/
Автор: Королев В.А. Гордеева Г.И. Гриневский С.О. Богословский В.А.
Теги: подземное строительство земляные работы фундаменты строительство тоннелей геологические науки геология инженерия гидрогеология экология инженерная геология геокриология
ISBN: 5-211-04114-3
Год: 2000
Текст
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ,
ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ,
ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ,
ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОФИЗИЧЕСКИХ
И ЭКОЛОГО-
' ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
(МГУ
Издательство Московского университета
Й®Ж1Н§1М11Е
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ,
ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ,
ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ,
ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОФИЗИЧЕСКИХ И
ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО
ПО УЧЕБНОЙ ПРАКТИКЕ В ЗВЕНИГОРОДЕ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА МГУ
Под редакцией
В_4. Королева, Г.И. Гордеевой,
С.О. Гриневского, В .А. Богословского
Издательство Московского университета
2000
УДК 624.131
ББК 26.3
П49
Рецензенты:
профессор, д-р геол.-мин. наук, академик РАЕН В. Т. Трофимов;
профессор, д-р геол.гмин. наук В.А. Всеволожский
Издание осуществлено при финансовой поддержке
ПНИИИС, ВСЕГИНГЕО и УралТИСИЗ
Полевые методы гидрогеологических, инженерно-геологи-
П49 ческих, геокриологических, инженерно-геофизических и эко-
лого-геологических исследований // Под ред. ВА. Королева,
Г.И. Гордеевой, С.О. Гриневского, ВА. Богословского. — 2-е
изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во Моск, ун-та, 2000. — 352 с.
ISBN 5-211-04114-3
В методическом руководстве, предназначенном для студентов, прохо-
дящих учебную практику в Звенигороде, дан краткий очерк геологичес-
ких, геоморфологических, гидрогеологических, инженерно-геологических,
геокриологических и эколого-геологических условий района. Приведены
элементы комплексной инженерно-геологической, гидрогеологической,
геокриологической и эколого-геологической съемок.
Изложены учебные задачи по опытным работам на участках деталь-
ных исследований. В отличие от предыдущего издания в руководстве при-
ведены новые задачи, выполняемые на современном оборудовании, опи-
саны некоторые полевые методы эколого-геологических исследований.
Для студентов геологического факультета МГУ.
УДК 624.131
ББК 26.3
ISBN 5-211-04114 -3 © Издательство Московского университета, 2000 г.
Учебное издание
Полевые методы гидрогеологических, инженерно-геологических, геокриологических,
инженерно-геофизических и эколого-геологических исследований
Зав. редакцией И.И.Щехура.
Редактор Л.М. Батыгина.
Художественный редактор Ю.М. Добрянская.
Технический редактор З.С. Кондрашова.
Корректор
Изд. лиц. 040414 от 18.04.97.
Подписано в печать 12.09.2000. Формат 60*90 '/|6. Бумага офс. № 1.
Офсетная печать. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 22,0. Уч.-изд. л. 22,41.
Тираж 500 экз. Заказ 1381 . Изд. № 6782.
Ордена «Знак Почета» издательство Московского университета.
103009, Москва, ул. Б. Никитская, 5/7.
Типография ордена «Знак Почета» изд-ва МГУ. 119899, Москва, Воробьевы горы.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ (В.А.Королев)..........................................6
Часть I
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ, ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ,
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ, ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ
И ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ПРАКТИКИ
Глава 1. ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЙОНА ПРАКТИКИ (В.А.Королев,
М. С. Орлов)....................................................... 11
1.1. Геологическое строение..................................... 11
1.2. Характеристика рельефа и история развития долины р. Москвы. 39
1.3. Гидрогеологические условия............................ 43
1.4. Современные геологические процессы.................... 50
1.5. Эколого-геологические условия ........................ 52
Глава 2. МАРШРУТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В РАЙОНЕ ПРАКТИКИ................. 61
2.1. Общие положения (В.А. Королев)........................ 61
2.2. Геолого-геоморфологические наблюдения (Г.И.Гордеева, В.Я. Кала-
чев) ...................................................... 63
2.3. Гидрогеологические наблюдения (М. С. Орлов)........... 66
2.4. Инженерно-геологические наблюдения (Э. В. Калинин).... 70
2.5. Ландшафтное районирование и геоботанические наблюдения (Г.И. Гор-
деева) .................................................. 73
2.6. Эколого-геологические наблюдения (В.А. Королев)....... 76
Часть II
ОПЫТНЫЕ РАБОТЫ НА УЧАСТКАХ ДЕТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Глава 3. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ...................... 83
3.1. Общие положения (Р. С. Штенгелов)..................... 83
3.2. Методы оценки фильтрационных параметров пород в зоне аэрации. 92
Задача I. Определение коэффициента фильтрации пород зоны аэрации
наливами в кольцевые инфильтрометры (М.М.Кузнецов, И.П.Крав-
ченко) ................................................. 93
3.3. Методы оценки фильтрационных параметров водонасыщенных по-
род 99
Задача 2. Определение фильтрационных параметров методом кустовой
откачки (Р.С.Штенгелов, С.О.Гриневский)................ 100
3
Задача 3. Определение коэффициента фильтрации аллювиальных
отложений методом экспресс-налива в несовершенную скважину
(С.О. Гриневский)........................................... 112
Задача 4. Определение фильтрационных параметров по данным
опытно-фильтрационных (режимных) наблюдений (Р.С.Штенге-
лов)....................................................... 116
3.4. Методы изучения фильтрационной неоднородности горных пород в
вертикальном разрезе........................................... 123
Задача 5. Изучение вертикальной фильтрационной неоднородности
водоносного горизонта методом расходометрии скважин (М. И. Каза-
ков, А.В.Лехов)............................................. 125
Задача 6. Изучение распределения параметров массопереноса карбо-
натных пород в вертикальном разрезе (А.В.Лехов, А.Л.Петров). 135
Задача 7. Изучение вертикальной неоднородности водоносных гори-
зонтов методами стандартного геофизического каротажа (А. В. Нику-
лин) ....................................................... 147
3.5. Методы оценки условий и интенсивности взаимодействия подзем-
ных и поверхностных вод (С.О.Гриневский)....................... 159
Задача 8. Изучение взаимодействия подземных и поверхностных вод
с использованием гидрометрических работ. Количественная оценка
подземного стока (С. О, Гриневский, В. Н. Обозный).......... 163
Задача 9. Определение участков разгрузки подземных вод в руслах
рек геофизическими методами (В.А.Богословский, С.О.Гриневский).... 170
3.6. Методы изучения химического состава подземных вод......... 174
Задача 10. Изучение условий формирования подземных вод с исполь-
зованием данных гидрогеохимического опробования (В.М. Семенова,
Е. В. Волохова)............................................. 176
Глава 4. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..................... 185
4.1. Методы изучения геологического строения и предварительной оценки
свойств грунтов................................................ 185
Задача 11. Бурение инженерно-геологической скважины, опробова-
ние керна и составление инженерно-геологической колонки (В.Я. Ка-
лачев, В.А. Королев)........................................ 185
Задача 12. Изучение строения геологического разреза методами мало-
глубинной сейсморазведки (В.Л. Снегирев).................... 199
Задача 13. Изучение разреза грунтов и определение скоростей упру-
гих волн методом сейсмического каротажа в скважинах (М.Л. Владов,
А. В. Калинин)...............................................210
Задача 14. Изучение разреза грунтов и предварительная оценка их
свойств методом динамического зондирования (В.Я. Калачев, В.А. Ко-
ролев, Г. И. Аверкина).......................................220
Задача 15. Изучение разреза грунтов и предварительная оценка их
свойств методом статического зондирования (В.А.Королев, Т.Н.Авер-
кина) ...................................................... 227
4.2. Методы изучения состояния грунтов (Е.Н. Огородникова)......238
Задача 16. Изучение плотности и влажности грунтов
ядерными методами........................................... 238
4.3. Методы изучения деформационных и прочностных свойств грунтов .... 247
Задача 17. Изучение сжимаемости грунтов методом статических на-
грузок (Б.А. Снежкин)....................................... 248
Задача 1.8. Изучение деформационных и прочностных свойств грунтов
прессиометрическим методом (Э. В. Калинин)...................254
4
Задача 19. Изучение прочности грунтов на сдвиг (В.Н. Широков)........ 265
Задача 20. Изучение прочностных свойств грунтов методом враща-
тельного среза (Е.Н. Огородникова)..........................273
Глава 5. ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................... 279
Задача 21. Определение составляющих радиационно-теплового балан-
са поверхности (Т.Ю. Шаталова)............................. 280
Задача 22. Определение температуропроводности растительного по-
крова и почвы методом температурной волны (Г.И. Гордеева).. 290
Задача 23. Изучение температурного режима пород (Г.И. Гордеева,
С. С. Волохов)..............................................296
Задача 24. Изучение теплопроводности пород зондовыми методами
(И.А. Комаров)..............................................309
Глава 6. ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ С ЦЕЛЬЮ ЭКОЛОГО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................... 317
Задача 25. Полевая оценка и картографирование техногенных воздей-
ствий на геологическую среду (В.А. Королев, Т.Н. Аверкина). 317
Задача 26. Оценка и картографирование техногенной измсненности
рельефа (Т.И. Аверкина).................................... 323
Задача 27. Оценка защищенности грунтовых вод (М.С. Орлов, Т.И. Авер-
кина) ......................................................326
Задача 28. Изучение техногенного загрязнения подземных и поверх-
ностных вод геофизическими методами (ВЛ. Богословский, А.Д. Жи-
галин) .....................................................329
Часть III
СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО ПРАКТИКЕ
Глава 7. СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА...........................339
7.1. Общие требования к содержанию и оформлению отчета (ВЛ. Коро-
лев) ...................................................... 339
7.2. Первая часть отчета (ВЛ. Королев)........................ 342
7.3. Вторая часть отчета (В.А. Королев, М.С. Орлов, Г.И. Гордеева)...... 345
7.4. Третья часть отчета (ВЛ. Королев, Р.С. Штенгелов, С.О. Гриневский).349
7.5. Требования к оформлению графических материалов и приложений
к отчету (ВЛ. Королев, Р.С. Штенгелов, Г.И. Гордеева)..........350
Литература....................................................... 352
ВВЕДЕНИЕ
Со времени выхода первого издания методического руковод-
ства «Полевые методы гидрогеологических, инженерно-геологи-
ческих, мерзлотных и инженерно-геофизических исследований»
(1982) прошло около 20 лет*. За этот период ряд учебных задач на
практике претерпел некоторые изменения, добавились новые
задачи, существенно обновилась аппаратурная и техническая база
для полевых гидрогеологических, инженерно-геологических и
инженерно-геофизических исследований. Все это вызвало необ-
ходимость переиздания настоящего руководства с учетом новых
дополнений и переработки.
Кроме того, открытие на геологическом факультете МГУ но-
вой специальности «Экологическая геология», подготовку сту-
дентов по которой совместно проводит ряд кафедр геологичес-
кого факультета МГУ (кафедра инженерной и экологической гео-
логии, кафедра гидрогеологии, кафедра геокриологии, кафедра
геохимии, кафедра геофизики и др.), поставило задачу обучения
студентов и некоторым полевым методам эколого-геологических
исследований. Поэтому в настоящее издание, наряду с уже извест-
ными, включены такие учебные задачи, которые отсутствовали в
предыдущем.
Методическое руководство предназначено для студентов 3 курса
геологического факультета МГУ, обучающихся по специальнос-
тям инженерная геология, гидрогеология, геокриология, эколо-
гическая геология, инженерная геофизика. Общее представление
о полевых методах исследований студенты этих специальностей
получают в ряде учебных курсов, предшествующих учебной про-
изводственной практике. Основной же задачей практики являет-
ся обучение студентов навыкам работы с применением различ-
1 Полевые методы гидрогеологических, инженерно-геологических, мерзлот-
ных и инженерно-геофизических исследований / Под ред. В.И. Осипова,
Р.С. Штенгелова, Г.И. Гордеевой. — М., 1982. 273 с.
6
ных полевых методов, широко используемых при гидрогеологи-
ческих, инженерно-геологических, геокриологических, инженер-
но-геофизических и эколого-геологических работах, умение ком-
плексировать различные методы и грамотно интерпретировать
получаемые данные, обучение правильному ведению полевой
документации и составлению заключения по проведенным ис-
следованиям.
Практика проводится недалеко от Звенигорода в Одинцов-
ском районе Московской области на биостанции МГУ и приле-
гающей территории в районе поселков Луцино, Аниково, Гиги-
рево, Каринское, Волкове. Продолжительность практики в соот-
ветствии с ее учебной программой составляет 4 недели.
Одним из важных составных элементов опытных работ явля-
ется общее знакомство с районом исследований, проводимое
обычно на начальной (предварительной) стадии изысканий. По-
лучаемые на этой стадии представления о геологическом строе-
нии района, особенностях его гидрогеологических, инженер-
но-геологических, геокриологических и эколого-геологических
условий позволяют целенаправленно вести дальнейшие опыт-
ные работы. Исходя из этого программа практики предусматри-
вает в методическом отношении знакомство студентов стече-
ние одной недели с геологией района биостанции МГУ (пло-
щадью около 25 км2).
Маршрутные исследования студенты проходят в замечатель-
ном уголке Подмосковья, где расположилась биостанция МГУ,
основанная в 1910 г. гидробиологом С.Н. Скадовским, поселив-
шимся здесь в 1908—1909 гг. В этом районе расположен ряд древ-
них поселений и памятников русской истории.
В окрестностях биостанции бывали многие видные деятели
культуры конца прошлого — начала нынешнего столетия. Среди
них А.П. Чехов, композитор С.И. Танеев, художники А.К. Сав-
расов, И.И. Левитан, М.В. Якунчикова и др. Здесь на территории
практики в живописных окрестностях долины р. Москвы нахо-
дятся старинные села и деревни: с. Луцино, основанное еще в
начале XVI в. и являвшееся владением расположенного непода-
леку Савво-Сторожевского монастыря, основанного в конце
XIV в.; на окраине с. Луцино расположен храм Св. Николая Чу-
дотворца; д. Аниково, основанная в начале XVII в., рядом с ней
находится спортивный лагерь «Мирный» и дом отдыха «Елочка»;
с. Гигирево, ранее называвшееся Гиревым и принадлежавшее в
XV—XVI вв. татарским царевичам из династии Гиреев; д. Волко-
ве, основанная в начале XVII в., рядом с ней находятся база
отдыха «Солнечная поляна» и санаторий им. В.П. Чкалова.
7
сначала, вплоть до 1918 г., биостанция функционировала мн
частное научно-исследовательское учреждение С.Н. Скадовско
го, лишь впоследствии получившее статус государственного. «
1918 по 1933 г. биостанция входила в состав Института эксперц
ментальной биологии. В 1934 г. биостанция вошла в состав МГУ и
стала учебно-научным учреждением, где проходили летнюю праь
тику многие студенты биологического факультета МГУ. Здесь
работали такие видные биологи, как С.Н. Скадовский, С.С. Чет
вериков, Н.В. Тимофеев-Ресовский, Б.Л. Астауров, А.Н. Промп
тов, С.М. Гершензон, А.Н. Формозов, И.Г. Серебряков, В.Н. Ти
хомиров, К.Н. Благосклонов, И.А. Шилов, Н.Н. Дроздов и мно
гие другие.
На территории биостанции со времен С.Н. Скадовского учас
ток, где рядом с вековым дубом расположены студенческая сто
ловая, медпункт, общежития студентов, музей биостанции, ла
боратория почвоведения, камеральный корпус геологов называ
ется Нижними дачами, хотя никаких дач здесь уже нет1. Тут же
расположен «Мамонтовский» домик, в котором живут ведущие
практику преподаватели биологического и геологического факуль
тетов. На Нижних дачах расположено около трех десятков жилых
и учебных строений.
На самом высоком месте, в лесу, расположен поселок биостан-
ции, называемый Верхними дачами. В начале века здесь располага-
лась усадьба, принадлежавшая известному врачу, профессору Мос-
ковского университета Г.И. Россолимо, сокурснику и другу А.П. Че-
хова по университету. Сейчас на Верхних дачах расположены
административные здания биостанции, жилые и хозяйственные
строения сотрудников биологического факультета МГУ.
С 1981 г. территория вокруг биостанции МГУ размером около
1200 га была объявлена заказником областного значения, на кото-
рой разрешалась лишь учебная и научно-исследовательская ра-
бота. С этого же времени на биостанции существует студенческая
дружина по охране природы, поддерживающая режим заказника
и способствующая сохранению уникальной природы этих краси-
вейших мест.
Учебная практика геологов на территории биостанции МГУ
существует с 1970 г. Среди первых преподавателей геологическо-
го факультета, ведущих здесь практику, следует назвать В.И. Оси-
пова, Г.И. Гордееву, В.Я. Калачева, М.С. Орлова, Е.Н. Огород-
никову, В.В. Шапрана, Е.Н. Добролюбова, В.В. Долгополова,
Б.А. Шмагина. Долгие годы заведующим хозяйством на практике
1 Благосклонов К.Н. Летняя практика на Звенигородской биологической стан-
ции МГУ. М„ 1987. 22 с.
8
1'.|ботал Г.М. Матюшин. Их трудом закладывались основы учеб-
ной базы на практике. Теперь здесь ежегодно проходит практику
и 35 до 75 студентов-геологов.
В первые годы существования учебной практики студенты-гео-
юги жили в палатках на территории Нижних дач. Впоследствии
1ля них были оборудованы деревянные одноэтажные домики и
выстроен камеральный корпус с учебными лабораториями для
(идрогеологических, инженерно-геологических, геокриологичес-
ких и геофизических исследований, а вдоль Столового оврага
рядом с прудом построен двухэтажный корпус для преподавате-
ней, ведущих геологическую практику, с помещением на первом
»таже для хранения полевого геологического оборудования. На
берегу р. Москвы рядом с кустом гидрогеологических скважин
оборудованы жилые и служебные помещения гидрогеологов.
Состав учебных задач на практике складывался и расширял-
ся постепенно, в течение четверти века. В первые годы ее про-
явления студенты знакомились лишь с ограниченным числом
полевых гидрогеологических и инженерно-геологических мето-
дов исследований. Позже, с каждым годом круг задач постепен-
но расширялся, практика дополнялась новыми методами поле-
вых исследований, в том числе геокриологическими и геофизи-
ческими. С 1997 г. здесь стали проходить практику и студенты
геологического факультета, обучающиеся по специальности эко-
логическая геология.
Почти ежегодно на практике обновлялось или добавлялось
новое гидрогеологическое и инженерно-геологическое оборудо-
вание. Многое из этого устаревшего оборудования представляет
собой исторические экспонаты, показывающие пути развития
полевой экспериментальной базы и в настоящее время хранящи-
еся в здании камерального корпуса. В итоге к настоящему време-
ни на практике создан уникальный учебный полигон по пере-
численным методам, являющийся одним из лучших в России.
Долгие годы научным руководителем практики геологов был
профессор В.И. Осипов, ныне академик РАН. Затем научное ру-
ководство практикой осуществляли доцент М.С. Орлов и про-
фессор В.А. Королев. Среди преподавателей геологического фа-
культета МГУ, проводивших здесь практику, помимо упомяну-
тых выше работали многие сотрудники кафедры гидрогеологии:
А.И. Пряхин, В.А. Всеволожский, И.П. Кравченко, В.М. Семе-
нова, Р.С. Штенгелов, А.В. Лехов, М.В. Лехов, А.С. Михеев,
С.А. Смирнова, Б.Г. Попов, М.И. Казаков, С.О. Гриневский,
М.М. Кузнецов, В.Н. Обозный, А.Л. Петров, Е.В. Волохова и др.;
сотрудники кафедры инженерной и экологической геологии:
В.А. Королев, Р.С. Зиангиров, С.Д. Филимонов, Б.А. Соколов,
9
В.Н. Широков, Э.В. Калинин, Н.Н. Комиссарова, П.Э. Роот,
В.Н. Никитин, Л.В. Шаумян, Б.А. Снежкин, Т.И. Аверкина,
А.П. Резниченко, В.В. Ковалко, В.Д. Харитонов, Э. Балашайтис,
Г.А. Кудакаева, А.Ю. Федотов, С.К. Николаева, Д.А. Спиридонов
и др.; сотрудники кафедры геокриологии: О.Г. Боярский, Т.Ю. Ша-
талова, М.Н. Зонтов, Н.Н. Смирнова, И.А. Комаров, В.Д. Ершов,
С.С. Волохов и др.; сотрудники отделения геофизики: В.А. Бо-
гословский, Ю.И. Горбачев, Ф.М. Ляховицкий, Б.А. Никулин,
В.Л. Снегирев, М.Л. Владов и многие другие. Преподавателям
практики ежегодно помогают проводить здесь учебные занятия и
многие аспиранты указанных кафедр.
Во время маршрутных исследований студенты-геологи под ру-
ководством преподавателей изучают опорные разрезы, проводят
геоморфологические, гидрогеологические, геокриологические и
эколого-геологические наблюдения, исследуют современные гео-
логические и инженерно-геологические процессы и явления, зна-
комятся с элементами комплексной гидрогеологической, инже-
нерно-геологической, геокриологической и эколого-геологичес-
кой съемок. После этого студенты переходят к проведению опытных
работ на специальных площадках, выполняя установленный про-
граммой перечень учебных практических задач.
В соответствии с программой практики настоящее методичес-
кое руководство состоит из трех частей. В первой части приво-
дится краткий геологический очерк района практики и излага-
ются элементы гидрогеологических, инженерно-геологических,
геокриологических и эколого-геологических работ при комплекс-
ной съемке.
Во второй части приводится описание конкретных задач по
полевым методам гидрогеологических, инженерно-геологических,
инженерно-геофизических, геокриологических и эколого-геоло-
гических исследований.
Третья часть руководства посвящена требованиям к обработке
данных, содержанию и оформлению отчета по практике, вклю-
чая требования к написанию заключения по результатам опыт-
ных работ.
Над составлением настоящего руководства работал большой
коллектив авторов — преподавателей и научных сотрудников ряда
кафедр геологического факультета МГУ, имеющих многолетний
опыт преподавания данной практики.
О
©Геологические,
гидрогеологические, инженерно-
геологические, геокриологические
и эколого-геологические
условия района практики
ГЛАВА 1
Геологический очерк района
практики
1.1. Геологическое строение
Район практики находится в пределах Московской синекли-
зы, верхняя часть разреза которой сложена палеозойскими (ка-
менноугольными), мезозойскими (юрскими и меловыми) и чет-
вертичными отложениями.
Каменноугольные отложения Московской синеклизы представ-
лены тремя отделами общей мощностью до 600—680 м. Южное
крыло Московской синеклизы является страторегионом серпу-
ховского, московского, касимовского и гжельского ярусов, боль-
шинства горизонтов и более мелких подразделений всех трех от-
делов карбона (Махлина, Шик, 1986). Положение верхней и ниж-
ней границ карбона в пределах Московской синеклизы является
дискуссионным. Нижняя граница проведена в основании леснов-
ской серии, верхняя граница каменноугольной системы прово-
дится по кровле добрятинекого горизонта — речицкой свите.
Самыми древними выходящими на поверхность в районе прак-
тики являются отложения верейского горизонта московского яруса
среднего отдела каменноугольной системы (табл. 1.1), которые
обнажаются в русле р. Москвы выше по течению от с. Волкове.
Они здесь представлены глинами с прослоями песков, песчани-
ков и доломитов.
Ниже их по разрезу залегают отложения лесновской серии
нижнего карбона. Лесновская серия объединяет протвинскую и
пестовскую свиты местной (построенной для центрального рай-
она) стратиграфической схемы. Этот самостоятельный осадоч-
ный комплекс отвечает завершающему этапу развития фауны
11
Стратиграфическое подразделение каменноугольных отложений Московского региона
Таблица 1.1
Отдел Ярус Подъярус Горизонт, надгорнзонт Свита Подсвита Литоло- гическая колонка Индекс Мощность, м Состав пород
Верхний гжельский 1 добрятин- ский речицкая верхняя (щелковская) Сзгс но глины пестроцветные с про- слоями песчаников и мергелей
нижняя (русавкинская) ' 1 I -i-T известняки белые доломитизи- рованные с прослоями доло- митов
касимовский дорогом иловски й яузская верхняя (трошковская) У ✓ / Cijaz 52 пестроцветные глины и мерге- ли с прослойками доломитов
нижняя (измайловская) 53 доломиты с прослойками мер- гелей
тестов- ская верхняя (мешеринская) 1 г Г'~Г'~Г Cats ПО глины, глинистые мергели и доломитовые мергели с про- слоями известняков
нижняя (перхуровская) 1 1 1 1 1 известняки и доломиты с про- слойками пестроцветных глин
хамовни- ческий хамов- ничес- кая верхняя (Неверовская) СзЬт 56 пестроцветные глины и мерге- ли
нижняя (ратмировская) 1 ! । известняки и доломиты
к ре БА- КИН- СКИЙ креБа- кинская верхняя (воскресенская) ~Г7~7~Г C3kr НО красноцветные глины и мерге- ли
нижняя (суворовская) । I известняки с красноцветными глинами
Средний московский' верхний мячков- ский м ячков- ская верхняя (лесковская) УУ4 C2mc 60 известняки с доломитами в кровле
нижняя (новлинская) 1 1 Г—1 известняки органогенно- обломочные
подольский подольская верхняя (щуровская) ) 1 ' 1 ~г~г~г C2pd 60 доломиты с прослоями извест- няков
средняя (улитинская) 1 1 > 1 l т известняки, глины и мергели
нижняя (васькинская) T-l. 1 . | . J. известняки с прослоями мерге- лей и глин
нижний каширский каширская четвертая (смедвинская) -L * 1, v.L * 1 v 1 I * Cjks 61 доломиты (вверху) и переслаи- вание мергелей с глинами внизу
третья (лопаснин- ская) 1 ( > / чередование известняков и доломитов
вторая (нарекая) -J 1 , I. чередование известняков и доломитов вверху и глин с мергелями внизу
Верей- ский Верей- ская верхняя " C2vr 42 глины кирпично-красные
нижняя 1 1 • 1 1 • пестроцветные глины, пески
Нижний серпухов- ский верхний протвин- ский протвин- ская III i 1 i Cipr 22 известняки
ы
раннекаменноугольного бассейна Восточно-Европейской плат-
формы. Для него характерно широкое развитие среди форамини-
фер субквадратных эоштаффеллин (Eostafella protvae Raus.). Се-
рия названа по районному центру Лесное Калининской области.
Разрез среднего карбона начинается отложениями верейского
горизонта, которому соответствует верейская свита (табл. 1.1),
подразделяющаяся на две подсвиты. Нижняя и верхняя толщи
хорошо различаются по внешним признакам и составу: глины
нижней толщи пестроокрашенные, розовато-сиреневые, желто-
бурые, полужирные, брекчевидные, нечетко-слоистые, слабо
карбонатные, монтмориллонит-гидрослюдистого состава. Пески
и песчаники желтовато-коричневые с серым и сиреневым оттен-
ком, тонко- и мелкозернистые, кварцевые с темноцветными
минералами, слоистые, с карбонатным цементом. Карбонатность
увеличивается вверх по разрезу. Глины в верхней части свиты в
основном кирпично-красные, плотные, с прослоями песчани-
ков и алевролитов, буровато-красных, рыхлых, слабослюдистых.
Выше по разрезу и к востоку от с. Волково залегают отложе-
ния каширского и подольского горизонтов. Каширская свита де-
лится на три подсвиты (нарскую, лопаснинскую и смедвинскую
или, соответственно, вторую, третью и четвертую); каждая из
них характеризуется комплексом фузулинид (Соловьева, 1984) и
представляет собой ритмично построенную литостратиграфичес-
кую единицу (табл. 1.1). Представлена чередованием известня-
ков, доломитов, с подчиненными прослоями глин и мергелей
общей мощностью 61 м.
Указанные подсвиты каширской свиты имеют и хорошо вы-
раженные внешние отличительные особенности: нижняя часть
карской подсвиты глинисто-мергелистая, верхняя — доломито-
во-известковистая. Глины здесь опесчаненные, плотные, толсто-
плитчатые, иногда с прослоями серых известняков. Мергели виш-
невые, зеленые, тонкослоистые, плотные, с прослоями доломи-
та. Доломиты с подчиненными прослоями мергелей, известняков
светло-серых, хемогенных, мелко- и тонкозернистых. В кровле
карской подсвиты развит маркирующий пласт шламового тонко-
зернистого известняка. В верхней части отмечается также окрем-
нение пород.
Лопаснинская подсвита представлена переслаивающимися
известняками и доломитами с маломощными прослоями мерге-
лей и глин (в нижней части разреза): нижняя пачка — доломито-
мергелистая, верхняя — доломито-известковистая. Доломито-
неравномерно глинистые, местами сильно глинистые, плотные,
реже пористые, сиреневые, пелитоморфные и тонкозернистые,
окремненные. Мергели розовые и сиреневые, доломитовые, иног-
14
да брекчевидные. Известняки светло-серые, органогенно-обло-
мочные, глинистые, микропористые, мелко- и тонкозернистые.
Смедвинская подсвита состоит из двух частей: нижняя пачка
карбонатно-терригенная, верхняя — целиком карбонатная. Ее
нижняя пачка представлена переслаиванием мергелей, глин, гли-
нистых доломитов и редко известняков. Глины пестроцветные,
вишневые, сиреневые, аргиллитоподобные, слабоалевритистые,
тонкослоистые. Мергели доломитовые и известковистые, пестро-
цветные, плотные, глинистые, пелитоморфные, тонкослоистые.
Доломиты неравномерноглинистые, местами известковистые,
очень плотные, пелитоморфные. Песчаники серые и розовато-
серые, кварцево-известковистые, тонкозернистые, с глинистым
и мергелистым цементом. Верхняя пачка смедвинской подсвиты
представлена доломитами с подчиненными прослоями доломи-
тизированных известняков. Доломиты светло-серые, желтовато-
серые, бледноокрашенные, от пелитоморфных до тонкозернис-
тых, глинистых.
Выше по разрезу залегают отложения подольского и мячков-
ского горизонтов, распространенные к востоку от с. Волково и
вскрываемые рядом скважин на исследуемой территории. По-
дольская и мячковская свиты верхнего подъяруса московского
яруса разделяются на подсвиты: васькинскую, улитинскую, шу-
ровскую, новлинскую и лесковскую (табл. 1.1). Все они в целом
представлены монотонной толщей органогенных известняков с
подчиненными прослоями алевритов и глинистых мергелей мощ-
ностью до 120 м. Породы составляющих их подсвит имеют харак-
терные внешние признаки, по которым они могут быть четко
выделены.
Так, васькинская подсвита представлена известняками, доло-
митизированными, перекристаллизованными, глинистыми, а
также мергелями и доломитами с прослойками глин. В основа-
нии подсвиты залегают маломощные галечные конгломераты.
Известняки здесь серовато-белые с желтоватым или зеленова-
тым оттенком, от пелитоморфных до мелкозернистых, плотные,
в отдельных слоях пористые и кавернозные. Глины васькинской
подсвиты не известковистые, зеленоватые, доломиты белые или
светло-серые, пелитоморфные, мелкозернистые, плотные.
Залегающая над ней улитинская подсвита представляет собой
аналогично построенные пачки из ритмичного переслаивания
известняков, органогенно-детритовых, с маломощными просло-
ями глин, доломитов и мергелей. Известняки этой подсвиты бе-
лые, светло-серые и желтоватые, с прослоями псевдоолитов, мел-
кодетритовые; вверх по разрезу они сменяются белыми перекрис-
таллизованными известняками, нередко доломитизированными.
15
Доломиты светлоокрашенные, светло-серые, желтовато-серые,
пелитоморфные, мелкозернистые, кавернозные. Мергели и гли-
ны улитинской подсвиты светло-серые или зеленовато-серые,
ожелезненные, плитчатые.
Щуровская подсвита представлена доломитами с прослоями
известняков. Доломиты здесь зеленовато-серые и серо-желтые,
пелитоморфные, местами слабо-глинистые, иногда ожелезнен-
ные. Известняки белые и светло-серые с желтоватым оттенком,
от пелитоморфных до тонкозернистых, местами мелко- и сред-
недетритовые. Глины основания подсвиты серые, зеленовато-се-
рые, известковистые и мергелевидные с включениями полуока-
танной гальки карбонатных пород.
Открывающая разрез мячковской свиты нижняя (новлинская)
подсвита представлена органогенно-обломочными известняками
с прослоями доломитов. Известняки светло-серые до белых, ор-
ганогенно-детритовые, коралло-фораминиферовые, прослоями
биоморфные с обломками раковин брахиопод. В основании под-
свиты залегают криноидные известняки, ожелезненные и линзо-
видно окремненные. Доломиты светло-серые и серые с зеленова-
тым или желтоватым оттенком, тонкозернистые.
Верхняя (лесковская) подсвита представлена известняками в
кровле сменяющимися доломитами. Известняки светло-серые и
белые, от мелкозернистых до органогенно-обломочных, мелко-
детритовых и биоморфных, криноидно-фораминиферовые, плот-
ные и пористые, иногда с желваками кремня. Доломиты кровли
неравномерно глинистые, светло-серые с зеленоватым или жел-
товатым оттенком, плотные, иногда окремненные, местами брек-
чевидные.
Отложения верхнего карбона распространены к юго-востоку
от района практики. В верхнем отделе карбона выделяется четыре
горизонта (кревякинский, хамовнический, дорогомиловский и
яузский) и соответствующие им свиты с аналогичными названи-
ями (табл. 1.1).
Кревякинская свита разделена на две подсвиты: нижнюю (су-
воровскую), более известковую, и верхнюю (воскресенскую),
более глинистую. Мощность кревякинской свиты достигает 110 м.
Суворовская подсвита по составу карбонатная — известко-
во-глинистая с подчиненными прослоями доломитов. Извест-
няки здесь светло-серые и белые, мелкодетритовые, мелкофо-
раминиферовые, кавернозные, неравномерно глинистые, мес-
тами переходящие в мергели, бледнопестроцветные, лиловые,
сиреневые и серовато-розовые, тонкозернистые, плотные, пе-
литоморфные. Доломиты суворовской подсвиты светло-серые,
розоватые, участками глинистые, с тонкими прослойками до-
16
ломитовой глинки. Глины суворовской подсвиты красноцвет-
ные, неравномерно песчанистые, тонкослоистые, плотные, про-
слоями аргиллитоподобные.
Верхняя (воскресенская) подсвита представлена красноцвет-
ными мергелисто-глинистыми породами. Глины здесь пестроок-
рашенные, преимущественно кирпично-красные, лилово-бурые
и зеленовато-серые, неравномерно песчанистые, тонкослоистые,
плотные, с прослойками органогенного известняка. Мергели из-
вестковистые, красно-бурые, лиловые и сиреневые, очень плот-
ные, слабо слюдистые, тонкослоистые. Доломиты глинистые,
розоватые, серо-зеленые, скрытозернистые. Известняки воскре-
сенской подсвиты светло-серые, кремовые или желтовато-серые,
органогенно-детритовые с обломками раковин брахиопод, иног-
да доломил изированные, мелкопористые до плотных, микроскры-
тозерн истых.
Хамовническая свита и одноименный горизонт представлен
нижней (ратмировской) подсвитой, более известковистой, и верх-
ней (неверовской) подсвитой, более глинистой, общей мощнос-
тью до 56 м. Однако схожая ритмичность этих толщ позволяет их
объединить в инженерно-геологических целях и присвоить им
один цифровой код. В то же время обе указанные подсвиты обла-
дают характерными внешними отличительными признаками. Так,
нижняя подсвита представлена в основном микрозернистыми и
органогенно-обломочными известняками и доломитами с тон-
кими прослоями глин и мергелей. Известняки здесь светло-се-
рые, мелко- и тонкозернистые, участками микропористые. В ниж-
ней и средней частях разреза отмечаются прослои органогенных
известняков, чаще фораминиферовых. Доломиты зеленовато-се-
рые, неравномерно-глинистые, пелитоморфные, образуют ма-
ломощные прослои.
Верхняя подсвита хамовнической свиты представлена пест-
роцветными глинисто-мергелистыми отложениями с сантимет-
ровыми прослоями органогенных известняков. Мергели пестро-
окрашенные от вишнево-красных до сиреневых и серо-зеленых,
плотные, доломитовые, реже известковистые, переходящие в
глинистые известняки горизонтальнослоистые. Глины извест-
ковистые, реже доломитовые, пестроокрашенные от вишнево-
красных до серо-зеленых, плотные, слоистые, прослоями алев-
ритистые, слабослюдистые, иногда с прослойками органоген-
ных известняков.
Дорогомиловский горизонт и соответствующая ему тестовская
свита представлены нижней (перхуровской) подсвитой, извест-
ковистой по составу, и верхней (мещеринской) подсвитой, пес-
чано-глинистой (табл. 1.1). Разнофациальность этих подсвит не
17
позволяет их объединить в инженерно-геологических целях. Об-
щая мощность толщи в Подмосковье достигает 110 м. Нижняя
подсвита представлена известняками и доломитами с тонкими
прослоями пестроцветных глин. Известняки здесь светло-серые,
зеленовато-серые, доломитизированные, местами органогенно-
детритовые, тонко-зернистые с прослоями фораминиферовых
известняков. Доломиты известковистые, глинистые, серые и зе-
леновато-серые, плотные, реже мелкопористые и кавернозные.
Глины нижней подсвиты доломитовые, пестроокрашенные, тон-
кослоистые, плотные.
Верхняя подсвита тестовской свиты имеет трехчленное стро-
ение: она представлена глинами, глинистыми мергелями и до-
ломитовыми мергелями с прослоями известняков и доломитов.
Глины пестроокрашенные, темно-вишневые, красно-бурые, до-
ломитовые, реже известковые, нередко аргиллитоподобные,
плотные, от тонко- до грубослоистых. Мергели вишнево-крас-
ные, лиловые, зеленовато-серые, доломитовые, глинистые,
плотные, слоистые, с прослоями (5—10 см) пелитоморфных гли-
нистых доломитов. Известняки светло-серые, неравномерно-гли-
нистые, доломитизированные, мелкопористые, в отдельных про-
слоях кавернозные.
Аналогичная ситуация наблюдается и в следующем вышеле-
жащем горизонте — яузском и соответствующей ему яузской свите.
Яузская свита разделена на две подсвиты: нижнюю (измайлов-
скую), доломито-мергелистую толщу мощностью до 53 м, и верх-
нюю (трошковскую), глинисто-мергелистую и алевритовую тол-
щу, мощностью до 52 м. Нижняя подсвита представлена в основ-
ном доломитами с единичными тонкими прослоями известняков
и мергелей. Доломиты светло-серые, реже красновато-серые,
прослоями глинистые, плотные и микропористые, кавернозные,
в отдельных прослоях окремненные, местами разрушены до до-
ломитовой муки. Известняки светло-серые с зеленоватым оттен-
ком, доломитизированные, кавернозные; Мергели пестроокра-
шенные, доломитовые, пятнами и прослоями ожелезненные,
слоистые.
Верхняя подсвита яузской свиты представлена глинами и мер-
гелями с прослоями доломитов. Глины здесь от вишнево-бурых
до красных, доломитовые или слабо-известковистые, неравно-
мерно-алевритистые, плотные до аргиллитоподобных, слоистые,
прослоями комковатые. Мергели красно-бурые и ржаво-бурые,
доломитовые и известковые, плотные, слоистые. Алевриты силь-
но глинистые, слабо-слюдистые, довольно плотные.
Отложения гжельского яруса отсутствуют в районе практики,
они распространены к югу и юго-востоку от Звенигородской
18
биостанции (ЗБС) и представлены на территории Московского
региона речицкой свитой, разделенной на две подсвиты: ниж-
нюю (русавкинскую) и верхнюю (щелковскую), общая мощность
которых в Подмосковье достигает 100 м. Это преимущественно
карбонатная и песчано-глинистая толща.
Речицкая свита, нижняя подсвита представлена известняка-
ми, часто доломитизированными, переслаивающимися с доло-
митами. Известняки от сероватых до белых, часто с рассеянным
детритом, брахиоподами и др. Доломиты зеленовато-серые, тон-
козернистые, кавернозные, участками окремненные.
Верхняя подсвита представлена глинами красно-бурыми, виш-
невыми, зеленовато-голубыми, жирными и неравномерно-алев-
ритистыми, горизонтально-слоистыми, с тончайшими прослой-
ками слюдистых алевритов, с прослоями песков и песчаников.
Песчаники серо-зеленые, мелко-тонкозернистые, кварц-полевош-
патовые, слабосцементированные глинистым материалом. Мер-
гели пестроокрашенные, плотные, тонкослоистые. Отложения
этой подсвиты завершают разрез карбона в Москве и Подмоско-
вье (табл. 1.1).
Разрез мезозойских отложений на территории практики пред-
ставлен средне- и верхнеюрскими отложениями, а к северу и
востоку от ЗБС — также нижнемеловыми и отчасти верхнемело-
выми отложениями (рис. 1.1).
Юрский разрез в Московском регионе начинают отложения
среднего отдела батского яруса, представленные москворецкой
толщей аллювиальных и озерно-болотных песков и опесчанен-
ных глин мощностью до 42 м (табл. 1.2). Ближайшие выходы на
поверхность батских песчаных отложений находятся на правобе-
режье р. Москвы у оз. Поляцкого в 15 км юго-западнее с. Волко-
ве. Пески серые, до темно-серых и черных, кварцевые, неизвест-
ковистые, разнозернистые, внизу — часто грубозернистые, с
гравием карбонатных пород и кремня, местами с хорошо ока-
танной галькой дымчатого кварца, в верхних частях разреза —
более мелкозернистые, с небольшой примесью глинистого мате-
риала. Глины черные, сажистые, жирные и алевритистые, иног-
да опесчаненные, неизвестковистые, по составу гидрослюдисто-
каолинитовые.
Среднеюрский отдел завершают отложения келловейского
яруса, представленного всеми тремя подъярусами. Породы кел-
ловейского яруса широко распространены в районе практики на
левом берегу р. Москвы. Нижний подъярус представлен люблин-
ской свитой, объединяющей два цикла отложений, каждый из
которых в нижней части сложен песками, в верхней — глинисты-
ми алевритами. Зернистость песков уменьшается вверх по разрезу.
19
Рис. 1.1. Схематическая геологическая карта района практики со снятым чехлом четвертичных отложений:
J3v — юрская система, верхний отдел, волжский ярус; J3km — то же, киммериджский ярус; J3ox — то же, оксфорд-
ский ярус; J2cl — то же, средний отдел, келловейский ярус; J2bt-cl — то же, батский и келловейский ярусы, нерас-
члененные; С2тс — каменноугольная система, средний отдел, московский ярус, мячковский горизонт; C2pd — то
же, подольский горизонт; C2ks — то же, каширский горизонт; C2vr — то же, верейский горизонт
Стратиграфическое подразделение мезозойских отложений Московского региона
Таблица 1.2
Система Отдел Ярус Подьярус Горизонт Свята, толща Колонка Индекс Мощность, M Характеристика пород
Меловая верхний сеноман- ский нижний варавин- ский яхромская •' KJah 6 пески кварцевые
нижний альбский верхний кольчугин- ский парамонов- ская Г“ . * —Г". - • Kipr 55 чередование песков алевритов и глин
средний гаврилков- ская »• ’ , * * . * f . * * • * 4 K,gv 10 пески серые и зеленовато- серые
нижний колокшин- ская * • * • ’ • • Kjkl 1 пески ожелезненные
аптский верхний и сред- ний котловский волгушин- ская Kjvlg 15 пески кварцевые, серые с про- слойками
нижний ворохобин- ская т-:—. . » K|Vrh 15 алевритовые глины и прослои песков
икшинская , • * * *» * K|ik 13 пески кварцевые
Продолжение табл. 1.2
Меловая нижний баррем- ский нижний Владимир- ский бутовская ы у*1* -А-?! Kibt 3 глины, алевриты, пески
готеривский верхний котельни- ковская ’Й'П 1 I'd /h |1 W|l K,kt 40 глины алевритовые
гремячев- скал 11 ।, > । K!gT пески и песчаники бурые
средний и ниж- ний ярославль- ский ростовская • • ’ • * Kirs пески кварцевые светло-серые
берриас- ский рязанский безменков- ская • 1 1 * у: j K|bz 36 пески кварц-глауконитовые
Юрская верхний волжский верхний лыткарин- ский люберецкая * * • » * t J3lb 58 пески кварцевые
кунцевская * * * ' J * »*•* Jjkn пески глинистые, глины
средний лопатин- ская * <ь ♦ < • « • » J3lp глины и пески глауконитовые
мневников- СКИЙ костром- ской сходнин- ская * • . , ’ > « f » » * * • k * t • J3sh 20 пески зеленовато-серые, глау- конит-кварцевые; фосфорито- вые
Юрская верхний кимерид- жский ермолин- ский ермолин- ская : 1— 1 —1 Jjer 39 глины сажисто-черные, слюди- стые
оксфорд- ский верхний и сред- ний подмосков- ный и ко- ломенский жуковий- ская ———— Jjzk 40 глины белесые и серые или коричневато-серые, алевритис- тые
нижний подосин- ковский гридинская Jzgr 41 глины палево-коричневые и бу- ровато-серые
средний келловейский верхний
средний Пронский криушская J2kr пески, песчаники, алевриты
нижний елатьмен- ский люблинская *• -к 4 * ' * в * ***%»»» J2lbl пески и глинистые алевриты
бат- ский верхний и сред- ний мещерский москворец- кая 1 • » » • • Jjmr 42 пески темно-серые и сажистые черные глины
В основании пески грубозернистые, местами песчаники с глини-
стым цементом. Выше — среднезернистые, коричневато- и зеле- ,
новато-серые, глинистые, глауконитовокварцевые, слюдистые, !
вверх по разрезу — мелко- и тонкозернистые, алевритистые. Гли-
нистые алевриты темные, буро7серые. Глины алевритовые, слю-
дистые, тонкослоистые.
Средний подъярус представлен криушской надсвитой глини-
стых песков, песчаников, песчанистых глин с прослоями мерге- |
лей. Пески кварцевые, с. примесью глауконита, табачно-зеленые ।
и зеленовато-бурые, глинистые, тонко-мелкозернистые, извест-
ковистые, с железистыми солитами, микрофауной. Песчаники
средней крепости, линзовидного залегания, на известково-гли-
нисто-железистом цементе, той же окраски, что и пески, разно-
зернистые. Песчанистые глины бурые, глауконит-гидрослюдис-
того состава.
Завершает келловейский ярус гридинская надсвита, представ-
ленная глинами палево-коричневыми и буровато-серыми, с не-
большой примесью тонкопесчаного материала, известковисты-
ми, слабослюдистыми, плотными, с нечетко выраженной тон-
кой слоистостью. Общая мощность келловейского яруса в
Московском регионе 41 м.
Разрез верхнеюрских отложений, широко распространенных
в районе практики (исключая четвертичные долины р. Москвы и
ее притоков), начинается оксфордским ярусом, который пред-
ставлен жуковийской надсвитой. Это преимущественно глины
нескольких разновидностей общей мощностью до 40 м. Глины
белесые, светло-серые, с примесью тонкопесчаного материала,
твердые, плотные, массивные, без следов слоистости. Встреча-
ются глины более темные, коричневато-серые. В верхней части
отложений надсвиты глины серые и темно-серые, алевритистые,
с незначительной примесью песчаного материала, с частыми
мелкими червеобразными ходами, карбонатные, существенно
слюдистые, плотные, пластичные, слоистые.
Кимериджский ярус (см. табл. 1.2) представлен глинами ер-
молинской свиты мощностью до 39 м. Глины сажисто-черные,
алевритистые, менее известковистые, чем подстилающие жуко-
вийские, сильно слюдистые, сланцеватые, с прослойно локали-
зованным детритом, монтмориллонит-гидрослюдистого состава.
Завершает юрскую систему волжский ярус, представленный
средним и верхним подъярусами (табл. 1.2). Средний подъярус,
выделяемый иногда без подразделения на свиты, начинается с
отложений сходненской свиты мощностью до 20 м. Это пески
зеленовато-серые, глауконит-кварцевые, карбонатные, тонко- и
среднезернистые, неравномерно глинистые, с большим количе-
24
ством желваковых стяжений фосфоритов песчано-глинистого типа
и фосфоритов гальки. Нередко фосфориты сцементированы гли-
нисто-карбонатно-кварцевым материалом в песчанико-конгло-
мератовидную плиту.
К среднему подъярусу относится также лопатинская свита,
сложенная глауконитовыми песками и песчанистыми глинами с
фосфоритами. Пески темно-зеленые или зеленовато-черные, квар-
цево-глауконитовые, слабослюдистые и слабокарбонатные, тон-
ко- и мелкозернистые, характерны частые хаотичные включения
мелкого слабофоссилизированного детрита. Глины лопатинской
свиты пятнистые зеленоватые, темно-серые, темно-бурые, глау-
конитовые, местами опесчаненные.
Верхний подъярус объединяет кунцевскую и люберецкую сви-
ты, мощность которых вместе с нижележащей лопатинской дос-
тигает 58 м. Кунцевская свита характеризуется тонкослоистым
чередованием кварцево-глауконитовых глинистых песков, тон-
ко- и мелкозернистых, с неплотными песчанистыми глинами.
Все породы темного, зеленовато-серого цвета, неизвестковис-
тые, средне- и слабослюдистые, более глинистые в нижней час-
ти разреза, слабофосфатизированы. Люберецкая свита сложена
светлыми кварцевыми песками, с незначительной примесью гла-
уконита, белыми и светло-серыми, иногда со слабым зеленова-
тым оттенком, разнозернистыми, слабоглинистыми, с редкой
галькой и гравием фосфорита и кремня. В верхней части разре-
за — мономинеральные кварцевые пески снежно-белые, иногда
ожелезненные, тонко- и мелкозернистые, тонкослоистые, иног-
да с косой слоистостью.
Самыми древними отложениями мела в пределах Подмоско-
вья являются отложения берриаса, наиболее полные разрезы
которого известны под названием рязанского горизонта (Ме-
сежников, 1979). Они расположены к востоку от ЗБС и на тер-
ритории практики отсутствуют. Нижняя часть яруса сложена
кварц-глауконитовыми мелкозернистыми глинисто-алевритисты-
ми песками, верхняя — песчаниками. Описываемая толща со-
держит остатки аммонитов. Мощность толщи достигает 36 м. К
рязанскому горизонту относят безменковскую свиту, сложенную
серыми глауконит-кварцевыми песками, иногда довольно тем-
ными, с зеленоватым оттенком, неравномерно слюдистыми, не-
известковистыми, тонко- и мелкозернистыми, с нечеткой тон-
кой слоистостью.
Большая часть так называемых «валанжинских» образований,
по данным многих авторов, должна отвечать нижнему и средне-
му готериву (Олферьев, 1986), отложения которого распростра-
нены к северу от района практики. Она сложена мощной (до 40 м)
25
шлщси сильнослюдистых алевритов, сменяющихся вверх по раз-
резу светлыми тонко-мелкозернистыми кварцевыми (94—97%)
песками дистен-гранат-эпидотовой ассоциации. Как в ее кровле,
так и в ее подошве были обнаружены Buchia sublaevis Keys.,
В. crassicollis Keys., определяющие нижнеготеривский возраст вме-
щающих пород. Эти отложения выделяются в ярославльскую се-
рию. К ней относятся отложения ростовской свиты — светлые
кварцевые пески с небольшой примесью глауконита, сильно-
слюдистые, тонкозернистые, редко мелкозернистые. В песках
встречаются тонкие прослои и линзы глин темных, зеленовато-
серых, жирных, пластичных.
В разрезе верхнего готерива на территории Московского регио-
на наблюдается владимирская серия, в которой можно выделить
гремячевскую и котельниковскую свиты. Гремячевская свита вы-
деляется в разрезе своим песчаным составом, с заметным увели-
чением крупности песчаных зерен: от тонких песков и даже алев-
ритов в подошве до грубых гравелистых разностей в кровле, час-
то сцементированных гидроокислами железа в песчаник. Выходы
этих песчаников известны в пределах Москвы на горах, у бывше-
го с. Хорошево, в овраге «Гнилуши» близ бывшего с. Татарово.
Пески гремячевской свиты коричневато-серые, бурые, кварце-
вые, слабослюдистые, тонко- и мелкозернистые, с примесью
глинистого материала.
Самая верхняя — глинистая толща, выделяемая в ранге ко-
тельниковской свиты, отнесена к верхнему готериву условно, так
как нигде не содержит фаунистических остатков. Спорово-пыль-
цевые комплексы свидетельствуют либо о готерив-барремском,
либо о баррем-аптском возрасте описываемых глин. Нижняя гра-
ница свиты очень четкая и проводится по смене гравелистых пес-
ков на темно-серые алевритистые глины. С вышележащими от-
ложениями котельниковская свита связана постепенным пере-
ходом; ее верхняя граница устанавливается по смене лиловато- и
темно-серых сильно алевритовых глин на толщу тонкого пере-
слаивания тонкозернистых песков и глинистых алевритов более
светлой сиреневой окраски. Алевритовые глины и глинистые алев-
риты котельниковской свиты неизвестковистые, слабо слюдис-
тые, массивной текстуры, иногда с прослойками тонкозернис-
того песка светло-серого и белого цвета.
На бутовской толще в Подмосковье с четко выраженным раз-
мывом залегает свита белых кварцевых песков, относимая еще
А.П. Павловым (1907) к апту. Эта свита, названная икшинской,
как правило, выполняет палеоврезы в отложениях неокома. На
территории ЗБС она отсутствует. Пески светлые (белые, светло-
серые, желтые), кварцевые, иногда слабоглинистые, слюдистые,
26
неравномерно ожелезненные, встречаются тонкие пропластки
глин светло-серых, коричневатых, пластичных. Для этой толщи
характерны косая и горизонтальная параллельная слоистость,
наличие обугленной древесины, а в верхней части свиты — при-
сутствие песчаников с железистым и регенерационным кварце-
вым цементом. Мощность свиты до 13 м.
Следующая — ворохобинская свита со стратотипическим раз-
резом — имеет более широкое распространение по сравнению с
икшинской. Она с размывом налегает на подстилающие отложе-
ния и, как правило, начинается пластом темно-серых алеврито-
вых глин. В верхней части пласта появляются тонкие горизон-
тальные прослои мелких кварцевых тонкозернистых песков, мощ-
ность и количество которых вверх по разрезу резко возрастает, и
глины быстро сменяются пачкой тонко-мелкозернистых песков.
Для последних характерно отсутствие слоистости, кварцевый со-
став и преобладание эпидота. Повсеместно свита содержит апт-
ские спорово-пыльцевые комплексы. Мощность свиты до 15 м.
Верхняя часть аптского яруса названа волгушинской свитой
(табл. 1.2). Она залегает на ворохобинской со следами резкого об-
меления, выраженного прослоем крупнозернистого, плохо ока-
танного несортированного кварцевого песка мощностью 1,1 м,
содержащего крупные конкреции сидерита (до 0,2 м). Пески се-
рые, коричневые и бурые, местами с примесью гравия, кварца,
неравномерно глинистые, иногда уплотнены и сцементированы
гидроокислами железа до песчаников пониженной прочности.
Пески быстро сменяются серыми глинами, которые по латерали
замещаются пепельными алевритами и даже тонкозернистыми
песками, также содержащими конкреции сидерита. Фаунистичес-
ких остатков в описываемых отложениях не найдено, спорово-
пыльцевые комплексы свидетельствуют об их принадлежности к
верхам аптского яруса, так как в них в заметном количестве появ-
ляются формы, доминирующие в альбе. Мощность свиты до 15 м.
На волгушинской свите в Подмосковье с размывом залегают
мелкозернистые желтовато-коричневато-серые кварцевые оже-
лезненные пески (0,6 м), сменяющиеся выше серыми с сирене-
вым и фиолетовым оттенками пестрыми от более светлых ходов
илоедов тонкозернистыми глинисто-алевритистыми песками.
Именно в этих отложениях Н.А. Болховитиной (1951) был опре-
делен специфичный альбский спорово-пыльцевой комплекс. Дру-
гих свидетельств о возрасте этой толщи, получившей название
колокшинской, пока не имеется. На территории ЗБС эти отложе-
ния также отсутствуют.
На колокшинской толще с размывом залегают фаунистически
охарактеризованные среднеальбские образования, выделенные в
27
гаврилковскую свиту. В ее основании залегает базальный слой
грубого песка с гравием кварца, кремня. Выше пески темно-се-
рые, с коричневым и зеленым оттенками, глауконит-кварцевые,
с субгоризонтальной слоистостью. Вверх по разрезу они сменя-
ются песками темно-зелеными, мелко- и среднезернистыми,
неравномерно глинистыми, неотсортированными, неслоистыми.
Иногда пески сцементированы глинистым и фосфатно-железис-
тым цементом до слабого песчаника. В отложениях гаврилков-
ской свиты прослежено до шести прослоев конкреций песчаных
фосфоритов. Мощность свиты обычно до 10 м.
Вышележащая парамоновская свита связана с гаврилковской
постепенным переходом (Даньшин, 1947) и отвечает максимуму
альбской трансгрессии (табл. 1.2). В Подмосковье в основании
она представлена глинистыми мелко-среднезернистыми с при-
месью крупнозернистой фракции кварц-глауконитовыми песка-
ми. В разрезах многочисленных скважин отмечена ритмичность
низов парамоновской свиты, обусловленная закономерным че-
редованием песчаных, алевритовых и глинистых прослоев. Гли-
ны парамоновской свиты зеленовато-темно-серые, кварц-глау-
конитовые, массивные, очень плотные. Вверх по разрезу глины
постепенно сменяются более светлыми глинистыми алевритами
и далее тонко- и даже мелкозернистыми песками в низах кварц-
глауконитового, в верхних слоях — глауконит-кварцевого соста-
вов, заметно глинистыми и алевритистыми. Мощность свиты
достигает 55 м.
В последние годы сложилось мнение, что альбские отложения
постепенно переходят в сеноманские верхнего отдела меловой
системы (Герасимов, 1971; Даньшин, 1947). На парамоновских
отложениях в некоторых местах Подмосковья в глубоких (до 20 м)
врезах ингрессивно залегает толща песков, выделенная в вара-
винскую серию.
На территории практики в основании разреза четвертичных
отложений, как правило, залегают морена, считавшаяся ранее
днепровской, или более поздние флювиогляциальные отложения.
В последние годы представления о стратиграфии четвертич-
ных отложений Подмосковья существенно изменились в связи
с новыми данными, полученными в ряде опорных разрезов Цент-
ральных районов Восточно-Европейской платформы. Одним из
таких разрезов, изучение которого позволило по-новому подойти
к датировке отложений плейстоцена в Подмосковье, является
расположенный недалеко от Звенигорода стратотип Одинцов-
ского разреза, известный с 20-х годов нашего столетия, но про-
должающий привлекать внимание исследователей. Уникальность
Одинцовского стратотипа объясняется наличием в его разрезе
28
четырех (!) ледниковых горизонтов (морен) и трех межморен-
III.IX толщ.
Результаты исследований Одинцовского разреза, находящего-
। и в карьере Одинцовского кирпичного завода, неизменно ложи-
иись в основу стратиграфических схем Центральных районов Рос-
। ии. От него ведут свое начало такие понятия, как «московская
морена» и «одинцовское межледниковье». В последние десятиле-
тия Одинцовский разрез изучался вновь в связи с крупномасш-
табной съемкой Западного Подмосковья (Маудина и др., 1986).
В Одинцовском разрезе снизу вверх вскрыты:
I. Ликовская свита. Ледниковые и водно-ледниковые отложе-
ния (g, П1к). Залегают с размывом на нижнемеловых (аптских)
песках и алевролитах. Представлены зеленовато-серыми квар-
цево-глауконитовыми песками, неравномерно глинистыми и
слюдистыми, по текстурным особенностям напоминающим «ря-
бец», мощностью до 6 м, с прослоями черной супеси или зеле-
ной глины (до 1 м), насыщенных гравием и галькой. Состав
прозрачных минералов тяжелой фракции идентичен составу
аптских отложений, отмечается дистен-эпидот-гранат-ставро-
литовая ассоциация, среди непрозрачных минералов преобла-
дает пирит. Гравий и галька состоят в основном из кварца и
железистого песчаника. Эрратический материал (до 10—12% от
общего состава) представлен обломками известняков, доломи-
тов, кремней, обломки изверженных пород единичны, а скан-
динавского происхождения — не обнаружены. Спорово-пыль-
цевые исследования фиксируют подавляющее преобладание
древних мезозойских форм, редкая примесь четвертичных форм
содержит зерна Betula sect. Nanae и Selaginella selaginoides. Па-
леомагнитный анализ показывает прямую полярность пород, что
позволило авторам М.И. Маудиной и др. (1986) отнести данные
ледниковые отложения к эпохе Брюнес.
II. Акуловская свита. Межледниковые отложения (1, Ыак) за-
легают либо на древних ледниковых отложениях, либо с размы-
вом на мезозойских. Представлены торфянистыми песками, зе-
леноватыми и черными песчано-детритовыми и детритовыми
гиттиями общей мощностью 2—3 м, с прослоем черного пласто-
вого сильно минерализованного торфа мощностью до 0,4 м. По
минеральному составу практически не отличается от нижележа-
щих ледниковых и аптских. Содержание пыльцы широколиствен-
ных пород составляет 16—45%, что свидетельствует о явном меж-
ледниковом характере времени накопления толщи.
III. Сетуньская свита. Ледниковые и водно-ледниковые отло-
жения (f, Iglst). Нижняя часть свиты сложена водно-ледниковыми
отложениями, преимущественно песками, с гравием, галькой в
29
основании и обломками скандинавских пород, в составе про-
зрачных минералов появляются роговые обманки, количество
которых возрастает снизу вверх.
Выше песков согласно залегает морена (gist), представленная
массивными буровато- и зеленовато-темно-серыми суглинками
и супесями. Обломочный материал на 40—60% состоит из извер-
женных пород скандинавского происхождения. Устанавливается
амфибол-эпидот-гранат-дистеновая ассоциация минералов. Спо-
рово-пыльцевые спектры представляют собой смесь переотложен-
ных карбоновых, мезозойских и древнечетвертичных форм.
IV. Межморенные отложения проблематичного генезиса (f,
lg?Iot). Представлены песками с прослоями глин общей мощно-
стью 0—3 м. Содержат переотложенные пыльцу и споры мезозой-
ского и нижнечетвертичного возраста. Сильно перемяты ледни-
ком в последующий период. Возможно, соответствуют межлед-
никовой серии нижнего плейстоцена, условно названной
М.И. Маудиной и др. (1986) «Отрадненской».
V. Перекшинская свита. Ледниковые отложения (glprk). Пред-
ставлены самой мощной мореной Одинцовского страторайона,
залегающей на более древних отложениях несогласно, с резким
экзарационным контактом. Морена в основном суглинистая, се-
рая и голубовато-серая, насыщенная обломками карбонатных по-
род, часто имеет чешуйчатую текстуру, содержит значительное
количество слойковых, пластовых и глыбовых отторженцев триа-
совых, |ррских, меловых и нижнечетвертичных пород. В составе
прозрачных минералов тяжелой фракции сохраняется амфибол-
эпидот-гранат-дистеновая ассоциация, но содержание устойчивых
минералов здесь относительно повышено. Возрастает роль пирита
в составе непрозрачных минералов (до 20—50%). В составе облом-
ков резко преобладают осадочные породы (70—100%), среди кото-
рых обнаруживаются типичные для среднего девона Тимана. Из-
редка встречаются сильно выветрелые обломки скандинавских
пород. В кровле морены отмечается хорошо выраженный интервал
обратной полярности (Величкевич Ф.Ю., 1979).
Спорово-пыльцевой анализ показывает перемежающиеся пре-
обладания каменноугольных, мезозойских и нижнечетвертич-
ных форм.
VI—XII. Одинцовская серия. Межледниковые отложения (1,
pdllod). Залегают со следами размыва, выполняя остаточные за-
падины моренного перекшинского рельефа, на участках древних
водоразделов переходят в мощные почвы. Общая мощность один-
цовских отложений — до 11 м. По данным многочисленных раз-
ведочных и специальных скважин, восстанавливаются контуры
крупного одинцовского озера площадью 16—20 км2 с извилисты-
ми берегами, по форме несколько вытянутого в направлении с
зо
юго-запада на северо-восток. Строение озерных осадков ослож-
няется перерывами в осадконакоплении и неоднократной сме-
ной фаций. Вся толща имеет прямую остаточную намагничен-
ность. В ней выделяется несколько слоев отложений:
VI. Отложения нижнего (глазовского) оптимума, представлен-
ные наиболее глубоководной фацией — глинистой плитчатой
камнеподобной гиттией и глинами, в нижней части переходя-
щими в пески, в верхней части сильно трещиноватыми, в кровле
обращенными в крошево, что свидетельствует о длительном пе-
ресыхании бассейна. Мощность 1,5—3,0 м.
VII. Отложения первого (баковского) похолодания. На разру-
шенных гиттиях с резким обрывистым контактом залегает плас-
товый древесно-осоковый и «войлочный» гипновый торф общей
мощностью до 1,5 м. Спорово-пыльцевой спектр свидетельствует
о суровом климате и обеднении растительности- в этот период.
VIII. Отложения второго (дубковского) оптимума. На торфах с
ровным контактом, иногда подчеркнутым слойком песка, лежит
пачка песчано-детритовых, прослоями глинисто-детритовых гит-
тий, тонкослоистых мощностью 1,5—2,5 м. Содержание пыльцы
широколиственных пород в них достигает 60—80% с преоблада-
нием дуба.
IX. Отложения второго (соминковского) похолодания. На этом
уровне наблюдается наиболее значительный по всему разрезу
одинцовских отложений размыв. Фация размыва представлена
песками и супесями мощностью от долей до 1,5 м, в основании
которых сгружены галька и гравий, по петросоставу близкие об-
ломочному материалу перекшинской морены. Спорово-пыльце-
вой анализ показывает обеднение флоры с преобладанием пыль-
цы березы и сосны.
X. Отложения третьего (акишевского) оптимума. Залегают с
постепенным контактом на песках и представлены пачкой пере-
слаивания глинистых черных и детритовых бурых гиттий с еди-
ничным тонким прослоем торфа общей мощностью до 3 м. На
слой приходится максимальное по разрезу содержание пыльцы
граба, пихты и ели. Широколиственные леса уступают место хвой-
ным и березово-хвойным, характерным для флор лихвинского типа.
XI. Отложения третьего (пахринского) похолодани^. На гит-
тиях с постепенным контактом залегают тяжелые плотные слои-
стые суглинки темно-серого и зеленовато-серого цветов со слой-
ками жирных глин общей мощностью 2—3,5 м. Вполне вероятно,
что пахринское похолодание относится уже не к межледниковой
эпохе, а отражает одну из ранних стадий московского оледене-
ния (хвойно-березовые и широколиственные леса сменяются на
березовое редколесье, в составе которого нарастает роль карли-
ковой тундровой формы).
31
XII. Отложения четвертого (пекинского) оптимума. В верхней
части «холодных» глин практически повсеместно наблюдается
горизонт погребенной почвы болотного типа, представленной
комковатыми черными и зеленоватыми глинами с мелкими лин-
зами торфа. Местами почвы достигают 1,5 м, иногда разделены
лессовидными суглинками. Довольно отчетливо проступает кар-
тина так называемого «малого лихвина», в связи с чем, возмож-
но, четвертый оптимум одинцовской серии надо относить к ин-
терстадиальному периоду московского оледенения.
XIII. Московская свита. Ледниковые (glims) и водно-ледни-
ковые отложения (f, Igllms). На болотных почвах с незначитель-
ным размывом залегает толща озерно-ленточных зеленоватых и
коричневато-серых глин и тонких пылеватых супесей от зелено-
вато-серого до желто-бурого цвета мощностью 5—7 м. Минераль-
ный состав ее близок к составу московской морены, но несколь-
ко повышено содержание эпидота. По спорово-пыльцевым дан-
ным этот слой отвечает намечающемуся наиболее значительному
по межморенному разрезу похолоданию — до 98% пыльцы бере-
зы, в составе которой до 70% содержится тундровой формы Betula
папа. Именно к этим отложениям приурочены находки остатков
крупных млекопитающих (Меннер, 1930).
На этих отложениях залегает со следами экзарации морена
московского оледенения (glims), мощность которой колеблется
от 10—12 м в зоне одинцовского погребенного озера, до 2-3 м на
древнем1 водоразделе. Она сложена суглинками и супесями крас-
но- и желто-бурого цвета, массивной текстуры, в основании с
текстурой «захвата». В составе прозрачных минералов тяжелой
фракции наблюдается амфибол-эпидот-гранат-цирконовая ассо-
циация, причем содержание амфиболов максимально по разрезу
и составляет 45%. В составе непрозрачных минералов наблюдает-
ся минимальное по разрезу содержание пирита — не более 5%.
Состав обломочного материала московской морены характеризу-
ется высоким содержанием изверженных скандинавских пород
(до 20—50%). Спорово-пыльцевые спектры содержат в основном
переотложенные четвертичные формы.
Надморенный комплекс отложений состоит из флювиогляци-
альных (Aims), реже озерно-ледниковых (Igllms) отложений вре-
мени отступания московского ледника, вещественный состав
которых близок к моренному.
На основе Одинцовского страторайона М.И. Маудиной и др.
(1986) была предложена местная стратиграфическая схема плей-
стоцена. Эти материалы легли в основу и новой схемы леднико-
вых районов Центральных районов России ПГО «Центргесло-
гия» (табл. 1.3).
32
Таблица 1.3
Подразделение четвертичных отложений Московского региона
Общая шкала Региональная схема 1983 г. Местная схема ПГО “Центр геология”, принятая в 1992 г. Индекс Состав отложений
Раздел звено иадгоризонты, горизонты надгоризонты, горизонты, серии, свиты и почвы
Голоценовый современное голоценовый голоценовый alV, dIV, pdIV, blV, tiv аллювиальные пески, делюви- альные и про- лювиально-де- лювиальные глины, суглин- ки, болотный торф и др. тех- ногенные грун- ты
Плейстоценовый. верхнее валдайский осташ- ковский валдайский осташков- ский aJIIsb, HIIos аллювиальные пески, супеси, озерные глины
калинин- ский калининский prIIIkl, ailllmnv llllkl перигляциаль- ные (покров- ные) суглинки, аллювиальные пески, супеси, озерные глины
микулинский микулинский i, alllmk озерные, аллю- виальные супе- си. суглинки, глины
среднее подмосковный 4J москов- ский подмосковный московский a, fjllhd, 1g, f2llms glims аллювиальные и флювиальные пески, супеси, озерно-ледни- ковые и флю- виогляциальные пески, морен- ные суглинки
одинцов- ский одинцовский pdllod гитгии. торф, почвы
днепровский - - -
лихвинский лихвинский f, Iglprk- Ilms флювиогляци- альные,
33
Продолжение табл. 1.3
нижнее мичуринский окский суворовская свита озерно-леднико- вые пески,
мучкап- ский рославльская серия супеси, глины
донской перекшинская свита glprk моренные суг- линки
сукромнинская свита а, 1, bisk аллювиальные,' озерные и бо- лотные глины, суглинки
ИЛЬИНСКИЙ сетуньская свита gist моренные суг- линки, супеси
матвеевская тол- ща 1, bimt озерные, болот- неые суглинки, глины
покровский ликовская толща g’llk моренные суг- линки, супеси
В целом в г. Москве и Подмосковье широко развиты три мо-
ренных горизонта: два верхних из них разделены межледниковы-
ми отложениями одинцовского (Hod) или сходного с ним рос-
лавльского (f, Igirs) типа с преобладанием в климатическом оп-
тимуме, получившем название глазовского, пыльцы дуба и вяза
(Бирюков и др., 1986).
Ранее большинство исследователей два верхних моренных го-
ризонта Подмосковья относили соответственно к днепровскому
и московскому оледенениям среднего плейстоцена. Позже ряд
исследователей пришли к выводу о нижнечетвертичном (долих-
винском) возрасте рославльских межледниковых отложений. Сле-
довательно, в Подмосковье к среднему плейстоцену можно от-
нести только верхнюю (московскую) морену. Иногда она рас-
щепляется на два моренных горизонта, но никаких доказательств
принадлежности их к самостоятельным оледенениям не имеется.
Вероятнее всего московская морена соответствует верхам сред-
него плейстоцена, поскольку в подморенных перигляциальных
отложениях Одинцовского разреза встречены остатки Mammutus
primigenius, относящиеся к верхнепалеолитическому фаунисти-
ческому комплексу. Концу среднего плейстоцена (т.е. московской
морене Подмосковья) отвечает, вероятно, и днепровская море-
на Украины.
Таким образом, в Подмосковье морена, до последнего време-
ни принимавшаяся за днепровскую, на самом деле является ниж^
неплейстоценовой (см. табл. 1.3); в принятой в 1984 г. региональ-
34
ной стратиграфической схеме она названа остерской, а в схеме
М.И. Маудиной и др. (1986), построенной по Одинцовскому стра-
тотипу, она соответствует перекшинской свите (glprk). В свою
очередь остерская морена отделяется фрагментарно сохранивши-
мися межледниковыми отложениями от еще более древней (се-
туньской) морены (gist), раньше рассматривавшейся как окская;
ниже этой морены местами встречены древнейшие межледнико-
вые отложения — карамышевские (Валуева и др., 1983), а также
следы еще одной морены — ликовской (Бирюков и др., 1986).
Относительно окского горизонта, завершающего нижний плей-
стоцен, последние данные свидетельствуют об отсутствии в Под-
московье соответствующей ему морены. Вероятно, окское оледе-
нение не достигло широты Москвы.
Для среднего плейстоцена И.П. Бирюков и др. (1986) предла-
гают следующую последовательность событий:
1) лихвинское межледниковье (Illh);
2) оледенение, оставившее следы в виде лёссов и не дости-
гавшее Москвы; его морена, возможно, развита в Костром-
ской области, где между лихвинскими и микулинскими
отложениями выделяются два моренных горизонта, остав-
ленными ледниками, распространявшимися из разных
центров оледенения;
3) одинцовское межледниковье (Hod), следы которого хоро-
шо выражены в субаэральных отложениях;
4) . оледенение, распространившееся далеко на юг в бассейне
Днепра и оставившее верхнюю морену Подмосковья (мос-
ковскую, glims) и верхнюю морену Северной Украины
(днепровскую).
В районе практики наблюдаются выходы на поверхность лишь
одной морены московского оледенения. Она залегает здесь либо
на юрских отложениях, либо на четвертичных отложениях пере-
кшинско-московского межледниковья. Перекрывается морена
песчаными флювиогляциальными отложениями времен отступа-
ния московского ледника (икшинская стадия) или более моло-
дыми четвертичными отложениями. В некоторых местах (левобе-
режье р. Москвы в районе к западу и северо-западу от с.Карин-
ское) скважинами вскрыто два горизонта московской морены,
верхний из которых соответствует икшинской стадии (рис. 1.2).
Для верхнего плейстоцена Подмосковья стратификация отло-
жений не вызывает серьезных затруднений, поскольку микулин-
ский межледниковый горизонт (1, alllmk) уверенно выделяется
по палеоботаническим данным, а расчленение вышележащих
валдайских отложений базируется на данных радиоуглеродного
35
Рис. 1.2. Схема соотношения четвертичных отложений района практики:
1 — известняки; 2 — глины; 3 — моренные суглинки и глины с валунами и галькой; 4 —
пески; 5 — суглинки
анализа. Дискуссионным остается лишь вопрос о границе рас-
пространения оледенения в ранневалдайское время.
Не менее сложная картина наблюдается в датировке плейсто-
ценовых отложений долин пра-Москвы. Так, ранее А.В. Кожевни-
ковым были выделены татаровская и Хорошевская долины. Пер-
вая была изучена при бурении скважин у бывшего с. Татарово, где
под песчаным аллювием I (серебряноборской) террасы верхнего
плейстоцена (аП13 .4) мощностью 9,0 м с базальным галечным слоем
в основании прослеживается мощный песчаный аллювий основа-
ния II (мневниковской) террасы (alii 12?). В песках имеются про-
слои серого суглинка, на глубине 19,5 м появляется галька, затем
примесь щебня — так до глубины 24,5 м. Мощность этой пачки
аллювия — 15,5 м. По мнению А.В. Кожевникова и др. (1986), это
выполнение относительно молодой и сравнительно переуглублен-
ной долины, кое-где прослеживающейся под мневниковской тер-
расой р. Москвы. Еще ниже в разрезе долины у с. Татарово вскрыт
аллювий татаровской долины — all(t:
1. Песок темно-серый, среднезернистый с редким гравием и
галькой, мощность 1,5 м;
2. Песок серый, среднезернистый, с прослоями серого пыле-
ватого суглинка, с редким гравием и галькой, мощность 2,0 м;
3. Песок серый, крупнозернистый, с гравием и галькой мощ-
ность 3,0 м;
4. Песок серый, гравелистый, с галькой, мощность 1,5 м;
5. Глина черная, с песком, со следами перемыва в основании
черных юрских глин, мощность 0,7 м;
6. Песок серый, гравелистый, с галькой, мощность 3,0 м; ниже
с прослоями черной пылеватой глины, мощность 1,8 м;
7. Глина черная, пылеватая, слюдистая, с мелкими обломка-
ми аммонитов, следами перемыва юрских глин, мощность 0,3 м;
36
8. Песок темно-серый, крупнозернистый, с включениями чер-
ной глины, с редкой галькой и гравием, мощность 1,7 м;
9. Гравийно-галечный слой мощностью 2,8 м;
10. Супесь темно-серая, пылеватая, с примесью песка мощно-
стью 0,2 м; ниже — дресвяно-гравийный слой с известковой и
гранитной галькой мощностью 1,7 м;
11. Известняковый щебень, дресва, галька с гравием, с при-
месью темно-серой глины мощностью 0,2 м; ниже — гравийно-
галечный слой из гальки песчаника, кремня, известняка, грани-
та, обломков белемнитов мощностью 0,6 м;
12. Глина черная, слюдистая, с гнездами песка, известняко-
вой дресвой и щебнем, с обломками белемнитов и следами пере-
мыва юрских черных глин, мощность 0,5 м;
13. Известняк желто-серый, сильно разрушенный в верхней
части, вскрытая мощность 2,1 м.
Описанный разрез представляет наиболее глубоколежащие
аллювиальные отложения р. Москвы, их общая мощность 12,3 м.
Долина врезана в юрские, оксфордские, келловейские и бат-кел-
ловейские черные глины и подстилающие их каменноугольные
известняки. Аналогичная переуглубленная долина зафиксирова-
на в Москве в районе Арбата, где под аллювием и зандровыми
песками III ходынской террасы (a, fll4hd), а также нижележащей
мореной отчетливо прослеживается выполнение Хорошевской
долины с характерным озерным горизонтом в средней части раз-
реза и базальным галечником в основании (all ,h). Вскрытая мощ-
ность Хорошевского аллювия достигает 26 м. Под базальным го-
ризонтом залегает еще не менее 15 м песчаного аллювия, выпол-
няющего лишь несколько менее широкую долину.
Сходным образом построена древняя долина р. Сетунь в из-
лучине р. Москвы выше Крымского моста на Хамовнической
набережной. Аллювий ходынской террасы мощностью Юме ба-
зальным горизонтом в основании (аП13_4) здесь вложен в море-
ну (dpll3?), лежащую на юрских глинах. Под ним пройден пес-
чаный аллювий (а113), мощность которого около 15 м, его подо-
шва скважиной не вскрыта. Особенностью данного разреза
является то, что в правом борту долины отмечены оползания
моренных отложений в долину вследствие чего делаются выво-
ды о том, что долина врезана в морену и она моложе татаров-
ской и Хорошевской, аллювий которых перекрыт мореной. Врез
этой долины, названной А.В. Кожевниковым (1986) хамовни-
ческой, по времени заложения предваряет формирование хо-
дынской террасы, так как прослеживается в ее пределы. Врез,
подобный хамовническому, но менее глубокий, предполагал-
ся А.В. Кожевниковым (1986) и под аллювием мневниковской
37
террасы, подразделяющейся на два уровня — троице-лыковский
с микулинскими торфяниками и собственно мневниковский,
преимущественно песчаный. Таким образом, важно разобрать-
ся в возрасте этих долин с учетом изменений в датировке морен
на территории Москвы.
Исходя из старой схемы датировки трех морен Подмосковья
как относящихся, соответственно, к московскому, днепровскому
и окскому оледенениям, татаровская, а тем более Хорошевская
долины представлялись послеокскими и предднепровскими, а
хамовническая долина представлялась как последнепровская и
предмосковская, ибо аллювий, ее выполняющий, перекрыт пес-
ками ходынской террасы, связанной с зандрами икшинской ста-
дии московского оледенения, и врезан в днепровскую морену.
