Геология / Новая папка (3) / __6__УП ЗАДАЧИ

динамическим. Абсолютная отметка динамического уровня обозначается

а.о.д.у.

Расстояние от динамического уровня до дна выработки обозначается h и

называется высотой столба воды в выработке после откачки.

Разность между статическим и динамическим уровнями (H - h), т.е. величину на которую понижается уровень воды в результате откачки, называют по-

нижением (S) (фр. depression – депрессия, впадина). На практике слишком больших понижений уровня при откачке воды из горных выработок не добиваются, из-за необходимости оставлять столб воды для заглубления насоса, учитывать потерю напора и т. д. Кроме того, постепенно растут затраты энергии на подъѐм воды, а сами насосы имеют предел высоты подъѐма. Поэтому величину понижения уровня в практике принимают не более 50-75% полной мощности водоносного пласта. Например, при мощности пласта 10 м допускается откачать не более 5 - 7,5 м.

При откачке воды из выработок снижение уровня в них происходит довольно быстро. В самóм же водоносном пласте, вследствие трения воды о частицы грунта, понижение уровня подземных вод идѐт медленнее. Чем ближе к выработке, тем отчѐтливее отклонение. Пространство в водоносном пласте, оказавшееся свободным от воды, в плане имеет округлую форму, а в разрезе - воронкообразную. Сверху оно ограничено уровнем грунтовых вод, снизу - динамическим уровнем, а по бокам плавными линиями (депрессиóнными кривыми), крутизна которых возрастает по мере приближения к оси скважины. Та-

кая фигура называется депрессиóнной воронкой (рисунок 4).

Рисунок 4 Стандартная схема для гидрогеологических расчѐтов

11

Установление границ депрессионной воронки, зависящих от водопроводимости пород, имеет большое практическое значение при оценке фильтрационных свойств пород, выделении зон санитарной охраны подземных вод от их естественного загрязнения и т. д. Поэтому очень важным гидрогеологическим параметром для расчетов является радиус депрессионной воронки или радиус влияния (R). Чтобы получить его значение опытным путѐм, вдоль заданного направления (профиля) на определенном расстоянии друг от друга бурят три скважины (или более). Одна из скважин является центральной (опытной), из нее откачивают воду. Другие - наблюдательные, в них следят за понижением уровня. Это самый точный, хотя и дорогостоящий метод для определения радиуса влияния скважины.

Радиус депрессионной воронки нередко определяют по приближенным формулам:

а) для безнапорных вод используют формулу Кусакина:

R = 2S√H · Кф, где

S – величина понижения уровня, м; Н - мощность слоя грунтовых вод, м;

Кф - коэффициент фильтрации слоя, м/сут.

б) для напорных вод радиус влияния можно определить по формуле Зи-

хардта:

R=10S√ Кф, где

S - величина понижения уровня, м;

Кф - коэффициент фильтрации слоя, м/сут.

Дебит (от фр. débit – расход) или производительность (Q) горной вы-

работки - это объѐм воды, добытый из выработки в процессе откачки. Выражается, чаще всего, в м3/сут. При расчетах дебита используют формулу Дюпюи:

При этом нередко переходят от натуральных логарифмов к десятичным, заменяя π числовым значением 3,14 и деля его на переводной коэффициент 2,3. После чего формула будет выглядеть так:

Задачи на определение притока воды к горным выработкам можно решать по обеим этим формулам, результат будет один и тот же.

Количество воды, протекающее в единицу времени через сечение потока шириной 1 м обозначают q, называют величиной единичного притока и находят делением всего дебита на ширину потока l.

