В. А. Мироненко динамика ползших поп московский

min
потока в песках? Для ответа на последний вопрос составьте выраже­ние для расхода насыщенного потока через двухслойную толщу и приравняйте его к расходу нижнего слоя при градиенте, равном еди­нице; в итоге получите:

Рис. 6.27. Схема оценки условий образования насыщенного потока при наливе в двухслойную толщу
I 3 I При пренебрежении боковым растеканием и диффузион­ными эффектами (см. ниже) расчетный градиент фильтрации под шурфом равен:
А_ш+1+%
¹ I ’ (6.83)
гае I — длина зоны просачивания;
— высота всасывания на фронте просачивания; объясните
физический смысл формулы (6.83), ориентируясь на рис. 6.25.
ВОПРОС. Как изменяется градиент с ростом начальной влажно­сти W_о и с увеличением длины зоны просачивания?
Недоучет капиллярных эффектов вблизи фронта просачивания, отраженных членом (W), приводит к занижению расчетного гра­диента. При наливе в «сухие» грунты эти эффекты можно принять во внимание черезрасчетную высоту капиллярного поднятия h_k (Ч* ~ А^). В общем же случае для интерпретации налива необходи­ма опытная кривая зависимости всасывающего давления от влажно­сти для всех разновидностей грунтов в зоне налива. Другой путь — прямые замеры всасывающего давления на фронте увлажнения.
Значение капиллярных эффектов убывает с ростом размеров зоны увлажнения (продолжительности эксперимента).
Противоположным по своему эффекту является влияние подпо­ра на нижней границе зоны увлажнения, который может вызываться, в частности, трудностями вытеснения воздуха из-под шурфа. Значе­ние этого фактора растет с увеличением площади шурфа и с умень­шением проницаемости пород. Для учета подпора также необходим замер давления вблизи фронта просачивания.
Наконец, изменение расчетного градиента инфильтрации, обус­ловленное слоистостью, требует дифференцированных замеров дав­ления в пределах зоны увлажнения.
Диффузионные эффекты, как уже отмечено (см. раздел 6.9.2 [риводят к «размыванию» фронта увлажнения и на нижней, и на боковых границах. Роль их в целом растет с падением проница­емости, но в случае гетерогенных сред они могут иметь определяю­щее значение (поступление воды в слабопроницаемые пористые блоки) и при высоких коэффициентах фильтрации пород. Увеличение продол­жительности и площади эксперимента способствует снижению роли диффузионных эффектов, прямой же их учет в расчетной модели (урав­нение ».74)) требует серьезного усложнения методики опыта.