Если же исходить из новой схемы датировки морен, учитыва-
ющей Одинцовский стратотип, то возраст упомянутых древних
долин также меняется. Попытка привлечь к решению данной
проблемы разрез у г. Балашиха также не внес большей ясности. В
общей схеме аллювий Хорошевской и татаровской долин древнее
второй сверху морены Подмосковья. Если эту морену рассматри-
вать исходя из новой схемы (Маудина и др., 1986) как сформи-
рованную в середине нижнего плейстоцена, то упомянутые па-
леодолины окажутся еще более древними: они должны быть опу-
щены глубоко в нижний, плейстоцен и наиболее общепринятое
их сопоставление с венедскими, регионально прослеженными для
верхов нижнего плейстоцена, окажется, по мнению А.В. Кожев-
никова (1986), невозможным. Тем не менее именно этот вариант
датировки используется для Подмосковья в последней страти-
графической схеме ПГО «Центргеология» (1992).
В моренные и флювиогляциальные отложения московского
оледенения в районе практики вложены две террасы р. Москвы
и ее притоков, представленные аллювиальными отложениями.
Верхняя II надпойменная терраса (мневниковская) имеет пре-
вышение над урезом воды около 15—20 м и широко развита в
районе сел Гигирево, Волково, Аниково и ниже по течению у
с. Луцино и Звенигорода. Терраса обычно имеет цоколь.
В долине р. Москвы в районе практики наиболее широко раз-
вита I надпойменная терраса (серебряноборская), имеющая пре-
вышение над урезом воды 8—Юм. Она аккумулятивная, с сум-
марной мощностью аллювия до 14—15 м.
К голоцену в долине р. Москвы и ее притоков относятся ал-
лювиальные отложения высокой и низкой пойм, а также совре-
менные делювиальные и пролювиальные отложения.
38
1.2. Характеристика рельефа и история развития долины
р. Москвы
В районе практики рельеф территории характеризуется относи-
тельно простым строением (рис. 1.3). В целом он представляет со-
бой пологохолмистый рельеф междуречий с вложенными в него
речными долинами и относится к Клинско-Дмитровской гряде
Смоленско-Московской возвышенности. Исследуемый район рас-
положен на отметке примерно на 60 м выше, чем Москва, — на
Рис. 1.3. Геолога-геоморфологическая схема района практики:
1 — пойма, 2 — I и II террасы р.Москвы; 3 — приречные сниженные водоразделы, сложен-
ные флювиогляциальными отложениями; 4 — конечноморенный рельеф икшинской ста-
дии московского оледенения; 5 — полого-волнистая равнина на морене московского оледе-
нения; 6 — полого-холмистая равнина на морене московского оледенения
39
высоте, достигающей на правом берегу р. Москвы 192 м над уров-
нем моря. Абсолютные отметки уреза воды в р. Москве меняются
от 135 м в районе с. Луцино до 137 м в районе с. Волково.
Рельеф междуречий — это главным образом равнины, соот-
ветствующие поверхности основных морен различных стадий
московского оледенения. Первичные их неровности, связанные
с неровностями рельефа, когда-то существовавшими под тол-
щей льда или им созданные, впоследствии были заняты озера-
ми, иногда до сих пор сохранившимися, или были заполнены
флювиогляциальными песками, которые формировались в связи
с таянием льда, часто мертвого, оторванного от активного лед-
никового края. В икшинскую стадию московского оледенения на
фоне полого-холмистой равнины образовался грядовый рельеф,
соответствующий конечной морене напора и выраженный в рай-
оне практики к северо-западу от с. Каринское.
В межгрядовых понижениях рельефа сформировалась харак-
терная система древних ледниковых озер, заполненных впослед-
ствии обломочным материалом. К северо-западу от с. Каринское,
за пределами изучаемой территории, находится сохранившееся
до наших дней ледниковое озеро Глубокое, глубина воды в кото-
ром достигает 36 м. По берегам озера на заболоченных участках
сохранились реликтовые формы растений ледниковой эпохи —
карликовые северные березки и т.п.
Долина р. Москвы изучаемого района имеет раннее заложе-
ние и существовала в каком-то виде и в доледниковое время.
Речные долины оказывали сильное влияние на деятельность лед-
никовых покровов, двигавшихся с северо-запада, усиливая экза-
рацию. Мощность льда в пределах долинных понижений была,
как правило, более значительной, чем на водоразделах. Отсюда
происходило увеличение мощности основных морен в долинных
понижениях до 60 м по сравнению с 15 м и менее на водоразде-
лах. Это характерно как для перекшинской, так и для москов-
ской морен.
Заполнение древних речных долин моренным материалом в
связи с деградацией ледниковых покровов в одних случаях вы-
равнивало рельеф, и реки вынуждены были приспосабливаться к
вновь возникшим его особенностям, меняя свое течение, в дру-
гих — долинные понижения сохранялись, и заложение речных
долин шло по тому же пути, хотя в деталях возникали суще-
ственные отклонения. В связи с этим перекшинско-московская
пра-Москва сохранилась лишь в виде каких-то отдельных фраг-
ментов, будучи погребена под толщей более поздних ледниковых
накоплений (район Звенигорода), но на большей части исследу-
емой территории она была уничтожена последующей эрозией.
40
Долина пра-Москвы сохранилась в виде относительно понижен-
ной зоны. С ней, по-видимому, совпадал сток талых вод времени
отступления икшинских льдов. Она была заполнена флювиогля-
циальными отложениями, иногда значительной мощности. В ее
пределах заложилась верхнечетвертичная пра-Москва.
Микулинский, а затем и сформировавшийся после калининс-
кого оледенения молого-шекснинский (40—25 тыс. лет назад)
врезы р. Москвы в значительной степени унаследованы совре-
менной ее долиной и фиксируются переуглублениями, выявлен-
ными в основании аллювия I и II террас. С ними связано возник-
новение многочисленных ее притоков самой разной величины
вплоть до крупных оврагов и промоин. С этим временем связана
и некоторая моделировка рельефа, возникшего после деграда-
ции московского оледенения, — образование овражных пони-
жений, их склонов, сработка межовражных водоразделов глав-
ным образом, солифлюкционно-делювиальными процессами в
мерзлотных условиях перигляциальных зон калининского и ос-
ташковского оледенений.
В целом на изучаемой территории история развития долины
р. Москвы и ее притоков (реки Локотенка, Сетунь, Молодельня,
Дубешня, Островня и др.) отличается большой сложностью. Не-
сомненно, что современные формы рельефа четко унаследовали
дочетвертичный рельеф. Однако в четвертичное время основны-
ми движущими силами, определяющими современные формы
рельефа, были экзарационно-аккумулятивная деятельность лед-
ников московского оледенения и аккумулятивно-эрозионная де-
ятельность водных потоков как тающих ледниковых масс, так и
речных стоков. В связи с этим все типы сформировавшегося к
настоящему времени рельефа можно разделить на два класса
(табл. 1.4): гляциальный и флювиальный, которые включают со-
ответственно собственно ледниковый, водно-ледниковый, реч-
ной и овражный подтипы. Экзарационных форм рельефа в на-
стоящее время в районе практики не сохранилось, поэтому соб-
ственно ледниковый подтип рельефа рассматривается только как
аккумулятивный, сформировавшийся уже к концу московского
оледенения glims, и сейчас представляет собой пологохолмис-
тые равнины высоких водоразделов.
Водно-ледниковый подтип гляциального типа рельефа сво-
им происхождением обязан деятельности потоков талых вод,
выразившихся в размыве более древних отложений с образова-
нием достаточно глубоких (до 10 м) врезов, называемых древ-
ними ложбинами стока талых вод. Склоны этих ложбин, как
правило, пологоувалистые, сами ложбины распластаны в пла-
не, но четко картируются на местности. Отложение в наиболее
41
Типы рельефа
Таблица 1.4
Гляциальный Флювиалышй
собственно ледниковый водно- леднико- вый речной овражный
аккумулятив- ный аккумуля- тивный эрозион- ный аккумуля- тивный эрозионно- аккумуля- тивный эрозион- ный аккумуля- тивный эрозионно- аккумуля- тивный
glims films films Э| Illsb; alV 32 III mnv dill—IV pIII-IV dill—IV
полого-холмистый рельеф высоких водораздельных равнин полого-увалистый вогнутый рельеф днищ древних ложбин стока талых вод и низких во- доразделов пологий рельеф склонов древних ложбин стока талых вод и низких водоразделов ровный рельеф 1 н/п терра- сы; гривистый рельеф поймы слабонаклонный рельеф И н/п террасы круто-склонный рельеф бор- тов речных долин выпуклый рельеф древних и молодых конусов выноса круто- и полого-склоновый рельеф бортов молодых и древних оврагов
пониженных местах в конце среднего плейстоцена films пере-
работанных ледниковых осадков в основании ложбин стока в
связи со значительным падением скорости потока талых вод
ледника при его отступлении на северо-запад явилось причи-
ной возникновения аккумулятивного пологоувалистого, ровно-
го рельефа днищ ложбин стока. Значительная доля потока та-
лых вод имела площадный характер. В результате этого сформи-
ровались аккумулятивные среднеплейстоценовые равнины
низких водоразделов films.
Как указывалось выше, большую роль в формировании совре-
менного облика района сыграла деятельность речного стока. По-
нижение базиса эрозии, сопровождавшееся врезом р. Москвы и
ее притоков, явилось причиной значительной эрозионной дея-
тельности текучих вод, сформировавших современную долину
р. Москвы, борта которой имеют достаточно крутые склоны, ос-
ложненные как древней dpIII, так и молодой dpIV овражной се-
42
тью, с четко выраженными подвешенными древними рШ и на-
ложенными молодыми pIV конусами выноса.
В более позднее время долина р. Москвы неоднократно запол-
нялась аллювиальными отложениями, о чем свидетельствуют сла-
бонаклоненные к урезу воды останцы или фрагменты II (мнев-
никовской) надпойменной террасы a2IIImnv, имеющей эрози-
онно-аккумулятивный генезис и сформировавшейся на ранней
стадии верхнего плейстоцена, а также ровные поверхности I (се-
ребряноборской) аккумулятивной надпойменной террасы aJIIsb,
сформировавшейся примерно 20 тыс. лет назад в самом конце
верхнего плейстоцена, и гривистые участки современной низкой
alV] и высокой а1У2пойм.
1.3. Гидрогеологические условия
Район практики принадлежит центральной части Московско-
го артезианского бассейна (МАБ). Эта крупная гидрогеологичес-
кая структура характеризуется здесь трехэтажным строением.
Первый, самый верхний этаж включает в себя рыхлые нелити-
фицированные отложения четвертичной и юрской систем. Гене-
тически эти отложения весьма различны: морские, моренные,
водно-ледниковые и другие, но литологически их объединяет
принадлежность к обломочным породам, — в основном это пес-
ки различной крупности и глинистые породы. Общая мощность
отложений данного этажа в районе доходит до 100—120 м. Здесь
развиты несколько важных водоносных горизонтов и комплек-
сов и локальных разделяющих толщ. В подошве этажа залегает
регионально выдержанная верхнеюрская глинистая разделяющая
толща, отсутствующая лишь в днищах древних и современных
долин сравнительно крупных рек — Москвы-реки и крупней-
ших ее притоков. Проницаемость пород здесь средняя, емкость —
весьма высокая. Неоднородность параметров определяется в ос-
новном условиями осадконакопления и залегания пород.
Второй гидрогеологический этаж объединяет литифицирован-
ные, а в нижней части и метаморфизованные отложения палео-
зоя (девонскую и каменноугольную системы). Более молодые от-
ложения верхнего и среднего карбона представлены переслаива-
нием преимущественно карбонатов (известняков и доломитов) с
маломощными прослоями глин. В нижнем карбоне увеличивает-
ся доля терригенных пород, появляются и прослои гипса. Девон-
ские отложения представляют собой мощную толщу переслаива-
ющихся песчаников, глин и алевролитов с подчиненными про-
слоями карбонатов, гипсов и ангидритов. Общая мощность второго
гидрогеологического этажа достигает 2000 м. Проницаемость и
43
емкость пород здесь убывают с глубиной. Фильтрационная не-
однородность определяется трещиноватостью и закарстованнос-
тью пород.
И, наконец, к третьему, самому нижнему этажу отнесены силь-
но метаморфизованные и дислоцированные отложения протеро-
зойской и архейской групп. Эти породы характеризуются низки-
ми фильтрационными свойствами.
Гидродинамическая зональность этой части МАБ определяет-
ся балансовой структурой потоков подземных вод на гораздо бо-
лее широкой территории, чем район практики, и в частности
врезом наиболее глубоких дрен (Волги, Оки и Москвы-реки) и
палеогидрогеологическими условиями. Зона интенсивного водо-
обмена захватывает весь верхний гидрогеологический этаж и часть
среднего до глубин порядка 350—400 м. Здесь влияние экзоген-
ных факторов формирования подземного стока максимально.
Ниже выделяется зона затрудненного водообмена (нижний кар-
бон и верхний девон), где влияние экзогенных факторов нич-
тожно. Нижние части разреза МАБ принадлежат зоне весьма за-
трудненного водообмена, где на формирование динамичности
подземных вод влияют эндогенные факторы: разность темпера-
тур, плотностей, давлений и др.
Гидрогеохимическая зональность здесь проявляется в класси-
ческом виде. Грунтовые воды и верхние межпластовые водонос-
ные комплексы содержат пресные гидрокарбонатные кальцие-
вые воды с общей минерализацией до 0,5—0,8 г/л. С глубины 400—
450 м прослеживается относительно маломощная (до 200 м) зона
сульфатных солоноватых вод. Типичным представителем таких
вод является «Московская минеральная вода», имеющая суль-
фатный кальциево-натриевый состав при минерализации 4,5 г/л.
Глубже распространены крепкие рассолы с минерализацией до
270 г/л, имеющие хлоридный натриевый состав.
Гидрогеологическая стратификация разреза района практики
примерно может быть представлена в следующем виде (рис. 1.4).
Водоносный комплекс аллювиальных отложений низких террас,
alll-IV. Этот комплекс распространен в пределах первой терра-
сы, высокой и низкой пойм Москвы-реки и ее притоков. Водо-
носными являются нижние, более грубые части преимуществен-
но суглинистого аллювия: супеси с прослоями песка. Мощность
этого комплекса не более 4—5 м. Коэффициент фильтрации во-
доносных пород меняется в пределах от долей м/сут до единиц.
Тип фильтрационной среды — поровый. Водоотдача увеличива-
ется с увеличением крупности частиц песка, слагающего водо-
носные прослои и линзы. В подошве комплекса залегают пере-
отложенные верхнеюрские глины и (или) элювиальные отложе-
ния коры выветривания пород среднего карбона.
44
Рис. 1.4. Принципиальный гидрогеологический разрез района (до кровли Верей-
ских отложений):
I — водоносный комплекс аллювиальных отложений; 2 — водоносные горизонты флювио
гляциальных и озерно-ледниковых отложений; 3 — водоносный комплекс отложений сред-
него карбона; 4 — слабопроницаемыс спорадически обводненные ледниковые отложения;
5 — слабопроницаемые породы верхнеюрского возраста; 6 — слабопроницаемые породы
иерейского горизонта; 7 — уровень грунтовых вод; 8 — уровень подземных вод межморен-
ного водоносного горизонта; 9 — уровень подземных вод комплекса среднего карбона; 10 —
скважина (стрелка — величина напора над кровлей водовмещающих пород); 11 — направ-
ления движения подземных вод; 12 — стратиграфические границы
Это — типичные грунтовые воды, характеризующиеся на всей
площади своего распространения свободной поверхностью, за-
легающей на небольших глубинах (от Одо 5 м), совпадением об-
ластей питания и транзита, малыми плановыми размерами пото-
ка. Питание грунтовых вод формируется за счет инфильтрации
атмосферных осадков, речных и старичных вод в половодный
период и при длительных паводках, перелива из вышезалегаю-
щих горизонтов, а также за счет восходящего перетекания из
нижележащих горизонтов в самых нижних частях речных долин.
Направление потоков грунтовых вод определяется местными дре-
нами: речными руслами, оврагами, болотами, старицами и карь-
ерами. Разгрузка в эти дрены осуществляется в виде рассредото-
ченных высачиваний, чаще субаквально. Велика роль эвапо-
транспирапии. Состав воды в естественных условиях вполне
соответствует нормам ГОСТ на питьевую воду: минерализация
до 300—350 мг/л, жесткость низкая, органолептические свой-
ства вполне приемлемые, химический тип воды — гидрокарбо-
натный кальциевый. Однако на большей части площади своего
45
распространения горизонт испытывает сильное воздействие со
стороны многочисленных очистных сооружений, средств хими-
зации земледелия, удобрений и пр., что привело к его неравно-
мершому, «пятнистому» загрязнению нитратами, органическими
веществами, хлоридами и др. •
Водоносный комплекс используется для нецентрализованно-
го, .деревенского водоснабжения. Колодцы имеют небольшую
глубину, производительность их достаточна для удовлетворения
хозяйственно-питьевых нужд 10—15 семей.
Водоносный горизонт в аллювии второй террасы, alII. Этот го-
ризонт так же имеет вид типичного грунтового горизонта и рас-
пространен на той части площади высокой Мневниковской тер-
расы, где ее цоколь сложен суглинками московской морены или
юрскими глинами. В тех случаях, когда в цоколе залегают водно-
ледниковые пески, водоносный горизонт оказывается полнос-
тью сдренированным. Водоносными являются самые нижние ча-
сти разреза аллювия — супеси с прослоями и линзами песков.
Мощность водоносных пород 1—2 м. Водоупорным основанием
служат слабопроницаемые отложения цоколя второй террасы —
морюна, верхнеюрские глины.
Грунтовые воды питаются на всей площади своего распростра-
нения за счет инфильтрации атмосферных осадков и перелива из
гипсометрически вышележащих горизонтов. Направление фильт-
рации определяется рельефом, т.е. от тылового шва к бровке тер-
расы. Разгрузка потоков в этом горизонте чаще носит характер
небольших сосредоточенных (в 5—10 струй) выходов, приурочен-
ных; к наиболее пониженным, размытым частям цоколя. Там, где
вторая терраса прорезана частой сетью глубоких оврагов, водо-
носность ее аллювия носит сезонный характер. Фильтрационные
свойства водоносных пород невысоки. Коэффициент фильтрации
составляет десятые доли м/сут, пористость — около 40%.
Химический состав воды, как правило, вполне удовлетвори-
тельный: общая минерализация не превышает 0,5 г/л, жесткость
низкая, химический тип — гидрокарбонатный кальциевый. Де-
биты родников в окрестностях и на самой ЗБС не превышают
0,3jn/c. Использование воды данного горизонта ограничено не-
регу/лярным отбором ее зимой для питьевых нужд сотрудников
ЗБС и группами туристов у дер. Луцино.
Водоносный горизонт микулинских межледниковых отложений,
1, П1П—IV. Этот горизонт развит в мелкозернистых песках, лежа-
щихс на поверхностях низких водораздельных плато в юго-вос-
точной четверти листа съемки. Обводнены лишь самые нижние
частги песков; возможно, что единого потока в этих .отложениях
не существует большую часть года, а имеются несколько локаль-
46
пых потоков, приуроченных к мелким древним ложбинам стока
пн кровле подстилающей московской морены. Эти потоки пита-
ннся за счет инфильтрации атмосферных осадков и из многочис-
ленных верховых болот. Движение потоков подчинено подземно-
му рельефу кровли моренных отложений, но в общем случае на-
правлено к Москве-реке и местным дренам. Разгружаются эти
поды посредством эвапотранспирации перетекания и перелива в
нижележащие горизонты. Водопроявления крайне редки и неяв-
ны. О качестве воды можно судить лишь косвенно по болотцам у
посточного въезда на академические дачи. Горизонт не использу-
йся в хозяйственных целях, однако имеет некоторое значение
как емкость в естественных ресурсах данного района и как регу-
лятор влажности почв. К середине весны горизонт пополняется
гнеготалыми водами и обильно разгружается в верховьях много-
численных оврагов.
Разделяющая толща московской морены, glim. Московская мо-
рена распространена в исследуемом районе довольно широко,
па обоих берегах Москвы-реки, формируя склоны низких водо-
раздельных возвышенностей и цоколь второй террасы. Залегают
моренные отложения на размытых поверхностях известняков сред-
него карбона, на верхнеюрских глинах и на перекшинско-мос-
ковских флювиогляциальных песках. Мощность морены достига-
ет 20—25 м, обычно — до 15 м. Морена представлена тяжелыми и
средними суглинками коричневого и красно-бурого цвета, с вклю-
чениями линз песчано-гравийного материала, гальки и валунов.
Обращает на себя внимание сильная выветрелость валунов и галь-
ки изверженных пород. Проницаемость этих отложений оцени-
вается не выше тысячных долей м/сут (в вертикальном направ-
лении) в образцах и монолитах и не выше сотых долей м/сут в
массиве. Есть литературные сведения о том, что отдельные лин-
зы песка и гравия в московской морене могут быть водоносны,
но в районе практики такие явления пока не обнаружены.
Водоносный горизонт перекшинско-московских межледниковых
отложений, 1, fl-II. Косослоистые мелко- и среднезернистые вод-
но-ледниковые и озерные пески обводнены в своей нижней час-
ти повсеместно на площади своего распространения. Несмотря
на то что горизонт повсеместно перекрывают более молодые мо-
ренные отложения, он имеет «безнапорный» характер. Свобод-
ная поверхность вскрывается скважинами и глубокими колодца-
ми на 16—19 м от поверхности земли, мощность обводненной
толщи не превышает 2—3 м. Питание горизонта формируется за
счет перетекания из гипсометрически вышерасположенных го-
ризонтов через разделяющую толщу московской морены и вес-
ной в форме подпора из Москвы-реки. Движение происходит по
47
направлению к реке. Фильтрационные свойства водоносных по-
род невысоки. Коэффициент фильтрации не превышает 1 м/сут,
пористость песков — около 35—40%. Разгрузка горизонта идет в
Москву-реку при меженных ее уровнях. В местах отсутствия верх-
неюрской разделяющей толщи (у дер. Гигирево, например) реа-
лизуется непосредственная гидравлическая связь этого горизон-
та с межпластовыми водами среднего карбона, и пески в этих
условиях чаще всего бывают осушенными.
Состав подземных вод здесь удовлетворительный: общая ми-
нерализация — до 0,5 г/л, жесткость воды низкая, химический
тип — гидрокарбонатный кальциевый и кальциево-магниевый.
Вода горизонта используется для нецентрализованного водоснаб-
жения в дер. Гигирево колодцами, дающими до 5л в 1 мин при
достаточно длительной откачке (1 ч) и без заметного понижения.
Разделяющая толща верхнеюрских отложений, J3cl-ox. Верх-
неюрская разделяющая толща распространена повсеместно за
исключением нижних частей долины Москвы-реки под ее пой-
мой и первой террасой. Породы представлены черными и темно-
серыми тяжелыми глинами, содержащими органику и сульфиды.
В верхней части разреза иногда присутствуют глинистые и пыле-
ватые темно-серые пески, содержащие незначительные скопле-
ния подземных вод. Мощность глин достигает 30 м на водоразде-
лах и снижается до 0 к руслу реки. Вертикальная проницаемость
глин характеризуется очень низкими величинами, — ниже мил-
лионных долей м/сут в образцах и ниже тысячных долей м/сут в
массиве. Существенная разница в оценках проницаемости объяс-
няется пространственной неоднородностью глин и наличием в
них зон повышенной разуплотненное™, трещиноватости, опес-
чаненности. Верхнеюрские глины повсеместно залегают на не-
ровной, «карманообразно» размытой кровле среднекаменноуголь-
ных известняков и доломитов. Низкая проницаемость и широкое
развитие этой толщи определяют достаточно четкое разделение
подземных вод на грунтовые, лежащие выше юры, и на межпла-
стовые, лежащие под юрскими глинами.
Водоносный комплекс среднекаменноугольных отложений, С2т.
Этот водоносный комплекс объединяет два водоносных горизонта:
подольско-мячковский и каширский. Оба горизонта представле-
ны трещиноватыми и кавернозными органогенными и детрито-
выми белыми и светло-серыми известняками с прослоями жел-
товатых и кремовых доломитов, кремнистых карбонатов и доло-
митизированных известняков. Между горизонтами залегает
невыдержанная глинистая толща каширских глин средней мощ-
ностью 4—6 м. Мощности подольско-мячковских и каширских кар-
бонатов (по 40 м), их фациальный облик и напоры примерно
одинаковы. Подстилается водоносный комплекс верейскими гли-
48
нами. Распространен комплекс повсеместно, обнажения можно
пстретить и описать в русле Москвы-реки, ниже дер. Гигирево, в
Чуковском карьере и в строительном котловане дома отдыха
Елочка». Естественно, наиболее полное описание разреза мож-
но провести по керну буровых скважин.
Трещиноватость и кавернозность пород водоносного комплекса
определяют его фильтрационные свойства. В пределах низких тер-
рас комплекс характеризуется высокими значениями проводи-
мости (до 1000 мусут), под склонами и водораздельными плато
проводимость снижается в 2—3 раза. Этот комплекс содержит
межпластовые воды с избыточным напором над кровлей, вели-
чина которого составляет в районе ЗБС до 10—15 м.
Питание водоносного комплекса формируется за счет перете-
кания из горизонтов с более высоким напором, т.е. из гипсомет-
рически вышерасположенных горизонтов грунтовых вод и, воз-
можно, из нижезалегающего окско-протвинского горизонта ниж-
него карбона. В половодья и во время длительных паводков,
пызванных попусками из Можайского и Рузского водохранилищ,
комплекс питается москворецкой водой.
Региональное движение потока в естественных условиях осу-
ществляется по направлению к Москве-реке и другим крупным
аренам, являющимися областями разгрузки подземных вод. Раз-
|рузка формируется как восходящее перетекание в аллювиаль-
ные горизонты или непосредственно в реку. Формы такой раз-
грузки разнообразны. Так, вероятно, большая часть разгрузки —
г.убаквальная рассредоточенная, однако часто можно видеть вос-
ходящие родники из карбона в урезе Москвы-реки, в 1—6 м выше
уреза на берегах, подверженных подмыву (боковой эрозии). При
>бследовании дна реки летом можно так же обнаружить восходя-
щие родники по более низкой температуре воды.
Если будет введен в строй действующих новый водозабор ин-
|>ильтрационного типа на левом берегу Москвы-реки для водо-
набжения Звенигорода, Одинцова, Голицына и других городов
(одмосковья, то разовьется обширная воронка депрессии, кото-
>ая и определит направление фильтрации потока в мячковско-
юдольском горизонте. Во время проведения опытных откачек на
фактике напоры понижаются до глубин ниже уреза реки и водо-
юсный горизонт начинает привлекать дополнительное питание
□ нее. Разгрузка формируется как восходящее перетекание в ал-
иовиальные горизонты или непосредственно в реку. Формы та-
:ой разгрузки разнообразны. Так, вероятно, большая часть раз-
рузки — субаквальная рассредоточенная, однако часто можно
идеть восходящие родники из карбона в урезе Москвы-реки, в
-6 м выше уреза на берегах, подверженных подмыву (боковой
49
эрозии). При обследовании дна реки летом можно так же обна-
ружить восходящие родники по более низкой температуре воды.
Химический состав воды и качество ее весьма благоприятны
для организации централизованного водоснабжения. Практичес-
ки все города и поселки Подмосковья снабжаются водой именно
из карбона. Ближайшими водозаборами из подольско-мячковско-
го горизонта являются скважины в близлежащих домах отдыха,
санаториях, пансионатах, оздоровительных лагерях и т.п. Более
крупные водозаборы работают в Звенигороде, Голицыне, Кубин-
ке. Химический тип воды — гидрокарбонатный кальциево-магни-
евый, общая минерализация — от 400 до 500 мг/л, жесткость уме-
ренная, загрязнение не отмечено, хотя по некоторым скважинам
фиксируется тенденция к росту концентраций нитратов.
Таким образом, район практики богат разнообразными под-
земными водами. Для организации крупного централизованного
водоснабжения следует ориентировать разведку на наиболее пер-
спективный для этих целей водоносный комплекс — среднека-
менноугольных карбонатных отложений. Водоснабжение деревень,
фермерских хозяйств, отдельных домов допустимо из водонос-
ных горизонтов аллювиальных отложений. При разведке и эксп-
луатации подземных вод следует иметь в виду подверженность
последних загрязнению со стороны поверхностных источников.
1.4. Современные геологические процессы
В районе практики широко развиты различные современные
геологические экзогенные процессы, оказывающие большое вли-
яние на развитие рельефа территории. Среди них выделяются та-
кие процессы, как оврагообразование, донная и боковая эрозия
реки Москвы и ее притоков, различные склоновые процессы,
заболачивание и эоловые процессы.
Оврагообразование особенно сильно развито по правому бе-
регу р. Москвы, где почти на всем протяжении присутствует силь-
норазвитая овражная сеть, тесно связанная с долиной реки Моск
вы. Несмотря на то что в настоящее время сток воды в реку заре-
гулирован и уровень базиса эрозии в значительной степени
стабилизирован, тем не менее среди развитых в районе оврагог
можно выделить две генерации: древние и молодые овраги.
Древние овраги имеют корытообразную форму, а также по-
логие задернованные и залесенные склоны. Ширина оврагов пс
верху в их устьевой части достигает 100 м, глубина до 10—15 м
Возраст оврагов определяется по соотношению их с подстилаю-
щими отложениями, тем, какие отложения они прорезают и н;
какие открываются. Большинство древних оврагов открываете»
на I или II надпойменные террасы, что позволяет считать и>
50
возраст как современный IV (голоценовый) и позволяет их так-
же разделить на два возрастных типа. Такие овраги встречаются
и районе с. Волкове и на правом берегу р. Москвы ниже по те-
чению от биостанции МГУ.
Молодые овраги имеют V-образную форму и относительно
крутые склоны. Ширина их в устьевой части не превышает 40 м,
1лубина достигает Юм. В наиболее активных оврагах склоны
осыпные. Возраст молодых оврагов — современный IV (голоце-
новый). Растущие овраги встречаются на левом берегу р. Моск-
вы у с. Каринского и на правом берегу на участке от Нижних
цач до с. Луцино.
Донная и боковая эрозия развиты в русле р. Москвы и ее при-
юков.
Наиболее активно они выражены в районе излучин реки, у
цср. Гигирево, выше с. Каринского и у с. Луцино. На этих участ-
ках с внешней стороны излучины активно идут процессы боко-
вой эрозии, что приводит к формированию крутых или даже об-
рывистых б!ерегов, как, например, у дер. Гигирево. Противопо-
чожные (внутренние) берега излучин, наоборот, очень пологие,
вдоль них идет аккумуляция аллювиальных отложений и образо-
нание отмелей. О наличии донной эрозии можно судить косвен-
но по молодым оврагам, развитие которых свидетельствует о воз-
можном постепенном понижении базиса эрозии. В некоторых
местах реки донная эрозия может быть обнаружена с берега. На
таких участках в дне реки прослеживается отсутствие аллювиаль-
ных донных отложений и заметны размываемые отложения кар-
бонового возраста.
В исследуемом районе широко развиты различные склоновые
процессы.
Образование оползней в районе практики обусловлено раз-
ными причинами. Так, например, с развитием боковой эрозии
р. Москвы тесно связаны оползневые явления в районе сел Ги-
тирево и Каринского.
В других местах образование оползней связано с высачивани-
ем подземных вод по имеющимся водоупорам — юрской глине и
моренным суглинкам. На этих участках часто прослеживается и
суффозионный вынос материала, что также способствует ополз-
невым процессам. Большинство встречающихся оползней отно-
сится к оползням-сплывам, их образование связано с перемеще-
нием делювиальных накоплений по увлажненной поверхности
коренных пород. Размеры таких оползней невелики: в ширину
они не превышают 40, а в длину 20 м. Форма оползней циркооб-
разная, в ряде случаев на склонах прослеживаются стенки отры-
ва оползней. Тыловые понижения оползней, как правило, ув-
пажнены и заболочены.
51
По возрасту встречающиеся в районе практики оползни мож
но подразделить на современные (голоценовые) и древние -
(верхнечетвертичные). Первые развиты в основном на левом бе-
регу р. Москвы у с. Каринского, а вторые — на правом берегу,
примерно в 1 км ниже по течению от Верхних дач. О молодом
возрасте оползней в районе с. Каринского свидетельствует их связь
с базисом эрозии и наличие «пьяного леса» на их поверхности.
Древние оползни опираются на поверхность I надпойменной тер-
расы. О стабилизации этих оползней свидетельствует сильная за-
лесенность их поверхностей и отсутствие следов деформаций на
склоне. Интересно, что на участке долины р. Москвы ниже Верх-
них дач древние оползни имеют многоярусное строение, образу-
ющие при этом ряд уступов на склоне.
На водораздельных участках и в тыловых понижениях террас
р. Москвы развиваются процессы заболачивания. По условиям
питания и образования выделяется два типа болот: верховые и
низинные. Первые развиты в понижениях поверхностей водораз-
делов и древних долин стока. Формирование таких болот связано
с наличием локального водоупора и развитием над ним верхо-
водки. Питание верховых болот происходит за счет атмосферных
осадков. Наиболее типичные верховые болота встречаются в юго-
восточной части территории биостанции МГУ.
Низинные болота развиты в тыловых частях I и II надпоймен-
ных террас и пологих днищах древних оврагов. Образование их
связано с выходами грунтовых вод. Подобные болота встречают-
ся в тыловой части I надпойменной террасы вниз по течению от
Верхних дач, в тыловой части II надпойменной террасы по доро-
ге с Верхних на Нижние дачи. Контуры этих болот легко карти-
руются по характерной растительности. Широко развито забола-
чивание на левом берегу у с. Каринского на делювиальном скло-
не, где образование болот связано с пластовым и родниковым
выходом подземных вод.
Эоловые процессы в районе практики носят локальный ха-
рактер. Они развиты незначительно на поверхности II надпой-
менной террасы в районе с. Луцино, где наблюдается перевева-
ние аллювиальных песков с образованием эоловых накоплений
мощностью не более 2 м и с характерной эоловой рябью на по-
верхности.
1.5. Эколого-геологические условия
Эколого-геологические условия представляют собой характе-
ристику состояния геологической среды территории с экологи-
ческой точки зрения. Они включают в себя характеристику ос-
52
пивных видов техногенных воздействий на геологическую среду
и их источников, характеристику важнейших экологических функ-
ций верхних горизонтов литосферы на данном участке: геодина-
мической, геохимической и ресурсной, влияющих на состояние
жосистем. Рассмотрение этих функций дается с точки зрения
жологии, т.е. с учетом их влияния на состояние различных эко-
систем, включая условия существования и жизнедеятельности
человека. Не менее важное значение играет и выяснение различ-
ных взаимосвязей между отдельными компонентами экосистем,
осуществляемых с участием геологической среды.
На большей части территории практики, входящей в состав
природного заказника областного значения, какие-либо источ-
ники техногенных воздействий отсутствуют. Это относится прежде
всего к огромной территории ЗБС, занятой лесом, а также к уча-
сткам вдоль поймы р. Москвы по ее правому берегу.
В то же время на отдельных участках территории практики
распространены различные по своей природе и интенсивности
действия источники техногенного воздействия на геологическую
среду, имеющие определенное экологическое значение.
Механическое воздействие на верхние горизонты литосферы
оказывается различным транспортом вдоль магистралей (шоссей-
ных и грунтовых дорог, железной дороги) за счет динамического
влияния на основание. В основаниях крупных зданий и сооруже-
ний происходит статическое уплотнение грунтов. Интенсивное
механическое нарушение рельефа происходит на всех участках
строительных работ (строительная и дорожная планировка мест-
ности, рытье котлованов, карьеров, выемок, прокладка комму-
никаций и т.п.). При этом во многих местах нарушение рельефа
не сопровождается рекультивацией земель, что осложняет эко-
логическую обстановку территории. Значительное изменение
рельефа происходит за счет распашки поверхностей I и II над-
пойменных террас на правом берегу р. Москвы в районе сел Ани-
ково и Гигирево и на левом берегу реки.
Гидродинамическое воздействие оказывается на водоносные
горизонты в местах водозаборов за счет интенсивных откачек
подземных вод (см. ниже). На территории практики расположено
несколько водозаборов (Верхние дачи, окрестные дома отдыха и
спортивно-оздоровительные лагеря, ближайшие населенные пунк-
ты). С другой стороны, в местах техногенного нарушения дрена-
жа или интенсивной техногенной инфильтрации возможно под-
топление территорий.
Наиболее существенное экологическое значение на исследуе-
мой территории имеет химическое воздействие на геологическую
среду — на почвы, грунты и подземные воды. Оно оказывается
53
различными источниками химических и биохимических загрязне-
ний. Среди них можно указать: внесение удобрений на поля, заня-
тые под выращивание различных сельскохозяйственных культур
(главным образом овощных и зерновых), а также обработка по-
следних пестицидами и гербицидами. Несоблюдение технологичес-
ких и агрономических норм их использования вызывает загрязне-
ние подземных вод и отрицательно сказывается на экосистемах.
Загрязнение геологической среды тяжелыми металлами (в ос-
новном соединениями свинца) происходит вдоль автомобильных
транспортных магистралей вследствие выбросов выхлопных га-
зов автомобилей. Особенно сильно это загрязнение происходит
при использовании в автомобилях этилированного бензина. На
участках, примыкающих к автомагистралям, наблюдается угне-
тение фитоценозов и изменение биотопов за счет выхлопных га-
зов автотранспорта, загрязнения соединениями хлора, кадмия,
углеводородов и др.
На территории практики расположено несколько свалок твер-
дых бытовых отходов (ТБО) различного размера. Большинство
из них имеет стихийное происхождение, они специально не обо-
рудованы и располагаются чаще всего в оврагах и заброшенных
карьерах, как, например, в районе с. Волково. Такие свалки яв-
ляются серьезными источниками химического и биохимическо-
го загрязнения верхних горизонтов геологической среды, в част-
ности подземных вод, используемых для питьевых нужд населе-
нием. Ряд мелких свалок расположен на территории Верхних и
Нижних дач, в районе с. Луцино, на окраине дер. Гигирево и др.
В местах высокой концентрации людей (оздоровительные ла-
геря и дома отдыха, спортивные и учебкые базы, дачные посел-
ки и т.д.) происходит биохимическое (микробиологическое) за-
грязнение геологической среды, особенно там, где нет канали-
зации и соответствующих очистных сооружений для сточных
вод. При этом биохимическое воздействие носит сезонный ха-
рактер, основная нагрузка создается в летний период. Однако и
там, где имеются очистные сооружения (санаторий им. Чкало-
ва, пансионат «Елочка» и др.) экологическая ситуация особо не
улучшается так как большинство очистных сооружений работа-
ют не эффективно. Следует также отметить, что большинство
населенных пунктов, спортивно-оздоровительных лагерей и до-
мов отдыха концентрируется вдоль долины р. Москвы. Вследствие
этого усиливается вынос загрязненных подземных и сточных вод
в р. Москву, что в свою очередь вызывает существенные эколо-
гические изменения ее водного и околоводного биоценозов,
происходит снижение видового разнообразия и количества вод-
ных обитателей.
54
Геодинамические функции верхних горизонтов литосферы зак-
лючаются в проявлении тех или иных природных и антропоген-
ных геологических процессов, влияющих на условия жизни и
развитие экосистем. В районе практики с экологической точки
зрения геодинамические условия можно рассматривать в целом
как благоприятные.
Пожалуй, лишь за исключением боковой эрозии, развитой на
некоторых участках долины р. Москвы, никакие другие природ-
ные геологические процессы не влекут за собой серьезных эко-
логических последствий для человека и биоты в целом. Боковая
эрозия особенно интенсивно развивается в излучине р. Москвы
в районе дер. Гигирево. Здесь наблюдается не уменьшающаяся
год от года эрозия крутого правого берега реки, в результате чего
происходит растущее обрушение берегового уступа в сторону
жилого массива.
Современные оползневые процессы развиты в юго-восточной
части с. Каринское, где они также примыкают к окраине жилого
массива.
Геохимические функции геологической среды заключаются в
ее участии в обеспечении геохимического круговорота различ-
ных компонентов, влияющих на состояние экосистем. В районе
практики эти функции имеют чрезвычайно большое значение с
экологической точки зрения. Геохимическая роль геологичес-
кой среды заключается в возможном формировании естествен-
ных или техногенных геохимических аномалий, загрязняющих
геологическую среду и отрицательно влияющих на человека и
биоту в целом.
В районе практики экологическое значение имеют, прежде
всего, техногенные геохимические аномалии, связанные со свал-
ками ТБО, а также с работой очистных сооружений и местами
сброса сточных вод. Вокруг несанкционированных и неконтро-
лируемых свалок ТБО формируются зоны химического загрязне-
ния грунтов и подземных вод. В ряде мест возможна миграция
загрязнений в водоносные горизонты, используемые местным
населением для питьевого водоснабжения. При этом следует иметь
в виду, что неконтролируемые свалки ТБО устраиваются глав-
ным образом в местах с таким геологическим строением, кото-
рое не обеспечивает достаточной защищенности подземных вод
от загрязнений (как, например, в районе с. Волково и др.).
На исследуемой территории большинство глубоких водозабо-
ров подземных вод эксплуатирует напорные воды известняков
подольско-мячковского горизонта, которые почти на всем изу-
чаемом участке защищены от миграции загрязнений сверху пе-
рекрывающим их юрским водоупором. Однако там, где этот
55
шиит11.ui пласт отсутствует (вдоль русла реки и ее притоков, на
binii.iiiiiiicTiJC участков развития первой надпойменной террасы
р. Москвы), возможна миграция техногенных загрязнений. При
лом особенно опасны те участки, где при отсутствии юрского
водоупора или других пород с «защитными» свойствами проис-
ходит формирование техногенной геохимической аномалии, на-
пример за счет свалки ТБО (как это наблюдается в заброшенном
карьере на левом берегу р. Локатенки недалеко от с. Улитино)
или сброса сточных вод.
В ряде мест на исследуемой территории население использует
для питьевых нужд воду из колодцев. Часть из них эксплуатирует
водоносный горизонт надморенного комплекса четвертичных от-
ложений, представленных хорошо фильтрующими песками и су-
песями. Этот водоносный горизонт оказывается менее всего за-
щищен от возможной миграции сверху различных техногенных
загрязнений.
Таким образом, геохимические защитные функции в данном
районе обусловливаются в основном двумя геологическими комп-
лексами пород: юрскими глинами и плотными суглинками мос-
ковской морены, выполняющих роль защитных экранов (имею-
щих низкие фильтрационные параметры, высокую поглотитель-
ную адсорбционную способность и т.п.).
Ресурсные функции геологической среды заключаются в обес-
печении определенного набора и уровня вещественных и энерге-
тических компонентов, необходимых для жизнедеятельности че-
ловека и других экосистем.
Среди этих компонентов на первом месте стоит вода, необхо-
димая исключительно всем экосистемам. Обеспеченность водой
различных природных экосистем района практики вполне удов-
летворительна вследствие наличия на этой территории р. Моск-
вы с многочисленными притоками, а также прудов и болот. К
тому же в районе Звенигорода относительная влажность воздуха
несколько выше средней по Московской области (80% вместо
74%). А среднегодовое количество осадков несколько меньше
(540 мм вместо 600 мм), тем не менее, этого более чем достаточ-
но для нормальной водной обеспеченности экосистем. Больше
всего осадков выпадает летом (особенно в конце июля — начале
августа), примерно в три раза больше, чем зимой (220 мм), осе-
нью — около 140, весной — 110, а зимой — всего около 70 мм.
Однако в целом в историческом аспекте в районе Звенигоро-
да, начиная с XIV в. наблюдается постепенное обмеление рек и
снижение в связи с этим речных водных ресурсов. Особенно силь-
но этот процесс стал развиваться в XVIII—XIX вв. в связи с вы-
рубкой лесов вдоль р. Москвы. Некоторые до этого полноводные
малые реки сейчас превратились в ручьи.
56
Обеспеченность водой жилых поселков, баз и домов отдыха
также в целом удовлетворительная: для питьевых нужд здесь экс-
плуатируются в основном водоносные горизонты вод карбона, под-
моренных и надморенных водоносных горизонтов четвертичных
отложений. Среди них по запасам водных ресурсов на первом мес-
те стоит водоносный горизонт каменноугольных отложений.
О благоприятной обеспеченности водными ресурсами и дру-
гими минеральными компонентами природных растительных
экосистем на территориях, занятых лесом, свидетельствует тот
факт, что на небольших лесных полянах здесь насчитывается до
40 видов травянистых растений, вместо всего 3—5 видов в других
районах с неблагоприятной ресурсной обеспеченностью. Всего
же в районе Звенигорода насчитывается до 700 видов растений,
тысячи видов насекомых (Insecta), десятки видов рыб (Pisces),
амфибий (Amphibia) и рептилий (Reptilia), более 250 видов птиц
(Aves), десятки видов млекопитающих (Mammalia).
Ресурсная обеспеченность человека прочими полезными ис-
копаемыми в районе практики также весьма высокая. Здесь с
древних времен в карьерах разрабатывались месторождения стро-
ительных известняков. Известно, что А. Рублев, работавший в
Звенигороде в конце XIV — начале XV в., для красок сам искал и
собирал вдоль р. Москвы различные «охры» и «красящие земли»,
используемые им для росписи фресок в Успенском соборе на
Городке (Лазарев, 1966). В настоящее время в районе Звенигоро-
да расположено много песчаных карьеров, а также карьеров глин,
используемых для производства кирпича.
В целом для района Звенигорода, именуемого «Русской Швей-
царией», характерны исключительные природно-климатические
условия, необычайно чистый воздух, множество сохранившихся
лесных массивов. Вследствие этого в районе расположено много
домов и баз отдыха, санаториев и оздоровительных лагерей. Од-
нако необходимо учитывать, что год от года антропогенный пресс
на природные, в том числе и геологические, компоненты терри-
тории постоянно усиливается. С 1981 г. территория вокруг био-
стации МГУ (1200 га) была объявлена заказником областного
значения с режимом, запрещающим все виды вмешательства в
природную среду.
Геоэкология исследует как внутренние связи между абиоти-
ческими компонентами экосистем, так и их отношения с биоти-
ческими компонентами. В число абиотических составляющих вхо-
дят: атмосферный воздух, поверхностные воды, подземные воды,
горные породы и техногенные системы. К биоте относятся мик-
роорганизмы, растительность, животный мир и человек. Особое,
пограничное место отводится почвам как биокосному компоненту.
57
Рассматривая эколого-геологические условия района практики,
важно проследить взаимосвязи подземных вод, как наиболее ди-
намичного компонента геологической среды, с другими компо-
нентами. При этом нельзя забывать о том, что методологической
основой геоэкологии является обоснование соответствующих
моделей, описывающих взаимосвязи и взаимодействия между
компонентами, и то, что эти модели должны быть пригодны для
решения прогнозных задач.
Взаимодействие подземных вод и атмосферы. Выше (см.п. 1.3)
отмечена роль эвапотранспирации в частичной разгрузке грунто-
вых вод. Понятно, что такой механизм поступления влаги в ат-
мосферу не может характеризоваться постоянством во времени и
однородностью в пространстве. На проявление этого процесса
влияют следующие причины: глубина залегания уровня грунто-
вых вод, состав и сложение пород зоны аэрации, климатические
и погодные условия, характер растительности и рельефа и мно-
гое другое. Совместное рассмотрение карты глубин залегания грун-
товых вод с картой растительности позволяет сделать предвари-
тельные выводы о направленности и интенсивности процесса
эвапотранспирации, спланировать размещение наблюдательных
площадок для слежения за этим процессом.
Интенсивность инфильтрационного питания подземных вод
за счет атмосферных осадков определяется таким же широким
набором природных и антропогенных условий.
В очень большой степени на инфильтрацию и эвапотранспи-
рацию влияют процессы промерзания и оттаивания. Годовой ход
температур и влажности приземного слоя воздуха, вид и интен-
сивность выпадения атмосферных осадков, ландшафтные харак-
теристики — эти факторы прежде всего определяют проницае-
мость пород зоны аэрации для влаги.
Взаимодействие подземных и поверхностных вод. По региональ-
ным оценкам, доля подземного питания в общем речном стоке
района может достигать 20—30%. Разгрузка подземных вод, отли-
чающихся по составу от речных, не может не сказываться на
качестве последних, а если учесть, что в низкую межень реки
питаются почти исключительно подземным стоком, то становится
ясным определяющее значение разгрузки не только в формиро-
вании качества воды, но самого поверхностного стока. Исполь-
зуя методы гидрометрии и русловой геофизики в сочетании с
гидрохимическим опробованием, можно установить закономер-
ности пространственной неоднородности и временной изменчи-
вости разгрузки. Для региональной оценки этого процесса мож-
но пользоваться расчетной величиной модуля подземного стока,
относимой к участкам реки с различными условиями дренирова-
ния различных водоносных комплексов.
58
В половодья и при пропусках из водохранилищ создаются на
две-три недели условия подпора тех водоносных комплексов, чьи
напоры обычно ниже половодных уровней реки. Инфильтрация
речных вод в водоносные горизонты проходит интенсивно, ши-
рину области такого питания можно рассчитать, а его послед-
ствия видны в начале—середине мая, когда из-под крышек на
устьях скважин, расположенных на высокой пойме Москвы-реки,
фонтанирует вода из карбона.
На пашнях, занимающих выположенные поверхности первой
террасы, дождевые и снеготалые воды задерживаются, поверх-
ностный сток уменьшается, а подземный может увеличиться.
Взаимодействие подземных вод, почв и растительности. В райо-
не практики достаточно примеров тесной связи между обликом
почв и характеристиками грунтовых вод, между направленнос-
тью почвенных процессов и процессов формирования грунтовых
вод. Это прежде всего заметно на болотных почвах. В районе раз-
виты все три типа болот: верховые, или олиготрофные, переход-
ные, или мезотрофные, и низинные, или евтрофные. Если пер-
вые определения вполне понятны и объясняются относительным
положением болот в рельефе, то вторые необходимо пояснить.
Болота, как, впрочем, и любые другие типы ландшафтов, можно
делить по условиям питания растений (от греч. Tropho — «пища»).
Греческие же корни «олигос» — бедный, малый; «мезо» — «сред-
ний; «ев» — «благо», — определяют условия. Теперь остается на
любом разрезе провести хотя бы одну линию тока для горизонта
грунтовых вод, связанного с болотами, и станет ясно, что поток
грунтовых вод выносит из верховых болот питательные мине-
ральные и органические вещества и приносит их к низинным
болотам, которые поэтому и становятся евтрофными.
При подъеме уровня грунтовых вод, подтоплении древесная
растительность откликается на это явление, как правило, нега-
тивно. Фруктовые деревья не выносят подъема уровня выше 2 м.
Сосновые боры на песчаных почвах могут перенести подъем уров-
ня до глубины 1,5 м, а на суглинистых — до 3 м. Лучше адапти-
руется к подтоплению молодая береза, но при заболачивании
любой лиственный лес изреживается, сомкнутость крон наруша-
ется, деревья начинают болеть различными гнилями, хлорозом
листьев, некрозом и суховершинностью. В районе практики есть
этому хорошие примеры.
Взаимосвязи подземных вод с фауной. Известно, что в почве
обитают микроорганизмы, черви, насекомые, грибы, водорос-
ли, растения, мелкие млекопитающие и еще многие и многие
живые организмы. Как правило, наиболее заметными следами
их жизнедеятельности являются норки, ходы, гнезда и другие
59
пустоты, существенно изменяющие проницаемость почв, пород
зоны аэрации и, следовательно, влияющих на величину и интен-
сивность инфильтрации атмосферных осадков. Ходы землерою-
щих организмов способны увеличить проницаемость пород зоны
аэрации на два-три порядка.
Для всех перечисленных организмов характерны свои опти-
мальные влажностные условия обитания. Одни организмы, как,
например, некоторые виды водорослей, насекомых, грибов пред-
почитают сильно увлажненную среду обитания и погибают из-за
недостатка влаги. Другие гибнут из-за ее избытка и напротив хо-
рошо переносят засушливую среду.
Подземные воды и человек. Воздействие подземных вод на че-
ловека проявляется в увеличении или снижении влажности при-
земного слоя воздуха, что весьма существенно влияет на здоро-
вье, поскольку многие болезни дыхательных путей, кожные,
инфекционные и другие зависят от влажности среды обитания.
Качество воды, используемой для хозяйственно-питьевых целей,
непосредственным образом сказывается на здоровье.
Вместе с тем и техногенное влияние способно коренным об-
разом изменить практически все характеристики потоков под-
земных вод. При усиленной и длительной эксплуатации подзем-
ных вод формируются обширные и глубокие воронки депрессии,
охватывающие территории нескольких водосборов и приводящие
к инверсии стока. Эта инверсия проявляется в замене восходя-
щей разгрузки межпластовых вод на инфильтрацию речных вод в
бывшие артезианские водоносные комплексы. Именно так и слу-
чилось в центре Московского артезианского бассейна, где мно-
жество крупных групповых водозаборов сформировали региональ-
ную депрессию напоров, в результате чего многие месторожде-
ния подземных вод близки к полному истощению.
В населенных пунктах в связи с утечками из подземных водоне-
сущих коммуникаций формируется подтопление территорий, чре-
ватое заболачиванием почв, выпадением деревьев в лесах и пар-
ках, затоплением подвалов и подземных инженерных сооружений,
ухудшением санитарного состояния. Рост напоров грунтовых вод в
сочетании со сработкой напоров в межпластовых горизонтах фор-
мирует предпосылку мощного нисходящего перетекания.
Как отмечено выше, техногенная деятельность вызвала к жиз-
ни множество источников загрязнения подземных вод. Эти ис-
точники условно можно разделить на прямые (непосредствен-
ные) и косвенные. К прямым относятся всевозможные свалки,
терриконы и отвалы, отстойники, поглощающие колодцы и сеп-
тики, заземленные резервуары нефтепродуктов и др. К косвен-
ным можно отнести выбросы из дымовых труб, вентиляционных
выпусков и выхлопных труб транспортных средств, которые
60
загрязняют атмосферу, почвы и через них подземные воды. Зим-
нее засоление дорог способно существенно ухудшить качество
колодезных вод на расстоянии более 300 м от дорог, пагубно вли-
яет на травянистую и древесную растительность, портит структу-
ру почв. Сброс сточных вод в реки приводит к тому, что загряз-
нения при паводках попадают и в подземные воды.
Загрязнение подземных вод представляется гораздо более опас-
ным явлением, чем загрязнение поверхностных вод, поскольку
водоносные горизонты и комплексы, вместе с зоной аэрации
обладают огромной емкостью. Загрязняющие вещества, однажды
попав в подземный поток, практически там и остаются на не-
определенно долгие сроки. Промыть большинство загрязненных
горизонтов не всегда удается. В этом смысле ситуация сходна с
медицинской — профилактика всегда на два порядка дешевле
лечения.
Водные мелиорации сельскохозяйственного назначения —
дренаж и орошение — способны не только коренным образом
изменить качество грунтовых вод, но и придать режиму подзем-
ных вод полностью искусственный характер. Естественная флора
и фауна вблизи мелиоративных систем не может адаптироваться
к таким переменам и реагирует на них чаще всего самым про-
стым образом — гибелью.
Таким образом, анализ эколого-геологических условий на тер-
ритории предполагает выявление источников техногенного воз-
действия на геологическую среду, исследование ее геодинами-
ческой, геохимической и ресурсной функций, влияющих на со-
стояние экосистем, а также изучение взаимосвязей экосистем с
элементами геологической среды.
ГЛАВА 2
Маршрутные исследования
в районе практики
2.1. Общие положения
В ходе учебной практики на Звенигородском полигоне сту-
денты закрепляют и развивают навыки проведения маршрутных
исследований, приобретенные на учебных практиках после вто-
рого и четвертого семестров. Они участвуют в обзорных маршру-
тах с преподавателем и в самостоятельных маршрутах отрядом в
составе учебной бригады или сборной группы.
В задачи маршрутных исследований входит:
1) общее знакомство с районом практики;
61
2) прослеживание на местности геоморфологических границ, их
каргирование, описание типов и форм элементов рельефа;
3) прослеживание на местности и картирование геологичес-
ких границ;
4) описание и опробование обнажений и различных искусст-
венных выработок;
5) картирование и опробование выходов подземных вод и ис-
точников водоснабжения;
6) картирование геоботанических границ и установление свя-
зи различных растительных ассоциаций с составом подсти-
лающих отложений и их обводненностью;
7) изучение геологических процессов, явлений и связанных с
ними образований;
8) изучение на местности опыта строительства, особенностей
развития инженерно-геологических процессов;
9) изучение на местности эколого-геологических особеннос-
тей территории.
Подготовка к маршруту начинается с инструктажа по технике
безопасности и получения каждой бригадой накануне маршрута
соответствующей экипировки и маршрутного оборудования. Эки-
пировка студента включает полевую одежду, которая должна со-
ответствовать погодным и климатическим условиям (удобная ту-
ристическая одежда и обувь, головной убор, средства защиты от
дождя, средства от комаров и т.д.), а также полевой дневник,
карандаш (руцка), ластик. Маршрутное оборудование, получае-
мое на бригаду, включает в себя: топографическую карту мест-
ности; каталог разведочных скважин ЗБС; горный компас; лопа-
ту; рулетку или веревку с нанесенными метровыми метками;
бутылки для отбора проб воды (3—4 шт. на маршрут) на гидрохи-
мический анализ; прибор Ковалева; микропенетрометр; ручной
бур; мешочки для отбора образцов; этикетки для проб; походную
аптечку; рюкзак.
Перед каждым маршрутом необходимый набор полевого обо-
рудования уточняется с преподавателем. Ответственность за со-
хранность маршрутного оборудования несут все члены бригады.
Данные, полученные в процессе маршрутных исследований,
отражаются студентами на топографической карте, выдавае-
мой каждой учебной бригаде, и в личных полевых дневниках,
которые ведутся каждым студентом. Перед началом маршрут-
ных исследований на топографической основе намечаются ли-
нии предполагаемых маршрутов с указанием азимутов движе-
ния, начальных, промежуточных и конечных пунктов и рас-
стояния между ними.
Каждый маршрут начинается с указания в полевом дневнике
его адреса, начального, промежуточных и конечного пункта, а
62
глюке даты маршрута. В начальном пункте карта с помощью ком-
паса ориентируется по странам света, определяется азимут пер-
ного отрезка маршрута и начинается движение до первой точки
наблюдения.
Как правило, точки наблюдений бывают приурочены к харак-
терным элементам рельефа, естественным или искусственным
обнажениям горных пород или к проявлениям подземных вод,
водотокам, разведочным скважинам и т.д. Точки наблюдений на-
носятся на топографическую карту с их порядковыми номерами. В
нолевой книжке указывается номер каждой точки, ее географи-
ческий адрес, привязка к элементам рельефа и относительная от-
метка, далее дается подробное комплексное (геологическое, гео-
морфологическое, гидрогеологическое, геоботаническое, геоэко-
логическое) описание наблюдаемой природной обстановки.
Описание должно охватывать расстояние, пройденное съемщи-
ком от предыдущей до данной точки и площадь вокруг данной точ-
ки, доступную визуальному наблюдению. Каждая точка наблюде-
ний должна сопровождаться зарисовками (на левой странице днев-
ника) схематического профиля, разреза обнажения, места выхода
подземных вод и т.д. с указанием места и номера отбираемых проб.
По ходу маршрута ведется картирование геологических, геомор-
фологических и геоботанических границ, фотографирование основ-
ных типов ландшафта, обнажений, мест выхода источников под-
земных вод, характерных форм рельефа, проявлений геологических
и инженерно-геологических процессов, эколого-геологических осо-
бенностей и т.д. Ниже дается краткое содержание маршрутных на-
блюдений, причем более подробно описаны те виды наблюдений,
в проведении которых студенты не имеют достаточного навыка.
2.2. Геолого-геоморфологические наблюдения
ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ
При всех видах геологических исследований проводится гео-
морфологическое изучение территории. Морфогенетическая,
морфографическая и морфометрическая характеристики явля-
ются обязательными составными частями гидрогеологических,
инженерно-геологических и геокриологических исследований.
Главной целью геоморфологических наблюдений в районе прак-
тики является, с одной стороны, выяснение взаимосвязи рель-
ефа с историей геологического развития, строением верхней
части разреза отложений, распространением, мощностью и стро-
ением основных типов рыхлых отложений и на этой основе со-
ставление карты четвертичных отложений. С другой стороны,
выяснение взаимосвязи рельефа с характером питания, дви-
жения и разгрузки подземных вод, с осэбенностями развития
63
современных геологических процессов,, с характером сезонного
промерзания пород.
При маршрутных исследованиях изучаются, подробно описы-
ваются и картируются формы рельефа ш их отдельные элементы:
происхождение поверхностей (форм); мсорфография положитель-
ных (холмы, гряды и т.д.) и отрицателльных (котловины, лога,
овраги и т.д.) форм рельефа; типы денуудационных или аккуму-
лятивных процессов, приведших к их формированию; их морфо-
метрическая характеристика (абс. отметки, глубина расчленения,
густота расчленения, углы наклонов поверхностей). При этом
устанавливается связь всех этих характеристик с историей геоло-
гического развития, геологическим строением, современными
геологическими процессами.
При обследовании речных долин изучгается их строение в плане
и в поперечном сечении. Необходимо охарактеризовать форму
поперечного профиля долины и сопроводить характеристику за-
рисовкой. Дать описание русла, водотока, пойменных и надпой-
менных террас, эрозионных склонов должны. При описании русла
указывается: ограничено ли оно поймой!, террасой или склоном,
его ширина, ширина водотока, характер эрозионно-аккумулятив-
ных процессов (подмыв террас и склонюв долины, образование
кос, островов и др.).
При описании поймы указывается ее ширина, высота относи-
тельно водотока, чем ограничена пойма! (склонами или надпой-
менной террасой), как изменяется характер поверхности поймы
(микрорельеф, растительность, поверхнсостная обводненность) в
поперечном направлении (в прируслово>й, центральной и тыло-
вой частях), как изменяется состав поймеенных отложений в этом
направлении: отмечается наличие старищ вдоль прирусловых ва-
лов, а в центральной части поймы — заболоченных понижений,
вырабатываемых полыми водами. Особешно внимательно нужно
изучать тыловую часть поймы, которая жередко представляет со-
бой древнее старичное понижение, вьптпнутое вдоль террасы или
коренного склона. К этой части поймы чгасто приурочены выходы
подземных вод и, как следствие, формирювание низинных болот.
При описании террас указывается относительная высота по-
верхности, ее ширина, изменение ширижы вверх и вниз по тече-
нию реки, уклон поверхности, характер ссклона (обрывистый или
сглаженный процессами денудации и аккумуляции), характер со-
членения со склоном долины или более ддеевней террасы, наличие
обводненности или заболоченности в тылсовой части террасы. Осо-
бое внимание уделяется расчисткам и описанию обнажений на
склонах террас, установлению типа терраюы (аккумулятивная, де-
нудационная, цокольная) для восстановления истории развития
долины. Большое значение для инженерню-геологической оценки
64
территории имеет изучение современных экзогенных геологичес-
ких процессов, меняющих первоначальный облик террасы.
При описании междуречных пространств указываются абсо-
лютные и относительные отметки поверхности, общий уклон,
нозможный генезис, морфологический облик, характер перехода
к эрозионным склонам долины и др. Затем дается описание ос-
новных положительных и отрицательных форм рельефа и их от-
дельных элементов. В условиях пересеченного рельефа при нали-
чии котловин, оврагов, ложбин стока и других отрицательных
форм рельефа необходимо обратить внимание на поиски воз-
можных обнажений. На плоских поверхностях водоразделов не-
редко встречаются болота и заболоченные понижения, эти участки
необходимо оконтуривать при картировании.
При описании склонов определяют характер их продольного
профиля (выпуклый, вогнутый, сложный), общую крутизну и кру-
1изну отдельных элементов, характер сочленения с прилегающи-
ми водоразделами и лежащими под склонами формами рельефа.
('ледует обращать внимание на участки перегибов склона, так как
они обычно связаны со сменой литологического состава пород и к
ним может быть приурочена разгрузка грунтовых вод. На участках
подмыва склонов рекой или расчленения другими водно-эрози-
онными формами (ложбины стока, промоины, овраги) делают
расчистки для изучения их геологического строения. Особое вни-
мание обращают на изучение современных геологических процес-
сов на склонах и связанных с ними форм микрорельефа.
При описании водно-эрозионных форм рельефа на склонах до-
пин и террасах необходимо отмечать характер продольного профи-
пи этих форм, поперечный профиль в их верховьях и в приустьевых
частях, наличие обрывов в бортах оврагов!, на конусах выноса, на-
ничие висячих устьев. Следует отмечать характер задернованности
склонов, днищ оврагов и конусов выноса!. По соотношению про-
цессов аккумуляции и эрозии отложений, форме продольного и
поперечного профилей определяют стадию развития формы.
Геоморфологические исследования в до>линах крупных рек явля-
ются основным методом картирования четвертичных отложений.
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ
Геологические наблюдения в маршрутах направлены на изуче-
ние распространения, мощности, состава, фациальной изменчиво-
। ги, трещиноватости, закарстованности различных генетических и
। гратиграфических толщ горных пород. В случае отсутствия обнаже-
ний на большом участке маршрута, охватывающем ту или иную
н нетическую форму рельефа, необходимо произвести проходку
in копуше к, шурфов, канав. При наличие обнажений в обрывах
6S
эрозионных форм рельефа и стенках заброшенных котлованов про-
изводится их расчистка с учетом того, что выветрелая зона может
достигать 0,5—1,5 м в глинистых и 1,5—2 м в песчаных породах.
Производят расчистку сверху вниз ступенями. Высота ступе-
ней не должна превышать 0,3—0,5 м. Завершив расчистку обна-
жения, приступают к его описанию. Описание ведется сверху вниз
с выделением слоев, прослоев, линз, включений. Рекомендуется
следующий порядок описания пород: название (по литологии или
дисперсности); цвет; минеральный состав; слоистость (чем обус-
ловлена); включения (минеральные и органические), их размер,
форма, ориентировка, процентное содержание в слое; плотность;
консистенция; мощность (полная или вскрытая); тип контакта с
подстилающей толщей.
Описание обнажений сопровождается их зарисовкой и фото-
графированием, а если это входит в задание, то и отбором образ-
цов для изучения состава и свойств пород в полевых и стацио-
нарных лабораториях. Особой разновидностью геологических на-
блюдений является изучение и описание кернов картировочных
и разведочных скважин, пройденных на исследуемой террито-
рии. Послойное описание керна выполняется по рекомендован-
ному выше порядку. Кроме того, для скальных пород указывает-
ся характер трещиноватости (густота, раскрытость трещин, ха-
рактер заполнителя и др.); наличие каверн и пустот, их размеры
и форма; процент выхода керна.
2.3. Гидрогеологические наблюдения
Целью гидрогеологических наблюдений является изучение за-
кономерностей пространственного распределения водоносных и
разделяющих толщ, глубины залегания подземных вод, условий
их питания, движения и разгрузки, химического состава и физи-
ческих свойств. Состав маршрутных исследований должен обес-
печить получение как можно более полной информации для
решения поставленных вопросов. В связи с этим возникает необ-
ходимость проведения как собственно гидрогеологических наблю-
дений, так и наблюдений за компонентами природной среды, с
которыми подземные воды имеют тесную взаимосвязь (гидроло-
гические объекты, растительный покров, почвы, характер рель-
ефа). Основой гидрогеологических наблюдений является изуче-
ние водопунктов — объектов, несущих информацию о подзем-
ных водах. В качестве водопунктов могут рассматриваться
естественные водопроявления (родники и мочажины), искусст-
венные вскрытия подземных вод (колодцы и скважины), а также
гидрологические объекты (поверхностные водотоки и водоемы).
Задачами собственно гидрогеологических наблюдений в ходе мар-
шрутных исследований в районе практики является съемка, про-
бе
стейшее опробование и описание родников и мочажин, а также
доступных для обследования колодцев и скважин. Изучение под-
земных вод с помощью последних ввиду невысокой степени от-
крытости геолого-гидрогеологического разреза в районе практи-
ки приобретает большое значение.
Учитывая, что учебная практика проводится в период летней
межени, когда поверхностный сток формируется в основном за
счет разгрузки подземных вод, в состав маршрутных исследова-
ний включаются гидрологические наблюдения, задачами которых
являются картирование, опробование и описание рек, ручьев,
болот и прудов.
Описание каждой точки наблюдения должно быть проведено
в определенном порядке, обеспечивающим, во-первых, полноту
собираемого фактического материала и, во-вторых, максималь-
ное удобство для его дальнейшего представления (например, при
формировании гидрогеологической базы данных района иссле-
дований). Ниже приведен порядок описания точек наблюдения,
принятый в гидрогеологической практике.
Собственно гидрогеологические наблюдения. Каждый изучаемый
водопункт наносится на полевую карту фактического материала
условным знаком и документируется в следующем порядке:
Родники: 1) номер родника (в соответствии с номером съемоч-
ной точки), дата; 2) адрес: название реки, берег, привязка к по-
стоянным ориентирам; 3) геоморфологическая характеристика
места выхода; 4) высота над уровнем моря или условным нулем,
над урезом ближайшего водотока или дном оврага; 5) характерис-
тика водовмещающих пород (в соответствии с разделом 2.2.); 6) ха-
рактер выхода подземных вод (нисходящий, восходящий, сосре-
доточенный, рассредоточенный, линейный), тип родника (эрози-
онный, контактный, переливающийся, субаквальный и т.д.);
7) дебит в момент обследования с указанием способа определения
(мерный сосуд, лоток, поплавок, водослив); 8) режим действия
родника по сезонам года (по опросным сведениям); 9) температу-
ра воды и воздуха; 10) физические свойства воды: цвет, прозрач-
ность, вкус, запах; 11) минеральные отложения у родника; 12) кон-
струкция и характер каптажа; 13) использование воды (по опрос-
ным сведениям); 14) санитарное состояние родника.
Измерение дебита родников можно производить как с помо-
щью специальных измерительных устройств (лоток, водослив),
гак и используя подручные средства. Дебит каптированных род-
ников, как правило, можно измерить объемным способом, при-
меняя для этого мерный сосуд и часы с секундной стрелкой. В
качестве мерного сосуда может быть использована любая емкость,
имеющая известный объем. Для измерения дебита некаптиро-
ванных родников необходимо собрать весь их сток в одном рус-
ле и произвести измерения объемным способом или используя
67
метод «площадь—скорость», подробное описание которого при-
водится в задаче № 8.
Колодцы: 1) номер колодца и дата обследования; 2) адрес точ-
ки (привязка к постоянным ориентирам); 3) геоморфологическая
характеристика местоположения колодца; 4) высота над уровнем
моря или условным нулем; 5) характеристика водовмещающих
пород (по ближайшим обнажениям или опросным данным); 6) глу-
бина до уровня воды, глубина до дна, высота столба воды (замеры
производятся от поверхности земли); 7) характер каптажа, его раз-
меры и состояние, водоподъемное устройство; 8) сведения о ре-
жиме подземных вод (по опросным данным); 9) температура воды
и воздуха; 10) физические свойства воды (как для родников).
Измерения глубины до уровня воды и до дна колодца прово-
дятся с помощью хлопушки. В связи с тем что колодцы имеют
хозяйственно-питьевое назначение, используемые для измере-
ний хлопушки должны быть абсолютно чистыми. При отсутствии
таковых необходимые измерения можно провести используя во-
доподъемное устройство самого колодца. В этом случае определя-
ется длина цепи с подвешенным на ней ведром при достижении
последним уровня воды. Глубина колодца может быть ориенти-
ровочно определена по общей длине цепи на его вороте.
Сведения по действующим водозаборным скважинам собира-
ются в местных водохозяйственных или гидрорежимных органи-
зациях. Кроме географической и геоморфологической привязки
скважины должны быть установлены: ее общая глубина; глубина
появления'воды при проходке, установившийся уровень воды;
литологический состав и возраст водовмещающих, подстилаю-
щих и перекрывающих пород; средняя и максимальная произво-
дительность, понижение уровня при работе скважины; его изме-
нения по сезонам года; химический состав, минерализация и
физические свойства воды и их изменения по сезонам года; кон-
струкция и состояние скважины и водоподъемного оборудова-
ния на момент обследования.
Гидрологические наблюдения. Для поверхностных во-
дотоков и водоемов указывается их размеры и глубина,
скорость течения водотока, высота подъема уровня при полово-
дьях и паводках (по опросным данным и следам на береговых
уступах и прибрежной растительности), отложения, слагающие
дно и берега, наличие подмываемых и обрушающихся участков
берега водотока. Для оценки условий взаимосвязи поверхност-
ных и подземных вод особое внимание должно уделяться поис-
кам мест разгрузки подземных вод, которые могут фиксировать-
ся в дне водотоков и водоемов визуально (в форме субаквальных
выходов, грифонов, «вскипания» песчаных донных отложений)
или по наличию полыней и наледей в зимнее время (по опрос-
ным сведениям).
68
Для болот указывается их размер, дается геоморфологи-
ческая привязка, описываются геологическое строение берегов и
характер растительности, определяется качество воды. Помимо
этого, определяются условия питания болота и устанавливается
его тип, имея в виду, что верховые болота расположены в обла-
стях питания подземных вод, переходные — в областях транзи-
та, а низинные — в областях разгрузки подземных вод.
Опробование подземных и поверхностных вод производится в
ходе маршрутов для характеристики химического состава и об-
щей минерализации, оценки пригодности для использования
(см. задачу № 10). Отбор проб производится на естественных про-
явлениях и искусственных водопунктах. Каждая проба снабжает-
ся этикетками в двух экземплярах и фиксируется в полевом днев-
нике. Одна этикетка приклеивается на бутылку, вторая привязы-
вается к горлышку бутылки. Надпись на этикетке должна быть
следующего образца: 1) номер пробы; 2) название водопункта
(скважина, родник, колодец и т.д.); 3) адрес водопункта; 4) глу-
бина взятия пробы (м); 5) краткая характеристика водовмещаю-
щих пород; 6) условия отбора пробы; 7) температура воды (°C);
8) дата отбора пробы; 9) фамилия отобравшего пробу.
Для лабораторного определения отбираются пробы на сокра-
щенный анализ объемом 0,5 л и для полевого определения кис-
лорода объемом 20—30 мл (см. задачу № 10). Отбор проб на со-
кращенный анализ производят в специально приготовленную
чистую бутылку, которую закрывают пробкой или соской. Бу-
тылки перед заполнением и пробирки перед закупоркой ополас-
кивают отбираемой водой не менее трех раз.
Проба для полевого определения кислорода отбирается через
сифон в склянку с притертой пробкой, в которую затем добавляют
последовательно по полной стеклянной лопаточке щелочную смесь,
йодистый калий и сернокислый марганец. Склянку закрывают проб-
кой так, чтобы в ней не осталось пузырьков воздуха. Содержимое
перемешивают и в таком виде доставляют в лабораторию.
Сокращенный анализ (на полевой лаборатории Резникова)
должен быть выполнен как можно скорее, так как даже в герме-
тически закрытом сосуде со временем происходит изменение
солевого и газового состава. При длительном хранении из стекла
выщелачиваются заметные количества кремнекислоты и некото-
рых микрокомпонентов, окисляется закисное железо, а окисное
железо выпадает в виде гидроокиси в осадок.
При сокращенном анализе определение физических свойств,
pH, СО2(или СОз“), Fe2+, Fe3+, NO£, NH4 следует выполнять в
перечисленной последовательности и обязательно в день вскры-
тия пробы. В этот же день необходимо произвести определение
гидрокарбонат-иона; остальные компоненты (Са2+, Mg2+, SO4-,
СГ) можно определять позднее (см. задачу № 10).
69
2.4. Инженерно-геологические наблюдения
Инженерно-геологические наблюдения в маршрутах произво-
дятся с целью описания инженерно-геологических условий изу-
чаемой территории и включают геоморфологические, геологи-
ческие, гидрогеологические и другие наблюдения, характерис-
тику геологических и инженерно-геологических процессов и
явлений, описание горных выработок (закопушек, расчисток,
шурфов, скважин и т.п.), опробование горных пород и обследо-
вание существующих инженерных сооружений. Описание геомор-
фологических, геологических, гидрогеологических наблюдений
приводится в соответствующих разделах настоящей главы.
Большое внимание при инженерно-геологических исследова-
ниях уделяется описанию современных геологических и инже-
нерно-геологических процессов и явлений с целью выявления
причин их образования, истории развития, механизма и интен-
сивности проявления. На территории практики встречаются сле-
дующие геологические процессы и явления: эрозия, аккумуля-
ция, оврагообразование, оползни, карст, выветривание, забола-
чивание, эоловые процессы.
В долине Москвы развиты боковая эрозия и аккумуляция. Эро-
зия в наибольшей степени проявляется на участках долины реки,
где ее русло подмывает крутой берег, сложенный дочетвертич-
ными породами или отложениями древних террас. На этих учас-
тках необходимо обратить внимание на его протяженность вдоль
реки, высоту и крутизну склона или уступа, его геологическое
строение, интенсивность проявления процесса, в какой стадии:
затухания или обновления он находится и т.п. Аккумуляция име-
ет место в русле реки Москвы и проявляется в образовании от-
мелей. При описании необходимо указать их протяженность,
ширину, высоту над урезом воды на время проведения наблюде-
ний, чем сложены и характер поверхности.
Оврагами, как правило, расчленены крутые высокие склоны
долины реки Москвы. При их описании следует указать форму
поперечного и продольного профилей, базис эрозии (на уровне
уреза реки или надпойменной террасы), протяженность, глубину,
крутизну склонов, характер развитых на них процессов, отсут-
ствие или наличие овражного аллювия и постоянного водотока.
Большой интерес представляют оползневые процессы, раз-
витые на крутых подмываемых рекой участках склона долины
Москвы. При описании оползней необходимо определить про-
тяженность оползневого участка, высоту и общую крутизну скло-
на, характер микрорельефа — бугристость, террасированность,
наличие уступов, бровок и стенок отрыва, обратные уклоны и
оползневые западины и т.п., установить геологическое строе-
ние, обратив внимание на наличие в основании склона глини-
70
< гых пород, охарактеризовать водопроявления (источники, вы-
синивание подземных вод, мочажины и т.п.) и водовмещающие
породы, установить (предположительно) базис оползания, от-
метить роль эрозии в формировании склона и оползневых про-
цессов на нем, обратить внимание на косвенные признаки, та-
кие, как «пьяный» лес и др.
Карст связан с растворением карбонатных пород каменно-
угольного возраста. При их описании следует обращать внимание
на присутствующие в известняках карстовые формы: пустоты,
каверны, каналы и т.п. При описании карстовых форм необходи-
мо указывать их форму, размер, частоту, характер распределения
и взаимоотношение с трещинами и глинистыми прослоями.
Результаты процесса выветривания, происходившего в доюр-
скую эпоху на обнаженной поверхности известняков, можно на-
блюдать в карьерах и котлованах, вскрывающих каменноуголь-
ные отложения. Это древняя погребенная кора выветривания.
Необходимо установить мощность зоны выветрелых пород, сте-
пень их изменения по цвету, раздробленности, прочности, на-
правление и интенсивность их трещиноватости и т.п.
Процессы заболачивания встречаются на плоских поверхнос-
тях террас и водоразделов. При их описании необходимо устано-
вить тип болот по способу питания (низинные или верховые),
характер растительности, состав торфяных отложений и изме-
рить их мощность.
Эоловые процессы имеют место на хорошо дренированных
поверхностях водоразделов и террас, сложенных песками и ли-
шенных растительности. В этом случае незакрепленные пески
образуют миниатюрные эоловые формы. Необходимо зарисовать
и описать эоловые проявления, указав их характерные размеры,
форму в плане, частоту и т.п.
Основным объектом инженерно-геологических исследований
являются естественные и искусственные обнажения горных пород.
Порядок их описания приводится в разделе «геологические наблю-
дения». Инженерно-геологическое изучение разрезов обязательно
включает опробование пород (отбор проб для последующего ана-
лиза) с целью определения их физических и механических свойств.
Положение точек опробования выбирается исходя из сложности
геологического строения и нормативных рекомендаций для различ-
ных видов строительства. Интервал опробования — расстояние меж-
ду точками опробования по вертикали — назначается таким обра-
зом, чтобы были опробованы все литологические разности, в том
числе и маломощные прослои, а если мощность отдельных слоев
значительна, то он обычно составляет 0,5—1 м. Шаг опробования —
расстояние между точками опробования по простиранию — вы-
бирается в зависимости от фациальной изменчивости горных по-
род и может изменяться от первых до десятков и даже сотен метров.
71
Инженерно-геологические показатели могут определяться либо
непосредственно в поле, либо производится отбор проб для их
дальнейшего изучения в лаборатории. С целью отбора проб из
неизмененных выветриванием или несмещенных пород необхо-
димо производить расчистку обнажения или использовать шур-
фы, канавы, закопушки и т.п.
При полевом опробовании определяются простейшие показа-
тели: влажность пород, их плотность, коэффициент фильтрации
(параллельно и перпендикулярно слоистости) и др. Определение
этих показателей в маршруте производят с помощью полевых
приборов: плотномера-влагомера системы Ковалева, фильтра-
циометра, ручных пенетрометров. Описание методики определе-
ния показателей приводится в задаче 11.
