CC BY
10
5. Воробьёв В.Я., Кононов Ю.С. Особенности нефтегазогеологического районирования на примере Урало-Поволжья, Прикаспия и Предкавказья //Недра Поволжья и Прикаспия. - 2009. -Вып.59. - С.3-11.
6. Карпов В.А. Фундамент - региональный нефтегазоносный комплекс //Отечественная геология. - 2012. - № 6. - С. 90-94.
7. Кононов Ю.С. Особенности продуктивности девонских отложений Нижне-Волжской нефтегазоносной области //Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. - 1998. -№ 10. - С. 15-19.
8. Кононов Ю.С. Геоструктурно-формационные особенности Нижне-Волжской нефтегазоносной области //Отечественная геология. - 2000. - № 1. - С. 14-20.
9. Кононов Ю.С. О влиянии тектоники додевона на нефтегазоносность юга Волго-Уральской провинции //Недра Поволжья и Прикаспия. - 2012. - Вып.70. - С.3-8.
10. Муслимов Р.Х. Новый взгляд на перспективы развития супергигантского Ромашкинско-го нефтяного месторождения //Геология нефти и газа. - 2007. - № 1. - С.3-12.
11. Писаренко В.Ю. Особенности геологического строения зоны сочленения системы Ряза-но-Саратовских прогибов, Жигулёвско-Оренбургского свода и Прикаспийской впадины в связи с оценкой перспектив нефтегазоносности девонских отложений //Недра Поволжья и Прикаспия. - 2013. - Вып.74. - С.3-10.
12. Староверов В.Н., Трегуб А.Н., Матвеев В.В. Новая точка зрения на происхождение девонских грабенообразных прогибов в пределах Волго-Уральской НГП //Недра Поволжья и Прикаспия. - 2013. - Вып.75. - С.3-15.
13. Шебалдин В.П. Тектоника Саратовской области. - Саратов: ОАО "Саратовнефтегеофизи-ка", 2008.
14. Яцкевич С.В., Воробьёв В.Я., Никитин Ю.И. и др. Формации среднедевонско-артинского нефтегазоносного этажа юго-востока Русской плиты //Недра Поволжья и Прикаспия. - 2010. -Вып.63. - С.3-16.
УДК[549.086+550.84] : 551.782/79 (470.44)
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОГНОЗ ПРИ ОРОШЕНИИ ЗЕМЕЛЬ В СЫРТОВОМ ЗАВОЛЖЬЕ НА ОСНОВЕ НЕТРАДИЦИОННОГО МЕТОДА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАБОТ
© 2014 г. В.П. Пантелеев1, Ю.В. Ваньшин2
1 - МУП "Водосток"
2 - Саратовский госуниверситет
В Саратовской области имеют преимущественное распространение глинистые слабоводопроницаемые и водоупорные рельефообразующие грунты (суглинки, глины, алевриты). Через толщи глинистых грунтов происходит и питание, и разгрузка грунтовых вод, преимущественно глинистые грунты являются и водовмещающими. С этим приходится сталкиваться на застраиваемых территориях [ 1].
Существующие методики проведения опытно-фильтрационных работ (ОФР) имеют серьезные недостатки и практически используются формально [2, 3]. Мелиоративная практика в области столкнулась с этой проблемой в Сыртовом Заволжье и не нашла пути
ее решения. На объектах городской застройки экспресс-откачки, например, производятся из скважин, пробуренных для инженерно-геологических целей. Положение водоупора определяется по геологическому описанию; водоотдача из водонасыщенных грунтов не определяется; гидрогеологические прогнозы не составляются.
Как отмечается в [4], мелиоративная практика в области зашла в тупик из-за недостатков в методике гидрогеологических исследований: завышена водоподача на орошение и потребность в дренаже.
Затратными и неэффективными являются также и мероприятия по инженерной защите города Саратова от подтопления. Заметим, что проблема подтопления и городской территории, и сельскохозяйственных угодий имеет комплексный характер (и задержка поверхностного стока, и течи из подземных трубопроводов тепло- и водоснабжения). Однако если правильно решить вопросы геофильтрации, то ясно обозначатся мероприятия по
6 7
Рис.1. Схема изучения активной пористости слабопроницаемых почвогрунтов
1 - масляная или водяная пробка; 2 - крышка; 3 - полупроницаемая мембрана; 4 - монолит; 5 - металлический цилиндр; 6 - прозрачная гибкая трубка; 7 - вода; h - отрицательное давление (напор)
борьбе с другими факторами подтопления. Для решения назревших задач геофильтрации предлагаем рассмотреть следующую методику исследования фильтрационной неоднородности слабоводопроницаемых грунтов [5]. Далее кратко изложены основные положения этой методики.
