Коэффициент фильтрации некоторых горных пород

 

Характеристика пород	Коэффициент фильтрации, м/сут
Очень хорошо проницаемые галечники с круп­ным песком; сильно закарстованные и сильно трещиноватые породы	100—1000 и более
Хорошо проницаемые галечники и гравий, час­тично с мелким песком; крупный песок; чистый среднезернистый песок; закарстованные, трещи­новатые и другие породы	100-10
Проницаемые галечники и гравий, засоренные мелким песком и частично глиной; среднезерни-стые и мелкозернистые пески; слабо закарстован­ные, малотрещиноватые и другие породы	10-1
Слабопроницаемые тонкозернистые пески, су­песи; слаботрещиноватые породы	1-0,1
Весьма слабопроницаемые суглинки	0,1-0,001
Почти непроницаемые глины, плотные мергели и другие монолитные скальные породы	<0,001

Для получения более обоснованных значений коэффициента фильтрации применяют расчетные, лабораторные и полевые мето­ды. Расчетным путем коэффициент фильтрации определяют пре­имущественно для песков и гравелистых пород. Расчетные мето­ды являются приближенными и рекомендуются лишь на первоначальных стадиях исследования.

Для расчетов используют одну из многочисленных эмпириче­ских формул, связывающих коэффициент фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью, степенью одно­родности и т. д.

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движе­ния воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фи­льтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным.

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение (приборы Тима, Тима—Каменско­го, трубка конструкции СПЕЦГЕО), применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Принцип работы приборов следующий. В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П! и П₂ помещают испытуемый грунт (рис. 76). Через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра Р, напорный градиент (1=АН/Ь) и измерив расход профильтровавшейся воды (?, находят коэффициент филь­трации по формуле

где А] и И₂ — показания пьезометров; Ь — расстояние между точ­ками их присоединения. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ (рис. 77), позволяющие определять к$ образ­цов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение кф в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений.

 

 

п		Г	—т—
д#
	II	г

Вода

Рис. 76. Схема прибора

для определения

коэффициента

фильтрации в образце

песка (/)

Рис. 77. Схема прибора

для определения

коэффициента

фильтрации в супесях и суглинках

|Вода

 

Р, Па

 

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризую­щий неустановившееся движение, обычно используют для опреде­ления коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водо­проницаемостью. Это компрессионно-фильтрационные приборы типа Ф-1М. Они позволяют вести наблюдения при изменении на­порного градиента от 50 до 0,1 в образцах, находящихся под опре­деленным давлением. Основной частью прибора является одометр, с помощью которого на грунт передается давление. К одометру по трубкам подводится и после фильтрации отводится вода. Напор создается с помощью пьезометрических трубок.

Простота и дешевизна лабораторных методов позволяют ши­роко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтра­ции в условиях естественного залегания пород и циркуляции под­земных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты.

Вместе с тем полевые методы более трудоемкие и дорогие в сравнении с лабораторными.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов — методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Коэффициент водопроводимости (Г, м/сут) представляет со­бой произведение коэффициента фильтрации к_ф на мощность во­доносного пласта И_ср или т

Т — кф И_ср, Т —

тп,

где А_ср — средняя мощность безнапорного водоносного пласта; т — мощность напорного пласта.

Коэффициент пьезопроводности — показатель перераспределе­ния напоров в водоносном напорном пласте в условиях неустано­вившейся фильтрации. Коэффициент пьезопроводности а зависит от упругих свойств подземных вод, а также от пористости, коэф­фициента фильтрации и упругих свойств водоносной породы

а = ^/("ает Рв + Рп),

где кф — коэффициент фильтрации породы; я_акг — активная пори­стость; р_в и р_п — коэффициенты объемной упругости соответст­венно воды и породы.

Коэффициент пьезопроводности используют в тех случаях, когда влиянием упругих деформаций воды и водоносной породы в напорном пласте пренебрегать нельзя во избежание значитель­ных искажений расчетных значений, например при расчете деби­та водозабора, эксплуатирующего напорные воды, на глубине не­скольких сотен метров.

Коэффициент уровнепроводности отражает способность водо­носного пласта передавать изменения уровня подземных вод со свободной поверхностью в процессе неустановившейся фильтра­ции. Коэффициент уровнепроводности <Ху представляет собой от­ношение водопроводимости безнапорного пласта к гравитацион­ной водоотдаче пород

а, = Г/ц или а,

где Т— коэффициент водопроводимости безнапорного пласта, т. е. произведение коэффициента фильтрации на среднюю мощ­ность водоносного безнапорного пласта, м²/сут; ц — коэффи­циент гравитационной водоотдачи, или активная пористость во­доносных пород.

Коэффициенты пьезопроводности для артезианских вод изме­няются от 10³ до 10⁷ м²/сут, а коэффициенты уровнепроводности для грунтовых вод от 0,2 • 10³ до 10⁴ м²/сут. Обычно значения ко­эффициентов пьезопроводности составляют сотни тысяч и мил­лионы, а коэффициентов уровнепроводности — порядка несколь­ких тысяч квадратных метров в сутки. Максимальные значения коэффициентов уровне- и пьезопроводности характерны для гра-вийно-галечных и трещиноватых скальных пород.

