О ДЕФОРМАЦИЯХ ГРУНТОВ, ЗАЛЕГАЮЩИХ ГИПСОМЕТРИЧЕСКИ НИЖЕ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ

Откачивание подземных вод – широко применимый во всем мире способ водоснабжения, метод снижения напоров и водопритоков при строительстве различных гражданских и промышленных сооружений, при проходке горных выработок. В статье поднимается вопрос о деформациях грунтов, залегающих гипсометрически ниже эксплуатируемых горизонтов.

Данная проблема анализируется на примере района месторождения им.Гриба (Архангельская область, рис. 1), где в результате опытно-фильтрационных работ, проведенных за период с 1997 по 2004 год, была зафиксирована аномальная реакция пьезометров на нижележащие горизонты относительно эксплуатируемого в начальные периоды откачки, что указывает на их некоторое уплотнение [1].

Так повышение уровня в начальный период времени наблюдалось при проведении кустовой откачки из скважины 9ц (Рис. 1) в скважинах 11м (до 0,1 суток, пробурена на мезенский и верхи усть- пинежского комплексы) и 12 уп  (до 1 суток, на усть-пинежский  комплекс). Исследуем наблюдаемую реакцию на несколько упрощенной схеме (рис.2).

Пусть из падунского водоносного комплекса откачивается вода из совершенной скважины радиусом 0,056 м с расходом 223,776 м3/сут.

Наблюдательная скважина 11м располагается на расстоянии 471 м от центральной скважины, скважина 12уп– на расстоянии 334 м.

Исходя из величин фильтрационных параметров грунтов месторождения [1]следует, что возмущение в осадочном комплексе будет быстрее развиваться в падунском горизонте, расположенном гипсометрически выше горизонтов с аномальной реакцией (рис.2).

При снижении уровняв падунском водоносном комплексе возникнут дополнительные эффективные напряжения, которые будут действовать как дополнительные давления на кровлю залегающего ниже мезенского слабоводоносного комплекса. Полные напряжения в системе остаются практически неизменными, тогда, в соответствие с основным уравнением гидростатики [3],дополнительная нагрузка на кровлю мезенского горизонта в каждой точке области распространения воронки депрессии будет определяется понижением в ней.

Часть дополнительной пригрузки будет воздействовать на скелет нижележащих грунтов, вызывая некоторое увеличение эффективных напряжений в них и уплотнение толщи, главным образом за счет уменьшения пористости. Вторая часть дополнительно возникших давлений будет вызывать сжатие поровой жидкости, которым в силу его малой величины [2] можно пренебречь. Сжатие горных пород приведет к тому, что нижележащие пласты «отдадут» некоторое количество воды, что вызовет повышение уровня в оборудованных на них наблюдательных скважинах. Причем величина данного повышения равна осадке слоя.

Рассчитаем, какую реакцию дадут наблюдательные скважины на момент времени 0,1 сутки и 1 сутки от начала откачки.

Деформационные характеристики грунтов мезенского и усть-пинежского комплекса близки (модули деформации равны 0,21 ГПа и 0,5 ГПа соответственно), поэтому влиянием  неоднородности толщи на распределение напряжений в ней будем в расчетах пренебрегать.

Воронка депрессии (считалась по решению Джейкоба-Тейса [3]) имеет радиальное строение: уменьшение величины понижения с ростом расстояния от скважины происходит неравномерно, то есть вследствие снижения напоров мы получим неравномерно загруженную круговую область радиусом равным радиусу влияния (465 м и 1470 м соответственно на момент времени 0,1 и 1 сутки).Посредством разбиения загруженной круговой области на кольцевые области шириной в среднем по 10 м с величиной нагрузки в каждой точке такого кольца равной среднему значению между нагрузкой в точке на его внешнем и внутреннем радиусах перейдем от задачи поиска напряжения в точке от нагрузки, неравномерно распределенной на круговой площадке, к задаче поиска суммарного напряжения в точке от серии нагрузок, равномерно распределенных на кольцевых областях. Формула определения данного рода нагрузки представлена в работе Шутенко Л.Н, 2004 [5].

Изменение эффективных напряжений, равное пригрузке на кровлю мезенского водоносного комплекса на заданных расстояниях от качающей скважины было найдено с применением программы по расчету осадок при водопонижениях авторства Коносавского П.К.