Подготовительные работы сводятся к следующему: монолит диаметром 100-120 мм и высотой 15-20 см отбирается из скважины при вскрытии водоносного горизонта, сразу же помещается в жесткий цилиндр (трубу) диаметром 127-130 мм, пространство между монолитом и внутренними стенками трубы заливается расплавленным битумом, торцы монолита зачищаются, чтобы до краев трубы оставалось 3,0-5,0 см.
С нижнего торца на зачищенную поверхность монолита засыпается мелкий гравий и слегка утрамбовывается вровень со срезом трубы. Затем накладывается крышка из прозрачного органического стекла, которая плотно прижимается специальными болтами. Для герметизации образовавшейся камеры между крышкой и срезом трубы вставляется резиновая прокладка. К крышке для подачи воды в камеру подсоединяется гибкая прозрачная трубка внутренним диаметром 3-5 мм.
Непосредственно на буровой площадке или в стационарных условиях оборудуется полевая лаборатория: монолит крепится на штативе и т.д. (рис. 1). В стационарных условиях для организации опытов могут быть использованы столы и стеллажи.
Фильтрационные испытания начинаются с подачи воды в нижнюю камеру оснащенного монолита. На верхний торец монолита гравий не засыпается для того, чтобы через крышку можно было наблюдать высачивание воды на срезе монолита. При подаче воды в нижнюю камеру необходимо выпустить защемленный воздух. Водоподающую трубку укладывают на горизонтальную планку в положение (I) вровень с верхним срезом монолита. Когда на верхнем срезе монолита выступит вода, планку водоподающей трубкой перемещают в нижнее положение вровень с нижним срезом монолита, на шкале отмечают положение фронта воды, начинаются наблюдения за его продвижением.
Для простоты расчетов коэффициента фильтрации и водоотдачи предварительно рассчитывают цену деления (объем воды в трубке на единицу длины) и составляют график зависимости коэффициента фильтрации от скорости продвижения фронта воды в трубке. Величина водоотдачи определяется в течение суточных наблюдений. В этом случае водоотдача соответствует условиям незначительного снижения уровня грунтовых вод согласно высоте монолита.
Для того чтобы получить величину водоотдачи слабопроницаемых грунтов применительно к условиям работы дренажа, планку с водоотводящей трубкой опускают на требуемую величину снижения уровня грунтовых вод. Предварительно для этого опыта вместо гравийной засыпки к нижнему срезу монолита плотно прижимают полупроницаемую пластину (мембранный керамический фильтр) либо сразу водную камеру (воронку) с керамическим фильтром. В стационарных условиях фильтрационные опыты с монолитами можно вести при подаче воды на верхний срез монолита и отводе на уровне нижнего среза.
Основываясь на законе Дарси, по результатам наблюдения за истечением воды из монолита можно составить расчеты фильтрационных и емкостных параметров по следующим уравнениям:
о
= Д/г;
( 1 )
к к 1 = 1 = К=Ь'
( 2 )
( 3 )
( 4 )
( 5 )
где V - расход фильтрации воды через монолит; () - расход воды; ДН - слой воды, вышедшей из монолита; Т - радиус монолита; ¡1 - водоотдача; К - коэффициент фильтрации; И - высота монолита; Ь - расчетный путь фильтрации.
Перейдем теперь к оценке параметров способом восстановления уровня воды в скважине. Представим себе скважину (рис.2а), из которой в водонасыщенной зоне взят монолит, а стенки скважины загерметизированы так, что поступление воды возможно только через дно (в скважину плотно к стенкам вставлены обсадные трубы).
Допустим, что в одно мгновение мы оснастили монолит по вышеприведенной схеме (рис. 1) и ведем одновременно наблюдения за выходом воды из монолита и поступлением воды в скважину через дно (рис.2, 3). Очевидно, что в короткое мгновение слой воды, вышедшей из монолита будет равен слою воды, скопившейся на дне скважины. Тогда по результатам наблюдения за восстановлением уровня воды в скважине возможно составить уравнения:
<1 С
V = — = —- — [гасАкМ;
ИТ
к к
( 1.2 )
( 2.2 )
( 3.2 )
( 4.2 )
( 5.2 )
где V - скорость фильтрации; Т7 - площадь дна скважины; К - коэффициент фильтрации; / - градиент напора; Ак - прирост уровня воды в скважине за время Д1:; Г - радиус скважины; к - столб воды в скважине при установившемся уровне; ¡1 - водоотдача; Ь - расчетный путь фильтрации.