Для изучения показателей физических и механических свойств
горных пород (водно-физических, компрессионных, сдвиговых
и др.) в точках опробования отбирают образцы по возможности
с ненарушенной структурой с помощью режущих колец или в
виде монолитов, которые с целью сохранения естественной влаж-
ности парафинируют (см. задачу 11). При невозможности отбора
образцов с ненарушенной структурой берут «мешочные» пробы.
Результаты полевых и лабораторных исследований свойств грун-
тов являются основанием для выделения инженерно-геологиче-
ских элементов, под которыми понимают однородные по лито-
логии и физико-механическим свойствам геологические тела.
Желательно, чтобы для каждого инженерно-геологического эле-
мента было определено несколько частных значений показате-
лей свойств пород, по которым находят обобщенные, а затем и
расчетные показатели.
Инженерно-геологические наблюдения включают обследова-
ние существующих инженерных сооружений, к которым отно-
сятся кирпичные и бетонные здания домов отдыха, очистные
сооружения, автомобильные дороги и др. Необходимо обращать
внимание на возможность появления трещин в стенах зданий и
сооружений, что может свидетельствовать о неравномерности
осадки, которая обусловлена неоднородностью основания, на
повреждения дорожного полотна на участках, где дорога пересе-
кает заболоченные участки или проходит вдоль склона, на кото-
ром могут проявиться оползневые процессы и т.п.
На каждой точке наблюдения необходимо зарисовать формы
проявления геологических процессов, обнажение горных пород
с указанием деталей геологического строения и точек проведе-
ния полевых экспериментов или отбора проб и монолитов, ха-
рактер деформаций инженерного сооружения и построить разре-
зы обнажений и участков развития геологических процессов,
подчеркнув основные условия образования последних.
72
2.5. Ландшафтное районирование и геоботанические наблюдения
ЛАНДШАФТНОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ
Сложность изучения геокриологической обстановки, производ-
ство геокриологической съемки определяется многофакторностью
процесса теплообмена на поверхности почвы и теплопередачи в
толще грунта, пространственной изменчивостью природных фак-
торов и условий, формирующих теплообмен. В каких точках полу-
чать геокриологические характеристики, как распространять их на
всю территорию, где проводить границы характеристик — эти
вопросы возможно решать на основе специального геолого-гео-
графического районирования. Районирование по условиям и фак-
торам, определяющим формирование температурного режима по-
род в слое годовых колебаний температур и сезонное промерзание
(оттаивание) пород, принято называть ландшафтным.
Ландшафтное районирование — выделение таких территори-
альных единиц (ландшафтов), которые в масштабе съемки харак-
теризуются относительной однородностью геолого-географичес-
ких условий. Оно является типологическим и лежит в основе гео-
криологической съемки, так как позволяет изучать сравнительно
небольшое количество типов участков вместо бесконечного мно-
жества индивидуальных объектов (сочетаний природных факто-
ров и условий). Ландшафтное районирование может использоваться
и для целей эколого-геологических исследований, поскольку со-
стояние ландшафта часто отражает и состояние экосистем.
Ландшафтное районирование — последовательное иерархичес-
кое подразделение территории на участки — от более крупных,
внутренне однородных по главному признаку, к более мелким,
однородным по другим признакам — второго, третьего и т.д. по-
рядка. В пределах одной ступени подразделения используется толь-
ко один признак, он должен быть указан и обоснован. Признак
подразделения на следующей его ступени может быть один для
всех уже выделенных более крупных районов, а может быть для
каждого района свой, отражающий его специфику и играющий
существенную роль в формировании теплообмена.
Важнейшими природными условиями и факторами, по кото-
рым производится районирование территории, являются:
1) геоморфологическое строение — морфография, морфометрия,
генезис и возраст рельефа; 2) генезис, состав и свойства пород верх-
ней части разреза отложений; 3) глубина залегания верховодки и
грунтовых вод; 4) дренированность и обводненность (заболоченность)
поверхности; 5) характер растительных ассоциаций и др.
Ландшафтное районирование проводится в процессе маршрут-
ных исследований на основе карты четвертичных отложений. На
73
карту должны быть нанесены границы распространения различ-
ных геоморфологических типов, форм и элементов рельефа. В их
пределах с особым вниманием изучается изменчивость состава
пород по площади до максимально возможной в данном районе
глубины промерзания (1—1,5 м). На карте должна быть отражена
фациальная изменчивость, определяющая существенные разли-
чия водно-физических и теплофизических свойств пород. Изуча-
ется влажность пород и в случае ее большой пространственной
изменчивости следует выделять участки с различной влажностью.
Кроме того, при ландшафтном районировании должны быть
показаны границы участков с неглубоким залеганием уровня грун-
товых вод, где возможна миграция влаги при формировании слоя
сезонного промерзания. Должны быть также показаны границы
заболоченных участков, где породы этого слоя находятся в со-
стоянии полного влагонасыщения.
Теплообмен на поверхности определяется не только климати-
ческими условиями (изучение их ведется на метеостанциях и
опытных микроклиматических площадках), но и характером на-
почвенных покровов. Поэтому при маршрутных наблюдениях
должны быть показаны границы распространения различных ра-
стительных ассоциаций. Эти границы позволяют определять из-
менчивость температурного режима пород под влиянием расти-
тельности. Данные о характере распределения и свойствах снеж-
ного покрова (мощность и плотность снега) получают в процессе
зимней снегомерной съемки. При этом должны быть получены
закономерности изменения мощности и плотности снежного
покрова от характера рельефа, микрорельефа и растительности.
Ландшафтное районирование служит основой для изучения и
картирования типов сезонного промерзания пород, а также при-
меняется для эколого-геологических исследований.
ГЕОБОТАНИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ
Растительный покров очень чутко реагирует на состав, влаж-
ность, температурный режим пород, а также различные техно-
генные воздействия. Значение геоботанических наблюдений при
гидрогеологической, инженерно-геологической и геокриологи-
ческой съемке, а также эколого-геологических исследованиях
определяется индикационной ролью растительности.
Наиболее надежными индикаторами являются растительные
сообщества, индикационная роль отдельных растений имеет под-
чиненное значение. Необходимо помнить, что индикационные
возможности растительности могут быть использованы лишь для
того района, в пределах которого изучена связь между раститель-
ными сообществами и геологическими, гидрогеологическими и
геокриологическими условиями их произрастания. Некоторые рас-
74
растения (например, лишайники, травянистые растения), для
которых изучена взаимосвязь с определенными техногенными
(и, прежде всего, химическими) воздействиями, могут исполь-
зоваться в качестве биоиндикаторов (биотестов) для эколого-гео-
логических исследований.
Находясь в маршруте, следует картировать и описывать в по-
левом дневнике резкие и наиболее бросающиеся в глаза границы
растительных сообществ (рис. 2.1). В пределах сообществ необхо-
димо отмечать виды древесных пород (высоту деревьев, толщину
стволов, сомкнутость крон (СК), наличие наклоненных и угне-
тенных деревьев), кустарника (видовой состав, высоту, равно-
мерность распределения по площади и др.), характер напочвен-
ного покрова (видовой состав, степень проективного покрытия
(СПП), мощность и др.). Следует также картировать и характери-
зовать участки с измененным, нарушенным и уничтоженным
растительным покровом.
При геоботанических исследованиях необходимо помнить, что
смена растительных ассоциаций может быть связана со сменой
состава рыхлых и скальных пород, изменением условий дрени-
рования поверхности, глубины залегания уровня грунтовых вод,
температурного режима пород, глубины сезонного промерзания
(оттаивания) пород. Резкая смена видового состава растительно-
сти часто связана с разгрузкой подземных вод.
Геоботанические наблюдения на заболоченных участках позво-
ляют определить условия питания болот. Так, преобладание на
Рис. 2.1. Растительные сообщества в пойме р. Москвы
75
болоте осок, ивы, ольхи и различных болотных трав указывает на
их питание за счет подземных вод. Развитие на болотах сфагновых
мхов (особенно тех видов, которые имеют буроватую или розова-
тую окраску) указывает на то, что питание их осуществляется за
счет атмосферных осадков. Смена одних типов болотных сообществ
другими свидетельствует и о смене их питания.
При инженерно-геологических исследованиях растительность
нередко позволяет судить об активизации или затухании экзо-
генных геологических и инженерно-геологических процессов.
Ориентировочно по форме, возрасту, состоянию, наклону дере-
вьев можно говорить о возрасте специфических форм рельефа
(оползней, оврагов, конусов выноса и др.). Отсутствие древесной
и кустарниковой растительности на конусах выноса, например,
свидетельствует о продолжающейся аккумуляции пролювиальных
отложений. Нарушение растительности вдоль бровок террас и
крутых склонов водоразделов может служить признаком отседа-
ния блоков пород. Крутые незадернованные склоны оврагов сви-
детельствуют о продолжающемся его углублении или активной
боковой эрозии. И наоборот, пологие заросшие растительностью
склоны говорят, что овраг находится в затухающей стадии, когда
аккумуляционные процессы превалируют над денудационными.
При геокриологической съемке изучению типов растительных
ассоциаций уделяется большое внимание еще и потому, что они
помогают картировать участки с различным теплообменом и, следо-
вательно, с различными условиями сезонного промерзания пород.
2.6. Эколого-геологические наблюдения
Главной целью эколого-геологических маршрутных наблюде-
ний является выяснение в полевых условиях экологических осо-
бенностей верхних горизонтов литосферы на изучаемой террито-
рии, сбор информации о взаимосвязи различных элементов гео-
логической среды и экосистем.
При этом следует иметь в виду, что территория Звенигород-
ского полигона частично располагается в пределах заказника об-
ластного значения с уникальными природными особенностями
(рис. 2.2). Режим заказника запрещает на его территории все виды
вмешательства в природную среду за исключением учебной ра-
боты студентов биологического и геологического факультетов
МГУ. На территории биостанции в период практики ежедневно
назначается учебная группа биологов, в обязанности которой
входит дежурство по охране природы. Эта группа совершает регу-
лярные обходы заказника, следя за тем, чтобы никто не нарушал
режима заказника, чтобы на его территории не было туристичес-
ких стоянок и костров. В результате этой работы, ведущейся в
течение последних лет, стала постепенно восстанавливаться ес-
76
Рис. 2.2. На территории Нижних дач биостанции МГУ
тественная растительность на многих ранее нарушенных участ-
ках, прилегающих к Москве-реке (рис. 2.3 и 2.4).
Эколого-геологические маршрутные наблюдения включают в
себя палевое изучение и оценку на местности хозяйственной ос-
военности территории, изучение техногенной измененности гео-
логической среды, а также полевое исследование основных эко-
логических функций верхних горизонтов литосферы: геодинами-
ческой, геохимической и ресурсной. Большое значение в ходе
этих исследований имеют изучение ландшафтов и геоботаничес-
кие наблюдения (см. гл. 2.5).
При изучении хозяйственной освоенности территории в ходе мар-
шрутных наблюдений собирается вся доступная информация о
различных типах природно-технических систем (ПТС). Во время
маршрутов по функциональному назначению ПТС выделяются:
1) незастроенные и слабозастроенные территории (леса, луга,
болота, лесопарки, скверы, пустыри, кладбища, свалки,
поля орошения и др.);
2) сельскохозяйственные угодья и объекты (поля поливные,
поля не поливные, огороды, сады, объекты животновод-
ства, объекты птицеводства, и др.);
3) селитебные территории (отмечается деревянная индивиду-
альная застройка или кирпичная застройка до 60-х гг., кир-
пичная застройка 60—90-х годов, застройка железобетон-
ными зданиями с учетом этажности и др.), жилые зоны
домов отдыха и санаториев и т.п.;
77
Рис.2.3. Пойма р. Москвы в районе Нижних дач
Рис. 2.4. Первая терраса р. Москвы в районе Нижних дач
4) научно-исследовательские и учебные территории (инсти-
туты, обсерватории, школы, учебные базы и т.п.);
5) промышленные зоны (машиностроение, металлообработка,
химическое производство, нефтепереработка, полиграфичес-
кая, резиновая, пищевая, мясомолочная, легкая, горнодо-
бывающая, горноперерабатывающая, местная и т.п.);
6) транспортные и линейные сооружения (асфальтовые, гра-
вийные шоссе, грунтовые дороги, электрофицированная же-
лезная дорога, и неэлектрофицированная железные доро-
ги, ЛЭП, газопроводы, нефтепроводы, водопроводы, ка-
нализационные коллекторы, теплотрассы и т.п.);
7) энергетические и гидротехнические сооружения (ТЭЦ, бой-
лерные, ГЭС, насосные станции, каналы, водохранили-
ща, дамбы, плотины, водозаборы, дренажи грунтовых вод,
очистные сооружения, пруды и т.п.).
Эти объекты отмечаются на карте, а в дневнике приводится
характеристика того или иного объекта, собранная на месте.
При изучении техногенной измененности геологической среды
в ходе маршрутов отмечаются визуальные изменения ее основ-
ных компонентов: горных пород, подземных вод, рельефа, гео-
логических и инженерно-геологических процессов. По ходу мар-
шрута отмечаются всевозможные техногенные нарушения состо-
яния и свойств грунтов и подземных вод, имеющие экологическое
значение (образование искусственных грунтов, загрязнение грун-
тов и подземных вод, повышение температуры грунтов и под-
земных вод над фоном и т.п.); отмечаются различные случаи из-
менения геодинамической обстановки территории и проявления
инженерно-геологических процессов (искусственное заболачива-
ние, подтопление, оседание поверхности, образование мелких
оплывин, оползней при заводнении склонов и т.п.); отмечаются
различные возможные случаи техногенной интенсификации фи-
зико-геологических процессов (карстообразования, суффозии,
подработки берегов, оврагообразования, площадной эрозии, осы-
пей, оползней и т.п.).
При изучении с экологических позиций геодинамической функ-
ции литосферы в маршруте собирается информация о проявле-
нии различных геологических и инженерно-геологических про-
цессов, имеющих экологическое значение, так или иначе влия-
ющих на различные экосистемы, в том числе и на человека.
Среди них выявляются благоприятные и неблагоприятные
процессы, выясняются их причины, возраст, масштабы и интен-
сивность проявления, приуроченность к тем или иным типам
пород, элементам рельефа и гидрогеологическим условиям, вы-
являются возможные техногенные причины активизации того или
79
иного процесса. В последнем случае исследуются техногенные
источники тех или иных инженерно-геологических процессов,
имеющих экологическое значение. К ним относятся перечислен
ные выше различные объекты сельского, гражданского и про
мышленного строительства, действующие и заброшенные карьс
ры, котлованы, объекты мелиорации, водозаборы, транспор!
ные магистрали и т.п. Характеристика современных процессов и
явлений ведется с учетом особенностей дологических и инже-
нерно-геологических наблюдений (см. гл. 2.2 и 2.4).
При этом во время маршрутов обращается внимание на со-
стояние различных инженерных сооружений. Для различных ти-
пов зданий отмечается наличие осадочных трещин в стенах, про-
явление коррозии бетона, подтопления подвалов, прорывы раз-
личных трубопроводов и коллекторов, деформации отмосткон
зданий и дорожного полотна, отклонения столбов от вертикали,
деформации железнодорожных насыпей, дамб, плотин, электро-
коррозия подземных'коммуникаций, затопление подземных ком-
муникаций и т.п.
Во время- маршрутов оцениваются всевозможные техногенные
формы рельефа на исследуемой территории: участки строитель-
ной или дорожной планировки местности, искусственные выем-
ки, канавы, котлованы, карьеры, засыпанные овраги, водотоки,
болота, карьеры, террасированные склоны, территории с намы-
тыми грунтами, отвалы породы, объекты рекультивации, распа-
хиваемые территории и т.п. Эти наблюдения ведутся по схеме
геоморфологических наблюдений (см. гл. 2.2). Последующая об-
работка этого материала позволяет составить карту пораженнос-
ти рельефа исследуемой территории техногенными процессами.
При изучении геохимической функции литосферы в маршрутах
собирается информация о геохимической миграции различных
компонентов в массивах горных пород, имеющей экологическое
значение, оказывающей негативное или положительное влияние
на состояние различных экосистем, включая человека. При этом
прежде всего выявляются на местности и отмечаются на карте
различные действующие или потенциальные источники техно-
генных загрязнений массивов горных пород и подземных вод,
влияющие на экосистемы, выясняется тип загрязнений (хими-
ческое, биохимическое и т.д.), по возможности оцениваются на
местности предполагаемые пути миграции различных загрязне-
ний, степень защищенности от них подземных вод и т.д.
Для выявления источников загрязнений на местности ведутся
наблюдения за развитием на изучаемой территории тех или иных
видов хозяйственной деятельности и различных природно-тех-
нических систем, которые могут обусловливать и вносить вклад в
техногенную миграцию различных компонентов и влиять на эко-
80
н гемы. К ним относятся: сельскохозяйственная деятельность
«несение в почву удобрений, обработка полей пестицидами, гер-
бицидами и т.д., наличие животноводческих или птицеводческих
рм), населенные пункты, свалки ТБО, очистные сооружения
омов отдыха, оздоровительных баз, склады отходов, химиче-
I-не фабрики и комбинаты, транспортные магистрали, АЗС, неф-
" хранилища, предприятия с выбросами различных отходов и т.п.
Для оценки локальных или глобальных загрязнений геологи-
|'Ч кой среды, связанных с выпадениями из атмосферы (кислот-
ные дожди, осаждение цементной или угольной пыли, сажи т.п.)
|м (личных компонентов в ходе маршрутов ведутся наблюдения
*ii характером растительного покрова (геоботанические наблю-
дения см. гл. 2.5), изменением цвета и состояния листвы и хвои
пи деревьях, опадом листьев, чистотой верхней и нижней поверх-
ности листьев и т.д. Часть атмосферных выпадений, содержащих
иирязнения, задерживается растениями, а часть проникает в почву
и оттуда поступает в грунты и подземные воды. Наряду с этим по
иозможности отмечаются состояние и изменения в других эле-
ментах экосистем, включая популяции насекомых, рыб, земно-
водных, птиц, млекопитающих и других организмов, играющих
роль биоиндикаторов.
Наряду с неблагоприятными, загрязненными участками гео-
логической среды на местности выявляются и участки, не затро-
нутые химическими или биохимическими техногенными загряз-
нениями, которые могут потенциально служить в качестве фоно-
пых участков.
При изучении в маршрутах очистных сооружений студенты
знакомятся с типом очистного сооружения, его конструктивны-
ми особенностями, схемой функционирования и очистки сточ-
ных вод, степенью очистки воды, примерным объемом очищае-
мых вод и т.д. Составляется схема (план) очистного сооружения,
на которой показывается путь очистки воды на разных стадиях.
Выясняется защищенность подземных вод от загрязнений, при-
уроченных к очистному сооружению, а также изучается характер
геологического разреза в месте возведения того или иного очист-
ного сооружения.
При обследовании районов свалок различных отходов отмеча-
ется, прежде всего, состав и характер складируемого мусора (бы-
товые отходы, производственные отходы, строительный мусор и
т.п.). На карте помечается место свалки или ее границы, оцени-
вается ее площадь. Описываются особенности свалки, наличие
или отсутствие на ней пожаров, ее предполагаемый возраст (за-
брошенная или действующая), устанавливается ее происхождение
(стихийная или оборудованная). Отмечается приуроченность свал-
ки к тем или иным формам рельефа (заброшенный котлован
81
карьера, овраг, искусственная выемка, обочина дороги и т.п.).
Собирается информация о состоянии геологической среды в райо
не свалки, изучается разрез вмещающих свалку отложений, оце
нивается степень защищенности подземных вод (например, по
В.М. Гольдбергу) в районе свалки от проникновения мигрирую-
щих химических и биохимических загрязнений и т.п.
Для оценки с экологических позиций* ресурсной функции ли-
тосферы на исследуемой территории собирается информация о
тех или иных ресурсах геологической среды, которые обеспечи-
вают нормальное функционирование различных экосистем, вклю-
чая и жизнедеятельность человека.
В ходе маршрутов при изучении ресурсных свойств почв со-
бирают информацию о количественном содержании гумуса в
почвах и состоянии растительности на том или ином участке
данного ландшафта (см. гл. 2.5). При этом обращают внимание
на богатство (или напротив ограниченность, угнетенность) ви-
дового состава растительных сообществ (см. рис. 2.1), степень
эродированности почв в пределах ландшафта и т.п. Бедность
видового состава растительных сообществ, угнетенность расте-
ний, а также специфический набор растительности свидетель-
ствуют о недостатке в почве необходимых ресурсных элемен-
тов, снижении запасов гумуса, а также возможном вредном воз-
действии различных загрязняющих веществ. Такие участки
отмечаются на карте.
Для оценки ресурсных запасов подземных вод на исследуемой
территории привлекают данные маршрутных и полевых гидрогео-
логических исследований. При этом отмечается водообеспечен-
ность различных экосистем (включая и человека) за счет исполь-
зования подземных вод и поверхностных водотоков изучаемой
территории. При оценке ресурсов подземных вод учитывается не
только их количественный запас, но и их качество.
Документация полевых эколого-геологических наблюдений
ведется каждым студентом в дневнике и сопровождается зари-
совками и фотографиями.
ЧАСТЬ II
Опытные работы
на участках детальных
исследований
ГЛАВА 3
Гидрогеологические исследования
3.1. Общие положения
Полевые гидрогеологические исследования на локальных участ-
ках производятся при региональном изучении территории (так
называемые «ключевые участки»), при тематических исследова-
ниях (например, при изучении закономерностей формирования
режима и баланса подземных вод) и при необходимости реше-
ния конкретных инженерных задач — например, в связи с про-
гнозами эксплуатации подземных вод для целей водоснабжения,
дренажа территории при различных видах строительства, захоро-
нения промышленных стоков в водоносные горизонты, мелио-
рации сельскохозяйственных земель и т.п. Для решения прогноз-
ных гидрогеологических задач должна быть количественно обо-
снована достоверная фильтрационная схема участка, поэтому
основной целью полевых гидрогеологических исследований яв-
ляется получение информации для решения обратных задач. Тер-
мин «обратная задача» здесь следует понимать в расширитель-
ном, гносеологическом смысле: обратная (идентификационная)
задача предполагает определение (количественное или качествен-
ное, логическое) некоторых элементов гидрогеологической об-
становки на основе наблюдения (измерения) других элементов.
Поэтому в равной мере результатом решения обратной задачи по
данным полевых исследований можно считать гидрогеологичес-
кую карту, математическую (стохастическую или детерминиро-
ванную) модель того или иного процесса, значения конкретных
параметров или их обобщенных совокупностей и т.д. В более уз-
ком смысле под полевыми исследованиями на локальных участ-
ках понимают производство опытно-фильтрационных работ (ОФР).
83
Достоверность решения идентификационных задач, по дан-
ным ОФР, полностью зависит от состава, объема и точности
экспериментального материала, в связи с чем особое значение
имеет рациональное проектирование опыта: 1) цель опыта, т.е.
ожидаемая совокупность параметров, которые предполагается
определить в результате его проведения; 2) теоретическое обо-
снование, включающее метод решения обратной задачи и оцен-
ку необходимого состава и объема (в пространстве и по време-
ни) экспериментальных наблюдений; 3) обоснование методики
проведения опыта, т.е. выбор рационального оборудования опыт-
ных и наблюдательных объектов, характеристика регистрирую-
щей аппаратуры и техника производства измерений; состав и
смысл экспериментальных данных, оценка причин возникнове-
ния и возможного порядка погрешностей их измерения; 4) реко-
мендации по камеральной обработке данных, оценка погрешно-
стей определения расчетных величин и возможные варианты гео-
логической интерпретации результатов опыта.
Основой для проектирования ОФР является анализ гидрогео-
логических условий, по результатам которого должна быть со-
ставлена предварительная расчетная схема, применительно к осо-
бенностям которой и проектируются условия проведения опыта
и методика обработки опытных данных. В соответствии с этой
расчетной схемой должны быть сформулированы представления
об ожидаемом пространственно-временном изменении опытных
данных (в качественном виде или в первом приближении — с
использованием ориентировочных значений искомых парамет-
ров). В ходе опыта следует сравнивать характер фактических и
ожидаемых совокупностей данных; такое сравнение является важ-
ным методическим приемом для оперативного контроля длитель-
ности и интенсивности опыта, диагностики опытных данных и
обоснования методики их обработки.
Принципиальной основой решения обратных задач, по дан-
ным ОФР, является структурная зависимость
Ф=ДЯ/0,
в которой расход Q и соответствующие ему затраты напора ДЯ
являются элементами наблюдаемого потока, а Ф представляет
собой интегральное фильтрационное сопротивление изучаемой
области, зависящее от параметров среды, граничных условий
потока и его пространственно-временной структуры.
По характеру получения опытной информации об элементах
потока необходимо различать опытно-фильтрационные наблю-
дения (ОФН) и опробования (ОФО).
84
При ОФН поток изучается в его естественном (ненарушенном)
состоянии1. Величины ДЯ определяются по данным уровенных
наблюдений в специально оборудованных режимных скважинах,
количество и взаиморасположение которых диктуется целевым
назначением опыта. Положение уровней подземных вод должно
отсчитываться в единой системе высот, что требует проведения
специальных топогеодезических работ. Измерение расхода потока
Q (если этого требует расчетная методика данного вида ОФН)
возможно в зонах его естественной разгрузки, для чего произво-
дится специальное оборудование (каптаж) родников, фильтромет-
рия в дне водотоков и водоемов или гидрометрические измерения
приращений расходов водотоков, дренирующих подземные воды.
При специальных стационарных работах по изучению баланса под-
земных вод для измерения интенсивности инфильтрации и испа-
рения используются лизиметры, испарители и др.
В связи с внутригодовой изменчивостью элементов баланса
потока определяющее значение для достоверности интерпрета-
ции ОФН имеет правильный выбор периода наблюдений.
При ОФО изучаются изменения элементов бытового потока,
вызванные специально предпринятым опытным гидродинамичес-
ким возмущением. Измеряемые величины являются в этом случае
относительными и характеризуют дополнительно вызванную со-
ставляющую потока («поток возмущения»), алгебраически сум-
мируемую с бытовым потоком. Значения АЯ рассчитываются по
отношению к статическому состоянию (на момент начала прило-
жения возмущения), в связи с чем отпадает необходимость еди-
ной высотной привязки точек наблюдения1 2. Расход (дебит) опыт-
ного возмущения Q измеряется непосредственно.
При длительных ОФО существенным может оказаться влия-
ние синхронно проявляющихся факторов естественного режима
водоносной системы, для учета (отчленения) которых необходи-
мо предусматривать специальные наблюдения за состоянием по-
тока в точках, расположенных вне области влияния опытного
возмущения.
По направленности опытного гидродинамического воздействия
различают откачки, наливы и нагнетания воды, причем послед-
ние два вида ОФО используются сравнительно редко (обычно
для изучения неводонасыщенных пород или в опытах по запуску
1 Правильнее говорить о «бытовом», или «сложившемся», состоянии потока,
имея в виду возможность существования предшествовавших антропогенных воз-
действий на поток вне связи с данным опытом.
2 Это справедливо лишь по отношению к обработке данных ОФО; практичес-
ки же топогеодезическая привязка производится всегда в связи с комплексным
использованием данных.
85
индикаторов в водоносные пласты). Для оценки параметров во-
доносных горизонтов основным видом ОФО являются откачки,
которые по характеру наблюдения за пространственной формой
депрессионной воронки разделяются на одиночные и кустовые,
а по своему назначению — на пробные, опытные и опытно-экс-
плуатационные.
При одиночной откачке наблюдения за снижением уровня воды
ведутся в той же скважине, в которой и проводится опробование.
При кустовой откачке наблюдения проводятся в системе наблю-
дательных скважин, образующих опытный куст; опробуемая сква-
жина при этом называется центральной.
Целью пробных откачек (продолжительностью до 1 сут.) яв-
ляется предварительная оценка параметров, дающая возможность
более целенаправленного и обоснованного проектирования ре-
жима опытного опробования. Опытные откачки продолжитель-
ностью 3—10 сут. (до 1 месяца) — наиболее массовый вид опро-
бования водоносных горизонтов с целью площадной характери-
стики распределения величин гидрогеодинамических параметров.
Опытно-эксплуатационные откачки, продолжительностью до
1 года и более, применяются на стадии детальной разведки под
крупные водозаборные или дренажные сооружения.
Опытно-фильтрационные опробования чаще всего произво-
дятся в специально оборудованных скважинах. При неглубоком
залегании подземных вод или при изучении пород зоны аэрации
могут использоваться шурфы и котлованы.
Бурение опытных скважин производится ударным или враща-
тельным (роторным или колонковым) способом (см. также гл. 4.1).
Ударный способ используется при бурении скважин большого
диаметра глубиной до 300—500 м в рыхлых и скальных породах.
Колонковое бурение применяется при необходимости детально-
го изучения разреза и отбора керна для лабораторных испыта-
ний; диаметр скважин колонкового бурения обычно невелик
(до 200 мм). Роторное бурение применяется с прямой (глинисты-
ми растворами) или обратной (чистой водой) промывкой. Буре-
ние с обратной промывкой имеет ряд преимуществ (высокая ско-
рость проходки, малый расход труб, возможность сохранения
больших диаметров до значительных глубин, отсутствие глини-
зации стенок скважины и др.) и широко применяется при стро-
ительстве водозаборов.
Конструкции гидрогеологических скважин разнообразны и
определяются условиями производства буровых работ и назначе-
нием скважин. Принципиальными элементами конструкции гид-
рогеологических скважин являются: кондуктор, эксплуатацион-
ная колонна, фильтровая колонна, отстойник, устройства для
изоляции водоносных горизонтов (рис. 3.1).
86
Кондуктор выполняется из глухих труб и служит для закреп-
ления устьевой части скважины; в скважинах долговременного
применения производится затрубная цементация в интервале
кондуктора. Эксплуатационная колонна труб также является глу-
хой и служит для перекрытия и обеспечения устойчивости ин-
тервала разреза над водоносным горизонтом. Иногда (в зависи-
мости от способа бурения, глубины скважины и строения разре-
за) между кондуктором и эксплуатационной колонной может
сохраняться техническая колонна глухих труб (одна или несколь-
ко). Установка эксплуатационной колонны сопровождается зат-
рубной и межтрубной цементацией.
Фильтровая колонна состоит из двух частей: фильтра различ-
ной конструкции, устанавливаемого в интервале водоносного
горизонта, и глухих надфильтровых труб. Фильтровая колонна
может быть выведена на устье скважины или установлена «впо-
тай» (рис. 3.1, а, б). В нижней части эксплуатационной колонны
устанавливается сальник, изолирующий интервал водоносного
горизонта от межтрубного пространства эксплуатационной и
фильтровой колонн. В устойчивых (обычно скальных) породах
фильтровая колонна может не устанавливаться (рис. 3.1, в).
Рис. 3.1. Принципиальная конструкция гидрогеологических скважин:
а — с фильтровой колонной, выведенной на устье; б — с фильтром «впотай»; в — без
фильтра. 1 — кондуктор, 2 — затрубная цементация, 3 — эксплуатационная колонна, 4 —
затрубно-межтрубная цементация, 5 — сальник, 6 — фильтр, 7 — глухие надфильтровые
трубы, 8 — отстойник, 9 — техническая колонна
87
Гидрогеологические скважины оборудуются фильтрами на всю
мощность водоносного горизонта (совершенные скважины) или
частично (несовершенные). Общие требования к фильтрам лю-
бой конструкции: 1) механическая прочность; 2) устойчивость
против коррозии; 3) наибольшая скважность (не менее 20—25%);
4) предельно допустимые размеры проходных отверстий (без сни-
жения механической прочности фильтра и возникновения пес-
кования скважины).
Конструктивно фильтры разделяются на две группы: трубча-
тые и стержневые. К первой относятся фильтры, каркас которых
представляет собой трубу, перфорированную круглыми или ще-
левыми отверстиями (рис. 3.2, а, б). Каркас стержневых фильт-
ров изготавливается из продольных стержней, укрепляемых на
опорных кольцах или закладных планках (рис. 3.2, в).
По характеру водоприемной фильтрующей поверхности раз-
личаются две разновидности фильтров. В первом, конструктивно
более простом случае фильтрующей поверхностью является бо-
ковая поверхность самого каркаса (так называемый фильтр-кар-
кас). Такие фильтры могут быть использованы в скальных и по-
лускальных породах, а также в водоносных галечниках с валуна-
ми и гравием при содержании песчаной фракции не более 40—50%.
Размер проходных отверстий d0 для трубчатых фильтров-карка-
сов подбирается из соотношений:
для круглых отверстий d0 = 2,5—4 d50,
для щелей d0 = 1,25—2 d50,
где d50 — размер частиц, мельче которых в водовмещающих по-
родах содержится 50%.
Для относительно мелкозернистых пород применяются филь-
тры, водоприемная поверхность которых изготавливается из раз-
личных материалов: проволочная обмотка (на продольных под-
кладочных стержнях); штампованный лист (на подкладочной
спиральной обмотке или продольных стержнях); сетка (на под-
кладочной спиральной обмотке); кольцевые блоки из пористого
бетона или клееных и прессованных фильтрующих материалов
(блочные фильтры); гравийно-песчаная обсыпка (свободная или
в кожухе из штампованного железа или сетки).
Каркас фильтра в этих случаях является опорой для крепле-
ния подкладочного и фильтрующего материала (рис. 3.2, г—и).
При подборе материала однослойной гравийно-песчаной об-
сыпки руководствуются соотношением
^50/^50=8-12, (3.1)
где D относится к материалу обсыпки, a d — к водовмещающим
породам.
88
Рис. 3.2. Фильтры гидрогеологических скважин:
I — трубчатый каркас с круглыми отверстиями; 2 — то же с щелевыми отверстиями; 3 —
стержневой каркас; 4 — проволочная обмотка; 5 — продольные подкладочные стержни; 6 —
штампованный лист; 7 - сетка; 8 — подкладочная спиральная обмотка; 9 — кольцевые
блоки из пористого бетона; 10 — свободная гравийно-песчаная обсыпка; 11 — стенка сква-
жины; 12 — гравийная обсыпка в кожухе; 13 — кожух из штампованного железа
При подборе многослойных обсыпок по принципу обратного
фильтра рекомендуется выдерживать соотношение:
Dn+X/Dn =4-6,
в котором нумерация слоев обсыпки ведется от стенки скважи-
ны к каркасу фильтра; для внешнего слоя (л= 1) должно вы-
полняться соотношение (3.1). Минимальная толщина обсыпок
50 мм; оптимальной является 150—200 мм.
Откачка воды из скважин может выполняться в режимах са-
моизлива (выпуск) или принудительного водоподъема.
89
При производстве опытов в режиме самоизлива (с постоян-
ным дебитом) следует проектировать их интенсивность и дли-
тельность таким образом, чтобы динамический уровень не по-
низился в течение опыта до уровня излива. В противном случае
в ходе опыта нужно будет переходить к режиму принудитель-
ной откачки, что является технически сложным и может су-
щественно снизить достоверность интерпретации опыта. Сква-
жины оборудуются специальными оголовками с задвижками
для регулирования расхода выпуска. Наблюдения за динами-
ческим уровнем производятся манометром или обычной уров-
неизмерительной аппаратурой (см. ниже), если есть возмож-
ность нарастить верхний конец надфильтровой колонны выше
статического уровня.
Для производства опытных откачек в режиме принудительно-
го водоподъема используются преимущественно центробежные
насосы и эрлифты.
Поверхностные центробежные насосы с горизонтальным ва-
лом (рис..3.3, а) применяются при ожидаемом неглубоком по-
ложении динамического уровня — не глубже 5—6 м. В против-
ном случае применя-
ются центробежные
насосы с вертикаль-
ным валом в погруж-
ном исполнении (с
погружением двигате-
ля в герметическом
кожухе под уровень
воды в скважине —
рис. 3.3, б); возможная
глубина подъема воды
Рис. 3.3. Центробежные на-
сосы:
а — поверхностные (с горизон-
тальным валом): 1 — корпус
насоса, 2 — задвижка, 3 — ра-
бочее колесо (крыльчатка), 4 —
водоподъемная труба, 5 — кла-
пан, 6 — храпок; б — погруж-
ные (с вертикальным валом):
1 — всасывающий патрубок с
сеткой, 2 — секции насоса, 3 —
напорные водоподъемные тру-
бы, 4 — двигатель, 5 — задвиж-
ка, 6 — манометр, 7 — кабель
90
для таких насосов практически не ограничена — более 500—600 м.
Погружные насосы обычно используются при длительных опыт-
но-эксплуатационных откачках и на промышленных водозабо-
рах. В практике кратковременного опытного опробования они
применяются редко, так как требуют стационарного обеспече-
ния электроэнергией большой мощности и весьма чувствитель-
ны к качеству откачиваемой воды и к состоянию скважины.
Наиболее распространены в современной практике опытного
опробования эрлифты. Принцип действия эрлифта основан на
образовании (путем подачи в ствол скважины сжатого воздуха)
воздушно-водяной смеси — эмульсии, удельный вес которой
меньше удельного веса воды, за счет чего происходит ее подъем
и излив из скважины. Эрлифтные установки мобильны и авто-
номны, так как работа их обеспечивается легко перемещаемым
компрессором. Конструкция эрлифтов проста и надежна в эксп-
луатации; отсутствие вращающихся и трущихся частей в скважи-
не обеспечивает возможность откачки воды с большим содержа-
нием механических примесей, что позволяет эффективно при-
менять их для чистки скважин. К недостаткам эрлифтов относится
их низкий КПД (не более 25—35%) и ограничения по высоте
остаточного столба воды в скважине при откачке, что иногда
требует дополнительного углубления скважины.
Технически эрлифты монтируются на базе буровых установок
с подключением компрессора для подачи сжатого воздуха; в со-
став эрлифтной установки входят воздухопроводные и водоподъ-
емные трубы, а также смеситель (форсунка-распылитель). Мон-
таж установки может осуществляться двумя способами: 1) по схеме
«рядом» — водоподъемные и воздухопроводные трубы располо-
жены в стволе скважины рядом, соединяясь внизу в смесителе
(рис. 3.4, а); 2) по схеме «внутри» — воздухопроводные трубы
расположены внутри водоподъемных (рис. 3.4, б). Б частных слу-
чаях в качестве водоподъемных могут быть использованы глухие
надфильтровые трубы, если они выведены на устье скважины,
или эксплуатационная колонна, если фильтр установлен «впо-
тай» (рис. 3.4, в).
Для нормальной работы эрлифта должно соблюдаться соот-
ношение
H/h = 1,7-3,5,
где Н — глубина погружения смесителя; h — глубина до дина-
мического уровня воды в скважине, считая от уровня излива
(рис. 3.4).
91
Рис. 3.4. Схемы монтажа эрлифтов:
а — «рядом», б, в — «внутри»; 1 — воздухопроводные трубы (от компрессора), 2— водоподъ-
емные трубы, 3 — форсунка, 4 — уровнезамерная трубка, 5 — динамический уровень воды
Оптимальное соотношение H/h = 2—2,5.
Наблюдения за изменениями уровней подземных вод в ходе
откачки могут осуществляться с помощью различных приборов,
однако в любом случае непосредственно измеряются глубины до
воды (чаще всего от верха обсадной трубы). Простейший прибор
для измерения глубины до уровня подземных вод в скважине
представляет собой мерный трос с цилиндрической гирькой на
конце, которая при касании воды издает' характерный, хорошо
слышимый хлопок. В практике гидрогеологических работ широ-
ко используются также поплавковые, электрические, акустичес-
кие уровнемеры и др.
3.2. Методы оценки фильтрационных параметров пород
в зоне аэрации
При решении широкого круга гидрогеологических задач, свя-
занных с изучением протекающих в зоне аэрации процессов,
необходимо определение целого ряда фильтрационных парамет-
ров, в том числе коэффициента фильтрации пород зоны аэра-
ции. Специфические трудности определения этих параметров свя-
92
заны с тем, что объектом исследований являются породы с не-
полным водонасыщением, для которых неприменимы известные
уравнения фильтрации, справедливые для полностью водонасы-
щенных пород, и основанные на решениях этих уравнений мето-
ды оценки параметров.
Для опробования пород зоны аэрации существует группа спе-
циальных методов: наливы и нагнетания воды в скважины, на-
ливы в шурфы и котлованы, нагнетания воздуха. Все эти методы
при разработке и применении встречают ряд трудностей, избе-
жать которых полностью не удается и в настоящее время.
Затруднения, связанные с использованием воздуха, возника-
ют в связи со сложным и часто неоднозначным переходом от
определяемого при опыте коэффициента фильтрации по воздуху
к искомому коэффициенту фильтрации по воде.
Сложность интерпретации результатов опыта, в которых в ка-
честве флюида используется вода, заключается в том, что про-
цесс фильтрации в не полностью водонасыщенной среде суще-
ственно искажается действием капиллярно-сорбционных сил,
наличием защемленного воздуха в порах и другими явлениями.
Задача 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ПОРОД ЗОНЫ
АЭРАЦИИ НАЛИВАМИ В КОЛЬЦЕВЫЕ ИНФИЛЬТРОМЕТРЫ
Самым распространенным методом определения коэффици-
ента фильтрации пород зоны аэрации в настоящее время являет-
ся налив в шурфах в кольцевые инфильтрометры.
Теоретическое обоснование
Структура потока воды в зоне аэрации при фильтрации из
кольца, установленного в дне шурфа, осложняется явлениями
бокового растекания под влиянием капиллярных эффектов. В
связи с неопределенностью задания высоты капиллярного под-
нятия наиболее эффективным является налив в два концентри-
чески расположенных инфильтрометра в условиях постоянного
во времени и одинакового в обоих инфильтрометрах уровня воды.
Наличие внешнего кольца практически снимает для внутренне-
го влияние бокового растекания. Таким образом, при обоснова-
нии геофильтрационной схемы можно сделать допущение о вер-
тикальной фильтрации из внутреннего кольца и считать поток
одномерным.
Отсутствие гидравлической связи с грунтовыми водами соот-
ветствует условиям свободного режима фильтрации из инфильт-
93
рометрон, при котором расход вертикального потока не зависи!
о г положения уровня грунтовых вод.
Граничными условиями для этого потока являются условия
I рода в виде заданного напора Нх на верхней границе, проходя-
щей по дну инфильтрометров, и изменяющегося во времени на
пора Н2 на нижней границе, совпадающей с положением фронта
промачивания. При совмещении плоскости сравнения с положе-
нием верхней границы напор на ней в соответствии с уравнени-
ем Бернулли равен высоте столба воды в инфильтрометрах, т.с.
Я]= h0 (рис. 3.5), а напор на фронте промачивания с учетом дей-
ствия капиллярных сил может быть записан в виде
Я2=-Ак-/,
где Лк — высота капиллярного поднятия, I — глубина фронта
промачивания.
При схематизации условий по геофильтрационным парамет-
рам принимается допущение об однородном строении зоны аэра-
ции, и, следовательно, о постоянстве коэффициентов фильтра-
ции в зоне опробования. Кроме этого, принимается, что продви-
жение фронта промачивания происходит в условиях полного
насыщения пор водой.
Вывод расчетной зависимости проведем путем совместного
рассмотрения уравнения баланса воды и уравнения движения при
инфильтрации из внутреннего инфильтрометра.
Уравнение баланса, выражающее суммарное количество воды
W, ушедшее из внутреннего инфильтрометра на насыщение по-
род зоны аэрации до глубины фронта промачивания /, имеет вид
= / = 2L, (1.1)
где р — недостаток насыщения; <ом — площадь поперечного се-
чения внутреннего инфильтрометра.
Уравнение движения, определяющее расход фильтрацион-
ного потока из внутреннего инфильтрометра, выражается за-
висимостью
Q = k^±^-±L.aM, (1.2)
где к — искомый коэффициент фильтрации.
Подставляя в выражение (1.2) глубину фронта промачивания,
определяемую согласно (1.1), а также имея в виду, что Q = vF
(где v — скорость фильтрации), получаем:
94
1
Рис. 3.5. Схема фильтрации при наливе в кольцевые инфильтрометры:
1 — бачок (сосуд Мариотта)-, 2 — «воздушная» трубка; 3 — «водяная» трубка; 4 — водомер-
ная шкала; 5 — штатив; 6 — внутреннее кольцо; 7 — внешнее кольцо
. . W
+^к +~л—
•и - ]г_____Н^м
К W_
откуда в результате несложных алгебраических преобразований:
vW = Л|л(ом(Ао + Ак) + kW .
(1.3)
95
Коэффициент фильтрации опробуемых отложений рассчи-
тывается графоаналитическим способом на основании выраже-
ния (1.3), которое представляет собой уравнение прямой линии
в координатах vW — И'Хрис. 3.6). При этом угловой коэффици-
ент рассматриваемой прямой численно равен искомому коэф-
фициенту фильтрации. На
vW
вертикальной оси отсекает-
ся отрезок, соответствую-
щий свободному члену
прямой А= +1^).
4oW) ..о-' ° Ограничения и недостат-
ки метода в основном обус-
ловлены допущениями, при-
\ к ~ A(vW) нятыми при обосновании
ЛТ AW расчетной схемы.
i-----------i----► Во-первых, применение
AW w метода ограничивается глу-
Рис. 3.6. Общий вид расчетного графика vW- W биной залегания уровня
грунтовых вод (не менее
4—5 м от дна шурфа) в связи с необходимостью обеспечения сво-
бодного режима фильтрации воды из инфильтрометров на про-
тяжении всего опыта.
Во-вторых, расчетные зависимости основаны на предпосылке
однородного литологического строения зоны аэрации и не кор-
ректны при ее невыполнении. Помимо этого, ухудшение фильт-
рационных свойств в отдельных прослоях может привести к фор-
мированию на них локальной верховодки, вследствие чего сво-
бодный режим фильтрации может перейти в подпертый вне
зависимости от положения уровня грунтовых вод. Наличие более
проницаемых прослоев также может привести к нарушению вер-
тикальной структуры потока.
В-третьих, принимаемое серьезное допущение о полном на-
сыщении инфильтрующейся водой пород зоны аэрации, как пра-
вило, не соответствует действительности вследствие целого ряда
факторов, осложняющих процесс (Кац, Шестаков, 1992; Шеста-
ков, 1995).
Первые два допущения вполне могут быть выполнимы при
грамотном выборе участка для проведения эксперимента с при-
влечением данных бурения гидрогеологических скважин (анализ
степени однородности пород зоны аэрации и глубины залегания
уровня грунтовых вод). Третье допущение, как показывают ре-
зультаты специальных исследований, к сожалению, практически
не выполнимо.
96
Основываясь на вышесказанном, можно утверждать, что к ре-
|ультатам рассмотренного опыта следует относиться весьма осто-
рожно, ориентируясь лишь на порядок получаемых значений.
Методика проведения опыта
В комплект серийно выпускаемого прибора (ПВН-00), исполь-
•уемого для определения коэффициента фильтрации методом
налива в шурфах, входят два металлических кольца (инфильтро-
метра) с режущими краями площадью 1600 и 400 см2, три снаб-
женных водомерной шкалой бачка емкостью 6 л (сосуды Мари-
отта) и штатив для установки бачков.
Наряду с уже отмеченными выше ограничениями в примене-
нии метода при использовании прибора ПВН-00 появляются до-
полнительные ограничения на проницаемость опробуемых по-
род, что связано с относительно малым объемом его емкостей и
их конструктивными особенностями. При проведении опыта в
весьма слабопроницаемых породах (тяжелые суглинки, глины)
объемы воды, затраченные на фильтрацию, чрезвычайно малы.
Вследствие этого они не могут быть зафиксированы с необходи-
мой точностью с помощью имеющейся водомерной шкалы. На-
оборот, при опробовании хорошо проницаемых песчаных пород
вследствие значительного расхода фильтрационного потока не
представляется возможной его компенсация с помощью имею-
щихся сосудов. Таким образом, определения коэффициента филь-
трации с использованием прибора ПВН-00 желательно прово-
дить в относительно слабопроницаемых отложениях — легких
суглинках, супесях, глинистых песках.
Опыт проводится по методике Н.С. Нестерова. В тщательно
выровненное дно шурфа концентрически вдавливаются внутрен-
ние и внешние кольца на глубину не менее 2 см. Уплотнение впи-
тывающей площадки внутри колец не допускается. В кольца засы-
пается буферный слой гравия во избежании размыва дна шурфа.
На внешнее кольцо устанавливается штатив, на котором распола-
гаются два сосуда Мариотта таким образом, чтобы вода из одного
сосуда поступала во внешнее кольцо, а из другого — во внутрен-
нее. Поступление воды в инфильтрометры происходит через ко-
роткую «водяную» трубку при опускании уровня в них ниже вы-
ходного отверстия длинной «воздушной» трубки. Таким образом,
уровень воды в кольцах в процессе проведения опыта остается
практически неизменным, а его положение определяется положе-
нием нижнего края «воздушной» трубки. Для обеспечения оди-
наковых уровней в обоих инфильтрометрах «воздушные» трубки
выдвигаются из бачков на одну и ту же высоту (10—15 см).
97
II начале опыта осуществляется одновременный налив воды и
<н>а кольца до нижнего края «воздушных» трубок, после чего от
крываются краны «водяных» трубок и начинается отсчет време-
Рис. 3.7. Характер зависимости Q — t при
наливе в кольцевые инфильтрометры
ни с помощью секундомера. В
процессе опыта через опреде-
ленные интервалы времени
производятся измерения сум-
марного объема поступившей
в кольца воды с помощью рас-
положенной на бачках водо-
мерной шкалы. Интервал вре-
мени между замерами может
увеличиваться от 1—2 мин в
начале опыта до 5—10 мин на
его заключительной стадии.
Для оперативного контроля в
ходе опыта строятся графики
зависимости расхода воды в
кольца от времени (рис. 3.7). Опыт желательно заканчивать при
достижении относительно постоянной величины расходов, в пер-
вую очередь во внутреннее кольцо.
Результаты опыта заносятся в таблицу.
Обработка опытных данных
Обработка опыта проводится по данным, полученным для
внутреннего кольца. При этом для каждого интервала времени
рассчитываются значения скорости фильтрации v и ее произве-
дение на суммарный объем воды W, после чего строится график
в координатах vW~ Wvi производится его диагностика. Качество
опыта определяется по тому, насколько опытные точки уклады-
ваются на прямую линию. Отклонения опытных точек от прямой
линии могут свидетельствовать о влиянии неоднородности стро-
ения пород под шурфом, несоблюдении условий полного их на-
сыщения, а также и о технических погрешностях, допущенных в
ходе опыта. Внимательный анализ полученной совокупности то-
чек позволяет провести отбраковку некоторого их количества, не
соответствующего общей картине. После диагностики и отбра-
ковки точек график аппроксимируется прямой линией, для ко-
торой определяется угловой коэффициент, численно равный ко-
эффициенту фильтрации.
При невысоком качестве данных, полученных для внутренне-
го кольца допускается обработка опыта по результатам наблюде-
98
иий во внешнем кольце. При этом следует помнить о значитель-
ном влиянии на получаемый результат растекания под действи-
ем капиллярных сил, приводящего к непредсказуемому увеличе-
нию площади поперечного сечения потока и, соответственно,
шнижению величины коэффициента фильтрации.
Ориентировочное значение коэффициента фильтрации мож-
но также получить по значению установившегося расхода QCT,
снятого с графика Q — t (см. рис. 3.7). В процессе опыта с возра-
станием времени увеличивается глубина промачивания; соответ-
ственно градиент напора стремится к единице, а расход — к по-
стоянному значению В этом случае коэффициент фильтра-
ции численно равен скорости фильтрации.
3.3. Методы оценки фильтрационных параметров
водонасыщенных пород
Основными гидрогеологическими свойствами горных пород
в зоне полного водонасыщения являются их проницаемость и
емкость. Параметры, характеризующие эти свойства, — коэф-
фициент проницаемости породы (или коэффициент фильтра-
ции) и коэффициент емкости (гравитационной или упругой)
пласта. В практике расчетов часто используются комплексные
параметры: проводимость пласта (для плановых потоков), ко-
эффициенты уровне- и пьезопроводности, коэффициент пере-
текания и др.
Особую группу составляют миграционные параметры, характе-
ризующие условия перемещения в водоносных пластах раство-
ров, отличающихся по физико-химическим свойствам от плас-
товой воды. Для миграционных расчетов, например, при прогнозах
закачки сточных промышленных вод, подтягивания загрязнения
к водозаборам и др., необходимо знание активной пористости
пород, параметров физико-химического взаимодействия пород с
раствором (сорбционная емкость) и дисперсии, которые в сово-
купности определяют действительную скорость движения потока
и компонентов раствора.
Специфическим параметром для опытных скважин (откачи-
вающих или нагнетательных) является дополнительное сопро-
тивление прискважинной зоны, возникающее в связи с измене-
ниями свойств пород в процессе бурения и оборудования сква-
жин. Наличие этого сопротивления обычно учитывается введением
фиктивной величины расчетного радиуса центральной скважины.
Для наблюдательных скважин состояние прискважинной зоны и
фильтра характеризуется параметром инерционности.
99
Задача 2
ОПРЕДЕЛ ЕНИЕ-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕТОДОМ
КУСТОВОЙ ОТКАЧКИ
При проектировании и проведении опытных откачек выпол
няется: а) обоснование предварительной расчетной схемы с по
строением прогнозного графика снижения уровней; б) разработ
ка методики проведения опыта (количество и расположение то
чек наблюдения, интенсивность и длительность возмущения и
др.); в) собственно проведение откачки (снижение и восстанов-
ление уровней), в ходе которой фактический график снижения
уровней сравнивается с прогнозным для принятия оперативных
решений по корректировке методики опыта; г) интерпретация
опытных данных и анализ результатов.
Обоснование предварительной расчетной схемы
Опытная кустовая откачка проводится с целью определения
фильтрационных параметров водоносного горизонта мячковских
известняков, являющегося в этом районе наиболее перспектив-
ным для организации централизованного хозяйственно-питьевого
водоснабжения.
При составлении предварительной расчетной схемы учитыва-
ются все известные геолого-гидрогеологические данные.
1. Проницаемость известняков имеет трещинно-карстовый
характер; визуальные оценки кернового материала не дают осно-
ваний предполагать существенную изменчивость фильтрацион-
ных свойств пород в пределах участка расположения I, II,
III кустов скважин.
2. В пределах этой площади пласт мячковских известняков по-
всеместно залегает вторым от поверхности (под четвертичным
аллювием) и не имеет каких-либо выраженных геологических и
гидрогеодинамических границ в плане.
3. Нижняя граница водоносного пласта известняков формаль-
но может быть проведена по кровле глин, вскрытых скважинами
1, 2, 24, 32, 33 и другими на глубинах 52—60 м и относящихся,
по-видимому, к верхам подольского горизонта. Кроме того, по
данным ГИС (см. задачу № 7) подтверждается резкое затухание
трещинной проницаемости известняков в нижней части разреза
мячковского горизонта. Оба эти обстоятельства в совокупности
позволяют обоснованно считать нижнюю границу пласта прак-
тически непроницаемой.
4. Принципиально важным для предварительной расчетной
схемы является характер граничного условия на кровле водонос-
юо
пого горизонта мячковских известняков, т.е. характер его взаи-
мосвязи с подземными водами аллювия. Из сопоставления уров-
ней в пьезометрах, оборудованных «точечными» фильтрами (дли-
ной 0,2 м) в верхней части разреза водоносных аллювиальных
отложений, и в глубоких скважинах, имеющих открытый ствол в
мячковских известняках при полной изоляции интервала аллю-
вия (глухие трубы с затрубной цементацией), видно, что повсе-
местно в пределах днища долины р. Москвы пьезометрические
уровни мячковского горизонта располагаются выше свободной
поверхности подземных вод аллювия. В тыловой части I надпой-
менной террасы величина ДЯ близка к нулю, а по направлению
к реке возрастает до 1,2—1,5 м в пределах поймы (скв. 2—2а и
др. — рис. 3.8). В свою очередь свободная поверхность несколько
(на 5—10 см) превышает уровень воды в реке. Такое соотношение
уровней само по себе закономерно и может служить наглядной
натурной иллюстрацией проявления региональной схемы фор-
мирования потоков подземных вод в слоистых толщах (по
А.Н. Мятиеву). Труднообъяснимой является лишь значительная
величина ДЯ, свидетельствующая о наличии достаточно большого
аллювиальном (скв.2а) водоносных горизонтах и в Москве-реке
101
фильтрационного сопротивления при восходящей разгрузке по-
тока из мячковского в аллювиальный горизонт. При гидрогеоди-
намической очевидности геологическая природа этого сопротив-
ления неясна, так как по буровой документации всех скважин в
пределах днища долины не фиксируется существенно глинистых
прослоев в основании аллювия. Исключение составляет лишь
разрез в прирусловой части поймы (пьезометр За), где на глуби-
не 6 м на кровле известняков вскрыт маломощный (0,2 м) про-
слой светло-желтых мягкопластичных глин, являющихся переот-
ложенными продуктами химического выветривания известняков
в начальный период формирования москворецкой долины и со-
хранившихся, скорее всего, лишь в отдельных «карманах» на эро-
дированной поверхности известняков. Отсутствие литологически
выраженного разделяющего слоя по площади участка заставляет
предполагать, что основной причиной повышенного фильтраци-
онного сопротивления является кольматация трещинного про-
странства в верхней части известняков, происходившая непо-
средственно перед накоплением аллювиальной толщи.
Таким образом, в предварительной расчетной схеме водонос-
ный пласт мячковских известняков следует рассматривать как
напорный, условно однородный, неограниченный в плане, изо-
лированный снизу, с площадным условием 3-го рода (перетека-
ние) на кровле.
В этих условиях начальная фаза развития депрессионной во-
ронки при откачке протекает практически как в изолированном
пласте, т.е. характеризуется достаточно быстрым развитием по-
нижений в мячковском водоносном горизонте с пьезопроводно-
стью, отвечающей его упругой водоотдаче. В центральной части
воронки при этом происходит инверсия (изменение соотноше-
ния) уровней, что приводит к возникновению перетекания из
аллювиального горизонта с соответствующим замедлением тем-
па развития депрессии в известняках, вплоть до практической ее
стабилизации. Дальнейшее развитие депрессионной воронки за-
висим от поведения уровня в смежном (аллювиальном) горизон-
те и теоретически возможно по разным сценариям. Если уровень
в аллювии будет поддерживаться за счет каких-либо близко рас-
положенных питающих границ, то развитие воронки во времени
и в пространстве прекратится в связи с полной компенсацией
дебита откачки притоком с этих границ (истинная стабилиза-
ция — рис. 3.9, а). В противном случае наметившаяся стабилиза-
ция является ложной и через некоторое время (зависящее от во-
доотдачи аллювия и фильтрационных свойств разделяющего слоя)
начнется дальнейшее углубление и расширение депрессионных
воронок в мячковском и аллювиальном горизонтах; при этом ус-
танавливается общий темп снижения уровней в обоих горизон-
102
Рис. 3.9. Прогнозный график понижения уровней в мячковском и аллювиальном
водоносных горизонтах:
а — при мгновенном проявлении питающих границ в аллювии, б — при отсутствии питаю-
щих границ в аллювии, в — при замедленном проявлении питающих границ
тах (рис. 3.9, б), отвечающий обобщенным (суммарным) пара-
метрам водоносной системы. В реальных условиях учебного по-
лигона можно ожидать развития событий по третьему варианту,
промежуточному между выше рассмотренными «крайними»: вна-
чале в той или иной степени проявляется ложная стабилизация,
сменяющаяся дальнейшим общим снижением с последующей
истинной стабилизацией, когда понижения уровня в аллювии
достигнут величин, обеспечивающих необходимый приток с пи-
тающей границы — р. Москва (рис. 3.9, в).
Для уверенной диагностики условий опыта и обоснованного
выбора методики обработки опытных данных необходимо предус-
мотреть наблюдения за развитием депрессии напоров в обоих во-
доносных горизонтах; кроме того, следует наблюдать и уровень
реки, который может существенно меняться (особенно при боль-
шой длительности откачки) под влиянием собственного гидроло-
гического режима. Дебит откачки должен быть достаточным для
инверсии уровней мячковского и аллювиального горизонтов, т.е.
обеспечивать понижения не менее 1,5—2 м в центральной части
воронки; в то же время нежелательными являются слишком зна-
чительные понижения, при которых уровень опустится ниже кровли
известняков с возникновением безнапорного режима фильтрации.
Длительность опыта должна быть достаточной для уверенной диа-
гностики ложной или истинной стабилизации понижений.
юз
Методика проведения опыта
Центральная скважина пройдена на высокой пойме и вскрыва-
ет водоносные известняки на полную мощность в интервале глу-
бин 7—52 м. Скважина бесфильтровая, с диаметром водоприем-
ной части 346 мм. В интервале аллювиальных отложений (0—8 м)
она обсажена глухой трубой 377 мм с затрубной цементацией. От-
стойник глубиной 4 м пройден в подстилающих глинах в интерва-
ле 52-56 м.
Наблюдательные скважины на известняки расположены по
двум лучам вдоль и поперек долины на расстояниях 10-200 м от
центральной. Около скважин поперечного луча расположены пье-
зометры глубиной 3—4 м для наблюдения за уровнем подземных
вод в аллювии, представляющие собой глухую трубу диаметром
1,5-2 м, в нижней части оборудованные сетчатым фильтром дли-
ной 0,2-0,25 м, установленным на глубине 0,5-0,7 м под сво-
бодной поверхностью подземных вод.
При подготовке к опыту выполняются: 1) плановая привязка
скважин куста, измерение радиальных координат всех наблюда-
тельных скважин относительно оси центральной; 2) высотная
привязка устьев скважин и водомерной сваи на реке относитель-
но репера; 3) измерение глубин скважин и высот патрубков;
4) проверка и подготовка к работе измерительной аппаратуры;
5) измерение глубины положения статических уровней во всех
скважинах и уровня воды в реке.
При проведении откачки выполняются следующие наблюдения:
1. Измерение динамических уровней во всех скважинах. Для
измерения используются устройства различной конструкции (хло-
пушки, электрические и поплавковые уровнемеры, самописцы
уровней); частота измерений наибольшая в начальный период
откачки и постепенно снижается до одного замера в 4 ч со вто-
рой половины первых суток и до конца откачки. Измерение уровня
воды в реке в начале опыта производится через 1 ч, а затем одно-
временно с измерением уровней в скважинах.
2. Измерение дебита откачки выполняется объемным спосо-
бом с помощью мерного бака, объем которого подбирается из
условия наполнения его не менее чем за 10 сек. Частота заме-
ров — через полчаса в течение первых 6 ч откачки (первый замер
сразу после пуска), далее — одновременно с измерением уров-
ней в скважинах. В случае изменения (увеличения или уменьше-
ния) дебита более чем на 10—15%, необходимо немедленно извес-
тить об этом обслуживающего откачку механика.
3. В процессе откачки после, осветления воды и перед оконча-
нием отбираются пробы воды на сливе из центральной скважи-
ны для химического анализа.
104
4. В случае непредвиденной (аварийной) остановки откачки
необходимо зафиксировать момент остановки и немедленно при-
ступить к измерению динамических уровней во всех скважинах с
гой же частотой, как при пуске откачки.
5. После плановой остановки откачки прослеживается восста-
новление уровней во всех скважинах по той же временной про-
грамме; измерение уровня воды в реке должно проводиться вплоть
до полного окончания всех наблюдений. Полное наблюдение за
восстановлением уровней является обязательным для кондици-
онного завершения опыта.
Регистрация данных откачки производится в журнале. Непо-
средственно в ходе откачки составляется график временного про-
слеживания для одной из наблюдательных скважин и располо-
женного рядом с ней пьезометра.
Камеральная обработка опытных данных
Составляются план опытного куста и гидрогеологические раз-
резы по лучам наблюдения (рис. 3.10). На разрезах, кроме литоло-
го-стратиграфических данных, показывается необходимая геоло-
го-техническая информация (конструкция скважин, положение
фильтровых интервалов), статические и стационарные динами-
ческие уровни, сведения о химическом составе воды и др.
Для скважин, где использовались электроуровнемеры или хло-
пушки, производится пересчет замеров глубин до воды в пони-
жения 5 (для откачки) и повышения ЬН (для восстановления).
При использовании самописцев производится дешифрирование
диаграмм.
Раздельно по данным снижения и восстановления в стандар-
тном масштабе строятся графики комбинированного (5-^ 1g t/r),
временного (S’-г 1g t, 1g 5-Mg t) и площадного (S'-г- 1g r, 1g 5^ 1g r)
прослеживания и производится их диагностика для окончатель-
ного выбора методики обработки.
Искомыми параметрами являются:
• проводимость, коэффициент фильтрации, пьезопроводность
и упругая водоотдача пласта водоносных мячковских известняков;
• проводимость, коэффициент фильтрации, уровнепровод-
ность и гравитационная водоотдача водоносных аллювиальных
отложений;
• фактор (или коэффициент) перетекания разделяющего слоя.
В условиях взаимодействия водоносных горизонтов при откач-
ке могут быть использованы несколько методов обработки, одна-
ко следует подчеркнуть, что все они не полностью соответствуют
105
сз юв
Рис. 3.10. Макет составления гидрогеологического разреза
фактической расчетной схеме, для которой не существует точно-
к> аналитического решения. Методически наиболее правильно
проделать интерпретацию вначале приближенными графоанали-
тическими и численно-аналитическими приемами, критически
обобщить полученные результаты и на их основе выполнить ре-
шение обратной задачи с использованием численного моделиро-
вания нестационарной фильтрации.
Графо-аналитическая обработка
Если пренебречь понижением уровня в аллювии, то прибли-
женную оценку параметров мячковского горизонта можно вы-
полнить на основе зависимости для понижения уровня 5 в ради-
альном потоке к совершенной скважине в однородном неогра-
ниченном пласте с перетеканием при постоянном напоре в
смежном горизонте:
5 = QW(u, 7)/4пТ; u=r2/4a*t; r=r/B,
где И' — специальная функция скважины; Т, а* — проводимость
и пьезопроводность пласта мячковских известняков; В — фактор
перетекания; г — радиальная координата точки прослеживания;
I — время от начала откачки; Q — ее дебит.
При t > 2—3 В?/а депрессионная воронка практически стаби-
лизируется; стационарное распределение понижений 5СТ описы-
вается выражением
где Ко — символ функции Бесселя второго рода.
Для внутренней части воронки (F < 0,3)
SCT = Q\n(\,l2/F)/2nT.
Временное прослеживание в координатах S + 1g t. Применение
традиционного приема Джейкоба, основанного на логарифми-
ческом приближении уравнения Тейса, в условиях перетекания
чрезвычайно затруднено отсутствием выраженного прямолиней-
ного участка квазистационарного режима и при формальном под-
ходе может приводить к грубым ошибкам определения парамет-
ров. Относительно надежным для этой схемы является способ,
основанный на использовании точки перегиба графика, положе-
ние которой теоретически отвечает условию
5п=0,55ст,
где <УП — понижение в точке перегиба, 5СТ — стационарное пони-
жение (рис. 3.11, а).
107
Для точки перегиба
определяются время tn и
уклон касательной к гра-
фику Сп. Связь между 5П
и Сп определяется выра-
жением
2,3 5П/СП = exp(F) К0(7),
что дает возможность оп-
ределить г при известных
значениях 5П и Сп. Иско-
мые параметры рассчиты-
ваются затем по формулам
= В = г/7.
Временное прослежива-
ние в координатах lg 5 4- 1g t.
С помощью графической
суперпозиции опытных би-
логарифмических графи-
ков 1g 5 + lg t и эталонных
кривых lg W(u, 7) -е- lg( 1/м),
построенных для несколь-
ких значений 7, подбира-
ется удовлетворительная
величина 7, после чего
рассчитываются искомые
параметры:
T=Q/4nS0. a* = r2/4ta;
В = г/г,
где 50, t0— антилогариф-
мы координат нулевой
Рис. 3.11. Примеры обработки
графиков прослеживания: а -
временного по точке перегиба;
б - временного методом эталон-
ной кривой; в — площадного ме-
тодом эталонной кривой; г —
площадного способом прямой
линии
108
точки эталонного графика на соответствующих осях фактическо-
го (см. рис. 3.11, б).
Достоверность определения параметров этим методом зависит
от частоты и качества наблюдений при временном прослежива-
нии; особенно важны подробные наблюдения начального участ-
ка снижения (восстановления) уровня, где билогарифмические
графики испытывают существенные деформации и поэтому бо-
лее уверенно сопоставляются с эталонными кривыми.
Площадное прослеживание в координатах 1g <УСТ -г 1g г. Опытный
график билогарифмического площадного прослеживания для
нескольких наблюдательных скважин на этапе стабилизации со-
вмещается с эталонной кривой lg К{}(г) 1g г (см. рис. 3.11, в).
Проводимость пласта Т и фактор перетекания В определяются
по формулам
Т = 0/2те5'ст о; В = г0,
где S’ct o, г0— антилогарифмы координат нулевой точки эталон-
ного графика на соответствующих осях фактического.
Площадное прослеживание в координатах 5СТ -е- 1g г. На опытном
графике выделяется прямолинейный участок в ближайшей к цен-
тральной скважине области (см. рис. 3.11, г); параметры оцени-
ваются по формулам:
Т=-О,3660/С; Л = Го/1,12,
где С, г0 — соответственно уклон аппроксимирующей прямой и
антилогарифм точки ее пересечения с осью абсцисс.
Ограничением для применения площадного прослеживания в
обеих модификациях является необходимость наличия нескольких
(не менее 3—4) наблюдательных скважин с существенно различ-
ными радиальными координатами при значимых понижениях.
Оценка расчетного радиуса центральной скважины производится
на основе зависимости Дюпюи для радиального потока:
Sc -5 = O,366eig(r/ro)/7,
откуда
lg r°=lg г-2,7371^ ~S)/Q,
где r° — расчетный радиус центральной скважины, Sc и S — стацио-
нарные понижения в центральной скважине и на расстоянии г.
Численно-аналитическая обработка
Используемые для обработки опытных откачек численно-ана-
литические решения (ЧАР) основаны на применении интеграль-
109
ных преобразований по Лапласу—Карсону, при котором исход
ная функция понижения, в общем виде являющаяся функцией
двух переменных — радиальной координаты г и времени t
S(r, f), заменяется интегральным изображением Sp(r), которое ула-
не зависит от времени (Шестаков, 1995). Таким образом, решс
ние исходной нестационарной задачи заменяется стационарным
решением применительно к изображениям, что значительно уп
рощает процесс и позволяет, применить принцип автоматизиро
ванного подбора параметров, используя стандартные процедуры
минимизации. Использование ЧАР позволяет обрабатывать от
качки в сложных многопластовых и многослойных системах, нс
имеющих «чисто» аналитических решений. Процедуры расчета
изображений и обратного перехода к оригиналам функций дос
таточно трудоемки, однако легко реализуются на ЭВМ. Числен
но-аналитическая обработка откачки может быть проведена с
использованием программы TEIS (Штенгелов, 1994), входящей
в состав комплекса программ математического обеспечения ка
федры гидрогеологии. i
Процесс обработки откачки с использованием ЧАР заключа
ется в подборе всех параметров системы таким образом, чтобы
расчетные и реально наблюдаемые графики временного просле-
живания понижений уровня подземных вод по всем скважинам
опытного куста имели наилучшую сопоставимость. Таким обра-
зом, обработка откачки, по сути являющаяся обратной задачей,
методом ЧАР реализуется через решение серии прямых задач, в
ходе которых при заданном распределении гидродинамических
параметров системы и дебита опробования рассчитываются ве-
личины понижения уровня подземных вод.
Параметрами рассматриваемой двухпластовой системы в рай-
оне опытного куста являются: проводимость и гравитационная
водоотдача верхнего горизонта аллювиальных отложений — Ть
Hi, проводимость и упругая водоотдача горизонта мячковских
известняков — Т2, ц2, а также коэффициент перетока % =кп/т0,
характеризующий их взаимосвязь. По результатам проведенной
графоаналитической обработки определены фильтрационные
параметры мячковских известняков — Туи ц2, а величина коэф-
фициента перетоках может быть рассчитана по значению факто-
ра перетекания В:
Х=Т2/В1.
Таким образом, в ходе подбора должны быть определены па-
раметры аллювиальных отложений 1\ и ц, и проведено уточнение
остальных параметров двухпластовой системы.
110
В обработке откачки методом ЧАР участвуют все скважины
опытного куста (кроме центральной), включая и аллювиальные
пьезометры. На первом этапе задается начальное распределение
параметров с учетом результатов предыдущих способов'обработ-
ки, а также для аллювиальных отложений, на основе анализа их
разреза, литологического состава и пр. и использования харак-
н:рных (литературных) значений параметров. Полученные рас-
четные графики временного прослеживания сравниваются с на-
блюдаемыми, и на основе визуального анализа характера рас-
хождений принимается решение о корректировке значений
параметров в ту или иную сторону. При этом изменять следует
главным образом проводимость и емкость аллювиальных отло-
жений, в то время как остальные параметры могут корректиро-
паться незначительно, учитывая обоснованность их значений ре-
зультатами предыдущей графоаналитической обработки.
Подбор параметров таким образом продолжается до достиже-
ния удовлетворительного соответствия расчетных и натурных ве-
личин понижений по всем скважинам. На завершающем этапе
обработки проводится уточнение расчетных параметров путем их
автоматического подбора.
Как уже отмечалось ранее, фактическая гидродинамическая
схема района опытного куста не вполне соответствует расчетной,
используемой в применяемом численно-аналитическом решении.
Поэтому добиться полного соответствия расчетных и фактических
(рафиков прослеживания в принципе не удается, поскольку:
1. ЧАР предусматривают плановую и вертикальную однород-
ность фильтрационных параметров в зоне влияния откачки, ко-
торая не подтверждается реальным строением водоносных гори-
зонтов (особенно аллювиальных отложений). Например, влия-
ние плановой неоднородности выражается, как правило, в том,
что совпадение расчетных и натурных величин понижений по
некоторым (наиболее удаленным) скважинам оказывается гораздо
хуже, чем для остальных.
2. Используемое аналитическое решение не учитывает гидро-
динамическое влияние реки, которое в рассматриваемых условиях
чрезвычайно существенно и приводит в конечном итоге к балан-
сово-гидродинамической стабилизации всей системы в целом. На
расчетных графиках прослеживания по аллювиальным пьезомет-
рам получить участок выполаживания, отвечающий периоду пол-
ной стабилизации, не представляется возможным, поэтому оценку
соответствия расчетных и натурных графиков следует проводить
главным образом по начальному участку снижения уровней.
Тем не менее использование ЧАР з данном случае все-таки
является оправданным и позволяет хотя бы приближенно оце-
нить фильтрационные параметры аллювиальных отложений.
Обработка данных восстановления уровней после откачки
Обработка данных восстановления уровней производится и
обязательном порядке и в ряде случаев является предпочтитель
ной, так как поведение уровней в этот период не осложнено ко
лебаниями дебита. В качестве расчетной используется средня»
величина дебита во второй половине откачки. Если откачка за
вершена при стационарном режиме, то обработка данных вое
становления проводится без учета «наследства» предшествующей
откачки. Для всех выше рассмотренных приемов следует лишь
заменить понижение уровня от статического S на величину его
повышения над стационарным динамическим А Я, а время отсчи
тывать от момента остановки откачки.
Отчетные материалы по опыту: а) текстовое описание гидро-
геологических условий участка опробования, обоснования рас-
четной схемы, методики проведения опыта и интерпретации ре-
зультатов; б) гидрогеологический разрез; в) журнал откачки; г) гра-
фики прослеживания; д) таблицы расчета параметров разными
методами; е) распечатки обработки на ЭВМ; ж) заключение с
критическим анализом полученной совокупности параметров и
обоснованием окончательных расчетных значений.
Задача 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ
АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ МЕТОДОМ ЭКСПРЕСС-НАЛ ИВА
В НЕСОВЕРШЕННУЮ СКВАЖИНУ
Методы экспресс-опробований скважин (экспресс-наливы и
экспресс-откачки) являются простым, оперативным и эффек-
тивным способом определения фильтрационных свойств отло-
жений верхней части разреза и широко используются на предва-
рительных этапах гидрогеологических и инженерно-геологичес-
ких изысканий. При экспресс-опробовании скважин определяется
коэффициент фильтрации водовмещающих отложений, а также
оценивается инерционность гидрогеологических скважин, по-
зволяющая охарактеризовать их техническое состояние и возмож-
ные погрешности определения пьезометрического уровня под-
земных вод при существенно нестационарных процессах.
Теоретическое обоснование
При экспресс-наливе в скважину единовременно (мгновен-
но) заливается некоторый объем воды V, обусловливающий мгно-
венный подъем уровня в ней на величину АЯ0. При этом поток в
прискважинной зоне очень быстро становится квазистационар-
112
h im, и для условий налива процесс восстановления уровня воды
I скважине описывается выражением
In
АЯ0
АЯ
= et- 0 = _
(0т
(3.1)
l ie ДЯ0= V/wT — начальный подъем уровня воды в скважине ди-
пметром (0^; АЯ — текущее положение уровня воды в скважине
па время t (относительно статического (рис. 3.12, а)); к — коэф-
фициент фильтрации отложений. Величина /° представляет со-
бой некоторый расчетный размер водоприемной части скважи-
ны, учитывающий ее несовершенство. Для фильтра длиной / и
радиусом гс, заглубленного под уровень свободной поверхности
на расстояние больше 1,5 I,
1а =
2,73/
Результаты наблюдений за восстановлением уровня в скважи-
не выносятся на график зависимости 1g (АЯ0/АЯ) от времени t
(рис. 3.12, б), который согласно выражению 3.1, представляет
прямую линию, выходящую из начала координат. По любой точ-
ке в пределах прямой рассчитывается значение 0:
0 = ¥1ё7я-’ (3’2)
Г Д/7
по которому вычисляется величина коэффициента фильтрации
отложений.
Следует иметь в виду, что данные экспресс-наливов дают при-
ближенную оценку проницаемости опробуемых отложений, по-
скольку на результаты определения коэффициента фильтрации
существенное влияние оказывает сопротивление прискважинной
зоны. В зависимости от способа бурения скважины отклонения в
величине коэффициента фильтрации могут быть как в большую,
так и меньшую сторону. На практике проведение экспресс-опро-
бований рационально в сравнительно слабопроницаемых отло-
жениях (ориентировочно при к < 1 м/сут).
Использование экспресс-налива весьма эффективно для оцен-
ки инерционности наблюдательных скважин, обусловленной их
сопротивлением и проявляющейся в наличии некоторого несо-
ответствия измеряемого в нестационарном режиме уровня воды
113
Рис. 3.12. Экспресс-налив в несовершенную скважину:
а — схема опыта (1 — уровень грунтовых вод; 2 — фильтр скважины; 3, 4 — уровни воды в
скважине: 3 — сразу после налива, 4 — текущий); б — расчетный график
в скважине и уровня в пласте — ДЯС. Физическая природа инер-
ционности обусловлена несколько замедленным водообменом
между пластом и стволом пьезометрической скважины, который
может быть ощутимым в резко нестационарном режиме измене-
ния уровней подземных вод.
Определение поправки к измеряемым уровням в скважинах за
счет инерционности (ДЯС) особенно актуально для наблюдатель-
ных скважин, входящих в состав куста опытного опробования,
поскольку измеренные уровни в них, особенно на начальном пе-
риоде откачки, могут заметно отличаться от фактических уровней
в пласте. В этом случае необходимо провести экспресс-наливы в
наблюдательных скважинах куста, по результатам которых оцени-
вается величина 0, характеризующая сопротивление прискважин-
ной зоны, а затем рассчитать поправки к измеренным напорам:
Д/7с=ис/0, (3.3)
где ус — скорость изменения уровней в скважине на любой рас-
четный момент времени (отрицательная при спаде уровней, на-
пример при откачке). При этом величина истинного напора Н
или понижения S рассчитывается как
Я = НИЗМ + Д/7С; *S" = 5ИЗМ — ДЯС,
где Яизм, 5ИЗМ — измеренные в скважине напор или понижение
соответственно.
114
Методика проведения опыта
Экспресс-налив проводится в аллювиальных пьезометрах, рас-
положенных в пределах поймы и первой надпойменной террасы
р. Москвы и входящих в состав I гидрогеологического куста опыт-
ных скважин. Конструктивно пьезометр представляет собой глу-
хую трубу длиной 3—4 м и диаметром 1,5—2", в нижней части
оборудованную сетчатым фильтром длиной 0,2—0,25 м, установ-
пенным на глубине 0,5—0,7 м под свободной поверхностью под-
земных вод.
На этапе подготовки опыта измеряется статический уровень
поды в опробуемой скважине и оценивается необходимый для
налива объем воды исходя из ожидаемой (допустимой) величи-
ны начального подъема уровня в скважине ДЯ0:
V = &Н0 сот
Подготовленный объем воды заливается в скважину, причем
для выполнения условия «мгновенности» налива в скважинах
небольшого диаметра рекомендуется пользоваться воронкой.
В ходе опыта ведутся наблюдения за восстановлением уровня
воды в скважине, который измеряется хлопушкой или электроуров-
немером и фиксируется в журнале наблюдений каждые 10—15 с.
Отсчет времени ведется с начала опыта секундомером. Опыт мо-
жет быть прекращен после восстановления уровня на 80—90%.
