ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 4, с. 362-367
ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 556.3.06
ОЦЕНКА И УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА РЕЖИМ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАБОТ И РЕЖИМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
© 2014 г. Ю. А. Норватов, И. Б. Петрова, С. Н. Котлов
Национальный минерально-сырьевой университет "Горный", 21 линия, д.2, В.О., Санкт-Петербург, 199106 Россия. E-mail: norvatov@mail.ru
Поступила в редакцию 17.04.2013 После исправления 8.05.2013
Представлена типизация гидрогеологических структур по характеру влияния изменений атмосферного давления на режим подземных вод. Предложены расчетные зависимости для корректировки замеренных гидростатических давлений по датчикам и уровней в открытых пьезометрах при интерпретации результатов опытных откачек и режимных наблюдений. Приведены примеры использования предлагаемой методики.
Ключевые слова: опытные откачки, режимные наблюдения, уровни подземных вод, атмосферное давление, гидростатика, корректировка замеров, фильтрационные параметры.
Эффекты, обусловленные влиянием изменений атмосферного давления на режим уровня подземных вод, широко известны и рассматривались ранее в рамках теории гидрогеомеханики [1, 3, 5, 6].
В последнее время повышение внимания к закономерным изменениям гидродинамического режима подземных вод за счет метеорологических факторов определяется двумя основными причинами:
- необходимостью гидрогеологического изучения приповерхностных водоносных горизонтов в связи с активным освоением подземного пространства в крупных городах;
- широким использованием датчиков гидростатического давления в гидрогеологических исследованиях.
При строительстве подземных сооружений обычно вскрывают котлованами приповерхностные горизонты, представленные водонасыщенны-ми песчано-глинистыми отложениями, которые характеризуются невысокой проницаемостью и являются основными объектами гидрогеологических исследований. Опытные откачки из этих горизонтов характеризуются малыми дебитами, незначительными понижениями уровней грунтовых вод, соизмеримыми с возможными их колебаниями за
счет изменений атмосферного давления в период проведения эксперимента. Амплитуда изменений атмосферного давления в течение нескольких суток может достигать 60 мм рт. ст. (около 80 см водяного столба), что нередко превышает величину понижений уровней при опробовании приповерхностных водоносных горизонтов. При снижении атмосферного давления в некоторых случаях при откачках можно отмечать временную стабилизацию понижений или повышение уровней подземных вод. Сезонные колебания уровней приповерхностных горизонтов (0.5-1 м) также сопоставимы с максимальными амплитудами изменений атмосферного давления. Следовательно, при интерпретации результатов опытно-фильтрационных работ и наблюдений за режимом приповерхностных водоносных горизонтов необходимо учитывать влияние изменений атмосферного давления на положение уровней подземных вод в открытых пьезометрах или на гидростатические давления, определяемые соответствующими датчиками.
Целесообразно рассматривать три типа гидрогеологических структур, различающихся характером влияния изменений атмосферного давления на уровенный режим подземных вод:
- тип I - безнапорный водоносный горизонт (комплекс) в верхней части (вблизи свободной
поверхности) представлен песками, диаметр частиц которых превышает 0.1 мм [1], или трещиноватыми породами; высота зоны капиллярного поднятия над уровнем подземных вод пренебрежимо мала;
- тип II - безнапорный водоносный горизонт (комплекс) представлен в верхней части тонкозернистыми, пылеватыми песками (диаметр частиц менее 0.1 мм), супесями, легкими суглинками или метаморфизованными породами, нарушенными трещинами с малым раскрытием; высота зоны капиллярного поднятия над уровнем подземных вод значительна;
- тип III - водоносный комплекс представлен водоносным пластом, перекрытым "абсолютным" водоупором.
Влияние изменений атмосферного давления на состояние подземных вод в гидрогеологических структурах типа I сводится к эквивалентному (по величине и знаку) изменению полных гидростатических давлений в толще ниже свободной поверхности потока подземных вод (давление на которой равно атмосферному). Положение уровня подземных вод не меняется, однако напоры во всех точках водонасыщенного массива изменяются на одинаковую величину без дополнительного перемещения массы воды. Такая ситуация фиксировалась при наблюдениях за изменением режима подземных вод при проходке тоннелей Санкт-Петербургского метрополитена в четвертичных песчано-глинистых отложениях: изменения гидростатических давлений, замеренные в течение суток по датчикам в разных точках массива (до глубины 50-100 м), практически синхронно и однозначно соответствовали изменениям атмосферного давления в пределах 2-5 кПа [2].
