Опытные наливы в шурфы

Опытные наливы в шурфы.

Наиболее распространенным и отра­ботанным методом изучения фильтрационных свойств связных и рыхлых пород зоны аэрации являются опытные наливы в шурфы, обеспечивающие фильтрационное опробование пород на глубину до 15 м.

Суть этих опытов состоит в наблюдении за ходом инфильтрации воды из шурфов и получении характеристик инфильтрационного потока при поддержании постоянного уровня воды в шурфе в про­цессе опыта. В условиях инфильтрации воды из шурфов основ­ными действующими силами являются гидростатический напор слоя воды и капиллярное всасывание, совпадающее по направ­лению с инфильтрационным потоком. Факторами, осложняющими проведение опытной инфильтрации, являются боковое растекание инфильтрационного потока (особенно интенсивное в глинистых и суглинистых породах) и влияние на инфильтрацию защемлен­ного в породах воздуха. Эти факторы частично исключаются или учитываются при проведении опытных наливов в шурфы. При этом почти все методы определения коэффициента фильтрации по данным инфильтрации воды из шурфов основаны на расчетах по формулам установившейся фильтрации и отличаются простотой.

При проведении опытов и обработке их результатов принима­ется, что породы в зоне инфильтрационного потока однородны в фильтрационном отношении. Воду наливают через углубление круглого сечения глубиной около 0,2 м, вырытое в дне шурфа. После закрепления стенок зумпфа его дно тщательно выравнивают и покрывают защитным слоем из мелкого чистого гравия толщиной 3-5 см.

Опыт ведут при постоянной высоте столба воды в зумпфе Н₀ = 10 см, который поддерживают путем поступления воды из мерного бака через автоматические регуляторы (сосуды Мариотта или др.).

Расход воды проверяют и регистрируют в журнале каждые 10—30 мин (чем больше расход, тем чаще делают замеры). Опыт обычно продолжают до стабилизации расхода. Считается, что расход установился, если в течение двух часов он не отклоняется от среднего за это время более чем на 10%. В зависимости от лито- логического состава опробуемых пород и применяемого оборудо­вания наливы в шурфы выполняют способами А.К. Болдырева,

Н.С. Нестерова и Н.К. Гиринского или на самодельных установках.

Способ А.К Болдырева. В испытуемой породе до заданной глу­бины роют шурф сечением 1 х 1,5 м, в дне которого устраивают зумпф круглого сечения диаметром 0,5 и глубиной 0,15—0,20 м. В песчаных породах стенки зумпфа закрепляют кольцом, которое вдавливают в дно зумпфа на 5—6 см. Воду подают в зумпф из мер­ного бака по гибкой трубке. Интенсивность подачи воды должна быть такой, чтобы высота столба воды в зумпфе поддерживалась постоянной и равной 10 см. Высоту столба контролируют по рейке (допустимы отклонения не более 1 см). Расход воды фиксируют по водомерной трубке мерного бака каждые 10—15 мин. В процессе опыта строят график зависимости расхода от времени; опыт про­должают до стабилизации расхода.

Схема опыта по способу А.К. Болдырева приведена на рисунке ниже.

Схема установки для определения коэффициента фильтрации по методу А.К. Болдырева

Значение коэффициента фильтрации k определяется как уста­новившаяся скорость инфильтрации V при напорном градиенте, равном единице (в условиях опыта l=1),k=V=Q/F, где F — пло­щадь поперечного сечения зумпфа, через которую осуществляется инфильтрация воды из шурфа с расходом Q.

При таком способе определения коэффициента фильтрации не учитываются действие капиллярных сил и боковое растекание потока. Поэтому наливы в шурфы по способу Болдырева целесооб­разно применять при опробовании хорошо проницаемых пород — крупнозернистых песков, гравийно-галечниковых отложений, тре­щиноватых пород.

Способ Н.С. Нестерова. При наливах в шурф по способу Несте­рова для уменьшения влияния капиллярных сил и бокового расте­кания на дне шурфа устанавливают концентрично два цилиндри­ческих кольца высотой 20—25 см.

В процессе опыта воду при помощи сосудов Мариотта подают в оба кольца, поддерживая в них постоянный столб воды Н₀= 10 см. При этом предполагается, что вода из кольцевого зазора между внут­ренним и внешним цилиндрами расходуется преимущественно на боковое растекание, в то время как через площадь Fвнутреннего кольца она расходуется на инфильтрацию в вертикальном направ­лении.

Схема бачка и прибора Н.С. Нестерова

1 — корпус бачка; 2 — шкала; 3 — трубка для воды с краном; 4 — трубка для воз-духа; 5 — штатив; 6 — поверхность земли; 7 — уровень воды в кольцах;8 — внутреннее кольцо; 9 — внешнее кольцо; 70 — слой гравия.

В журнале наливов фиксируют лишь расход воды через внут­реннее кольцо до его стабилизации. Строится график зависимости расхода от времени. Опыт прекращается по достижении стабилизации расхода.

Общий вид графика зависимости расхода воды от времени

Коэффициент фильтрации определяют по формуле

Допустимо использовать упрощенную формулу k=Q/F, где Q — стабилизированный расход по внутреннему колльцу, м³/сут; F— площадь внутреннего кольца, м²; Н₀ — постоянный столб воды в кольцах, м; h_K — капиллярное давление, принимаемое равным 50% высоты капиллярного поднятия в испытуемых породах , м; l — глубина инфильтрационного проса­чивания воды под дном шурфа (определяется после окончания опыта путем бурения двух скважин в центре шурфа и в 3-4 м от него — по влажности вскрываемых в них пород), м.

Значения капиллярного давления h_k с учетом поправок

Грунт	Высота капиллярного поднятия hK, м
Суглинок тяжелый Суглинок легкий Супесь тяжелая Супесь легкая Песок мелкозернистый глинистый Песок мелкозернистый чистый Песок среднезернистый Песок крупнозернистый	1,00 0,80 0,60 0,40 0,30 0,20 0,10 0,05

Пример графика зависимости расхода воды по внутреннему кольцу от времени на приборе Несстерова

график зависимости расхода Q от вре­мени t.

Способ Н.К. Гиринского. Этот способ применяют для опреде­ления водопроницаемости мелкозернистых песков, супесей и суг­линков. Технически он воспроизводится, как и налив по способу Болдырева, через цилиндр диаметром от 30 до 50 см при посто­янном уровне и до стабилизации расхода.

Теоретически способ Гиринского более обоснован и точен, так как при обработке результатов опыта учитываются боковое расте­кание инфильтрационного потока, влияние капиллярных сил и за­щемленного воздуха. После опыта берут из-под цилиндра пробы пород для определения их пористости и объемной влажности и учета на этой основе влияния защемленного воздуха и бокового растекания путем введения в расчетную формулу поправочных ко­эффициентов.