Разведочные гидрогеологические работы на торфяных месторождениях

Закладка буровых скважин. Расположение буровых скважин производится на основе гидрогеологической схемы, составленной по материалам гидрогеологической съемки района месторождения.

Скважины намечаются:

1) по линии наибольшего ската поверхности торфяного месторождения и по суходолам, примыкающим к месторождению;

2) в наиболее важных в гидрогеологическом отношении участках, отмеченных в период гидрогеологической съемки, а именно: а) в пунктах выхода грунтовых вод, поступающих на торфяное месторождение в виде ключей или скрытого осыпями грунтового потока; б) по берегам ближайших рек и оврагов, где имеется возможность произвести расчистку обнажений до уровня грунтовых вод; в) на участках торфяного месторождения, где выявлены места скопления поверхностных внутризалежных вод и ключевых вод с напорным уровнем;

3) по глубоким выемкам, промоинам и ложбинам в минеральном дне торфяной залежи, находящимся ниже истоков водоприемников;

4) по долинам рек и озер, расположенным в контурах обследуемой площади.

Глубины заложения скважин определяются геологическим строением обследуемой территории.

Если, например, торфяное месторождение подстилается суглинками, то скважины углубляются ниже залегания торфа на 1,5—2,0 м. Если пласт торфа подстилается водоносными песками, глубину скважин доводят до водоупорного слоя. При глубоком залегании водоупорного слоя — более 15—17 м скважины задаются лишь на 3—4 м ниже постели торфяного пласта с учетом того, чтобы отметка, дна скважин на наиболее пониженном участке разреза была приблизительно одинаковой с отметкой дна скважины в более повышенной части разведываемого участка.

Количество разрезов-профилей, закладываемых на торфяных месторождениях, определяется особенностями гидрогеологических условий, размерами разведываемого участка, геоморфологическим положением месторождения и его конфигурацией. Обычно разрезы задаются через 1,0—1,5 км и, как исключение, через 2,0—2,5 км. В несложных гидрогеологических условиях разрезы задаются в количестве от двух до четырех.

При более сложных гидрогеологических условиях, когда торфяное месторождение обводняется грунтовыми водами с напорным режимом, количество гидрогеологических разрезов увеличивается.

Гидрогеологическими разрезами выясняется: состав пород в постели торфяного пласта, в берегах месторождения, по речным и озерным террасам, находящимся в пределах водосборной площади месторождения; наличие водоносных пород и их гипсометрическое положение по отношению к месторождению.

Количество скважин по гидрогеологическому разрезу определяется величиной разведываемого участка, геоморфологическими и гидрогеологическими его особенностями. Обычно задают три-четыре скважины, если торфяное месторождение представляет узкую, шириною 0,6—2,0 км, полосу, причем одну скважину бурят на участке наибольшей мощности торфяного пласта и две по окраинам на границе нулевой залежи.

Если минеральные берега месторождения крутые или же по склонам отмечены выходы грунтовых вод, то задаются дополнительные скважины: в первом случае в точке перегиба склона, во втором — в месте выхода грунтовых вод.

При однообразном геологическом строении и спокойном рельефе скважины задаются через 0,8—1,0 км.

Буровые скважины закладываются на глубину не более 25 м. Для бурения применяется облегченный ручной буровой комплект диаметром 60/50 мм или 89/79 мм.

Спецификация деталей комплекта бурового инструмента для ручного ударно-вращательного бурения приводится в таблице 13—1.

Бурение скважины заключается в следующем: на буровой наконечник навинчивается железный стержень, называемый штангой, на который затем надевается ручка с железным штанговым хомутом. После этого двое рабочих берутся за ручки хомута и придают штанге вращательное движение. Этим достигается продвижение бура. При его углублении на 0,25—0,5 м он извлекается из скважины и освобождается от разрыхленной породы, а затем вновь опускается в скважину; бурение продолжается до тех пор, пока позволяет длина штанги. Штанги затем наращиваются, и бурение продолжается до необходимой глубины. При бурении применяются различные, в зависимости от грунтов, наконечники.

В устойчивых, лишенных воды породах, особенно при небольшой глубине скважины, стенки ее при бурении не нуждаются в креплении. В породах неустойчивых, как водоносные пески, супеси, легкие суглинки и торф, бурение скважин должно вестись с креплением их обсадными трубами.

По мере углубления скважины, ручное опускание и поднимание бура становится затруднительным, поэтому далее применяется специальное подъемное приспособление — буровая вышка (копер). (фиг. 13—1).

При проходке скважины ведется буровой журнал и отбираются образцы грунтов. Последние упаковываются в мешочки, ящики или бумагу и снабжаются этикеткой.

Закладка шурфов. Закладка шурфов производится главным образом на участках, где требуется исследование только верхних слоев грунта, выяснение условий их залегaния, структуры и порядка напластования. Этим методом изучаются площадки, предназначенные под строительство инженерных сооружений, участки полей сушки торфа, а также берега торфяных месторождений. При шурфовании представляется возможным осмотреть грунты в ненарушенном состоянии в противоположность скважинам, где структура грунта нарушается.