Камеральная обработка опытных данных
По результатам опыта строится график зависимости 1g (ДЯ0/ДЯ)
от времени I, для чего измеренные в ходе опыта значения глубин
до воды пересчитываются в величины изменений по отношению
к статическому уровню в скважине до налива. Опытные точки
осредняются прямой линией, выходящей из начала координат.
Практика показывает, что опытный график может оказаться
криволинейным или не приходить в начало координат, что при
качественном проведении опыта может быть связано с возник-
новением аномальных условий фильтрации на начальном перио-
де опробования. В этом случае рекомендуется исключить из обра-
ботки начальные точки, сдвигая «нулевой» момент времени и
изменяя соответственно величину начального подъема уровня ДЯ0.
После получения таким образом расчетного графика, соответ-
ствующего по форме теоретическому, с него в произвольной точке
снимаются значения 1g (ДЯ0/ДЯ) и t, по формуле (3.2) рассчиты-
вается 9, а затем из выражения (3.1) — значение коэффициента
фильтрации отложений.
115
Полученное в ходе опыта значение 0 является характеристи
кой сопротивления данной наблюдательной скважины и можеч
быть использовано для оценки инерционности пьезометра при
интерпретации других видов опытно-фильтрационных работ (на
пример, откачки). Для этого по графику временного прослежи
вания понижения уровня в пьезометре при откачке определяется
скорость снижения уровня на начальном нестационарном этапе
и по зависимости (3.3) рассчитывается поправка на измеренные
значения уровней в наблюдательной скважине.
Задача 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОДАННЫМ
ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ (РЕЖИМНЫХ) НАБЛЮДЕНИЙ
Для оценки фильтрационных параметров используются пре-
имущественно данные режимных наблюдений за уровнями под-
земных (обычно в скважинах) и поверхностных вод (реки, озе-
ра). Постановка опытных наблюдений (количество наблюдаемых
объектов,' их взаиморасположение и ориентировка в потоке под-
земных вод, частота и периоды наблюдений) определяется об-
щим характером фильтрационной схемы участка и существую-
щими методиками обработки опытных данных. Как отмечалось
выше, в расчетных методиках нередко используется разность уров-
ней между соседними наблюдательными объектами, что требует
особого внимания к технике и качеству измерений (нивелировка
объектов, аппаратные средства и др.).
На учебном полигоне с помощью режимных наблюдений мо-
гут быть определены параметры сопротивления ложа р. Москвы,
взаимосвязи аллювиального и мячковско-подольского водонос-
ных горизонтов, гравитационная водоотдача (уровнепроводность)
аллювия, упругоемкость трещиноватых и закарстованных мяч-
ковско-подольских известняков.
Теоретическое обоснование
Оценка сопротивления ложа водотока может быть выполнена
по данным стационарного состояния линейного потока, дрени-
руемого водотоком. При наличии двух измеренных уровней под-
земных вод Н{ и Н2в точках, расположенных по линии тока на
расстоянии от уреза соответственно L} и L2, и единовременного
уровня воды в водотоке Но (рис. 3.13), эквивалентная длина Д£
рассчитывается по зависимости
А£ = (£2 - Ц)[(Н' - Я0)/(Я2 - 7/J] - £,. (4.1)
116
Рис. 3.13. Расположение наблюдательных скважин линейного створа для оценки
сопротивления ложа реки
Использование такой методики расчета предполагает: а) не-
изменность расхода потока и проводимости пласта в пределах
рассматриваемого фрагмента водоносного горизонта; б) доста-
точную (не менее мощности пласта) удаленность точек измере-
ния уровней подземных вод от уреза во избежание погрешностей
за счет профильной деформации потока вблизи водотока.
Оценка уровнепроводности водоносного горизонта основывается
на обработке хронологической серии замеров уровня подземных
вод в линейном потоке на некотором расстоянии L от границы
1-го рода, на которой с момента времени t= 0 происходит скач-
кообразное или относительно плавное изменение уровня ДЯ0(/)
(рис. 3.14). Соответствующее изменение уровней ДЯв потоке на
момент времени t описывается соотношениями:
1) при скачкообразном изменении уровня на границе
ДЯ = ДЯ0еДс[Л/2(аг)1/2]; (4.2)
2) при линейном изменении уровня на границе со скоростью v
AH = vtR[L/2(af)l/2], (4.3)
где erfc[Z], — специальные функции.
При сложном поведении уровня на границе потока (последо-
вательные скачкообразные изменения, переменная скорость,
изменение направленности) в уравнениях (4.2 и 4.3) допустимо
сложение решений для каждого временного этапа.
Для оценки уровнепроводности водоносного горизонта урав-
нения (4.2, 4.3) представляются в виде:
а = [L/2inf егГс(ДЯ/ДЯ0)]2//,
а = [L/2 inf Л(АЯ/уГ)]2 А
где символом inf обозначено восстановление аргумента по извест-
ному значению функции.
117
Рис. 3.14. Оценка уровнепроводности водоносного горизонта по данным неста-
ционарного режима уровней
Практически удобнее определять а подбором непосредствен-
но по уравнениям (4.2 и 4.3), добиваясь совпадения наблюден-
ных и рассчитанных величин ЛИ; при этом значения функций
erfc[Z] и R[Z\ определяются по справочным таблицам или про-
граммируются для ЭВМ:
erfc[ZJ = 1 - 2Z/n1/2(l - 22/3 • 1! + 24/5 2! - Z6/! • 3! +...),
R\Z\ =(1 + 2Z2)erfcZ - 2Z/re,/2exp(-22).
Оценка параметров взаимодействия водоносных горизонтов че-
рез разделяющий слой возможна с помощью моделирования ста-
ционарного распределения напоров вдоль единичной ленты тока.
Необходимые .исходные данные: а) распределение проводимости
одного из пластов; б) несколько значений напоров в обоих плас-
тах вдоль ленты тока, достаточных для уверенного воспроизведе-
ния уровенных поверхностей обоих водоносных горизонтов. Гра-
ничные условия для горизонта с известной проводимостью: а) в
крайних узлах линейной сетки модели — условия 1-го рода, со-
ответствующие величинам напоров в этих сечениях; б) в осталь-
ных узлах — условия 3-го рода с напорами смежного горизонта
и сопротивлениями, отвечающими удельному фильтрационному
сопротивлению разделяющего слоя /) = ?и0/А0[сут]. Решение за-
дачи заключается в подборе таких значений/0, при которых удов-
летворяются известные натурные величины напора в контрольных
сечениях основного горизонта.
118
Оценка упругоемкости напорного водоносного горизонта для от-
носительно глубокозалегающих пластов возможна на основе на-
нлюдения «барометрического эффекта», т.е. взаимосвязи колеба-
ний атмосферного давления ДРа и уровней напорных подземных
под ДЯ в открытых наблюдательных скважинах:
дя = -ядра/т,
где у — плотность воды; В=е./Е(ас + е/£) — «барометрическая
эффективность»; Е — модуль упругости воды (>= 2,2 • 109 Па); ас,
г — соответственно коэффициент сжимаемости и коэффициент
пористости водовмещающих пород.
Упругоемкость пород т)* также связана с параметрами порис-
тости и сжимаемости
П* = т(Лс + е/£)/(1 +е),
что позволяет выразить ее через показатели «барометрического
эффекта»:
Ti* = -e/[CF(l +е)], (4.4)
где С — угловой коэффициент регрессионного графика Н — Ра,
получаемого на основе хронологической серии режимных наблю-
дений за величинами атмосферного давления и уровней в откры-
тых наблюдательных скважинах (рис. 3.15).
119
Методика проведения опытов
Режимные наблюдения проводятся на специально подготов-
ленных наблюдательных объектах: а) скважины, оборудованные
фильтрами на аллювиальный и мячковско-подольский водонос-
ные горизонты; б) водомерные сваи, установленные в русле
р. Москвы, на уступах высокой поймы и первой надпойменной
террасы; в) метеоплощадка на поверхности террасы.
Для увязки всех измеряемых уровней в единой абсолютной
или относительной системе высот и плановой привязки наблю-
дательных объектов должны быть выполнены специальные то-
пографо-геодезические работы, которые при длительных (мно-
голетних) наблюдениях должны систематически повторяться.
Измерения положения уровней в скважинах могут осуществ-
ляться с помощью приборов любого принципа действия. В про-
изводственной практике отдается предпочтение системам, спо-
собным к устойчивой автономной работе в широком диапазоне
изменения суточных и сезонных температур и влажности воздуха.
Применение стационарных самопишущих механических или элек-
тронных уровнемеров (обычно с поплавковым или акустическим
принципом измерения) требует постоянного контроля их рабо-
тоспособности и применения специальных оголовков скважин
для предотвращения вандализма.
Измерение уровня воды в р. Москве производится с помо-
щью металлической мерной рейки относительно оголовка сваи,
затопленной на момент измерения. Производство замеров в те-
чение года осложняется перемещением линии уреза, особенно
значительным в периоды половодных разливов (иногда с выхо-
дом на поверхность высокой поймы) и попусков из вышележа-
щих водохранилищ. В этих случаях при затоплении очередной
вышерасположенной сваи необходимо сделать 1—2 переходных
замера — одновременно по двум сваям; такой же порядок следу-
ет соблюдать и при обсыхании свай в периоды спада уровней.
Сваи должны быть надежно закреплены в грунте во избежание
их смещения или повреждения в результате подмыва и при ледо-
ходе. В период ледостава вмороженные сваи необходимо перио-
дически обкалывать.
В периоды относительно спокойного гидрологического режи-
ма возможно применение самопишущих регистраторов уровня
типа «Валдай». Вертикальный масштаб записи устанавливается с
учетом реально возможной амплитуды колебаний уровня в такие
периоды; по времени оптимальной является недельная диаграм-
ма. При использовании самописцев необходимо регулярно вы-
полнять параллельные замеры по сваям для увязки обоих спосо-
бов измерения и их взаимозамены в случае необходимости.
120
Измерение атмосферного давления выполняется с помощью
анероида или барографа типа М22-АН. Возможно также исполь-
зование данных барометрических наблюдений на близлежащих
метеопунктах стационарной сети Роскомгидромета.
Камеральная обработка опытных данных
Кроме режимных данных, полученных непосредственно за
период практики, для обработки привлекаются материалы дли-
тельных режимных наблюдений, осуществляемых на учебном
полигоне круглогодично.
Для оценки параметров взаимодействия аллювиального водо-
носного горизонта с р. Москвы используются данные уровенных
наблюдений в пьезометрах 1а, 2а, За, 5а, 8а, 18а, 26а и на гидро-
метрических сваях. В качестве расчетных выбираются интервалы
относительно устойчивого режима, как правило, это периоды
зимней и осенне-летней межени, характеризующиеся монотон-
ным замедленным спадом уровней подземных и поверхностных
вод. По результатам расчетов по формуле (4.1) вычисляются ос-
редненные значения Д£ по каждой паре скважин. При анализе
полученных результатов необходимо иметь в виду неполное со-
ответствие гидрогеологических условий участка тем исходным
предпосылкам, которые были приняты при выводе формулы (4.1).
Наиболее существенным, по-видимому, является наличие пло-
щадной разгрузки потока из мячковско-подольского горизонта в
аллювиальный, что нарушает основополагающую предпосылку
постоянства расхода вдоль расчетной ленты тока. Наиболее силь-
ная разгрузка приурочена к площади высокой поймы, т.е. на от-
резке расчетного створа между рекой и скв. 18а. Поэтому можно
ожидать значительных погрешностей (в сторону завышения Д£)
для пар скважин, в которые входят скв. 18а и одна из удаленных
скважин на надпойменной террасе. Неопределенной является
также изменчивость фильтрационных свойств аллювиальных от-
ложений вдоль расчетного створа. Можно, в частности, предпо-
лагать значительное различие проводимости аллювия в пределах
поймы (песчано-гравийно-галечные отложения) и надпоймен-
ной террасы (мелкие, часто плывунные пески).
Для оценки уровнепроводности аллювиального водоносного
горизонта используются периоды резко выраженного нестацио-
нарного режима — весеннее половодье и эпизодические сбросы
воды из водохранилищ выше по течению р. Москвы. Для исклю-
чения неопределенного влияния сопротивления ложа реки целе-
сообразно в качестве граничного сечения принимать одну из
121
ближайших к реке скважин (За, 2а), задавая здесь условие 1-го
рода в соответствии с реально наблюденным хронологическим
графиком изменения уровня в этой скважине. В зависимости от
формы этого графика подбор уровнепроводности выполняется
по формулам (4.2) или (4.3); расчеты выполняются для всех ре-
жимных скважин, показавших значимую реакцию на возмуще-
ние уровня на границе. Полученные результаты по разным вре-
менным интервалам и по разным скважинам критически анали-
зируются и осредняются. По средним значениям проводимости и
уровнепроводности рассчитывается величина гравитационной
водоотдачи аллювиального горизонта.
При обработке данных наблюдений за «барометрическим эф-
фектом» для каждой из наблюдаемых скважин строится график в
координатах Н — Рл. Опытная совокупность точек на графике ап-
проксимируется прямой линией, для которой определяется уг-
ловой коэффициент С = А Д/АРа. Естественно, что для дальней-
ших расчетов следует согласовать размерности величин Ра, С, Е, у,
исходя из соотношений: 1 Па = 0,102 кгс/м2 = 9,87 - 10-6атм =
= 10~5бар = 0,0075 мм рт.ст. = 0,102 мм вод.ст. После этого рассчи-
тывается безразмерная барометрическая эффективность В = -уС
и затем по формуле (4.4) оценивается упругоемкость известня-
ков т|* и соответствующая ей величина упругой водоотдачи ц*.
Все вышерассмотренные расчеты дублируются с помощью
вычислительной программы REGIM (кафедра гидрогеологии
МГУ) с целью контроля результатов и приобретения навыков
использования профессионального программного обеспечения.
Для оценки условий взаимосвязи аллювиального и мячковс-
ко-подольского водоносных горизонтов используются данные
зимне-меженного состояния потока (февраль—март). Расчетная
лента тока ограничивается скв. 26 и скв. 3 (общая длина около
200 м). Напоры мячковско-подольского горизонта в этих сква-
жинах задаются как граничные условия 1-го рода в соответствен-
ные фланговые узлы линейной модели. Для задания граничных
условий 3-го рода вдоль ленты тока (взаимодействие известня-
ков с аллювием) используются напоры в скважинах 8а, 18а, 1а,
2а; для промежуточных узлов модели используются интерполи-
рованные значения. В качестве первого приближения для удель-
ного сопротивления разделяющего слоя можно принять оценки
фактора перетекания, полученные при интерпретации кусто-
вой откачки.
Для численного моделирования используются доступные вы-
числительные программы для ЭВМ — например, разработанные
на кафедре гидрогеологии МГУ (PROGON, MCG).
122
1.4. Методы изучения фильтрационной неоднородности горных
пород в вертикальном разрезе
В предыдущем разделе рассмотрены методы определения филь-
трационных параметров, обобщенно характеризующих водонос-
ный пласт в целом. При этом предполагалось, что водоносный
пласт в вертикальном разрезе является однородным по своим гид-
рогеологическим показателям (главным образом по проницае-
мости). Однако реальные природные коллекторы подземных вод
и той или иной степени неоднородны. Распределение гидрогео-
логических показателей по вертикали определяется литологичес-
ким строением разреза пород и эпигенетическими их преобразо-
ваниями. Наибольшее влияние в литифицированных породах ока-
зывают процессы трещинообразования и карстования.
В слабоуплотненных осадочных коллекторах эта неоднородность
имеет первичный характер и обусловливается преимущественно
литолого-фациальной неоднородностью разреза. В гидродинами-
ческом отношении следует разделять два основных типа строе-
ния слоистых водоносных толщ:
1) упорядоченного строения, для которых характерно четкое
чередование высокопроницаемых (с коэффициентом филь-
трации порядка л — л • 10 м/сут и более) и слабопроницае-
мых (коэффициент фильтрации 10~2—10-3 м/сут и менее)
слоев, имеющих мощность не менее нескольких метров;
2) слабоконтрастного строения, характеризующиеся неупоря-
доченным чередованием слоев различной мощности с ко-
эффициентом фильтрации примерно одного порядка.
Для литифицированных скальных пород неоднородность про-
ницаемости в вертикальном разрезе обусловливается неравно-
мерностью их трещиноватости, связанной с литологическим со-
ставом пород и процессами выветривания. Характер неоднород-
ности при этом в значительной степени зависит от генезиса
трещин. Практически интересными являются два случая верти-
кального распределения трещиноватости пород.
1. Трещиноватость закономерно затухает с глубиной, что ха-
рактерно для верхней зоны скальных массивов достаточно одно-
родных по литологии пород, подверженной активному воздей-
ствию экзогенных процессов (различные виды выветривания).
Мощность зоны экзогенной трещиноватости зависит от состава
пород и может достигать 200 м. Распределение проницаемости в
этом случае обычно удовлетворительно описывается показатель-
ной функцией от глубины.
2. Четкая локализация небольших по мощности зон весьма вы-
сокой проницаемости на общем фоне относительно равномерной
123
трещиноватости пород, характерная для трещиноватости тектони-
ческого генезиса. Такого же типа резко контрастные разрезы на-
блюдаются и в закарстованных массивах пород; локализация зон
высокой проницаемости определяется в этом случае литологичес-
ким строением толщи (наличием прослоев легкорастворимых по-
род, контактов с некарстующимися породами и др.) и положением
древних и современных базисов дренирования подземного потока.
Для карбонатных пород важнейшим является карстовый про-
цесс, определяющий развитие двух основных элементов водо-
носного горизонта:
1) тонких зон повышенной проницаемости незначительной
мощности (первые сантиметры), обеспечивающих практи-
чески всю проницаемость горизонта;
2) толщ слабопроницаемых пород мощностью первые метры,
гидравлически разобщающих зоны повышенной проница-
емости.
Тонкие зоны повышенной проницаемости возникают на кон-
тактах слоев карбонатных пород несколько различающихся по со-
ставу за счет активизации процессов растворения при переходе
воды из одного слоя в другой. Вследствие особенностей формиро-
вания эти зоны не имеют физически определяемой мощности,
так как состоят из взаимопересекающихся небольших участков
раскарстованных трещин. Поэтому они могут характеризоваться
как отдельное пласты с проводимостью Т = кт и удельной емко-
стью пласта пт. Определение собственно коэффициента фильтра-
ции или пористости зоны невозможно.
Развитие карста на поверхности безнапорных подземных вод
в периоды стабильного положения базиса дренирования так же
приводит к развитию тонких зон повышенной проницаемости
уже не согласных с контактами литологических разностей карбо-
натных пород.
Таким образом, можно выделить следующие элементы неод-
нородности гидрогеологических параметров водоносного гори-
зонта по вертикали:
1) проницаемые слои с плавными изменениями свойств мощ-
ностью первые метры и более;
2) тонкие зоны (слои) повышенной проницаемости мощнос-
тью в несколько сантиметров или десятки сантиметров;
3) слои слабопроницаемых пород, разделяющие проницаемые
зоны.
Задачами изучения вертикальной неоднородности гидрогео-
логических свойств являются выделение этих элементов (глуби-
на и мощность) и характеристика их свойств (проводимость,
124
коэффициент фильтрации, удельная емкость, пористость и т.п.).
По практической значимости ведущими свойствами являются
проницаемость и проводимость слоев.
Для изучения вертикальной фильтрационной неоднороднос-
ти водоносной толщи, заключающейся в определении границ
элементов неоднородности и оценки их фильтрационных и миг-
рационных свойств, может быть использован ряд принципиаль-
но различных методов. Основой для проектирования этих работ
является геологическая характеристика разреза, получаемая при
бурении скважин и позволяющая качественно оценить строение
водоносного пласта по изменению гранулометрического состава
отложений (в разрезах рыхлых отложений) или по изменению
степени трещиноватости скальных пород.
Расчленение разреза на интервалы с существенно различны-
ми свойствами в слабоуплотненных породах обычно эффективно
выполняется с помощью геофизических исследований в скважи-
нах (ГИС) методами электрического, радиоактивного, акусти-
ческого, магнитного и других видов каротажа в различных моди-
фикациях. Для литифицированных пород следует выделить отли-
чающийся наибольшей информативностью и детальностью так
называемый гидрогеологический каротаж, включающий методы
расходометрии, термометрии и резистивиметрии скважин. Каж-
дый из этих методов для повышения информативности обыкно-
венно сопровождается возбуждением скважины, наливом или
откачкой различной длительности и интенсивности.
Количественная характеристика вертикальной неоднороднос-
ти пласта выполняется с помощью опытно-фильтрационных (от-
качки, нагнетания) и опытно-миграционных (запуски трасера)
опробований в интервалах, выделенных по данным геологичес-
ких наблюдений и каротажа.
Оценка вертикальной неоднородности гидрогеологических
свойств может быть выполнена также поинтервальным и зональ-
ным опробованием скважин. Однако эти методы, построенные на
теории несовершенных скважин, требуют существенно больших
затрат на бурение, оборудование и опробование скважин. Кроме
того, возникают проблемы гидроизоляции интервалов, часто не-
удовлетворительно решаемые, особенно в карбонатных породах.
Задача 5
ИЗУЧЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИОННОЙ
НЕОДНОРОДНОСТИ ВОДОНОСНОГО ГОРИЗОНТА МЕТОДОМ
РАСХОДОМЕТРИИ СКВАЖИН
Водоносный горизонт представляет собой, как правило, чередо-
вание отдельных слоев, пластов, линз преимущественно хорошо
125
проницаемых пород и характеризуется едиными условиями пи
тания и единой уровенной поверхностью подземных вод. Каж-
дый входящий в состав водоносного горизонта слой принимает-
ся однородным по проницаемости в вертикальном разрезе, в связи
с чем суммарная проводимость водоносного горизонта может быть
определена суммой проводимостей складывающих его слоев.
Существенное значение данное положение имеет для грунто-
вых водоносных горизонтов, суммарная проводимость которых
определяется мощностью и фильтрационными свойствами об-
водненной части разреза и, следовательно, в значительной мерс
зависит от положения уровня подземных вод.
Специальный гидрогеологический каротаж — расходомет-
рия — и относительно прост в организации позволяет исследо-
вать вертикальную фильтрационную неоднородность водоносно-
го горизонта с большой степенью детальности (до нескольких
сантиметров). В то же время следует отметить, что интерпретация
данных расходометрии недостаточно строго обоснована в теоре-
тическом отношении и может быть существенно осложнена гид-
равлическими особенностями движения потока в конкретной
скважине в зависимости от ее конструкции и состояния.
На учебном полигоне существенной вертикальной фильтра-
ционной неоднородностью обладают известняки среднего кар-
бона, имеющие трещинно-карстовый характер проницаемости. В
кернах скважин на пойме и первой надпойменной террасе отме-
чены существенно различная степень трещиноватости известня-
ков и наличие каверн и пустот (размером до 1—5 см и более),
неравномерно распределенных по разрезу. Для оценки фильтра-
ционных свойств известняков на разных уровнях разреза проек-
тируется проведение расходометрических испытаний.
Теоретическое обоснование
В стволе скважины, вскрывающей неоднородный по вертика-
ли водоносный пласт, может существовать вертикальный пере-
ток между отдельными прослоями, если они имеют разные на-
поры (рис. 3.16). Такой переток существует на участках интен-
сивного питания водоносного горизонта, в областях площадной
разгрузки в смежные горизонты или вблизи несовершенных дрен
(реки, водоемы) в связи с искажением потока в области разгруз-
ки. На остальной площади распространения водоносного гори-
зонта, характеризующегося слабой дифференциацией напоров в
разрезе, вертикальные перетоки при естественном режиме фильт-
рации отсутствуют или ничтожно малы.
126
Рис. 3.16. Формирование потоков по стволу скважины в водоносном горизонте
карбонатных пород:
а — при возбуждении скважины наливом; b — без возбуждения скважины (напоры в ниж-
них проницаемых зонах выше, чем в верхних)
Под дебитом интервала Q, понимается расход взаимодействия
/'-го прослоя л-слойного пласта со скважиной. Он определяется
геометрическими характеристиками скважины, фильтрационными
свойствами интервала и разницей напоров между пластом и сква-
жиной. Дебит /-го интервала может быть представлен в виде (ин-
декс интервала / при выводе формул опускается)
Q = (Н - HW)TF, (5.1)
где Н — напор интервала при отсутствии скважины (водоносные
интервалы разобщены); Hw — напор в скважине; Т — проводи-
мость интервала; F — функция, определяемая граничными усло-
виями пласта, пространственной структурой и режимом потока.
Например, для бесконечного изолированного пласта в квазиста-
ционарном режиме фильтрации это известное выражение
г Г 1 , \,s4at
F - — In ---------
2л г
127
Точная оценка проводимости интервала по этому уравнении»
невозможна, поскольку неопределенными для каждого интерва
ла является величина F и напор интервала Н. Однако, если про
вести две ступени опробования скважины (при естественном ре-
жиме и при возбуждении) и допустить постоянство напора ин-
тервала Н за время проведения опыта, можно записать:
де = Q°- Qp = (Я - Я°)7Г - (Я - HP)TF = (Н? - H°)TF, (5.2)
где индексы 0 и р соответствуют режимам опробования скважи-
ны при отсутствии и наличии возбуждения. Тем самым снимает-
ся необходимость оценки напора интервала и уравнение (5.2)
позволяет сделать оценку проводимости интервала, однако вели-
чина F остается неизвестной. Тем не менее можно сделать при-
ближенные оценки на основании следующих предположений.
При отсутствии возбуждения напор в стволе скважины несу-
щественно отличается от напора в интервале, следовательно,
разность напоров в уравнении (5.2) примерно равна понижению
(повышению) напора при возбуждении.
При известном времени опыта, обычно первые часы (например,
0,1 сут), радиусе скважины (0,07—0,1 м) и при характерном диапа-
зоне величин пьезопроводности (104—106, мусут) значение функ-
ции F изменяется от 1 до 1,4. Следовательно, несмотря на суще-
ственные вариации значений пьезопроводности, можно прибли-
женно оценить проводимость интервала с погрешностью 20—30%.
Еще одним способом интерпретации данных расходометрии
является определение относительной проводимости интервалов
или проницаемых зон (слоев). Проводимость водоносного гори-
зонта складывается из проводимостей отдельных слоев Т = '£Ti,
следовательно, для относительной проводимости z-ro слоя мож-
но записать выражение 7] = 7] /Т
На основании приведенных выше оценок можно полагать зна-
чения /"примерно одинаковыми для всех слоев и записать выраже-
ние для определения относительной проводимости z-ro слоя в виде:
7} = де,./£де,. = де,./е, (5.з)
где Q — расход скважины при возбуждении. Второе равенство
следует из того, что при отсутствии возбуждения алгебраическая
сумма расходов слоев равна нулю.
Для расчетов по уравнению (5.3) необходимо знать величину
ДО, для каждого прослоя, т.е. измерить при опыте значения деби-
та каждого слоя при естественных условиях и при возбуждении
скважины. Эти значения определяются как разность расходов по
128
• гволу скважины на границах /-го слоя (на его кровле QK и подо-
шве Qn):
Qi=QK~Qn. (5.4)
Величины расходов слоев могут иметь как положительное, так
и отрицательное значение или быть равными нулю; возможно
различие знака расхода слоя при отсутствии и наличии возбуж-
цения скважины. Положительный расход показывает поступле-
ние воды из этого интервала в скважину и, соответственно, пре-
вышение напора интервала над напором в скважине. Отрицатель-
ное значение имеет место при поглощении интервалом воды из
скважины и при обратном соотношении напоров.
Расход интервала может быть равным нулю в двух случаях:
при равенстве напоров слоя и скважины; если слой представлен
непроницаемыми породами.
Если имеет место второй случай, расход слоя будет равен нулю
при всех ступенях опробования (т.е. при любом положении уров-
ня воды в скважине). В первом случае при изменении уровня
поды в скважине (при другой ступени опробования) соотноше-
ние напоров слоя и скважины изменяется и появляется взаимо-
действие между скважиной и интервалом.
Таким образом, исходной опытной информацией для оценки
распределения фильтрационных свойств по глубине водоносно-
го горизонта являются данные об изменении по глубине расхо-
дов через сечение ствола скважины при отсутствии и наличии
возбуждения.
Методика проведения опыта и используемая аппаратура
При проведении расходометрии используются два скважин-
ных снаряда: расходомер и каверномер. Расходомер электричес-
кий тахометрический скважинный (типа РЭТС-2) выпускается
четырех типоразмеров, различающихся диаметром рабочей час-
ти — 36 мм (прибор скважинный ПС-36М), 56 мм (ПС-56М),
70 мм (ПС-70М) и 110 мм (ПС-1 ЮМ). Наиболее широко распро-
страненными каверномерами, которые служат для измерения ди-
аметра открытого ствола скважины, являются каверномеры ма-
логабаритные КМ-1 и КМ-2.
Чувствительным элементом расходомера является трехлопаст-
ная крыльчатка (рис. 3.17), при каждом обороте которой в изме-
рительную схему поступает два электрических импульса (поло-
жительный и отрицательный), фиксируемые счетчиком или за-
писываемые на диаграмме с помощью каротажного самописца.
По чередованию импульсов и интервалов между ними счетчик
имеет возможность оценить направление осевого потока по стволу
скважины (рис. 3.18).
129
Определение расхода потока Q по стволу скважины сечением
ш производится по зависимости
Q Qn?Kd>
(5.5)
где 0Пр=/(Л) ~ расход потока через поперечное сечение nj|lp
рабочего канала прибора; п — частота вращения крыльчатки;
Рис. 3.17. Схема конструкции рас-
ходомера РЭТС-2
Kd=f(mnp/mc) — переходный ко
эффициент на диаметр скважины.
Для определения значений 0пр и
Kd используются тарировочные
зависимости (рис. 3.19, 3.20).
Таким образом, при опыте для
определения Q необходимо изме
рить в каждой точке стояния при
бора величины п и dc и затем по
тарировочным зависимостям опре
делить 0пр и Kd. Кроме этого оп
ределяется направление потока по
стволу скважины в точке измере-
ния, поскольку в зависимости от
него знак расхода будет разным -
при движении потока вверх по
стволу скважины расход считает-
ся положительным, при движении вниз — отрицательным. Знак
расхода в сечении скважины имеет существенное значение при
расчетах расходов интервала Q, (уравнение 5.4).
Опыт выполняется при помощи передвижной каротажной стан-
ции, оборудованной механической лебедкой, аппаратурой уп-
равления каверномером и расходомером и регистрации измеряе-
мых величин.
Рис. 3.18. Форма записи импульсов от расходомера РЭТС-2 на каротажной диа-
грамме:
а — при движении потока вверх; б — при движении потока вниз
130
Qnp, л/с
Qnp = ал
14
12
ю-
8 -
8
4 -
2 -
0 -
О 2 4 6 8 10 12
п,об/с
Рис. 3.19. Тарировочные графики расходомеров (Qnp + п)
Kd = А + Bid + B2d2 + B3d3
Кйдля Мдля
Рис. 3.20. Тарировочные кривые dc для расходомеров
Выполнение опыта
Целью опыта является определение глубин расположения зон
повышенной проницаемости и их проводимости (относительной
и абсолютной).
Первый этап включает определение технических параметрон
опыта:
1) глубины центральной скважины и уровня воды в ней;
2) в случае наличия близкорасположенных наблюдательных
скважин измеряются расстояния до них от центральной и
глубины до уровней воды;
3) запись кавернограммы центральной скважины, для чего
необходимо:
а) закрыть замком «ноги» каверномера; б) прикрепить его к
каротажному кабелю; в) опустить прибор в скважину ниже
интересующего интервала опробования; г) раскрыть «ноги»
каверномера; д) перемещая прибор по стволу скважины,
записать сигнал каротажным самописцем с проставлени-
ем меток глубины; е) вынуть прибор из скважины и сде-
лать тарировку посредством записи сигнала при вставле-
нии «ног» в тарировочные кольца различного диаметра.
Второй этап заключается в определении перетоков по стволу
скважины без внешнего возбуждения, для чего необходимо:
1) прикрепить расходомер к кабелю и погрузить его под уро-
вень обсадной трубы, т.е. в место, где ствол скважины от-
крыт и может существовать поток;
2) с шагом по глубине 1—2 м измерить скорости вращения
крыльчатки расходомера; при этом надо помнить о том,
что после спуска прибора на следующую фиксированную
глубину крыльчатка будет вращаться некоторое время по
инерции, следовательно, надо дождаться стабильного вра-
щения или его отсутствия.
Третий этап заключается в определении положений проница-
емых зон и выполняется в виде динамической расходометрии,
при которой:
1) включается налив воды в центральную скважину, опреде-
ляется его деб <т и отмечается время начала налива;
2) расходомер поднимается на глубину выше нижнего обреза
глухой обсадной трубы и подключается к каротажному са-
мопишущему регистратору;
3) производится запись сигнала расходомера при опускании
его с постоянной скоростью по стволу скважины с одно-
временным проставлением меток глубины;
132
4) интерпретация записей динамической расходограммы и
кавернограммы поиском мест резкой изменчивости часто-
ты вращения крыльчатки.
Четвертый этап — определение расходов по стволу скважины
и промежутках между зонами повышенной проницаемости, вы-
деленными на третьем этапе. Для этого нужно:
1) в окрестности выделенных на предыдущем этапе зон повы-
шенной проницаемости найти на кавернограмме места по-
стоянства диаметра скважины в интервале 1,5—2 м;
2) последовательно устанавливать расходомер в выделенные
на третьем этапе точки и измерять скорости вращения
крыльчатки;
3) измерить глубины уровня воды в центральной и наблюда-
тельной скважинах;
4) выключить налив.
В существующей практике поиск проницаемых зон и слоев вы-
полняется в виде статической расходометрии (по точкам) со сгу-
щением шага измерений в окрестности зоны. При этом одновре-
менно проводится измерение скорости вращения крыльчатки, т.е.
совмещаются третий и четвертый этапы приведенной выше мето-
дики. Однако в случае карбонатных пород эта методика дает боль-
шие погрешности в наиболее разрушенных бурением отрезках ство-
ла скважины вследствие нецилиндрической их формы и существо-
вания вертикальных трещин, образующих параллельный поток.
Регистрация данных опыта ведется в журнале.
Рекомендации к проведению опыта:
1. Ствол скважины в исследуемом интервале должен быть не
обсаженным; необходима предварительная прокачка скважины
во избежание кольматации стенок и повреждения расходомера
при высокой мутности воды.
2. Тарировка расходомера произведена при его расположении
на вертикальной оси скважины, поэтому при измерениях необ-
ходимо центрировать прибор в скважине с помощью специаль-
ных шин.
3. При первом погружении прибора точки измерения следует
располагать через 1—2 м; на участках активного изменения рас-
хода производится детализация (до 0,1—0,5 м).
Камеральная обработка опытных данных
1. Для каждой глубины (точки) измерения скорости вращения
крыльчатки необходимо:
1) рассчитать скорость вращения крыльчатки;
133
2) определить расход воды через канал прибора (см. рис. 3.19);
3) построить тарировочный график каверномера и по кавер
нограмме определить диаметры ствола скважины для точек
измерения расхода воды;
4) рассчитать расходы воды по стволу скважины.
2. Построить точечный график расходов воды по стволу сква-
жины в зависимости от глубины. При этом производится отбра-
ковка точек на основании предпосылки об убывании или сохра-
нении по глубине расхода по стволу скважины. Отметить линия-
ми зоны повышенной проницаемости (рис. 3.21).
3. Построить ступенчатый график расхода с углами в местах
проницаемых зон.
4. Рассчитать приращения расхода по стволу скважины и по-
строить график относительных проводимостей для проницаемых
зон (см. рис. 3.21).
5. На основании измерений повышения уровня в наблюда-
тельных и центральной скважинах приближенно определить про-
водимость водоносного горизонта и нанести шкалу абсолютных
значений проводимости на последний график.
Текст отчета должен содержать разделы:
1. Введение с обоснованием необходимости изучения верти-
кальной фильтрационной неоднородности водоносного горизонта.
Рис. 3.21. Внешний вид графиков зависимостей расхода по стволу скважины (Q)
и проводимости (7}) проницаемых зон от глубины (?)
134
2. Теоретическое обоснование выбираемой схемы распределе-
ния проницаемости и методики проведения опыта.
3. Описание участка исследований, экспериментального куста
скважин, оборудования и измерительной аппаратуры для прове-
дения опыта.
4. Описание методики реально проведенного опыта.
5. Интерпретация результатов, включая процедуру выделения
проницаемых зон, промежуточные расчеты и графики.
6. Обсуждение результатов (допущения, точность измерений,
точность выделения и определения глубин проницаемых зон и т.п.).
В тексте приводятся таблицы:
1) результатов измерений скоростей вращения крыльчатки и
расчетов расходов по стволу скважины;
2) результатов определения относительных и абсолютных про-
водимостей проницаемых зон и их глубин;
а также рисунки:
1) геолого-технический разрез экспериментального куста сква-
жин, включающий представления о фильтрационной не-
однородности пород по вертикали, систему подачи воды и
положения скважинного прибора;
2) принципиальные схемы каверномера и расходомера;
3) расходограмма и графики распределения проводимостей
зон по глубине.
Задача 6
ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАССОПЕРЕНОСА
КАРБОНАТНЫХ ПОРОД В ВЕРТИКАЛЬНОМ РАЗРЕЗЕ
Параметры массопереноса необходимы в первую очередь для
прогноза загрязнения подземных вод от техногенных и природ-
ных источников. Многие задачи прикладных и теоретических раз-
нелов гидрогеологии, геохимии, грунтоведения, технической
мелиорации грунтов и геокриологии базируются на теории ми-
грации подземных вод и нуждаются в оценках параметров массо-
н ере носа. Основные вопросы, решаемые при этом:
1) на какое расстояние за определенное время переместится
загрязнение;
2) за какое время загрязнение дойдет от источника до интере-
сующего нас места, например водозабора;
3) как будет изменяться концентрация загрязнения в простран-
стве водовмещающих пород и во времени.
135
Теоретическое обоснование
Ведущим параметром миграции подземных вод является спо-
собность пород накапливать вещество, или емкость пород, отно-
сительно мигранта. Этот параметр состоит из двух слагаемых:
1) емкости удельного поглощения вещества поровым простран-
ством пород в виде раствора (подземной воды);
2) емкости удельного поглощения вещества самой породой в
виде твердых фаз вследствие физико-химического обмена.
Для того чтобы продвинуться по пути миграции, загрязняю-
щее вещество должно заполнить обе емкости. В то время как ем-
кость порового пространства является преимущественным свой-
ством пород для истинных растворов, емкость пород для погло-
щения вещества в виде твердых фаз есть свойство и пород и
растворов (подземных вод). Обыкновенно емкость пород харак-
теризуют эффективной пористостью в виде
n = n0+ Kd,
где п0 — активная пористость пород; Kd -коэффициент распреде-
ления линейной изотермы сорбции (Генри):
N = KdC,
где N — концентрация вещества в виде твердых фаз (масса в
единице объема породы); С — концентрация вещества в раство-
ре (масса в единице объема воды). Под процессами сорбции по-
нимаются все процессы физической и химической сорбции.
Другая группа параметров характеризует процессы рассеяния
вещества, это:
1) микродисперсия за счет стохастической природы распре-
деления поперечных и продольных размеров пор и их ори-
ентировок;
2) кинетика физико-химического обмена веществом между
раствором и породой;
3) диффузионный массообмен трещин и пористых блоков
пород.
Распределение параметров массопереноса по вертикали опре-
деляется литологическим строением разреза пород и эпигенети-
ческими их преобразованиями. В случае карбонатных пород важ-
нейшим является карстовый процесс, определяющий развитие
двух основных элементов водоносного горизонта:
1) тонких зон повышенной проницаемости незначительной
мощности (первые сантиметры), обеспечивающих практи-
чески всю проницаемость горизонта;
136
2) толщ слабопроницаемых пород мощностью первые метры,
гидравлически разобщающих зоны повышенной проница-
емости.
Тонкие зоны повышенной проницаемости вследствие особен-
ностей формирования, не имеют физически определяемой мощ-
ности, так как состоят из взаимопересекающихся небольших уча-
стков раскарстованных трещин. Поэтому они могут характеризо-
ваться как отдельные пласты проводимостью (Т = кт) и удельной
емкостью пласта (пт). Определение собственно коэффициента
фильтрации или пористости зоны невозможно.
Мигрирующее вещество перемещается горизонтально по про-
ницаемым зонам с большой скоростью и вертикально перетекает
через слабопроницаемые толщи по незакарстованным трещинам,
попутно насыщая пористые блоки пород. Таким образом, для
получения полноценной модели миграции загрязнения необхо-
димы следующие характеристики и параметры водоносных гори-
зонтов карбонатных пород:
• количества зон повышенной проницаемости, их проводи-
мости, удельных емкостей, параметров микродисперсии;
• мощности слабопроницаемых толщ, коэффициентов филь-
трации, удельных емкостей пород (трещин и блоков), парамет-
ров скорости обмена массой между блоками и трещинами.
Дополнительным осложнением экспериментального опреде-
ления параметров массопереноса является естественный поток
подземных вод, который деформирует поле скоростей, создавае-
мое возбуждающей скважиной. Следовательно, его величина и
направление являются еще одним параметром эксперимента.
В случае запуска трасера при нестационарном режиме фильтра-
ции в потоке будут существовать две области: квазистационарного
режима в непосредственной близости к возбуждающей скважине
и нестационарного — в отдалении. В области квазистационарного
режима направления и значения поля скоростей практически не-
изменны во времени, и для интерпретации результатов экспери-
мента подходят многочисленные простые решения, полученные в
посылке стационарного режима фильтрации.
Методы определения
Для определения перечисленных характеристик и параметров
обыкновенно используется комплекс полевых и лабораторных
методов. Причем определение некоторых параметров, например
коэффициентов фильтрации слабопроницаемых толщ, доволь-
но трудоемко и долговременно. Часть параметров, например
137
пористость блоков пород удовлетворительно определяется лабо-
раторными методами. Однако изучение распределения зон повы-
шенной проницаемости в разрезе и получение их геофильтраци-
онных и геомиграционных характеристик требует обязательных по-
левых исследований, относительно нетрудоемких и являющихся
отдельными видами работ. Поэтому здесь они будут рассмотрены.
Определение положения проницаемых зон в разрезе и оценка
их проводимостей выполняется методом расходометрии скважин
(см. задачу 5).
Для определения удельных емкостей и параметров микродис-
персии проницаемых зон используются методы запуска марки-
рующего раствора — трасера в следующих вариантах:
1) налив трасера в центральную скважину и регистрация его
прохождения в наблюдательной — кустовой налив;
2) налив трасера в наблюдательную скважину при откачке из
центральной с регистрацией в откачиваемой скважине —
кустовая откачка;
3) откачка воды из одной скважины и одновременный налив
трасера в другую, обыкновенно с расходом откачки — так
называемый дуплет.
В зависимости от масштабов опыта, технических средств и
необходимой точности получаемой информации выделяют не-
сколько способов ввода трасера в пласт.
1. Сплошное вытеснение — трасер подается в пусковую сква-
жину до стабилизации его концентраций в регистрационной
скважине.
2. Пакетный запуск — трасер подается в пусковую скважину в
течение определенного времени и затем подача его прекращает-
ся (кустовая откачка) или он вытесняется простой водой для
налива в центральную скважину (кустовой налив и дуплет).
3. Импульсный запуск (очень короткий пакетный) — трасер
вводится в виде небольшого объема достаточно концентриро-
ванного раствора в пусковую скважину, далее, как в предыду-
щем случае.
Следует сразу отметить, что при соответствующих способах
регистрации «простая вода», взятая из реки или другого горизон-
та и, следовательно, имеющая иной химический состав, может
служить удобным и дешевым трасером.
Математические модели и методы расчета параметров
Для интерпретации результатов эксперимента используются
аналитические решения ряда математических моделей процесса
138
массопереноса без учета и с учетом микродисперсии. Рассмот-
рим основные модели процессов и методы определения парамет-
ров массопереноса для отдельной i-й зоны повышенной прони-
цаемости (пласта). Индексы номера зоны-пласта при соответству-
ющих параметрах опускаются.
Налив трасера в центральную скважину и регистрация
в наблюдательной
Радиальный поток без учета микродисперсии
и естественного потока
Сплошное вытеснение. Область пласта, занятая трасером, име-
ет вид цилиндра. Зная время t прихода фронта вытеснения или
пика трасерного пакета (импульса) в наблюдательную скважину,
находящуюся на расстоянии г от центральной, можно рассчи-
тать удельную емкость пласта по формуле
пт = 0//(лг2). (6.1)
Выходная кривая имеет вид ступени, описываемой моделью
С = 0;
С = 1;
t < Kr2nm/Q',
t > Kr2nm/Q.
(6.2)
Пакет и импульс. В случае пакетного или импульсного запуска
трасера в силе остаются предыдущие выражения (6.1) с той раз-
ницей, что время отсчитывается между прохождениями середи-
ны пакета или импульса трасера.
Радиальный поток с учетом естественного потока
Простые формулы для совместного определения удельной
емкости пласта и единичного расхода естественного потока по-
лучаются для куста из центральной и двух наблюдательных сква-
жин, одна из которых расположена вниз, а другая вверх по пото-
ку. В условиях квазистационарного режима фильтрации получаем
систему уравнений:
пт
2nq
Q d
........ Q . (. 2itq
td=— xd + ~7>
q 2nq I Q
(6.3)
Q
nm
tu
Q 1 Г. 2л?
Xu + 2nq T Q Xu
“ ’ 2nq
139
где td — время прихода фронта вытеснения или пика пакета и
наблюдательную скважину, расположенную строго вниз по на
правлению естественного потока на расстоянии xd от централь
ной; tu и хи — соответствующие обозначения для наблюдатель
ной скважины, расположенной вверх по потоку.
При наличии двух наблюдательных скважин определяются
величины пт и q. В случае одной наблюдательной скважины, рас
положенной с центральной на линии направления естественно
го потока, следует определить единичный расход q из данных о
градиентах напора и проводимости пласта.
Пакет и импульс. В случае пакетного или импульсного запуска
трасера в силе остаются предыдущие выражения (6.3), с той раз
ницей, что время отсчитывается между прохождениями середи-
ны пакета или импульса трасера.
Радиальный поток с учетом микродисперсии при отсутствии
естественного потока
Сплошное вытеснение. В этом случае используется приближен-
ное решение уравнения микродисперсии:
Р _ С-Со J. _ пт nr2 - Qt
С°-Со ’ J 2-JDm пт -t’
(6.4)
где С, Со, С°-г- текущее, фоновое и максимальное значения кон-
центраций трасера соответственно. Следует учесть, что характе-
ристикой процесса микродисперсии будет произведение Dm, а
не коэффициента микродисперсии.
Определение параметров массопереноса производится графо-
аналитическим методом на основе преобразования аргумента к
виду уравнения прямой линии
8= е_.
2у Dm пт
(6.5)
Значения аргумента £ определяются как обратная функция:
£ = inferfc(2C) = inferf (1 - 2С); erf(-£) = -erf£. (6.6)
Значения функций приведены в табл. 6.1.
После определения параметров пт и Dm рассчитывается пара-
метр микродисперсии (дисперсивность) 5 исходя из структуры
коэффициента микродисперсии D « 5v.
140
Значения функций erfc g erf g
Таблица 6.1
В erfg erfcg 1 erfg erfcg 1 erlg erfcg
0,00 0,000 1,000 0,46 0,485 0,515 0,92 0,807 0,193
0,02 0,023 0,977 0,48 0,503 0,497 0,94 0,816 0,184
0,04 0,045 0,955 0,50 0,521 0,479 0,96 0,825 0,175
0,06 0,068 0,932 0,52 0,538 0,462 0,98 0,834 0,166
0,08 0,090 0,910 0,54 0,555 0,445 1,00 0,843 0,157
0,10 0,112 0,888 0,56 0,572 0,428 1,05 0,862 0,138
0,12 0,135 0,865 0,58 0,588 0,412 1,10 0,880 0,120
0,14 0,157 0,843 0,60 0,604 0,396 1,15 0,896 0,104
0,16 0,179 0,821 0,62 0,619 0,381 1,20 0,910 0,090
0,18 0,201 0,799 0,64 0,635 0,365 1,25 0,923 0,077
0,20 0,223 0,777 0,66 0,649 0,351 1,30 0,934 0,066
0,22 0,244 0,756 0,68 0,664 0,336 1,35 0,944 0,056
0,24 0,266 0,734 0,70 0,678 0,322 1,40 0,952 0,048
0,26 0,287 0,713 0,72 0,691 0,309 1,45 0,960 0,040
0,28 0,308 0,692 0,74 0,705 0,295 1,50 0,966 0,034
0,30 0,329 0,671 0,76 0,718 0,282 1,60 0,976 0,024
0,32 0,349 0,651 0,78 0,730 0,270 1,70 0,984 0,016
0,34 0,369 0,631 0,80 0,742 0,258 1,80 0,989 0,011
0,36 0,389 0,611 0,82 0,754 0,246 1,90 0,993 0,007
0,38 0,409 0,591 0,84 0,765 . 0,235 2,00 0,995 0,005
0,40 0,428 0,572 0,86 0,776 0,224 2,10 0,997 0,003
0,42 0,447 0,553 0,88 0,787 0,213 2,20 0,998 0,002
0,44 0,466 0,534 0,90 0,797 0,203 2,30 0,999 0,001
Пакетный пуск трасера. Исйользуется суперпозиция решения
для случая сплошного вытеснения в виде:
ПС/ 5. X nm-nr2-Qt.
С - 0,5(erfc^ - erfc^o); g = —
2-JDm-nm-t
i - nm ' nr2 ~ ~ {^-
2jDm nm(t -10) ’
(6.7)
где t0 — длительность пакетного запуска. Параметр пт определя-
ется по формуле (6.1) для времени t=tMaKC — О,5/о, где /макс —
время прохождения максимума пакета. Коэффициент микродис-
пёрсии для принятого метода регистрации концентрации прак-
тически не определяется.
141
ll,i inn //»/>,/< <•/»!( ii наблюдательную скважину при откачке
I l.uitioiici: достоверно в этом случае можно определить только
vm ni.iiyio емкость пласта пт. Следовательно, вполне подходит
импульсный или пакетный запуск трасера в наблюдательную сква-
жину. Время появления максимума концентрации в откачивае-
мой скважине и расстояние между скважинами дают информа-
цию для расчета по формуле (6.1) или (6.3) соответственно, без
учета или с учетом естественного потока.
Дуплет. Для удельной емкости пласта используется прибли-
женное решение П.К. Коносавского:
. 1/ ,
р 2 (t0 V* . . п^пт ,, о.
С = — arccos -2- ; t > t0; t0 = , (6.8)
n < t) 3Q
где R — расстояние между откачивающей и нагнетающей сква-
жинами; t0 — время появления трасера в откачивающей скважи-
не. Для его определения уравнение преобразуется к виду:
cos_,l(0,5n С) = At; A = l/t0. (6.9)
Построив график в указанных координатах, можно найти ис-
комый параметр по угловому коэффициенту графика на основа-
нии выражения для t0 из (уравнения 6.8).
Пакет и импульс. В случае пакетного или импульсного запуска
трасера можно приближенно определить удельную емкость плас-
та пт по времени появления трасера в откачиваемой скважине
/оиз соответствующего выражения в уравнении (6.8).
Планирование опытов и обработка результатов основываются
на математических моделях, описывающих прохождение трасера
в точках наблюдения.
Техническое обеспечение
Выбор трасера основывается на целевой задаче определения
параметров массопереноса. В любом случае необходимо опреде-
ление удельного объема пор в элементе проницаемой зоны (пот).
Для этого предпочтителен нейтральный мигрант с удобным ме-
тодом регистрации, дешевый и не являющийся опасным для здо-
ровья. Наилучшим в этом случае является раствор поваренной
соли (NaCl). Его концентрация легко регистрируется методами
измерения электрического сопротивления растворов. Концент-
рация соли должна быть в пределах 1—2 г/л, что не изменяет плот-
ности раствора и обеспечивает практически линейную связь между
142
электрической проницаемостью раствора и концентрацией. Ве-
личина коэффициента распределения (jQ может быть найдена
как непосредственно для интересующего мигранта, так и расче-
том по лабораторным определениям или литературным данным.
Подача трасера в скважину (рис. 3.22) должна осуществляться
обязательно насосом (обыкновенно центробежным) для поддер-
жания постоянства дебита в течение опыта. При этом возможна
схема смесителя на два входа которого насосами подаются кон-
центрат трасера и разбавляющая вода, а на выходе получается
раствор соли нужной концентрации. Регулировка осуществляет-
ся вентильными кранами.
Метод регистрации концентрации трасера, содержащего силь-
ный электролит выбирается исходя из свойств трасера, с учетом
доступного метода его регистрации. Для решения поставленной
задачи с трасером NaCl выберем метод измерения сопротивле-
ния (резистивиметрии) раствора. Используем стандартную четы-
рехэлектродную схему с зондом, модифицированным для усло-
вий «электрической зараженности» территории. На рис. 3.23 изоб-
ражена конструкция одиночного резистивиметра.
Рис. 3.22. Принципиальная схема опыта для случая налива трасера в централь-
ную скважину
143
Электроды Л и Я, на которые подается переменный ток низ-
кой частоты (22,5—50 Гц), постоянной силы, образуют практи-
чески замкнутое электрическое поле, экранированное от других
токов, существующих в породе. Ток подается от генератора низ-
кочастотной геофизической аппаратуры наземных или каротаж-
ных станций. Электроды N и М для измерения разности потен-
циалов расположены внутри созданного поля. Измерение на них
может осуществляться любым достаточно высокоомным вольт-
метром переменного тока, лучше цифровым. Применение пере-
менного тока необходимо для стабилизации работы электродов в
растворе соли. Естественно помнить, что для точного соответ-
ствия удельного сопротивления концентрации соли необходима
тарировка зондов. В регистрирующую скважину обычно опуска-
ется несколько зондов, расположенных на одном многожильном
кабеле («коса»). Удельное сопротивление связано с разностью
потенциалов, измеренных на электродах М и N уравнением
p = aAU/I\ С = р/р = р/ /(aAU) = b/\U,
где b — обобщенный коэффициент зонда. На основе этого пред-
ставления легко определяется относительная концентрация тра-
сера при условии доведения до конца выходной кривой в наблю-
дательной скважине согласно уравнению (6.4)
77
1/ _ .1/ •
/Д£/0 /Д«/о
Порядок проведения опыта
Проведение опыта состоит из двух этапов: планирование и
выполнение.
Планирование опыта:
1. Определение мест расположения зон по-
вышенной проницаемости для пусковой и
наблюдательной скважин и проводимостей
этих зон для центральной скважины на осно-
вании результатов выполнения задачи № 5.
Рис. 3.23. Принципиальная схема резистивиметрическо-
го датчика:
А, В — электроды для задания тока; М, N — электроды для
измерения разности потенциалов
144
2. Измерение технических параметров куста скважин (глуби-
ны скважин, уровни воды, расстояния между скважинами). Ис-
пользуются уровнемеры.
3. Ориентировочный расчет объема трасерного раствора, не-
обходимого для проведения опыта методом сплошного вытесне-
ния. Ориентировочное значение удельной емкости одной зоны
повышенной проницаемости пт *> 0,01 м.
4. Ориентировочный расчет дебита налива трасера для ликви-
дации влияния искажения радиальности потока (увеличение де-
бита) и для качественной надежной регистрации прохождения
ipacepa в наблюдательной скважине (уменьшение дебита). Расчет
приближенного времени опыта. Используется предпосылка об-
разования цилиндра пористых пород, заполненного раствором.
Радиус цилиндра равен расстоянию от центральной до наблюда-
тельной скважин V= Qt = nr*nm.
5. Расчет примерного времени прохождения фронта вытесне-
ния или максимума пакета на основании предыдущей формулы.
6. Расчет дополнительного времени прохождения зоны дис-
персии.
7. Расчет количества соли, необходимого для приготовле-
ния такого объема трасерного раствора с концентрацией око-
ло 1—2 г/л.
8. Оценка времени наступления квазистационарного режима
фильтрации в области проведения опыта по критерию t>
где а — пьезопроводность водоносного горизонта.
Выполнение опыта:
1. Приготовление трасерного раствора либо заданной концен-
трации, либо повышенной для последующего смешивания.
2. Размещение измерительных датчиков косы так, чтобы они
располагались на глубинах обнаружения зон повышенной про-
ницаемости, осуществляется перемещением датчиков и укора-
чиванием кабеля косы подвязкой. Процедура индивидуальна для
каждой скважины, включая пусковую. В последней необходимо
знать задержку поступления трасера непосредственно в прони-
цаемую зону относительно общего начала опыта.
3. Оценка возможного влияния естественного потока осуще-
ствляется введением дополнительной скорости перемещения тра-
сера, приближенно равной скорости движения подземных вод.
Величина и направление естественного потока определяется на
основании измерений градиента напоров подземных вод в сква-
жинах кустов 2 и 3, а так же на основании определения прово-
димости водоносного горизонта по результатам опытной откач-
ки подземных вод и других методов (задачи 2, 4 и 5) q = Т&Н/Ьх’,
и = q/(nm).
145
4. Установка «кос» датчиков в центральную и наблюдательные
скважины и измерение фоновых значений разностей потенций
лов для всех датчиков.
5. Включение налива (откачки) с определенным ранее деби-
том, для чего он регулируется с использованием измерителей
расхода или объемным методом. В случае кустового налива или
дуплета сразу запускается трасер. Для откачки, при запуске тра-
сера в наблюдательную скважину необходимо дождаться распро-
странения зоны квазистационарного режима фильтрации на рас-
стояние радиуса наблюдательной скважины.
6. В момент пуска трасера начинается отсчет времени опыта
(секундомер) и слежение за прохождением трасера по стволу
пусковой скважины. Далее периодически снимаются показания
датчиков в наблюдательных скважинах. Интервалы измерений
выбираются исходя из характера выходной кривой, т. е. сначала
большие, а при изменении показаний датчиков — меньшие. Иде-
ально иметь интервалы времени, обеспечивающие равные при-
ращения показаний датчиков.
Камеральная обработка и представление результатов опыта
Текст отчета должен содержать разделы:
1. Введение с обоснованием необходимости определения па-
раметров массопереноса.
2. Теоретическое обоснование выбираемой геомиграционной
среды и метода постановки опыта.
3. Описание участка исследований, экспериментального куста
скважин, оборудования для организации опыта и измерительной
аппаратуры регистрации концентрации.
4. Выбранная схема проведения опыта с количественными ха-
рактеристиками расходов скважины, длительности пуска трасе-
ра, концентрация трасирующего вещества.
5. Метод расчета параметров массопереноса.
6. Определение параметров.
7. Обсуждение результатов (допущения, точность измерений,
качество способа регистрации концентрации и т. п.).
В тексте приводятся таблицы:
1) результатов прослеживания концентраций по разным глу-
бинам и расчета относительных концентраций;
2) промежуточных вычислений при обработке результатов
опыта (табл. 6.2);
3) результатов определения параметров массопереноса на раз-
ных глубинах
146
Заголовки вспомогательной таблицы для обработки опыта по схеме
Г с 2С 1 - 2С 5
и рисунки:
1) геолого-технический разрез экспериментального куста сква-
жин, включающий представления о фильтрационной не-
однородности пород по вертикали, систему подачи воды и
трасера, расстановку датчиков концентрации и измеритель-
ной аппаратуры (см. рис. 3.22);
2) принципиальная схема датчика концентраций и подключе-
ния его к генератору тока и вольтметру;
3) графики зависимости относительной концентрации от вре-
мени для каждого датчика (рис. 3.24);
Рис. 3.24. Вид зависимости концентрации от времени в наблюдательной скважи-
не при постоянном наливе трасера в центральную
4) графики 1/АCZ + / для обоснования начальных и граничных
значений концентрации и отбраковки данных;
5) графики определения параметров графоаналитическими
методами.
Задача 7
ИЗУЧЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ
ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ МЕТОДАМИ СТАНДАРТНОГО
ГЕОФИЗИЧЕСКОГО КАРОТАЖА
Для изучения вертикальной фильтрационной неоднороднос-
ти разреза и уточнения его литологического расчленения эффек-
тивно используются геофизические измерения в скважинах (ГИС),
включающие методы кажущегося сопротивления (КС), самопро-
извольной поляризации (ПС), гамма-каротажа (ГК), каверно-
метрии (Dc) и резистивиметрии, в комплексе составляющих
147
стандартный каротаж, проводящийся с использованием перс
движной каротажной станции СКВ-69.
Изучение разреза бурящихся скважин проводится, как прави
ло, в два этапа:
Первый этап — исследования в процессе бурения, включаю
щие отбор и лабораторный анализ керна, шлама, промывочной
жидкости. Отбор керна в процессе бурения связан с применени
ем специальных долот, что приводит к замедлению и существен
ному удорожанию работ. Кроме того, керн не всегда удается из
влечь в полном объеме, в связи с чем его отбор на практике
стремятся довести до необходимого минимума, а недостающую
информацию получить за счет непрерывных (по стволу скважин)
геофизических исследований (ГИС).
Поэтому на втором этапе проводится изучение разреза сква
жины комплексом геофизических методов. В зависимости от со
става пород и их физических свойств, изучаемых при каротаже,
различают электрический, радиоактивный, акустический, маг-
нитный, термический и другие виды каротажа.
При исследованиях неглубоких гидрогеологических и инже-
нерно-геологических скважин применяется также пенетрацион-
ный каротаж. Современные станции пенетрационного каротажа
производят измерения методами естественной радиоактивности,
плотностного и нейтронного каротажа, дополненных методами
тензометрии и электрометрии.
На ранней, стадии гидрогеологических исследований в регио-
нальном масштабе используется, как правило, наиболее широ-
кий комплекс ГИС. В дальнейшем этот комплекс минимизирует-
ся (стандартный каротаж) и применяется при массовых исследо-
ваниях в скважинах изучаемого района.
Теоретическое обоснование
Коллекторские свойства пород зависят от их литологии и гео-
метрии (морфологии) порового пространства, выраженных в
показателях общей пористости (емкостных свойств) и проница-
емости (фильтрационных свойств). Пористость и проницаемость
неразрывно связаны между собой и являются основными пока-
зателями коллекторских свойств пород.
Оценку фильтрационных свойств пород по данным ГИС наи-
более часто производят не прямыми, а косвенными методами. В
частности, используют корреляционные связи коэффициентов
проницаемости (KnJ, общей пористости и других с определяе-
мыми поданным ГИС коэффициентами пористости (KJ и глини-
стости (Сгл). Для терригенных пород эти связи наиболее надеж-
ны, а глинистость связана с зависимостью типа:
148
Хпр = D ехр(—у Сгл),
।дс D, у — постоянные величины, зависящие от геологических
условий (рис. 3.25).
Определение коэффициента пористости (jQ в гидрогеоло-
щческих скважинах производится, как правило, методом КС
(боковое каротажное зондирова-
ние — БКЗ), ПС и более надеж-
но — комплексом акустического
(ЛК), нейтронного (ННК) и гам-
ма-гамма каротажа (ГГК). Глинис-
тость пород хорошо определяется
методами ПС и ГК. Литологичес-
кое расчленение разреза осуществ-
ляется совокупностью всех методов
и анализом керна.
Для карбонатных отложений,
коллекторские свойства которых
определяются главным образом сте-
пенью их трещиноватости и закар-
стованности, наиболее эффектив-
ным является использование элек-
трокаротажа (КС). В этом случае
надежными признаками коллекто-
ре. 3.25. Зависимость коэффици-
ента проницаемости Afnp от гли-
нистости Сгл для песчаников и
алевролитов
ров являются наличие низкого сопротивления пород и зоны про-
никновения (по данным БКЗ).
Метод КС основан на измерении кажущегося удельного со-
противления водонасыщенной горной породы рк (Омм). В прак-
тике проведения каротажа используют градиент- и потенциал-
зонды (рис. 3.26), а рк определяют по следующей формуле:
где К — коэффициент зонда, зависящий от взаимного располо-
жения электродов, / — электрический ток, проходящий через
питающий электрод, АС/ — измеряемая разность потенциалов.
Величина рк отличается от истинного сопротивления породы рвп
на величину, зависящую от диаметра скважины dc, сопротивле-
ния бурового раствора рр, сопротивления зоны проникновения
рзп фильтрата бурового раствора, мощности пласта А, сопротив-
ления пластовой воды рв и длины зонда L. От длины зонда L
зависит и глубина исследования пород: чем меньше L, тем боль-
ше влияние скважины.
149
Коэффициент пористости породы Кп для определенного ли
тотипа связан с удельным сопротивлением водонасыщенного
пласта рвп через параметр пористости Рп = рвп /рв. Вид такой за
виси мости представлен на рис. 3.27.
Для определения рвп через рк существует ряд методов: напри
мер боковое каротажное зондирование (БКЗ) — серия измерс
ний с различными по длине зондами (от 0,5 до 0,8 м); боковой
каротаж (БК) — измерения зондами с фокусировкой.
Зонд представляет собой установку из трех электродов, рас
положенных на кабеле в скважине, и четвертого, заземленно
го у устья скважины (см. рис. 3.26). Питающие (токовые) элек
троды обозначаются А и В, приемные — М и N. Зонд, у кото
рого расстояние между парными электродами (т.е. электродами
одного назначения) больше, чем расстояние до непарного элек
трода, называется потенциал-зондом', зонд, у которого рассто
яние между парными электродами много меньше, чем до не
парного, называется градиент-зондом. В зависимости от поло
жения парных электродов относительно непарного различают
обращенные (кровельные) зонды, у которых парные электроды
находятся вверху, выше непарного, и последовательные (подо
швенные) зонды, у которых парные электроды располагаются
ниже непарного.
Согласно принципу взаимности значение рк не изменится, если
в зонде заданного типа и размера сохранить расстояние между
электродами, но взаимно заменить их назначение, т.е. электроды
М и N сделать питающими,
а А и В — приемными.
Зонды, у которых в сква-
жину опущен один питаю-
щий и два измерительных
электрода, называются од-
нополюсными, а у которых в
Рис. 3.26. Схема измерения кажу-
щегося удельного сопротивления
обычными зондами:
а — градиент-зонд двухполюсный;
б — то же однополюсный; А и В —
токовые электроды; Mw N — измери-
тельные электроды; РП — регистри-
рующий прибор; Г — источник тока;
Я — сопротивление для установки
силы тока в цепи питания; АО (МО) —
длина зонда; О — точка записи кажу-
щегося сопротивления
150
a
б
Рис. 3.27. Зависимость пара-
метра пористости Рп от коэф-
фициента пористости К„ для
терригенных (а) и карбонат-
ных (б) пород:
1 — пески; 2 — слабосцементиро-
ванные и 3 — среднесцементиро-
ванные песчаники; 4 — глинис-
тые известняки; 5 — известняки
и доломиты крупно кристалличес-
кие средней уплотненности; 6 —
плотные и тонкокристаллические
известняки
скважину опущены два питающих и один измерительный элект
род — двухполюсными зондами.
Расстояние между непарным электродом и точкой записи О
серединой между парными электродами — называется длиной
градиент-зонда L, а расстояние между сближенными электроди
ми AM — длиной потенциал-зонда. Длина зонда определяет ра
диус исследования. В стандартном каротаже обычно использует
ся зонд длиной 1—2 м. Его длина уточняется на этапе детальны),
исследований (БКЗ) и выбирается такой, чтобы, с одной сторо
ны, в наибольшей степени отражать сопротивление пласта, а с
другой — выделять тонкие пласты.
Краткое обозначение каротажных зондов составляется из наи
менования электродов сверху вниз и расстояний между ними и
метрах. Например, запись А 2,5 М 0,25 N обозначает подошве»'
ный градиент-зонд длиной АО = L = 2,62 м, у которого токовый
электрод А расположен вверху, на 2,5 м ниже находится измери-
тельный электрод М, на 0,25 м ниже которого — электрод N.
Измерения ведутся, как правило, одним потенциал-зондом и
одним градиент-зондом. Правила выделения границ пласта и
определения рк представлены на рис. 3.28.
Градиент-зонд. Для пласта высокого сопротивления кривая р,
асимметрична относительно середины пласта (рис. 3.28, а). Гра-
ницы мощного (й > L) пласта на кривой КС подошвенного гради-
ент-зонда определяются следующим образом: подошва — по не-
большому Минимуму и резкому максимуму кривой, а кровля —
по максимальному значению рк. Для маломощных пластов (й < L)
кровля находится против точки наибольшего крутого подъема, а
подошва — ниже максимума.
Пласты низкого сопротивления выделяются обратным соотно-
шением аномалий (рис. 3.28,в).
Для кровельного зонда аномалии кривой рк оказываются сим-
метричны аномалиям подошвенного зонда относительно середи-
ны пласта: например, для высокоомного пласта кровля характе-
ризуется резким максимумом, а подошва — минимумом в конце
спада кривой.
Величина кажущегося сопротивления рк не постоянна против
различных точек пласта, поэтому при измерениях снимают ха-
рактерные значения. По одной из методик, для пластов большой
мощности оптимальное значение рк определяется в точке, распо-
ложенной ниже середины пласта на величину L/2. Для пластов
малой мощности снимаются максимальные величины рк.
Потенциал-зонд. Для мощных (й >L) пластов кривые рк сим-
метричны относительно середины пласта (рис. 3.28, б, г). Для
пласта высокого сопротивления положение кровли отмечается на
152
Рис. 3.28. Кривые сопротивления для однородного пласта с большим (а,б) и
малым (в,г) сопротивлениями:
а, в — подошвенный градиент-зонд; б, г — потенциал-зонд; АО, AM — длина зонда (£); h —
мощность пласта; рвм -- сопротивление вмещающих пород; рп — сопротивление пласта; dc —
диаметр скважины
половину длины зонда (L/2) выше, а подошва — на L/2 ниже
точек перехода от медленного к резкому изменению кривой рк.
Величина сопротивления снимается по максимуму кривой. Гра
ницы пластов малой мощности (меньшей длины зонда) отбива
ются нечетко, поэтому кривые потенциал-зонда в этих случаях
практически не используются.
Метод ПС базируется на изучении естественного стационар
ного электрического поля, образование которого связано с фи
зико-химическими процессами на поверхности раздела скважи
на-порода и между пластами различного литологического со
става. Величина и знак потенциалов зависят от многих факторов,
объединяющихся понятием электрохимической активности, воз
никающей под действием диффузионно-адсорбционных (Лда) и
фильтрационных процессов (Лф). Наиболее интенсивны анома-
лии ПС в глинистых отложениях, а минимальные значения ха-
рактерны для чистых песков и карбонатных отложений. В чис-
том виде электрохимическая активность, связанная с фильтра-
ционными процессами, проявляется редко, поэтому ПС чаще
всего связывают с диффузионно-адсорбционными процессами.
При этом потенциал Епс, возникающий в скважине, описыва-
ется выражением
^пс ~ ^да 1ё(Рр/Рв)>
где А"да — коэффициент диффузионно-адсорбционной ЭДС, за-
висящий от'глинистости, температуры и других факторов; рр —
сопротивление раствора скважины, рв — сопротивление воды в
породе.
В методе ПС измеряется потенциал расположенного в сква-
жине электрода М по отношению к неподвижному электроду N,
заземленному на поверхности (рис. 3.29). В методе градиента ПС
в скважине располагаются оба приемных электрода М и N. Кри-
вые ПС не имеют нулевой линии. Границы пластов в данном
методе определяются по точкам максимальной крутизны анома-
лии, а величина ПС (мв) — по максимальному значению.
Метод ПС с наибольшей эффективностью используется в пес-
чано-глинистых разрезах. В карбонатных отложениях получаемая
кривая ПС сильно искажена высоким сопротивлением пластов и
другими помехами, поэтому используется редко.
Возможность использования данных ПС при оценке глинис-
тости основана на лабораторном исследовании керна скважин.
Полученные данные используются для построения зависимости
Ада =/(Сгл), пример которой представлен на рис. 3.30. С погреш-
ностью до 30% она может быть описана уравнением прямой
линии:
154
Рис. 3.29. Принципиальная схема измерения ПС:
1 — глина; 2 — песчаник; 3 — регистрирующий прибор
Хда = 0,58Сгл - 11,8.
Да ’ 1Л ’
Метод ГК. В осадочных отложениях кривые гамма-метода от-
ражают в первую очередь степень глинистости пород и наличие
в разрезе низкорадиоактивных по-
род гидрохимического происхожде-
ния. Как правило, повышенными
значениями радиоактивности Jy на
кривых отмечаются наиболее гли-
нистые, углистые и битуминозные
разности песков, песчаников, из-
вестняков и доломитов.
В хемогенно-карбонатной толще
пород это позволяет выделять сре-
ди известняков и доломитов ангид-
риты и каменные соли, не отлича-
ющиеся по величине электрическо-
го сопротивления и нейтронным
свойствам, а также высокоактивные
калийные соли и глинистые разно-
сти. В песчано-глинистом разрезе
Рис. 3.30. Зависимость коэффициен-
та диффузионно-адсорбционного
потенциала (Л^,) песков и песча-
ников от массовой глинистости Сгл м
среди непроницаемых глин пониженными значениями ГК уве-
ренно выделяются пески и песчаники — возможные коллекторы.
155
Особенно возрастает роль ГК в случае, когда сопротивление бу-
ровой жидкости близко к сопротивлению жидкости в пласте. В
этих условиях метод ПС практически не дифференцирует разрез.
Коэффициент глинистости Сгл обычно определяется через
двойной разностный параметр ДУу:
ч =
у •'уМИН
уМакс уМим
где Уу«ин, у^макс — значения радиоактивности в скважине и глинах.
Зависимость АУу=/(Сгл) носит нелинейный характер и определя-
ется компонентным составом (песчаник-алевролит) породы
(рис. 3.31). Однако эта зависимость может быть и линейной —
типа А/у = ЛХрд + В, где коэффициенты АиВ получают из петро-
физических зависимостей.
Форма кривых ГК против пласта повышенной радиоактивно-
сти, различной скорости каротажа (v) и интегрирования (тя) пред-
ставлена на рис. 3.32. Как видно, наибольшие искажения кривых
ГК получаются при больших скоростях измерений v и величин
интегрирования тя. Для большинства случаев границы пласта оп-
ределяются по точке кривой с начала максимального ее подъема
(подошва) и началом спада кривой (кровля). Значения радиоак-
тивности пласта определяют по максимальным значениям. Для
пластов малой мощности и неблагоприятных значений угя вво-
дятся специальные поправки (Итенберг, 1978).
Кавернометрия. На кавернограммах (2)с) проницаемые вы-
сокопористые породы обычно отмечаются уменьшением диа-
метра скважины при бурении с использованием глинистого
раствора. Это объясняется осаж-
дением глинистых частиц на по-
верхности сечения коллектора и
проникновением фильтрата в
пласт. Этот признак в большин-
стве случаев дает возможность
выделить коллекторы за исклю-
чением случаев песков-плыву-
нов, в которых диаметр скважи-
ны может быть увеличен.
Рис. 3.31. Зависимость двойного разност-
ного параметра Д/у от массовой глинис-
тости Сгл м.
Объемное содержание алевритовой фракции:
1 - 10-20%; 2 - 20-30; 3 - 30-40; 4 - 40-
50; 5 — 50-60; 6 — 60-70%; 7 — осредняющая
кривая
156
Результаты кавернометрии используются также для введения
поправок на истинное значение диаметра скважины (Jc) в мето-
нах КС, ПС, ГК и др.
Резистивиметрия. Определение удельного сопротивления жид-
кости в скважине рс производится трехэлектродной установкой
(см. метод КС) с размером зонда несколько сантиметров. Дан-
ные резистивиметрии используются при интерпретации резуль-
татов КС и ПС, а также в процессе испытаний пластов.
Камеральная обработка результатов
Поданным проведенного комплекса геофизических измерений
в одной из скважин полигона на основе полученных каротажных
диаграмм производится комплексная интерпретация результатов,.
включающая: 1) составле-
ние сводной геофизической
диаграммы; 2) расчленение
разреза на пласты; 3) харак-
теристику литологического
состава и коллекторских
свойств элементов разреза.
Сводная геофизическая
диаграмма составляется,
как правило, для более на-
глядного представления
материала. Диаграммы КС,
ПС, ГК, кавернометрии и
другие, записанные в еди-
ном глубинном масштабе
(1:200, 1:500), переносятся
на кальку и тщательно при-
вязываются по глубине. В
левой части сводной диаг-
раммы располагается лито-
логическая колонка, полу-
ченная по описанию кер-
на, а в правой — результат
Рис. 3.32. Форма кривых гамма-каротажа про-
тив пласта повышенной радиоактивности
(стрелкой показано направление движения
глубинного прибора)
интерпретации каротажных
диаграмм.
Расчленение разреза на
пласты производится по
комплексу всех использо-
ванных методов согласно принципам, описанным выше. Харак-
теристика литологического состава выделенных пластов базируется
157
на описании керна и дополняется показаниями комплекса гео
физических методов.
Заключительная часть работы состоит в оценке коллекторских
свойств выделенных элементов разреза. В районе Звенигородско
го полигона верхняя часть разреза представлена песчано-глинис
тыми и карбонатными породами.
Коэффициент пористости отложений определяется на основе
метода КС. Для этого необходимо получить параметр пористости
Р„ и далее по зависимости Рп =ДАГП) (см. рис. 3.27) оценить Кп.
Точность такой оценки с помощью одного стандартного зонда
составляет порядка 10—15% и зависит от наличия зоны проник-
новения, мощности пласта и других факторов. Для определения
Рп необходимо знать диаметр скважины и удельное сопротивле-
ние пластовой воды рвп, которое определяется с помощью одно-
слойной палетки БКЗ.
Оценка глинистости производится по значениям (см.
рис. 3.31), поскольку метод ПС в карбонатном разрезе, как пра-
вило, не используется ввиду сильных промышленных полей в
районе полигона.
В качестве примера на рис. 3.33 представлен макет сводной
диаграммы КС, ПС, ГК и Dc для характерного разреза, не име-
ющего отношения к Звенигородскому полигону, но позволяю-
щие. 3.33. Макет комплексной каротажной диаграммы с результатами интер-
претации
158
тему продемонстрировать общие принципы комплексной ин-
терпретации. В представленном разрезе выделяются несколько пла-
стов с повышенными коллекторскими свойствами.
Пласт 1 — конгломераты. Он довольно плохо выделяется по
теофизическим данным, его наличие подтверждается анализом
керна, а ГИС уточняет только глубину его залегания.
Пласт 2 — песчаник — рельефно выражен на диаграммах ГК,
ПС, Dc и характеризуется высокими коллекторскими свойствами.
Пласты 3, 4 — трещиноватые пропластки в известняках —
хорошо выделяются по КС. Эта зона, очевидно, наиболее водо-
обильна.
Пласты 5, 6 — пропластки песчаника в песчано-глинистом
разрезе. По данным ГК, — это песчаник, однако увеличенные
значения КС говорят о том, что эти пропластки сцементирова-
ны, по-видимому, карбонатным цементом и малоперспективны
с точки зрения водоносности.
3.5. Методы оценки условий и интенсивности взаимодействия
подземных и поверхностных вод
Взаимодействие подземных и поверхностных вод является од-
ним из важнейших элементов формирования потока подземных
вод, определяющим его балансовую и гидродинамическую струк-
туру. Изучение условий взаимосвязи подземных и поверхностных
вод и количественная оценка интенсивности взаимодействия
необходимы как при проведении региональных гидрогеологичес-
ких исследований, так и при решении прикладных задач фильт-
рации на конкретных объектах.
Изучение разгрузки подземных вод в поверхностные водоемы
и водотоки широко используется для оценки естественных ре-
сурсов водоносных горизонтов зоны интенсивного водообмена,
что позволяет наметить перспективные районы проведения по-
исково-разведочных работ для водоснабжения.
При детальных исследованиях на конкретных объектах оценка
условий взаимосвязи подземных и поверхностных вод проводит-
ся в связи с необходимостью количественной характеристики
граничных условий потока подземных вод, являющихся важней-
шим элементом любой фильтрационной схемы территории. Осо-
бую группу при этом составляют задачи оценки условий взаимо-
влияния подземных и поверхностных вод на действующих водо-
заборах, где при понижении уровня подземных вод развиваются
процессы привлечения поверхностного стока к водозаборам. Ко-
личественная характеристика взаимосвязи подземных и поверх-
ностных вод при этом является основой для проведения про-
гнозных оценок изменения качества воды на водозаборах, ущерба
159
речному стоку под влиянием эксплуатации подземных вод, фильт-
рационных потерь из оросительных каналов, водохранилищ, пру-
дов и т.д.
Оценка интенсивности разгрузки подземных вод в поверхност-
ные водоемы и водотоки (или поглощения поверхностного сто-
ка) может быть использована также при проведении некоторых
видов ОФН для определения фильтрационных параметров водо-
носных горизонтов.
В зависимости от конкретных гидрогеологических условий
гидродинамический режим взаимодействия подземных и поверх-
ностных вод может быть различным.
В условиях непосредственной гидравлической связи разгрузка
подземных вод в реки и водоемы всегда осуществляется в подпер-
том режиме.