При использовании данных опытных наливов для прогно­за фильтрации под инженерными сооружениями дополнительные погрешности вызываются недоучетом возможного снижения прони­цаемости вследствие сжатия испытуемых пород под весом сооруже­ния. Например, для лессовидных суглинков проницаемость может падать при этом на два-три порядка [21 ]. Аналогичное влияние на нижнюю часть опробуемой экранирующей толщи может оказывать (после затопления) вес вышележащих слоев пород. Вопрос этот тем более важен, что при наливах в глинистые грунты могут иметь место эффекты прямопротивоположного свойства, обусловленные набуха- ниемлгород в процессе налива.
Особо следует отметить некоторые из более тонких эффек­
тов, например зависимость проницаемости от состава и температуры воды, используемой при наливах в глинистые породы.
Все сказанное делает наливы в шурфы малонадежным экспери­ментом. Простейшие (стандартные) его модификации, очевидно, ра­зумно использовать лишь в условиях однородных, достаточно хоро­шо проницаемых (песчаных) грунтов. В прочих же условиях можно- рассчитывать на достаточную надежность эксперимента только при соблюдении следующих требований, важность которых подчеркива­ется многими авторами:
а) прямое прослеживание фронта увлажнения или, в противном случае, достижение при опыте стационарного режима (конечно, если последнее вообще реально);
б) прямое определение зависимости всасывающего давления от влажности или достижение условий, когда роль капиллярных эф­фектов на фронте увлажнения пренебрежимо мала; прямое опреде­ление давленик в отдельных замерных точках, расположенных по высоте зоны увлажнения;
в) контроль изменения влажности пород в процессе опыта или обеспечение такой продолжительности опыта, при которой заведомо достигается стационарное распределение влажности в пределах зоны увлажнения (в этом вариенте можно ограничиться контрольными определениями влажности после опыта);
г) достижение в эксперименте режима, исключающего сущест­венное влияние диффузионных эффектов, что в слабопроницаемых породах реально может быть обеспечено только выходом на стацио­нарный режим эксперимента;
д) при необходимости последующего учета дополнительных на­грузок от сооружения или от вышележащих слоев пород — обеспече­ние по ходу опыта соответствующего напряженного состояния, что в условиях проведения полевого опыта подчас трудно выполнимо;
е) установка контрольно-измерительной аппаратуры не должна вносить серьезных искажений в ход эксперимента.
Естественно, выполнение всей совокупности упомянутых здесь требований к опытным наливам связано с необходимостью резкого увеличения масштабов, продолжительности и информативности экс­перимента. В том что касается информативности, интересные воз­можности связаны с наливами «меченой» воды, т.е. с применением солевых или тепловых индикаторов [21 ].
Думается, всего сказанного достаточно, чтобы хоть частично понять, с какими трудностями связаны оценки
параметров влагопереноса в зоне аэрации и почему эти оценки очень часто оказываются на практике весьма не­надежными. Повторим в заключение, что именно по этой причине мы воздержимся здесь от более детального об­суждения теории влагопереноса: применение ее на прак­тике — в основном дело будущего.
Контрольные вопросы
[~Г] Какие основные механизмы миграции в водоносных поро­дах вам известны? Перечислите соответствующие им основные миг­рационные параметры массопереноса в водоносных горизонтах. Ка­кие для них существуют аналоги в характеристиках процесса тепло- переноса?
[~2~] Что дает анализ фильтрационной картины для решения задач миграции подземных вод? При каких предпосылках о режиме фильтрации решались нами основные задачи миграции?
|з] Что такое действительная скорость фильтрации? Раскройте ее связь с фильтрационными и емкостными параметрами пород. Дайте понятие общей, активной и эффективной пористости горной породы. Какие между ними существуют количественные соотношения? Каков порядок значений этих параметров для пористых и трещиноватых по­род? Может ли эффективная пористость быть больше единицы?
[4 | Будет ли различаться скорость движения концентрацион­ного фронта при разных соотношениях между исходными концент­рациями вытесняемого и вытесняющего растворов (в случае линей­ной изотермы сорбции Генри) ?
рГ| Каковы основные факторы, определяющие интенсивность развития в водоносных горизонтах процессов плотностной конвек­ции? Приведите характерные примеры загрязнения подземных вод, специфика которого существенно определяется процессами гравита­ционной дифференциации растворов в водоносных горизонтах.
[~б | В чем физический смысл процессов продольной и попереч­ной гидродисперсии? Оцените значимость молекулярной диффузии в процессе продольного дисперсионного рассеяния для различных литологических разностей фильтрующих сред.
[~7~| Какое принципиальное значение имеют пространствен­но-временные масштабы для миграционных процессов? Как меняет­ся роль гидродисперсионных эффектов рассеяния в пористых и тре­щиноватых породах в зависимости от масштаба области переноса?