В результате проведенных расчетов величина дополнительно возникших эффективных напряжений вследствие водопонижения на момент времени 0,1 сутки от начала откачки в точке середины фильтровой зоны скважины 12уп - М2 (рис.2)составила 1,00·10-04 МПа, на момент времени в 1 сутки в точке М1(середина фильтровой зоны скважины 11м, рис.2)– 1,4·10-03 МПа.

Осадка слоя фильтровой зоны скважины 12уп, рассчитанная по формуле осадки слоя грунта при сплошной нагрузки[4], составит 4·10-4 м, для скважины 11м – 1,1·10-4 м.На такие же величины должен повыситься уровень воды в скважинах. Реальные же величины повышения уровня воды в скважинах составили: 1 см – в скважине 11м, 3 см – в скважине 12уп.

С точки зрения гидродинамики начальный период откачки можно рассматривать независимо от смежных горизонтов, то есть можно предположить наличие отрыва уровня подземных вод горизонта, из которого производится откачка. Тогда давление, действующее на этот горизонт, будет определяться полным весом вышележащих пород вместе с поровой жидкостью (устраняется эффект взвешивания). С точки зрения гидростатики отрыв будет наблюдаться только при осушении. Если все же предположить наличие отрыва уровня, то на каждую точку кровли  падунского  водоносного комплекса на площади влияния воронки депрессии будет действовать дополнительная нагрузка примерно равная весу столба воды в вышележащем комплексе, в рассматриваемом примере – 60 т/м2. Воронка имеет круговую форму, загружена равномерно. Для нахождения напряжений от ее действия в точках М1 и М2 воспользуемся формулой определения напряжения в любой точке массива от действия круговых равномерно распределенных нагрузок [5].По результатам расчетов дополнительно возникшее эффективное напряжение от указанной нагрузки в точке М1составит 0,576 Мпа (на момент времени 1 сутки), в точке М2– 0,234 Мпа (на момент времени 0,1 сутки). Осадка слоя фильтровой зоны, равная повышению уровня, для скважины 12уп составит 15 см, для скважины 11м – 26 см, что превышает реально зафиксированные величины изменения уровней.

Выдвинутая гипотеза по объяснению наблюденных аномальных реакций в начальные периоды откачки в скважинах, оборудованных на гипсометрически ниже залегающие горизонты относительно эксплуатируемого, с точки зрения их деформирования (уплотнения) по причине, возникновения в них дополнительных эффективных напряжений имеет право на существование.

С одной стороны, при учете только гидростатики величины дополнительно возникающих напряжений в толщах под эксплуатируемыми горизонтами, а, следовательно, и повышение уровня в оборудованных на них скважинах, в начальные периоды откачки получаются слишком заниженными. С точки зрения гидродинамики, при принятии возможности отрыва уровня, цифры получаются слишком завышенными. Реально возникающие напряжения лежат внутри полученного диапазона.

Полученные оценки указывают на необходимость дополнительного физико-математического анализа гидромеханики грунтовых толщ при откачках, ставят перед исследователями новые вопросы и пути научного движения.

Список литературы

1.        Атрощенко Ф. Г. и др. Отчет по НИР: «Прогноз гидрогеологических, инженерно-геологических и горно-геологических условий разработки алмазоносной трубки им. В. П. Гриба подземным способом». Санкт-Петербургское отделение института Геоэкологии РАН. СПб, 2004. 249 стр.

2.        Куштанова Г.Г., Овчинников М.Н. Подземная гидромеханика. Учебно-методическое пособие для магистрантов физического факультета по направлению «Радиофизические методы по  областям применения». Казань: Изд-во Казан (Приволж.) федер. ун-та, 2010, 67 с.

3.        Мироненко В.А.  Динамика  подземных вод: Учебник. – 3-е  изд.,стер. – М.: Издательство Московского государственного горного ун-та, 2001. 519 с.

4.        Цытович Н.А. Механика грунтов. – 4-е изд. перераб. и доп. М.: Госстройиздат, 1963, 636 с.

5.        Шутенко Л.Н., Лупан Ю.Т. и др. Основания и фундаменты: Уч. пособие. Харьков: ХНАГХ, 2004, 674 с.