Питание подземных вод поверхностными может происхо-
дить как в подпертом, так и в свободном режиме фильтрации. В
естественных условиях свободный режим фильтрации под во-
дотоком чаще всего формируется в карстовых областях и зонах
интенсивной трещиноватости пород при высокой проницае-
мости водовмещающих отложений. В нарушенной гидродина-
мической обстановке возникновение свободного режима фильт-
рации связано с развитием понижений уровня подземных вод
в результате интенсивного водоотбора, дренажа и других ин-
женерных мероприятий.
Изучение условий взаимосвязи подземных и поверхностных
вод может проводиться с помощью целого комплекса методов и
специальных наблюдений, которые дают как качественные пред-
ставления о неоднородности условий взаимосвязи подземных и
поверхностных вод на отдельных участках водотока (водоема),
так и позволяют количественно охарактеризовать интенсивность
разгрузки подземных или поглощения поверхностных вод.
Качественная характеристика условий взаимосвязи подзем-
ных и поверхностных вод чаще всего имеет конечной целью вы-
деление участков, различающихся по условиям и интенсивности
взаимодействия, локализацию зон повышенного (очагового) пи-
тания или разгрузки подземных вод в пределах русла водотока
или акватории водоема. Она проводится на основе целого ряда
методов и наблюдений, включающих:
1) комплекс специальных геофизических методов (естествен-
ного электрического поля — ЕП, резистивиметрии — РМ,
термометрии — ТМ), получивших общее название «русло-
вая геофизика»;
2) гидрогеохимические методы определения отдельных компо-
нент химического состава речной воды (ионов СГ, SO^-,
160
содержания гелия, радона), являющихся показателями раз-
грузки подземных вод;
3) гидрологическую характеристику водотоков — описание мор-
фологии русла, характера течения и т.д.;
4) визуальные гидрогеологические наблюдения, заключающие-
ся в точном фиксировании отдельных родников, пласто-
вых выходов, высачиваний в прибрежной зоне, описании
литологического состава русловых отложений и геолого-гео-
морфологического строения отдельных участков речной
долины.
Каждый вид исследований в отдельности, как правило, не дает
достаточно оснований для уверенного выделения участка с отно-
сительно однородными условиями взаимосвязи подземных и по-
верхностных вод. Поэтому целесообразно стремиться использо-
вать широкий набор методов исследования, исключая лишь те,
которые в данных условиях являются заведомо неинформатив-
ными, и проводить совместную интерпретацию результатов всех
видов наблюдений на основе их сопоставления друг с другом.
При этом вся полученная информация совмещается на едином
комплексном профиле, построенном по длине исследуемого участ-
ка водотока (водоема) (рис. 3.34).
В пределах выделенных таким образом участков с разными
условиями взаимосвязи подземных и поверхностных вод прово-
дятся работы по количественной характеристике интенсивности
и условий взаимодействия. При этом определяются:
1) суммарная величина разгрузки (питания) подземных вод
(AQ) методами гидрометрической оценки изменения расхо-
да поверхностных водотоков в пределах зоны разгрузки (пи-
тания) подземных вод или непосредственным измерением
скорости фильтрации через донные отложения водотоков
и водоемов методами фильтрометрии;
2) мощность и состав отложений, залегающих в основании
водотока (водоема) и отделяющих его от горизонта грунто-
вых вод, — по результатам бурения неглубоких скважин не-
посредственно на урезе;
3) естественное превышение уровней подземных вод над уре-
зом водотока (водоема) в зоне их разгрузки (питания) ДЯе —
по результатам пьезометрических измерений установивше-
гося уровня подземных вод в прирусловых скважинах и его
нивелировки относительно уреза.
На основе полученных характеристик может быть рассчитана
обобщенная величина фильтрационного сопротивления (Ф) уча-
стка разгрузки (питания)
161
*U,hI
8 Метод естественного поля (ЕП)
Термометрия донных отложений (Q
+0.22
1
-0,06
+0,26
I
+0,45'
>He -I гыннвн наем»______
|-ех6ахии«; f<w*«u
iHt-1 wtn неань +0,13
света 6 руиобы*
отложений
3-*--г—
Гидрометрические rd
створы
гс2 гсЗ
гс4
Рис. 3.34. Пример комплексной интерпретации результатов работ по изучению
взаимосвязи подземных и речных вод
Ф=ДЯе/ AQ,
которая является комплексным параметром граничного условия
потока подземных вод, характеризующим степень его связи с
поверхностными водами, и используется при построении гео-
фильтрационных моделей.
162
Задача 8
ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ
ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ РАБОТ.
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПОДЗЕМНОГО СТОКА
Гидрологические работы по изучению режима поверхностно-
го стока широко используются при проведении гидрогеологи-
ческих исследований различного масштаба, связанных с изуче-
нием роли гидрометеорологических факторов в формировании
режима и баланса подземных вод, количественной оценкой вза-
имодействия поверхностных и подземных вод, оценкой естествен-
ных ресурсов подземных вод и др. Особое место среди них зани-
мают гидрометрические работы по измерению расходов поверх-
ностных водотоков, выполняемые специально для количественной
характеристики взаимосвязи подземных и поверхностных вод.
Теоретическое обоснование
Использование гидрометрических работ основано на том, что
расход реки в каждом конкретном сечении (створе), а также его
изменение от сечения к сечению или во времени помимо соб-
ственно гидрометеорологических факторов (атмосферные осад-
ки, поверхностный склоновый сток, испарение и др.), опреде-
ляется также и характером взаимодействия реки с подземными
водами. Формами такого взаимодействия являются разгрузка под-
земных вод в реку при дренировании руслом грунтовых и напор-
ных подземных вод или питание грунтового водоносного гори-
зонта за счет поглощения речных вод.
В определенные периоды года (например, в условиях гумид-
ного климата — в периоды летней и особенно зимней межени),
когда практически отсутствуют поверхностные источники пи-
тания, весь объем речного стока формируется за счет разгрузки
подземных вод. В этом случае расход реки в любом ее сечении
(Qp), измеренный гидрометрическим методом, характеризует
суммарный объем разгрузки подземных вод (за вычетом раз-
грузки испарением) на площади речного бассейна F выше рас-
четного створа.
Удельная величина разгрузки подземных вод для площади бас-
сейна, выраженная в л/с с км2, называется модулем подземного
стока (Л/пс) и определяется из соотношения
А»пс = Qp/F-
Используя данные единовременного измерения расхода реки в
период межени по двум створам, расположенным на различных
163
участках русла, можно оценить величину разгрузки подземных
вод на этом участке 0ПОДЗ:
£?подз ~ 0р1>
где Qpl и 0р2 — расходы реки соответственно в верхнем (по тече-
нию) и нижнем створах. Модуль подземного стока при этом ха-
рактеризует удельную разгрузку подземных вод в пределах «част-
ного» водосбора:
^пс =(0р2_ 0р1)/Д^2-1>
где — площадь частного водосбора (приращение площади
водосбора реки на участке между створами).
Для характеристики условий взаимодействия подземных и
поверхностных вод и анализа их изменений по длине водотока
часто используется величина линейного модуля разгрузки подзем-
ных вод (Л/л) на участке реки между двумя створами длиной L:
<=(ер2- q^/l.
При питании грунтовых вод за счет поглощения речного сто-
ка 0Р2< 0Р1, величина Мл < 0 и характеризует линейный модуль
поглощения речных вод.
В практике гидрогеологических расчетов для модуля подзем-
ного стока используется размерность л/с км2, а для модуля ли-
нейной разгрузки или поглощения — л/с км.
Оценка величины разгрузки подземных вод (поглощения реч-
ных вод) на участке между двумя створами (для «частного» водо-
сбора) весьма удобна, поскольку таким способом могут быть оха-
рактеризованы любые интересующие исследователя участки и
зоны (области распространения отложений определенного воз-
раста и состава, зоны тектонических нарушений, участки интен-
сивного поверхностного карста и т.д.). Например, используя дан-
ные гидрометрических измерений расходов водотока в створах,
расположенных на участках смены гидрогеологических условий
(границах различных дренируемых водоносных горизонтов) либо
в устьях рек и ручьев, сток которых полностью формируется в
пределах распространения одного водоносного горизонта, мож-
но количественно охарактеризовать водообильность тех или иных
отложений и установить перспективность их использования в
целях водоснабжения. При этом, однако, необходимо учитывать,
что используемая в расчетах величина приращения расхода реки
между двумя створами должна быть больше возможной суммар-
ной ошибки измерения расходов на створах 3[ + 82. Грамотное
164
проведение гидрометрического замера позволяет определить рас-
ход водотока с относительной ошибкой не более 5%.
Следует подчеркнуть, что гидрометрические методы позволя-
ют оценить только разгрузку подземных вод непосредственно в
русла водотоков и не способны охарактеризовать другие «бес-
сточные» ее формы (например, испарение с уровня грунтовых
вод, разгрузка в болотные массивы и др.), суммарный расход
которых на площади речного водосбора при определенных усло-
виях может быть весьма значительным.
Методика и техника измерений
Способы измерения. В зависимости от величины водотока, цели и
детальности гидрометрических работ измерение расходов произво-
дится при помощи водосливов или гидрометрических вертушек.
При малых расходах водотоков (до 10—12 л/с) и организации
на них длительных режимных наблюдений применяются водо-
сливные рамки, позволяющие определить протекающий через их
поперечное сечение расход по уровню воды в пределах их смо-
ченного периметра.
Более значительные расходы определяются способом «пло-
щадь-скорость», при котором измеряется площадь поперечного
сечения потока и его скорость в этом сечении с помощью гидро-
метрической вертушки. Процесс измерения расхода водотока по
способу «площадь—скорость» можно разбить на два этапа: выбор
и подготовка створа и собственно измерение расхода.
Выбор створа. При региональных оценках естественных ресур-
сов подземных вод больших территорий размещение гидромет-
рических створов планируется на основе анализа геолого-гидро-
геологического строения региона, и они намечаются в местах
смены гидрогеологических условий (на границах дренируемых
водоносных горизонтов и комплексов или смены литологичес-
кого состава отложений).
В ходе детальных гидрогеологических работ на конкретных объек-
тах створы разбиваются на границах аномальных участков стока,
обусловленных развитием карста, зонами тектонических нару-
шений, участками аномально высокой разгрузки подземных вод,
влиянием гидротехнических и водозаборных сооружений и т. д.
Положение границ участков с разными условиями и интенсив-
ностью взаимодействия подземных и поверхностных вод целесо-
образно определять на основе комплексного профилирования
речных долин методами «русловой геофизики» (ЕП, термомет-
рия, резистивиметрия — см. задачу 9) в сочетании с другими
наблюдениями.
165
На местности створ разбивается на участке реки, предвари-
тельно выбранном по карте при проектировании работ. Створ
размечается тросом, натянутым перпендикулярно потоку на пря-
молинейном отрезке русла, свободном от водной растительнос-
ти, крупных валунов, ям, топляка и др. В створе не должно быть
участков с «мертвым» пространством (т.е. прибрежных застой-
ных зон или зон с обратным движением воды), а также участков
с видимым вихревым движением потока. Кроме того, створ дол-
жен находиться вне зоны влияния подпора от плотин и прилив-
ных течений. Следует помнить, что выбор створа во многом оп-
ределяет точность измерения расхода.
Выбранный створ отмечается на топографической карте; в
полевой книжке или журнале измерения расхода указывается
дата измерения и точный адрес привязки створа на местности,
включающий: название водотока, отношение притока к основ-
ной реке (левый, правый), расстояние до ближайшего ориенти-
ра или до устья реки, а также заводской номер используемой
вертушки.'
Измерение расхода. Расход определяется методом «площадь-
скорость», т.е. измеряется площадь поперечного сечения потока
и его скорость в этом сечении. В зависимости от размера водо-
тока и характера работ все измерения могут проводиться либо
вброд, либо с плавсредств. Для производства режимных гидро-
метрических измерений используются специально оборудован-
ные мостки или (на крупных реках) дистанционные гидромет-
рические установки.
Для подсчета площади сечения выполняются промеры глуби-
ны по тросу двойным ходом между берегами. Обратный ход про-
меров глубин служит для контроля правильности измерений. Ко-
личество промерных точек глубины определяется шириной реки
и профилем дна. Расстояния до промерных точек измеряют от
так называемого постоянного начала — любой удобной для на-
блюдателя точки на разметочном тросе, которую, как правило,
совмещают с урезом водотока. Промерные точки (вертикали)
назначаются равномерно с шагом через целое число метров, а
на малых реках и ручьях — через доли метра. На участках с не-
ровным дном частота промерных точек увеличивается. Крайни-
ми промерными точками являются замеры глубины на урезе
водотока.
Определение скоростей течения проводится с помощью гидро-
метрических вертушек типа Владычанского—Жестовского (ГР-21),
которые опускаются в водный поток на штанге или тросе. Гидро-
метрические вертушки могут использоваться в чистой или замут-
166
Таблица 8.1
Число скоростных вертикалей в зависимости
от ширины реки
Ширина реки, м Число скоростных вертикалей
>50 10-15
10-50 7-10
5-10 5-7
<5 не менее 5
ценной воде при скоростях течения от 0,05 до 5,0 м/с. Минималь-
ная глубина измерения определяется диаметром двухлопастного
параболического вин-
та, равным 13 см, ко-
торый должен пол-
ностью покрываться
водой и свободно вра-
щаться. Регистрация
числа оборотов винта
производится с помо-
щью электрического
звонка или сигналь-
ной лампочки через
каждые 20 оборотов. Длительность измерения скорости должна
включать не менее 3—4 сигналов, что позволяет «осреднить» не-
равномерность течения. Время между сигналами измеряется се-
кундомером с точностью ±1 с.
Определение скоростей проводится на скоростных вертика-
лях, намечаемых после промеров глубин. Их количество зависит
от ширины реки (табл. 8.1).
Скоростные вертикали распределяются относительно равно-
мерно (рис. 3.35). При этом обязательно измерение скорости в
ближайших к берегам точках, где скорость потока выше нижнего
порога чувствительности вертушки, и глубина достаточна для
проведения замера, а также в самой глубокой и в самой мелкой
точках, на перегибах профиля дна.
В зависимости от глубины реки скорость потока измеряется в
одной или нескольких точках на вертикали (табл. 8.2):
Рис. 3.35. Схема элементов гидрометрического створа.
Линия 0-0’ — поверхность воды; 0 и 0’ — урезы левого и правого берегов; 1, 2,.... л-1, л —
промерные вертикали; I, II, .... N — скоростные вертикали; 0,2Л ... 0,8Л — точки измерения
скорости на вертикали; ДО, — расход потока через частичную площадь
167
Таблица 8.2
Выбор точек измерения в зависимости от глубины реки
Глубина реки на вертикали, и Количество точек измерения Расположение точек измерения скорости на вертикали (в долях от глубины Л)
<0,35 1 0,6
0,35-0,60 2 0,2; 0,8
0,6-1,0 3 0,2; 0,6; 0,8
>1,0 5 на поверхности; 0,2; 0,6; 0,8; у дна
Все данные измерений фиксируются в полевой книжке или
специальном журнале. По каждому замеру указывают относитель-
ную глубину точки измерения скорости, глубину погружения
вертушки, число зафиксированных сигналов, соответствующее
им количество оборотов вертушки и измеренное время между
сигналами.
‘ Камеральная обработка данных измерений
Расчет расхода (Q) проводится аналитически путем суммиро-
вания частичных расходов между скоростными вертикалями
(рис. 3.35), которые вычисляются как произведение частичной
площади поперечного сечения Ци средней скорости потока между
вертикалями Vfp:
N+l N + l
Q = ZAO, = 2^-^, (8.1)
i=l i=l
где N — количество скоростных вертикалей.
Таким образом, последовательность обработки состоит из двух
этапов: вычисления частичных площадей между скоростными
вертикалями и расчета средних скоростей потока через каждую
частичную площадь.
Для определения частичных площадей поперечного сечения
потока вычисляются (рис. 3.36):
1) средние глубины потока между промерными вертикалями
Л1_2 = 0,5(Л1 + Л2);
2) расстояния ме;.<ду промерными точками Л1_2 = Б2 — Ву
3) площади между промерными вертикалями о>1_2 = й1_2 Ь^.
4) частичные площади между скоростными вертикалями
Qj_n =©i-2 + со2_з-
Далее производится расчет средней скорости потока через час-
тичную площадь в следующей последовательности.
168
II
Рис. 3.36. Схема вычисления единичного расхода через частичную площадь.
в,, й3 — расстояния от постоянного начала; Л,, Л3 — глубины на вертикалях; Ьн2,
Z>2-3 — расстояния между вертикалями; v02, v08 — измеренные скорости на вертикали;
И’^11 — средние скорости на вертикалях; шн2, Д>г-з — площади между промерными вертика-
лями; И|..|| — средняя скорость через частичную площадь О|-ц
1. Рассчитывается скорость вращения винта вертушки и (обо-
роты/секунду)
u=M/t,
где М — сумма оборотов винта вертушки за время t.
2. По тарировочной кривой зависимости числа оборотов вин-
та вертушки от скорости движения воды определяются скорости
потока v0 2, ...,v08b каждой точке измерения.
3. Рассчитывается средняя скорость на вертикали Характер
осреднения скорости зависит от числа точек на скоростной вер-
тикали т:
v0 6, при т = 1
0,5 (v0,2 + v0,8), при т = 2
0,25 (v0,2 + 2v0,6 + Vo.e), при т = 3
0,1 (vnoB + 3v0,2 + 3v0,6 + 2v0,8 + Удно), при т = 5,
гДе упов и Удно — измеренные скорости у поверхности и у дна.
4. Вычисляется средняя скорость через частичную площадь И|_ц:
H-n=(H + Hi)/2.
Для крайних к берегам частичных площадей средние скорости
вычисляются по ближайшей скоростной вертикали:
169
Ио-!-Л И,
где к — коэффициент, зависящий от характера уреза. Для поло-
гого берега с глубиной на урезе, равной нулю, к = 0,7; для обры-
вистого берега к = 0,8; при наличии на урезе мертвого простран-
ства к = 0,5.
Расчет завершается вычислением единичных расходов и их
суммированием для получения общего расхода в створе по фор-
муле (8.1).
В заключение проводится проверочный расчет с использовани-
ем осредненных для всего сечения потока характеристик: ширины
поперечного сечения Я*, средней глубины реки в створе й*, пло-
щади поперечного сечения Q*= B*h* и средней скорости потока
V*. Полученный при этом расход Q* = V*Q* должен быть близок
к ранее вычисленному по частичным площадям значению.
Задача 9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УЧАСТКОВ РАЗГРУЗКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
В РУСЛАХ РЕК ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Теоретическое обоснование
Определение участков разгрузки подземных вод и изучение
взаимосвязи их с поверхностными водами осуществляется комп-
лексом геофизических методов, носящим название «русловая гео-
физика». Комплекс включает методы естественного электричес-
кого поля (ЕП), резистивиметрии (РМ) и термометрии (ТМ),
используемые одновременно.
Использование метода ЕП с целью выявления участков по-
глощения поверхностных и разгрузки подземных вод сводится к
выявлению аномалий потенциала естественного электрического
поля, формирующихся при фильтрации воды через проницае-
мые участки в дне реки. Величина электрического фильтрацион-
ного потенциала в проницаемой среде определяется характером
смещения подвижной части двойного электрического слоя на
контакте твердой и жидкой фаз. При этом в направлении движе-
ния фильтрационного потока происходит вынос положительных
ионов, тогда как отрицательные ионы остаются, удерживаемые
положительными ионами твердой фазы. Таким образом, места
водопритоков (разгрузки) отображаются положительными, а ме-
ста поглощения (инфильтрации) — отрицательными аномалия-
ми потенциала естественного электрического поля.
Применение резистивиметрии и термометрии для выявления
участков разгрузки подземных вод основано на различии в удель-
170
ном электрическом сопротивлении (суммарной минерализации)
и температуре подземных и текущих в реке вод. В случае подтока
слабоминерализованных вод места их разгрузки отображаются
увеличением удельного электрического сопротивления воды по
сравнению с фоновыми значениями этого параметра. В случае
разгрузки вод с высокой степенью минерализации величина ука-
занного параметра, наоборот, уменьшается.
Холодные подземные воды, разгружаясь, формируют анома-
лии пониженных значений температуры, тогда как места водо-
притока более теплых вод отображаются аномалиями повышен-
ных значений температуры. В большинстве случаев разгрузка под-
земных вод в русле реки заметно проявляется лишь в изменении
температур донных отложений, которые являются основным
объектом наблюдений в ходе термометрических работ. Однако на
малых водотоках целесообразно также проводить наблюдения за
температурой воды в реке, поскольку интенсивная разгрузка под-
земных вод на каком-либо участке может вызвать заметное изме-
нение температуры воды в водотоке.
Сопоставляя характеристики согласующихся между собой на-
блюдаемых аномалий удельного электрического сопротивления
и температуры воды, можно определить природу разгружающе-
гося в русло реки подземного потока. Так, например, сочетание
аномалий пониженных значений температуры и повышенных
значений величины удельного электрического сопротивления
позволяет сделать вывод о наличии разгрузки слабоминерализо-
ванных подземных вод. Сочетание аномалий повышенных значе-
ний температуры и пониженных значений величины удельного
электрического сопротивления, скорее всего, свидетельствует о
техногенной природе фильтрующегося потока и т.п.
Количественная оценка интенсивности разгрузки подземных
вод или поглощения части руслового стока осуществляется по-
средством проведения гидрометрических наблюдений по ство-
рам, размещение которых определяется на основании данных
русловой геофизики.
Аппаратура и методика проведения наблюдений
Используемая аппаратура и методика проведения наблюдений
методами ЕП, термометрии и резистивиметрии подробно рас-
смотрены в гл. 6, задача 28.
Данные измерений заносятся в соответствующие графы поле-
вого журнала (табл. 9.1).
При этом в графе «примечания» фиксируются наблюдаемые
на урезе реки или в береговой зоне водопроявления (родники,
171
заболачивания, высачивания, мочажины и т.п.). При работе тре-
мя бригадами по числу методов допускается ведение отдельных
журналов регистрации по каждому виду работ с последующим
обобщением всех результатов измерений.
Камеральная обработка и интерпретация результатов
Процесс камеральной обработки результатов наблюдений ме-
тодами ЕП, термометрии и резистивиметрии подробно рассмот-
рен в гл. 6, задача 28.
При этом выполняется:
1) расчет приведенных потенциалов ЕП (по формуле 6.2) с
учетом средней поправки на собственную поляризацию
электродов (формула 6.1);
2) расчет удельного электрического сопротивления воды, ко-
торое требуется при использовании в качестве измеритель-
ного прибора электроразведочного автокомпенсатора АЭ-72 и
производится по формуле закона Ома;
3) вычисление температур донных осадков по калибровочным
кривым зависимости сопротивления терморезистора R от
температуры Т (рис. 6.3).
Все приведенные значения потенциала ЕП, удельного элект-
рического сопротивления воды и температуры придонных отло-
жений заносятся в соответствующие графы журнала геофизичес-
ких наблюдений (см. табл. 9.1).
Полученные приведенные значения геофизических парамет-
ров используются для построения графиков их изменения вдоль
линии профиля. Все графики приведенного значения потенциа-
ла ЕП, удельного электрического сопротивления воды и темпе-
ратуры придонных отложений строятся в одной системе коорди-
нат. На оси абсцисс указываются номера пикетов, а на оси орди-
нат в соответствующих масштабах указываются величины
потенциала ЕП (в милливольтах), удельного электрического со-
противления воды (в Омм) и температуры донных отложений (в
градусах Цельсия).
Интерпретация результатов геофизических наблюдений осу-
ществляется комплексно с учетом данных каждого метода.
Зоны разгрузки отмечаются положительными аномалиями
значений потенциала ЕП относительно фонового уровня, выде-
ляемыми на основании критерия 28.3 (гл. 6, задача 28).
При разгрузке подземных вод, обладающих меньшей минера-
лизацией и температурой, чем вода в реке, положительным ано-
малиям потенциала ЕП будут соответствовать зоны повышенных
172
значений удельного электрического сопротивления воды и по-
ниженных значений температуры донных отложений. В случае
разгрузки вод более минерализованных и теплых, чем в реке по-
ложительным аномалиям потенциала ЕП будут соответствовать
зоны пониженных значений удельного электрического сопротив-
ления воды и повышенных значений температуры придонных
отложений.
Графики UnpB, значений удельных электрических сопротивле-
ний (УЭС) воды и температур донных отложений (7) вычерчи-
ваются над абрисом спрямленного русла реки. Местоположение
определенных по результатам геофизических исследований учас-
тков разгрузки подземных вод или инфильтрации указывается
непосредственно на абрисе русла реки. Здесь же отмечаются встре-
ченные водопроявления, показываются места проведения гидро-
метрических замеров и проставляются значения измеренных рас-
ходов воды в реке.
Образец оформления результатов геофизических наблюдений
приведен на рис. 3.37.
т„ и„., мВ
•с
ПР1 - профиль вдоль русла реки
ТТ - разгрузка подземных вод
-ручей
J - впадение ручья
- области разгрузки в русле реки
III I - гидрометрический створ, его номер н величина
273 измеренного расхода реки (л/сек)
Рис. 3.37. Образец представления результатов геофизических работ по изучению
условий взаимосвязи подземных и поверхностных вод в русле реки
173
3.6. Методы изучения химического состава подземных вод
Подземные воды представляют собой сложную природную
систему, в формировании которой принимают участие разнооб-
разные гидрогеологические и физико-химические процессы, про-
текающие в различных геологических и геоморфологических ус-
ловиях под влиянием климатических факторов и геофизических
полей. Химический состав подземных вод является интегральной
характеристикой, отражающей физико-химические процессы,
происходящие при взаимодействии вод с вмещающими и разде-
ляющими отложениями, а также процессы взаимодействия по-
верхностных и подземных вод различных водоносных комплек-
сов. Гидрогеохимические данные широко используются как при
изучении геологических условий (литологический состав, геоло-
гические структуры и тектонические нарушения, элементы гео-
морфологии), так и для интерпретации гидрогеологических ус-
ловий (определение возраста подземных вод, оценка времени
водообмена, установление гидрогеохимических процессов, реше-
ние гидродинамических задач: определение направления, дей-
ствительной скорости и расхода подземного потока, оценка ин-
фильтрационного питания, и наконец, оценка экологического
состояния водоносных горизонтов пресного и минерального во-
доснабжения).
С целью изучения химического состава подземных вод прово-
дится гидрогеохимическое опробование исследуемых водоносных
структур, представляющее собой вид полевых работ, который
используется как при гидрогеологической съемке, так и при про-
ведении специальных гидрогеологических опытно-фильтрацион-
ных работ. Количество проб, отбираемых в процессе проведения
гидрогеологической съемки, определяется степенью изученнос-
ти территории и задачами, которые нужно решить.
Конкретные задачи гидрогеохимического опробования опре-
деляют и материал используемой посуды: для общего анализа
воды желательно использование бутылей из бесцветного хи-
мически стойкого стекла. Для специфических определений мик-
рокомпонентного состава воды пробы могут отбираться и в
специальную полиэтиленовую посуду, и в посуду из темного
стекла в зависимости от требований конкретных методик хи-
мического анализа. Этими же соображениями определяется и
объем отбираемой пробы (для общего анализа достаточно 0,5—
0,7 л воды).
Таким образом, гидрогеохимическое опробование должно про-
водиться по заранее составленной схеме с учетом планируемых
174
методик химического анализа воды и дальнейших путей обра-
ботки и систематизации гидрогеохимических данных.
Для получения достоверных результатов анализ воды следует
делать в день опробования, так как изменение физико-химичес-
ких условий водной системы, неизбежное при отборе пробы воды,
может привести к процессам окисления или восстановления не-
которых компонентов, седиментации, адсорбции на стенках бу-
тыли и т.д. Ряд определений необходимо проводить на месте от-
бора пробы. При невозможности исследовать пробу в установ-
ленные сроки ее консервируют. Универсального консервирующего
средства не существует. В случае необходимости консервации
пробы для анализа отбирают в несколько бутылей, каждую из
которых консервируют согласно методикам определения соот-
ветствующих компонентов, добавляя различные реагенты (Но-
виков и др., 1990).
Современные методы аналитических определений компонент-
ного состава воды чрезвычайно разнообразны. Стационарные
химические лаборатории позволяют определять в воде сотни хи-
мических соединений. Вместе с тем в связи с неустойчивостью
химического состава водных систем во времени при нарушении
естественных условий их существования по-прежнему широко
используются полевые гидрохимические лаборатории с набором
относительно простых методик химического анализа, которые
позволяют проводить целый ряд необходимых определений не-
посредственно у источников водопроявления. Это ПЛАВ (поле-
вая гидрохимическая лаборатория для общего анализа воды),
МЛАВ (маршрутная лаборатория анализа воды), полевые рН-мет-
ры, кондуктометры (солемеры). С помощью такой аппаратуры
можно достаточно точно выполнять анализы подземных вод, по-
зволяющие классифицировать эти воды, изучать условия взаи-
мосвязи водоносных горизонтов между собой и поверхностными
водами, давать техническую, хозяйственно-бытовую и санитар-
ную оценки.
С использованием полевых гидрохимических лабораторий оп-
ределяется ряд нестабильных во времени компонентов: NH^, NO£,
NO3“, Fe2+, Fe3+; O2, H2S, СО2и другие газы, характеристики pH,
Eh. Существуют специальные полевые лаборатории для определе-
ния тяжелых металлов (Си, Zn, Mo, Pb, As и др.), например лабо-
ратории типа ГХЛ (созданы для проведения гидрохимических
поисков рудных месторождений). ПЛАВ позволяет определить ряд
макрокомпонентов: НС03 , CO2 , SO^-, СГ, Са2+, Ca2++Mg2+.
Содержание Mg2+, Na+ + К+ и суммарная минерализация в та-
ких условиях, как правило, определяется расчетным путем. В
результате исследователь получает так называемый сокращенный
175
6-компонентный анализ, отражающий макрокомпонентный со-
став воды.
В последнее время широко используются потенциометричес-
кие методы анализа вод, которые позволяют определять в поле-
вых условиях содержащиеся в воде вещества в широких пределах
изменения их концентраций с помощью аппаратуры с независи-
мым питанием. В потенциометрическом анализе используется
зависимость между концентрацией определяемого вещества и
электродвижущей силой системы «раствор — ионоселективные
электроды». Для каждого определяемого вещества разработаны
компактные ионоселективные электроды и методики проведе-
ния анализа (Д. Мидгли, К. Торренс, 1980). В качестве измери-
тельной аппаратуры можно использовать широко распространен-
ные стандартные pH-метры. Таким образом, метод чрезвычайно
удобен для полевых исследований и режимных наблюдений. Оп-
ределенная сложность состоит в подборе кондиционных ионосе-
лективных электродов (лучшие наборы электродов выпускаются
за рубежом), правильном выборе буферных растворов, что тре-
бует немалой и достаточно трудоемкой подготовительной работы
перед полевыми исследованиями.
Результаты химических анализов отобранных проб воды сис-
тематизируются и анализируются в соответствии с задачами гид-
рогеохимических исследований.
Задача 10
ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКОГО
ОПРОБОВАНИЯ
При изучении условий формирования подземных вод с ис-
пользованием данных гидрогеохимического опробования могут
быть решены следующие задачи:
1. Проведение гидрогеологической стратификации изученного
геологического разреза территории Звенигородского полигона.
2. Изучение взаимодействия водоносных горизонтов между
собой и поверхностными водами.
3. Определение основных процессов формирования подзем-
ных вод.
4. Оценка экологического состояния подземных вод.
Условия формирования химического состава
подземных вод района Звенигородского полигона
Объектом гидрогеологических исследований являются водо-
носные горизонты четвертичных и каменноугольных отложений.
176
Подземные воды на рассматриваемой территории формиру-
ются в зоне интенсивного водообмена; их питание, движение и
разгрузка идут по схеме А.Н. Мятиева. На водоразделах имеет место
прямое соотношение напоров, а в долине реки Москвы на пер-
вой надпойменной террасе оно меняется, и разгрузка подземных
вод каменноугольных отложений происходит в аллювиальный
водоносный горизонт и в реку. В таких условиях развиваются сле-
дующие гидрогеохимические процессы, обусловливающие фор-
мирование химического состава подземных вод.
1. Физико-химические процессы, протекающие в насыщенной
углекислым газом системе «почва — инфильтрующиеся воды ат-
мосферных осадков». Атмосферные осадки (дождь), участвующие
в питании грунтовых вод, имеют общую минерализацию 0,02-
0,05 г/л с высоким содержанием аммония и слабокислой реак-
цией среды (pH 5—5,8), что определяет их высокую агрессив-
ность по отношению к почвенным минералам. Для этой зоны
характерны следующие процессы:
а) растворения и выщелачивания пород, например, карбонат-
ных примесей:
СаСО3 + Н2О + СО2= Са2+ + 2НСО3
или силикатных минералов:
RSiO3 + СО2 + «Н2О —» RCO3 + SiO2 + иН2О;
б) окисления, например, примесей сульфидных минералов:
MeS + 2О2= Ме2+ + SO42-;
в) гидролиза, например, полевошпатовых минералов:
NaAlSiO3O8 + Н2О + СО2 ^ HAlSiO3O8+ Na+ + НСО3 ;
г) ионного обмена, например
7Kj„+ + Ся2+ = ?Na+ + Ся2+
порода ч-'а вода ^,1^а вода ‘ v->a порода;
в) биогеохимические процессы, например окисление аммиака
бактериями-нитрификаторами по схеме
NH4+ -> NO2~ -> NO/.
В результате инфильтрующиеся воды обогащаются гидрокар-
бонатом, сульфатом, кальцием, магнием, натрием, органичес-
кими веществами, кремниевой кислотой, микроэлементами.
Большая часть упомянутых процессов продолжается и в зоне
аэрации, которая в пределах рассматриваемой территории
177
представлена аллювиальными и флювиогляциальными песками
и имеет мощность от 2—3 до 15 м.
В условиях интенсивного сельскохозяйственного освоения тер-
риторий почвы и породы зоны аэрации загрязнены азотными
соединениями, что приводит к накоплению в инфильтрующихся
водах нитрат-ионов в концентрациях, значительно превосходя-
щих фоновые.
2. Физико-химические процессы, протекающие в насыщенной
зоне четвертичного водоносного горизонта. Грунтовые воды в пре-
делах изученной территории приурочены к аллювиальным и
флювиогляциальным отложениям, они вскрываются на глуби-
нах 5—18 м. Проинфильтровавшиеся через почву и зону аэрации
воды атмосферных осадков в насыщенной зоне образуют физи-
ко-химическую систему «подземная вода — водовмещающие от-
ложения», для которой характерны процессы растворения и вы-
щелачивания, осаждения в случае перенасыщения вод по како-
му-либо компоненту, сорбции-десорбции, диффузии, ионного
обмена и т.д.
В результате формируется чрезвычайно пестрый химический
состав грунтовых вод. В условиях отсутствия техногенной нагруз-
ки грунтовые воды пресные, HCO3CaMgNa и HCO3SO4CaMgNa
составов (по классификации К.Е. Питьевой), с минерализацией
до 0,2-0,3 г/л.
В условиях интенсивного хозяйственного освоения террито-
рии (наличия очистных сооружений, крупных поселков, сельс-
кохозяйственных объектов) увеличивается роль техногенного
фактора в формировании состава грунтовых вод. В результате со-
став меняется на HCO3ClSO4CaNaMg (NaCaMg), минерализация
возрастает до 1 г/л. Отличительной особенностью загрязнения
грунтовых вод данного района является превышающее ПДК со-
держание нитратов.
В последние годы вопрос о токсичном содержании нитратов в
источниках водоснабжения стал актуальным. Неблагоприятный
эффект усиливается при содержании нитратов более 45 мг/л, и
эта концентрация принята в России и во многих других странах
мира как предельно допустимая для питьевой воды. В подземных
водах, не испытывающих антропогенного загрязнения, содержа-
ние нитратов невелико (для средней полосы России оно состав-
ляет 7—10 мг/л). В значительных количествах нитраты могут встре-
чаться вблизи таких точечных источников, как навозохранили-
ща, сбросы сточных вод. Площадные источники загрязнения
подземных вод нитратами обычно связаны с сельскохозяйствен-
ным производством. Большое количество нитратов поступает в
178
подземные воды из удобрений, особенно на участках, где прово-
дится орошение культур на песчаных почвах.
Именно такой тип загрязнения источников водоснабжения
характерен для описываемой территории. Режимные наблюдения
свидетельствуют о повышении концентрации нитратов в грунто-
вых водах (табл. 10.1). В связи с этим сохранение оптимального
соотношения между увеличением продуктивности сельского хо-
зяйства и опасностью загрязнения подземных вод является од-
ной из наиболее сложных проблем охраны окружающей среды и
требует постановки специальных исследований по миграции нит-
ратов в зоне активного подземного стока. Грунтовые воды рас-
сматриваемой территории несут и другие следы антропогенного
загрязнения: повышены концентрации по общей жесткости —
величина этого показателя изменяется от 7,8 до 9,63 мг экв/л,
Таблица 10.1
Содержание нитратов в поверхностных и подземных водах района
Звенигородской учебной практики
(поданным 1984-1995 гг.)
Объект наблюдения Г еоморфологическое ноложенне объекта Содержание нитратов, мг/л
макс мнн
Атмосферные осадки - 7,0 0
Поверхностные воды:
р. Жуковка нижнее течение 20 3
р. Молодня то же 18 4
болото верховое водораздел 17 0
болото низовое I терраса р. Москвы 23 2
Грунтовые воды четвер- тичных отложений:
родник у д. Кари некое пойма р. Москвы 70 25
пластовое высачивание то же 37 18
д. Луцино, 3 колодца I терраса р. Москвы 140 30
д. Аниково, 2 колодца то же 160 50
д. Устье, 2 колодца то же 140 24
д. Рыбушкино, 3 ко- то же 160 48
лодца д. Гигирево, 3 колодца II терраса р. Москвы 100 11
д. Каринское, 2 ко- лодца то же 180 17
Межпластовые воды ка- менноугольного водонос- ного горизонта:
водозабор п/л «Мир- ный» I терраса р. Москвы 16 6
водозабор пансионата «Елочка» II терраса р. Москвы 6 0,5
водозабор на Верхних дачах ЗБС склон водораздела 12 0,5
179
грунтовые воды некоторых колодцев имеют повышенную кон-
центрацию хлора. Несоответствие ГОСТу ограничивает исполь-
зование грунтовых вод, они могут применяться в основном лишь
для сельскохозяйственного полива.
3. Процессы сорбции, ионного обмена, протекающие при фильт-
рации грунтовых вод через разделяющий пласт глин в нижележа-
щие пластовые воды, приводят к тому, что часть загрязняющих
компонентов задерживается в разделяющем слое и не достигает
пластовых вод. Благоприятным условием для распространения
загрязнения вниз по разрезу является наличие «литологических
окон» в толще разделяющих глин. На таких участках загрязнение
фиксируется и в грунтовых, и в пластовых водах. Но в целом на
рассматриваемой территории пластовые воды не подвержены азот-
ному загрязнению. Основным процессом формирования хими-
ческого состава пластовых вод каменноугольного водоносного
горизонта в данных условиях является карбонатное выщелачива-
ние водовмещающих пород:
СаСО3 + Н2О + СО2 = Са(НСО3)2;
MgCO3+ Н2О + CO2 = Mg(HCO3)2.
Эти процессы обусловили гидрокарбонатный кальциево-маг-
ниевый состав подземных вод каменноугольных отложений. Воды
здесь характеризуются стабильным гидрохимическим режимом,
устойчивой общей минерализацией (0,3—0,5 г/л). В них установ-
лены минимальные концентрации хлора и сульфат-иона, соот-
ветствующие средним фоновым; отсутствуют загрязнители: ам-
моний, нитраты.
4. В областях разгрузки подземных вод преобладают процессы
смешения вод разного состава. В результате поверхностные воды
района Звенигородского полигона характеризуются большим раз-
нообразием химического состава, отражающего процессы взаи-
модействия поверхностных и подземных вод.
Река Москва и ее притоки являются областью разгрузки грун-
товых и напорных вод, а их химический состав — интегральной
характеристикой всех поверхностных и подземных вод террито-
рии. Общая минерализация речных вод варьирует от 0,24 до
0,50 г/л, они имеют гидрокарбонатный магниево-кальциевый
состав, в них отмечено небольшое содержание нитритов (0,2 мг/л),
аммония (0,25 мг/л) и высокое содержание растворенного кис-
лорода (до 9 мг/л).
Пруды, ручьи, болота территории Звенигородского полигона
дренируют грунтовые воды различных отложений и поэтому ха-
180
растеризуются значительным разнообразием. Их общая минера-
лизация изменяется от 0,20 до 0,43 г/л, химический состав —
гидрокарбонатный кальциевый (НСО3Са), гидрокарбонатно-суль-
фатный кальциево-магниевый (НСО3 SO4 Са Mg), отмечены сле-
ды нитритов (до 0,15 мг/л) и повышенное содержание аммония.
Таким образом, условия формирования подземных вод рас-
сматриваемой территории отражаются на их химическом соста-
ве, что в свою очередь ведет к ограничению использования под-
земных вод разного генезиса в питьевых целях. Для водоснабже-
ния крупных поселков, санаториев, пансионатов используются
наиболее пригодные по качеству для питьевых целей напорные
воды каменноугольных отложений.
В поселках и селах для нужд питьевого и сельскохозяйствен-
ного водоснабжения по-прежнему применяются грунтовые воды
аллювиальных и флювиогляциальных отложений, подверженные
интенсивному загрязнению, что является характерной для региона
Подмосковья экологической проблемой.
Методика проведения работ
Гидро геохимическое опробование территории должно быть
проведено следующим образом: должны быть опробованы все
изучаемые водоносные горизонты, желательно в областях пита-
ния, движения, разгрузки; необходимо опробовать реки, озера,
болота, гидравлически связанные с подземными водами или уча-
ствующие в питании и разгрузке подземных вод. Для оценки эко-
логического состояния подземных вод опробованию подлежат
карьеры, свалки и другие объекты и источники загрязнения. Всего
в единовременном опробовании на территории Звенигородского
полигона может быть отобрано около 40—45 проб подземных и
поверхностных вод.
Гидрогеохимическому опробованию предшествуют комплек-
тация маршрутных лабораторий и подготовка посуды и пробок:
бутыли моют синтетическими моющими средствами, при необ-
ходимости используют хромовую смесь, обработку водяным па-
ром. Перед отбором пробы посуду несколько раз ополаскивают
исследуемой водой. Для опробования желательно использование
стеклянных или полиэтиленовых пробок. Корковые пробки ки-
пятят в дистиллированной воде, резиновые — в 1%-ном раство-
ре соды, а затем промывают водой, 1%-ным раствором НС1 и
ополаскивают несколько раз дистиллированной водой.
Отбор проб осуществляется ручными пробоотборниками. По-
верхностные пробы воды можно брать прямо в бутыль. Материал,
го изготовлены пробоотборники, должен быть химически
181
стойким и исключать возможность изменения химического со-
става пробы.
Для определения растворенного кислорода и сероводорода
весьма важно, чтобы проба воды при взятии была защищена от
контакта с атмосферным воздухом. Для этого воду из пробоот-
борника переливают в бутыль через сифонную трубку (напри-
мер, резиновый шланг), опущенную до дна бутыли. После на-
полнения бутыли воду продолжают наливать, чтобы она перете-
кала через край. Бутыль закрывают пробкой или соской, не
оставляя пузырьков воздуха.
Непосредственно у источников водопроявления рекоменду-
ется определение физических свойств, pH, H2S, СО2, закисно-
го и окисного железа, нитрит-иона и иона аммония в перечис-
ленной последовательности. В противном случае эти показатели
должны определяться первыми в день вскрытия пробы. В этот
же день следует провести определение гидрокарбонат-иона, дру-
гих компонентов — позднее в следующей последовательности:
Са2+ + Mg2+-, Са2+, SO42-, СГ. Определения проводятся по ме-
тодикам Резникова, инструкции к которым приложены к поле-
вым лабораториям. Результаты аналитических определений за-
носятся в журнал.
Отдельно проводится анализ содержания нитратов в подзем-
ных водах по одной из трех методик: метод восстановления со
сплавом Деварда, колориметрический (с использованием стан-
дартного фотоэлектроколориметра), потенциометрический.
Далее расчетным путем определяются содержание Mg2+,
Na+ + К+, суммарная минерализация.
Камеральная обработка и представление результатов
Полученные результаты химических анализов систематизиру-
ются и заносятся в каталог гидрогеохимического опробования,
форма которого представлена в табл. 10.2.
На основе полностью составленного каталога гидрогеохими-
ческого опробования территории Звенигородского полигона про-
водится анализ и интерпретация полученных данных.
1. Анализируется макрокомпонентный состав вод. Выделяют-
ся различные типы и группы вод по классификации К.Е. Питье-
вой. Проводится сопоставительный анализ содержания основных
макрокомпонентов, их соотношений для различных типов вод.
Выявляются закономерности распределения содержания основ-
ных катионов и анионов в водах различного генезиса, а также
изменения химического состава исследуемых вод по площади.
182
Каталог гвдрогеохимического опробования поверхностных и подземных вод
Таблица 10.2
Адрес Дата отбора Возраст Глубина (м) М, г/л Макрокомпоненты Нестабильные компоненты NOj Формула солевого состава
НСОз so42+ а Са2+ жж *+ Mg Na+ Ог Fe3* Fe2+ nh4+ NOz
дата анализа а * Л U S 1 мг/л | мг-экв/л | S а * Л й | мг-экв/л | мг/л | %-экв | | мг-экв/л | мг/л а * Л 6R | мг-экв/л | 1 1 яяе-% | мг-экв/л | | мг/л | яяе-% мг/л мг/л мг/л 1 мг/л 1 мг/л мг/л
Атмосферные осанки
Поверхностные воды
г рунтовые воды
Пластовые воды
183
2. Анализируется микрокомпонентный состав подземных и
поверхностных вод (содержание железа, азотных соединений).
Выявляются закономерности изменения содержания загрязняю-
щих компонентов по площади в разрезе.
3. Проводится оценка качества подземных и поверхностных
вод с точки зрения их использования в хозяйственных целях:
выделяются участки, характеризующиеся несоответствием содер-
жания каких-либо компонентов санитарным нормам, определя-
ется характерный набор загрязняющих компонентов в исследуе-
мых водах. Проводится предварительная оценка распростране-
ния загрязнения: устанавливаются ориентировочные значения
фоновых концентраций загрязняющих компонентов, анализиру-
ется связь между увеличением содержания компонента-загряз-
нителя и изменением макрокомпонентного состава вод, выделя-
ются участки распространения подземных вод фонового и нару-
шенного составов.
4. На карту и гидрогеологический разрез исследуемой терри-
тории наносятся точки опробования и основные результаты гид-
рогеохимического анализа (состав вод, суммарная минерализа-
ция, в случае необходимости — содержание загрязняющих ком-
понентов). Рекомендуется использование специальных знаков —
круговых диаграмм.
Внимательный анализ результатов гидрогеохимического оп-
робования позволяет провести их интерпретацию по следующим
направлениям.
1. На основе изменения химического состава подземных вод
различных горизонтов доказать схему формирования подземных
вод изученной территории по известной из учебного курса схеме
Мятиева—Гиринского. Дать характерный состав подземных вод
различных горизонтов, показать проявление в химическом со-
ставе вод основных процессов их формирования.
2. Оценить условия взаимосвязи водоносных горизонтов меж-
ду собой и с поверхностными водами путем сравнения их хими-
ческого состава и соотношений гидростатических напоров.
3. Дать оценку качества воды для водоснабжения и хозяйствен-
ного использования. Оценить экологическое состояние подзем-
ных вод исследуемой территории, определить причины и масш-
табы загрязнения, возможность оздоровления ситуации.
По результатам работ составляется краткая объяснительная
записка.
Все гидрохимические данные используются при составлении
главы «Гидрогеологические условия», они помогают при подраз-
делении гидрогеологического разреза на водоносные горизонты
и комплексы.
184
ГЛАВА 4
Инженерно-геологические
исследования
4.1. Методы изучения геологического строения
и предварительной оценки свойств грунтов
Геологическое строение разреза горных пород изучается це-
лым комплексом полевых геологических, инженерно-геологичес-
ких и геофизических методов. К ним относятся методы бурения,
статического и динамического зондирования, а также ряд гео-
физических полевых методов: сейсмическое зондирование, вер-
тикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) и т.д.
В ходе изучения строения разреза пород указанными метода-
ми попутно проводится и предварительная оценка их физичес-
ких и физико-механических свойств. В дальнейшем эти данные
дополняются более детальными лабораторными и другими ис-
следованиями.
Задача 11
БУРЕНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СКВАЖИНЫ,
ОПРОБОВАНИЕ КЕРНА И СОСТАВЛЕНИЕ
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ КОЛОНКИ
Наиболее качественную информацию геологи получают, иссле-
дуя керн буровых скважин. Буровая скважина — это горная выра-
ботка цилиндрической формы, имеющая малые размеры в попе-
речном сечении при относительно большой ее протяженности. По
назначению скважины подразделяют на инженерно-геологические,
инженерно-гидрогеологические и специальные (табл. 11.1).
Выбор способа и технологического режима бурения опреде-
ляется типом грунтов по буримости, характером геологического
разреза, требуемой точностью получаемой информации. Оценку
качества различных видов бурения можно осуществлять по вели-
чине показателя неполноты отражения разреза Кп, равному от-
ношению числа пропущенных слоев к их общему числу, а также
по средней мощности пропущенного слоя (табл. 11.2). Наиболее
качественную информацию дают вибрационный и ударно-канат-
ный способы, наихудшую — шнековый.
Бурение в неустойчивых крупнообломочных грунтах должно
вестись с опережающей обсадкой скважины. Этому требованию
удовлетворяет ударно-канатное бурение. Этот же вид бурения в
сочетании со шнековым дает хорошие результаты при проходке
185
Основные виды буровых скважин
(по М.А. Солодухину)
Таблица 11.1
Классифика- ционные признаки Классифика- ционные груииы Диаметр скважи- ны, мм Глубина,м Назначение
инженерно- геологические: зондировочные 34-89 10-15 расчленение разреза, отбор образцов, опре- деление мощности слабых грунтов и пр.
По назна- разведочные технические 89-219 108-219 различная то же детальная геологичес- кая документация, от- бор монолитов для определения физико- механических свойств
чению инженерно- гидрогеологиче- ские 108-146 различная наблюдения за уров- нем подземных вод, опытные откачки, нагнетания, наливы и пр.
специальные до 426 до 10 прессиометрические и штамповые испыта- ния, анкеровка обору- дования и др.
По глубине неглубокие средние глубокие 34-168 89-219 более 127 до 10 10-30 более 30
песчаных грунтов. В глинистых грунтах могут быть использованы
любые виды бурения. Единственным способом проходки скаль-
ных грунтов является колонковое бурение с помощью армиро-
ванных твердыми сплавами или алмазами коронками, чугунной
дроби или стальной сечки и др.
При бурении скважин в многолетнемерзлых грунтах выбирае-
мый способ проходки должен обеспечивать минимальное нару-
шение естественного температурного и влажностного режима
грунта в отбираемых образцах, а также сохранность самой сква-
жины. Наиболее часто в этих случаях используется колонковое
дробовое бурение с очисткой забоя сжатым воздухом.
Выбор необходимого типа бурового станка зависит от условий
производства работ и назначения буровых скважин.
Для бурения инженерно-геологических скважин глубиной до
150 м применяются следующие буровые установки: ПБУ-10,
БУЛИЗ-15, УБП-15М, УБП-25, БУКС-ЛГТ, АВБ-2М, ЛБУ-50,
УГБ-50М, БУГ-100, СБУДМ-150-ЗИВ, УРБ-2АМ, мотобур Д-10 и
др. Наиболее распространенной установкой, предназначенной для
186
Таблица 11.2
Точность отражения геологического разреза при различных видах бурения
Способ бурения Показатель неполноты отражения разреза, К„, % Средняя мощность пропущенного слоя, м
Вибрационный 3,2 0,08
Ударно-канатный 11,1 0,09
Колонковый «в сухую» 14,3 0,18
Медленновращательный 23,6 0,21
Шнековый рейсовый 21,3 0,20
Шнековый поточный 38,5 0,39
бурения инженерно-геологических скважин диаметром 92—230 мм
на глубину 50—100 м, является УГБ-50М, смонтированная на
серийном автомобиле ГАЗ-66. С ее помощью бурение может осу-
ществляться шнековым, колонковым и ударно-канатным спосо-
бами. Ее можно использовать и для проходки шурфо-скважин
диаметром 600—800 мм и глубиной 5—6 м с помощью специаль-
ных буровых снарядов.
Для бурения неглубоких разведочных инженерно-геологичес-
ких скважин может применяться малогабаритная зондировочно-
буровая установка УЗБ-5М конструкции Л.С. Амаряна (рис. 4.1).
Малогабаритная зондировочно-буровая установка сборно-раз-
борной конструкции УЗБ-5М первого поколения, разработан-
ная Л.С. Амаряном, предназначена для бурения, отбора проб и
статического зондирования грунтовых оснований зданий и со-
оружений в сложных природных и стесненных условиях застро-
енных территорий. Установка УЗБ-5М обеспечивает также уси-
ление и укрепление фундаментов зданий и сооружений при их
реконструкции, аварийных ситуациях и повышении нагрузок на
существующие основания.
Указанные возможности установки достигнуты благодаря ма-
лому весу, сборно-разборной конструкции и габаритам, позволя-
ющим переносить и эксплуатировать ее в названных сложных и
стесненных условиях. Основные технические характеристики мо-
дернизированной установки УЗБ-5М-1 представлены в табл. 11.3.
Установка УЗБ-5М-1 состоит (см. рис. 4.1) из опорной рамы
на четырех колесах и упорах, каретки, реечной стойки и силовой
части в виде редуктора с электрическим приводом, обеспечива-
ющей вращательное бурение шнеками и колонковой трубой, а
также статическое зондирование с предварительной анкеровкой
с измерением лобового и бокового сопротивлений погружению
конусного наконечника и зонда стандартных параметров.
187
Рис. 4.1. Малогабаритная зондировочно-буровая установка УЗБ-5М:
1 — конус; 2 — долото; 3 — винтовая свая; 4 — забивной штырь; 5 — опора; 6 — винтовой
упор; 7 — упор рамы; 8 — шнек для бурения; 9 — зонд для статических испытаний; 10 —
измеритель лобового сопротивления при статическом зондировании; 11 — штурвал; 12 —
редуктор; 13 — ручка включения и отключения вращателя; 14 — тормоз произвольного
перемещения редуктора и ручка отключения редуктора от рейки; 15 — рукоятка реверса
электродвигателя или его включения; 16 — ручка привода редуктора от электродвигателя;
17 — электродвигатель; 18 — рукоятка для ручного перемещения редуктора по рейке; 19 —
резьбовая втулка перевода динамометра на измерение лобового или общего сопротивления;
20 — реечная стойка; 21 — каретка; 22 — рама; 23 — отвес; 24 — малая свая
Таблица 11.3
Основные технические характеристики установки УЗБ-5М-1
Технические характеристики Зшмешя параметров
I.Мощность электропривода, кВт 1,5
2. Частота вращения электродвигателя, об/мин 2800
3. Максимальное усилие при зондировании, тс 6
4. Частота вращения бурового инструмента, об/мин 26-85
5. Максимальный крутящий момент, кгс-м 58
6. Диаметр буровых шнеков, мм 89
7. Длина секций шнеков, штанг и зондов, м 1
8. Ход редуктора по рейке, м 1,2
9. Диаметр конуса и штанг статического зондирования, мм 36
Ю. Максимальная глубина зондирования, м 15
II. Максимальная глубина бурения, м 15
12. Диаметр штанг колонковой трубы, мм 42
I3. Диаметр лопасти анкерной сваи, мм 180
14. Внутренний диаметр башмака вдавливаемого грунтоноса, мм 76
15. Полная высота установки, мм 2000
16. Размеры опорной рамы в плане, мм 1000x1200
17. Масса установки в сборе, кг 130
18. Общая масса бурового инструмента, зонда и штанг, кг 150
Бурение скважин с помощью установки УЗБ-5М-1
Установка УЗБ-5М-1 обеспечивает вращательное бурение с
помощью шнеков и колонковой трубы диаметрами 89 мм (92 мм
по долоту и коронке) на глубину до 15 м.
К бурению приступают после сборки установки (см. рис. 4.1),
для чего ставят редуктор на торец, направляют рейку внутрь его
через пазы, рукояткой перемещают стойку на 0,5 м, закрепляют
каретку болтами к раме, надевают первый палец стойки, ставя ее
вертикально вместе с редуктором, надевая и закрепляя второй
палец. После этого устанавливают четыре опорные пластины с
резьбовыми втулками и вывешивают установку вертикально. Че-
рез резьбовые втулки вставляют штыри и забивают их в грунт
кувалдой примерно на 0,5 м, обеспечивая тем самым фиксацию
опорной рамы от поворота при последующих операциях по анке-
ровке или бурению. Бурение шнеками или колонковой трубой
можно производить без анкеровки.
Редуктор (рис. 4.2) с помощью штурвала 2 или рукоятки 11
ставят в верхнее положение, закрепляя его тормозом 1 от опуска-
ния или придерживая штурвалом 2. При этом редуктор отключа-
ют от рейки движением рукоятки 3 на себя. Вращатель включают
189
Рис. 4.2. Редуктор установки УЗБ-5М-1 с расположением рукояток переключе-
ний и штурвала подачи инструмента:
1 — тормоз редуктора от произвольного перемещения вниз; 2 — штурвал подачи бурового
инструмента; 3 — ручка включения и отключения редуктора от рейки; 4 — ручка включения
и отключения врашятеля; 5 — ручка привода редуктора от электродвигателя; 6 — рукоятка
реверса электродвигателя или его включения; 7 — вал врашятеля; 8 — электродвигатель с
муфтой сцепления; 9 — измеритель лобового и общего сопротивлений при статическом
зондировании; 10 — резьбовая втулка перевода динамометра на измерение лобового и об-
щих сопротивлений; 11 — рукоятка для ручного перемещения редуктора по рейке с различ-
ной скоростью и усилием
движением рукоятки 4 от себя, слегка поворачивая вал вращате-
ля. На переходник вала вращателя 7 надевают шейку шнека и
устанавливают соединительный палец, фиксируя его шплинтом.
Подачу бурового инструмента производят вручную с помощью
штурвала 2. Бурение начинают после включения электродвигате-
ля. Для этого движением рукоятки 5 на себя включают муфту
сцепления электродвигателя 8, приводя во вращение буровой
инструмент, погружая его в грунт штурвалом 2. После погруже-
ния секции инструмента на 1 м отключают привод рукояткой 5
(отпуская ее от себя) снимают палец и поднимают редуктор вверх
штурвалом 2 или реечной передачей, включая ее движением ру-
коятки 3 от себя до упора, переключая реверсивное движение
вверх электрическим переключателем 6. Наращивают новую сек-
цию и продолжают бурение в том же порядке, пользуясь штурва-
лом 2, предварительно отключив реечную передачу движением
рукоятки 3 на себя.
После окончания работ разбирают установку (извлекают за-
бивные штыри, отделяют редуктор от рейки и др.) в обратном
порядке. При отсутствии необходимости транспортирования уста-
новки можно поставить редуктор в нижнее положение, наклонить
190
стойку с закреплением на одном пальце каретки рамы и опуска-
нием их на колеса, что используется при перемещении установки
в пределах рабочей области или в складское помещение.
Основные элементы операций по шнековому и колонковому
бурению (подача, погружение, извлечение, очистка и др.) вы-
полняют согласно существующим и известным в инженерной
геологии технологическим правилам и требованиям техники
безопасности.
Документация буровых скважин
При бурении скважин ведется следующая документация: бу-
ровой журнал, паспорт скважины, акты о заложении скважины,
контрольного замера глубины скважины, о консервации сква-
жины, замера искривления скважины, о сокращении и ликвида-
ции керна, геологический разрез по скважине. Геологическая
документация скважин осуществляется систематическим ведением
бурового журнала, описанием и зарисовкой керна и построени-
ем колонки скважины в процессе ее проходки.
Порядок описания керна тот же, что и при описании обнаже-
ний: название породы, цвет, дисперсность, минеральный состав,
включения, характер цементации и состав цемента, наличие пор
и пустот, наличие трещин, их генезис и размеры, состав запол-
нителя, сложение породы, размер и форма отдельностей, влаж-
ность, консистенция, характер контактов в кровле и подошве,
мощность.
Буровой журнал заполняется буровым мастером и проверяет-
ся геологом партии. Описание керна и составление колонки осу-
ществляет техник-геолог или геолог партии.
Керн в процессе проходки укладывается в специальные ящи-
ки (длиной 120, шириной 50 см), разделенные на ячейки доща-
тыми перегородками. Процент выхода керна определяют путем
его замера при плотном помещении в керновые ящики. Перед
укладкой в ящики керн твердых пород промывают.
Керн, извлеченный при одном подъеме, отделяют от такового
при последующем с помощью деревянной бирки, на которой
указывают номер скважины, интервал бурения и фактическую
длину керна. Каждый кусок керна нумеруют в порядке возраста-
ния от устья к забою скважины. Мелкие куски керна заворачива-
ют в бумагу, в которую вкладывают соответствующую этикетку.
Обработка керна состоит в инженерно-геологическом опробова-
нии, отборе проб и образцов для лабораторного исследования
свойств, состава и состояния.
191
Отбор и инженерно-геологическое опробование керна
Отбор керна осуществляется с помощью специальных пробо-
отборников грунтоносов.
В практике инженерно-геологических изысканий использует -
ся целая серия грунтоносов различной конструкции: обуриваю-
щие (двойная колонка-НИИ оснований и подземных сооруже-
ний, Томгипротранса), залавливаемые и забивные (пробоотбор-
ники Гидропроекта, Днепрогипротранса, Сибгипротранса и др.).
Обуривающие грунтоносы используются в слабосцементирован-
ных и глинисто-песчаных породах твердой и полутвердой конси-
стенции; залавливаемые и забивные — в мягкопластичных и рых-
лых песчаных породах.
Конструктивно все грунтоносы состоят из внешней металли-
ческой гильзы (корпуса), внутреннего разъемного керноприем-
ника, головки и режущего башмака.
При ударно-канатном бурении в качестве грунтоноса исполь-
зуют забивной стакан, представляющий собой отрезок трубы
диаметром 89, 108, 127, 146, 168, 219 мм, длиной от 0,4 до 1,0 с
продольной прорезью и режущим башмаком. Иногда они осна-
щаются клапаном для использования в слабых грунтах.
При отборе образцов керна необходимо соблюдать следую-
щие требования:
1) забой скважины должен быть очищен от шлама;
2) при использовании обуривающих грунтоносов скорость вра-
щения не должна превышать 60 об/мин, а давление на за-
бой — 150—300 кг;
3) величина заглубления грунтоноса не должна превышать 1,5
его диаметра, но не более 0,4 м;
4) диаметр скважины должен быть на 15—20 мм больше диа-
метра грунтоноса.
Отбор монолитов и проб с помощью установки УЗБ-5М-1. Ус-
тановка УЗВ-5М-1 комплектуется грунтоносом вдавливаемого
типа ГВ-89 диаметром корпуса 89 мм и внутренним отверстием
76 мм, что позволяет вырезать из отобранных монолитов образ-
цы диаметром 71 мм для лабораторных компрессионных и сдви-
говых испытаний.
Так как внутренний диаметр корпуса (79 мм) на 3 мм меньше
диаметра отверстия башмака, то при погружении грунтоноса в
грунт монолит свободно, без трения поступает в корпус, а тре-
ние в башмаке обеспечивает его отрыв от целика при перемеще-
нии вверх.
Монолит отбирают из забоя скважин, пробуренных шнеками
с долотом или колонковой трубой с коронкой, наружный диа-
192
метр по концам твердосплавных пластин которых составляет
•»2 мм, обеспечивая свободное опускание грунтоноса по стволу
кважины.
Учитывая достаточно высокое сопротивление погружению
грунтоноса в грунт, необходимо анкерить раму для восприятия
реактивных усилий. Эти операции выполняют в соответствии с
фебованиями статического зондирования (см. задачу 15).
Инженерно-геологическое опробование — это комплекс работ,
шющих возможность получить обобщенные показатели состава,
состояния и свойств горных пород, слагающих геологическое тело,
<: заданной точностью и надежностью, отвечающими степени
изменчивости пород, стадии исследования и классу сооружений.
При полевом опробовании глинистых и песчаных пород обычно
недуг следующий комплекс определений: 1) условной пластичес-
кой прочности микропенетрометром, например конструкции
НСЕГИНГЕО М-2; 2) плотности и влажности пород плотноме-
ром-влагомером системы А.В. Ковалева, 3) водопроницаемости
песков фильтрациометром Ф-1 или трубкой Спецгео и определе-
ние прочностных параметров с помощью портативного прибора
IICB-25.
Микропенетрация
Микропенетрация применяется для: 1) расчленения визуаль-
но однородных толщ глинистых пород на слои, различающиеся
по прочности; 2) оценки степени однородности
и выдержанности глинистых пород по влажнос-
ти, консистенции и прочности; 3) определения
пластической прочности и других свойств гли-
нистых пород.
Микропенетрометр МВ-2 (рис. 4.3) состоит из
ручки 1, корпуса 2, штока 3, пружины 4, движ-
ка 5, опорной плиты 6, сменного конуса 7. Ис-
пытания с его помощью осуществляют следую-
щим образом.
Выравнивают площадку в стенке обнажения
шурфа, на поверхности керна, устанавливают на
нее микропенетрометр опорной плитой и, на-
жимая на ручку 7, внедряют конус на некоторую
глубину А, фиксируемую по перемещению движ-
ка 5. Повторяют опыт несколько раз.
Рис. 4.3. Ручной микропенетрометр МВ-2
193
При этом расчет пластической прочности осуществляется'по
формуле:
P=(PuaKC-Kh)/ h2,
где /’макс = Ро + КН‘, Ро — начальное натяжение пружины, равное
0,5 кг; К — жесткость пружины, принимаемая равной 0,65 кг/см;
Н — высота конуса микропенетрометра, равная 30 мм; h — глу
бина погружения конуса в эксперименте, мм. Представительност!.
результатов микропенетрации обусловливается 10—15 уколами ни
каждом исследуемом интервале керна или обнажения с последую-
щим вычислением средневзвешенного значения, принимаемым и
качестве критериев расчленения толщи на отдельные слои.
Определение плотности-влажности
Плотность и влажность грунтов керна или обнажения опреде-
ляют непосредственно в полевых условиях с помощью плотноме*
ра-влагомера А. В. Ковалева (рис. 4.4). Он содержит следующие
узлы: крышку I, замок 2, запирающий крышку и футляр 3, на-
Рис. 4.4. Плотномер-влагомер
Ковалева
садку 4 для вдавливания режущего
кольца 10 в грунт, нож 5, трубку
6 поплавка 7, узел 8 крепления до-
полнительного сосуда 9, герметизи-
рующую крышку 11. На трубке 6
поплавка нанесены четыре шкалы,
показывающие результаты опре-
делений. Шкала Вл характеризует
плотность испытуемого грунта в ес-
тественном сложении и при есте-
ственной влажности. Остальные три
шкалы: (Г, П и Ч) служат для оп-
ределения плотности скелета соот-
ветственно глинистого и песчаного
грунтов, а также почв (чернозем) в
диапазоне от 1,0 до 2,2 г/см3.
С помощью этого прибора мож-
но определить плотность: 1) влажно-
го грунта, 2) скелета грунта, 3) пес-
ка в рыхлом и плотном сложении.
По полученным данным рассчиты-
ваются: естественная влажность и
степень водонасыщения грунта, пористость и коэффициент по-
ристости, полная влагоемкость, уплотняемость и степень плот-
ности песков.
194
Перед испытаниями прибор должен быть оттатрирован. Для
•того в поплавок 7 (см. рис. 4.4) помещают режущее кольцо 10, к
поплавку присоединяют дополнительный сосуд 9 и собранный
гаким образом прибор помещают в футляр 3, предварительно
заполненный водой. В том случае, когда мениск воды установит-
ся на нулевом значении шкалы Вл прибор готов к работе. Если
же наблюдаются отклонения от этого положения мениска в ту
или другую сторону, то добавляют или убирают тарировочные
грузы в крышке 11.
Из грунта с помощью режущего кольца и ножа отбирается
проба объемом 250 см3 и помещается в поплавок. Последний вмес-
те с находящимся в нем кольцом и пробой погружается в футляр
с водой. Плотность грунта естественного сложения соответствует
положению мениска воды по шкале Вл. Затем проба из кольца
переносится в дополнительный сосуд, на треть заполненный во-
дой, и тщательно перемешивается (в случае глинистых грунтов
растирается между пальцами до сметанообразного состояния). По
окончании перемешивания сосуд соединяется с поплавком и
погружается в футляр, заполненный водой. Положение мениска
по шкале, соответствующей разности грунта, определяется плот-
ность его скелета.
Плотность песка в рыхлом и плотном сложении определяется
следующим образом. Грунт доводится до воздушно-сухого состо-
яния. Затем засыпается в трубку поплавка (емкость ее 250 см3)
без уплотнения или с послойным уплотнением путем постукива-
ния о стенку трубки и помещается в футляр с водой. По шкале П
определяется плотность песка в том или ином сложении.
Для расчета параметров используются следующие формулы:
n = (р5 — prf)100/ps, % — пористость;
е = (р5 — prf)/prf — коэффициент пористости;
Kw= W р/п — коэффициент водонасыщения;
= pB«/pd — полная влагоемкость;
F= (ерыхл ~ епл)/ерыхл — уплотняемость песков;
Л/=(ерыхл — е)/(ерыхл — епл) — коэффициент плотности.
Здесь W — естественная весовая влажность грунтов, р5 — плот-
ность твердой компоненты грунта, принимаемая равной для пес-
ков 2,65 г/см3, супесей — 2,70 г/см3, суглинков — 2,72 г/см3,
глин — 2,74 г/см3; рв — плотность воды.
Интервал опробования регламентируется стадией изысканий,
но не должен превышать 1 м.
195
Определение водопроницаемости песчаных грунтов
Оценочные значения коэффициента фильтрации в полевьи
условиях определяют с помощью портативных приборов тит
фильтрациометр Ф-1, трубка Спецгео, Каменского и др. Наибо
Рис. 4.5. Фильтрациометр Ф-1
лее просты конструкция и техно
логия производства испытаний
при использовании фильтрации
метра Ф-1 (рис. 4.5).
Прибор Ф-1 состоит из режу
щего кольца 2(см. рис. 4.5), снаб
женного с обоих торцов латунны
ми сетками 3, предохраняющими
грунт от вымывания в процесс!
опытов, прозрачной трубки 7,
внешнюю поверхность которой
нанесена серия шкал, характеры
зующих водопроницаемость груп
та в зависимости от температурь!
фильтрующейся воды, крышки •!
и составного футляра 5. Причем
длина трубки, режущего кольни
и высоты частей футляра подо
браны так, что их разное сочетл
ние позволяет создавать градиек
ты фильтрации от 1 до 3.
Работа с прибором состоит и
следующем. Прибор устанавлива
ют на выровненную площадку
обнажения или керна (ориенти
ровать его можно параллельно или перпендикулярно напласто
ванию) и рукой залавливают режущее кольцо до упора в грунт.
Осторожно подрезают ножом торцевую часть, срезают излишки
грунта и закрывают его крышкой 4. Помещают прибор с грунтом
в большую часть футляра (в этом случае градиент напора будет
равен 7), заполненного водой с известной температурой. Ведуг
наблюдение за заполнением образца водой через отверстие в труб
ке 1. В тот момент, когда в нижней части трубки появится вода,
доливают ее до заполнения всей трубки. Выбирают шкалу, соот
ветствующую температуре фильтрующейся воды, и в тот момент,
когда ее мениск достигнет нулевой отметки, фиксируют по се
кундомеру начало опыта. По истечении 1 мин снимают показа
ние по выбранной шкале, характеризующее коэффициент филь
трации непосредственно в м/сут.
196
Опыт повторяют с той лишь разницей, что образец вырезают
под углом в 90° по отношению к предыдущему. Отношение полу-
ченных величин водопроводимости определяет ее анизотропию.
Если скорость фильтрации относительно мала, то используют
вместо большей части футляра меньшую — в этом случае гради-
ент будет равен 2, либо вообще ведут опыт без использования
частей футляра — градиент равен 3. Полученное значение коэф-
фициентов фильтрации в таких случаях соответственно умень-
шают в два или три раза.
Определение прочности грунтов на сдвиг
При опробовании керна определяют его прочностные пара-
метры с помощью портативного сдвигового прибора типа ВСВ-25.
Он позволяет проводить определения сопротивления одноплос-
костному срезу глинистых и песчаных грунтов в интервале на-
грузок от долей до 2,5 МПа как в быстром, так и в медленном
режиме с предварительным и без такового уплотнением.
Прибор ВСВ-25 состоит (рис. 4.6) из срезывателя с подвиж-
ной нижней обоймой /, верхней панели 2, динамометра 3 типа
ДОСМ-3-1, откидных крепежных болтов 4, корпуса 5, арретирно-
го винта 6, индикатора часового типа 7, стойки 8, динамометра 9
типа ДОСМ-3-0.2, редуктора сдвигающего усилия 10, рукоятки
Рис. 4.6. Прибор ВСВ-25
197
редуктора сдвигающего усилия 77, редуктора вертикального дав
ления 12, рукоятки редуктора вертикального давления 13, подъем
ной гайки 14, рычагов включения редукторов 75.
Работа на приборе состоит в следующем.
1. На каждый динамометр предварительно составляется тари-
ровочный график зависимости показателя индикатора динамо-
метра от нагрузки.
2. Вырезается образец грунта и переносится в разрезное сдви-
говое кольцо прибора. Вращением рукоятки редуктора вертикаль-
ного давления на образец передается заданное нормальное дав-
ление Р,.
3. Вращением рукоятки редуктора сдвигающего усилия пере-
дают последнее на образец, увеличивая его до полного сдвига.
4. Операции в п.п. 2, 3 повторяют, изменяя нормальное давле-
ние до значений Р2и Р3.
Данные опытов заносят в журнал.
Угол внутреннего трения и сцепления определяют графоана-
литическим способом по результатам испытаний.
Отбор образцов и монолитов
Для проведения последующих лабораторных исследований из
керна скважин отбирают образцы и монолиты.
Образцы нарушенного сложения отбирают в мешочки, куда
помещают также и этикетку с указанием наименования органи-
зации и партии или экспедиции, названия объекта, номера вы-
работки и образца, глубины отбора образца, названия грунта,
должности и фамилии геолога и его подписи, а также даты отбо-
ра. Этикетки заполняются только графитовым карандашом.
Отбор образцов ненарушенного сложения производится в виде
монолитов. Диаметр монолитов скальных грунтов должен быть не
менее 50 мм, песчаного и глинистого грунта — не менее 90 мм, а
их высота равной однометровым диаметрам. Образцы ориенти-
руются (верх-низ) и консервируются с использованием двух-
трех слоев марли, пропитанной расплавленной смесью равных
частей гудрона и парафина. Предварительно под нижний слой
марли укладывается заполненная этикетка, второй экземпляр
которой наклеивается снаружи.
Монолиты плотно укладываются в ящики с заполнением сво-
бодного пространства стружками или опилками. Хранить моно-
литы следует в помещении с относительной влажностью не ме-
нее 60% при температуре не выше 25 °C. Срок хранения моноли-
тов немерзлых скальных, маловлажных песчаных, глинистых
грунтов твердой и полутвердой консистенции не должен превы-
шать 3, других видов немерзлых грунтов — 1,5 месяцев.
198
Составление инженерно-геологической колонки по скважине
Инженерно-геологической колонкой называют вертикальное
сечение земной коры в какой-либо точке наблюдения с изобра-
жением на ней геологических факторов, отображенных и оха-
рактеризованных в соответствии с требованиями к инженерным
изысканиям.
Назначение инженерно-геологической колонки состоит в вы-
делении инженерно-геологических элементов в разрезе, исполь-
зуя литологическое описание, выход керна, показатели свойств
грунтов; в установлении закономерностей изменения инженер-
но-геологических свойств по разрезу.
Содержание инженерно-геологической колонки определяется
генетической, петрографической и гидрогеологической характе-
ристиками пород, а также объемом опробования в полевых усло-
виях и детального изучения в лаборатории.
Инженерно-геологическая колонка составляется в масштабах
1:50, 1:500. Значения показателей выхода керна, состояния и
свойств пород можно выражать в колонке в виде чисел, а для
большей наглядности — в виде диаграмм изменения по глубине.
Задача 12
ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА
МЕТОДАМИ МАЛОГЛУБИННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
Как показывает опыт сейсмических исследований, в районе
Звенигородской практики поверхность скальных грунтов, пред-
ставленных известняками карбона, является опорной преломля-
ющей границей, которая прослеживается по всей площади мето-
дом преломленных волн.
На участках неглубокого залегания известняков (пойма, первая
надпойменная терраса) с помощью этого метода можно детально
изучить характер их залегания, выделить и проследить в плане зоны
повышенной трещиноватости известняков, определить их некото-
рые физические свойства в естественном залегании (плотность,
динамические упругие параметры и др.). Анализ графиков распро-
странения в породах скоростей сейсмических волн (v) показыва-
ет, что в районе практики встречаются участки, где зона выветри-
вания размыта и отсутствует, и участки, где она хорошо сохрани-
лась. В зоне выветривания скорость обычно увеличивается плавно
с глубиной, пока не достигнет значения у3, соответствующего не-
выветрелым, относительно сохранным породам.
Обозначим преломленную волну, соответствующую известня-
кам карбона, 13. Для участков, где зона выветривания отсутствует
199
чае отсутствия (слева) и присутствия (справа) зоны выветривания известняков
(рис. 4.7), будет наблюдаться параллельность годографа Г3с наго-
няющим годографом t3, полученном при большем удалении пунк-
та возбуждения (ПВ). Для участков, где зона выветривания от-
сутствует, начальная часть годографа t3 может быть криволиней-
на и не будет параллельна нагоняющему годографу t3. По этому
начальному участку годографа /3 можно определить мощность зоны
выветривания.
Решение указанных задач требует детального прослеживания
волны (Зи изучения ее характеристик.
Физические и геологические основы сейсморазведки
В идеально упругой среде существует линейная связь между
напряжением и деформациями — закон Гука. Коэффициенты этой
связи называются упругими постоянными среды. Для изотроп-
ной среды число независимых упругих постоянных равно двум.
Употребляются следующие пары упругих постоянных:
1) модуль растяжения (модуль Юнга) Е и коэффициент Пуас-
сона о;
200
2) коэффициент Ламе X и ц (где ц — модуль сдвига);
3) модуль всестороннего сжатия К и модуль сдвига ц.
Между ними существуют зависимости, выражающиеся следу-
ющим образом:
Х= Е/(1+ о)(1-2о); Е/2(1+о); К= Е/3(1-2о).
В такой среде существуют только два типа упругих волн —
продольная (Р) и поперечная (s), скорости которых определяют-
ся по формулам
vp = у/х + 2ц/р; = yfa/p,
где р — плотность породы.
Анализ упругих волн в среде проводится на основе учета не-
скольких принципов.
Принцип Гюйгенса. Каждая точка, до которой дошло возбуж-
дение, является источником вторичных волн, поверхность, оги-
бающая фронты этих вторичных волн, указывает положение фрон-
та действительно распространяющейся волны.
Принцип Ферма. Действительный путь распространения вол-
ны из одной точки в другую есть тот путь, для прохождения ко-
торого волне требуется минимальное (экстремальное) время по
сравнению с любым другим путем.
Принцип взаимности. Время распространения монотипной вол-
ны из одной точки в другую не изменится, если поменять места-
ми источник и приемник.
Годограф — это график зависимости времени прихода волны
к пункту приема от координат точек наблюдения. Уравнение го-
дографа
/ = /(х).
Годограф прямой волны в однородной среде при наблюдении
на прямолинейном продольном профиле является наклонной
прямой линией (рис. 4.7 и 4.8). Уравнение годографа прямой волны
имеет вид
rnp = x/v.
Годограф преломленной (головной) волны (см. рис. 4.8). При
условии, что v2> V], лучи сферической волны, падающие на гра-
ницу сред под критическим углом i (sin i = vt/v2), во второй среде
скользят вдоль границы. Так как v2> v}, волна, распространяю-
щаяся во второй среде вдоль границы, обгонит прямую волну,
распространяющуюся в первой среде. По принципу Гюйгенса каж-
дая точка фронта этой волны является источником вторичных
сферических волн в первой среде. Фронты и лучи вторичных волн
201
Рис. 4.8. Лучи и,годографы прямой (/„р), поверхностной отраженной (1‘01р) и
головной (Ц.) волн
в первой среде определяются несложным геометрическим пост-
роением. Вторичная (головная или преломленная) волна распро-
страняется в первой среде коническим фронтом под углом i к
границе. Начальный луч головной волны совпадает с лучом отра-
женной волны. На участке Охп головная волна отсутствует —
«мертвая зона». Угол выхода лучей головной волны на поверх-
ность наблюдения а = i + ф и кажущаяся скорость v*=v1/sin а имеют
постоянные значения. Отсюда следует, что годограф головной
волны представляет собой прямую линию, начинающуюся от
точки х„ и имеющую угловой коэффициент
Д«‘/Дх = l/v* = sin (i +ф)/г1.