[~8~] Какое влияние на размер переходной зоны оказывают процессы равновесной сорбции? Изменится ли ваш ответ для нерав­новесных сорбционных процессов?
Проведите сравнительную оценку опасности загрязнения двух водоносных горизонтов, приуроченных к комплексам однород­ных пористых (в первом случае), и трещиноватых (во втором случае) пород считая, что в остальном гидрогеологические условия и фильт­рационные параметры для них подобны. Изменятся ли выводы для случая теплового загрязнения тех же водоносных горизонтов?
10 Что понимается в теории миграции подземных вод под терминами «гетерогенные водоносные комплексы» и «макродиспер­сия»? Какие основные расчетные схемы используются для физико- математического описания массопереноса в гетерогенных (слоистых и трещиновато-пористых) водоносных комплексах? Как смещаются диапазоны применимости этих схем в случае теплового воздействия на пласт?
11 Как изменяется значимость основных механизмов пере­носа в гетерогенных комплексах в зависимости от масштаба области рассмотрения и продолжительности процесса? При каких условиях миграцию в гетерогенных комплексах допустимо рассматривать с фор­мальных позиций, аналогичных случаю гомогенных комплексов?
Какие предпосылки легли в основу дифференциации ус- лов ийпроведени я миграционных экспериментов в различных комп­лексах водоносных пород? Какое место отводится лабораторным экс­периментам при изучении параметров массопереноса в пористых и трещиноватых породах?
12
13 Как влияет надежность фильтрационного расчленения разреза на точность определения миграционных параметров? Какие в связи с этим возникают требования к постановке полевых индика­торных экспериментов?
Какие энергетические характеристики используются при описании процессов влагопереноса при неполном водонасыщёнии пород? Как изменяется соотношение между силами гравитации и сорбционно-капиллярными силами с изменением влажности поро­ды? Перечислите основные параметры, определяющие интенсив­ность влагопереноса; какие между ними существуют количествен­ные соотношения?
[Щ В чем заключается специфика задания граничных усло­вий в задачах вертикального влагопереноса? В каких пределах изме­няется градиент напоров при вертикальном влагопереносе Через зону аэрации (для постоянных граничных условий)?
[1б| Какое влияние оказывает гетерогенность фильтрацион­ных свойств пород (в частности, профильная неоднородность фильт­рационного строения зоны аэрации) на закономерности вертикаль­ного влагопереноса? Определите основные пути повышения эффек­тивности опробования пород зоны аэрации опытными наливами в шурфы.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
Практические приложения динамики подземных вод (дополнительные главы курса)
ГЛАВА 7
I ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПОВ И МЕТОДОВ | ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
I ПРИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ опытных
1
| РАБОТАХ И НАБЛЮДЕНИЯХ
В заключение курса полезно рассмотреть возможно­сти применения изложенной теории на комплекс­ных примерах, совокупно отражающих различные ее ас­пекты. Для этого нами выбраны характерные задачи гид­рогеологии, имеюпще важное практическое значение и широко исследуемые в различных отраслях Инженерной деятельности.
В данной главе упор сделан на задачи, возникающие при постановке, проведении и интерпретации полевых гидрогеологических исследований — опытных опробова­ний и режимных наблюдений. В заключительном пара­графе рассмотрены общие принципы схематизации, по­следовательное применение которых является необходи­мым условием эффективности гидрогеологических (как, впрочем, и инженерно-геологических) изысканий и на­блюдений. Позднее, в гл/8, мы займемся задачами пре­имущественно прогнозного характера.
Нам меньше всего хотелось бы, чтобы эти главы еще раз иллюстрировали возможности формально-математи­ческого аппарата теории (хотя эта сторона проблемы и не исключается полностью): гораздо важнее показать значе­ние принципов и методов ДПВ при постановке гидрогео­логических исследований и при проведении качественно­го гидрогеологического анализа, особенно при щцрогео- логической схематизации фильтрационных и миграцион­ных процессов. Поэтому последующий материал может использоваться прежде всего для лучшего уяснения ос­новных разделов курса и детализации отдельных его ас­пектов .
Кроме того, можно рассматривать эти главы как сво­еобразный мост между курсом ДПВ и последующими специальными курсами, так или иначе использующими принципы и методы ДПВ. Подобная, если угодно, при­кладная направленность глав ясна и из их общей структу­ры, и , из заголовков отдельных разделов. Имея в виду комплексный характер многих из рассмотренных здесь задач, возможно, целесообразно ознакомиться с ними бо­лее детально при повторном чтении на заключительной стадии изучения данного курса.

