Способ определения критического напорного градиента фильтрации для заполнителя трещиноватых пород

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических республик(51)м, Кл 2 с присоединенИем заявки Мо 0 01 Я 15/08 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО НАПОРНОГОГРАДИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ДЛЯ ЗАПОЛНИТЕЛЯ ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОД Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано для обоснования необходимости строительства экранов, понуров, противофильтрационных завес и др которые предотвращают возникновение сосредоточенных фильтрационных потоков жидкости через трещиноватые породы и последующий выев рыхлого заполнения трещин этими потоками, особенно при создании высоких непорных градиентов фильтрации жидкости. известен способ определения.кри тического напорного градиента фильтрации, при котором начинает разрушаться рыхлый заполнитель трещин 1. Наиболее близким техническим ре шением является способ определения йритического напорного градиента фильтрации, путем создания установившейся фильтрации жидкбсти черяйзиспытуемый целик породы и последующей 25 фиксации начала выйыва частиц заполнителя трещин породы 2).Недостатком способа является большая трдоемкость подготовительной операции по увеличению напорных гра 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 породы упругие колебания в сейсмическом диапазоне частот. Измеряют плотности жидкости и водонасыщенного заполнителя трещин целина породы и скорости распространения в них продольных упругих колебаний, измеряют скорость фильтрационного потока в момент начала вымыва заполнителя иОпределяютдиент фильт где 60 критический напорный грарации (Л к ) по ФормулесЧЧаскритический напорный5 градиент фильтрации жидкости для заполнения трещин породы;плотности жидкости и водо- насыщенного заполнителя трещин породы, т/м;скорости распространения продольных сейсмических волн в жидкости и заполнителе трещин, м/с; 15 скорость фильтрационного потока в момент начала вымыва заполнителя трещин породы, м/с 1коэффициент Пуассона за полнителя трещин породы. Причем период повторения циклов упругих колебаний определяют по скорости потока установившейся фильтрации жидкости через испытуемый целик породы.Кроме того, в каждом последующем цикле упругих колебаний увеличивают их частоту.30В предлагаемом способе нодонасыщение заполнителя трещин приводит к ослаблению структурных связей частиц заполнителя трещин, Упругие. колебания породы под нлиянием сейсмической энергии вызывают резкое гидродинамическое воздействие в ослабляемом заполнителе. 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 начинает вымываться заполнитель, приведенный в неустойчивое ослабленное состояние влиянием упругих колебаний Ослабление структурной прочности заполнителя и начало его вымына из трещин происходит н условиях кратковремен" ных сейсмических колебаний. В известных способах начало нымыва заполнителя происходит в режиме длительной фильтрации воды при постепенно возрастающих напорных градиентах фйльтрации,Возбуждение упругих колебаний сейсмического диапазона частот проводят в виде циклов, период повторения которых не меньше суммарного времени на прохождение единицы объема воды, при установившейся скорости фильтрационного потока, от верхней камеры до нижней камеры через испытуемый целик породы и нремени на проведение Фиксации начала ныьыва частиц ваполнителя или отсутствия у частиц заполнителя на ныходе Фильтрационного потока,Возбуждение упругих колебанийпроизводят в первом цикле н областичастот, равных единицам Герц, в каждом последующем цикле упругие колебания возбуждают на более высокойчастоте, Последний цикл упругих колебаний проводят при частоте колебаний,на которой начинается вымыв заполнителя, или при частотах колебаний, накоторых происходит уплотнение на 5-10заполнителя трещин. Частоты колебаний,на которых происхоцит уплотнениезаполнителя, находятся в пределах 50150 Гц н зависимости от материала исвойств заполнителя трещин.П р и м е р. Проводят испытанияпесчаного, супесчаного и глинистогозаполнителя трещин известняков, находящихся на глубине 3-5 м от поверхности земли в зоне аэрации и залегающих, на 40-50 м выше уровня нодоносного горизонта, Известняки вскрыты вборту долины реки. Массив известняков представляет сильно трещиноватуюпороду с коэффициентом трещиннойпустотности 3-5.В известняках создают горизонтальный целик породы толщиной 3 м, шириной 2 м и длиной 15 м; На верхнейповерхности целика стрдят верхнююкамеру высотой 2 м, шириной 1 м идлиной 1 м для. последующего заполнения ее водой и осуществления фильтрации воды через целик . Под целикомпороды, под нерхней камерой создаютнижнюю камеру высотой 1 м, шириной1 .м и длиной 3 м для приема воды,которая Фильтруется через целик иэверхней камеры, В потолке нижней камеры, т.е. в нижней поверхности целика породы устанавливают водосборныелотки с желобами для улавливанияноды. На поверхность заполнителятрещин на потолке нижней камеры наносят цветовой индикатор - нерастворимую н воде краску, с помощью пульверизатора (для каждой трещины различным цнетом), Краску наносят не сплошным слоем, чтобы не создать препятствие для воды, Фильтрующейся череззаполнитель трещин,Местоположение каждой трещины наплоскости потолка нижней камеры зарисовывается в масштабе на плане.