Уравнение годографа головной волны имеет вид
t = t0 + x/v* = t0 + {x sin (i +0)/Vi},
где t0 — точка пересечения продолжения годографа с временной
осью.
202
Годограф рефрагированной волны. В общем случае для произ-
вольного закона изменения скорости с глубиной уравнения лу-
чей и годографов могут быть записаны лишь в параметрическом
виде. Для линейного закона изменения скорости можно предста-
вить уравнения лучей и годографа аналитически в зависимости
от х. Тогда уравнение годографа может быть записано в виде
/ = (2/Р v) arch -J1 +фх/2)2.
Аппаратура
Портативная одноканальная сейсмическая установка «Бизон-
1570 С» позволяет получить сведения о скоростях распростране-
ния упругих волн в изучаемом разрезе и глубинах залегания по-
род, различающихся скоростями распространения упругих волн.
Упругие колебания, возбуждаемые ударом, воспринимаются
сейсмоприемником и фиксируются в электронной памяти. За-
тем, развернутые в определенном временном масштабе, воспро-
изводятся на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) в виде
устойчивой картины. Важной особенностью аппаратуры являет-
ся возможность накопления (суммирования) полезных сигналов,
что позволяет увеличить глубину исследования.
Упрощенная блок-схема аппаратуры «Бизон-1570 С» изобра-
жена на рис. 4.9. Сигнал от сейсмоприемника 1 поступает на уси-
литель записи 2, затем в память 4, которая начинает работать
только после прихода запускающего импульса, поступающего в
момент удара от инерционного контактора 9 через блок задержки
3. Записанный в памяти 4 сигнал по команде из блока развертки
синхронизации и контроля 7подается через усилитель воспроиз-
ведения 5 на систему вертикального отклонения луча ЭЛТ 6. Блок
развертки синхронизации и контроля обеспечивает непрерыв-
ную развертку луча, а после записи сигнала в памяти — его не-
прерывное автоматическое воспроизведение на экране ЭЛТ.
Возбуждение упругих колебаний
Из невзрывных источников колебаний используется самый
простой — кувалда. Удары кувалдой производят вертикально по
стальной плите, положенной на землю. При этом сейсмоприем-
ники устанавливаются так, чтобы их инерционная масса переме-
щалась в вертикальном направлении. Такая система возбуждения
и регистрации колебаний, обозначаемая индексами z~z, позво-
ляет выделить приходящие снизу продольные волны. Для выде-
ления приходящих снизу поперечных волн используются систе-
мы х —х или у — у (х — направление профиля, у — направление
перпендикулярное) (рис. 4.10). В этих системах удар производится
горизонтально (в направление профиля или перпендикулярно к
направлению профиля), по стенке специально вырытого уступа.
Сейсмоприемники устанавливаются так, чтобы их инерцион-
ная масса перемещалась в горизонтальном направлении, парал-
лельном направлению удара (см. рис. 4.10). При использовании
системы х —х выделяются поперечные волны типа sv (колебания
частиц происходят в вертикальной плоскости, проходящей через
профиль), а при использовании системы у -у — поперечные вол-
ны типа sh (колебания частиц происходят в горизонтальной плос-
кости перпендикулярно сейсмическому лучу).
Рис. 4.10. Возбуждение и регистрация продольных и поперечных волн
204
Методика наблюдений
Продольное непрерывное профилирование применяется с целью
изучения сейсмического разреза, каждой из границ которого
придается геологический смысл, вдоль линии профиля, а для
слоев находятся те или иные инженерно-геологические характе-
ристики.
При продольном профилировании получается система встреч-
ных и нагоняющих взаимно увязанных годографов. Шаг прибо-
ров может составлять 1, 2, 5 м. Сейсмоприемники и пункты уда-
ров располагаются на одной прямой линии — сейсмическом про-
филе. На каждой расстановке сейсмоприемников записываются
сейсмограммы из нескольких пунктов удара, чаще из четырех.
При прослеживании и идентификации волн в инженерной
сейсморазведке в связи с изменчивостью скоростей и непосто-
янством сейсмогеологического разреза особое значение приоб-
ретает критерий идентичности формы нагоняющих годографов.
Общее правило при выборе систем наблюдений: — чем сложнее
разрез, т.е. чем больше границ раздела и чем менее выдержан
разрез по скоростям, тем полнее должна быть система наблюде-
ний (рис. 4.11).
При наблюдениях с одноканальными установками работы ве-
дут методом первых вступлений, в котором регистрируется мо-
мент прихода упругих колебаний, времена прихода волн снима-
ются визуально с экрана ЭЛТ.
Процесс наблюдений заключается в следующем: при фикси-
рованном положении регистрирующего прибора производится
прием волн от серии последовательных ударов, выполняемых в
ряде точек прямолинейного профиля. Пункты удара располага-
ются на расстояниях хь Х] + Дх, х^ 2Дх,..., Х]+ лДх от регистри-
рующего сейсмоприемника. Интервал Ах равняется 1—2 м в зави-
симости от требуемой детальности и условий регистрации полез-
ных волн.
В другом варианте методики наблюдений с одноканальными
установками вдоль профиля перемещается регистрирующий при-
бор СП, а удары наносятся в одной точке. В обоих случаях следу-
ет стремиться к получению встречных систем годографов.
Круговое сейсмическое зондирование (КЗС) — особый вид на-
блюдений, применяемый только в инженерной сейсморазведке
с целью получения сведений об анизотропии скоростей в иссле-
дуемых породах в условиях естественного залегания «in situ».
Сущность методики состоит в наблюдении по четырем пере-
секающимся в одной точке линиям. В отличие от известных в
сейсморазведке систем наблюдений методом преломленных волн
205
Рис. 4.11. Системы наблюдений при продольном непрерывном профилировании
(А) и сейсмозондировании (Б):
I — с четырехкратным, II, IV, V — с шестикратным и III, VI — с восьмикратным перекры-
тием каждого интервала
разрез, получаемый по каждому из азимутов, относится только к
одной точке, совпадающей с общим центром установки. Наблю-
дения по каждому из четырех азимутов выполняются по методи-
ке симметричного сейсмозондирования.
При работах на местности через центр КЗС растягивается сей-
смическая коса так, чтобы ее середина или конец приходились
206
на эту точку. Затем производится регистрация времени распрос-
транения сейсмических колебаний ПУ и СП в точках А и А', Ви
В', С и С'. В каждом положении
ПУ и СП располагаются симмет-
рично от центра установки.
Количество разносов по каж-
дому из азимутов определяется
однородностью разреза и релье-
фом местности и выбирается в
зависимости от вида одиночного
годографа, полученного предва-
рительно в данной точке. По
окончании наблюдений по азиму-
ту I—I коса с приборами переме-
щается на линию II—II, где на-
блюдения повторяются по той же
схеме. Аналогично производятся
измерения по линиям III—III и
IV-IV (рис. 4.12).
Сейсмический каротаж. Наблю-
дения при сейсмическом карота-
же осуществляются следующим
образом: на расстоянии 0,5 м от
устья скважины оборудуются два
ПУ, расположенные перпендику-
лярно друг к другу. Трехкомпонен-
тный сейсмозонд опускается на
забой скважины, где прижимает-
Рис. 4.12. Схема кругового сейсми-
ческого зондирования:
а — в плане; б — схема лучевых путей;
в — индикатрисса скоростей
ся к стенке прижимным устройством (рис. 4.13). Постепенно пе-
ремещая зонд снизу вверх, в точках с интервалом 0,2 м произво-
дится регистрация времен прихода sh и р волн.
Интерпретация результатов наблюдений
Интерпретация годографов головных волн начинается с увязы-
вания встречных годографов во взаимных точках. Допустимое рас-
хождение времен во взаимных точках составляет 0,002 с.
Следующий этап состоит в построении встречных сводных
годографов. Построение преломляющих границ и определение
скоростей V] и v2 производится методом «г0». Построения по ме-
тоду «/0» выполняются следующим образом: в каждой точке про-
филя определяются величины /0 и /р;
1о(х) = ^)-(Т-Т(х)), /р(х) =/(х)-(7’-7’(х)),
207
где t(х) — прямой сводный годограф, t(x) — встречный свод-
ный годограф; Т — время во взаимных точках годографов. Точки
на графике /0(х) соединяют плавной линией, которая носит на-
звание линии «/0». Точки на графике tp(x) осредняют прямой ли-
нией, которая называется разностным годографом. Разностный
годограф используют для определения скоростей, а линию «/0» —
для построения преломляющей границы vr=2Ax/AZp, vl=^x/^ti.
Глубина залегания преломляющей границы в любой точке х, в
которой известны значения t0(x), определяются по формуле
Я(х) = h/oCx^Vl-Cvi/Vz)2.
Интерпретация годографов рефрагированных волн сводится к
определению зависимости скорости от глубины. Эта задача мо-
жет быть решена способом Кондратьева, сущность которого за-
ключается в следующем: аппроксимируя плавное увеличение ско-
рости ступенчатым, мы получим среду, состоящую из тонких
однородных горизонтальных слоев; скорость в каждом слое боль-
ше, чем в вышележащем, следовательно, поверхность каждого
слоя является преломляющей границей, на которой возникает
208
головная волна. Таким образом, рефрагированную волну можно
рассматривать как совокупность элементарных головных волн, а
любой малый отрезок годографа рефрагированной волны — как
годограф элементарной головной волны.
Проведем касательную к годографу рефрагированной волны и
примем, что бесконечно малый отрезок годографа, охватываю-
щий точку касания, есть годограф элементарной головной вол-
ны, возникающей на некоторой глубине (рис. 4.14). По углу на-
клона касательной найдем кажущуюся скорость элементарной
головной волны, равную истинной скорости на глубине Н:
v* = v(H) = ctga = А х/А/,
где a — угол наклона касательной, а Ах, А/ — достаточно малые
приращения. Для определения Я используется формула метода «t0»:
Н(х) - v/0/2jl-(v/v*)2.
В эту формулу, кроме v* и /0, входят значения средней скоро-
сти v в многослойной среде, лежащей выше уровня Н. Величина
t0 равна длине отрезка, отсекаемого касательной на временной
оси. Значение v можно определить, поскольку точка касания
209
является одновременно и начальной точкой (НТ) и точкой изло-
ма (ТИ) годографа элементарной головной волны. В способе Кон-
дратьева искомая средняя скорость определяется как среднее
арифметическое из значений vHT и ути;
v = 0,5(vHT + гти) = 0,5{ylxv */t + x/t}.
Повторяя определение v и Н для различных значений хи/,
получаем зависимость скорости от глубины.
Интерпретация данных КЗС сводится к построению индикат-
риссы скоростей и определению направления зон повышенной
трещиноватости (см. рис. 4.12).
Интерпретация данных сейсмического каротажа. Пути распрос-
транения сейсмических волн представляют собой лучи — гипо-
тенузы прямоугольных треугольников, катетами которых явля-
ются глубина вдоль ствола скважины и расстояние от ПУ до ус-
тья скважины.
Обработку материалов начинают с вычисления лучевых рас-
стояний (4) по формуле
Ц = д/х2 + Н}.
По временам прихода волн строится график изменения сред-
ней скорости с глубиной
vcv = H/T.
Задача 13
ИЗУЧЕНИЕ РАЗРЕЗА ГРУНТОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ
УПРУГИХ ВОЛН МЕТОДОМ СЕЙСМИЧЕСКОГО КАРОТАЖА
В СКВАЖИНАХ
Скорости распространения упругих волн в породах зависят от
величин таких физических параметров, как модуль Юнга, мо-
дуль сдвига, коэффициент Пуассона и плотность. Эти параметры
в свою очередь зависят от минерального и гранулометрического
состава, структуры и текстуры породы, характера и степени це-
ментации, обводненности, наличия защемленного воздуха, по-
ристости, трещиноватости и т.д.
Иногда при движении по разрезу изменяется только один фак-
тор или небольшая группа параметров. В этом благоприятном слу-
чае изменение скоростей упругих волн является индикатором этих
свойств. Для измерения скоростей волн необходимо знать рас-
стояние между источником колебаний и приемником, а также
210
время пробега волны. В большинстве сейсмических методов, ис-
пользуемых при решении задач инженерной геологии и гидрогео-
логии, интересующие нас волны приходят первыми, раньше дру-
гих и выделение их на записях не представляет трудностей. Как
правило, это прямые продольные и головные волны. Таким об-
разом, на сейсмограмме необходимо иметь отметку момента воз-
буждения волны (взрыва или удара) и четкую запись первого
вступления — начала волновой картины для снятия времени про-
бега волны и определения скорости пробега упругой волны в среде
(см. задачу 12).
Однако этим не исчерпывается полезная для геофизика ин-
формация, которую несет сейсмограмма, т.е. запись волнового
поля в данной точке среды при известной геометрии расстанов-
ки источника (источников) и приемника (приемников). Осо-
бенности внутреннего строения среды, наличие границ между
слоями или областями с различными упругими свойствами при-
водят к образованию и появлению на записи вторичных волн —
отраженных, преломленных, дифрагированных и т.д. Их поло-
жение на сейсмограммах, интенсивность, форма, скорость рас-
пространения несут информацию об указанных неоднороднос-
тях в разрезе. С помощью различных методик наблюдения мож-
но подчеркнуть интересующие нас волны, облегчить их
выделение на записях. Идентификация этих волн на записях,
снятие их характеристик, соответствующие расчеты и построе-
ние сейсмогеологического разреза — задача обработки и ин-
терпретации.
Наблюдения во внутренних точках среды (в скважинах) име-
ют свои преимущества и недостатки в сравнении с наземной сей-
сморазведкой (см. выше). К преимуществам относится отсутствие
влияния дневной поверхности и приповерхностного рыхлого слоя
пород, вносящих сильные искажения в волновое поле (за ис-
ключением тех случаев, когда этот приповерхностный слой пред-
ставляет собой объект исследований).
Кроме того, размещение источника и приемника колебаний
в пределах исследуемой толщи позволяет выделить характерис-
тики волнового поля, относящиеся непосредственно к объекту
исследования и провести точные измерения кинематических и
динамических параметров записи. К недостаткам скважинных на-
блюдений относится необходимость бурения скважин, ограни-
ченность объема породы, попадающего в поле исследований, на-
личие разрушенной приствольной зоны и эффективный харак-
тер получаемых характеристик, а также специфика возбуждения
и приема колебаний, связанная с наличием собственно скважи-
ны и столба жидкости в ней.
211
Волновое поле в водонаполненной скважине
Прямые волны. Если на оси скважины поместить импульсный
точечный источник типа центра расширения (взрыв маленького
заряда взрывчатого вещества, электрический разряд и т.д.), то л
первом приближении можно считать, что на удалении в несколько
длин волн уже сформировалась сферическая продольная волна,
которую можно зарегистрировать либо в той же скважине, либо
в соседней (см. рис. 4.13). Ее распространение подчиняется зако -
нам геометрической сейсмики.
Кроме прямой продольной волны образуется характерная для
заполненных жидкостью труб — гидроволна. Это специфическое
колебание, образующееся при поршневом перемещении жидкости
по скважине при действии источника и связанное со сложными
колебаниями внутренней поверхности скважины (рис. 4.15). Гидро-
волна распространяется вдоль ствола скважины и ее скорость в об-
ласти частот, характерных для сейсмоакустики 200—2000 Гц, опре-
деляется модулем сдвига околоскважинного пространства:
G=r<A2/[ (сь2/Иг2) - 1],
где G — динамический модуль сдвига; г0 — плотность заполня-
ющей скважину жидкости; с0— скорость продольных волн в
этой жидкости; Vr — скорость гидроволны.
Поскольку эта волна связана с радиальными колебаниями
стенок скважины, она может быть зафиксирована по измене-
нию давления в заполняющей скважину жидкости. Скорость гид-
роволны не превосходит скорости продольных волн в заполняю-
щей скважину жидкости и эта волна приходит после прихода
более быстрой прямой продольной волны. Она выделяется на за-
писи своей интенсивностью, превышающей интенсивность
продольной волны, и более
низкой частотой колебаний
(рис. 4.16).
В случае однородной среды
интенсивность гидроволны по
мере удаления от источника не
убывает или убывает очень сла-
бо, а скорость продольной вол-
Рис. 4.15. Распространение волны дав-
ления от источника в скважине (а) и
изгибное колебание (б) стенок скважи-
ны при этом
212
ны убывает прямо пропорционально расстоянию от источника.
За пределами скважины на удалениях более своей длины гидро-
волна не распространяется за исключением случая, когда ско-
рость поперечных волн в окружающих скважину породах мень-
ше, чем скорость продольных волн в заполняющей скважину
жидкости (рыхлые неводонасыщенные породы).
Таким образом, измеряя поле давлений в водонаполненной
скважине от источника типа центра расширения, определяя вре-
мена вступления волн, можно вычислить скорости распростра-
нения сейсмических волн.
Вторичные волны. Среди обширного класса вторичных волн
для наших целей представляют интерес вторичные гидроволны,
образованные падением прямой продольной волны на границу
раздела пород с различными упругими свойствами, пересечен-
ную скважиной. При этом под действием падающей волны эле-
менты скважины выше и ниже границы раздела начинают коле-
баться по-разному в радиальном направлении, что вызывает про-
цесс, распространяющийся вдоль ствола скважины со скоростью
гидроволны, но отличающийся от нее интенсивностью и спект-
ральным составом (рис. 4.17).
Особенности вторичной гидроволны — существование на гра-
нице раздела в виде суммы с прямой продольной волной в пер-
вых вступлениях. Практически не отличаясь от продольной волны
по спектральному составу, она значительно превосходит ее по
интенсивности. Таким образом, непосредственно на границе раз-
дела двух сред интенсивность первых вступлений резко возрастает
Рис. 4.16. Схематическое изображение расстановки в скважине (а) и сейсмо-
граммы (б): Т1 — вступление продольной волны; Т2 — вступление гидроволны
Ф
2
213
Рис. 4.17. Схема образования вторичных гидроволн г1 и г2 при падении продоль-
ной волны р на границу раздела двух сред с различными динамическими моду-
лями сдвига G1 и G2
за счет вторичной гидроволны. И наоборот, при проведении ис-
следований в скважинах резкое увеличение интенсивности волн
в первых вступлениях указывает на то, что приемник располо-
жен непосредственно на границе двух сред с различными упру-
гими свойствами.
Еще одно свойство среды может быть изучено с помощью сейс-
моакустических наблюдений в скважинах — анизотропия скоро-
стей, т. е. зависимость скорости распространения упругих волн от
направления. Причиной сейсмической анизотропии может слу-
жить тонкая слоистость или трещиноватость с ярко выраженной
ориентировкой трещин, или и то и другое вместе. Максимально-
го значения скорость упругих волн достигает в плоскости слоис-
тости или трещиноватости и минимального — в перпендикуляр-
ном направлении. В самом общем случае индикатрисса скорос-
тей представляет собой эллипс с указанными осями. Таким
образом, измерения скоростей продольных волн вдоль ствола сква-
жины и в двух соседних скважинах дадут возможность обнару-
жить это явление и построить индикатриссу скоростей для всего
разреза или его анизотропной части.
Задачи, решаемые данным методом
Эти задачи преследуют цели инженерной геологии и гидро-
геологи, в которых по значениям скоростей упругих волн опре-
деляются трещиноватость, обводненность пластов, напряженное
состояние, состояние и строение оползневых тел, участков раз-
вития карста и т.д. Полученные при этом результаты использу-
ются при инженерной разведке на стадии проектирования со-
214
оружений, в виде контроля за эксплуатацией уже существующих
объектов, а также для геоэкологической оценки состояния мас-
сива горных пород и при сейсморайонировании.
Традиционным инструментом при этом являются взрывные
или ударные (см. задачу 12) источники колебаний и электроди-
намические сейсмоприемники скорости смещения частиц, как
правило, собранные в виде зондов, обеспечивающих прижим
сейсмоприемников к стенке скважины.
Наша задача — познакомиться с модификацией сейсмоакус-
тического метода изучения скоростного строения среды в сква-
жинах, когда для возбуждения упругих волн используется элект-
роискровой источник упругих волн (спаркер), а для приема ко-
лебаний — приемники давления. Такая модификация имеет свои
преимущества перед традиционным подходом, но при этом по-
вышаются требования к скважине: она должна быть водонапол-
ненной и желательно без обсадки стальными трубами. Кроме того,
такая модификация сейсмических наблюдений занимает особое
место по диапазону используемых колебаний.
Центральная частота продольных волн, возбуждаемых с по-
мощью электроискрового разряда в скважине, составляет 0,5—
1,0 кГц, т.е. в несколько раз выше, чем частоты, используемые
при сейсмическом каротаже (около 100 Гц) и в десятки раз ниже,
чем при акустическом каротаже с магнитострикционными ис-
точниками и приемниками (10—25 кГц). С одной стороны, это
позволяет повысить разрешающую способность в сравнении с
сейсмическим каротажем, а с другой стороны, используя длины
волн в первые метры и сравнительно мощное излучение, охарак-
теризовать представительный объем породы в околоскважинном
пространстве и вести межскважинное просвечивание на удале-
ниях до 100 метров.
Применяемая аппаратура
Возбуждение упругих волн в водонаполненной скважине
производится с помощью электроискрового источника. Прин-
цип действия состоит в том, что электрическую энергию, за-
пасенную в конденсаторах, с помощью высоковольтного ком-
мутатора подают на два электрода, находящихся в замкнутом
объеме с гибкими стенками и заполненном соленой водой. В
момент электрического разряда образуется расширяющаяся
паро-газовая полость, которая через гибкие стенки резервуара
создает импульс давления в заполняющей скважину жидкости
(рис. 4.18).
216
Электрические параметры источника: напряжение заряда 6 КВ;
накопительная емкость 2—200 мкф; электропитание 220 В пере-
менного напряжения при частоте 50 Гц; потребляемая мощность
менее 0,5 кВт.
Таким образом, при соблюдении правил техники электробе-
зопасности электроискровой источник представляет собой в срав-
нении со взрывчатыми веществами безопасное и неразрушаю-
щее скважину устройство. Его излучатель, размешенный на кон-
це кабеля-магистрали, пригоден для использования в самых
различных скважинах, без предъявления требований к чистоте,
составу и тяжести бурового раствора. Простота погружаемой час-
ти, малый диаметр (до 50 мм), простота управления энергией
возбуждения (пересоединение конденсаторов), высокая повто-
ряемость возбуждаемых колебаний, обеспечивающая возможность
накопления слабых сигналов и безопасность для стенок скважи-
ны, выдвигают электроискровой источник в первый ряд при ре-
шении задач инженерной геологии и гидрогеологии сейсмичес-
кими методами в скважинах.
Прием колебаний осуществляется с помощью пьезоприемни-
ков, помещенных в отрезок хлорвинилового гибкого шланга, на
конце размеченного кабеля. Это приемник давления с чувстви-
тельностью не хуже 85 мкВ/Н/м2. Таким образом, приемное уст-
ройство может независимо от излучателя перемещаться по стволу
скважины или располагаться в соседней скважине и не нуждается
в каком-либо специальном контакте со стенкой скважины.
Регистрация колебаний — производится с помощью компью-
теризированной системы сбора на базе ЭВМ типа «Notebook».
216
Разность потенциалов с пьезоприемника поступает на аналого-
вый вход, где может быть усилена и отфильтрована в заданной
полосе частот. Затем с помощью аналого-цифрового преобразо-
вателя (АЦП) сигнал превращается в цифровой код и заносится
в оперативную память компьютера. После этого сигнал можно
подвергать цифровой обработке, визуализировать на экране дисп-
лея или выдать на печать на любой принтер. Блок-схема прием-
но-регистрирующего тракта представлена на рис. 4.18 и 4.19.
Методика наблюдений
Наблюдения осуществляются в двух модификациях. Первая —
это каротаж скважины, когда источник фиксирован на постоян-
ной глубине обычно вблизи забоя или устья скважины, а прием-
ник перемещается по стволу с постоянным шагом и при каждом
фиксированном положении осуществляется разряд и прием ко-
лебаний по команде оператора.
Вторая — это межскважинное просвечивание, когда источ-
ник и приемник размещаются в разных скважинах на одинако-
вой глубине и так параллельно смещаются по стволам скважины
с постоянным шагом и при каждом фиксированном положении
производится возбуждение и регистрация колебаний.
Порядок выполнения задачи
1. Знакомство с теорией метода и техникцй безопасности. Лек-
ция. Демонстрация аппаратуры.
Рис. 4.19. Схема установки для приема и регистрации упругих волн в водонапол-
ненной скважине
217
2. Выполнение скважинных наблюдений на паре скважин с
шагом 1 м по глубине (каротаж и межскважинное просвечива-
ние) силами бригады студентов и оператора-преподавателя.
3. Воспроизведение монтажей волновых картин для просвечи-
вания и каротажа на принтере.
4. Снятие времен вступления волн, построение кривых f(z) —
годографов волн, вычисление и построение кривых v(z) — ско-
ростных кривых для вертикального (по каротажу) и горизонталь-
ного (по данным просвечивания) направлений.
5. Разбиение разреза на пласты по значениям скорости упру-
гих волн, вычисление пластовых скоростей и коэфициентов ани-
зотропии.
6. Заключительный этап геолого-геофизической интерпрета-
ции с нанесением результатов геофизических исследований вдоль
геологического разреза скважины. Составление отчета. Выполня-
ется в период камеральных работ.
7. Сдача задачи преподавателю. Зачет.
Обработка материалов
Полученные материалы представляются в виде монтажей сей-
смозаписей волновых картин (сейсмограмм) при фиксирован-
ном положении источника и приемника для всей глубины сква-
жины с заданным шагом (пример монтажа приведен в правой
части рис. 4.17). Обработка состоит в выделении на волновых кар-
тинах интересующих нас волн — первого вступления, фаз пер-
вичных и вторичных гидроволн. Затем производится снятие вре-
мен и амплитуд и построение графиков t = /(г) вдоль всего ство-
ла скважины. В случае каротажа дифференцирование годографа
/(z) на базе не менее длины волны позволит получить интерваль-
ную скорость И(г) по разрезу в вертикальном направлении. В слу-
чае просвечивания кривая t(z) может быть приведена к кривой
K(z) = 1/К$, где I — расстояние между скважинами и таким об-
разом будет получена скорость распространения волн в горизон-
тальном направлении.
Интерпретация результатов. По данным просвечивания на
кривой V(z) выделяются участки с постоянным значением ско-
рости продольных волн в горизонтальном направлении. Та-
ким образом, определяются глубины границ между пластами
Zj. По данным каротажа скорости упругих волн в вертикаль-
ном направлении для уже выделенных пластов определяются
как среднеарифметические по кривой V(z) в пределах выде-
ленных пластов.
218
Таким образом, получены вертикальная и горизонтальная оси
эллипса анизотропии и можно вычислить коэффициент анизот-
ропии по продольной волне для каждого из слоев:
*=((Игор - 100%.
На монтаже волновых картин в случае каротажа выделяются
вступления или фазы гидроволны. Для одноименных фаз строит-
ся годограф ?гидр(г) и путем его дифференцирования определяет-
ся скорость
Заключительный этап интерпретации состоит в сопоставлении
сейсмического разреза с геологическим. Слои с повышенным ко-
эффициентом анизотропии, как правило, связаны с повышенной
степенью трещиноватости и пониженными значениями динами-
ческого модуля сдвига. При наличии других геофизических дан-
ных о разрезе проводится комплексная интерпретация геолого-
геофизических данных.
Примеры годографов, скоростных кривых, расчленения раз-
реза по скоростям упругих волн и сопоставления с геологичес-
ким разрезом представлены на рис. 4.20.
Рис. 4.20. Пример графического приложения к отчету результатов обработки и
интерпретации данных сейсмоакустического исследования скважин
219
План отчета по задаче
1. Цель работы.
2. Описание полевых наблюдений.
3. Описание волновой картины и ее расшифровки.
4. Интерпретация результатов.
5. Графические приложения: а) монтажи сейсмограмм по каро-
тажу и просвечиванию; б) геологическая колонка с выне-
сенными на нее годографами волн, скоростными кривыми
и значениями скоростей и коэффициентами анизотропии.
Объем текстовой части отчета не должен превышать 5 страниц.
Задача 14
ИЗУЧЕНИЕ РАЗРЕЗА ГРУНТОВ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА
ИХ СВОЙСТВ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Метод динамического зондирования как полевой метод ис-
следования грунтов основан на определении их сопротивления
внедрению 'зонда под действием динамической нагрузки. Этот
метод в сочетании с другими видами инженерно-геологических
исследований применяется для:
1) выделения инженерно-геологических элементов (толщины
слоев и линз, границ распространения грунтов различного
состава и состояния);
2) оценки пространственной изменчивости состава и свойств
грунтов;
3) определения глубины залегания кровли скальных и круп-
нообломочных пород;
4) ориентировочной оценки физико-механических свойств
грунтов;
5) определения степени уплотнения и упрочнения грунтов во
времени;
6) выбора мест расположения опытных площадок и отбора
образцов грунтов для детального изучения их физико-ме-
ханических свойств.
При динамическом зондировании определяют условное дина-
мическое сопротивление грунта Ра, МПа (кгс/см2) погружению
стандартного зонда.
При испытаниях грунтов динамическим зондированием при-
меняют установки, состоящие из следующих узлов:
1) зонда (разъемной трубы — штанги с коническим наконеч-
ником извлекаемой или неизвлекаемой конструкции);
220
2) ударного устройства (молота с автоматическим сбрасыва-
телем);
3) опорной рамы с направляющими стойками и измеритель-
ного устройства.
В зависимости от измеряемой величины условного динами-
ческого сопротивления грунта все установки подразделяются сле-
дующим образом (табл. 14.1).
Таблица 14.1
Характеристика установок динамического зондирования
Условное динамическое соиротнвленне грунта Рд, МПа (кгс/см2) Установка для динамического зондирования Удельная энергия зондирования Л, Н/см (кгс/см)
Менее 0,7 (7) легкая 280 (28)
От 0,7 до 17,5 средняя 1120 (112)
(7-175) (основная)
Более 17,5 (175) тяжелая 2800 (280)
Наиболее широко используемая в России установка для дина-
мического зондирования — УБП-15М конструкции ин-та Гид-
ропроект им. С.Я. Жука. Она относится к среднему классу обору-
дования (рис. 4.21).
Установка УБП-15М смонтирована на шасси одноосного при-
цепа (см. рис. 4.21), где размещены бензиновый двигатель (7)
УД-2, лебедка (2) планетарного типа грузоподъемностью 3000 кг,
муфта сцепления (5), редуктор (4), ручная червячная лебедка (5)
для подъема мачты (6) высотой
5,6 м. Установка комплектуется
специальным буровым инстру-
ментом и принадлежностями для
производства ударно-канатного
бурения и зондирования. Пенет-
рационный молот состоит из
ударника (7), молота (8) массой
60 кг, свободно посаженного на
направляющей штанге (9), на
нижнем конце которой зафик-
сирован поворачивающийся пе-
реходник (9), а на верхнем —
Рис. 4.21. Установка динамического зон-
дирования
221
каретка с роликами (10). Высота падения молота 0,8 м. За один
удар производится работа в 48 кгм.
Метод полевого испытания динамическим зондированием
песчаных и глинистых грунтов регламентируется ГОСТ 19912-81
Методика проведения испытаний
Динамическое зондирование выполняют последовательно!!
забивкой зонда в грунт свободно падающим молотом и замером
осадки зонда после нанесения нескольких ударов, называемый
залогом. Число ударов (и) в залоге может колебаться в зависимости
от типа грунта от 1 до 20. Для рыхлых песчано-глинистых порол
оно не превышает 5.
Зондирование выполняют до достижения заданной глубины,
или до резкого уменьшения величины погружения зонда (менс<-
2-3 см за 10 ударов). Перерывы в зондировании допускаются толь
ко для наращивания штанг. По окончании зондирования либо
извлекают из грунта весь инструмент (комплект ударных штанг <_•
зондом), либо только комплект штанг в зависимости от приме
няемой конструкции зонда — извлекаемой или неизвлекаемой.
В процессе зондирования постоянно контролируют вертикаль
ность забивки зонда в грунт. При наращивании очередной штан
ги на погружаемый зонд необходимо провернуть с помощью
штангового ключа всю колонну штанг по часовой стрелке. Зат
руднения при повороте штанг, возникающие за счет их трения о
стенки скважины, учитываются при обработке результатов.
Все наблюдения заносятся в журнал (табл. 14.2).
Таблица 14. <
Журнал динамического зондирования
Точка зондирования__________________________
Дата выполнения работ «»199 г.
222
Обработка результатов
Условное динамическое сопротивление РЛ вычисляют по
формуле:
Ра = А КФп/h,
где А — удельная энергия зондирования, Н/см (кгс/см), опреде-
ляемая по табл. 14.1 в зависимости от типа применяемой установ-
ки; К — коэффициент учета потерь энергии при ударе молота из-
за инерционности забиваемого снаряда, определяемый по табл. 14.3
в зависимости от типа установки и глубины зондирования; Ф —
коэффициент учета потерь энергии на трение штанг о грунт, при-
нимаемый равным: 1 при крутящем моменте менее 5 кНсм и опре-
деляемый опытным путем по данным двух сопоставительных ис-
пытаний, одно из которых проводят в разбуриваемой поинтер-
вально скважине в том случае, когда крутящий момент колеблется
от 5 до 15 кНсм. При отсутствии данных о величине трения штанг
о грунт значения коэффициента Ф берут из табл. 14.4; п — коли-
чество ударов в залоге; h — глубина погружения зонда за залог.
Результаты динамического зондирования оформляют в виде
непрерывного ступенчатого графика изменения по глубине значе-
ний условного динамического сопротивления Ра с последующим
Таблица 14.3
Значения поправочных коэффициентов
Интервал глубины зондирования,м Коэффициент К при установке:
легкой средней тяжелой
0,5 до 1,5 0,49 0,62 0,72
1,5 до 4,0 0,43 0,56 0,64
4,0 до 8,0 0,37 0,48 0,57
8,0 до 12,0 0,32 0,42 0,51
12,0 до 16,0 0,28 0,37 0,46
16,0 до 20,0 0,25 0,34 0,42
Таблица 14.4
Значение коэффициента Ф для учета нотерь энергии на трение штанг о грунт
Интервал глубины зондирования, м Коэффициент Ф для грунтов
несчаиых ГЛИНИСТЫХ
0,5 до 1,5 1,00 1,00
1,5-4,0 0,92 0,83
4,0-8,0 0,84 0,75
8,0-12,0 0,76 0,67
12,0-16,0 0,68 0,59
16,0-20,0 0,60 0,50
223
осреднением графика и вычислением средневзвешенных показа
телей зондирования для каждого инженерно-геологического эле
мента (рис. 4.22). При этом масштаб графика следующий: по вер -
тикали — 1 см на графике равен 1 м глубины зондирования; по
горизонтали — 1 см на графике равен 2 МПа (20 кгс/см2) услов-
ного динамического сопротивления. На этот же график наносят
число ударов (и) нарастающим итогом. Графики совмещают с
инженерно-геологическими колонками горных выработок, рас-
положенных вблизи (не далее 5 м) от точки зондирования.
Интерпретация результатов
Одна из характерных особенностей метода динамического зон-
дирования заключается в том, что эпюры условного динамичес-
кого сопротивления, характеризующие изменение свойств пород
по разрезу, могут быть использованы для расчленения толщи
пород на слои. В том случае, когда условное динамическое со-
противление внедрению зонда примерно одинаково, т.е. индика-
ционная линия приближается к прямой или слабо изогнутой кри-
вой, то слой считается однородным.
Если же этот показатель меняется (индикационная кривая гра-
фика — ломаная), то слой неоднороден.
Расчленение разреза на отдельные слои с последующим выде-
лением инженерно-геологических элементов производится осред-
нением значений условного динамического сопротивления зон-
дированию, нахождением среднего абсолютного отклонения и
среднего квадратичного отклонения с помощью методов матема-
тической статистики.
При этом среднее абсолютное отклонение находят из выражения
0л = 25о/Л,
где 50 — площадь эпюры, лежащей вправо от прямой данного
слоя; h — мощность слоя, м.
Приближенное значение среднего квадратичного отклонения
находят по формуле:
Sn= Qn п/2=\;.25 Q„.
По результатам расчетов средних значений условного дина-
мического сопротивления зондированию определяют плотность
сложения песков согласно табл. 14.5.
Для зданий и сооружений III класса согласно СНиП 2.02.01-83
допускается определять модуль деформации песчаных грунтов при
глубине их залегания до 6 м только по данным динамического
зондирования в зависимости от условного динамического сопро-
тивления грунта погружению зонда Ра, используя табл. 14.6.
224
Рис. 4.22. Обработка резуль-
татов динамического зонди-
рования: 1 — условное дина-
мическое сопротивление; 2 —
число ударов в залоге нарас-
тающим итогом
Кроме того, для сооружений III класса допускается опредс
лять угол внутреннего трения песчаных грунтов только по дан-
ным динамического сопротивления в зависимости от условного
динамического сопротивления грунта погружению зонда Ра, ис-
пользуя табл. 14.7.
Таблица 14.5
Определение плотности сложения песков по условному
динамическому сопротивлению зондирования
Виды песков Плотность сложения песков
плотные средней плотности рыхлые
Пески крупные и средние независимо от влажности Пески мелкие: Рд > 12,5 12,5 <РД <3,5 Рд <3,5
1) маловлажные и влажные Рд> н,о 11,0< Рд<, 3,0 Рд <3,0
2) водонасыщенные Ра > 8,5 8,5< Рд <2,0 Рд <2,0
Пески пылеватые маловлажные и влажные Ра > 8,5 8,5< Рд <2,0 Рд <2,0
Таблица 14.6
Оценка модуля деформации несчаных грунтов
Вид песков Значения модулей деформации Е (МПа) ири Рд (МПа), равном:
2 3,5 7 И 14 17,5
Крупные и средней крупности 18 24 37 47 53 58
Мелкие 13 19 29 35 40 45
Пылеватые (кроме водо- насыщенных) 8 13 22 28 32 35
Таблица 14.7
Оценка угла внутреннего трения песков
Условное динамическое сопротивление Рд, МПа Угол внутреннего трения для несков, град.
крупных и средней крупности мелких пылеватых
2 30 28 26
3,5 33 30 28
7 36 33 30
11 38 35 32
14 40 37 34
17,5 41 38 35
226
Задача 15
ИЗУЧЕНИЕ РАЗРЕЗА ГРУНТОВ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА
ИХ СВОЙСТВ МЕТОДОМ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Метод статического зондирования основан на том, что раз-
ные дисперсные породы в зависимости от их состава, состояния
и свойств оказывают различное сопротивление проникновению
в них металлического зонда с коническим наконечником. Стати-
ческое зондирование является разновидностью механического
каротажа.
В процессе статического зондирования (т.е. постепенного за-
глубления зонда с постоянной скоростью, а не ударами, как при
динамическом зондировании) в прилегающей к зонду зоне ра-
диусом около двух диаметров зонда происходит деформация грунта.
Порода, выдавливаемая из-под наконечника зонда, оказывает
давление на грунт, находящийся в непосредственной близости
от стенок зонда, отодвигает его и увлекает вниз. Выжатая порода
окружает боковую поверхность зонда тонкой рубашкой (толщи-
ной около 5 мм при диаметре зонда 60 мм). Нижняя граница зоны
деформации имеет форму полусферы с центром, расположен-
ным вблизи центра тяжести конуса.
Сопротивление, оказываемое породой вдавливанию зонда, сла-
гается из двух компонент: лобового и бокового сопротивлений,
возникающих, соответственно, непосредственно под наконечни-
ком зонда и по боковой его поверхности за счет сил трения.
Регистрируя эти сопротивления по мере углубления зонда, мож-
но решить целый ряд важных инженерно-геологических задач:
1. Расчленить разрез и выделить инженерно-геологические эле-
менты (определить их мощность, границы распространения грун-
тов разного литологического состава и т.д.).
2. Изучить строение циклически построенных толщ (напри-
мер, разрезов лёссовых пород).
3. Установить наличие прослоев слабых грунтов, погребен-
ных почв, заторфованных грунтов (их мощность, глубину зале-
гания и т.п.).
4. Определить глубину залегания кровли скальных и крупно-
обломочных грунтов.
5. Определить глубину залегания подземных вод в однородных
по разрезу толщах пород.
6. Найти карстовые пустоты и полости.
7. Определить нормативные значения некоторых показателей
свойств дисперсных пород.
8. Определить несущую способность висячей забивной сваи.
227
Статическое зондирование является оперативным и относи-
тельно дешевым (по сравнению, например, с бурением) мето-
дом исследования строения массивов пород и предварительной
оценки их свойств. Это и обусловливает его широкое примене-
ние в практике полевых исследований.
Объектом изучения методом статического зондирования явля-
ются любые дисперсные грунты кроме крупнообломочных, а также
скальных грунтов и грунтов, находящихся в мерзлом состоянии*.
Оборудование для статического зондирования
В настоящее время для статического зондирования применяют-
ся различные по своей конструкции установки, которые могут быть
условно разделены на два класса: легкие (переносные) и тяжелые.
Легкие установки для статического зондирования представля-
ют собой небольшие переносные приборы с ручным приводом.
Они позволяют проводить зондирование на небольшую глубину
(не более 3—5 м). К установкам этого класса, например, относит-
ся переносная станция статического зондирования ПССЗ-2, об-
служиваемая вручную двумя рабочими.
Тяжелые установки для статического зондирования монтиру-
ются на различных самоходных агрегатах, транспортных средствах
и позволяют проводить зондирование на глубину до 20 м. К уста-
новкам этого класса относятся СП-59, монтируемая на самоход-
ном шасси трактора Т-16М, установки НУСЗ, УЗП-З, С-832 и др.
Наиболее совершенными из них являются так называемые пенет-
рационно-каротажные станции СПК, использующие зонд слож-
ной конструкции, в котором вмонтирован ряд датчиков, позволя-
ющих регистрировать не только сопротивление внедрению зонда,
но и целый ряд других инженерно-геофизических параметров (тем-
пературу пород, их электрическое сопротивление, плотность-влаж-
ность и др.). Снимаемая при этом в автоматическом режиме мно-
гопараметрическая каротажная диаграмма непрерывно обрабаты-
вается на ЭВМ, имеющейся на СПК, и оперативно выдаются
результаты обработки.
На учебной практике статическое зондирование проводится
студентами либо на навесной установке статического зондирова-
ния НУСЗ конструкции УралТИСИЗа (рис. 4.23), либо на мало-
габаритной зондировочно-буровой установке УЗБ-5М-1 конструк-
ции Л.С. Амаряна (см. рис. 4.1).
1 В последнее время появились специальные установки статического зонди-
рования, использующие нагреваемый зонд особой конструкции, позволяющий
проводить зондирование мерзлых грунтов с их оттаиванием по мерс внедрения
зонда.
228
Установка НУСЗ монтируется (навешивается) на буровой ус-
тановке УГБ-50М, изготовленной на базе автомобиля ГАЗ-66.
Основными частями установки НУСЗ являются (см. рис. 4.23):
/ — металлический зонд сложной конструкции с наконечни-
ком площадью 10 см2 и углом при вершине 60°, состоящий из
двух частей: наконечника и подвижной муфты (муфты трения):
2 — устройство НУСЗ для вдавливания и извлечения зонда, со-
стоящее из двух массивных металлических штанг, между кото-
рыми вращается винт, залавливающий или извлекающий зонд;
3 — опорно-анкерное устройство, служащее для закрепления
установки в точке зондирования и состоящее из поперечной
упорной балки, которая крепится к поверхности грунтового
массива с помощью двух анкеров (4) и якорей (5); 6 — измери-
тельное (регистрирующее) устройство типа ПИ КА-14, подсое-
диняемое к датчикам зонда с помощью многометрового кабеля
(7), пропускаемого внутри штанг {8} и служащее для контроля
замеряемого бокового и лобового сопротивлений грунта вне-
дрению зонда.
229
В комплект установки НУСЗ входит набор из 20 стандартных
штанг метровой длины, которые наращиваются путем навинчи-
вания друг на друга по мере внедрения зонда. Штанги имеют
стандартный диаметр — 36 мм.
Залавливающее устройство управляется с помощью буровой
установки УГБ-50М, обслуживаемой буровыми мастерами. Реги-
стрирующее устройство ПИКА-14 работает от источника посто-
янного тока, в качестве которого используется автомобильный
аккумулятор или генератор постоянного напряжения установки
УГБ-50М. На измерительной панели ПИКА-14 с помощью циф-
рового индикатора по мере внедрения зонда отражается глубина
его погружения (с точностью до 0,1 м), а также регистрируется
лобовое Р| и боковое Р2С0ПР°тивления зонда (МПа).
Конструкция и порядок монтирования малогабаритной зовди-
ровочно-буровой установки УЗБ-5М-1 описаны в задаче 11
(см. рис. 4.1 и 4.2).
Проведение испытаний на установке НУСЗ
Методика испытаний статическим зондированием выполня-
ется в соответствии с ГОСТ 20069-81 «Статическое зондирова-
ние грунтов». Согласно этому нормативному документу зондиро-
вание грунтов для проведения инженерных изысканий под кон-
кретные здания и сооружения проводят в пределах их контуров
или на расстояниях от них не более 5 м. Для получения сопоста-
вительных данных часть точек зондирования располагают на рас-
стояниях не более 5 м от горных выработок (скважин, шурфов),
в которых производят отбор монолитов для лабораторных иссле-
дований и выполняют другие полевые исследования грунтов, но
не менее 1 м от границы выработки.
Глубину зондирования определяют из условия необходимости
исследования данной толщи грунтов, слагающих основание зда-
ний или сооружений.
Выбранные точки зондирования привязываются геодезически-
ми методами и закрепляются на местности временными знаками
(метками). Планово-высотная привязка точек зондирования вы-
полняется дважды — до и после зондирования. Испытания грун-
тов статическим зондированием проводятся квалифицированны-
ми техниками-геологами и рабочими, хорошо знающими установку
и технику безопасности работы на ней.
Во время испытаний с помощью установки НУСЗ в специаль-
ном журнале (табл. 15.1) регистрируются показания индикато-
ров ПИКА-14 через каждые 10 см внедрения зонда. Глубина по-
гружения фиксируется по рейке, закрепленной на направляю-
щей штанге НУСЗ.
230
Таблица 15.1
Журнал регистрации статического зондирования с помощью НУСЗ
Глубина погружения, м Удельное лобовое сопротивление Plt МПа Удельное боковое сопротивление Рг, МПа
Внедрение зонда осуществляется с постоянной скоростью
(около 0,5 м/мин). Через каждый метр зондирование останав-
ливается, наращивается следующая метровая штанга и оно про-
должается дальше — до требуемой глубины. В процессе зонди-
рования необходимо постоянно следить за показаниями лобо-
вого сопротивления: во избежание повреждения зонда нельзя
работать в режиме, превышающем лобовое сопротивление свы-
ше 20—25 МПа.
По достижении требуемой глубины, зондирование прекраща -
ется, регистрирующее устройство отключается и проводится
подъем зонда в обратной последовательности. Штанги свинчива-
ются и укладываются в специальный ящик.
Статическое зондирование с помощью установки УЗБ-5М-1
Для выполнения статического зондирования установка УЗБ-5М
(см. рис. 4.1) комплектуется стандартным конусным наконеч-
ником, штангами диаметром 36 мм, измерителем лобового и бо-
кового сопротивлений 9 (см. рис. 4.2) и винтовыми сваями с
упорами.
Статическое зондирование выполняют после забивки четырех
штырей через трубчатые упоры, завинчивания и крепления вин-
товых свай с диаметром лопастей 180 мм (см. рис. 4.1).
Завинчивание винтовых свай осуществляют с помощью вра-
щателя установки, присоединяя вал сваи к переходнику враща-
теля 7(рис. 4.2) с фиксацией пальцем, осуществляя подачу штур-
валом 2, как при вращательном бурении.
В связи с относительно малым крутящим моментом вращате-
ля (58 кг-м) завинчивание свай в плотные отложения может быть
затруднено. В этом случае применяют ручное завинчивание, для
чего к установке прилагается переходник с наклонными отвер-
стиями для соединения двух штанг диаметром 36 мм и длиной
1 м. Сваи заворачивают отдельно от рамы установки на расстоя-
нии примерно 0,8 м, а затем накатывают ее на колесах, закреп-
ляют упорами, забивают штыри и приступают к зондированию.
При этом устанавливают динамометрический измеритель 9
(рис. 4.2) на ось редуктора с пальцем и введя конец штанги со
231
штоком снизу измерителя. Стрелку индикатора 9 устанавливают
в нулевое положение и закрепляют его винтом.
Измерение лобового и бокового сопротивлений на УЗБ-5М-1
производят раздельно, так как измеритель имеет одну упругую
балку и индикатор.
Многолетний опыт статического зондирования грунтов Мбс-
горгеотрестом на установке УДК-5М-1 показал, что удобнее ус-
танавливать значения лобового q3 и бокового.4 сопротивлений со
следующей последовательностью. Вначале зондирования измеряют
общее сопротивление, погружая зонд на 15—20 см. Далее перево-
дят динамометр на измерение лобовых сопротивлений конуса QK,
измеряя их через каждые 20 см. При наращивании последующей
штанги вновь измеряют один раз общее сопротивление и далее
лобовое и т.д.
При измерении лобового сопротивления конуса (q3) нижнюю
резьбовую втулку 10 отворачивают от корпуса на 3—4 оборота,
что обеспечивает передачу усилия от конуса через шток непос-
редственно на упругую балку, исключая боковое сопротивление
штанг (см. рис. 4.2). Тогда установленное индикатором число де-
лений лк через каждые 20—30 см умножают на цену деления L
(кгс/дел) и делят на площадь основания конуса (Fk=10cm2) и
получают q-i = LnJF^ [кгс/см2].
Так как по данным градуировки динамометра (поставляется вме-
сте с установкой) L = 10 кгс/дел, то q3 = кпк кгс/см2, где к = L/F^
= 1 кгс/см2дел, таким образом одному делению индикатора со-
ответствует лобовое сопротивление q3 = 1 кгс/см2.
Для определения удельных боковых сопротивлений /3 штанг
устанавливают общее сопротивление (?оби вычитают из него ве-
личину лобового сопротивления QK. Для этого нижнюю резьбо-
вую втулку 10(см. рис. 4.2) измерителя ^завинчивают до упора
вверх, что приводит к передаче и лобовых, и боковых или общих
сопротивлений погружения штанг и конуса в грунт на динамо-
метр 9. Тогда сопротивление по боковой поверхности штанг:
(2шт = Qo6 — 0К> где бк = 1лк= 10 лк.
Удельное сопротивление по боковой поверхности штанг (т.е.
отнесенное к плошади поверхности штанг):
Л = СштАЯА, кгс/см2,
где F= nDh — площадь боковой поверхности штанг; D = 3,6 см —
диаметр штанг; h — глубина погружения штанг, см.
Общее сопротивление (лобовое и боковое):
006 “ «об£ ИДИ 006 КГС,
232
где «„б — общее число делений индикатора при совместном по-
гружении конуса и штанг.
В полевой журнал записывают значения А, лк и лоб.
Обработка и интерпретация результатов
Результаты испытаний статического зондирования на установ-
ках НУСЗ или УЗБ-5М-1 заносятся в журнал согласно требова-
ниям ГОСТ 20069-81 «Грунты. Метод полевого испытания стати-
ческим зондированием», затем обрабатываются следующим об-
разом. По полученным значениям лобового Рх и бокового Р2
сопротивлений строятся совмещенные графики зондирования
(рис. 4.24), отражающие изменение по глубине удельных сопро-
тивлений грунта конусу зонда при его погружении.
Масштабы графиков выбираются исходя из глубины зондиро-
вания. Обычно по вертикали откладывается глубина зондирова-
ния в масштабе 1:100 (1 см -1 м), а по горизонтали — удельное
сопротивление грунта конусу зонда при его погружении Рх
(в 1 см — 2 МПа) и Р2 (в 1 см — 0,01 МПа). По результатам бу-
рения или другим данным составляется инженерно-геологичес-
кая колонка скважины в точке зондирования, которая совмеща-
ется с графиками зондирования (см. рис. 4.24).
После этого осуществляется расчленение геологического раз-
реза на инженерно-геологические элементы (ИГЭ), т.е. слои с
приблизительно одинаковыми значениями Рх при отсутствии за-
кономерного увеличения или уменьшения значений Рх в преде-
лах выделенного элемента. Для этого сначала инженерно-геоло-
гические элементы выделяются визуально по характеру графика
зондирования. После этого проводится проверка правильности
выделения каждого инженерно-геологического элемента статис-
тическими способами.
Статистическая обработка проводится либо по значениям Рх,
либо по Р2. Она сводится к определению минимальных, макси-
мальных и средних значений удельного лобового сопротивления
грунта конусу зонда, сопротивления по боковой поверхности, а
также средних квадратичных отклонений указанных величин и
их коэффициентов вариации для каждого из предварительно вы-
деленных инженерно-геологических элементов (ИГЭ). Количе-
ство точек статического зондирования в пределах одного ИГЭ
для этого должно быть не менее 6.
Среднеквадратичное отклонение (S) вычисляется по формуле
S = ±^(xi-x)2/N,
233
СКВ N8
Начато-окончено 5-6/vi-99r
Авс. отм.
УСТЬЯ 99.62м
номер слоя геологический индекс лодошеа ' слоя.м МОЩНОСТЬ СЛОЯ/4 описание .грунта Разрез скважины 1 Подзем еоды
АВС. отм.
Глуби на Авсотм.
ГАУВ.
Д*та
1ю₽.
1 M-Q, 0,90 98,?2 0,90 почвемно-растит. слой ▼ iifli 2,10 6/VI 1999
2 JT А а । V 0 1,30 98,12 0,60 песок... • • • . .
3 2,80 дуг 130 песок... • • • •
Ц 7,ЦО 92^2 4JS0 "СУГЛИНОК
5 8,30 дуг 0,90 лесок...
6 9,50 дуг 1,2 гяавий... • ° ’. 6 ° • 0 . • •
i
точка зондирования С.3.-17
тип установки
Авс. отм.поверхности грунта 99,62м
Dara зондирования 7/vi*95)r.
го « » г» у и »• у у» у рьШПа)
30 60 то у> 90 100 Ря(КН1
PQ
Рис. 4.24. Результаты статического зондирования, совмещенные с инженерно-геологической колонкой
где х, — частные значения сопротивления; х — среднее арифме-
тическое значение; N — число вариант.1
Коэффициент вариации (v) определяется по следующей фор-
муле:
v= S/x.
Если в результате этой статистической проверки выясняет-
ся, что коэффициент вариации для данного ИГЭ превышает ус-
тановленный предел (например,
ницы ИГЭ корректируются и
вновь проводится статистичес-
кая проверка каждого ИГЭ. Та-
кая операция проводится до тех
пор, пока в пределах каждого
ИГЭ коэффициент вариации не
будет меняться в установленных
пределах.
По результатам статического
зондирования может быть при-
мерно определен тип грунта на
> 0,3), то первоначальные гра-
Таблица 15.2
Определение типа породы
по результатам статического
зондирования
Порода Отношение Pi/Pi
Пески <0,021
Супеси 0,021-0,035
Суглинки 0,035-0,045
Глины >0,045
основе анализа соотношения лобового Р{ и бокового Р2 сопро-
тивлений. Для этого подсчитывается отношение Р2/Л и затем,
пользуясь табл. 15.2, разрез расчленяется на слои, сложенные
песками, супесями, суглинками или глинами.
Поданным средних значений Р]ДЛЯ каждого выделенного ИГЭ
согласно СНиП 2.02.01-83 можно оценить плотность сложения
песчаных грунтов (табл. 15.3) и консистенцию глинистых грун-
тов (табл. 15.4), если они присутствуют в изучаемом разрезе.
Кроме того, по результатам статического зондирования мож-
но ориентировочно оценить некоторые прочностные и дефор-
мационные свойства грунтов. При этом наиболее надежная
Таблица 15.3
Определение плотности песков по результатам статического зондирования
Виды песков Плотность сложения песков
плотные средней плотности рыхлые
Пески крупные и средней крупности независимо от влажности Л>15 15> Рх>5 А<5
Пески мелкие независимо от влаж- ности Пески пылеватые: Р|>12 12> />|>4 Р,<4
1) маловлажные и влажные Р|>10 10> Р,>3 />,<3
2) водонасыщенные Л >7 7> Р{>2 Л<2
235
характеристика этих свойств грунтов по результатам статичес
кого зондирования может быть получена с помощью корреля
ционных зависимостей (коэффициентов корреляции), опредс
ленных для конкретных геолого-генетических комплексов по
род, или региональных корреляционных коэффициентов. При
отсутствии таких коэффициентов для предварительной оценки
свойств грунтов можно использовать нормативные значении
показателей прочности и деформационных свойств, определяй
мые по таблицам СН-448-72 (табл. 15.5) и СНиП 2.02.01-83
(табл. 15.6) на сонове экспериментальных значений удельной*
лобового сопротивления Р{.
Для сооружений III класса согласно СНиП 2.02.01-83 допус-
кается определять угол внутреннего трения и удельное сцепле-
ние четвертичных пылевато-глинистых грунтов только по дан-
ным статического зондирования в зависимости от удельного со-
противления под наконечником зонда, используя табл. 15.7.
Все полученные и рассчитанные таким образом результаты
определений параметров для выделенных ИГЭ заносятся в свод-
ную таблицу результатов статического зондирования массива грун-
тов (табл. 15.8).
Таблица 15.4
Определение консистенции
глинистых грунтов по результатам
статического зондирования
Удельное сопротивление грунта Р], МПа Консистенция глин
> 10 твердая
5-10 полутвердая
2-5 тугопластичная
1-2 мягкопластичная
< 1 текучепластичная
Таблица 15.5
Определение нормативного модуля
деформации грунтов по результатам
статического зондирования
Грунты Нормативный модуль деформации Е, МПа
Песчаные ЗР1
Глинистые 7
Таблица 15.6
Определение нормативного
угла внутреннего трения песчаных
грунтов по результатам статического
зондирования
(по СНиП 2.02.01-83)
Удельное сопротивление грунта конусу зонда Р), МПа Нормативный угол внутреннего трения ф, град, (нри глубине зондирования)
2 м >5 м
1,5 28 26
3 30 28
5 32 30
8 34 32
12 36 34
18 38 36
26 40 38
Примечание: Значения <р в интервале от 2 до
3 м определяются интерполяцией.
236
Таблица 15.7
Оценка прочностных характеристик пылевато-глинистых грунтов
{по СНиП 2.02.01-83)
Лобовое сопротивле- ние, МПа Значения прочностных характеристик пылевато- глинистых грунтов Лобовое сопротивле- ние, МПа Значения прочностных характеристик пылевато- глннистых грунтов
удельное сцепление с, кПа угол внутрен- него трения Ф, гряд удельное сцепление с, кПа угол внутрен- него трения Ф, град
0,5 18 16 3,5 53 23
1,0 24 17 4,0 58 24
1,5 30 18 4,5 64 25
2,0 36 19 5,0 70 26
2,5 41 20 5,5 76 27
3,0 47 22 6,0 82 28
Таблица 15.8
Характеристика выделенных инженерно-геологических элементов
Номер ИГЭ Среднее значение />!, МПа Коэффициент ва- рнацн, г Наименование по плотности песков Консистенция глин Нормативный модуль деформа- ции, Мпа Нормативный угол внутреннего трения ф, град Нормативное удельное сцепле- ние с, кПа Несущая способ- ность сваи Ф, тс
Расчет несущей способности висячих свай
По результатам статического зондирования может быть опре-
делена несущая способность (Ф) забивной висячей или винто-
вой сваи, работающей на сжимающую нагрузку. Несущая спо-
собность сваи определяется как нагрузка (в тонно-силах), кото-
рую может выдержать свая без деформирования (погружения).
Она складывается из сопротивления, которое оказывает грунт
под торцом сваи и сопротивления, возникающего за счет трения
грунта по боковой поверхности сваи. Обе эти составляющие мо-
гут оцениваться по результатам статического зондирования.
Расчет несущей способности сваи производится для стандарт-
ной строительной сваи длиной 6 м, размером сечения 20x20 см.
Определение Ф проводится по формуле:
Ф = тФ1 /nR,
где Ф — несущая способность сваи, тс; т — коэффициент ус-
ловной работы, принимаемый равным единице для забивных свай;
237
п — число точек зондирования; Ф, — частное значение предельно
го сопротивления сваи, т.е. в данной точке зондирования, тс; R
коэффициент безопасности по грунту, принимаемый равным 0,8.
Частное значение предельного сопротивления сваи в точке
зондирования Ф, определяется по формуле
Ф,= QF+ РНи,
где Q — сопротивление грунта под конусом забивной сваи, МПа;
F — площадь поперечного сечения забивной сваи м2; Р —сопро
тивление грунта по боковой поверхности сваи, МПа; Н — глу
бина погружения сваи от поверхности грунта, м; и — периметр
поперечного сечения ствола сваи, м.
Сопротивление грунта под конусом сваи Q по данным резуль-
татов статического зондирования, определяется по формуле:
0=0Л,
где р — коэффициент, принимаемый равным 0,5; Рх — среднее значение сопротивления грунта под наконечником зонда при статическом зондировании в несущем слое, МПа. Таблица 15 9 Сопротивление грунта по бо- .. ковой поверхности сваи Р по Определение коэффициента а данным зондирования гоунта в
Среднее значение сопротивления грунта иол наконечником зонда , МПа а рассматриваемой точке следует определять по формуле: Р = аР2, где а — коэффициент, прини- маемый по табл. 15.9; Р2 — сред- нее удельное сопротивление грунта по боковой поверхности зонда (МПа), определяемое в
2,5 5 7,5 10 15 20 1,5 1,5 1,0 0,75 0,6 0,5
пределах от поверхности грунта в точке зондирования до уровня
расположения нижнего конца сваи в выбранном несущем слое.
Результаты расчета несущей способности висячей сваи зано-
сятся в итоговую табл. 15.8 статического зондирования.
4.2. Методы изучения состояния грунтов
Задача 16
ИЗУЧЕНИЕ ПЛОТНОСТИ И ВЛАЖНОСТИ ГРУНТОВ
ЯДЕРНЫМИ МЕТОДАМИ
Плотность грунта в естественном сложении и естественная
влажность грунта — основополагающие показатели, которые ис-
238
пользуются в инженерной геологии как расчетные и классифи-
кационные. Одним Из методов, позволяющих достаточно быстро
и точно определить эти величины в полевых условиях, является
ядерный метод. Преимущество метода перед лабораторными —
получение среднего значения определяемого показателя по не-
которой сфере (рис. 4.25), что обусловлено физической приро-
дой взаимодействия излучения с веществом. Радиус сферы со-
ставляет 15—25 см, что определяет интервалы опробования. Ме-
тод позволяет проводить режимные наблюдения и следить за
динамикой показателей плотности и влажности в массиве грунта.
Применение метода регламентируется государственными стан-
дартами ГОСТ 23061-78 и 24181-80.
Физические основы метода
Определение плотности грунтов проводится с помощью гам-
ма-излучения. При взаимодействии гамма-излучения с грунтом
гамма-кванты теряют часть энергии и рассеиваются. Интенсив-
ность рассеянного гамма-излучения определяется в основном
плотностью среды. Это явление используется при определении
плотности грунтов методом рассеянного гамма-излучения. Сле-
дует отметить возможность применения метода просвечивания,
который требует проходки двух строго параллельных скважин и
тем самым ограничивает область его использования.
Определение естественной влажности грунтов ядерными ме-
тодами основано на взаимодействии быстрых нейтронов с
d а — глубинные измерения, в — поверхностные измерения
239
водородсодержащей средой. При соударении быстрых нейтроном
с атомом водорода их скорость уменьшается и фиксируется об-
разование медленных тепловых нейтронов. Количество медлен-
ных нейтронов соответствует водородсодержанию в среде, что
характеризует влажность грунта. На величину естественной влаж-
ности, получаемую в этих измерениях, оказывает влияние содер-
жание органического вещества в грунтах. При определении есте-
ственной влажности грунтов ядерными методами получают ве-
личину влажности, выраженную в объемных единицах.
Устройство приборов
Для определения плотности грунта в естественном сложении и
естественной влажности грунта используется прибор ППГР-1 —
плотномер поверхностно-глубинный радиоизотопный и ВПГР-1 —
влагомер поверхностно-глубинный радиоизотопный.
В комплект этих приборов входит пять основных блоков:
1) блок источников излучения;
2) устройство контрольно-калибровочное (УКТ);
3) преобразователь влажности (плотности) измерительный —
ПВИ-1 (ППИ-1);
4) счетчика импульсов переносной (СИП-1М);
5) блок питания низковольтный (БПИ-2).
Блок источника излучения (7) представляет собой герметич-
ный цилиндр, внутри которого помещается источник гамма из-
лучения Cs-137 в случае плотномера и источник быстрых нейт-
ронов плутоний — бериллиевый с радионуклидом плутоний —
238 (см. рис. 4.25). В блок источника гамма-плотномера входит
свинцовый экран (2), предназначенный для защиты сцинтилля-
ционного счетчика от прямого гамма-излучения. При хранении
и транспортировке блок источника находится в УКТ (5), где во
избежание выпадения надежно блокируется с помощью подпру-
жинистого фиксатора. Блокировка фиксатора производится с
помощью специального ключа. Извлечение блока источника из
УКТ производится только через нижнее отверстие контейнера
УКТ. Блок источника сочленяется с ППИ-1 или с ПВИ-1 (4)
при глубинных или со штырем (5) при поверхностных измерени-
ях с помощью двух байонетных штифтов. Во избежание выпаде-
ния блока источника в скважину запрещается пользоваться клю-
чом до предварительного сочленения блока источника с ППИ-1
или штырем. Сочленение рекомендуется выполнять до установки
прибора на обсадную трубу.
Устройство контрольно-транспортное (УКТ) предназначено для
безопасной работы с прибором, транспортировки его, проверки
240
работоспособности ППИ-1 (ПВИ-1) и хранения блока источни-
ка и ППИ-1 (ПВИ-1). УКТ состоит из контейнера и индикатора
глубин. Контейнер представляет собой цилиндр, в котором раз-
мещаются:
1) свинцовый экран для обеспечения биологической защиты
(в случае плотномера в качестве биологической защиты ис-
пользуется свинцовый экран, во влагомере — полиэтиле-
новый экран);
2) две ручки, используемые для намотки кабеля, переноски
прибора и в качестве подставки при горизонтальном рас-
положении прибора;
3) подпружинистый фиксатор с блокирующим устройством,
предназначенный для закрепления источника в транспорт-
ном положении. Блокировка фиксатора производится с
помощью специального ключа, который вставляется в от-
верстие на боковой поверхности УКТ;
4) горизонтальный канал в нижней части УКТ для закрепления
ППИ-1 (ПВИ-1) в транспортном и рабочем положении;
5) контрольный канал (параллельный рабочему) для разме-
щения ППИ-1 при контрольном измерении в УКТ. В транс-
портном положении в этом канале располагается штырь,
закрепляемый в УКТ заглушкой. Штырь используется для
заглубления блока источника при поверхностных измере-
ниях. При контрольных измерениях в УКТ штырь из кана-
ла вынимается;
6) втулка в нижнем основании контейнера. Если УКТ уста-
навливается на обсадных трубах с диаметром более 40 мм,
то втулка предварительно снимается.
Индикатор глубин перемещается по двум направляющим в
верхней части контейнера. Индикатор имеет шкалу с ценой деле-
ния 0,2 м; ручку «УСТАНОВКА НУЛЯ»; шариковый фиксатор с
зажимом. С помощью фиксатора индикатор может устанавливаться
в рабочем и транспортном положениях. Зажим используется для
фиксации: ППИ-1 (ПВИ-1) в транспортном положении в УКТ,
положения зонда в скважине при глубинных измерениях, поло-
жения блока источника на заданной глубине при поверхностных
измерениях.
Преобразователь влажности (плотности) измерительный ПВИ-1
[ППИ-1). Конструктивно ППИ-1 и ПВИ-1 выполнены так, что
при соединении их с блоком источника образуется зонд с дли-
ной 300 мм, равной расстоянию между центром кристалла счет-
тика. ППИ-1 состоит из:
241
1) электронного блока, который включает: сцинтилляцион
ный счетчик, состоящий из кристалла NaJ(Tl) размером
16x40 мм и ФЭУ-67Б; усилитель дискриминатор импуль
сов, поступающих от счетчика; высоковольтный преобра
зователь напряжения с трансформатором и выпрямителем;
2) герметичной трубы, выполняющей роль корпуса выносно
го зонда, в торцовой части трубы имеются два байонетных
паза и подпружиненный шток для соединения ППИ-1
(ПВИ-1) с блоком источника;
3) соединительного кабеля (6) с разъемом для подсоедине
ния ППИ-1 (ПВИ-1) к блоку СИП-1М 7 через разъем
«ВХОД». В транспортном положении разъем закрыт за-
глушкой (см. рис. 4.25).
Счетчик импульсов переносной (СИП-1 М) (7) предназначен для
измерения количества электрических импульсов, поступающих на
вход за установленный интервал времени и для обеспечения вы-
дачи стабилизированного высоковольтного и низковольтного на-
пряжений для питания блока электронного ППИ-1 (ПВИ-1).
На лицевой панели прибора расположены: розетка электри-
ческого разъема «ВХОД», вилка электрического разъема «ПИ-
ТАНИЕ», индикатор и кнопки управления режимом работы СИП-
1М («ВКЛ-ВЫКЛ», «ОТСЧЕТ», «ПУСК», кнопки положитель-
ная полярность «+», отрицательная полярность «—», «Контроль»,
сцинтилляционного (СЦ) и газоразрядного счетчиков, таймера
1; 10; 30; 100; 300 с). Цифровой индикатор срабатывает при на-
жатии кнопки «ОТСЧЕТ». Время установления рабочего режима
блока СИП-IM не более 15 мин.
Блок питания низковольтный. Питание прибора может осуще-
ствляться в автономном режиме и от сети переменного тока 220 В.
При автономном питании используются батареи постоянного тока
общим номиналом 12 В. При использовании сети переменного
тока в комплекте приборов предусмотрен выпрямитель перемен-
ного тока с выходным напряжением 12 В.
Калибровка плотномера и влагомера. В комплект поставки при -
боров ППГР-1 и ВПГР-1 входят калибровочные графики, пред-
ставляющие зависимость скорости счета и искомой величины
плотности или объемной влажности. Калибровочные графики
построены при условии обсадки скважины дюралевыми труба-
ми диаметром 40 мм. При эксплуатации приборов, особенно
плотномера, в связи с распадом радиоактивного источника
Cs-137 с периодом полураспада Т= 30,17 лет необходимо не
реже, чем в 2 года корректировать градуировочный график по
следующей методике:
242
1) снять с градуировочного графика значения скоростей счета
N} и N2, соответствующие крайним значениям плотности:
0,8 и 2,3 г/см3;
2) определить новые значения Nx и N2c учетом поправки на
распад:
N'= Njе = ^е~‘|п2/г; i = 1,2, ...,
где t — время в годах, прошедшее между изменениями ско-
ростей счета Nj и N,], Т — период полураспада;
3) нанести новые значения ^’.на координатную сетку и со-
единить их кривой, параллельной исходному графику.
4) скорректировать значения NyKJ, нанесенное на первичном
графике, т.е. рассчитать аналогично предыдущему новое зна-
чение
/у* =/у р~>‘-
5) нанести новое значение №укг на скорректированную граду-
ировочную кривую.
Поскольку период полураспада плутония-238 в источнике во
влагомере составляет 90 лет, а материал обсадных труб не взаи-
модействует с быстрыми нейтронами, корректировкой калибро-
вочных графиков в этом случае можно пренебречь.
В практике инженерно-геологических изысканий приходится
проводить измерение плотности и влажности в скважинах боль-
шего диаметра, обсаженных стальными обсадными трубами. В этом
случае калибровка плотномера и влагомера заключается в прове-
дении замеров в различных грунтах с последующим определени-
ем их плотности и влажности. Калибровка проводится в лабора-
торных условиях или непосредственно в поле перед началом по-
левых работ. Лабораторная калибровка приборов осуществляется
в баках определенного объема, удовлетворяющих условиям бес-
конечной сферы влияния зондов (1x1x1 м3). По центру бака ус-
танавливается обсадная труба, бак наполняется грунтом и про-
изводится замер гамма-плотномером или нейтронным влагоме-
ром. Придавая грунту различную плотность и влажность и замеряя
всякий раз интенсивность рассеянного гамма-излучения и ин-
тенсивность тепловых нейтронов, можно получить зависимость
скорости счета от плотности грунта и влажности. По получен-
ным данным строятся калибровочные кривые.
При полевой калибровке приборов бурится несколько неглу-
боких скважин и производится замер в них гамма-плотномером
и нейтронным влагомером. Затем по скважинам отрываются шур-
фы и на заданной глубине производится определение плотности
методом режущих колец и влажности весовым способом.
243
Методика определения плотности и влажности грунта
Определение плотности и влажности грунта в естественном
сложении предопределяет подготовку приборов к работе, непо-
средственное определение показателей по глубине в скважине
или на поверхности, подъем зонда и приведение его в транспорт-
ное положение.
Подготовка блока СИП-IM к измерениям.
1. Для работы прибора в автономном режиме необходимо за-
рядить батарейный отсек блока СИП-IM элементами 373 (8 шт.)
или батареями 3336 (4 шт.) в следующей последовательности:
1) отвернуть винты, соединяющие нижнюю крышку СИП-1М
с корпусом;
2) отвернуть крепежные винты на приливах корпуса футляра;
3) извлечь футляр и установить в нем элементы 373 последо-
вательно;
4) закрыть крышку футляра и установить его в батарейный
отсек блока СИП-IM. Контактные пружины на корпусе
футляра должны быть совмещены с контактными пружи-
нами на корпусе СИП-1М;
5) укрепить нижнюю крышку на корпусе прибора.
2. Проверить работоспособность СИП-IM в режиме «КОНТ-
РОЛЬ»:
1) нажать'кнопку «ВКЛ» и «+» на лицевой панели прибора;
2) прогреть прибор в течение не менее 1 мин.;
3) нажать кнопку «1» нижнего ряда кнопок «ВРЕМЯ» и кноп-
ки «КОНТРОЛЬ» и «ПУСК»;
4) после загорания надписи «ОС» на знаковом индикаторе
нажать кнопку «ОТСЧЕТ» и, не отпуская’ ее, записать по-
казания знакового индикатора;
5) повторить измерения 3 раза;
6) повторить контрольные измерения для времени «10», «30»,
«100», «300» с.
Блок СИП-IM подготовлен к работе, если любое показание
знакового индикатора находится в пределах от 781 до 783 имп/с.
Если на знаковом индикаторе СИП-IM загорается предупреди-
тельная надпись «СБ» (сменить батарею), необходимо выклю-
чить прибор и заменить батареи.
Контрольное измерение скорости счета в УКТ. При контрольных
в УКТ прибора ППГР-1 или ВПГР-1 должен находиться в удале-
нии от стен, предметов и людей на расстоянии не менее 1 м.
Подготовка и проведение контрольных измерений включает
244
несколько групп операций. При контрольном измерении счета в
У КТ ППГР-1 следует:
1) снять кабель с ручек УКТ;
2) подсоединить разъем «Ш» блока ППИ-1 к разъему «ВХОД»
блока СИП-IM, предварительно сняв с разъема заглушку;
3) нажать кнопки «—» и «СЦ» блока СИП-1М;
4) прогреть прибор в течение 15 мин;
5) отсоединить ППИ-1 от блока источника, для чего: а) осла-
бить зажим кабеля; б) нажать на ППИ-1, повернуть его
против часовой стрелки и вынуть из УКТ;
6) вставить до упора ППИ-1 в контрольный канал (параллель-
ный рабочему), совместив риску на ППИ-1 с меткой на
боковой поверхности УКТ;
7) нажать кнопку «30» ряда «ВРЕМЯ»;
8) нажать и отпустить кнопку «ПУСК»;
9) после загорания надписи «ОС» на цифровом индикаторе
нажать кнопку «ОТСЧЕТ» и, не отпуская ее, записать по-
казания прибора;
10) повторить измерения 3 раза и вычислить среднее;
11) сравнить полученное значение NyKT,cp с указанным на граду-
ировочном графике. Если расхождение скорости счета не пре-
вышает 5%, то можно приступать к рабочим измерениям.
Контрольное измерение скорости счета в УКТ ВПГР-1 произ-
водится аналогично вышеописанному при транспортном поло-
жении зонда в контейнере.
Определение показателей плотности и влажности грунта
Измерение плотности и влажности грунта проводится после-
довательно в одной и той же скважине: вначале определяется
плотность, а затем влажность или наоборот. При замерах зонд
опускается в скважину и устанавливается так, чтобы точка запи-
си соответствовала намеченной глубине замера. Замеры можно
проводить от устья скважины до забоя и наоборот. Расстояние
между точками опробования определяется литологическими осо-
бенностями и физическим состоянием грунта. Проводить замеры
через интервалы менее чем 30 см нецелесообразно, так как в этом
случае будет происходить ненужное перекрытие эффективных
сфер влияния двух соседних точек измерения. Все операции по
опусканию и поднятию зонда надо производить плавно, без рез-
ких перемещений и ударов.
Для проведения замеров следует:
1. Соединить ППИ-1 (ПВИ-1) с блоком источника. Для это-
го используются байонетные пазы, которые находятся на торце
245
корпуса блоков ППИ-1 и источника. Во избежание выпадения блока
источника в скважину запрещается пользоваться ключом до пред-
варительного сочленения блока источника с ППИ-1 или ПВИ-1.
2. Установить УКТ на обсадную трубу. Если диаметр трубы
более 40 мм, необходимо предварительно снять переходную втулку
в нижней части УКТ.
3. Освободить зонд в УКТ путем блокирования фиксатора ис-
точника, для чего:
1) ослабить зажим индикатора глубин;
2) придерживая ППИ-1 (ПВИ-1), вставить ключ в отверстие
на боковой поверхности УКТ;
3) повернуть ключ на 900, затем отжать фиксатор, оттянув ключ
на себя до упора.
4. Опустить зонд в скважину, для чего: нажать на зонд вниз и,
придерживая за кабель, опустить в обсадную трубу до совмеще-
ния метки «О» на кабеле с верхней кромкой индикатора глубин.
5. Установить кабель в паз индикатора глубин, для чего:
1) отпустить ключ;
2) перевести индикатор глубин в рабочее положение;
3) нажать рычаг прижимного ролика;
4) завести кабель в паз;
5) затянуть зажимом.
6. Установить стрелку индикатора глубин на нуль ручкой
«УСТАНОВКА НУЛЯ».
7. Опустить зонд в скважину на заданную глубину, для чего:
1) ослабить зажим кабеля;
2) следя за показаниями индикатора глубин, опустить зонд до
необходимой глубины;
3) при достижении заданной глубины закрепить кабель за-
жимом.
8. Произвести измерение скорости счета в грунте на задан-
ной глубине, для чего:
1) нажать кнопку «100» рада «ВРЕМЯ»;
2) нажать и отпустить кнопку «ПУСК» ;
3) после загорания сигнала «ОС» нажать кнопку »ОТСЧЕТ» и,
не отпуская ее, записать показания цифрового индикатора;
4) по градуировочному графику определить значение плотно-
сти или влажности грунта.
9. Перевести зонд на новую отметку глубины по методике п. 7
и произвести измерение скорости счета NIV согласно п. 8.
Полученные значения записываются в табл. 16.1.
246
Таблица 16.1
Результаты измерения плотности и влажности по глубине
№ Глубина замера Определение плотности Определение влажности
скорость счета плотность скорость счета влажность
Подъем зонда и приведение прибора в транспортное положение.
1. Вставить ключ в УКТ.
Отсутствие ключа в момент подъема зонда из скважины мо-
жет привести к повреждению фиксатора, а зонд не войдет в УКТ.
2. Нажать кнопку »ВЫКЛ» блока СИП-1 М.
3. Извлечь зонд из включенных результатов.
Все полученные данные значений плотности и влажности по-
род обрабатывают статистически. Обработка экспериментальных
данных ведется для каждого инженерно-геологического элемен-
та в соответствии с ГОСТом 20522-75. В случае недостаточного
количества определений, необходимого для получения предста-
вительной выборки, можно использовать данные других бригад,
полученные для этого же разреза.
На основании значений плотности и влажности рассчитывают
плотность скелета грунта, весовую влажность, пористость, коэф-
фициент пористости, относительную влажность. Полученные дан-
ные позволяют построить инженерно-геологическую колонку.
4.3. Методы изучения деформационных и прочностных
свойств пород
Изучение прочностных и деформационных свойств пород про-
изводится в пределах каждого инженерно-геологического элемента.