Для откачки воды из горных выработок используют различные механизмы и приспособления - насосы (рисунок 5):

12

1	– патрубок всасывающий; 2 – патрубок	1	– спускной кран; 2 – рабочее колесо;
нагнетательный; 3 – крышка заливочного		3	– задвижка; 4 – обводная трубка;
отверстия; 4 – камера нагнетательная;		5	– нагнетательная труба; 6 – обратный
5	– спиральная камера насоса; 6 – люк для	клапан; 7 – манометр; 8 – воздушный кран
чистки всасывающей камеры; 7 – дизель;		9	– кож ух; 10 – вакуумметр; 11 – вод о-
8	– тележка; 9 – сетка всасывающая	подъѐмная труба; 12 – приѐмный клапан;
		13 – предохранительная сетка

Рисунок 5 Насосы, используемые для гидрогеологических скважин

а) общий вид центробежного насоса типа К; б) центробежный самовсасывающий насос С-203;

в) центробежный самовсасывающий насос С-245; г) схема установки горизонтального центробежного насоса.

Фильтры, используемые для гидрогеологических скважин (рисунок 6). Фильтром называется нижний участок водозаборной, водопонизительной

или разведочно-гидрогеологической буровой скважины, закреплѐнный в пределах водоносного горизонта водопроницаемым устройством. Фильтры ставятся в рыхлых, главным образом, песчаных породах. Задача фильтра - пропускать воду из водоносного горизонта внутрь скважины при откачке, и предохранять еѐ водоприѐмную часть от завалов в результате оплывания и обрушения пород.

13

В водоносных горизонтах, сложенных гравелистыми породами, а так же крупно- и среднезернистыми песками, при условии устойчивого химического состава воды, чаще всего устанавливают дырчатые, щелистые и сетчатые фильтры с тонкими стенками (рисунок 6).

Рисунок 6 Фильтры, используемые для гидрогеологических скважин.

Схема устройства фильтров:

I – дырчатого; II – щелистого; III – сетчатого

1- вырез для спускового ключа; 2 – муфта; 3 – сальниковая набивка; 4 – надфильтровая труба; 5 – фильтровая сетка; 6 – проволока; 7 – рабочая часть; 8 – круглые отверстия; 9 – отстойник; 10 - деревянная пробка; 11 – щели.

IV – каркасно-стержневого

1 – соединительные патрубки; 2 - приварка стержней; 3 - металлические стержни; 4 – опорное кольцо;

5 – проволочная обмотка; 6 – предохранительные планки.

14

Дырчатый фильтр представляет собой перфорированную стальную, асбоцементную или из других материалов трубу с проволочной обвивкой или без неѐ. Устанавливается в скважинах, эксплуатирующих гравелистые и крупнозернистые пески. Может служить каркасом для других фильтров.

Щелистый фильтр так же прост по устройству, как и дырчатый, но, по сравнению с ним, обладает некоторыми преимуществами. Если в дырчатом фильтре зѐрна гравия или песка, накладываясь на отверстия, могут полностью его закупорить, то при щелистых фильтрах это исключается.

Сетчатый фильтр состоит из перфорированной трубы, обтянутой латунной сеткой различного плетения (рисунок 7):

Рисунок 7 Сетки разного плетения для производства сетчатых фильтров

I – латунные:

а) галунного; б) киперного; в) квадратного.

II – из нержавеющей стали:

а) галунного; б) квадратного.

Такие фильтры, во избежание коррозии, рекомендуются для водоносных горизонтов со слабоминерализованными водами. Срок службы латунной сетки значительно короче срока службы обсадных труб, поэтому во время эксплуатации скважины фильтр меняют 1 - 2 раза. Это трудоѐмко и не всегда выполнимо, особенно при глубоких скважинах и длинных фильтрах. Сетчатые фильтры не пригодны для однородных мелкозернистых песков, так как мелкие сетки со з- дают большие сопротивления входу воды. Крупноячеистая же сетка пропускает много песка, и скважина будет им заноситься. Кроме того, они противопоказ а- ны в слюдистых водоносных песках, которые при откачке налипают на поверхность фильтра, и делают его водонепроницаемым.

15

Для мелкозернистых глинистых песков большое распространение получают блочные фильтры из пористой керамики или пористого бетона. Блоки наде-

вают на дырчатый каркас с фланцами на концах, с резиновыми прокладками между блоками. Такие звенья соединяют между собой на муфтах и опускают в скважину.

