Способ определения критического напорного градиента фильтрации для заполнителя трещиноватых пород Советский патент 1980 года по МПК G01N15/08 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО НАПОРНОГО ГРАДИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ДЛЯ ЗАПОЛНИТЕЛЯ ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОД

f

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано для обосновани.я необходимости строительства экранов, по- е нуров, противофильтрационных завес и др., которые предотвращают возникновение сосредоточенных фильтрационных потоков жидкости через трещиноватые породы и последующий вымыв « рыхлого заполнения трещин этими потоками, особенно при создании высоких напорных градиентов фильтрации жидкости.

Известен способ определения.кри- 15 тического напорного градиента фильтрации, при котором начинает разрушаться рыхлый заполнитель трещин 1.

Наиболее близким техническим ре- 20 шением является способ определения критического напорного градиента фильтрации, путем создания установившейся фильтрации жидкости е э з испытуемый целик породы и последующей 25 фиксации начала выМыва частиц заполнителя трещин породы 2.

Недостатком способа является большая трудоемкость подготовительной операции по увеличению напорных гра- 30

диентов фильтрации, продолжительность осуществления способа (до одного месяца), большой расход воды из-за длительной фильтрации при осуществлении способа. Причем определение мутности воды как показателя вымыва Заполнителя не оправдывается.

Цель изобретения - сокращение продолжительности опыта, снижение трудоемкости.. ..