Для этого используется ряд полевых методов, позволяющих пря-
мым путем определить модуль деформации, угол внутреннего
трения и сцепления пород. Наибольшее распространение полу-
чили методы: статических нагрузок; прессиометрический; одно-
плоскостного среза на крупногабаритных установках; вращатель-
ного среза. В комплексе с перечисленными методами успешно
применяется сейсмический, позволяющий находить динамичес-
кий модуль деформации и давать оценку деформационным свой-
ствам массивов пород на основании корреляционных зависимо-
стей между статическим и динамическим модулями деформации.
В соответствии с требованиями СНиП 1.02.07-87 определять
прочностные и деформационные свойства грунтов методами ис-
пытания их штампом, прессиометром, среза целиков и враща-
тельным срезом для зданий и сооружений I и, как правило, П
классов ответственности необходимо всегда в тех случаях, когда
247
в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической
средой залегают неоднородные, тонкослоистые, текучие глинис
тые, водонасыщенные песчаные, искусственные, техногенные и
т.п. грунты.
Задача 17
ИЗУЧЕНИЕ СЖИМАЕМОСТИ ГРУНТОВ МЕТОДОМ
СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
Песчаные и глинистые грунты уплотняются под действием
приложенной к ним статической нагрузки. Количественной ха-
рактеристикой сжимаемости грунтов является модуль общей де-
формации Ео (МПа), или модуль деформации.
Деформация грунтов слагается из упругой деформации, вос-
станавливающейся после снятия нагрузки, и остаточной. Послед-
няя, как правило, преобладает. При проектировании сооруже-
ний в качестве расчетных показателей чаще всего используют
данные модуля деформации, получаемого с помощью штампа
при полевых испытаниях статистическими нагрузками в шурфах
и скважинах. Испытания грунтов статическими нагрузками по-
зволяют определять для просадочных грунтов относительную про-
садочность и начальное просадочное давление лёссов, а для на-
бухающих — набухание под нагрузками и давление набухания.
Для испытаний в шурфах, котлованах, шахтах, штольнях при-
меняют стандартные круглые штампы площадью 2500, 5000 и
10000 см2; для испытаний в скважинах — круглый в плане штамп
площадью 600 см2.
Для создания давления на штамп существуют различные кон-
струкции установок. В задаче используется устройство для полево-
го испытания грунтов статическими нагрузками в скважинах штам-
пом площадью 600 см2 — УДПШ-600 конструкции УралТИСИЗа.
Описание установки
Устройство для определения деформационных свойств грунта
(рис. 4.26) состоит из упорной балки 1, двух анкерных свай 2 с
винтовыми домкратами 3, пневмокамерного цилиндра 4, пред-
назначенного для создания давления на штамп 5, резиновой ка-
меры 6, выполненной в виде торойда.
Эластичная камера 6 и пневмокамерный цилиндр 4 соедине-
ны с баллоном 7 магистралью давления 8 при помощи штуцера 9
через редуктор 10. Манометры 11 и 12 контролируют давление
соответственно в баллоне и эластичной камере. Для измерения
деформации используются два анкера 13, которые служат опорой
248
Рис. 4.26. Установка УДПШ-600
для реперного кронштейна 14. Кронштейн 15 с прогибомерами
16 закрепляется на колонне трубы болтом.
Диаметр скважины, мм — 350
Наименьшая предельная нагрузка на грунт, МПа — 0,01-0,025
Наибольшая предельная нагрузка на грунт, МПа — 0,6
Площадь штампа, см2 — 600
Максимальная глубина испытания, м — 20
В точке испытания устанавливается станок УГБ-50М, с помо-
щью которого завинчиваются две анкерные сваи на глубину 1,6 м
на расстоянии 1,2 м друг от друга. Затем бурится скважина. После
проходки скважины устанавливают колонну труб 17со штампом 5.
Для достижения плотного контакта подошвы штампа с грунтом
необходимо произвести не менее двух поворотов штампа вокруг
его вертикальной оси, меняя направление поворота. Затем мон-
тируют упорную балку / на анкерные сваи 2, которая фиксиру-
ется с помощью винтовых домкратов 3. Забивают в грунт два
малых анкера 13 на расстоянии 1,2 м друг от друга, которые яв-
ляются опорой для реперного кронштейна 14. Анкеры 13 забива-
ют в грунт на глубину, обеспечивающую неподвижность репер-
ной системы 0,5—0,7 м. Кронштейн 15 с прогибомерами 16 за-
крепляют на колонне труб болтом. После чего пневмокамерный
цилиндр 4 устанавливают на торцевую часть трубы 17 и выбира-
ют зазор, образованный между цилиндром 4 и стойкой 18 с по-
мощью винта 19. Прогибомеры 16 соединяются с реперным крон-
штейном 14 стальной проволокой диаметром 0,30—0,5 мм. При-
менение двух прогибомеров позволит учесть возможный перекос
штампа в случае неравномерности осадки грунта. Использование
третьего прогибомера позволяет контролировать неподвижность
реперной системы. Кроме того, необходимы буровая установка
или ручной бур для проходки опытной скважины диаметром
325 мм, специальный зачистной нож — для зачистки забоя сква-
жины и обсадные трубы.
Параллельно производится определение физико-механических
свойств изучаемого грунта либо в полевой лаборатории Литвинова,
либо в стационарной лаборатории на компрессионных приборах.
Подготовка и проведение испытаний
Выбор места проведения испытаний грунтов штампом произ-
водится на основании предварительных изысканий и определе-
ния физико-механических свойств изучаемых грунтов. Места ис-
пытаний и их глубины устанавливают с учетом предлагаемой
ширины фундаментов и глубины их заложения. Испытаниям под-
250
вергают все основные несущие слои грунтов. Если в пределах
активной зоны залегает один мощный однородный слой, то ис-
пытания проводят на одном горизонте (глубине), примерно со-
ответствующем отметке заложения основных фундаментов. При
неоднородном основании, сложенном несколькими слоями, со-
стоящими из грунтов с различными свойствами, испытывают все
слои. Мощность испытываемого слоя должна быть не менее двух
диаметров штампа. При наличии более тонких слоев или их чере-
довании могут быть получены только средние значения показа-
телей деформируемости для нескольких слоев.
Работа начинается с планировки площадки вокруг точки ис-
пытания.
До проходки опытной скважины рядом с ней должна быть
пробурена скважина для уточнения геологического разреза и по-
ложения уровня грунтовых вод в данном районе. Глубина ее дол-
жна превышать глубину установки штампа на 2,0 м для того что-
бы оценить степень исследуемой толщи.
После закрепления положения опытной скважины на месте
производится ее проходка буровым станком или ручным буром
диаметром не менее 325 мм. Скважина обсаживается трубами. Бу-
рение ведется с таким расчетом, чтобы башмак обсадной трубы
остановился на 5 см выше проектной отметки испытания. Если
испытания проводятся во влажном песке или водонасыщенных
связных грунтах, зачистка ведется специальным ножом, после
чего на забой опускается штамп. Зачищенный забой скважины
должен представлять собой строго горизонтальную площадку.
Одновременно с зачисткой или до нее с забоя скважины бе-
рутся образцы для определения физико-механических показате-
лей грунта (Pd, р, и>), а также отбирается монолит для определе-
ния сжимаемости грунта в лабораторных условиях, после этого
ведется монтаж установки. При испытаниях в водонасыщенных
связных грунтах, а также при затруднениях в планировке грунта
на забой скважины насыпается слой 3—5 мм сухого мелко- или
среднезернистого песка, на который устанавливается штамп. На-
значение песчаной присыпки -г дренаж отжимаемой воды. Штамп
должен быть установлен в нише башмака трубы.
Перед началом испытания записывают в журнал начальные
отсчеты с прогибомеров.
Нагрузка на грунт производится ступенями от 0,025 до 0,05—
0,1 МПа в зависимости от показателя консистенции для глинис-
тых грунтов и плотности для песчаных грунтов.
Общее количество ступеней после давления, соответствующего
природному Ps на отметке испытания, должно быть не менее
четырех. В ходе испытания для каждой ступени нагрузки должен
строиться график осадки во времени (рис. 4.27). Отсчеты после
251
приложения нагрузки каждой очередной ступени берутся при
испытании песчаных грунтов через каждые 10 мин в течение пер-
вого получаса и через каждые 15 мин в течение второго получаса
и далее через 30 мин до условной стабилизации осадки; и при
испытании глинистых грунтов — через каждые 15 мин в течение
первого часа и 30 мин — в течение второго часа, и далее через
I ч до условной стабилизации осадки.
За условную стабилизацию принимают приращение осадки
штампа, не превышающее 0,1 мм за время от 0,5 до 3 ч в зависи-
мости от плотности для песчаных грунтов и показателя консис-
тенции для глинистых грунтов (ГОСТ 12374-77).
Время выдержки каждой последующей ступени давления долж-
но быть не менее времени выдержки предыдущей ступени. По
мере увеличения давления на грунт увеличивается его осадка.
Вначале осадка развивается пропорционально прилагаемой на-
грузке, но в какой-то момент она может резко увеличиться при
незначительном возрастании нагрузки. Давление, при котором
происходит подобное явление, называют предельным (критичес-
ким), признаками которого являются:
1) выпирание грунтов из-под штампа и образования вокруг
него трещин (в случае испытания в шурфе);
2) резкое увеличение осадки при незначительном увеличении
нагрузки;
3) длительная (в течение 24 ч), не затухающая осадка.
На графике «нагрузка-осадка» (рис. 4.28) этот момент отме-
чается перегибом кривой. При достижении критического давле-
ния Ркр испытание прекращается.
Рис. 4.27. Зависимость осадки под
штампом во времени
Рис. 4.28. Зависимость осадки под штам-
пом от величины давления
252
После окончания опыта производят разгрузку штампа, кото-
рая ведется ступенями вдвое большими, нежели нагрузка. После
каждой ступени разгрузки в течение 1 ч ведутся наблюдения за
деформациями грунтов. Отсчеты берутся через 30 мин. После сня-
тия всей нагрузки эти наблюдения ведутся в течение 3 ч.
После окончания опыта из-под штампа вновь берется проба
грунта на влажность и плотность: выработка углубляется ниже
испытания на глубину не менее 2 м штампа для проверки одно-
родности грунта. В ходе опыта ведется следующая документация:
1) вычерчивается геологический разрез скважины с условным
обозначением местоположения штампа; 2) ведется журнал про-
ведения опыта; 3) составляются графики зависимости осадки от
времени и осадки от нагрузки (см. рис. 4.27 и 4.28); 4) составля-
ется схема проведения опыта или прикладывается фотоснимок
смонтированной установки с обозначением отдельных узлов.
Обработка результатов измерений
Модуль деформации Ео определяется контангенсом угла на-
клона линии S=F(P).
Если ступени нагрузок назначены правильно и испытание
проведено правильно, то огибающая, проведенная по точкам
графика S=S(P), на его начальном участке имеет вид прямой
или близкой к прямой линии (см. рис. 4.28).
За начало прямолинейного участка принимают значение удель-
ной нагрузки Ро, равное природному давлению Ps в данной точке
и соответствующее ему значение осадки 50. За конечные значе-
ния Р„ и S„ принимаются значения Р, и Sb соответствующие кон-
цу прямолинейного участка графика (см. рис. 4.28). Если при дав-
лении Р/ приращение осадки будет вдвое больше, чем для пре-
дыдущей ступени давления а при последующей ступени
давления Pi+l приращение будет равно или больше приращения
осадки при Рь за конечные значения Рп и S„ следует принимать
?,_] и 5,_]. При этом количество включаемых в осреднение точек
должно быть не менее трех.
Для прямолинейного участка проводят осредняющую прямую
методом наименьших квадратов или графически. Количество
опытных точек для построения осредняющей прямой должно быть
не менее четырех.
Построенная таким образом осредняющая прямая использует-
ся для вычисления численного значения модуля деформации Ео
^=(l-p2)w dP/S,
где Р = Рп — Ро — приращение удельной ступени нагрузки на
штамп между Рп и Ро = Ps, МПа ; 5 — приращение осадки штампа,
253
соответствующее Р, см; ц. — коэффициент Пуассона (табл. 17.1);
со — безразмерный коэффициент, равный 0,8; d — диаметр
штампа, см.
Задача 18
ИЗУЧЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ
ГРУНТОВ ПРЕССИОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Метод прессиометрии используется для определения дефор-
мационных и в некоторых случаях прочностных свойств скаль-
ных, полускальных и песчано-глинистых грунтов. Преимущества
прессиометрических испытаний заключаются в том, что:
1) с их помощью можно изучать деформационные свойства
практически любых грунтов: от скальных до дисперсных;
2) испытания проводятся в скважинах на глубинах до 50 м;
3) возможно проводить определение модуля деформации в
любом направлении, что определяется расположением про-
буренной скважины;
4) относится к категории экспресс-методов, так как продол-
жительность одного эксперимента обычно не превышает в
среднем 30 мин.
Суть прессиометрического метода состоит в изучении дефор-
мирования горных пород в скважинах с помощью эластичного
или жесткого цилиндрического штампа.
Первые попытки применения этого метода относятся к трид-
цатым годам текущего столетия и принадлежат русскому специ-
алисту А.А. Ктаторову (1930). Широкое распространение метод
получил начиная с шестидеся-
тых годов, когда Луи-Менаром
(1957) была разработана уста-
новка для испытания механичес-
ких свойств пород в скважинах,
которую он назвал прессиомет-
ром. В дальнейшем в СССР были
созданы следующие прессиомет-
ры: ПС-1 конструкции ГПИфун-
даментпроекта, прессиометр
ВСЕГИНГЕО-СКБ Министер-
ства геологии (ИГП-21), конст-
рукции НИИоснований (Д-76),
ПЭВ-89 Уральского политехнического института и другие, а так-
же механические лопастные прессиометры (ЛПМ-14, ЛПМ-15)
Рязанской экспериментальной базы ПНИИИСа.
Таблица 17.1
Значения коэффициента Пуассона
для различных литологических
разностей грунтов
Грунт Коэффициент Пуассона
Песок 0,30
Супесь 0,32
Суглинок 0,35
Глина 0,42
254
Прессиометрические испытания можно применять для оцен-
ки деформационных свойств изотропных пород, мощность кото-
рых превышает длину камер прессиометра. При резкой анизот-
ропии свойств по мощности или по простиранию нужно распо-
лагать количественными характеристиками анизотропии.
Теоретические основы метода
В основу теоретического обоснования прессиометрического ме-
тода положены общепринятые представления о деформировании
грунтов под штампом. При увеличении давления, которое оказыва-
ет прессиометр на стенки скважины, горная порода проходит сле-
дующие стадии деформирования: 1) уплотнения; 2) локальных сдви-
гов; 3) разрушения. Для упрощения расчетных схем условно прини-
мают, что грунт проходит две стадии деформирования: уплотнения,
характеризующуюся линейной зависимостью деформаций от на-
пряжений; разрушения, с фазами локальных сдвигов и криволи-
нейной зависимостью между деформациями и напряжениями.
Для определения модуля деформации используется решение
Лямэ для толстостенной бесконечно длинной равномерно загру-
женной изнутри трубы. При этом полагают, что внутренний ра-
диус трубы г равен радиусу скважины, а внешний радиус трубы
R соответствует зоне влияния прессиометра в массиве. Переме-
щение в радиальном направлении точки, лежащей на внутрен-
ней поверхности трубы, для условия Я -> <», при котором на
внешней поверхности трубы давление становится равным нулю,
определяется выражением
и=Ц^-г-Р, (18.1)
где Р — давление на внутренней поверхности трубы, МПа; г —
внутренний радиус трубы, см; Е — модуль упругости, МПа; v —
коэффициент Пуассона.
Отсюда применительно к прессиометрическим испытаниям
можно записать выражение для определения модуля деформации:
F = (l+v)d-^-, (18.2)
где d— начальный диаметр скважины, см, равный диаметру прес-
сиометра плюс перемещение оболочки или лопастей до упора в
стенку скважины и перемещение за счет обжатия неровностей;
АР — приращение давления на участке пропорциональности на-
пряжений и деформаций; At/ — приращение деформаций на том
же участке.
255
Эта формула является основной для определения модуля де
формации пород прессиометрическим методом (ГОСТ 2076-74).
Теоретическое решение предполагает, что в полупространстве
происходит расширение бесконечно длинной трубы. Однако опус
каемый в скважину прессиометр имеет конечные размеры, что
приводит к возникновению концентрации напряжений в краевых
частях интервала приложения нагрузки (рис. 4.29). Поэтому прес
сиометры, как правило, имеют три камеры — рабочую и две вспо
могательные, что обеспечивает симметрию и однородность ци-
линдрического поля напряжений, возникающего вокруг рабочей
камеры. В процессе испытаний во всех трех камерах создается оди-
наковое давление, но о деформациях пород судят по изменению
объема только рабочей камеры, так как в этом случае деформации
в наибольшей степени отвечают теоретическому решению.
Приборы для прессиометрических испытаний
По способу передачи давления на стенки скважины прессиомет-
ры делятся на три группы:
1) гидравлические, в которых давление на грунт создается с
помощью жидкости (воды или масла) — прессиометры
ПС-1, Д-76;
2) пневматические, где давление на
грунт передается с помощью
сжатого газа (прессиометры
ИГП-21, ПЭВ-89);
3) механические, с помощью ко-
торых давление на грунт пере-
дается раздвигающимися лопо-
стями (прессиометры ЛПМ-14,
ЛПМ-14С, ЛПМ-15А).
В гидравлических прессиометрах
деформация грунта фиксируется по
изменению объема рабочей камеры
прибора. В пневматических прессио-
метрах замеряют радиальные пере-
мещения стенок скважины элект-
Рис. 4.29. Распределение радиальных напря-
жений в массиве пород вокруг камер прес-
сиометра:
1 — рабочая камера; 2 — вспомогательные каме-
ры; 3 — изолинии и величина радиальных напря-
жений
256
Таблица 18.1
Техническая характеристика прессиометров Д-76, ПЭВ-89 и ЛПМ-15
Показатели Д-76 ПЭВ-89 ЛПМ-15
Максимальная глубина опробования, м 20 25 15
Максимальное давление на грунт, МПа Максимальное радиаль- 2,5 1 0,5
ное перемещение сте- нок скважины, мм 40 80 30
Точность измерения де- формаций, мм 0,01 0,01' 0,1
Диаметр зондов или ши- рина штампов, мм 76 и 108 80 100
Длина зондов или штам- пов, мм 460 600 300
Количество штампов, шт. — — 2
рическими деформометрами в цент-
ральной части рабочей камеры, что
исключает искажающее влияние тор-
цевого эффекта. При использовании
механического прессиометра дефор-
мации измеряются прогибомерами
или мессурами (рис. 4.30).
В табл. 18.1 дается техническая ха-
рактеристика прессиометров, наибо-
лее часто применяемых в практике
инженерно-геологических иссле-
дований.
Приведенные в табл. 18.1 прибо-
ры могут быть использованы для оп-
робования песчано-глинистых по-
род. Для изучения деформационных
свойств скальных и полускальных
пород необходимы прессиометры,
позволяющие создавать большие
давления (до 5 МПа).
Рис. 4.30. Принципиальная схема гидравличес-
кого прессиометра:
1 — баллон со сжатым газом; 2 — редуктор; 3 —
манометр; 4 — водомерный цилиндр; 5 — кран-трой-
ник; 6 — бак для воды; 7 — шланги; 8 — рабочая
камера; 9 — вспомогательные камеры
257
Некоторые конструкции механических лопастных прессиомет-
ров позволяют определять не только деформационные, но и проч-
ностные характеристики песчано-глинистых пород (прессиометр-
сдвигомер ЛПМ-14С). В таких прессиометрах распорные штампы
имеют специальные грунтозацепы, а сам прессиометр дополни-
тельно оснащается сдвиговым устройством гидравлического прин-
ципа действия (домкратом).
Состав, устройство и принцип работы прессиометров приво-
дится в соответствующих технических описаниях.
Проведение испытаний
Деформационные свойства скальных и полускальных пород
изучаются гидравлическими и пневматическими прессиометра-
ми. Деформационные свойства песчано-глинистых пород могут
быть изучены как с помощью гидравлических или пневматичес-
ких, так и механических лопастных прессиометров.
Для проведения испытаний в песчано-глинистых породах бу-
рятся скважины на заданную глубину строго вертикально руч-
ным или механическим способом. Бурение следует вести в су-
хую, сохраняя естественную влажность пород, и на малых оборо-
тах, так как порода в стенках скважины должна быть как можно
меньше нарушена в процессе бурения. Интервалы, намеченные
для опробования, рекомендуется проходить обуривающим или
забивным грунтоносом. Превышение диаметра скважины над
диаметром зонда прессиометра не должно быть больше 10—15 мм.
Разрыв во времени между окончанием проходки скважины и
началом опытов допустим не более 1—2 ч при испытании грун-
тов, залегающих выше уровня подземных вод, и Имин при ис-
пытаниях под водой. В водонасыщенных породах проходка сква-
жины проводится с обсадкой трубами с внутренним диаметром
на 5—10 мм больше диаметра камеры прессиометра. Для проведе-
ния испытания в скважину, обсаженную трубами, опускают ка-
меру или рабочий наконечник прессиометра, а обсадные трубы
поднимают на высоту, равную длине камеры или распорного
штампа прессиометра.
Минимальная мощность слоя, который может быть опробо-
ван, должна быть не менее 1,5 длины зонда прессиометра. В зави-
симости от сложности разреза проводят испытания каждой лито-
логической разности пород или в случае однородной толщи че-
рез определенные интервалы по глубине: в плотных глинистых
породах через 1,0—1,5 м, в пластичных — через 1,5—2,5 м. Буре-
ние скважин сопровождается отбором образцов для определения
объемной массы, влажности и т.п.
258
Для проведения испытаний в скальных породах скважины бу-
рятся как с поверхности, так и из подземных горных выработок,
при этом они могут быть как вертикальными, так и пробуренны-
ми в любом направлении. Последнее позволяет изучать деформа-
ционные свойства скальных пород в интересующем исследовате-
ля направлении, перпендикулярном пробуренной скважине.
Монтаж прессиометра и тарировка (если последняя необхо-
дима) зонда проводятся в соответствии с инструкцией по эксп-
луатации установки.
Прессиометрические испытания состоят в приложении опре-
деленных нагрузок и измерении вызванных ими деформаций.
При изучении деформационных свойств пород давление по-
вышают ступенями. Величина ступени нагружения зависит от
свойств исследуемых пород и приводится в табл. 18.2.
В гидравлических прессиометрах при определении величины
давления на стенку скважины независимо от обводненности не-
обходимо к давлению, измеряемому по манометру, добавить гид-
ростатическое давление столба жидкости в гидромагистрали прес-
сиометра. Высота столба жидкости равна расстоянию от середины
рабочей камеры зонда до уровня жидкости в водомерной трубке,
где установлен манометр. В механических лопастных прессиомет-
рах давление на породу создается с помощью нагрузочного уст-
ройства рычажного принципа действия аналогично тому, как это
осуществляется в компрессионных или сдвиговых приборах.
Время приложения следующей ступени нагрузки определяют
по затуханию деформаций породы от предыдущей ступени на-
гружения. На каждой ступени нагружения добиваются стабили-
зации деформации горной породы. Условной стабилизации отве-
чает момент времени, соответствующий резкому снижению при-
ращений деформаций, после которого их величина равномерно
и слабо уменьшается.
Условная стабилизация считается достигнутой, если радиаль-
ные перемещения стенки скважины за 1 ч не превышают 1 мм.
Практически это означает, что в среднем за 6 мин деформации
Таблица 18.2
Величина ступени давления нри прессиометрических испытаниях грунтов
Грунт Характеристика грунта Величина ступени давления, МПа
Песчаный плотный 0,1
средней плотности 0,05
рыхлый 0,025
Глинистый показатель I < 0,5 0,05
консистенция I > 0,5 0,025
259
не должны превышать 0,1 мм. Поэтому деформации замеряют через
каждые 2—8 мин, в зависимости от свойств изучаемых пород и
конструкции прибора. Обычно время стабилизации на каждой
ступени нагружения составляет от 10—15 до 30—40 мин, реже до
1—2 ч. Следующую ступень нагрузки задают после достижения
стабилизации деформаций.
Изучение деформационных свойств песчано-глинистых пород
Определение деформационных свойств песчано-глинистых
пород четвертичного возраста аллювиального или ледникового
происхождения на учебной практике осуществляется лопастным
механическим прессиометром ЛПМ-15 (рис. 4.31). Техническая
характеристика этого прессиометра приведена в табл. 18.1.
Лопастной механический прессиометр ЛПМ-15 состоит из
рабочего наконечника двутавровой формы, оснащенного двумя
прямоугольными распорными штампами (100 мм • 300 мм), на-
бора наружных бурильных труб с внутренними штангами, нагру-
зочного устройства рычажного принципа действия и контрольно-
измерительных приспособлений. Нагрузка осуществляется уклад-
кой тарированных грузов (гирь) на подвеску нагрузочного
устройства, имеющего передаточное число (30). От нагрузочного
устройства через внутренние штанги усилие передается на штам-
пы и с помощью них на горную породу в скважине. Перемеще-
ние штампов и, следовательно,
деформацию горной породы
измеряют по перемещению
внутренних штанг с помощью
мессуры часового типа. Пере-
даточное число при измерении
деформаций равно 1.
Для проведения испытаний
рабочий наконечник прессио-
Рис. 4.31. Лопастной механический
прессиометр ЛПМ-15:
1 — корпус нагрузочного устройства; 2 —
секторные рычаги; 3 — тросики; 4 — под-
вески с размещенными на них тарирован-
ными грузами; 5 — шестерни внутри корпу-
са нагрузочного устройства; 6 — силовая рей-
ка; 7 — кронштейн для установки измерителя
деформаций; 8 — мессура; 9 — наружные
бурильные трубы; 10 — внутренние штанги;
11 — корпус рабочего наконечника с меха-
низмом передачи давления на штампы; 12 —
подвижные распорные штампы
260
метра погружается в скважину на необходимую глубину. При этом
следует обратить внимание на положение распорных штампов.
Они должны раздвигаться в том направлении, в каком необхо-
димо определить деформационные свойства пород, например,
перпендикулярно или параллелельно речной долине, вдоль или
поперек слоистости и т.п. Чтобы исключить самопроизвольное
раскрытие штампов при погружении в скважину, их фиксируют,
а после установки на нужной глубине освобождают.
После установки нагрузочного устройства и измерительной
аппаратуры приступают к проведению испытаний. Нагрузка с
помощью гирь прикладывается ступенями по 0,03 МПа. Обычно
прессиометрические испытания включают 5—6 ступеней нагруз-
ки. Деформации измеряются по перемещению внутренних штанг,
связанных со штампами, с помощью мессуры через каждые 3 мин.
Стабилизация деформаций считается достигнутой, если в тече-
ние трех минут деформация не превысит величины 0,1 мм.
После окончания опыта рабочий наконечник прессиометра
может быть перемещен на другую глубину в той же скважине или
помещен в следующую скважину, и эксперимент повторяется в
той же последовательности. Результаты наблюдений за временем,
нагрузками и деформациями обязательно заносятся в журнал.
Обработка результатов испытаний
Результаты прессиометрических испытаний фиксируются в
журнале, который должен содержать сведения:
1) о выработке (номер, абсолютная отметка, глубина, гео-
морфологическая привязка, описание пород и т.п.);
2) о ходе загрузки рабочей камеры или штампов во времени;
3) об изменении объема рабочей жидкости, радиуса рабочей
камеры в пневматических прессиометрах или глубины вдав-
ливания штампа в механических.
Например, при изучении деформационных свойств песчано-
глинистых пород лопастным механическим прессиометром дан-
ные замеров следует вносить в журнал (табл. 18.3).
По результатам прессиометрических испытаний подсчитыва-
ются приращения давления АР и соответствующие им прираще-
ния деформаций А(/ и строится график зависимости деформаций
стенок скважины U от приложенного с помощью прессиометра
давления Р(рис. 4.32). В общем случае график включает следую-
щие участки: ОА — расширение оболочки зонда или продвиже-
ние лопастей штампа до прилегания к стенкам скважины; АВ —
прилегание оболочки или лопастей к стенке и обмятие ее поверх-
ности; ВС — участок линейной деформации пород; СД — учас-
ток разрушения.
261
Таблица 18.3
Форма записи результатов прессиометрических испытаний
ЖУРНАЛ полевых испытаний пород методом прессиометрии Организация: МГУ, геологический ф-т, Звенигородская практика Курс, группа, бригада Геоморфологическая привязка: поверхность первой надпойменной тер- расы Характеристика испытуемого грунта: супесь тяжелая, светло-коричневая, с включением гальки Скважина № 1, диаметр 200 мм, глубина 10 м Глубина проведения эксперимента: от 5 м 70 см до 6 м Конструкция механического прессиометра: распорные штампы: количество — 2; высота — 30 см; ширина — 10 см; площадь — 300 см устройство для создания и измерения нормального давления: рычаж- ного типа с гирями приборы для измерения деформаций: часового типа Дата и время испытаний: год, число, месяц; начало — 10 ч. 30 м., окон- чание — 11 Ч. 15 м.
Номер опыта Номер ступени Время замеров Интервал времени, м. Нормальное давление Р, МПа Приращение давления ДР, МПа Показание мессуры U, мм Приращение деформации Д£/, мм
начало конец
1 1 ’ 10 ч 30 м. 10 ч 33 м. 3 0,03 0,03 0,00 0,85
Модуль деформации пород определяется по прямолинейному
участку графика (рис. 4.32) по формуле (18.2). Однако в случае
применения лопастного механического прессиометра условия
нагружения отличаются от принимаемых при построении теоре-
тического решения, так как рас-
порные штампы имеют не толь-
ко ограниченные размеры по
длине, но и деформируют стен-
ки скважины не по всей окруж-
ности. Поэтому при расчете мо-
Рис. 4.32. Зависимость между давлени-
ем в рабочей камере или нормальным
давлением, передаваемым на породу
раздвижными штампами, Р (МПа) и
радиальным перемещением U (см) сте-
нок скважины
262
дуля деформации используется формула несколько отличная от
(18.2), которая применяется при штамповых испытаниях и учи-
тывает несовпадение расчетной модели с реальными условиями
нагружения.
Е = k(\-v2) ab^-, (18.3)
А(/
где к — коэффициент анизотропии породы, принимаемый рав-
ным 1; со — коэффициент, зависящий от формы штампа, и для
случая прямоугольных штампов, принимаемый равным 1,53; b —
ширина лопасти, равная 10 см; v — коэффициент Пуассона, при-
нимаемый для песков и супесей равным 0,30, для суглинков —
0,35 и для глин — 0,42.
Приращение давления АР и соответствующее ему прираще-
ние деформации АС/ определяются по прямолинейному участку
ВС графика (см. рис. 4.32).
Определение прочностных свойств песчано-глинистых пород
Если прессиометрические испытания доведены до полного
разрушения породы, т.е. максимальная нагрузка соответствует
пределу несущей способности, что возможно при испытании
песчано-глинистых пород, то для них могут быть определены и
прочностные свойства. Показатели прочностных свойств грун-
тов — угол внутреннего трения и сцепление определяются по
формулам и графически.
При испытании пород на глубине, при которой не сказывает-
ся влияние поверхности на характере поля напряжений вокруг
прессиометра (в глинистых грунтах критическая глубина по дан-
ным экспериментальных исследований составляет примерно 5 м),
используются формулы:
<р + ctg<p = -77- + 0,5 ,
(18.4)
(18.5)
-^-1 ^nptg<P,
С -
где Рп — природное давление, МПа; Ре — предел пропорцио-
нальности, МПа; Рпр — предел прочности, МПа; <р — угол внут-
реннего трения, радиан.
Природное давление рассчитывается по формуле
Рп = 0,1рА£,
(18.6)
263
где р — плотность пород, т/м; Л — глубина проведения опыта, м;
£ — коэффициент бокового давления
(18.7)
где v — коэффициент Пуассона.
Существует графический метод определения прочностных
свойств грунтов, предложенный Ю.Г. Трофименковым. Для оп
ределения сцепления и угла внутреннего трения на графике
(рис. 4.33) зависимости между давлением на грунт в стенке сква-
жины Р и радиальным перемещением грунта Uиспользуется учас -
ток разрушения СД. Методика построения кругов Мора по гра-
фику прессиометрических испытаний с целью определения проч-
ностных показателей легко устанавливается по рис. 4.33.
Если при испытаниях пород используется прессиометр-сдви-
гомер, то прочностные характеристики определяются прямым
способом. Для этого распорными штампами рабочего наконеч-
ника с грунтозацепами создается нужное нормальное давление
на грунт. С помощью гидравлического домкрата создают ступен-
чато возрастающее сдвигающее усилие, которое осуществляет срез
грунта в скважине.
В соответствии с ГОСТ 20522-75 число определений модуля
деформации для получения надежных результатов должно быть
не менее 6. За нормативное зна-
чение модуля деформации при-
нимают среднее арифметическое
результатов частных определе-
ний. Расчетные значения полу-
чают делением нормативной ха-
рактеристики на коэффициент
безопасности по грунту. Для мо-
дуля деформации допускается
расчетное значение принимать
равным нормативному.
Рис. 4.33. Построение кругов Мора по
графику прессиометрических испытаний
с целью определения показателей проч-
ностных свойств
264
Задача 19
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ НА СДВИГ
Полевые испытания на сдвиг (срез) осуществляются в соот-
ветствии с ГОСТом 23741-79, который регламентирует общие
требования к аппаратуре, порядок подготовки и проведения ис-
пытаний, а также методику обработки полученных результатов.
Отсутствие серийно выпускаемого оборудования для определе-
ния показателей прочности дисперсных грунтов в горных выра-
ботках способствовало тому, что в различных изыскательских
организациях, имеющих производственные мощности, таких как
ПНИИИС, УралТИСИЗ и другие, разрабатывались и изготовля-
лись собственные установки. Несмотря на возможные конструк-
тивные различия, все они состоят из следующих основных узлов:
1) колец с внутренним диаметром 0 = 400 мм и высотой
Н— 220 мм;
2) жестких штампов с площадью, соответствующей диаметру
кольца;
3) устройств для создания нормальной и касательной нагрузок;
4) измерительной системы для определения величин нагру-
зок и деформаций сжатия и среза целика грунта.
Кроме того, все конструкции установок должны обеспечивать
возможность передачи нормальной нагрузки в центре штампа по
оси целика грунта; и передачи касательной нагрузки в плоскос-
ти, перпендикулярной к приложению нормальной нагрузки; при
этом касательная нагрузка должна быть приложена в плоскости
среза или выше ее на расстоянии не более 30 мм.
В настоящее время на практике для изучения прочности грун-
тов на сдвиг используется установка СУ-2, разработанная в Ураль-
ском тресте инженерно-строительных изысканий (УралТИСИЗе).
Сущность метода
Среди методов изучения прочности дисперсных грунтов как в
лаборатории, так и в полевых условиях наибольшее распростра-
нение получили испытания на срез (сдвиг). Под сопротивлением
сдвигу понимают способность грунта противодействовать сме-
щению одной его части (грунтового массива, целика породы,
образца) по отношению к другой его части под действием посте-
пенно возрастающей сдвигающей нагрузки. Согласно теории
Мора-Кулона, разрушение путем сдвига происходит при опреде-
ленном соотношении касательного (т) и нормального (о) напря-
жений, действующих на одной площадке. При этом предельное
265
состояние тел описывается зависимостью x=/(s), называемой
диаграммой сдвига или предельной огибающей Мора. Обычно
диаграмма сдвига имеет криволинейный характер, однако для
практических целей она может быть аппроксимирована прямой
линией, которая описывается уравнением Кулона:
т =о х tg <р + С. (19.1)
Входящие в уравнение показатели — угол внутреннего тре
ния <р (tg<p — коэффициент внутреннего трения) и сцепление
С — являются показателями сопротивления сдвигу, а их значе
ния характеризуют прочность тел. Именно определение величин
угла внутреннего трения и сцепления — основная цель испыта
ний грунтов на срез в горных выработках.
Задачи, решаемые методом
Согласно инструкции по инженерным изысканиям для про -
мышленного строительства (СН 225-79), испытания на срез, как
правило, проводят в двух—трех точках под каждое основное зда-
ние и сооружение либо группу зданий и сооружений в зависимо -
сти от сложности инженерно-геологических условий. При этом
могут быть определены показатели прочности практически для
всех типов дисперсных грунтов, позволяющих вырезать целик
ненарушенного сложения и не склонных к выдавливанию в про-
цессе испытаний в зазор между кольцом и поверхностью выра-
ботки. Однако наибольшая эффективность достигается при изу-
чении неоднородных, крупнообломочных, трещиноватых и сла-
бых грунтов, из которых невозможно отобрать монолиты для
лабораторных определений сопротивления грунтов срезу. Прове-
дение испытаний без нарушения естественного сложения и влаж-
ности породы непосредственно на месте возведения проектируе-
мого сооружения существенно повышает достоверность получае-
мых значений ф и С по сравнению с результатами лабораторных
определений. Кроме того, возможность учета строения и состоя-
ния грунта в массиве позволяет ориентировать плоскость сдвига
по контакту двух слоев, по направлению преобладающего разви-
тия трещин, по ослабленным прослоям грунта и т.п. Наконец,
немаловажен и тот факт, что полевые приборы дают возмож-
ность проведения испытаний на образцах в десятки раз больших
размеров, чем те, которые испытываются в лаборатории. В целом
названные особенности обеспечивают существенные преимуще-
ства полевых методов определения показателей прочности пород
на сдвиг по сравнению с лабораторными исследованиями.
266
Аппаратура
Сдвиговая установка СУ-2 предназначена для проведения по-
левых испытаний на срез с целью определения прочностных ха-
рактеристик грунтов. Она относится к группе устройств, которые
располагаются на поверхности горной выработки и осуществля-
ют сдвиг внутри монолита, отделенного от массива, в отличие от
тех, которые с помощью анкеров либо распорных узлов закреп-
ляются в шурфе и позволяют производить сдвиг без отделения
испытуемого грунта от забоя выработки.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
1) максимальное нормальное и касательное давление, МПа.... 0,5
2) минимальное нормальное давление, МПа............ 0,025
3) минимальное касательное давление, МПа..............0,01
4) система создания нормального и касательного давления
пневматическая............................................
5) площадь пневмоцилиндра, м2......................0,0551
6) ход штока пневмоцилиндра, мм....................... 50
7) диаметр целика грунта (обоймы), мм................ 400
8) высота целика грунта (обоймы), мм................. 220
9) точность регистрации деформаций, мм............... 0,1
10) габаритные размеры, мм
— длина...........................................1350
— ширина...........................................522
- высота в рабочем положении......................1085
- масса, кг....................................... 205
Сдвиговая установка СУ-2 (см. рис. 4.34) состоит из рамы 1,
двух пневмоцилиндров 2 для создания нормального (вертикаль-
ного) и касательного (горизонтального) давлений, разрезной
обоймы 3, штампа 4 и каретки 5. Пневмоцилиндры 2 и резино-
вые оболочки внутри них соединены с воздушным баллоном 6
резиновыми шлангами 7 при помощи тройника 8 через редукто-
ры 9. Манометры 10 и 11 контролируют давление в баллоне и
резиновых оболочках пневмоцилиндров.
Нормальное давление на штамп 4 создается вертикальным
пневмоцилиндром через переход 12 и каретку 5. Горизонтальный
пневмоцилиндр служит для создания касательного сдвигающего
усилия на целик грунта, помещенного в разрезную обойму. Она
состоит из двух половин, соединенных пластинами и болтами,
которые снимаются при производстве сдвига. Вертикальные и го-
эизонтальные перемещения фиксируются индикаторами ИЧ-50,
соответственно 13 и 14 (см. рис. 4.34).
267
Л5
Рис. 4.34. Сдвиговая установка СУ-2
Методика испытаний
Для проведения испытаний используют шурф размером
1,3* 1,6 м до проектной глубины. На забое шурфа приступают к
вырезке целика грунта, которую следует производить постепен-
ным вдавливанием обоймы вручную с подрезкой грунта вокруг
обоймы. Вдавливание должно производиться без перекосов, цент-
рируя обойму по заранее намеченной оси симметрии целика.
В нижней части целика между торцом обоймы и поверхнос-
тью выработки должен быть оставлен зазор высотой 1—2 см, по
которому следует произвести срез и отрыв грунта. Затем обойма
с грунтом поднимается на поверхность, причем во избежание
вывала грунта ее торцы закрываются специальными крышками.
После проходки выработки, предназначенной для проведения
испытаний, по ее стенкам осуществляется детальное описание
разреза, причем особое внимание уделяется тому слою, в кото-
ром предполагается осуществлять срез. Кроме того, при выпол-
нении задачи из выработки на отметке испытания грунта на срез
должны быть отобраны образцы и в лабораторных условиях оп-
ределены влажность по ГОСТ 5180-75 и плотность грунта по ГОСТ
5182-78, а также вычислены плотность скелета грунта, коэффи-
циент пористости и степень влажности. Кроме названных пока-
268
зателей предусматривается определение плотности твердых час-
тиц по ГОСТ 5181-78, влажности на границе раскатывания и
текучести по ГОСТ 5183-77, зернового (гранулометрического)
состава по ГОСТ 12536-67 и вычисление числа пластичности и
показателя консистенции.
Перед началом опыта поверхности грунта зачищаются, вы-
равниваются, и обойма устанавливается в раму установки. На
верхнюю выровненную поверхность следует уложить слой мало-
влажного мелко- или среднезернистого песка толщиной 1—2 см
для глинистых грунтов и 3 см для крупнообломочных грунтов, а
затем установить штамп. В центре штампа помещается каретка 5,
в гнездо каретки — переход и пневмодомкрат, последний фик-
сируется прижимным винтом рамы 75 (см. рис. 4.34).
Горизонтальный домкрат упирается в нижнюю часть верхнего
кольца обоймы. Ось сдвигающего пневмоцилиндра должна совпа-
дать с осью сдвигаемой обоймы. Пневмоцилиндры соединить шлан-
гами с редукторами баллона, после чего установить мессуры.
Окончательно проверив правильность сборки установки, сле-
дует отвернуть болты, стопорящие (фиксирующие) кольца обой-
мы между собой, и после этого приступать к проведению опыта.
Нагрузки создаются с помощью редукторов на баллоне со сжа-
тым воздухом согласно тарировочных данных пневмодомкратов.
В зависимости от решаемой задачи и вида грунта проводится
выбор схемы определения прочностных характеристик. Метод
консолидированного среза моделирует условия работы грунта в
основании различных сооружений при их длительной эксплуа-
тации. Его следует применять для определения характеристик
крупнообломочных и песчаных, а также глинистых грунтов с
показателем консистенции IL< 0,75 в условиях стабилизирован-
ного состояния. Последнее означает, что в грунте завершились
деформации уплотнения под определенной нагрузкой и отсут-
ствует избыточное давление в поровой воде. Метод неконсоли-
дированного среза моделирует работу грунта в основании со-
оружений на стадии строительства. Согласно ГОСТу 23741-79
его следует применять для определения характеристик водона-
сыщенных глинистых грунтов в условиях нестабилизированно-
го состояния при степени влажности G > 0,80 с показателем
консистенции IL > 0,5.
Сопротивление грунта срезу следует определять как касатель-
ное напряжение т, при котором целик грунта срезается по фик-
сированной плоскости при нормальном давлении а. Величину т
следует определять не менее чем при трех различных значениях а
для однородного по строению и составу грунта при испытании
его в одной и той же выработке и на одной глубине.
269
Выбор значений о осуществляется из того расчета, что мини-
мальное нормальное давление должно быть не менее природной)
на отметке заложения фундамента, а максимальное — на 0,1-
0,2 МПа выше давления сооружения. При этом касательная на-
грузка должна быть ориентирована в плоскости, перпендикуляр-
ной приложению нормальной нагрузки, и приложена в плоскос-
ти среза или выше ее на расстоянии не более 30 мм.
При испытаниях по методу неконсолидированного среза без
предварительного уплотнения нормальные давления о, при ко-
торых будут производить срез грунта, передают на целик сразу в
одну ступень. Срез целика грунта должен осуществляться не бо-
лее 5 мин с момента окончания приложения нормальной нагруз-
ки. Исходя из этого скорость среза при задании непрерывно воз-
растающей касательной нагрузки следует принимать в интервале
5—20 мм/мин. Испытание можно считать законченным, когда ка-
сательная нагрузка достигает максимальной величины, после чего
наблюдается некоторое ее снижение, или когда установлено по-
стоянство значений деформации среза, или если общая величи-
на деформации среза превышает 50 мм. После испытания следует
подробно описать поверхность среза и отобрать из его зоны две
пробы грунта для определения влажности. Результаты наблюде-
ний заносятся в журнал, форма которого представлена в табл. 19.1.
При проведении испытаний по методу консолидированного
среза выбор величин нормального давления, определение време-
ни условной стабилизации деформаций и скорости среза осуще-
ствляется в соответствии с требованиями ГОСТа 23471-79.
Результаты сдвига грунта
Таблица 19.1
Номер испытания Интервал времени,с Нормальное давление при срезе, s, МПа Показания манометров, МПа Срезающее давление, t, МПа Показания горизонтальной мессуры, мм Деформации среза, D1, мм Примечания
верти- кального горизон- тального
1 2 3 4 5 6 7 8 9
3 0 0,30 0,65 0 0 1,17 0
30 0,30 0,65 0,17 0,08 11,17 10
60 0,30 0,65 0,33 0,15 21,17 20
90 0,30 0,65 0,44 0,20 31,17 30
120 0,30 0,65 0,46 0,21 41,17 40
150 0,30 0,65 0,35 0,16 51,17 50
180 0,30 0,65 0,26 0,12 61,17 60
210 0,30 0,65 0,26 0,12 71,17 70
270
Обработка данных
Для определения сопротивления грунта срезу т при каждом
нормальном давлении о необходимо построить диаграмму среза,
представляющую график изменения сопротивления срезу в зави-
симости от величины деформации т =/(/) (рис. 4.35). За сопро-
тивление грунта срезу следует принимать максимальное (пико-
вое) значение т, определяемое по графику т =/ (/) при величи-
нах деформаций А/, не превышающих 50 мм. По значениям т,
определенным при различных нормальных давлениях о, в соот-
ветствии с теорией прочности Мора—Кулона строится предель-
ная огибающая сопротивления породы на срез, которая пред-
ставляет собой в данном случае прямую линию, занимающую
среднее положение между всеми точками.
В том случае, когда на графике зависимости сопротивления
срезу от величины деформации т =/(/) представляется возмож-
ным выделить участки, характеризующие максимальное и дли-
тельное сопротивление срезу (рис. 4.35), строят два графика за-
висимости х -f (о); первый из них, построенный по значениям
тмакс, характеризует сопротивление срезу ненарушенного грунта,
а второй, построенный по тмин, — сопротивление срезу грунта
по сформировавшейся поверхности сдвига.
Показатели прочности грунта — угол внутреннего трения <р
(град) и сцепление С МПа — находят по графику зависимости
х =f (о) (рис. 4.36). При большом числе опытов нормативное
значение показателей прочности tg"<p и С" вычисляют методом
наименьших квадратов в соответствии с требованиями ГОСТа
20522-75 по формулам:
I ( п п п \
tg"<p = - Т,о,- - Ё Т, Ё о,- , (19.2)
А i=i 1=1 1=1 )
1 ( п л п п
с"=т ’ <19-3>
А ^/=1 1=] 1=1 /=1 J
" Z V2 Г " Y
, (19.4)
1=1 (y=i )
где т,- и о( — частные значения соответственно сопротивления
срезу и нормального давления, п — число определений величин.
При испытаниях на срез, когда величины вертикальных дав-
лений о( (/ = 1, 2,..., к) распределены по оси абсцисс равномерно
с интервалом До при одинаковом числе значений х для каждой
271
Рис. 4.35. Зависимость сдвигающих
усилий (t) от деформации сдвига
(Д/)
Рис. 4.36. Зависимость сопротивле-
ния сдвигу (т) от нормального дав-
ления (а)
нагрузки о,-, вычисление параметров tg <р и С рекомендуется про-
водить по более простым формулам:
где
tg Ф = "-1- при к = 3, (19.5)
2 х До
Зт4 + т3 - т2 - Эх, , „ ,, „
*8 ”------ioT^--------- при t -4, (19.6)
С= x-pxtgcp для любого л, (19.7)
1 к
x = (19-8)
- 1 к
Р = ^.- (19-9)
Л 1=1
Результаты определения т и С необходимо выражать с точнос-
тью 0,01 МПа, а ф — 1 град.
Анализ и интерпретация результатов
Результаты, полученные в ходе обработки экспериментальных
данных, должны быть проанализированы и интерпретированы с
учетом следующих обстоятельств.
1. К числу факторов, определяющих величины сцепления и
угла внутреннего трения, наряду с составом и генезисом грунтов
относятся их сложение и влажность, а также наличие включе-
ний, в том числе и корней растений, и особенности структуры
грунтов, включая ходы червей.
2. Широко распространенные в районе практики грунты, со-
гласно литературным источникам, характеризуются следующи-
ми значениями показателей прочности: суглинки московской
272
морены имеют сцепление 0,02—0,03 МПа и угол внутреннего тре-
ния 23—25 град при числе пластичности 8,4—9,0 и коэффициенте
пористости 0,43—0,44; аллювиальные супеси и суглинки в усло-
виях консолидированного сдвига имеют сцепление 0,01—0,02 МПа
и угол 21 —22 град.
Задача 20
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ МЕТОДОМ
ВРАЩАТЕЛЬНОГО СРЕЗА
При инженерно-геологических изысканиях возникает необ-
ходимость оценки слабых грунтов, таких как глинистые грунты
текучей и пластичной консистенции, торфа, гумусированные и
заторфованные водоносные пески рыхлого сложения. Для таких
грунтов трудно, а иногда и невозможно отобрать монолиты для
лабораторных испытаний или использовать полевые приборы
плоскостного сдвига. Изучение прочностных характеристик та-
ких грунтов проводится с помощью лопастных приборов враща-
тельного среза (крыльчаток).
Этот метод не применим для исследования скальных, круп-
нообломочных, песчаных грунтов, глинистых грунтов твердой
консистенции, грунтов в мерзлом состоянии. Количество и рас-
положение точек опробования определяется сложностью инже-
нерно-геологических условий.
Испытания грунтов методом вращательного среза позволяют
решать следующие задачи:
1) определять сопротивление сдвигу грунтов естественного и
нарушенного сложения;
2) находить показатели структурной прочности грунтов в мас-
сиве;
3) оценивать однородность свойств грунтов по площади и
глубине;
4) давать сравнительную оценку состояния и свойств грунтов.
В табл. 20.1 приводятся технические характеристики приборов
вращательного среза. Среди установок вращательного среза
преобладают приборы с визуальной регистрацией крутящего мо-
мента, хотя имеются отдельные разработки, предусматривающие
автоматическую запись результатов.
Выбор размеров крыльчатки для испытаний определяется осо-
бенностями грунтов. Для более слабых разностей используются
крыльчатки большого размера, относительно прочные разности
определяют выбор малых крыльчаток.
273
N
Таблица 20.1
Технические характеристики приборов вращательного среза [3]
Приборы Технические характеристики приборов
глубина испытаний, м максималь- ный враща- тельный момент, Н м размеры крыльчаток скорость вращения крыльчаток, об/с диаметр штанг, мм регистрация измеряемых величин способ вращения штанг габариты установки, см масса изме- рительной головки, кг
УИГС ЦНИИС-2 25 2,4 100x200 75x200 75x150 65x130 1-2 33,5 визуальная через по- нижающий редуктор 100x60 -
20x200
СП-52 15 1,8 80x160 60x120 75x100 1-2 24 51x98,5 22,8
ЛГС-2 15 1,5 75x150 75x100 - 22; 28; 34 30x150 27,8
СК-10 10 1,5 75x100 54х 100 — 22 и поворотом рычагов - 3,7
ВСЕГИН- ГЕО 15 2,5 100x200 75x150 60x130 55x110 2-5 33,5; 42 самопис- цем и 100x80 40,7
Теоретические основы испытания грунтов методом
вращательного среза
Испытания с помощью лопастных приборов заключаются в
создании и измерении крутящего момента М. Рабочей частью
прибора является крестообразная лопасть-крыльчатка, которая
вдавливается в грунт забоя скважины. Поворачивая крыльчатку
вокруг оси, производят сдвиг грунта по цилиндрической поверх-
ности вращения. Затрачиваемый при вращении крыльчатки кру-
тящий момент может быть определен при помощи измеритель-
ного устройства.
Определяющим условием равновесия крыльчатки являются
форма срезаемого объема грунта и распределение касательных
напряжений по поверхностям скольжения. В общем виде условие
равновесия крыльчатки при срезе выражается уравнением
Какс = Л4 + 2М, (20.1)
где Л/макс — максимальный крутящий момент на крыльчатке; Мв —
момент сопротивления сдвигу по боковой поверхности цилиндра;
МТ — момент сопротивления сдвигу по торцу цилиндра.
Моменты Мв и МГ выражают как произведение равнодейству-
ющих сил на плечо
Л/в = л</2йт/2; (20.2)
2Mr = nd3/6, (20.3)
где d и h — соответственно диаметр и высота крыльчатки, т —
сопротивление сдвигу исследуемого грунта.
Подставляя формулы (20.2 и 20.3) в формулу (20.1), получим
выражение для величины сопротивления сдвигу:
т = Ммакс /[0,5nd2 (й + J/3)]. (20.4)
Знаменатель последнего выражения представляет собой пло-
щадь поверхности цилиндра вращения, по которой происходит
сдвиг, и называется постоянной крыльчатки (В).
В общем виде уравнение для определения сопротивления грунта
сдвигу примет вид:
т = Л/макс/Л. (20.5)
Испытание с помощью лопастных приборов осуществляется в
течение нескольких минут, т.е. сдвиг грунта по цилиндрической
поверхности происходит в отсутствие дренажа воды из глинисто-
го грунта. После того как при лопастном испытании произошел
сдвиг грунта и зафиксирован максимальный крутящий момент,
275
наблюдается падение сопротивления сдвигу до некоторой посто-
янной величины, называемой установившейся или остаточной
прочностью грунта, которая характеризует сопротивление сдви
гу грунта поле нарушения в нем структурных связей. Отношение
значений сопротивления грунта сдвигу в естественном (тмакс) и
нарушенном (хуст) сложении определяет показатель структурной
прочности грунта:
Пс т макс /т уст. (20.6)
Полученное в результате испытаний удельное сопротивление
сдвигу представляет обобщенный показатель прочности грунта. По
ГОСТу 21719-76 при полевом испытании грунтов методом враща-
тельного среза удельное сцепление С и угол внутреннего трения <р
не определяются. Расчет показателя структурной прочности по-
зволяет дать характеристику структурных связей грунта (табл. 20.2).
Устройство прибора
В работе используется сдвигомер-крыльчатка СК-10 (рис. 4.37).
Четырехлопастная крыльчатка (7) является сварной деталью,
состоящей из металлических лопастей толщиной 3,0 мм, прива-
ренных к коническому стержню. Для облегчения процесса задав-
ливания и извлечения крыльчатки из грунта верхние и нижние
торцы лопастей остро затачиваются. Чтобы исключить возмож-
ность отвинчивания крыльчатки при задавливании, ее стержень
изготовлен с удлиненной резьбой.
Устройство 2, которое состоит из двух стержней (см. рис. 4.37),
служит для отключения крыльчатки от штанги при учете влия-
ния трения штанг о грунт. Штанга
3 изготовлена из цельнотянутых
труб с внешним диаметром 22 мм
и толщиной стенок 3,00 мм. Внут-
ренняя резьба у штанг и пере-
Таблица 20.2
Характеристика структурных связей
по показателю структурной прочности
Значение иоказателя структурной прочности Прочность структурных связей
Пс=1 отсутствует
1</7с<2 низкая
2</7с<5 средняя
/7С>5 высокая
Рис. 4.37. Сдвигомер-крыльчатка
СК-10
276
ходников коническая — К 3/8. На штангах, имеющих длину
1000 мм, через 100 мм нанесены кольцевые риски, предназна-
ченные для установления глубины погружения крыльчатки 1.
Рукоятка 4 сдвигомера свободно насажена на бронзовую втул-
ку 5, которая прикреплена к упору 6. Втулка упором крепится к
переходнику штанг посредством вилки 7. Упругая пластина 8
вставлена в пазы упора на цилиндричекие штифты и закрепле-
на винтом 9. Деформация пластины 8 при повороте рукоятки с
призмой фиксируется индикаторной головкой 10, которая не-
подвижна относительно упора. Усилие от рукоятки 4 передается
упругой пластине 8посредством призмы.
Для изучения сопротивления сдвигу торфов целесообразно
применять ромбическую крыльчатку углом раствора лопастей 90°.
Ромбическая крыльчатка воздает усилие задавливания в 1,5 раза
меньше и исключает возможность заволакивания кромок крыль-
чатки корневищами или волокнами растений.
Порядок работы на сдвигомере-крылъчатке СК-10
Тарировка сдвигомера СК-10. Перед проведением испытаний
необходимо провести тарировку упругой пластины измеритель-
ной головки (см. рис. 4.37). Рукоятка 4 должна вращаться вокруг
своей оси свободно и без заметных усилий. Упор 6 зажимается в
тисках, индикаторная головка 10устанавливается на ноль при
откинутой рукоятке 4. После этого индикатор надежно крепится
к упору 6стопорным винтом. Проверяется возможность хода штока
индикатора.
После этого в отверстие рукоятки диаметром 3 мм, просвер-
ленное точно на расстоянии 200 мм от ее центра вращения, на-
девается проволока или тросик для подвешивания грузов ступе-
нями 1—2 кг. Рукоятка 4 накладывается на пластину 8 и подве-
шивается груз. После каждой ступени нагружения записываются
показания индикатора. При тарировке упругой пластины макси-
мальную нагрузку можно принять 12—75 кг, что соответствует
М =0,24-1,5 Нм.
Повторность нагружения должна быть не менее трех, из кото-
рых определяется среднее арифметическое значение. Показания
индикатора нагрузки не должны отличаться более чем на два де-
ления. Разгрузочную характеристику пластины делать не следует,
так как при работе используется только нагрузочная ветвь. Полу-
ченные данные заносятся в табл. 20.3.
По данным тарировки строят график зависимости / от Л/кр.
Если зависимость деформации упругой пластины от крутящего
момента нелинейна, то значение момента следует определить из
тарировочной таблицы при соответствующем значении I.
277
Результаты тарировки пружины
Таблица 20. <
Ступени нагрузки, Н Показатели индикатора Крутящим момент, Характеристика пружины л= 7/Мч,
h h h i
Определение сопротивления сдвигу грунта
сдвигомером-крыльчаткой СК-10
Определение предельного напряжения сдвигу производится <
выбора места опробования, составления предварительного раз
реза и установления глубин проведения испытаний по разрезу.
Установка позволяет проводить испытания в скважинах, шур-
фах и других выработках, а также непосредственно с поверхнос-
ти земли после снятия дерна. Проходку выработки осуществляю!
непосредственно перед проведением опыта, чтобы исключит!,
выветривание пород.
Диаметр скважины должен быть несколько больше диаметра
крыльчатки. Затем осторожно, чтобы не нарушить структуру грун-
та, погружают крыльчатку на нужную глубину. Поскольку грунт
в забое скважины имеет нарушенное строение, крыльчатка должна
быть погружена так, чтобы верхние края лопастей располагались
ниже поверхности забоя скважины на 0,1—0,3 м для глинистых
грунтов тугопластичной консистенции и на 0,3—0,5 м для осталь-
ных грунтов.
Поворотом рукоятки 4 фиксируют максимальный и устано-
вившийся крутящий момент с помощью индикатора 10по де-
формации пружины 8. Полученные данные непосредственных
измерений заносятся в табл. 20.4. Пользуясь тарировочным гра-
фиком, определяют величину максимального и установившего-
ся крутящих моментов и по формуле (20.5) рассчитавают вели-
чину сопротивления сдвигу грунта нарушений и ненарушенной
структуры.
Таблица 20.4
Результаты испытаний сопротивления сдвигу
278
Располагая значительным количеством частных значений по-
казателей сопротивления сдвигу, с помощью ГОСТа 20522-72
можно получить среднестатистические значения показателей и
выделить инженерно-геологические элементы. Пользуясь
табл. 20.2, по показателю структурной прочности оценивают проч-
ность структурных связей.
На основании учета особенностей деформаций грунта при
вращательном срезе в результате испытаний можно определить
удельное сцепление С и угол внутреннего трения <р. При испыта-
нии грунтов мягкопластичной и текучей консистенции, когда
угол внутреннего трения близок к нулю, можно допустить, что
tg <р=0, а также при испытании грунтов, залегающих на поверх-
ности, когда о =0, в соответствии с законом Кулона т = С.
При выделении в разрезе описываемой толщи грунтов, близ-
ких по составу и свойствам, можно проводить испытание сдви-
гомером-крыльчаткой на разной глубине. Учитывая глубину по-
гружения крыльчатки и зная мощность и плотность вышележа-
щих толщ, рассчитывают нормальное (бытовое) давление на грунт
в точке опробования. Получив величины нормальной нагрузки и
соответствующие значения сопротивления сдвигу, строят график
зависимости т=/(о) и по нему определяют параметры сдвига.
ГЛАВА 5
Геокриологические исследования
Собственно геокриологические исследования в области се-
зонного промерзания пород, проводящиеся в комплексе с инже-
нерно-геологическими и гидрогеологическими, сводятся к ланд-
шафтному районированию территории, изучению закономерно-
стей формирования температурного режима и глубины сезонного
промерзания пород в пределах ландшафтов.
Для установления закономерностей формирования геокрио-
логических условий участка необходимо изучить связь основных
параметров, характеризующих эти условия, с природными осо-
бенностями ландшафтов, выделенных при маршрутных исследо-
ваниях. Поэтому для каждого ландшафта необходимо изучить:
связь сезонного промерзания с радиационно-тепловым балан-
сом земной поверхности и его составляющими; температурный
режим поверхности почвы, слоя сезонного промерзания и слоя
годовых колебаний температур; глубину сезонного промерза-
ния пород. Для изучения процессов тепло-массообмена в грун-
тах, расчета глубин годовых колебаний температур и сезонного
279
промерзания пород, для установления закономерностей форми
рования геокриологических условий и прогноза их изменении
при изменении природных факторов (как при естественной их
динамике, так и под влиянием инженерных воздействий) нео(>
ходимо знать теплофизические .свойства покровов, почв и порол.
Ниже даются некоторые методы определения основных пара
метров, характеризующих геокриологические условия, которые
широко применяются в практике полевых исследований при гео
криологической съемке.
Задача 21
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ РАДИАЦИОННО-ТЕПЛОВОГО
БАЛАНСА ПОВЕРХНОСТИ
Основной задачей геокриологической съемки является изуче-
ние взаимосвязи процессов формирования и развития сезонно
мерзлых и многолетнемерзлых пород, их температурного режима
с процессом теплообмена между атмосферой и верхними слоями
литосферы,'количественной характеристикой которого является
радиационно-тепловой баланс земной поверхности. Знание струк-
туры радиационно-теплового баланса, изменений его составляю-
щих дает возможность оценить динамику верхних граничных усло-
вий, изучить закономерности формирования и изменения темпера-
турного режима земной поверхности, определить характер развития
криогенных'процессов. Уравнение радиационно-теплового баланса
земной поверхности записывается следующим образом:
QcyM (1-Л)-/эф = LE + Р + В, (21.1)
где Ссум— суммарная коротковолновая солнечная радиация, пред-
ставляющая сумму прямой 0пр и рассеянной q радиаций; А —
альбедо земной поверхности; 4ф — эффективное длинноволно-
вое излучение; Е — интенсивность испарения с поверхности; L —
скрытая теплота испарения (L = 2,5 МДж/кг); Р — затраты тепла
на процесс турбулентного теплообмена между земной поверхно-
стью и атмосферой; В — тепло, идущее на теплообмен между
земной поверхностью и нижележащими слоями литосферы.
При изучении и определении параметров температурного ре-
жима земной поверхности часто пользуются расчетными метода-
ми, имея данные по температуре воздуха. Для перехода от темпе-
ратуры воздуха (?в) к температуре поверхности растительного (ле-
том) и снежного (зимой) покровов (/п) вводится радиационная
поправка (Д/л), которая может быть определена по величине тур-
булентного теплообмена (Р) и коэффициенту теплоотдачи с по-
верхности (а): Д/л = Р/а.
280
Для изучения связи геокриологических условий с радиацион-
но-тепловым балансом рассматривается влияние всех его состав-
ляющих на формирование температурного режима поверхности,
так как в различных геолого-геоморфологических условиях роль
каждой из них различна.
Основным методом получения величин составляющих радиа-
ционно-теплового баланса являются режимные теплобалансовые
наблюдения. Сеть теплобалансовых станций Гидрометеослужбы
России редка, данные их наблюдений дают только общие пред-
ставления о структуре радиационно-теплового баланса обшир-
ных территорий. Условия же теплообмена различных типов мест-
ности отличаются большой изменчивостью, поэтому в процессе
геокриологической съемки часто проводятся режимные стацио-
нарные или полустационарные теплобалансовые наблюдения на
участках с различными ландшафтными условиями.
Система теплобалансовых наблюдений включает в себя акти-
нометрические наблюдения — непосредственное измерение со-
ставляющих радиационного баланса (левая часть уравнения 21.1)
и градиентные — определение составляющих теплового баланса
(правая часть уравнения 21.1) косвенным путем. Расчет послед-
них проводится по данным срочных градиентных наблюдений за
температурой, влажностью (упругостью водяного пара) воздуха
и скоростью ветра на двух уровнях (0,5 и 2,0 м) от поверхности.
Величину теплопотока между поверхностью и нижележащими
слоями почвы непосредственными измерениями получить труд-
но из-за несовершенства существующих конструкций тепломе-
ров. Расчетные методы определения В за короткие промежутки
времени (час, сутки) разработаны недостаточно. Поэтому вели-
чина теплопотока В определяется как остаточный член уравне-
ния (21.1): В= R — LE— Р.
Измерительные приборы
В настоящее время для производства актинометрических на-
блюдений используются актинометрические приборы, предназна-
ченные для измерения различных видов солнечной радиации. Ак-
тинометрические приборы являются приемниками соответствую-
щего вида солнечной радиации, при работе с ними в качестве
измерительного устройства применяется стрелочный актиномет-
рический гальванометр ГСА-1, который измеряет ток, возникаю-
щий в термобатареях приборов. Для перевода показаний гальвано-
метра в радиационные единицы (Вт/м2) необходимо знать пере-
водный множитель (а), который определяется для каждого прибора
путем сравнения с абсолютным актинометрическим прибором —
281
пиргелиометром или рассчитывается на основании данных пас
порта каждой пары прибора и гальванометра по формулам:
а = + Д.)/АГП, Вт/м2
или а = + 7^ + 7?Д)/АГП, Вт/м2, (21.2)
где аг — цена деления гальванометра, мкА; Ка — чувствительность
актинометрического прибора, мВ-м2/Вт; — сопротивление ба
тареи прибора, Ом; 7^ — внутреннее сопротивление гальваномсг
ра, Ом; Ra — добавочное сопротивление гальванометра, Ом. Доба
вочное сопротивление подключается во внешнюю цепь в случае,
когда внутреннее сопротивление гальванометра оказывается нс
достаточным для измерения возникающей в термобатарее силы
тока и стрелка гальванометра уходит за шкалу. Под действием топ»
или иного вида солнечной радиации на приемную поверхность
прибора стрелка гальванометра отклоняется на число делений N и
величина измеряемой радиации будет равна aN, Вт/м2.
Актинометр термоэлектрический, с помощью которого измеря-
ется прямая солнечная радиация, приходящая на перпендику
лярную к лучам поверхность (Q^), имеет приемник в виде диска
из сусального серебра. Обращенная к солнцу сторона диска по-
крыта матово-черной эмалью, а к обратной стороне приклеена
папиросная бумага и спаи термобатареи из константана и манга-
нина. Приемный диск заключен в чашку, установленную на тру-
бе с диафрагмами для фокусировки солнечных лучей. Актино-
метрическая труба закреплена на штативе с системой приспо-
соблений для ориентации трубы по высоте и азимуту солнца.
Универсальный пиранометр предназначен для измерения вели-
чин суммарной, рассеянной и отраженной радиации. Приемни-
ком (головкой) пиранометра является квадратная термобатарея,
окрашенная в черно-белый цвет в виде шахматной доски. Поля
такой термобатареи, по-разному поглощая поступающую солнеч-
ную радиацию, нагреваются пропорционально ее величине.
Фильтром, выделяющим прямую, рассеянную и отраженную ра-
диации из общего потока коротковолновой и длинноволновой
радиации, служит стеклянный колпак,4одновременно защищаю-
щий термобатарею от загрязнений и повреждений. Головка пи-
ранометра укреплена на металлической подставке со специаль-
ным приспособлением, позволяющим придавать приемной по-
верхности два положения: приемником «вверх» (измерение
рассеянной и суммарной радиации) и приемником «вниз» (из-
мерение отраженной радиации).
Для измерения рассеянной радиации пиранометр, находящий-
ся в положении «вверх», затеняется теневым экраном от прямой
282
радиации и берется отсчет по гальванометру тогда q — aN^.
Для определения величины суммарной радиации необходимо
дополнительно сделать замеры по гальванометру при открытом
пиранометре Уотк, тогда величина прямой радиации (2пр будет
равна (Л'отк — N-^aF*, где F* — поправочный множитель, учи-
тывающий зависимость чувствительности прибора от угла паде-
ния солнечных лучей, находится в паспорте пиранометра. Сум-
марная радиация в этом случае представляет собой сумму рассе-
янной (д) и прямой (0Пр) радиаций.
Чувствительность приемной головки пиранометра к углу па-
дения солнечных лучей приводит к погрешностям в определении
с его помощью (2пр (несмотря на введение поправочного множи-
теля), поэтому для получения истинных величин 0пр используют
актинометр.
Отраженная радиация (5) измеряется пиранометром в поло-
жении приемной головки «вниз», тогда S=aN, где N — отсчет
по гальванометру; а — переводный множитель, рассчитанный по
формулам 21.2.
Альбедометр используется в маршрутных исследованиях для
определения альбедо различных поверхностей, т.е. дает возмож-
ность измерить величины как отраженной, так и суммарной ра-
диации. Приемной частью альбедометра служит пиранометричес-
кая головка, описанная выше. Этот приемник радиации соеди-
нен с опрокидывающимися кардановым подвесом и рукояткой.
Такое устройство обеспечивает горизонтальность приемной по-
верхности при повороте рукоятки вокруг горизонтальной оси для
установки приемника в одно из положений: «вверх» или «вниз».
Термоэлектрический балансомер, измеряющий радиационный
баланс земной поверхности, имеет в качестве приемника круг-
лую пластинку с зачерненными поверхностями. Пластина вмон-
тирована в круглую оправу с рукояткой. Между пластинами по-
мещены специальные термобатареи. Прибор устанавливается стро-
го горизонтально и подключается к гальванометру, показания
которого соответствуют величине радиационного баланса поверх-
ности R. Так как приемник балансомера не имеет защиты от вет-
ра, который усиливает конвективный теплообмен и тем самым
изменяет температуру приемных поверхностей балансомера, ис-
кажается измеряемая величина R. Для получения истинного зна-
чения R вводится поправочный множитель Fv, учитывающий ско-
рость ветра в момент замера. Значения /^берутся из поверочного
свидетельства балансомера. Кроме того, отсутствие защитного
стеклянного колпака и горизонтальность приемной поверхности
приводят к искажению величины прямой радиации, поэтому ре-
комендуется при работе с балансомером использовать теневой
283
экран как защиту от прямой радиации, а величину 0пр брать по
актинометру.
Градиентные наблюдения включают в себя измерение темпера
туры, влажности воздуха и скорости ветра на двух уровнях над
земной поверхностью в те же сроки, что и актинометрические
наблюдения.
Измерение температуры и влажности воздуха производится с
помощью аспирационных психрометров. Основной рабочей час-
тью психрометра являются сухой и смоченный термометры и ас-
пиратор для создания постоянной скорости движения воздуха в
приемной части термометров. Показания сухого термометра дают
температуру воздуха в данный момент, а влажность воздуха (уп-
ругость водяного пара е, Па) определяется по показаниям сухого
и смоченного термометров с помощью психрометрических таб-
лиц или графиков, прилагаемых к каждому психрометру, или
при отсутствии последних, рассчитывается по формуле:
е = ^макс “ 0,000795(/сух - Гсмоч)р, (21.3)
где емакс— максимальная упругость водяного пара при темпера-
туре, соответствующей показанию смоченного термометра псих-
рометра— /смоч в °C, Па; /сух — температура по сухому термомет-
ру психрометра, °C; р — атмосферное давление, Па. Величина
емакс берется в табл. 21.1. Для измерения атмосферного давления,
наблюдения за.которым входят в комплекс теплобалансовых и
проводятся одновременно с ними, в практике чаще всего ис-
пользуются барометры-анероиды, которые устанавливаются в под-
собных помещениях. Можно также использовать значения атмос-
ферного давления, полученные по данным близлежащей метео-
станции, учитывая разницу высот местонахождения станции и
наблюдательной площадки.
Для измерения скорости ветра применяются ручные чашеч-
ные анемометры, которые служат для определения средней ско-
рости ветра за определенный промежуток времени (чаще всего
определяют среднюю скорость ветра за 10 мин). При работе с
анемометром необходимо иметь секундомер. По разности началь-
ного N„ (до включения) и конечного NK (после выключения)
показаний анемометра и продолжительности его работы t рас-
считывается число делений шкалы анемометра в 1 с, затем по
прилагаемому к каждому прибору тарировочному графику опре-
деляется средняя скорость ветра (м/с). При небольших скоростях
ветра ручные чашечные анемометры дают сильно искаженные
результаты, в таких случаях применяются анеморумбометры, ко-
торые позволяют определять среднюю скорость ветра с точнос-
тью до 0,1 м/с и направление ветра с точностью до ± 10 град.
284
Таблица 21.1
Максимальная упругость водяного пара -102, Па
t, °с *макс г, °C е емакс 1, "С емакс Г, °C емакс /, °C *макс
5,0 8,7 10,2 12,4 15,4 17,5 20,6 24,3 25,8 33,2
5,2 8,8 10,4 12,6 15,6 17,7 20,8 24,6 26,0 33,6
5,4 9,0 10,6 12,8 15,8 18,0 21,0 24,9 26,2 34,0
5,6 9,1 10,8 13,0 16,0 18,2 21,2 25,2 26,4 34,4
5,8 9,2 11,0 13,1 16,2 18,4 21,4 25,5 26,6 34,9
6,0 9,4 11,2 13,3 16,4 18,7 21,6 25,8 26,8 35,3
6,2 9,5 11,4 13,5 16,6 18,9 21,8 26,1 27,0 35,7
6,4 9,6 11,6 13,7 16,8 19,1 22,0 26,5 27,2 36,1
6,6 9,7 11,8 13,8 17,0 19,4 22,2 26,8 27,4 36,5
6,8 9,9 12,0 14,0 17,2 19,6 22,4 27,1 27,6 37,0
7,0 10,0 12,2 14,2 17,4 19,9 22,6 27,4 27,8 37,4
7,2 10,2 12,4 14,4 17,6 20,1 22,8 27,8 28,0 37,8
7,4 10,3 12,6 14,6 17,8 20,4 23,0 28,1 28,2 38,3
7,6 10,4 12,8 14,8 18,0 20,6 23,2 28,5 28,4 38,7
7,8 10,6 13,0 15,0 18,2 20,9 23,4 28,8 28,6 39,2
8,0 10,7 13,2 15,2 18,4 21,2 23,6 29,2 28,8 39,6
8,2 10,9 13,4 15,4 18,6 21,4 23,8 29,5 29,0 40,1
8,4 11,0 13,6 15,6 18,8 21,7 24,0 29,9 29,2 40,6
8,6 Н,2 13,8 15,8 19,0 22,0 24,2 30,2 29,4 41,0
8,8 11,3 14,0 16,0 19,2 22,3 24,4 30,6 29,6 41,5
9,0 11,5 14,2 16,2 19,4 22,5 24,6 31,0 29,8 42,0
9,2 11,6 14,4 16.4 19,6 22,8 24,8 31,3 30,0 42,5
9,4 11,8 14,6 16,6 19,8 23,1 25,0 31,7 30,2 43,0
9,6 12,0 14,8 16,8 20,0 23,4 25,2 32,1 30,4 43,5
9,8 12,1 15,0 17,1 20,2 23,7 25,4 32,5 30,6 44,0
10,0 12,3 | 15,2 17,3 20,4 24,0 25,6 32,9 30,8 44,5
Организация теплобалансовых наблюдений
В пределах изучаемого микрорайона выбирается открытая,
ровная площадка с естественным растительным покровом, уда-
ленная от сооружений (зданий, заборов и др.) на расстояние,
превышающее 20-кратную их высоту. Если невозможно выбрать
площадку с однородной поверхностью, то допускается организа-
ция наблюдений на участке с неоднородной поверхностью, имея
ввиду, что это неоднородности естественных природных усло-
вий, а не искусственные сооружения. При работе на площадке
285
26м
Рис. 5.1. Расположение приборов на теплобалансовой площадке:
1 — актинометрическая стойка; 2,3 — анемометры; 4, 5 — аспирационные психрометры; 6
дорожки
не следует нарушать травяной, моховый (в зимнее время— снеж
ный) покровы, для подхода к приборам необходимо проложить
дорожки. Размеры площадки и план расположения приборов при-
ведены на рис. 5.1.
Все актинометрические приборы устанавливаются на высоте
1,5 м от поверхности на специальных стойках. Гальванометры рас-
полагаются рядом со стойкой на подставке. Психрометры и ане-
мометры устанавливаются на высотах 0,5 и 2,0 м от поверхности
на отдельных стойках или шестах.
На сетевых теплобалансовых площадках наблюдения произ-
водятся ежедневно в стандартные сроки: 1, 7, 10, 13, 16 и 19 ч
местного времени. В зависимости от поставленных целей наблю-
дений количество сроков может быть сокращено или увеличено.
Методика наблюдений
1. Перед началом наблюдений делается краткое описание пло-
щадки: элемент рельефа, вид растительности, состояние поверх-
ности (сухая, увлажненная, ровная, кочковатая и т.д.). Отмеча-
ется наличие и интенсивность солнечного (лунного) сияния или
степень покрытия солнечного диска облаками.
2. Записываются номера актинометрических приборов и произ-
водится расчет переводных множителей каждой пары приборов.
3. За 10 мин до срока наблюдатель снимает крышки с актино-
метрических приборов, нацеливает актинометр на солнце, уста-
навливает теневые экраны к пиранометру и балансомеру, закры-
вает актинометр и пиранометр крышками.
4. За 8 мин до срока наблюдатель производит отсчет и запись
места нуля А'о.нач приборов. При определении места нуля актино-
метр, пиранометр и альбедометр должны быть закрыты крышка-
286
ми и подключены к гальванометрам, а балансомер закрыт крыш-
кой, но отключен от гальванометра.
5. За 1 мин до срока снимаются крышки с приборов, проверя-
ются нацеливание актинометра на солнце, затенение пирано-
метра и балансомера.
6. Ровно в срок производится запись показаний актинометри-
ческих приборов в следующем порядке:
а) записываются три отсчета рассеянной радиации с интерва-
лами 10 с и между ними два отсчета по актинометру;
б) производится шесть отсчетов по затененному балансомеру
и между ними два отсчета по актинометру;
в) берутся отсчеты отраженной радиации по пиранометру в
положении «вниз» или по альбедометру, перевернутому го-
ловкой вниз, таким же образом, как и предыдущие измере-
ния (три отсчета через 10 с и два отсчета по актинометру);
г) пиранометр ставится в положение «вверх», затеняется, про-
веряется нацеливание актинометра на солнце и записыва-
ются три отсчета рассеянной радиации и между ними два
отсчета по актинометру.
7. Проверяется и записывается место нуля Nq>kok, и приборы
закрываются крышками.
8. Если в момент измерений отмечается быстрое движение
облаков, то можно провести наблюдения с отступлением от сро-
ка, но не более чем на 30 мин или записать отсчеты, соответству-
ющие предельным отклонениям стрелок гальванометров. При
сильном порывистом ветре по балансомеру также делаются от-
счеты пределов колебаний стрелки гальванометра. Параллельные
наблюдения по актинометру показывают, насколько можно счи-
тать условия постоянными для приведения измеряемых потоков
радиации к одному моменту времени.
9. В сроки, установленные для актинометрических наблюде-
ний, производятся градиентные наблюдения за температурой,
влажностью воздуха и скоростыр ветра в следующем порядке:
а) перед выходом на площадку записываются показания ба-
рометра;
б) за 5 мин до срока наблюдатель, записав начальные отсчеты,
включает анемометры (нижний, затем верхний); смачивает
батист на термометрах и заводит психрометры, соблюдая ту
же последовательность, что при включении анемометров;
в) ровно в срок наблюдатель снимает отсчеты по психромет-
рам (по нижнему, затем по верхнему) и сразу производит
повторные отсчеты;
г) через 5 мин после срока выключаются анемометры и запи-
сываются их конечные отсчеты и время.