Из анализа рассмотренных уравнений ясно, что расчетный (предполагаемый) путь
Д/7
фильтрации определяется через отношение ; градиент напора определяется отно-
Дй Д Ак
шением И: —; водоотдача определяется отношением формула для определения
коэффициента фильтрации методом восстановления уровня воды в скважине, закрепленной обсадными трубами, имеет вид:
АК
К =
At
( 3.2 )
где At - время, за которое на дне скважины образуется слой воды Ah
В слабопроницаемых грунтах полутвердой и тугопластичной консистенции при заглублении забоя скважины на 1-3 м ниже уровня грунтовых вод заплывание стенок не происходит. В этом случае после вычерпывания приток воды будет происходить преимущественно через стенки (рис.2б). Поэтому по замерам уровня воды после вычерпывания возможно составить следующие уравнения:
Q Q
V = — = ——; F 2nrh'
^ =
Ah
7Г;
к h}i ^ = L=Ah'
(1.3 ) (2.3 )
(3.3 )
(4.3 )
(5.3 )
При учете притока воды в скважину из стенок и дна формула коэффициента фильтрации имеет вид:
(6 )
Как отмечено выше, уравнения (3.2), (3.3), (6) справедливы на мгновение. В ряде случаев (плотные глины) эти мгновения весьма заметны (сутки и десятки суток). Поэтому их
использование допустимо лишь в грубом приближении, когда наполнение скважины не
АН
превышает 5-10% от величины столба воды при установившемся уровне <0,1).
В случае неустойчивых грунтов скважину необходимо обсадить фильтром.
Для мгновенного вычерпывания воды из скважины необходимо подготовить специальную желонку.
Дренирование водонасыщенных монолитов (определение водоотдачи) позволяет фиксировать относительную водоупорность грунтов.
Рассматриваемый способ исследований водоотдачи и фильтрации не допускает разрыва водной сплошности (вода из монолита переходит в трубку), и поэтому позволяет изучать скорость фильтрации в зависимости от изменения атмосферного давления и в соответствии с этим открывает иной взгляд на фильтрацию воды через слабопроницаемые грунты.
Для выполнения опытов, устанавливающих относительную водоупорность грунтов, необходимо соблюдать следующие условия:
1. наблюдения за выходом воды из монолита должны быть достаточно продолжительными;
2. разрывов водного тела в трубке не должно быть;
3. одновременно с наблюдением за водоотдачей производится наблюдение за изменением давления атмосферного воздуха.
Из этого следует, что такие опыты возможно выполнить лишь в стационарных условиях.
Датчик текущего изменения давления атмосферного воздуха изготавливается из мо-
Рис.2. Скважина
а) с обсадной трубой, б) без обсадной трубы
нолита грунта. Оснастка монолита-датчика (рис.3) аналогична описанной выше. При этом важно, чтобы объем монолита-датчика был равным объему испытываемого на фильтрацию монолита и однороден с ним. Оснащенный монолит-датчик имеет воздушную трубку, подсоединенную к верхней крышке. Нижняя крышка герметично закрывает цилиндр снизу (водоподающая трубка наглухо перекрыта). В воздушную трубку вводится водяная или масляная пробка длиной 2-3 см. Затем трубку укладывают на горизонтальную планку.
Так как водяная пробка закрывает свободный доступ воздуха в монолит, то изменение атмосферного давления приводит пробку в движение: при повышении атмосферного давления объем защемленного в монолите воздуха уменьшается, а при уменьшении, наоборот, увеличивается. Опыт в том и заключается, чтобы объемные изменения по монолиту-датчику сравнить с величиной водоотдачи за одно и то же время.
Методика выработана в результате проведенных в 1975-1980 гг. гидрогеологических изысканий на территории длительно орошаемых земель (40 лет) Ершовской опытно-мелиоративной станции без устройства дренажа. Орошение на площади 200 га здесь велось с 1934 г. напуском, заливами площадок, а с 1960 г. поливочными машинами ДДА-100М из открытых оросителей. Но оказалось, что феномен Ершовской опытной станции, по данным проведенных ВНИИГиМ гидрогеологических исследований, объясняется ее малыми размерами. Такое заключение основывалось на проведении разведочных работ и режимных наблюдений за уровнем подземных вод. Произведены были наливы в глубокие шурфы, скважины и котлован. Результаты этих исследований приводятся в [6].