Гравийные фильтры состоят из каркасно-стержневого, дырчатого, щелевого, проволочного или сетчатого фильтров с гравийной обсыпкой, подобранной по гранулометрическому составу водоносного слоя.

В песчаных и скальных горных породах гидрогеологические скважины можно эксплуатировать и без использования фильтров - бесфильтровые скважины, когда в кровле водоносного горизонта создают водоприѐмную полость. Такие скважины проходят до водоносного горизонта, обладающего устойчивой кровлей, а при глинистой кровле необходимо наличие поддерживающего еѐ напора подземных вод.

Бесфильтровые скважины имеют преимущества перед фильтровыми: долговечность и надежность в работе; высокие и устойчивые дебиты; возможность отбора проб из пылеватых, глинистых и тонкозернистых песков с низкими значениями коэффициента фильтрации (Кф) и гравитационной водоотдачи; малый расход обсадных труб; уменьшение глубины скважины; небольшие строительные и эксплуатационные расходы.

16

2 Практическая часть Содержание задач и примеры их решения

2.1 Задача № 1 Расчѐт гидрогеологических параметров для совершенной скважины

Определите коэффициент фильтрации водоносных песков по результатам откачки воды из одиночной скважины совершенного типа. По величине коэффициента фильтрации определите водопроницаемость и водопроводимость водоносного песка. Скопируйте схематический рисунок (рисунок 8).

Данные для расчѐтов приведены в таблице 2:

Таблица 2 – Исходные данные к задаче №1

	№№	Мощность	Дебит	Понижение	Радиус	Радиус
	вари-	водоносного	скважины,	уровня воды	депрессионной
						скважины,
	антов	горизонта,	Q, м3/сут	в скважине,	воронки,
						r, м
		Н, м		S, м	R, м
	0	12	508	4	98	0,1
	1	10	350	5	58	0,2
	2	24	2478	12	285	0,3
	3	9	490	3	74	0,1
	4	12	500	7	80	0,2
	5	35	6770	20	520	0,3
	6	18	809	10	115	0,2
	7	26	3003	20	350	0,3
	8	7	150	3	35	0,1
	9	28	2475	16	325	0,2
	10	8	170	2	25	0,1
	11	15	450	11	62	0,3
	12	17	550	8	77	0,1
	13	27	2200	10	255	0,3
	14	23	2100	15	220	0,3
	15	25	2950	12	395	0,3
	16	16	725	2	102	0,2
	17	14	613	9	72	0,1
	18	29	2902	11	389	0,3
	19	37	6800	5	578	0,3
	20	21	2350	7	401	0,3
	21	19	2000	6	384	0,3
	22	13	680	8	120	0,2
	23	11	600	2	104	0,2
	24	39	7100	15	680	0,3
	25	36	6900	19	650	0,2
	26	26	342	12	98	0,1
	27	31	763	11	63	0,2
	28	17	3462	7	231	0,1
	29	21	7802	12	320	0,3
	30	19	4170	4	196	0,2

17

Пример решения задачи для варианта №0

Дано:

Н = 12 м;

Q= 508 м3/сут;

S= 4 м;

R= 98 м;

r = 0,1 м

Найти: Кф, Кв

Рисунок 8 Схема расчѐта гидрогеологических параметров

для совершенной скважины

Условные обозначения:

а.о.у. – абсолютная отметка устья скважины, м; r – радиус скважины, м;

а.о.к.в. – абсолютная отметка кровли водоупора (подошвы водоносного слоя) м. H – мощность водоносного горизонта, м;

а.о.с.у. – абсолютная отметка статического уровня грунтовых вод, м; а.о.д.у. – абсолютная отметка динамического уровня грунтовых вод, м; S – понижение уровня подземных вод, м;

h – мощность слоя воды в скважине после откачки, м; R – радиус депрессионной воронки (радиус влияния), м.