1. 
   Методика постановки и проведения опытно-фильтрационных работ
   

Прежде всего заметим, что задача всеобъемлющей регламента­ции методов постановки и проведения опытно-фильтрационных ра­бот (ОФР) лежит за пределами нашего курса. Поэтому здесь эти вопросы будут затронуты лишь в той мере, в какой они связаны с эффективным решением задач интерпретации (в первую очередь диагностики) ОФР на базе рассмотренных в гл. 5 теоретических и методических построений. Очень полезно показать, что такие по­строения важны не только для интерпретации опытов, но и для всех аспектов их планирования и проведения . Заметим, точности ради, что в данном разделе рассматривается лишь одно направление ОФР - опытно-фильтрационные опробования (ОФО), а опытно-фильтра­ционным наблюдениям (ОФН) посвящен раздел 7.2.

1. 
   Виды ОФО и области их применения
   

Основным видом опытно-фильтрационных пробований являют­ся опытные откачки из скважин (кустовые, одиночные, групповые). Перед началом опытных откачек из центральных скважин обычно проводят пробные откачки для проверки качества скважин и предва­рительной оценки водообильности опробуемых пластов.
* В этой связи рекомендуется, в частности, раздел 7.1 прочитать сразу после гл. 5.
** Для того чтобы стиль данного раздела не показался излишне инструктивным, читателю следует систематически соотносить излагаемый в нем материал с теоретическими основами ОФР, представленными в гл. 5.
Опытные наливы и нагнетания в скважины используются для оценки фильтрационных параметров относительно редко. Главное применение они находят при изучении приемистости нагнетатель­ных скважин, при опробовании слабопроницаемых отложений, когда расходы опробования слишком малы и применение откачек стано­вится технологически неудобным, а также при проведении в скважи­не специальных видов опробований (опытно-миграционных работ, испытаний пласта на гидроразрыв и т.д.).
С учетом всех отмеченных в гл. 5 недостатков одиночных опро­бований понятно, что их можно использовать в основном для срав­нительной характеристики водоносных слоев на изучаемых участках (по степени водообильности пород и, в частности, по удельному де­биту) и лишь в благоприятных условиях - для ориентировочной оцен­ки величины водопроводимости. Однако для успешного решения да­же этих ограниченных задач желательно использовать результаты однотипных экспериментов, проведенных в однотипных скважинах, — чтобы ожидать примерно идентичных проявлений скин-эффекта. Например, информативность пробных и одиночных опытных отка­чек может иновда существенно различаться лишь за счет состояния фильтров и прифильтровых зон скважин — обычных разведочных, с одной стороны, и специальных опытных — с другой. Часто же надеж­ность результатов пробных и одиночных откачек оказывается одина­ково низкой. Поэтому одиночные откачки из специальных опытных скважин имеет смысл проводить с том случае, когда геологические условия и технология проходки скважин позволяют рассчитывать на хорошее качество (не слишком высокие сопротивления) их прифиль­тровых зон (см. раздел 5.4). Это предполагает, в частности, бурение опытных скважин с промывкой чистой водой и отсутствие во вскры­том интервале слоев глинистых пород, способствующих образованию естественного бурового раствора и кольматации прифильтровых зон.
Информативность одиночных опробований несколько повыша­ется при параллельном использовании гидрогеофизических методов. Так, расшифровке результатов одиночных откачек в многослойных толщах, в закарстованных или неравномерно трещиноватых породах способствует расходометрия скважин. Расходомерами определяют распределение расхода потока по стволу скважины при откачке, а также в естественных (не нарушенных опробованием) условиях. По данным таких измерений строится эпюра расходов воды, протекаю­щей по стволу скважины, а их изменение в пределах того или иного участка определяет собой приток к скважине A Q_i в пределах этого участка. Интерпретация таких данных позволяет оценить фильтра­ционную неоднородность опробуемого пласта (или системы пластов) по вертикали. Эффективно использование расходометрии и для оценки изменения сопротивления прискважинной зоны вдоль рабо­чей части (фильтра) скважины.
При теоретическом обосновании расходометрии будем исходить из того, что вблизи скважин, работающих, например, в слоистых пластах, как показано в разделе 5.3, быстро устанавливается квази- стационарный режим, описываемый в пределах каждого водоносного слоя зависимостями вида (4.30) и (4.37) и им подобными. При интен­сивных межлоевых перетоках эти зависимости можно представить в обобщенной форме:
AQ (тТа