Для гидрогеологических расчетов в условиях установившейся фильтрации достаточно иметь данные только о коэффициенте фильтрации. При неустановившемся движении необходимо опре-

делять не только коэффициент фильтрации, но и коэффициенты уровнепроводности (пьезопроводности).

Коэффициенты уровне- и пьезопроводности определяют опытным путем по данным откачек воды из скважин, наблюде­ний за восстановлением уровня после откачек, а также в резуль­тате анализа работы действующих водозаборов.

Расход плоского грунтового потока((?, м³/сут). Типичным при­мером плоского потока может служить движение подземных вод к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. Плоский поток может быть грунтовым (безнапорным) и переме­щаться в однородных и неоднородных пластах, при горизонталь­ных и наклонных водоупорах.

Расход грунтового (безнапорного) потока в однородных слоях по­род. Водоупор горизонтальный. Согласно основному закону филь­трации — закону Дарси — в пределах рассматриваемого участка (рис. 78, а) от сечения / до сечения Я расход грунтового потока в однородных пластах может быть определен как

где к$ — коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут; /_ср — средний напорный градиент потока; В — ширина потока, м; /г — средняя мощность потока, м.

Принимая А_ср = (А, + А₂)/2 и /_ср = (А, - А₂)//, расход грунтового потока можно выразить формулой

&,²-Л₂²)/2/.

Расход плоского потока удобнее выражать на единицу его ширины, т. е. в виде единичного расхода д = О/В, где д — еди-

 

 

Р и с. 78. Схема для расчета расхода плоского потока грунтовых вод с горизонтальным (о) и наклонным (б) водоупорами (1)

ничный расход плоского потока, т. е. количество воды, протека­ющее в единицу времени через сечение потока шириной 1 м:

При значительной разности мощностей тп и тп₂ для расчетов используют формулу Н.Н. Биндемана:

Щ

Значительную трудность при расчете притока воды к горизон­тальным выработкам представляют условия неоднородной сло­истой толщи горных пород.

При движении подземных вод в неоднородных водоносных пластах, т. е. пластах, состоящих из ряда слоев с различной водо­проницаемостью, для определения расхода потока подземных вод вводится средний коэффициент фильтрации пласта к_ф._ср.

Водоупор наклонный (рис. 78, б). Единичный расход грунтового потока определяют также из закона Дарси:

где Я] и #₂ — напоры воды в сечениях / и //, отсчитанные от условной плоскости сравнения (0—0) или уровня моря.

Приток грунтовых вод к водозаборным сооружениям. Водозабо­ры — это сооружения, с помощью которых происходит захват (за­бор) подземных вод для водоснабжения, отвод их с территорий строительства или просто в целях понижения уровней грунтовых вод. Существуют различные типы подземных водозаборных соо­ружений: вертикальные, горизонтальные, лучевые.

К вертикальным водозаборам относят буровые скважины и шахтовые колодцы, к горизонтальным — траншеи, галереи, штоль­ни, к лучевым — водосборные колодцы с водоприемными луча­ми-фильтрами. Тип сооружения для забора подземной воды вы­бирают на основе технико-экономического расчета, исходя из глубины залегания водоносного слоя, его мощности, литологиче-ского состава водоносных пород и намечаемой производительно­сти водозабора.

Водозаборы, состоящие из одной скважины, колодца и т. д., называют одиночными, а из нескольких — групповыми. 308

Водозаборные сооружения, вскрывающие водоносный гори­зонт на полную его мощность, являются совершенными, а не на полную — несовершенными.

Отвод грунтовых вод со строительных площадок или снижение их уровней может производиться временно, только на период про­изводства строительных работ или практически на весь период эк­сплуатации объекта. Временный отвод воды (или снижение уров­ня) называют строительным водозабором, а во втором случае — дренажами.

Депрессионные воронки. При откачке воды вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня. Образуется воронка депрессии, имеющая в плане форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается кривыми депрессии, кривизна которых возрастает по мере при­ближения к точке откачки (рис. 79).

Установление границ депрессионной воронки имеет большое практическое значение при оценке фильтрационных свойств по­род, выделении зон санитарной охраны, определении площадей, которые осушаются дренажами, расстояний между соседними во­дозаборами и т. д.

Радиус депрессионной воронки называют радиусом влияния Я Размер депрессионной воронки, а следовательно и Я, а также крутизна кривых депрессий зависят от водопроницаемости пород. Хорошо водопроницаемые гравий и песок, в которых меньше трение воды о частицы, характеризуются широкими воронками с большим радиусом влияния, для слабо водопроницаемых суглин­ков свойственны более узкие воронки с небольшим значением Я

Величина К входит во многие расчетные формулы при проек­тировании водозаборов строительных или дренажных сооруже­ний. Величину Я можно определять: 1) по формулам, 2) бурени­ем скважин и 3) по аналогии с действующими водозаборами. Из формул используют расчет Кусакина (для ненапорной воды):

где 5 — понижение уровня при откачке по центру воронки, м; Н — мощность слоя грунтовой воды, м.

Рис. 79. Депрессионная воронка:

1 — точка откачки; 2 — нормальный уро­вень; 5— понижение уровня в центре во­ронки; Л — радиус воронки

Можно также определить по формуле

где С — дебит, м³/сут; / — гидравлический уклон.

Бурение скважин дает точные значения Я, но это работа тру­доемкая (рис. 80). Ориентировочные значения Я приведены в табл. 32 и на рис. 81.