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения критического напорного градиента фильтрации для заполнителя трещиноватых пород, включающем создание установившейся фильтрации жидкости через испытуемый целик породы и последующую фиксацию начала вымыва частиц заполнителя трещин породы, после создания установившейся фильтрации жидкости циклически возбуждают в испытуемом целике породи упругие колебания fe сейсмическом диапазоне частот. Измеряют плотности жидкости и водонасыщенного заполнителя трещин целика породы и скорости распространения в них продольных упругих колебаний, измеряют скорость фильтрационного потока в момент начала вымыва заполнителя и определяют критический напорный гра диент фильтрации (а р ) по формуле . ilil ЧгСа где JKP - критический напорный градиент фильтрации жидкости для заполнения трещин породы; ЗС, - плотности жидкости и вод насыгценного заполнителя трещин породы, - скорости распространения продольных сейсмических волн в жидкости и заполнителе трещин, м/с;1 - скорость фильтрационного потока в момент начала вымыва заполнителя трещин породы, м/с; - коэффициент Пуассона заполнителя трещин породы. Причем период повторения циклов упругих колебаний определяют по ско рости потока установившейся фильтра ции жидкости через испытуемый целик породы. Кроме того, в каждом последующем цикле упругих колебаний увеличивают их частоту, В предлагаемом способе водонасыщение заполнителя трещин приводит к ослаблению структурных связей части заполнителя трещин. Упругие колебан породы под влиянием сейсмической эн гии вызывают резкое гидродинамическое воздействие в ослабляемом запол нителе. При этом происходит высвобождение связанной воды, резкое снижение прочности структурных связей частиц в заполнителе,т.е. насту пает фаза разжижения грунта. Под действием фильтрующейся по трещинам воды фильтрационным потоком начинае вымываться заполнитель,приведенный неустойчивое ослабленное состояние влиянием упругих колебаний.. Ослабле ние структурной прочности заполните ля и начало его вымыва из трещин происходит в условиях кратковременных сейсмических колебаний. В известных способах начало вымыва заполнителя происходит в режиме длите ной фильтрации воды при постепенно возрастающих напорных градиентах фйлйтрации. Возбуждение упругих колебаний сейсмического диапазона частот проводят в виде циклов, период повторе ния которых не меньше суммарного вр мени на прохождение единицы объема воды, при установившейся скорости фильтрационного потока, от верхней камеры до нижней камеры через испытуемый целик породы и времени на проведение фиксации начала вымыва частиц заполнителя или отсутствия частиц заполнителя на выходе фильтрационного потока. Возбуждение упругих колебаний производят в первом цикле в области частот, равных единицам Герц, в каждом последующем цикле упругие колебания возбуждают на более высокой частоте. Последний цикл упругих колебаний проводят при частоте колебаний, на которой начинается вымыв заполнителя, или при частотах колебаний, на которых происходит уплотнение на 5-10% заполнителя трещин. Частоты колебаний, на которых происходит уплотнение заполнителя, находятся в пределах 50150 Гц в зависимости от материала и свойств заполнителя трещин. . Пример. Проводят испытания песчаного, супесчаного и глинистого заполнителя трещин известняков, находящихся на глубине 3-5 м от поверхности земли в зоне аэрации и залегающих, на 40-50 м выше уровня водоносного горизонта. Известняки вскрыты в борту долины реки. Массив известняков представляет сильно трещиноватую породу с коэффициентом трещинной пустотности 3-5%, В известняках создают горизонтальный целик породы толщиной 3 м, шириной 2 м и длиной 15 м. На верхней поверхности целика стрбят верхнюю камеру высотой 2 м, шириной 1 м и длиной 1 м для. последующего заполнения ее водой и осуществления фильтрации воды через целик. Под целиком породы, под верхней камерой создают нижнюю камеру высотой 1 м, шириной 1 .м и длиной 3 м для приема воды, которая фильтруется через целик из верхней камеры. В потолке нижней камеры, т.е. в нижней поверхности целика породы устанавливают водосборные лотки сжелобами для улавливания воды. На поверхность заполнителя треишн на потолке нижней камеры наносят цветовой индикатор - нерастворимую в воде краску, с помощью пульверизатора (для каждой трещины различным цветом). Краску наносят не сплошным слоем, чтобы не создать препятствие для воды, фильтрующейся через заполнитель трещин. Местоположение каждой трещины на плоскости потолка нижней камеры зарисовывается в масштабе на плане. Датчики сейсмоприемников ОСП и ВВП устанавливаются в заполнителе широких трещин и на поверхности целика. После подготовки целика породы, верхней и нижней камер на расстоя нии ,15-45 м от центра верхней камеры в грунт на глубину 3,0 м для предотвращения выброса грунта при взрыве закладывают взрывные заряды массой 3-10 кг. Массу заряда рассчитывают по эмпирической формуле ( тде v скорость колебаний частиц грунта по инструментальной шкале С.Б.Медведева, см/с; г - расстояние от эпицентра взрыва до центра опытного целика породы, м (составляет 120-150 радиусов заряда; выполнение этого условия обеспечивает создание упругого возмущения среды, на фронте которого в зоне расположения целика параметры состояния вещества практически не меняются). После проведения подготовительных операций опыт осуществляют следующим образом. Верхнюю камеру заполняют водой и поддерживают высоту водяного столба 1 м, соответствующего величине начального градиента фильтрации, равно му 0,3. После возникновения установившейся фильтрации воды через целик замеряют расход воды из верхней камеоы, количество воды профильтровавшейся в приемную камеру и скорости фильтрационного потока, производят анализ профильтровавшейся воды на присутствие в ней частиц цветочного индикатора заполнителя трещин, В профильтровавшейся воде частицы индикатора отсутствуют, вымыв заполнителя трещин не происходит. Измеряю плотность воды и водонасыщенного заполнителя трещин. После этого производят взрыв заложенного заряда, в результате которого в испытуемом целике породы возникает цикл продоль ных упругих колебаний с частотой 2 Г скорость распространения которых измеряют в водонасышенном заполнителе и в воде. В качестве регистирирующей аппаратуры для записи сейсмических волн применяют сейсмоприемники ОСП, ВВП, осциллографы Н-700, укомплектованные гельфанометрами Г-Г1Г-5 и М001-2. В момент осуществления упругих продольных колебаний измеряют скорость фильтрационного потока воды и бепут пробу воды из фильтрационног потока. В пробе воды цветовой индикатор отсутствует. После возникновения вновь установившейся фильтрации замеряют скорост фильтрационного потока. Возбуждение цикла упругих колебаний в целике породы, измерение скорости их распространения в воде и водонасьощенном заполнителе TpeinHH, измерение скорости фильтрационного потока в момент упругих колебаний и исследование пробы фильтрационной воды составляет один этап опыта, который повторяют, увеличивая на каждом последующем этапе частоту упругих колебаний на 2-3 Гц путем пров дения взрыва большей массы заряда, рассчитываемой по указанной формуле. При частотах возбуждаемых упругих koлeбaний, равных 5, 10, 30, 35 Гц, обнаружены частицы индикатора, заполнителя трещин в пробах фильтрационной воды, соответственно цветному индикатору трещин - песок с супесью, супесь, -суглинок, глина рыхлого сложения. Это соответствует началу вымыва выделенных типов заполнителя трещин, После определения начала вымыва соответствующего заполнителя определяют численное значение критического напорного градиента фильтрации ОКР ) по указанной формуле. Предлагаемый способ определения критического напорного градиента фильтрации для заполнителя трещиноватых пород по сравнению с известным обеспечивает сокращение в 10-20 раз времени на проведения опыта; снижение расхода воды в 10-50 раз на его проведение; возможность увеличения в несколько раз размеров испытуемого целика породы, что особенно важно для достовернойоценки возможности выиыва заполнителя из трещин при обосновании строительства таких дорогостоящих инженерных сооружений, как экраны, завесы, понуры и др. Формула изобретения LCnoco6 определения критического напорного градиента фильтрации для заполнителя трещиноватых пород, путем создания установившейся фильтрации жидкости через испытуемый целик породы и последующей фиксации начала вымыва частиц заполнителя трещин породы, отличающийся тем,что, с целью сокращения продолжительности опыта и снижения трудоемкости, после создания установившейся фильтрации жидкости, циклически возб5ждают в испытуемом целике породы упругие колебания в сейсмическом Iдиапазоне частот, измеряют плотности жидкости и водонасыщенного заполнителя трещин целика породы и скорости распространения в них продольных упругих колебаний, измеряют скорость :фильтрационного потока в момент начала вымыва заполнителя и определяют критический напорный градиент фильтрации (ОКР ) по формуле -, «-(Сл VV Р ., «-I - критический напорный градиент фильтрации жидкости для заполнителя трещин породы; TiTi- плотности жидкости и водонасышенного заполнителя трещин породы, 7 73454 Ц Сд - скорость распространения продольных сейсмических волн в жидкости и заполнителе, м/с; V - скорость фильтрационного потока в момент началас вымыва заполнителя трещин породы, м/с; V- коэффициент Пуассона заполнителя трещин породы. 2.Способ по п.1, о т л и ч а ю -.Q щ и 3 с я тем, что период повторения циклов упругих колебаний определяют по скорости потока установившейся фильтрации жи цкостй «через испытуемый целик породы. 8 3. Способ поп.1, отличающи и с я тем, что в каждом последующем цикле упругих колебаний увеличивают их частоту. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Геология и плотины. М,-Л,, Грсэнергоиздат, т.З, 1968, с.88-89. 2. Молоков Л.А. Вымыв заполнителя карстовых полостей и его изучение, Труды Гидропроект Расширенные тези,сы докладов и сообщений научно-техничеЪкой конференции , секция инженерно-геологическая. М.., 1969, с.94 (прототип).