Шурфы закладываются в виде прямоугольника шириной от 0,5 до 1,0 м и длиной от 1,5 до 2,5 м.

Лицевая стенка шурфа должна быть вертикальной на одной из узких сторон прямоугольника. Противоположная стенка шурфа делается ступенями.

В месте заложения шурфа описывается рельеф местности. Шурф наносится на план с присвоением ему очередного номера, а в шурфовом журнале отмечается его положение с привязкой к существующим геодезическим знакам съемочной сети.

Описание шурфа производится послойно, причем слои грунтов выделяются по окраске, структуре, влажности и другим признакам. Образцы отбираются из каждого характерного слоя, но не реже, чем через 0,5 м.

Описание шурфа заносится в журнал шурфования, где указывается: а) время производства работ; б) расположение шурфа; в) характер рельефа в месте заложения шурфа; г) характеристика грунтов; д) влажность и водоносность пород и е) появление воды и ее установившийся горизонт.

Если шурф прорезает связанные, необваливающиеся и неосыпающиеся сухие породы, то он проходится без крепления; при наличии водоносных слоев, склонных к оползанию, стенки шурфа крепятся.

Шурфо-скважины закладываются в тех случаях, когда шурфом вскрывается водоносный горизонт и дальнейшее рытье шурфа затруднительно. В этом случае углубление шурфа производится бурением.

Шурфо-скважины закладываются также и в местах проектирования небольших сооружений.

Описание шурфо-скважин производится в полевом журнале, аналогично описанию шурфов.

Прикопки. Прикопки закладываются между шурфами для уточнения почвенно-грунтовых разностей; глубина прикопки 0,5—1,0 м.

При исследовании полей сушки торфа прикопки часто применяются для выявления границ распространения отдельных видов грунтов.

Описание прикопок производится в полевом журнале в той же последовательности, что и описание шурфов.

Закрепление пунктов бурения и шурфования. Скважины и шурфы должны быть закреплены на местности путем установки деревянных столбов — реперов, обычно применяемых при закреплении окружного теодолитного хода.

На столбах указывается: название организации, производившей работы, время работы, номер скважины и ее глубина в метрах.

Шурфы, шурфо-скважины и прикопки после их описания засыпаются ранее вынутым грунтом. Буровые скважины обычно сохраняются. В тех случаях, когда сохранение скважины невозможно, ее заглушение производится путем засыпки влажным песком с последующим трамбованием ударной штангой и постепенным извлечением обсадных труб.

Отбор образцов грунта. Всё образцы грунтов, отобранные при бурении и шурфовании, пересылаются вместе с полевыми журналами для окончательной камеральной обработки.

Образцы грунтов для лабораторного исследования отбираются лишь из типичных литологических горизонтов, вскрытых шурфами и скважинами и характеризующих значительные по площади участки обследуемой территории.

,Наблюдения над уровнем подземных и грунтовых во д. Наблюдения имеют целью выяснение глубины залегания и режима грунтовых и подземных вод. Наблюдения производятся в колодцах, шурфах, скважинах и других искусственных выработках путем замера от определенного уровня.

Наблюдения могут быть единовременными, периодическими и постоянными.

При гидрогеологической разведке на торфяных месторождениях приняты, главным образом, единовременные замеры уровней.

Замеры уровней в скважинах и других выработках производятся специальными приспособлениями, из которых, наиболее употребительными являются хлопушка и рейка.

Определение направления и скорости движения подземных и грунтовых вод. Обычно в практике применяются следующие методы: а) по плавками, когда они устанавливаются у двух противоположных стенок выработки (колодец, шурф), после чего за ними ведется наблюдение; направление движения поплавков в данном случае укажет направление грунтового потока; для достоверности наблюдения опыт повторяется несколько раз; б) гидроизогипсами, которые применяются при наличии не менее трех скважин, расположенных треугольником на 100—600 м. Определение направления движения грунтовых вод производится путем нивелирования статического уровня воды и построения на плане гидроизогипс. Направление грунтового потока соответствует линии, перпендикулярной к гидроизогипсам.

Скорость грунтовых и подземных вод можно определить и непосредственным наблюдением. Так, например, в скважины, расположенные по направлению грунтовых вод, вводят краску или раствор поваренной соли, а затем наблюдают появление их в соседних скважинах по направлению грунтового потока. Скорость прохождения краски или поваренной соли к соседней скважине позволяет судить о скорости грунтового потока.

Определение дебита источников. Дебит источника наиболее просто измеряется любым мерным сосудом, причем время его заполнения определяется секундомером. Имея емкость мерного сосуда и время его заполнения, расход источника определяется по формуле

где: Q — емкость мерного сосуда, л;

V — скорость течения воды, см/сек;

t — время заполнения, сек.

Если замер расхода источника непосредственно невозможен, то он определяется в русле вытекающего из источника ручья, путем замера скорости течения воды и поперечного сечения водотока. В этом случае расход воды в единицу времени будет равняться:

где: Q — расход воды в единицу времени, л/сек;

W — площадь живого сечения потока, см2;

V — средняя максимальная поверхностная скорость потока, см/сек.