Однако при изучении материалов исследований на основе морфометрического подхода, разрабатываемого автором с 1972 г., выяснилось, что гидрогеологические исследования ВНИИГиМ выполнены без учета рельефа полей и контуров естественной верховодки в днищах ложбин стока, относительно густо осложняющих рельеф орошаемых полей,
Рис.3. Оснастка монолита-датчика
^___-
766
__
1974 1975 1976 1977 1978 1979
1 - режимные скважины; 2 - тальвеги ложбин и долин; 3 - контур верховодки в плане; 4 - линия гидрогеологического разреза; 5 - оросительные каналы; 6 - границы староорошаемых земель; 7 - новоорошаемый массив; 8 - кустовое размещение скважин-пьезометров на фронте растекания верховодки; 9 - глина; 10 - песок; 11 - уровень верховодки по данным на 01.01.1981 г.; 12 - уровень напорного водоносного горизонта по данным на 01.01.1981 г.
Рис. 4. Гидрогеологическая карта (а); разрез (б); створ режимных скважин — пьезометров на фронте растекания верховодки (в); графики изменения уровня верховодки (г); то же по режимным скважинам Саратовской гидрогеологической экспедиции (д); графики изменения напорного уровня в апшеронском водоносном горизонте на староорошаемом массиве опытно-мелиоративной станции Ершовского района Саратовской области ( е )
поэтому играющих решающую роль в гидрогеологии, гидрологии и почвенно-мелиора-тивной ситуации в их границах и за их пределами. Условия распространения верховодки на староорошаемом и новоорошаемом массивах рассмотрены в [4].
Для примера на рисунке 4 приводится сложившаяся гидрогеологическая ситуация в результате длительного орошения:
- купола верховодки разобщены между собой и не соединяются в один горизонт за обозримое и геологическое время;
- этажные пьезометры в контуре верховодки фиксируют гидравлическую разобщенность горизонтов по глубине.
Проведенные по рассматриваемой методике [5] опытно-фильтрационные работы позволяют сделать ясный вывод о том, что верховодка по глубине распространения ограничивается горизонтами глин с начальным градиентом фильтрации > 1,1; а в плане < 1.
Исследованиями по рассматриваемой методике установлено, что водоотдача верхних горизонтов глин не превышает 1 %, а содержание защемленного воздуха в микроагрегатах достигает 4-5 %. Эта информация была использована [4] для объяснения резких колебаний уровня неглубоко залегающей верховодки, а именно: при сезонном похолодании (осень, зима) объем защемленного в глинах воздуха резко уменьшается, происходит впитывание межагрегатной воды вовнутрь микроагрегатов, уровень верховодки снижается до глубины 3-3,5 м. Транспирация воды растениями также резко снижает уровень верховодки. Поэтому верховодка не участвует в физическом испарении. Засоление почв при неглубоком залегании верховодки не происходит. Таким образом, доказано, что дренаж при орошении сыртовых почв не требуется. Это и подтверждается опытом орошения Ершовской опытно-мелиоративной станции, Толстовского массива, Кутулукской оросительной системы.
Л и т е р а т у р а
1. Ваньшин Ю.В., Пантелеев В.П. О морфометрическом подходе к проведению гидрогеологических исследований на объектах застройки //Материалы VIII общерос. конф. изыскательских организаций. - М., 2012. - С. 161-163.
2. Лехов М.В. Моделирование профильной фильтрации при откачках и наливах в безнапорном пласте с учетом факторов, осложняющих скважины //Материалы VIII общерос. конф. изыскательских организаций. - М., 2012. - С. 155-159.
3. Лукнер Л., Шестаков В.М. Моделирование геофильтрации. - М.: Недра, 1976. - С.10-13, 39, 40.
4. Пантелеев В.П. Прогноз гидрогеологических условий при длительном орошении каштановых почв Сыртового Заволжья //Научный журнал КУБ ГАУ. - 2011. - № 74 (10).
5. Пантелеев В.П. Об оценке структурной неоднородности слабоводопроницаемых поч-вогрунтов //Труды Саратовского научного центра жилищно-коммунальной Академии РФ. - Саратов, 1997. - Вып.1. - С. 149-162.
6. Кац Д.М. Влияние орошения на грунтовые воды. - Москва: Колос, 1976. - С.243-261.