В гидрогеологических структурах типа II изменения атмосферного давления влекут за собой перемещение границы раздела зон капиллярной и гравитационной воды (т.е. изменение положения в разрезе уровня воды, давление на котором равно атмосферному). При этом напряженное состояние воды (гидростатическое давление) изменяется только в пределах зоны капиллярного поднятия над уровнем, ниже уровня полные гидростатические давления при колебаниях атмосферного давления не изменяются. В этих условиях при повышении атмосферного давления понижаются эквивалентно уровни подземных вод (нижняя граница капиллярной зоны), а при понижении атмосферного давления практически синхронно происходит повышение уровней [1]. Стабильность напоров в массиве ниже уровня подземных вод определяется тем, что изменению
пьезометрической высоты на свободной поверхности соответствует изменение (с противоположным знаком) геометрической высоты этой поверхности. Можно отметить, что при повышении атмосферного давления происходит повышение эффективных напряжений в породном скелете в пределах зоны капиллярной каймы, что может приводить к компрессионным деформациям этой части массива [1].
Эффекты, наблюдаемые при изменении атмосферного давления в гидрогеологических структурах типа III, отличаются от изменений уровенного режима в структурах I и II типов. Снижение или повышение уровней в открытых пьезометрах в структурах типа III связаны с изменениями атмосферного давления согласно зависимости [3, 5, 6]:
DH = -
DPa
gPo A
(1)
где ДЯ - изменение положения уровня (напора) водоносного пласта в открытом пьезометре; Дра - изменение атмосферного давления (понижение со знаком "-", повышение со знаком "+"); р0 - плотность воды; g - ускорение свободного
падения; A =1+
E 0 an
; E0 - модуль упругости
воды; ап, е - коэффициенты сжимаемости и пористости пород напорного пласта.
Изменение гидростатических давлений в напорных пластах при изменении атмосферного давления, которое влечет однозначное изменение полного напряжения в этих пластах [6], соответствует зависимости:
Dp„
DPa
B
где B = 1 + s/E0 an.
(2)
Применение датчиков гидростатического давления позволяет идентифицировать рассмотренные типы гидрогеологических структур путем синхронных замеров атмосферных и гидростатических давлений в течение нескольких суток до проведения опытно-фильтрационных работ или режимных наблюдений. Критериальный признак структур типа I - синхронные и одинаковые по знаку и величине изменения атмосферных и гидростатических давлений в водонасыщенном массиве при стабильном положении уровней подземных вод. Стабильность гидростатических давлений в массиве ниже уровня подземных вод при любых изменениях атмосферного давления -признак структур типа II. Признаком структуры типа III - изменение гидростатических давлений в напорном пласте при изменении атмосферного
с
давления. В результате наблюдений можно оценить численное значение коэффициентов А или В, определяющих количественно степень связи изменений атмосферных и гидростатических давлений в соответствии с формулами (1) или (2).
При использовании датчиков гидростатического давления в качестве пьезометров при опытных откачках необходима корректировка понижений уровней, определяемых в период изменения атмосферного давления (относительно давления, замеренного в начале откачки). Необходимость корректировки обусловлена тем, что датчиками фиксируется полное гидростатическое давление, частью которого является и атмосферное давление на свободной поверхности наряду с избыточным гидростатическим давлением, соответствующим весу столба воды над расчетной точкой до свободной поверхности.
В процессе опробования структур типа I фиксируемые датчиками полные гидростатические давления снижаются за счет водоотбора и одновременно могут дополнительно снижаться при снижении атмосферного давления или увеличиваться при его повышении (по сравнению с давлением, замеренным до начала откачки). Поэтому при оценке положения свободной поверхности, которое соответствует избыточному гидростатическому давлению, следует из зафиксированной на расчетный момент времени величины полного гидростатического давления (р „) вычесть алгебраическую разность атмосферного давления, замеренного до начала откачки (р 0а) и в расчетный момент времени (р 1а). Скорректированные (расчетные) понижения уровней при опробовании с использованием датчиков гидростатического давления структур типа I определяют по зависимости:
/0 /ч /0 / ч
KP „ - Р „ )-(Pa - Pa ) gPo
(3)
DHp =
(p „ - p к) - (p a - p a)
gPo
(4)
При использовании открытых пьезометров при фильтрационном опробовании гидрогеологических структур типа I корректировка замеренных понижений и повышений уровней не требуется, поскольку изменение положения свободной поверхности зависит только от водоотбора.
При опробовании гидрогеологических структур типа II с применением в качестве пьезометров датчиков гидростатического давления расчетные понижения и повышения уровней определяют без учета изменений атмосферного давления по формулам
sp =
DH =
0/ p г - p г
gP0
/ к
p „ - p г
gP0
(5)
(6)
Однако при использовании открытых пьезометров корректировку замеренных понижений и восстановлений
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.