Датчики сейсмоприемникон ОСП и ВБПустанавливаются в заполнителе широких трещин и на поверхности целика.После подготовки целика породы,верхней и нижней камер на расстоянии,15-45 м от центра верхней камеры вгрунт на глубину 3,0 м для предотвращения выброса грунта при взрыве закладывают взрывные заряды массой3"10 кг. Массу заряда рассчитываютпо эмпирической Формулегде Ы - скорость колебаний частицгрунта по инструментальнойшкале С,Б,Медведева, см/с 1г - расстояние от эпицентравзрыва до центра опытногоцелика породы, м (составляет120-150 радиусов заряда; выполнение этого условия обеспечивает создание упругоговозмущения среды, на Фронтекоторого в зоне расположения целика параметры состояния вещества практически неменяются),После проведения подготовительныхопераций опыт осуществляют следующимобразом. 15Верхнюю камеру заполняют водой иподдерживают высоту водяного столба1 м, соответствующего величине начального градиента фильтрации, равному 0,3. После возникновения установившейся фильтрации воды через целикзамеряют расход воды из верхней камеры, количество воды профильтровавшейся в приемную камеру и скорости фильтрационного потока, производят анализ профильтровавшейся водына присутствие в ней частиц цветочного индикатора заполнителя трещин.В профильтровавшейся воде частицыиндикатора отсутствуют, вымыв заполнителя трещин не происходит. Измеряютплотность воды и водонасыщенногозаполнителя трещин, После этого производят взрыв заложенного заряда, врезультате которого в испытуемомцелике породы возникает цикл продольных упругих колебаний с частотой 2 Гц,скорость распространения которых измеряют в водонасыщенном заполнителеи в воде, В качестве регистирирующейаппаратуры для записи сейсмических 40волн применяют сейсмоприемники ОСП,ВБП, осциллографы Н, укомплектованные гельфанометрами Г-Г 11-5 иМ 001-2, В момент осуществления упругих продольных колебаний измеряют 45скорость фильтрационного потока водын беоут пробу воды из фильтрационногопотока, В пробе воды цветовой индикатор отсутствует.50После возникновения вновь установившейся фильтоации замеряют скорость фильтрационного потока.Возбуждение цикла упругих колебаний в целике породы, измерение скорости их распространения в воде и водонасыщенном заполнителе трещин, измерение скорости фильтрационного потока в момент упругих колебаний и исследование пробы Фильтрационной воды составляет один этап опыта, бО который повторяют, увеличивая на каждом последующем этапе частоту упругих колебаний на 2-3 Гц путем проведения взрыва большей массы заряда, оассчитываемой по указанной формуле. б 5 При частотах возбуждаемых упругихколебаний, 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 вымывасоответствующего заполнителя определяют численное значение критического напорного градиента фильтрации(бакр ) по указанной Формуле,Предлагаемый способ определениякритического напорного градиентаФильтрации для заполнителя трещиноватых пород по сравнению с известнымобеспечивает сокращение в 10-20 раэвремени на проведения опыта; снижение расхода воды в 10-50 раз на егопроведение; возможность увеличенияв несколько раз размеров испытуемогоцелика породы, что особенно важнодля достоверной оценки воэможностивымыва заполнителя иэ трещин приобосновании строительства такихдорогостоящих инженерных сооружений,как экраны. завесы, понуры и др.формула изобретения3.Способ 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, =что, с целью сокращения продолжительности опыта и снижения трудоемкости, после создания установившейся фильтрации жидкости, циклически возбуждают в испытуемом целике породы упругие колебания в сейсмическом ;диапазоне частот, измеряют плотности жидкости и водонасьпаенного заполнителя трещин целина породы и скорости распространения в них продольных .упругих колебаний, измеряют скорость фильтрационного потока в момент начала вымыва заполнителя и определяют критический напорный градиент. Фильтрации (3 кр ) по формулеЭ Млсл ЧЧ кр сЛ+с где Э, - критический напорный градиент фильтрации жидкостидля заполнителя трещинпороды 1ЦЩ - плотнои жидопт и водонасыщенного заполнителятрещин породы, т/м;734540 Составитель В,ЛатушкинРедактор ,Колесникова Техред Ж.кастелевич КорректорВигула Заказ 2216/8 Тираж 1019 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035 Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП Патент, г,ужгород, ул,Проектная,4 С С - скорость распространенияпродольных сейсмическихволн в жидкости и заполнителе, м/с;Ч - скорость фильтрационногопотока в момент начала. вымыва заполнителя трещинпороды, м/с;ф - коэффициент Пуассона заполнителя трещин породы.2.Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что период повторения циклов упругих колебаний определяют по скорости потока установивщейся фильтрации жидкостичерез испытуемый целик породы. З.Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с,я тем, что в каждом последующем цикле упругих колебаний увеличивают их частоту.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Геология и плотины. Я.-Л Гос. энергоиздат, т.3, 1968, с.88-89.2, Молоков Л.А. Вымыв заполнителя карстовых полостей и его изучение. Труды Гидропроект Расюиренные тези.сы докладов и сообщений научно-технической конференции, секция инженерно-геологическая. К 1969, с.94 (прототип).