности определения гидрогеологических параметров и экономической эффективности исследований целесообразно применять комплекс различных методов с учетом их специфики, характера и требований решаемых задач, конкретных условий изучаемого объекта и других факторов.

Основным видом опытно-фильтрационных работ являются опытные откачки. Их почти всегда применяют при опробовании водоносных пород, особенно при проведении изысканий для целей водоснабжения, осушения и дренажа. В зависимости от назначения откачки подразделяют на пробные, опытные и опытно-эксплуатационные, различающиеся продолжительностью проведения и конструкцией опытного куста скважин, состоящего из центральной и наблюдательных скважин.

Пробные откачки. Их применяют чаще всего на первых этапах поисково-разведочных работ. Пробные откачки производят практически из всех скважин, пробуренных в процессе гидрогеологических исследований. На стадии поисковых работ основной целью пробных откачек являются получение сравнительной характеристики фильтрационных свойств и водообильности пласта на отдельных участках распространения водоносного горизонта, ориентировочная оценка качества подземных вод и установление их свободной или пьезометрической поверхности.

На стадиях предварительной и детальной разведки пробные откачки производят из всех разведочных и разведочно-эксплуатационных скважин для предварительного определения их возможной производительности, как правило, на одну ступень понижения уровня в течение не более 1,5 сут. Понижение уровня измеряют от статического уровня подземных вод до сниженного в результате откачки. Ступенью называют величину понижения уровня воды при заданном дебите скважины.

Опытные откачки. Они являются основным видом фильтрационных исследований на стадиях предварительной и детальной разведки. Опытные откачки подразделяются на одиночные (при отсутствии наблюдательных скважин) и кустовые (при их наличии).

Одиночные опытные откачки производят в процессе разведки из разведочных и разведочно-эксплуатационных скважин для определения коэффициента фильтрации и зависимости дебита скважины от понижения уровня: Q=f(s). Их ведут на две ступени понижения уровня при зернистых водоносных горизонтах и на две- три ступени — при трещиноватых породах. Продолжительность откачки определяется временем стабилизации понижения уровня на каждой из ступеней и может составлять 10 сут и более.

Кустовые опытные откачки применяют на стадиях предварительной и детальной разведки для определения расчетных гидрогеологических параметров, изучения и оценки граничных условий пласта и опытного определения понижения уровня. Они обеспечивают более надежное определение гидрогеологических параметров, чем одиночные откачки. Количество наблюдательных скважин, их расположение и продолжительность кустовой откачки определяют в каждом конкретном случае с учетом гидрогеологических особенностей объекта изучения, назначения откачки и других факторов.

Если откачка из одной скважины (центральной) обеспечивает ощутимое понижение уровня в наблюдательных скважинах (из-за высокой водообильности и водопроводимости изучаемого горизонта), то производят опытную групповую откачку из нескольких скважин, являющуюся разновидностью кустовой откачки. Кустовые откачки выполняют обычно на одну ступень понижения уровня, продолжительность их — не менее трех суток.

Опытно-эксплуатационные откачки. Их производят из одной или нескольких скважин только на стадии детальной разведки в сложных гидрогеологических условиях, чтобы определить возможную производительность водозабора или установить закономерности изменения уровней при его эксплуатации, а также возможное изменение состава подземных вод.

Откачки ведут в самое неблагоприятное по условиям питания подземных вод время (меженный период) с дебитом, близким к проектному водоотбору, в течение 1—3 мес, а иногда и дольше. Их данные принимают за основу при прогнозах условий работы водозаборных и дренажных сооружений.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
 
Популярные страницы