(Определение коэффициента фильтрации. Определение коэффициента фильтрации в скважинах и шурфах может производиться двумя, наиболее часто применяемыми, способами.

Первый способ заключается в закладке в сухом грунте шурфа, не доходящего до уровня грунтовых вод, в который затем непрерывно подается вода из двух-трех мерных сосудов, установленных у его бровки, через трубку с кранами (фиг. 13-2). Уровень воды в шурфе поддерживается постоянно на одной и той же высоте, около 10 см над его дном. Для наблюдений за уровнем воды устанавливается рейка с делениями через 1 см. Определив количество воды, инфильтрующейся из шурфа в единицу времени, и разделив ее на площадь дна шурфа, получают среднюю скорость инфильтрации:

Если при этом можно было бы определить величину напорного градиента l, то, разделив полученную величину скорости на l, мы определили бы и величину фильтрации.

Автор метода Болдырев допускает, что при небольшой величине слоя воды в шурфе, не более 10 см, создающейся при достаточно длительной инфильтрации, напорный градиент равен единице. В таком случае определяемая непосредственно наблюдением скорость инфильтрации, называемая им «кажущейся скоростью инфильтрации», будет выражать прямо величину коэффициента фильтрации:

Определение коэффициента фильтрации по методу Болдырева может быть рекомендовано при исследовании грунтов для сооружения плотин.

Второй способ применяется при исследовании фильтрационных свойств самого верхнего слоя грунта, например, поверхности полей сушки торфа. В точке исследования устанавливаются два железных цилиндра разного диаметра: внешний 100—120 см и внутренний — 50—60 см, при высоте их 20—26 см. Цилиндры вдавливаются в грунт на глубину 3—4 см. После этого в них наливается вода, сначала в межкольцевое пространство, а затем во внутреннее меньшее кольцо.

Опыт проводится так же, как и при наблюдениях в шурфах, т. е. устанавливается постоянный приток воды и замеряется ее расход.

Для предохранения от влияния бокового впитывания уровень воды в межкольцевом пространстве поддерживается на одной и той же высоте.

Расчет производится по формуле

где: К — коэффициент фильтрации;

q — расход воды, л;

t — время производства опыта, сек;

F — фильтрующая площадь, см2.

Определение дебита колодцев и скважин производится путем длительных откачек при различных понижениях горизонта воды. При производстве откачек важно устранить случайные причины, влияющие на приток воды в скважину. Откачки проводятся продолжительностью от 14 до 48 часов и более.

В зависимости от глубины залегания грунтовых вод, производительности водоносного горизонта, наличного оборудования, размеров и конструкции скважин или колодцев, откачки могут быть произведены двумя способами — вычерпыванием или откачкой насосами.

Расход воды при откачке, в зависимости от наличного оборудования, определяется: а) путем наблюдения по часам или секундомеру за наполнением какого-либо заранее замеренного сосуда; б) путем подсчета количества вычерпанных мерных сосудов — ведер, желонок и т. д. — за какое-либо определенное время; в) путем подсчета числа, качаний насоса, если заранее известны размер хода поршня, диаметр цилиндра и количество откачиваемой воды за один подъем поршня и г) по марочной производительности насоса.

Расход воды по данным откачек выражается в кубических метрах или литрах в единицу времени (час, сек.).

Расход должен определяться при установившемся динамическом уровне воды, поэтому, прежде чем его измерять, необходимо убедиться, что достигнутое при данном расходе воды понижение динамического уровня является не случайным.

Откачки и определение расхода производятся при различных понижениях динамического уровня, при этом необходимо, чтобы наибольшее понижение было не менее половины статического столба воды в скважине или колодце.

Для определения динамического уровня при заданном дебите по данным откачек строится график, на котором по вертикальной оси сверху вниз откладываются значения понижений, достигнутых откачкой воды, а по горизонтальной оси — соответствующие им значения дебитов. Имея такой график, можно с достаточной для практических целей точностью определить понижения уровня воды в колодце, необходимые для получения требуемого дебита.

Максимальный дебит колодца или скважины может быть приближенно определен по следующей формуле

где: d — диаметр скважины;

h — 0,58Н, где H — мощность водоносного слоя;

К — коэффициент фильтрации.

Определение дебита колодца по наблюдениям за скоростью восстановления уровня.

Если произвести откачку воды из шахтного колодца круглого сечения, понизив его уровень на S1 и затем определить время, за которое вода поднимается до уровня S2 (фиг. 13—3), то коэффициент фильтрации будет:

где:

К — коэффициент фильтрации;

r — радиус колодца, см;

S1 — глубина воды в колодце, считая от первоначального (статического) уровня в момент прекращения откачки, м;

S2 — то же спустя время t от момента прекращения откачки, м.

Подствляя эти выражения в формулу дебита шахтного колодца с водопроницаемыми стенками

где: а — сторона колодца квадратного сечения — получаем выражение расхода Q при проектируемом понижении S

Переходя к десятичным логарифмам и принимая размерность Q=м3/час, t — минуты, остальные величины — м будем иметь:

В тех случаях, когда полевое определение коэффициента фильтрации затруднительно, для ориентировочной оценки дебита колодца пользуются данными специальных таблиц.