18

Решение:

Коэффициент фильтрации можно определить двумя способами, исполь-

зуя формулу Дюпюи:

а) по величине слоя воды в скважине после откачки h (м);

б) через последовательное понижение уровня воды в скважине при откачке S

(м).

Подставив в формулу Дюпюи числовое значение π = 3,14 и заменив натуральные логарифмы десятичными, получим формулу, более удобную для расчѐтов:

где Кф - коэффициент фильтрации, м/сут; Q - дебит скважины, м3/сут.

По условию задачи неизвестна величина h. При решении задачи первым

способом ее находят вычитанием понижения уровня воды в скважине после откачки из мощности водоносного горизонта h = Н - S (рисунок 8).

Подставив числовые значения в любую из вышеприведенных формул, определим коэффициент фильтрации по слою воды в скважине после откачки:

При решении задачи вторым способом в самом начале нужно разложить разность квадратов (Н2 - h2) на произведение суммы и разности этих чисел. Тогда формула примет следующий вид:

Поскольку h = H – S, то S = H – h. Подставим в первых скобках (Н - S) вместо h, во вторых - только значение S, получим для расчѐта следующую формулу:

Судя по величине коэффициента фильтрации водоносного горизонта - 13,90 м/сут, это средневодопроницаемые пески.

Водопроводимость водоносного горизонта равна:

19

2.2 Задача № 2

Расчѐт гидрогеологических параметров для совершенной скважины с круговым контуром питания

По данным, приведенным в таблице 3 постройте схему и определите

приток воды к совершенной скважине с круговым контуром питания при горизонтальном водоупоре (рисунок 9), пропущенные значения необходимо вычис-

лить.

Таблица 3 – Исходные данные к задаче №2

	№№	Абсолютн.	УГВ	Столб	Коэф.	Понижение	Расстояние	Диаметр
	вар.	отметки,	м	воды в	фильтрации	уровня воды	от скваж.
								скважины,
		м		скваж.	Кф, м/сут	в скважине,	до водоѐма,
		для 10ти вар.		h , м		S, м	L, м	2r, мм

0				?	?	12,4	5,5	77	152
	- устья скв.
1				?	?	11,4	6,5	56	305
2		66,0;		?	?	6,8	3,2	73	208
	- статич.
3				?	?	12,0	4,2	42	114
4	уровня			?	?	4,9	3,7	69	208
		59,2;
5				?	?	0,7	6,0	80	152
	- динамич.
6				?	?	0,2	4,3	54	152
	уровня ?;
7				?	?	3,8	8,9	37	305
	- кровли
8				?	?	11,6	6,2	99	208
	водоупора
9				?	?	14	5,9	74	208
		45,5
10				?	?	6,5	4,6	62	114
11	- устья скв.		?	?	7,2	?	75		305
		70,2;
12			?	?	3,9	?	51		208
13	-	статич.	?	?	6,3	?	93		152
14		уровня	?	?	10,4	?	102		114
		65,4;
15			?	?	3,1	?	78		152
16	-	динамич.	?	?	8,5	?	83		114
		уровня
17			?	?	4,2	?	90		152
		58,3;
18	-		?	?	11,1	?	29		305
		кровли
19			?	?	6,0	?	48		114
	водоупора
20			?	?	2,7	?	52		152
		50,4
21	-	устья скв.		?	12,4	4,5	3,2	50	208
22		95,6;		?	10,8	16,5	11,2	62	114
23		- статич.		?	11,1	7,4	7,8	121	208
	уровня ?;
24				?	13,8	4,6	5,8	68	152
25	-	динамич.		?	3,9	7,1	4,7	65	114
		уровня ?;
26				?	6,8	5,5	5,0	84	208
		- кровли
27				?	7,9	10,4	3,7	91	305
		водоупора
28				?	6,5	1,4	0,9	82	114
		75,5
29				?	8,5	0,8	7,4	49	208
30				?	2,9	3,2	5,8	50	152

20