287
Обработка данных срочных наблюдений
Обработка данных актинометрических наблюдений произно
дится следующим образом. Для каждого вида радиации находи i
ся среднее значение отсчета (jVcp), из которого вычитается /Vo,
полученное как среднее между %,нач и %,кон- Затем вычисляет»!!
значение каждого вида измеренной радиации, используя пере
водный множитель каждой пары приборов (приемник радиации
и соответствующий ему гальванометр) и определив по табл. 21.?
высоту солнца й* на данный срок.
Величина прямой радиации, приходящей на горизонталь
ную (земную) поверхность (Qnp), равна величине прямой ра
диации, измеренной актинометром (Qnp), умноженной на sin й*
0np= Cnp^ sin й*.
При расчете радиационного баланса суммируются величина
(/? — 0пр), полученная по замерам при затененном балансомерс,
и 0пр, определенная с помощью актинометра.
Величины рассеянной и отраженной радиаций рассчитыва
ются умножением Ncp на а соответствующей пары приборов. Для
получения суммарной радиации складываются величины рассе-
янной (q) и прямой, поступившей на горизонтальную поверх-
ность (0пр) радиаций: 0сум = ? + 0пр. Зная величины суммарной
и отраженной радиаций, определяют альбедо поверхности:
А = А/Осум- Вычисление альбедо можно производить только в тех
случаях, когда значения прямой радиации, поступающей на го-
ризонтальную поверхность, в процессе измерений в конкретный
Таблица 21.2
Высота солнца й* (град) для г. Москвы и Московской области на май—июнь
Число, месяц Декретное (московское время)
5ч 8 ч 11 ч 14 ч 17 ч 20 ч 23 ч
6 мая -4,97 18,13 41,60 49,91 33,72 9,04 -11,27
11 мая -3,65 19,36 42,92 51,22 34,72 10,03 -10,08
16 мая -2,56 20,36 44,01 52,44 35,75 11,04 -8,92
21 мая -1,58 21,24 44,98 53,53 36,66 11,95 -7,89
26 мая -0,26 21,87 45,71 54,51 37,58 12,87 -6,91
1 июня 0,43 22,49 46,43 55,48 38,50 13,78 -5,94
6 июня 0,85 22,98 46,96 56,08 39,00 14,28 -5,37
11 июня 1,15 23,19 47,23 56,55 39,49 14,78 -4,87
16 июня 1,30 23,28 47,36 56,86 39,85 15,14 -4,53
21 июня 1,29 23,23 47,34 57,00 40,07 15,36 -4,35
26 июня 1,13 23,04 47,16 56,96 40,15 15,44 -4,33
288
срок больше 348,9 Вт/м2 и различаются между собой не более
чем на 69,78 Вт/м2 или когда значения (2пр при любых величи-
нах различаются между собой на 34,89 Вт/м2.
Значение эффективного излучения, представляющего собой
алгебраическую сумму разнонаправленных длинноволновых из-
лучений земли и атмосферы, можно определить как остаточный
член уравнения радиационного баланса, если измерены все про-
чие его составляющие:
4ф = Ссум ~ ~ К-
Вычисление суточных сумм суммарной, рассеянной и отра-
женной радиаций производится по данным срочных наблюде-
ний по формуле:
сут .
£Q = QiTi/2+ 1,08 • 104(Oi/2 + 02+ 03+ & + О5/2) + О5т2/2,
где Q], 02, -> Qs ~ средняя месячная (декадная) интенсивность
суммарной (рассеянной, отраженной) радиации в 1-й, 2-й,..., 5-й
стандартный срок наблюдений, Вт/м2; т, — промежуток времени
между восходом солнца и первым сроком наблюдений, с; т2 —
промежуток времени между последним сроком наблюдений и за-
ходом солнца, с.
Месячные (декадные) суммы получаются умножением суточ-
ной суммы на число дней расчетного периода. Суммы прямой
солнечной радиации на горизонтальную поверхность получают
как разность сумм суммарной и рассеянной радиаций. Альбедо
поверхности определяется как среднеарифметическое из значе-
ний альбедо за три срока — 10, 13 и 16 ч по среднему солнечному
времени.
Расчет суточной суммы радиационного баланса производится
по формуле:
сут
±R=(Rl+ ЯзК /2 + (R2 + Л3)т2/2 +... +
+ (R^ + Rn)r^ /2 + (R„ + R,)t„ /2,
где Ry R2, ..., R„ — средняя месячная (декадная) интенсивность
радиационного баланса в 1-й, 2-й, ..., л-й сроки наблюдений;
ть т2,... — промежутки времени между первым и вторым, вто-
рым и третьим сроками и т.д., т„ — промежуток времени между
последним и первым сроками наблюдений.
Имея данные градиентных наблюдений за температурой, влаж-
ностью воздуха и скоростью ветра на уровнях 0,5 и 2,0 м, расчет
289
интенсивности испарения с поверхности (£) и затрат тепла на
процесс конвективного (турбулентного) теплообмена между зем
ной поверхностью и атмосферой (Р) производится по следую
щим формулам при величине параметра шероховатости поверх
ности Zq, равной 0,03 м:
Р = 8,97387»,Д« At, МВт/м2
Е= 0,612- 10 9уае АиАе, м/с.
Здесь поправочный коэффициент у для естественных луговых
поверхностей принимается равным 1/(1—iW)1/4, где Ri— число
Ричардсона, определяющее устойчивость температурной страти-
фикации атмосферы, которое равно (-0,0467)Д//(Дм)2; а, и ае -
коэффициенты, характеризующие зависимость переноса потоков
тепла и влаги от устойчивости стратификации атмосферы и Ше-
роховатости поверхности. Для условий лугового разнотравья при
го = О,ОЗм а, = (1- 84Л/)1/2, ае = 1 + 0,72((1 - 84Я/)1/2- 1);
Дм = «2,0 “ «о,5— разность скоростей ветра на уровнях 2,0 и 0,5 м от
поверхности, определенных в м/с; Д/=/05- /20и Де = ео,5~е2,о~
разности температур воздуха (в °C) и упругостей водяного пара
(влажностей воздуха) (Па) на уровнях 0,5 и 2,0 м от поверхности.
Величина теплопотока В определяется для каждого срока на-
блюдений как остаточный член уравнения радиационно-тепло-
вого баланса поверхности, составленного в единой системе еди-
ниц. Суточные суммы затрат тепла на турбулентный теплообмен,
испарение и теплопоток В рассчитываются аналогично суммам
радиационного баланса.
Все полученные данные заносятся в таблицу 21.3.
Задача 22
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ РАСТИТЕЛЬНОГО
ПОКРОВА И ПОЧВЫ МЕТОДОМ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ВОЛНЫ
Влияние растительности на температурный режим поверхности
почвы и подстилающих пород имеет несколько аспектов. Во-
первых, растительность в зависимости от видового состава, вы-
соты и степени покрытия поверхности (густоты) изменяет струк-
туру радиационно-теплового баланса земной поверхности.
Во-вторых, напочвенный растительный покров (мхи, кустарни-
ки, травостой) являются по отношению к почве теплоизоляци-
онным покрытием, препятствующим передаче тепла от поверх-
ности в грунт в летний период и от грунта в атмосферу— зимой.
В-третьих, растительный покров в значительной мере регулиру-
290
Таблица 21.3
Результаты определения составляющих радиационно-теплового баланса
поверхности
Краткое описание площадки, погодные условия.....................
Составляющие радиационно-теплового баланса, Вт/м2 для срочных в Дж/м2 для суммарных значений Дата
сроки наблюдений (время декретное московское) суммарный иромежуток времени
Прямая радиация Рассеянная радиация Суммарная радиация Отраженная радиация Радиационный баланс Эффективное излучение Альбедо, % Затраты тепла на турбу- лентный теплообмен Затраты тепла на испарение Теплопоток в почву Спр <? Ссум $ я 1зф А р LE В
ет влагообмен между атмосферой и почвой, влияет на теплофи-
зические характеристики почвы и подстилающей породы.
Наиболее существенное влияние на температурный режим
пород оказывают покровы, образующие на почве своеобразный
слой теплоизоляции. К ним относятся моховые, лишайниковые,
кустарничковые, травяные. При геокриологической съемке опре-
делять влияние этих видов растительности на температурный ре-
жим грунтов можно при помощи расчетных методов. В расчетные
формулы входит коэффициент температуропроводности расти-
тельности (АГр). Он определяется в поле по наблюдениям за со-
кращением амплитуды суточных колебаний температуры воздуха
под растительным покровом. Для этой цели на поверхности рас-
тительного покрова и под ним устанавливаются максималь-
ные и минимальные термометры, по которым ежесуточно про-
изводятся одновременные отсчеты температуры и рассчитывается
амплитуда суточных колебаний температуры. Наблюдения ведут-
ся 3—5 дней подряд. На основе осредненных значений амплитуд
Кр рассчитывается по формуле 22.1:
291
к? = Az^/[T(1пЛр - 1пЛп)2], (22.1)
где Т — период колебания (сутки), равный 24 ч; Ар и Ап — амп
литуды (физическое значение) суточных колебаний температуры
соответственно на поверхности растительного покрова и под ним
(т.е. на поверхности почвы), °C; Zp — высота растительного по
крова, м.
Этим же методом можно определить коэффициент температу
ропроводности почвы и грунта (А^). Для этого определяются ам-
плитуды суточных колебаний температуры на поверхности поч-
вы Ап и в грунте Лгр на некоторой глубине z^- Расчет ведется по
формуле (22.1), где вместо Zp подставляется и вместо Ар —
физическое значение А^.
Измерительные приборы
Для измерения амплитуды суточных колебаний температуры
в практике геокриологической съемки широко используются ми-
нимальные и максимальные термометры, работа с которыми
подробно описана в руководствах по метеорологии и климатоло-
гии (Евневич, 1975).
Минимальный термометр служит для определения самой низ-
кой температуры воздуха и почвы между двумя сроками наблю-
дения. В качестве термометрической жидкости в нем применяет-
ся спирт. Термометр имеет вставную шкалу с ценой деления 0,5°.
Резервуар термометра цилиндрический, капилляр на конусе,
противоположном резервуару, имеет расширение, в котором со-
бирается спирт при повышении температуры выше последнего
деления шкалы, здесь же скапливаются пары спирта. В капилляре
минимального термометра внутри спирта помещен небольшой
тонкий стеклянный штифтик с утолщенными тупыми концами.
Он настолько легок, что своим весом не может прорвать пленку
поверхностного натяжения спирта. При вертикальном положе-
нии термометра, резервуаром вверх, штифтик свободно переме-
щается внутри спирта до пленки поверхностного натяжения. В
горизонтальном положении штифт двигается в обратную сторо-
ну под давлением этой пленки (это происходит только при пони-
жении температуры). Если же температура начнет повышаться,
то мениск отойдет от штифта в сторону более высоких темпера-
тур, а штифтик останется на уровне минимальной температуры.
Поэтому устанавливается минимальный термометр всегда в
горизонтальном положении. Во время наблюдений (по возмож-
ности не трогая руками термометр) отсчитывают минимальную
температуру по концу штифта, удаленному от резервуара. После
292
отсчета термометр переворачивают вверх резервуаром, рукой на-
гревают спирт в резервуаре и ждут, пока штифтик не дойдет до
мениска спирта. Затем термометр вновь устанавливается в гори-
зонтальном положении, после чего он готов к следующему на-
блюдению. При установке термометра и отсчете минимальной тем-
пературы необходимо обращать внимание на то, чтобы в столбике
спирта не оказалось пузырьков воздуха, которые могут препят-
ствовать свободному движению штифтика и искажать показания.
Максимальный термометр служит для определения самой вы-
сокой температуры воздуха и почвы между сроками наблюдения.
В качестве термометрической жидкости используется ртуть. Тер-
мометр имеет вставную шкалу с ценой деления 0,5 °C, резервуар
термометра изготовляется в форме цилиндра или шара. Когда тем-
пература повышается, ртуть под действием теплового расшире-
ния проталкивается через узкий зазор между стенками капилля-
ра и стержнем. При понижении температуры ртуть из капилляра
обратно в резервуар не проходит, так как силы молекулярного
сцепления ртути меньше сил трения. Следовательно, столбик ртути
в капилляре фиксирует максимальную температуру.
Максимальный термометр устанавливается горизонтально.
Чтобы не допустить ошибки, рекомендуется при отсчете слегка
приподнять конец термометра, противоположный резервуару.
Перед установкой показания максимального термометра не долж-
ны отличаться от срочного в точке наблюдения более чем на 0,2°.
Для возвращения ртути в резервуар термометр следует охладить и
сильно встряхнуть. Для определения максимальной температуры
под растительным покровом или в грунте термометр необходимо
охладить в термосе со льдом или холодной водой, встряхнуть и
быстро установить в подготовленное место.
И максимальный и минимальный термометры, установлен-
ные над растительным покровом, следует покрывать козырьком,
чтобы их резервуары не нагревались непосредственно солнечны-
ми лучами.
Оборудование температурной площадки
1. В пределах площадки съемки на основе ландшафтного рай-
онирования выбираются участки с характерным растительным
покровом. Чтобы сохранить покров от нарушений в процессе про-
изводства наблюдений, площадку размером 1,5 х 1,5 м огражда-
ют шнуром или веревкой, протянутой на высоте 0,5 -г 0,7 м от
поверхности.
2. Для определения Кр и устанавливают три или четыре
пары термометров. В пару входят максимальный и минимальный
293
термометры. При определении и на площадках с легко
деформирующимися растительными покровами (травяные, су-
хие лишайниковые и т.д.) используют четыре пары термометров:
в одной стороне площадки устанавливают две пары термометров
для определения К?, в другой — для определения AL. Отдельно
устанавливается пара термометров для определения лф, когда на
площадке развит густой и высокий растительный покров, а амп-
литуда суточных колебаний температуры мала. В этом случае для
определения Аф растительный покров частично или полностью
удаляется.
3. На мало деформируемых растительных покровах (моховых,
мохово-кустарничковых и лишайниково-кустарничковых) и при
большой амплитуде суточных колебаний температуры можно ра-
ботать тремя парами термометров, установленных на одной вер-
тикали над растительным покровом, под ним (на поверхности
почвы) и в грунте.
4. Для установки термометров над травяным и кустарничко-
вым покровами их укрепляют горизонтально на рейках так, что-
бы резервуары максимального и минимального термометров схо-
дились в одной точке, но не соприкасались. На плотных (мохо-
вых и мохово-кустарничковых) покровах термометры можно
располагать непосредственно на их поверхности.
5. Термометры под растительным покровом устанавливают так-
же горизонтально, их резервуары должны находиться на одной
вертикали с' резервуарами верхней пары термометров.
6. При определении сначала устанавливают термометры в
грунте. Для этого у края площадки, срезав аккуратно дернину,
вырывают шурф длиной 0,3 м (по длине минимального термо-
метра, чтобы его можно было в горизонтальном положении ус-
тановить в грунте), шириной 0,2 и глубиной 0,1 4- 0,15 м. Произ-
водится описание разреза, отбор образцов на плотность и влаж-
ность. В узкой стенке шурфа, обращенной к центру площадки,
высверливается два отверстия длиной 0,2 м по диаметру термо-
метров. После установки термометров шурф засыпается и при-
крывается дерниной.
7. Термометры на поверхности почвы должны располагаться
так, чтобы их резервуары находились на одной вертикали с ре-
зервуарами термометров, установленных в грунте.
8. После подготовки площадки проверяют правильность уста-
новки всех термометров.
9. При вводе в работу максимальных термометров необходи-
мо помнить: температура, которую показывает термометр в мо-
мент установки, не должна быть выше срочной температуры в
точке измерения; после ввода в работу максимального термо-
294
метра необходимо избегать соприкосновений с его резервуаром,
иначе можно сильно исказить результаты измерений; макси-
мальный термометр вводится в работу после установки мини-
мального термометра.
10. При работе с минимальным термометром необходимо: ус-
танавливать термометр строго горизонтально; чтобы перед уста-
новкой термометр показывал температуру выше срочной темпе-
ратуры в точке измерения; убедиться, что в столбике спирта нет
пузырьков воздуха.
11. Порядок ввода термометров в работу: 1) измеряется сроч-
ная температура грунта на глубине установки термометров; 2) ми-
нимальный термометр нагревается до температуры выше сроч-
ной, штифт должен находиться около мениска; 3) в горизонталь-
ном положении минимальный термометр вводится в грунт;
4) охлаждают и стряхивают максимальный термометр до темпе-
ратуры ниже срочной температуры грунта; 5) быстро ставят тер-
мометр в грунт и проверяют еще раз, чтобы термометр показы-
вал температуру не выше срочной температуры грунта. Если дос-
тичь этого не удалось, процедуру повторяют; 6) присыпают шурф,
укладывают дернину; 7) вводят в работу сначала минимальный, а
затем максимальный термометр на поверхности почвы с учетом
срочной температуры на этой поверхности; 8) в последнюю оче-
редь вводят в работу минимальный, а затем максимальный тер-
мометры, установленные над растительным покровом.
12. Фиксируется время ввода термометров в работу.
Методика измерений
Ровно через сутки после ввода термометров в работу произво-
дят регистрацию их показаний в следующем порядке:
1. Снимают показание максимального термометра, установ-
ленного над растительным покровом, приподняв конец термо-
метра, противоположный резервуару. Следует оберегать резерву-
ар от прикосновений, так как это может привести к резкому ис-
кажению отсчета.
2. Не трогая минимальный термометр руками, записать мини-
мальную температуру по положению удаленного от резервуара
конца штифта. Убедиться, что мениск спиртового столбика уда-
лен от этого конца штифта и показывает срочную температуру
(это подтверждает, что термометр не сместился из горизонталь-
ного положения). Записать срочную температуру в скобках рядом
со значением минимальной температуры. Проверить, не образо-
вались ли в столбике спирта пузырьки газа.
295
3. Снять показания сначала максимального, а затем минималь
ного термометров под растительным покровом (на поверхности
почвы) с учетом рекомендаций, изложенных в пунктах 1 и 2.
4. Снять дернину, удалить грунт из шурфа. Не вынимая из грунти
резервуар максимального термометра, а только чуть приподняп
противоположный конец, снять значение максимальной темпе
ратуры грунта. Аккуратно, не меняя горизонтального положения
минимального термометра и не вынимая резервуара из грунта,
записать значение минимальной суточной и срочной температу
ры грунта. Обратить внимание, нет ли пузырьков газа.
5. Сразу после снятия отсчетов рассчитать амплитуды суточ •
ного колебания температуры на различных уровнях. Проанали •
зировать полученные результаты, при наличии погрешностей-
их причины, учесть их при вводе площадки в работу на следую-
щие сутки.
6. Ввести термометры в работу на следующие сутки.
7. Отсчеты температур на площадках берутся один раз в сутки
в одно и то же время (утром до наступления суточного максиму-
ма или вечером после него). Причем, если в течение этого време-
ни выпал дождь или большая роса, наблюдения необходимо по-
вторить. Наблюдения можно считать законченными, если в тече-
ние любых трех суток разница отношения Ар /Ап не превышает
0,5+1,0.
8. После окончания цикла наблюдений повторить опробыва-
ние разреза на плотность и влажность.
Обработка результатов
1. Рассчитать средние (из трех суток) значения амплитуд су-
точных колебаний температуры над растительностью, под ней
(на поверхности почвы) и в грунте.
2. По формуле (22.1) рассчитать Кр и
3. При наличии данных по влажности и плотности грунта (сред-
ние значения из двух определений) рассчитать коэффициент теп-
лопроводности грунта (X) по формуле X = С„ где Cv— объем-
ная теплоемкость грунта.
Задача 23
ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОРОД
Изучение температурного режима пород является одним из
важнейших видов полевых геокриологических исследований. С
помощью температурных наблюдений в скважинах могут решаться
296
следующие задачи: изучение закономерностей формирования
температурного режима пород в слое годовых колебаний темпе-
ратуры; определение мощности этого слоя (Н) и среднегодовой
температуры пород (tcp); изучение распределения температуры
ниже слоя ее годовых колебаний в многолетнемерзлых и талых
породах и ее многолетней динамики; определение мощности
многолетнемерзлых пород и таликов; изучение динамики и глу-
бины сезонного промерзания и оттаивания пород и др. Распреде-
ление температуры в горных породах называется их температур-
ным полем. Температурное поле полностью определено, если
известны значения температуры во всех точках исследуемого мас-
сива в каждый заданный момент времени.
На практике о температурном поле в горных породах чаще
всего судят по данным наблюдений в скважинах, в которых тем-
пература измеряется через определенные интервалы по глубине
и в определенные моменты времени. Обычно при проведении
мерзлотной съемки используют следующие характеристики тем-
пературного режима пород: 1) амплитуду годовых колебаний тем-
пературы на поверхности почвы (под снежным, растительным
или водным и другими покровами) Л()и среднегодовую темпера-
туру этой поверхности г0; 2) среднегодовую температуру пород на
подошве слоя сезонного промерзания или оттаивания 3) тем-
пературу пород 1И на глубине нулевых годовых амплитуд Я; 4) гео-
термический градиент# и распределение температур в толще пород
ниже слоя годовых колебаний температур. В области развития
многолетнемерзлых пород рассматривается распределение тем-
пературы от подошвы слоя годовых ее колебаний до подошвы
многолетнемерзлых толщ и распределение температуры ниже
мерзлой толщи. Одним из основных параметров, характеризую-
щих температурный режим пород, является температура на глу-
бине нулевых годовых амплитуд. Она постоянна в течение года.
Ее можно получить расчетными методами или с помощью натур-
ных наблюдений. Круглогодичные наблюдения за температурой
пород при проведении мерзлотной съемки не всегда возможны,
поэтому для определения среднегодовой температуры пород ис-
пользуется приближенный метод по «единовременному замеру
температуры в скважине».
Глубина скважин, их оборудование, выбор типа термомет-
рических датчиков, интервалы их установки и режим измере-
ния зависят от целей геокриологических исследований, мощ-
ности исследуемой зоны и особенностей геологического, гео-
криологического и гидрогеологического строения изучаемого
разреза.
297
Типы термометрических датчиков
Для измерения температуры пород обычно используются кос
венные методы измерения, основанные на свойствах различны1!
материалов изменять свой объем, электрическое сопротивление,
индуцировать ЭДС, менять длину или частоту испускаемой элек
тромагнитной волны в зависимости от температуры. В соответ
ствии с этим в качестве датчиков использу-
ются твердотельные, газовые и жидкостные
термометры, электрические термометры со-
противления, оптические пирометры. В поле-
вых исследованиях наибольшее распростране-
ние получили жидкостные и электрические
термометры.
Инерционные жидкостные термометры. Для
измерения температуры пород в скважинах
применяются инерционные (заленивленные)
жидкостные термометры. Они представляют
собой обычные срочные метеорологические
термометры, теплоприемник которых помеща-
ется в чехол из теплоизолирующего материа-
ла. Такие термометры благодаря повышенной
инерционности не меняют показаний в тече-
ние времени, достаточного для извлечения их
из скважин и снятия отсчета.
Принцип действия жидкостных термомет-
ров основан на свойстве жидкости изменять
объем при изменении температуры. В качестве
термометрической жидкости используют обыч-
но ртуть, спирт или толуол. Чаще применяют-
ся ртутные термометры как более точные.
Жидкостные термометры состоят (рис. 5.2)
из заполненного жидкостью стеклянного ре-
зервуара 1 (теплоприемник) с коэффициен-
том линейного расширения намного меньше,
чем у ртути, переходящего в капилляр 2, шка-
лы деления 3 и защитной стеклянной труб-
ки 4. В термометрах обычно используется шкала
Цельсия, где точка кипения воды 100°. В гео-
криологии широко применяются ртутные
психрометрические термометры типа ТМ-бс
Рис. 5.2. Устройство инерционного жидкостного термо-
метра
298
лия 0,2° (допускается
цилиндрическим резервуаром и ценой деле^ ’
производство отсчета с точностью 0,1°). ___
v проходит поверку —
Каждый термометр после изготовления Р термомет-
показания термометра сравниваются с пот ВЫЗывают-
ра-эталона. Погрешности в показаниях тер .
ся: не вполне строгой цилиндричностью ка11ИЛЛЯРа’ р
ным изменением объема жидкости при разгых температур ,
г» поверки выясняются
точностью разбивки шкал и др. В результате пи указыва-
поправки в разных частях шкалы термометр ’
г- ;мени температурные
ются в поверочном паспорте. С течением вр _ „„„„„ „
к г , ксла, сбивка шкалы и
поправки могут измениться (старение стег ’ _____
др.), поэтому рекомендуется не реже одногс* Раза в Р
поверку нулевой точки термометра. измерения
Заленивленные термометры, применявm ОННОС1Ъ1О (вре-
температуры в скважинах, характеризуются меняются) и
мя, в течение которого показания термом^Ра » мает
временем экспозиции (в течение которого i ₽ теимпературы в
температуру окружающей среды). Для изме»~
скважинах различной глубины необходим1*1 тер P
личной инерционностью. Чем глубже расположВН
с. г атупой в точке изме-
рения, чем больше разница между темпера УР быть
рения и температурой воздуха, тем болып
ционность термометра. _____
Инерционность термометра (см. рис. 5 2>и°Хми свойства-
щинои изготовленного чехла и теплоизол/ц"и ст Изгагов_
ми материала. Обычно применяют пористы^ теПЛОприеМник 1.
ленный из этого материала чехол 5 надеваю/ запаянный с одной
В таком виде термометр плотно вставляют „ т?п.
стороны стеклянный футляр 6 (трубку), н? веРхнии_к
к \ кд j/» КОЛьцо 7. после чего
мометра надевают резиновое уплотнительно ИЗОляцион-
футляр запаивают. Стеклянный футляр пре/ и _______
„ зеовуар ~ от внешне-
ный материал от увлажнения, а ртутный ре?р от меХани-
го гидростатического давления. Для предсГ**' «ставля-
ческих повреждений стеклянный футляр с боковой
ют в пластмассовый или металлический J
я термометра сделана
поверхности которого на всю длину шкалг
н ж ра обертывают изоля-
смотровая щель. Концы стеклянного футляр
„ „ n _ одил в корпус, торце-
ционнои лентой 9 так, чтобы он плотно рубками 10.
вые концы корпуса плотно закрывают Рези1 Гобводнен-
Это позволяет производить измерения темг* и
гт н поправка на внешнее
ных скважинах. По имеющимся данным, 11и и
давление может составлять 0,1—0,15 °С/атм ‘ л
В лабораторных условиях инерционное/1* теРм МеТр„__Р ттпя
ляют для реальных при работе в поле пере/1^534 темпеР
299
этого заленивленный термометр в течение 3—4 ч (время экспози
ции) выдерживают при одной температуре (в холодильном шка
фу или в термостате), после чего переносят в среду с другой
температурой, одновременно засекая время, по истечение кото
рого показание термометра начинает изменяться.
Электрические термометры сопротивления. Принцип действия
электротермометров сопротивления (ЭТС) основан на свойстве
проводников и полупроводников изменять электрическое сопро
тивление в зависимости от температуры. Термометры сопротив
ления, изготовленные из металлов, называют термометрами со
противления металлическими (ТСМ), а изготовленные на базе
полупроводников— терморезисторами.
Электротермометры выгодно отличаются от жидкостных воз
можностью дистанционных измерений. К их достоинствам отно-
сятся высокая точность, компактность, незначительная инерци-
онность, позволяющие использовать их в различных условиях и
на любых объектах. Эти датчики можно вморозить непосредствен-
но в грунт без специального оборудования скважин. Электричес-
кие датчики целесообразно использовать для измерения темпе-
ратур в глубоких скважинах, при стационарных режимных на-
блюдениях, а также для детального изучения температурного
режима пород в слое сезонного оттаивания (промерзания).
Металлические термометры сопротивления представляют собой
чувствительный элемент в виде спирали из тонкой проволоки. К
их достоинствам следует отнести линейность температурной зави-
симости сопротивления датчиков и стандартную заводскую граду-
ировку. Термометры сопротивления изготавливают из химически
стойких чистых и драгоценных металлов: технической платины,
золота, серебра, чистой меди. Температурная зависимость элект-
рического сопротивления этих материалов в диапазоне от —50 до
+ 180° описывается выражением Rt = /^(1 + X/), где R— сопротив-
ление при температуре Г, Rq— сопротивление при 0°; X— темпера-
турный коэффициет сопротивления. Электротермометр характе-
ризуется двумя параметрами Rq и X, значения которых у ТСМ за-
водского изготовления прилагаются в паспорте.
В практике геокриологических исследований широко применя-
ются ТСМ, изготовленные из меди: X меди равен 4,29 • 10-31/°С,
т.е. с повышением температуры на 1° электросопротивление уве-
личивается на 0,4%. При номинальном сопротивлении медных ТСМ
в диапазоне 52—235 Ом изменение температуры на 0,Г (точность
полевого измерения температуры пород) приводит к изменению
сопротивления датчиков соответственно на 0,02—0,1 Ом. Это вы-
зывает необходимость применения высокоточных измерительных
приборов и учета сопротивления подводящих проводов.
зоо
Терморезисторы— это ЭТС, изготовленные на базе полупро-
водниковых материалов. Наиболее распространенные марки—
ММТ (медно-марганцевые) и КМТ (кобальто-марганцевые).
Форма и размеры терморезисторов разнообразны; они могут быть
изготовлены в виде: цилиндров, таблеток, бусинок и размером с
булавочную иголку (микрорезистор Карманова). Принцип дей-
ствия терморезисторов аналогичен металлическим ЭТС и осно-
ван на зависимости сопротивления от температуры, но темпера-
турный коэффициент в десятки раз больше. Диапазон темпера-
тур, измеряемых терморезисторами, от —100 до +300°. В диапазоне
от —30 до +30° зависимость электрического сопротивления тер-
морезистора от температуры хорошо аппроксимируется экспо-
ненциальной функцией вида:
RT =RTo е г»г ,
(23.1)
где RT, RT — сопротивление терморезистора соответственно при
данной температуре Т и стандартной температуре То (обычно
То = 273 °К); В — постоянная, определяемая свойствами материала.
Терморезисторы имеют номинальное сопротивление тысячи
и десятки тысяч Ом и характеризуются высоким температурным
коэффициентом сопротивления, который составляет 3—6% на Г.
Это позволяет применять для измерения сопротивлений простые
измерительные схемы, так как сопротивление подводящих про-
водов пренебрежимо мало по сравнению с номинальным сопро-
тивлением самих терморезисторов и значительно меньше оши-
бок, допускаемых при измерениях сопротивлений.
Существенным недостатком терморезисторов являются зна-
чительные различия в номинальных сопротивлениях датчиков не
только одной марки, но даже одной партии (отклонения от но-
минала могут достигать ±20%); объясняется это неоднороднос-
тью микроструктурного строения материала. Поэтому приходит-
ся тарировать каждый терморезистор. Кроме того, под влиянием
перепадов температуры происходит изменение микроструктуры
полупроводников и так называемое «старение» терморезисторов,
что вызывает со временем изменение их номинального сопро-
тивления. Целесообразно перед тарировкой проводить искусст-
венное старение датчиков путем многократного нагревания и
охлаждения.
Измерительная аппаратура. Для измерения температуры с по-
мощью ЭТС применяются различного класса мосты постоянно-
го тока, выполненный в виде: аналоговых приборов, например
МО-62, Р4833 с клас<^| точности 0,1; переносных цифровых
301
универсальных приборов типа В-7-35, РВ7-32 (с АЦП — анало
го-цифровым преобразователем); стационарных цифровых мо
дификаций типа Щ-34; различного рода стационарных самопис
цев типа КСП-4, осуществляющих запись развертки сигнала во
времени. Последние используются при организации дистанци-
онных измерений на специальных стационарах с передачей сиг-
нала по проводам. В последние годы в практике геокриологичес
ких исследований начинают использоваться программируемые
электронные накопители информации, размещаемые вблизи на-
блюдательного куста скважин, которые периодически ее переда-
ют, либо непосредственно на персональный компьютер типа «Lap
Тор» или «Notebook», либо с помощью радиосигнала в соответ-
ствующий центр. ЭТС может быть включен в мост по двух- и
трехпроводной схеме (рис. 5.3).
Двухпроводная схема соединения термодатчиков с мостом
является наиболее простой. В ней подводящие провода, идущие
от ЭТС к измерительному прибору, являются частью измеряемо-
го сопротивления, которое включается в мост как одно из его
четырех плеч. При включении батареи в гальванометре отсутствует
ток, если сопротивления 7^, Rlt R2 и R* отвечают соотношению
(Rx + Rab + RcdyR^ = R\/Ri wmRx+Rab+Rcd= RJ^/Rf Отношение
R\/R2 постоянно, следовательно, при равновесии моста значение
Rx + Raf, + Rcd определяется через переменное сопротивление мо-
ста (7^). Сопротивление подводящих проводов Rab и R^— ве-
личина переменная, учесть ее при использовании двухпровод-
Рис. 5.3. Подключение ЭТС к измерительному мосту по двухпроводной (Л) и трех-
проводной (Б) схемди?
Г — гальванометр; Б — батарея питания; и Я2 — по^тййфНые и R} — переменное сопротив-
ления моста; R* — сопротивление ЭТС; ab «BijV подводящие провода
302
ной схемы невозможно. Поэтому схему такого рода применяют
для температурных измерений в тех случаях, когда сопротивле-
ние проводов пренебрежимо мало по сравнению с сопротивле-
нием датчика Rx, т.е. при работе с терморезисторами.
Трехпроводная схема подключения к мосту дает возможность
исключить влияние подводящих проводов. Основное ее отличие
от двухпроводной заключается в том, что батареи присоединя-
ются непосредственно к электротермометру. В этом случае Я] и
Я2 остались без изменений, к магазину сопротивлений Ям приба-
вилось некоторое неизвестное нам и меняющееся с изменением
температуры сопротивление /^(сопротивление одного из соеди-
нительных проводов), четвертое плечо моста состоит из сопро-
тивления электротермометра и другого соединительного провода
Ях+ Rab. При отсутствии тока в гальванометре можем написать:
(Rx+ Rab)/(RM + Rcd) = Я]/Я2. Если Я( = Я2, то Rx= RM при усло-
вии, что Rab — Rcd. Следовательно, при работе по трехпроводной
схеме необходимо равенство сопротивлений ветвей соединитель-
ных проводов. Третий провод, идущий от батареи к электротер-
мометру, может быть любым как по сопротивлению, так и по
изоляции.
> *
Методика измерений
Измерения в скважинах проводятся термометрическими ком-
плектами, в состав которых входят несколько датчиков. В прак-
тике термометрические комплекты чаще называют косами или
связками. При изучении динамики сезонного промерзания и от-
таивания пород датчики располагаются через 0,1— 0,2 м; при изу-
чении слоя годовых колебаний температур расстояние между дат-
чиками изменяется от 0,5—1,0 до 2,5 м; при измерении темпера-
туры ниже этого слоя интервал между датчиками увеличивается
до 5—25 м и более. Для уточнения границ талых и мерзлых пород
в разрезе интервал между датчиками следует сокращать. В табл. 23.1
приведены наиболее широко используемые интервалы располо-
жения датчиков. При интервале между датчиками менее 0,5 м, а
также при измерении температуры на глубинах более 100 м целе-
сообразно использовать электротермометры.
Оборудование скважин. При работе с инерционными термо-
метрами оборудование скважин во многом определяется строе-
нием разреза отложений. На скважинах, пробуренных в скаль-
ных породах с маломощным чехлом рыхлых отложений, доста-
точно сделать обсадку (установить кондуктор) на мощность
рыхлого чехла (в талых породах) или сезонноталого слоя на ММП.
Это позволяет защитить скважину от осыпания и проникновения
303
Таблица 2.1 I
Рекомендуемые интервалы установки датчиков в скважинах
Область исследования Интервалы глубин от устья скважины (м) Интервалы между датчиками (м)
Сезонноталый (сезон- номерзлый) слой любой 0,1-0,2
Слой годовых колебаний температур 0-5 5-10 10-25 0,5 1,0 2,5
Ниже слоя годовых ко- лебаний температур 25-50 50-100 более 100 5,0 10,0 20-25
надмерзлотных вод. Кондуктор должен закрываться крышкой, так
как попадание влаги в ствол скважины на мерзлых породах при-
водит к примерзанию косы. При наличии таликов в разрезе ММП
целесообразно устанавливать наблюдательные трубы (металли-
ческие или пластмассовые) на всю глубину скважины, предус-
мотрев их гидроизоляцию. При работе с косами ЭТС можно про-
водить измерения в скважинах и без специального их оборудова-
ния. Для организации режимных наблюдений в неглубоких (на
слой годовых колебаний температуры) скважинах практически
всегда устанавливаются наблюдательные трубы.
Термометрические комплекты и проведение измерений. Инерцион-
ные термометры собираются в косы путем подвязывания их на шнур
или провод. Термометр подвязывают за кольцо особым узлом, что
позволяет легко снять со связки или заменить любой из термомет-
ров, не отвязывая остальных. При изготовлении связок не рекомен-
дуется устанавливать более 10—15 термометров в одной косе.
При измерении температуры в глубоких скважинах целесооб-
разно использовать несколько кос, устанавливая их последова-
тельно на разных глубинах. В скважину сначала опускают ниж-
ние связки (начиная с нижнего термометра), затем верхние, а
вытаскивают наоборот — сначала верхние. Косы в скважинах вы-
держиваются не менее 3—4 ч (время экспозиции). Производство
отсчетов проводится начиная с первого термометра верхней связки.
Подъем нижних связок можно ускорить с помощью воротка или
геофизических катушек. Измерение производится двумя наблю-
дателями. Запись результатов проводится по форме А (табл. 23.2).
Термометрический комплект ЭТС представляет собой много-
жильный кабель с подключенными к нему в определенном по-
рядке термодатчиками. Связки ЭТС могут изготавливаться лю-
304
Таблица 23.2
Запись измерения температуры пород
Номер скважины.........
Адрес.................................................
Элемент рельефа...........
Характеристика ландшафта 77'7777 '"7'77”7
Тип измерительных датчиков и номер косы...............
А. Инерционные термометры
Глубина установки термометра, м t, ’С Примечание
Б. Электротермометры сопротивления
бой длины с любым количеством датчиков. В отличие от работы
с заленивленными термометрами коса ЭТС в момент производ-
ства отсчета находится в скважине, что обеспечивает более вы-
сокую точность измерения температурь! и возможность конт-
рольного замера.
Монтаж комплектов терморезисторов ведется по двухпровод-
ной схеме. В монтажной схеме комплект^ один из проводов мо-
жет быть общим для всех датчиков. Однако для повышения на-
дежности комплекта целесообразнее оба подводящие провода
каждого датчика выводить на переключатель самостоятельно. Важ-
ной частью монтажа кос является гидроизоляция терморезисто-
ров. Датчики и места пайки их к соединительным проводам по-
мещаются в алюминиевые или латунные гильзы и заливаются
эпоксидной смолой. При монтаже термометрической косы сле-
дует избегать перегрева терморезисторов. После изготовления косы
желательно произвести вторичную тарировку датчиков, поскольку
при монтаже могло произойти изменений их параметров.
Монтаж датчиков ТСМ в комплекты осуществляется по трех-
проводной схеме. Отдельные линии подводящих проводов комп-
лекта следует делать из целого провода, без спаев в промежутке
между датчиками и переключателем. Это обеспечивает надежную
гидроизоляцию провода. Соединение подводящих проводов с дат-
чиком изолируют эпоксидной смолой.
305
Производство термометрических наблюдений проводится и
следующем порядке. Коса ЭТС опускается в скважину, переклю
чатель закрепляется на выступающей части обсадной трубы или
устья скважины. Через 0,5 ч (время экспозиции) концы измери
тельных проводов косы подключаются к мосту сопротивлении
(по двух- или трехпроводной схеме), с помощью переключатели
подключается первый датчик, замеряется его электрическое со
противление и по тарировочным таблицам определяется темпе
ратура в точке измерения. Затем последовательно подключаются
остальные датчики. Измерения могут быть выполнены одним на
блюдателем. Запись результатов производится по форме Б (см
табл. 23.2).
Обработка результатов
При обработке данных температурных измерений в скважи
нах можно строить графики, показывающие изменение темпе-
ратуры во времени на определенных глубинах. Результаты ре-
жимных наблюдений принято обрабатывать в виде графиков рас-
пределения температур во времени и по глубине (рис. 5.4, а).
Такие графики особенно показательны при изучении динамики
температурного режима СТС (СМС) и теплового взаимодействия
сооружений с ММП. Также широко применяется построение
графиков изменения температуры по глубине на момент изме-
рения (рис. 5.4, б).
а б
а — во времени и по глубине — термоизоплеты; б — по глубине на определенный момент
времени; I — снежный покров
306
Определение среднегодовой температуры пород
по единовременному замеру температур в скважине
При периодических колебаниях температуры на поверхности в
течение длительного времени в грунте устанавливаются колеба-
ния температуры с тем же периодом Т, причем амплитуда колеба-
ний экспоненциально убывает с глубиной (первый закон Фурье):
Az = А^ег4^, (23.2)
отсюда
z=y]KT/n 1п(4/Лг), (23.3)
где z— мощность слоя, на поверхности которого амплитуда ко-
лебаний равна Ао, а на его подошве Лг; К— коэффициент темпе-
ратуропроводности грунтов. В случае годовых колебаний темпе-
ратуры (7'= 8760 ч) при Az = Ан = е, где е— точность измерения
температуры в скважинах (обычно е = 0,1 °), в пределах которой
можно принять, что колебания при z — И практически затухают,
Н является глубиной распространения годовых колебаний тем-
пературы (глубина «нулевых» годовых амплитуд). Тогда уравне-
ние (23.3) можно записать в виде
Н=^КТ/п In (Д)/0,1). (23.4)
Согласно уравнению (23.4) глубина распространения годовых
колебаний температуры определяется двумя факторами— коэф-
фициентом температуропроводности грунтов и величиной амп-
литуды на поверхности земли. Справедливость этого закона со-
блюдается для тех районов, где нет ни многолетнего, ни сезон-
ного промерзания. При наличии сезонного промерзания фазовые
переходы существенно искажают эту закономерность. В этом случае
следует рассматривать Н как сумму + й, где h— глубина рас-
пространения годовых колебаний температур, считая от подо-
швы слоя (рис. 5.5 а).
Глубина h может быть рассчитана по формуле(23.4), так как
фазовые переходы в этом случае отсутствуют. Глубина h будет
определяться амплитудой годовых колебаний температуры на
подошве слоя % (А^ и теплофизическими характеристиками по-
род в слое й. При отсутствии асимметрии огибающих темпера-
турных кривых (рис. 5.5, а) А^ должна равняться следователь-
но:
И = £ + й; h=y/~KT/n In (^/0,1). (23.5)
307
Рис. 5.5. Определение среднегодовой температуры по единовременному замеру
температур в скважине:
а — без учета геотермического градиента; б — с учетом геотермического градиента
Без учета геотермического градиента (рис. 5.5, а) Гн можно
принять равной tg Имея температурную кривую на любой мо-
мент измерения в скважине, можно путем подбора значений h
найти значение tH, которое и будет приближенно характеризо-
вать среднегодовую температуру разреза.
При наличии геотермического градиента будет отличаться
от /н на некоторую величину (рис. 5.5, б). Геотермический гради-
ент может быть определен из уравнения g — (thl — th)/(h\ - h), где
th\ — температура пород на некоторой глубине А1 ниже слоя
нулевых годовых амплитуд. В соответствии с этим = th - (/А1 —
— — h). Принимая А^ = можно записать:
h=jKT/n 1пфА - (/А1 -/А)Л/(Л1-Л)]/0,1} (23.6)
Имея график распределения температуры с глубиной на мо-
мент исследования (рис. 5.4, б), построенный по данным темпе-
ратурных наблюдений в скважине, задачу можно также решить
методом подбора. При этом необходимо иметь в виду, что А1 долж-
на быть больше Л не менее чем на Юм. К графику прилагается
геологическая колонка с характеристикой отложений по составу
и теплофизическим свойствам с указанием глубины сезонного
промерзания (оттаивания).
308
Для того чтобы найти среднегодовую температуру пород tH,
необходимо определить глубину Н. В случае безградиентной тем-
пературной кривой с предполагаемой глубины h, отсчитанной от
подошвы слоя (мощность слоя дана на разрезах скважин),
снимается значение температуры, которую принимают равной
I рассчитывается средневзвешенное значение АГ для слоя й. Зна-
чения /А, h и АГ подставляются в уравнение (23.6). Расчет повторя-
ется до тех пор, пока выбранные значения th и h не обеспечат
тождества. В этом случае глубина (й + ^) является глубиной нуле-
вых годовых амплитуд, а температура пород на этой глубине и
есть искомая температура. Аналогично решается задача и с уче-
том геотермического градиента.
Задача 24
ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПОРОД зондовыми
МЕТОДАМИ
Интенсивность процессов тепло- и массообмена в талых и мерз-
лых грунтах зависит от теплофизических параметров, характери-
зующих их теплопроводящие и теплоаккумуляционные свойства.
Теплофизические характеристики желательно определять в есте-
ственных условиях при минимальных нарушениях сложения, теп-
лового и влажностного режима массива пород. В настоящее вре-
мя для их определения широко используются зондовые методы,
принцип действия которых состоит в том, что в массив внедря-
ется искусственный тепловой источник (зюнд), «возмущающий»
естественное температурное поле около него со скоростью, кор-
редирующейся с теплопроводящей способностью пород. Фикси-
руя при опробовании темп релаксации температурного поля, на-
ходят опытные значения теплофизических параметров (одного
ИЛИ нескольких), характеризующих конкретную разновидность
породы. По форме зонды бывают трех типов: плоские, цилинд-
рические и сферические; по типу режима: импульсные, постоян-
ной мощности, изотермические и т.д.; по назначению: скважин-
ные, шурфовые, для работ в придонном слое водных акваторий
и т.п. Основная проблема при использован ии зондовых методов—
это обеспечение хорошего теплового контакта с исследуемой
породой. Они эффективны при опробовании талых дисперсных
пород, в скважинных модификациях зонд внедряется с помо-
щью» либо механических приспособлений,, либо сжатого воздуха.
В скальных и мерзлых дисперсных породах: необходимы дополни-
тельные мероприятия по установке зондов (сверление отверстия
лдЯ датчика и т.д.). Для крупнообломочн ых пород применение
зондовых методов проблематично. При проведении опробований
309
талых и мерзлых пород в шурфах широко используются цилипд
рический и плоский зонды постоянной мощности.
Теория методов
При теоретическом обосновании метода цилиндрического зон
да постоянной мощности используется математическое решение
задачи о распространении тепла от бесконечно тонкого и длин
ного источника, внедренного в однородную изотропную среду и
выделяющего осесимметричный поток тепла постоянной мощ
ности. Распределение температуры в породе описывается реше-
нием уравнения теплопроводности:
С; Э T/dt = X [Э2 Т/дг2 + (1 /г) Э Т/дг], (24.1)
где: к — коэффициент теплопроводности породы; г— расстоя-
ние от источника тепла; Т(г, /)— температура породы в точке г,
t — время, С, — объемная теплоемкость, принимаемая постоян-
ной и равной величинам Ст и См соответственно для талых и
«низкотемпературных» мерзлых пород и переменной для
«высокотемпературных» мерзлых пород:
С/= Су-при Т > Ти,; С/= См, при Т < -3-^—5°;
Сэф(7)= См + L(dYCK Wm(T)/dT) при ТИЗ > Т > -3 + -5’,
где: ТКЗ — температура начала замерзания, — содержание
незамерзшей воды, YCK — объемная масса скелета пород, L — удель-
ная теплота замерзания (оттаивания).
Задача рассматривается при следующих краевых условиях:
распределение температуры в начальный момент времени
Т\г, 0) = То, при 0 < г < гт; (24.2)
граничные условия
Л°о, t) = То при t > 0 (24.3)
Qi = 2nkrdT/dr = const при t > 0, (24.4)
где Q/— мощность теплового потока, выделяемого с единицы
длины зонда, гт— радиус теплового влияния зонда.
В общем случае решение сформулированной системы уравне-
ний можно получить путем численной реализации на ЭВМ. Од-
нако в случаях, когда теплоемкость можно считать постоянной,
что реализуется при опробовании зонда в талых и «низкотемпе-
ратурных» мерзлых породах, система имеет аналитическое реше-
310
ние. Исключая начальный период стадии «нагрева» зонда и его
«остывания», который оценивается из условия (4аг/г2»1), при-
ближенное решение будет иметь вид:
Т- То =((?,/4^)7 (О, (24.5)
гдеД?) = In t при dT/dt > 0 и ДО = 1п[//(/ - /))] при dT/dt < 0. Здесь:
— время выключения источника нагрева зонда, делящие весь
период опробования на стадию «нагрева» (dT/dt> 0) и «остыва-
ния» (dT/dt < 0); а— коэффициент температуропроводности.
Уравнение (24.5) представляет уравнение прямой, по вели-
чине тангенса угла наклона которой в полулогарифмических
координатах можно рассчитать значение коэффициента тепло-
проводности. Полученные решения применимы не только для
точек, удаленных от источника тепла, но и для самой поверх-
ности источника, что позволяет монтировать измеритель тем-
пературы на самом зонде. Приближенные решения весьма про-
сты и удобны для расчета. Оценка пределов применимости этих
решений позволяет сделать вывод, что они практически спра-
ведливы через 20—50 с после включения и выключения нагре-
ва зонда. Из одного опыта можно рассчитать теплопроводность
в стадиях «нагревание» и «остывание», которые длятся 15—20 мин.
Совпадение этих величин в пределах точности метода служит
критерием чистоты проведенного эксперимента. Аналитичес-
кое уравнение (24.5) может быть использовано и для нахожде-
ния коэффициента теплопроводности в высокотемпературных
мерзлых породах до температур не выше —1 -г —0,7°. Для реа-
лизации данной методики необходимо существенно ограни-
чить электронагрев нити зонда (перегрев не более 0,2°), изме-
рительная аппаратура должна фиксировать «шаг» изменения
температуры 0,02—0,05°. Время проведения измерения в обоих
режимах следует увеличить на 50—100% по сравнению с време-
нем измерения коэффициента теплопроводности в талых грун-
тах. Минимальная мощность опробуемого слоя породы должна
быть не менее 10—15 см.
Теория метода плоского зонда постоянной мощности нагрева
основана на закономерностях изменения температурного поля в
полуограниченном горном массиве с постоянной температурой
То при действии на его поверхности плоского источника тепла
ограниченных размеров. Повышение температуры центра нагре-
вателя зонда Тп, имеющего форму диска радиусом г3, по истече-
нии некоторого промежутка времени 0 после начала его действия,
когда реализуется условие (4о0/г 2>>1) с точностью до 5%, опи-
сывается соотношением
311
G(t) = Tn(t) - To = (?гЛ) (1 - гу2 Jnai), (24.6)
где q=Q/S— удельный тепловой поток от нагревателя зонда
мощностью Q = I2Rh и площадью S-nr^.
Из формулы (24.6) следует, что если данные наблюдений обра
ботать в виде графика G(t) от величины \/ 4t\, то получится за-
висимость, которую на некотором участке можно аппроксими-
ровать прямой. Точки пересечения прямой с осями ординат и
абсцисс, соответственно дадут значения величин G и 1/V7|
которые используются при расчете теплофизических свойств. По
величине повышения температуры центра зонда G рассчитывает-
ся коэффициент теплопроводности массива: А. = qrJG, а коэффи-
циент температуропроводности массива определяется по формуле
а ~ (г32/4я)( 1 / 4t\ )2. Объемная теплоемкость определяется из соот-
ношения С = A/а. Таким образом, с помощью плоского зонда мож-
но получить значения всех трех теплофизических характеристик.
Конструкции зондов и схема измерений
Схема цилиндрического зонда представлена на рис. 5.6. По оси
медной трубки 7 с наружным диаметром 5 мм, внутренним 3 мм
и длиной 50 см натянута нагревательная нить 2 из константана
или манганина диаметром 0,2 мм.
Нить изолирована покрытием из
растворенной в ацетоне целлуло-
идной пленки, один конец нити
подпаян к коническому наконеч-
нику зонда 3, поэтому наружная
трубка служит контактным выво-
дом для нагревательной нити.
Температура зонда определяется
с помощью микротермистора 4,
установленного в средней части
трубки вблизи ее стенки.
Рис. 5.6. Зонд для определения теплопро-
водности грунтов:
1 — медная трубка; 2 — нагревательная нить;
3 — наконечник; 4 — микротермистор; 5 — лег-
коплавкий сплав; 6 — ручка; M — мост сопро-
тивления; П — переключатель; А — амперметр;
Б — батарея питания; — балластное сопро-
тивление
312
Подводящие провода микротермистора изолированы тонки-
ми стеклянными капиллярами и пленкой. Диаметр термистора с
проводами не превышает 1 мм. Все свободное пространство внутри
трубки заполнено легкоплавким сплавом Вуда с высокими теп-
лопроводящими свойствами. Поскольку зонд представляет собой
сплошной металлический стержень, термистор будет регистри-
ровать усредненную температуру поверхности зонда.
Электрическая схема цепи нагрева зонда (рис. 5.6) состоит из
источника питания Б, в качестве которого используются аккуму-
лятор или батареи амперметра А, позволяющего измерить силу
тока, протекающего через нагревательную нить зонда, и балласт-
ного сопротивления R& Его величина близка к величине сопро-
тивления нагревательной нити, что позволяет разрядить батареи
питания до стационарного режима, и в момент включения на-
грева зонда переключателем П минимально нарушается режим
работы схемы. Сопротивление микротермистора измеряется мос-
том постоянного тока М, с классом точности не ниже 0,1. В про-
цессе эксперимента необходимо записать изменение сопротив-
ления зонда во времени и по градуировочным характеристикам
термистора определить температуру.
Принципиальная схема плоского зовда состоит из нагрева-
тельного элемента основания— теплоизолятора и микротерми-
стора. Нагревательный элемент представляет собой медный диск
толщиной около 1 мм, в прорези которого по радиусу в центре
диска впаян микротермистор, (аналогичный тому, что исполь-
зован в цилиндрическом зонде), а на внутренней поверхности
приклеен равномерно уложенный константановый либо манга-
ниновый провод диаметром 0,2—0,3 мм. Нагревательный элемент
приклеен к основанию—теплоизолятору из жесткого пеноплас-
та толщиной 1—2 см, к которому прикреплены выводные про-
вода от нагревателя и микротермистора для подключения зонда
к измерительной схеме, которая аналогична схеме цилиндри-
ческого зонда.
Методика проведения опыта
Для проведения опробования на выбранных при съемке пло-
щадках отрывается шурф или производится расчистка обнаже-
ния для вскрытия пород, подлежащих исследованию. Шурфовка
сопровождается описанием вскрытого разреза, отбором образ-
цов для определения состава и водно-физических свойств.
В боковой стенке шурфа или расчистки на выбранных глуби-
нах опробования высверливают отверстия для зонда или вводят
его непосредственно в породу. Для улучшения качества теплового
313
контакта между стенкой зонда и породой, на поверхность датчи
ка целесообразно нанести слой тавота или другого смазочного
материала. Расстояние между зондами должно быть не менее 0,2
0,3 м, поскольку радиус теплового влияния используемых зон
дов составляет не более 0,15 м. Опыт начинают обычно через 0,5 ч
после установки зонда.
При опробовании с помощью плоского зоцда поверхность, на
которую он накладывается, выравнивают и зачищают. Для улуч
шения теплового контакта с породой рабочую поверхность зонда
смазывают тавотом или глинистой массой. К установленным зон
дам присоединяют измерительную схему и батареи питания. В
измерительной схеме тумблер включают в положение «балл» (бал-
ластное сопротивление) и разряжают батареи в течение 10—20 с.
Устанавливая на мосту методом подбора сопротивление термис-
тора, соответствующее начальным условиям, замеряют эту вели-
чину, а затем повторно фиксируют результат измерения через 3-
5 мин. Если скорость изменения сопротивления больше 1 Ом/мин,
значит зонд не пришел еще в равновесие с окружающей средой
и необходимо увеличить время экспозиции.
Опробование с помощью цилиндрического зоцда происходи!'
в две стадии: нагревания и остывания. В процессе эксперимента
в специальный бланк наблюдений записываются величины: из-
менение сопротивления термистора во времени, определяемое
по показаниям измерительного моста, силы тока, протекающе-
го через нагревательную нить зонда— по амперметру (для ста-
дии нагрева). Если измерение сопротивления проводится с по-
мощью аналоговых уравновешенных мостов типа МО-62 или
Р4833, то порядок отсчета значений следующий: сначала курбу-
лями моста устанавливается несколько большее или меньшее
сопротивление (в зависимости от стадии), кратное 10 Ом, и по
секундомеру фиксируется момент перехода стрелки гальвано-
метра моста через «нуль», а если измерение сопротивления про-
водится с помощью цифровых мостов типа В7-35 или РВ7-32,
то отсчеты целесообразно проводить через определенные про-
межутки времени, кратные минутам. В начале каждой стадии,
которая продолжается 20—30 мин, фиксация величины сопро-
тивлений зонда проводится чаще. Необходимо снять не менее
5-6 отсчетов.
Измерение с помощью плоского зоцда проводится аналогично
как для цилиндрического зонда в стадии нагрева, которая про-
должается 30—60 мин. Регистрируется не менее 20 значений со-
противления и соответствующих интервалов времени. Периоди-
чески измеряется величина силы тока, протекающего через на-
греватель. Затем нагрев выключается и опыт прекращается.
314
Обработка опытных данных
Цилиндрический зонд. Все записанные в журнал значения време-
ни t перевести в секунды (табл. 24.1 и 24.2). Найти значения lg t с
точностью до трех знаков после запятой. Для стадии остывания
рассчитать величины t — tif где Г, — момент выключения нагрева-
теля и lg[//(f— /))]. По таблицам характеристик зонда найти тем-
пературы, соответствующие значениям1 измеренных сопротивле-
ний. Построить графики зависимости температуры зонда Тот lg t
для стадии нагревания и от lg [t/(t — /,)] для стадии остывания. На
них найти прямолинейные участки и рассчитать величины: нагре-
вание aH=A77Algr, остывание: a0 = A77A[lgr— lg(/ - /,)].
Рассчитать среднее значение силы тока J, а затем величину
теплового потока:
O/=/2V4(Bt/M), (24.7)
где RH — сопротивление (Ом), а /н— длина (м) нагревательной
нити зонда.
Таблица 24.1
Пример записи результатов опыта
Характеристики зонда; 4 = 0,51 м; Я, = 3,49 Ом
Ход процесса сопротивление термистора. R, Ом время,t сила тока, Л А мощность нагрева Q/,Bt/m температура, Г, К >8 • ->)/>] «I
МИН н с С
3028 0 0
3029 5- 5
Включение 0 0
2960 53" 53 288,101 1,724
2950 1'19" 79 288,188 1,898
а 2940 1'57" 117 288,276 2,068
1 2930 2'53" 173 288,364 2,238
X 2920 4'15" 255 0,832 4,74 288,453 2,407
2910 6'20" 380 288,542 2,580
2900 9'30" 570 0,832 4,74 288,632 2,756
Выключение 10'00' 600
2940 10'19" 619 288,276 2,792 1,513
2950 10'31" 631 288,188 2,800 1,309
О S 2960 10'48" 648 288,101 2,812 1,130
i 2970 11'15" 675 288,014 2,929 0,954
1 2980 11'58" 718 287,926 2,856 0,784
5 о 2990 13'14" 794 287,840 2,900 0,612
3000 15'40" 940 287,754 2,973 0,442
ЗОЮ 21'40" 1300 287,668 3,114 0,269
315
Пример расчета опыта
Таблица 24.?
Характеристики зошци г,= 3,0 см; S= 28,3 см2; =7,5 Ом
V X » X я £
'ОПрОТМВЛ! термнсто] R, Ом время, t температу Т> К G, К ила тока, МОЩНОСТЬ, Вт/м2
мин и с С
2184 0 0 296,933
2184 10" 10
Включение 0
2170 17" 17 4,123 0,2425 297,139 0,206 0,15 59,6
2160 Г00” 60 7,746 0,1291 297,268 0,335
2155 Г32" 92 9,592 0,1043 297,332 0,399
2150 2’20" 140 14,213 0,0704 297,449 0,516 0,15 59,6
2144 4’10" 250 15,811 0,0632 297,475 0,542
2142 4'51" 291 17,059 0,0586 297,501 0,568
2140 5'47" ' 347 18,628 0,0536 297,526 0,593
2138 7'32" 452 21,260 0,0470 297,552 0,619 0,15 59,6
2136 8'38" 518 22,760 0,0439 297,578 0,645
2134 11'00" 660 25,690 0,0389 297,604 0,671
2132 12'43" 763 27,622 0,0362 297,630 0,697
2130 15'20" 920 30,332 0,0330 297,655 0,722
2128 19'30" ,1170 34,205 0,0292 297,681 0,748 0,15 59,6
2126 24'05" 1445 38,013 0,0263 297,707 0,774
2122 34'25" 2065 45,442 0,0220 297,759 0,826
2118 48'15" 2895 53,666 0,0186 297,810 0,877 0,15 59,6
Эти данные приведены в таблицах характеристик используе-
мых зондов.
Рассчитать теплопроводность в циклах «нагревание» и «осты-
вание» по формуле:
X = 2,303 0//4ал = 0,183 Q,/а, (24.8)
здесь 2,303 — коэффициент перевода десятичных логарифмов в
натуральные.
Результаты расчета в режиме нагревания ан = 0,513, Хн =
= 1,69 ВтДмтрад); в режиме остывания ао = 0,494, Хо = 1,76 Вт/(м-град).
Плоский зонд. Переводя время в секунды, рассчитывают вели-
чину 1 / Jt. По таблицам характеристик для соответствующего
зонда сопротивление микротермистора переводят в температуру
Т и находят ее приращение Т — Тд = G (То — равновесная темпе-
316
ратура до начала нагрева). Строится график зависимости G от
параметра 1 / и по пересечению прямой с осями координат
находят величины G и l/VFj по которым рассчитываются ко-
эффициенты тепло- и температуропроводности слоя пород. По-
грешность определения коэффициента теплопроводности горных
пород методом плоского зонда составляет около 10%. Для коэф-
фициента температуропроводности она будет больше, так как угол
наклона прямой на графике G=f (1 / Jt) сильно изменяется в за-
висимости от условий опыта.
Пример обработки и расчета опыта показан в табл. 24.2.
Расчетные характеристики: коэффициент температуропровод-
ности а = 0,7 • I0"6 м2/с; коэффициент теплопроводности Х =
= 1,72 Вт/(мтрад).
ГЛАВА 6
Оценка техногенных воздействий с целью
эколого-геологических исследований
Задача 25
ПОЛЕВАЯ ОЦЕНКА И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ
ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ
Изучение и оценка техногенных воздействий на геологичес-
кую среду осуществляется, как правило, на первых этапах эколо-
го-геологических исследований и имеет большое значение. От
характера и интенсивности техногенных воздействий зависят воз-
можные изменения геологической среды и экосистем, а следова-
тельно, и экологические последствия этих изменений. Поэтому,
как правило, эколого-геологические исследования начинаются
именно с анализа техногенной нагрузки на территорию (карты
хозяйственного освоения) и составления карты источников тех-
ногенных воздействий.
Понятие «техногенные воздействия» нельзя отождествлять с
понятием «источник техногенного воздействия».
Под источниками техногенного воздействия понимают любые
технические объекты, созданные человеком в процессе инже-
нерно-хозяйственной деятельности в пределах геологической сре-
ды или на ее поверхности. Например, к ним относятся: здание,
карьер, шахта, водозабор, полигон ТБО и др. Таких техногенных
объектов, которые не оказывали бы на геологическую среду во-
обще никакого влияния, не существует.
317
Техногенными воздействиями называют различные по своей
природе, механизму, длительности и интенсивности влияния,
оказываемые техническими объектами на геологическую среду
Например, уплотнение, укатывание пород, снижение или повы
шение напора подземных вод, загрязнение подземных вод и грун
тов и т.д. Техногенные воздействия оказываются человеком в про
цессе его жизнедеятельности или хозяйственного производств;!
(в самом широком смысле).
Одно и то же техногенное воздействие может быть вызвано
разными источниками. Например, уплотнение пород может про
исходить под действием сооружений, автотранспорта, в резуль
тате взрывов и др. С другой стороны, один и тот же источник
может оказывать на геологическую среду разные воздействия.
Например, автотранспорт вызывает и уплотнение массивов и их
загрязнение токсичными элементами. Качественные и количе-
ственные параметры воздействий полностью определяются спе-
цификой функционирования технических объектов. Следователь-
но, изучение техногенных воздействий и изучение источников,
которые их вызывают, неразрывно связаны.
Существуют различные подходы к систематизации источни-
ков воздействий: по размерам, периодичности, времени действия,
положению относительно объекта воздействия и т.д. По разме-
рам, например, выделяют источники: 1) площадные; 2) линей-
ные; 3) точечные; 4) объемные.
Пользуясь этим делением, не следует путать размеры источ-
ника с размерами зоны его влияния, которая тоже может быть
площадной, линейной, точечной и объемной и далеко не всегда
повторяет контуры технического объекта. Как правило, в боль-
шинстве случаев зона (или область) влияния выходит за контуры
объекта и существенно превосходит его.
Зоной эколого-геологического влияния источника воздействия
на геологическую среду называется та часть геологической сре-
ды, в пределах которой под влиянием прямого или косвенного
техногенного воздействия происходят существенные изменения
всех или некоторых ее элементов, имеющих экологическое зна-
чение. Определить границы этой зоны не всегда бывает просто,
методика ее картирования окончательно еще не разработана.
Собственно техногенные воздействия также можно класси-
фицировать по разным признакам. По природе воздействий, на-
пример, можно выделить физические (в том числе механичес-
кие, гидродинамические, термические, электромагнитные, ра-
диационные), физико-химические, химические, биологические.
Классификация техногенных воздействий на геологическую сре-
ду по их природе (точнее, по природе полей, их вызывающих)
была разработана в 1995 г. В.Т. Трофимовым, В.А. Королевым и
А.С. Герасимовой.
318
Один из сокращенных вариантов этой классификации техно-
генных воздействий, которым следует руководствоваться при
выполнении данной задачи на практике, приведен в табл. 25.1.
Чрезвычайно важной является оценка интенсивности техно-
генных воздействий. Для этого можно использовать разные пока-
затели, некоторые из которых приведены в табл. 25.1. Возможно
употребление относительных категорий оценки (слабое, среднее,
сильное) и др. Универсальным параметром является энергия воз-
действия. Выбор показателей интенсивности во многом опреде-
ляется качеством и полнотой исходной информации.
На практике нередко приходится сталкиваться с ситуацией,
когда на один и тот же объем геологической среды накладывают-
ся воздействия разных типов от разных источников. Оценить ин-
тенсивность результирующего воздействия очень трудно, даже если
Таблица 25.1
Классификация техногенных воздействий на геологическую среду
(по В.Т. Трофимову, В.А. Королеву, А. С. Герасимовой, 1995, с сокращениями)
Класс и подкласс воздействия Тип воздействия Показатели интенсивности Потенциальные источники воздействия
Физическое механическое уплотнение давление, МПа частота, Гц удельная энер- гия, Вт/м2 здания, авто- транспорт, взрывы и т.д.
разуплотнение шахты, котло- ваны и др
внутреннее разрушение массива глубина сква- жины, мощ- ность, работа и др. буровые сква- жины, шахты, карьеры и т.д.
«аккумуляция» рельефа коэффициент измененное™ рельефа, удель- ная энергия и др. шахты, объекты строительства, ТЭЦ, ГРЭС
«эрозия» рель- ефа карьеры, кана- лы, шахты
планировка рельефа объекты строи- тельства, мели- орации
гидромехани- ческое «гидроаккуму- ляция» рельефа ТЭЦ, ТЭС, хвостохрани- лища и др.
«гидроэрозия» рельефа драги, водоза- боры
гидродинами- ческое повышение напора изменение на- пора, уровня, влажности закачки, утечки и др.
снижение на- пора водозаборы, объекты мелио- рации
319
Продолжение табл. 25.1
Класс и подкласс воздействия Тип воздействия Показатели интенсивности Потенциальные источники воздействия
Физическое Термическое нагревание температура, термический градиент и др. ТЭЦ, ГРЭС, трубопроводы, свалки
охлаждение ХОЛОДИЛЬНИКИ и др.
электромаг- нитное наводка элект- рических полей напряженность, В/см ЛЭП, метро, трамваи, трол- лейбусы, элект- рофицирован- ная железная дорога и др.
Физико-химическое гидратное градиент влажности асфальтовые покрытия
ионно- обменное емкость обмена мелиорация земель
кольматация объем кольма- тации объекты техни- ческой мелио- рации
выщелачивание удельная энер- гия и др. объекты выще- лачивания
Химическое загрязнение концентрация, превышение пдк, скорость мае- сопереноса стоки, внесение удобрений, гербицидов, склады отходов, транспорт, свалки и т.п.
очистка мелиорация земель
Биологическое загрязнение то же свалки, с/х фермы
оперировать энергетическими или интегральными показателями:
одно воздействие может усиливать, ослаблять или нейтрализо-
вать другое.
Методика составления карты техногенных воздействий
на геологическую среду
Карта техногенных воздействий на геологическую среду необ-
ходима для анализа источников техногенных воздействий, для
изучения измененности геологической среды, ее устойчивости к
техногенным воздействиям, составления эколого-геологических
карт, организации систем мониторинга и т.п.
Фактический материал. Информация об источниках техноген-
ных воздействий на геологическую среду собирается в ходе поле-
320
вых маршрутных исследований (см. гл. 2). Прежде всего на топо-
основу наносятся участки расположения технических объектов в
виде точечных, линейных и площадных знаков. Проводится де-
тальное описание объектов с указанием формы, размеров, осо-
бенностей конструкции и эксплуатации. По возможности отби-
ваются границы зоны их влияния. Полезно провести опрос мест-
ных жителей по поводу специфики функционирования тех или
иных источников воздействия.
Безусловно, полезно при составлении карты иметь аэрофо-
тоснимки исследуемой территории соответствующего масштаба
и использовать их в маршрутах. По ним легко картируются все-
возможные линейные сооружения, промышленные и граждан-
ские здания, районы сельскохозяйственной деятельности, кон-
туры свалок твердых бытовых отходов (ТБО) и прочие источни-
ки техногенных воздействий.
Ценную информацию можно почерпнуть из экологических пас-
портов, которые начинают составляться для всех технических объек-
тов. В них фиксируются данные об интенсивности оказываемых
воздействий: характере и объемах выбросов, стоков, вибрации,
напряженности электромагнитных полей и т.д. В случае отсутствия
или недоступности экологических паспортов можно использовать
справочную литературу (ГОСТы, СНиПы и т.д.), в которых со-
держатся сведения о типовых инженерных сооружениях: нагрузки
на фундаменты, глубины заложения подземных коммуникаций и
т.д. Некоторые данные об источниках техногенных воздействий на
территории практики можно получить при выполнении ряда гид-
рогеологических и геофизических учебных задач на участках де-
тальных работ (например, параметры гидрогеологических скважин,
химический состав и концентрация стоков и т.д.).
Легенда карты. Разработка легенды — наиболее ответственный
момент составления карты. Именно в ней содержится оценка тех-
ногенных воздействий, соотнесенная с источниками, их вызы-
вающими.
Легенда имеет вид таблицы-решетки. В ее горизонтальные ряды
выносятся источники воздействий трех типов: точечные, линей-
ные и площадные и их условные обозначения. В вертикальных
рядах таблицы отражается характер, интенсивность и условные
обозначения площадей воздействий разных классов. На пересе-
чении рядов в квадратах таблицы можно прочитать, каковы ха-
рактер и интенсивность воздействия, оказываемого каждым ис-
точником, а также, каким условным знаком на карте показаны
сами источники и площади (области) их воздействия.
Фрагмент возможной легенды приведен в табл. 25.2. Полная
легенда будет содержать все источники и все воздействия, опи-
санные в пределах картируемой территории. Условные обозначе-
ния в легенде и на карте должны быть идентичными.
321
Способы отображения информации. Карта источников техно-
генных воздействий выполняется на кальке в виде накладки на
основную геолого-геоморфологическую карту района практики
(или ее части). С основной карты переносится граница террито-
рии съемки и гидросеть. Знаками различного цвета, формы и
размера показываются источники техногенных воздействий. Об-
щепринятой формы знаков для изображения источников пока
нет, поэтому можно пользоваться условными обозначениями,
применяемыми на топографических картах.
Точечные источники показываются внемасштабными знака-
ми, линейные — в виде прямых и ломаных линий (сплошных,
пунктирных, двойных и т.п.), площадные — контурами. Зоны
или площади воздействий источников также показываются кон-
турами, заполненными штриховкой или крапом. При этом необ-
ходимо предусмотреть возможные случаи, когда на карте будут
накладываться контуры с различной штриховкой или крапом,
соответствующие наложению зон воздействий разной природы.
Поэтому крап или штриховка должны выбираться так, чтобы они
легко читались при взаимном наложении.
Воздействия разных классов рекомендуется показывать разны-
ми цветами. Например, все физические воздействия отражать крас-
ной штриховкой, физико-химические — синей, химические —
зеленой, биологические — коричневой и т.п. Источники техно-
генных воздействий лучше всего показывать черным цветом.
Оценка техногенных воздействий
(фрагмент
Источники воздействия Техногенные
Физическое
механическое
тип источ- ника название источника условное обозначе- ние характер воздейст- вия интенсив- ность обозначе- ние пло- щади воз- действия
точечные водозабор- ная сква- жина о снижение уровня подземных вод 2-0,5 м
линейные автомо- бильное шоссе вибро- уплотнение
площадные полигон ТБО
322
Интенсивность воздействия отражается двумя способами: либо
через толщину линий и густоту штриховки (крапа), либо с помо-
щью цифр или формул, которые должны быть написаны внутри
контуров.
Задача 26
ОЦЕНКА И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ
ИЗМЕНЕННОСТИ РЕЛЬЕФА
Результатом многих физических техногенных воздействий яв-
ляется изменение рельефа — одного из основных компонентов
геологической среды. Это изменение прямо (через уничтожение
растительности) или косвенно (через перераспределение поверх-
ностного и подземного стока, возникновение инженерно-геоло-
гических процессов и т.п.) влияет на экологическую обстановку
территории и состояние экосистем. Очень часто техногенное из-
менение рельефа приводит к уничтожению среды обитания
различных организмов, а, следовательно, — к разрушению эко-
систем. Поэтому оценка и картографирование техногенной из-
мененности рельефа является важной частью эколого-геологи-
ческих исследований.
Можно выделить пять групп источников и типов техногенных
воздействий, которые приводят к изменению рельефа.
на геологическую среду
легенды карты)
Таблица 25.2
воздействия
химическое
термическое
характер воздейст- вия интенсив- ность обозначе- ние пло- щади воз- действия характер воздейст- вия интенсив- ность обозначе- ние пло- щади воз- действия
загрязне- ние тяже- лыми ме- таллами 2 ПДК
повышение темпера- туры 2° загрязне- ние иона- ми С1”, SO42- и др. 5 ПДК
323
1. В процессе дорожного строительства, при разработке и фуик
ционировании карьеров, разрезов, шахт, рудников, создании
котлованов, каналов и т.д. происходит «эрозия» рельефа, кото
рая выражается в снижении абсолютных отметок поверхности.
2. Создание насыпей и дамб, терриконов и отвалов на шахтах,
рудниках, ТЭС, ТЭЦ, ГРЭС приводит к «аккумуляции» рельефа,
т.е. повышению абсолютных отметок местности.
3. Строительство, рекультивация, мелиорация и нередко агро
техническая деятельность сопровождаются «планировкой» рель
ефа, при которой на одних участках снижаются первоначальные
отметки, а на соседних, наоборот, повышаются, что приводит к
общему выравниванию территории.
4. Гидронамыв насыпей и массивов, дамб, плотин и золоотва-
лов на ТЭЦ, ТЭС, хвостохранилищах и шламонакопителях ведет
к «гидроаккумуляции» рельефа.
5. Эксплуатация водозаборов, гидроразмыв массивов в карье-
рах и разрезах, функционирование драг вызывает «гидроэрозию»
рельефа.
Пять перечисленных типов техногенных воздействий (эрозия,
гидроэрозия, аккумуляция, гидроаккумуляция и планировка ре-
льефа) приводят к разномасштабным изменениям геоморфоло-
гических параметров. Для их оценки используются различные по-
казатели.
Локальные изменения рельефа характеризуются числовыми
значениями понижения или повышения абсолютных отметок,
крутизной склонов аккумулятивных или эрозионных техноген-
ных форм, объемами перемещения горных пород на единицу
площади и другими точными показателями.
Для региональной оценки изменений рельефа используют, как
правило, другие параметры:
1) процент нарушенных площадей (площадей, на которых
изменен рельеф);
2) коэффициент измененное™ рельефа, определяемый как
отношение площади измененного рельефа к площади оце-
ниваемого района;
3) геотехнический коэффициент — интенсивность образова-
ния искусственных форм рельефа в расчете на единицу
площади и др.
На основе количественных показателей выделяют различные
степени измененности рельефа. Чаще всего используют шести-
балльную шкалу измененности: 1) неизмененный; 2) слабоизме-
ненный; 3) среднеизмененный; 4) сильноизмененный; 5) очень
сильноизмененный; 6) катастрофически измененный.
По проценту нарушенных площадей можно выделять три гра-
дации: 1) слабонарушенные территории — менее 5%; 2) средне-
324
нарушенные территории — 5—25%; 3) сильнонарушенные терри-
тории — более 25%.
Следует иметь в виду, что техногенное изменение рельефа
может иметь как положительный, так и отрицательный эколого-
геологический эффект.
При выполнении данной задачи рекомендуется в качестве
показателя измененности рельефа использовать процент нару-
шенных площадей.
Методика составления карты техногенной
измененности рельефа
Фактический материал. Самые достоверные сведения об изме-
ненности рельефа могут быть получены путем сопоставления сте-
реоснимков или топосъемок разных лет. При отсутствии таких
материалов данные о видимых нарушениях рельефа собираются
в процессе полевых маршрутных наблюдений. На рабочую карту
наносятся контуры участков, на которых природный рельеф из-
менен. Описываются аккумулятивные и эрозионные формы, вы-
ясняется время их формирования.
При выполнении данной задачи фактический материал собира-
ется студентами в ходе полевых маршрутных исследований (см. гл. 2).
При этом на топоснову во время маршрута наносятся участки с
измененным рельефом, а в полевом дневнике ведутся подробные
записи характера изменения рельефа, причин его изменения и т.д.
Построение карты и способы отображения информации. Возмож-
ны два способа построения карты.
Первый способ. На кальку с основной геолого-геомор-
фологической карты района практики (или части ее) выносятся
границы картируемой территории, гидросеть и контуры участков
с нарушенным рельефом. Вся картируемая территория разбива-
ется на квадраты размером, например, 2x2 см (чем меньше раз-
мер квадратов, тем точнее построение). В каждом квадрате с по-
мощью палетки (или другим способом) определяется площадь
нарушенных земель, которая соотносится с площадью квадрата
(4 см2) и вычисляется, сколько процентов площади приходится
на измененный рельеф. Полученное значение (цифра) записыва-
ется внутри квадрата. Далее путем обычной интерполяции про-
водятся изолинии с шагом, например, 5%. Раскраска карты осу-
ществляется по «светофорному» принципу: участки слабонару-
шенные (менее 5%) — зеленым цветом, средненарушенные
(5—25%) — желтым, сильнонарушенные (более 25%) — красным.
Второй способ. На кальку с основной карты района прак-
тики (или части ее) выносятся границы картируемой террито-
рии, гидросеть и границы геоморфологических элементов: пой-
мы, террас, водоразделов. На них накладываются контуры участков
325
с нарушенным рельефом. С помощью палетки (или другим сп<>
собой) определяются площади каждого геоморфологического эле
мента и нарушенных земель, попадающих в пределы каждою
элемента. Вычисляется, сколько процентов площади каждого гео
морфологического элемента приходится на измененный рельеф.
Эта цифра записывается внутри каждого контура. Затем в соот
ветствие со шкалой нарушенности объединяются контуры, в ко
торых рельеф изменен менее чем на 5% — это будут районы ела
бонарушенные; 5-25% — средненарушенные; более 25% — силь
ненарушенные. Раскраска карты, как и в предыдущем случае,
осуществляется по светофорному принципу.
Карта представляется в отчет на кальке в виде накладки на
основную геолого-геоморфологическую карту.
Легенда карты имеет вид таблицы-шкалы (табл. 26.1)
Таблица 26.1
К легенде карты техногенной нарушенности рельефа
% нарушенных земель Степень нарушенности рельефа Условные обозначения
Менее 5 5-25 Более 25 слабонарушенный средненарушенный сил ьнонару шен н ы й зеленый цвет желтый цвет красный цвет
Задача 27
ОЦЕНКА ЗАЩИЩЕННОСТИ ГРУНТОВЫХ ВОД
Подземные воды, в том числе грунтовые, очень чувствитель-
ны к техногенным воздействиям. Изменения, происходящие в
них при антропогенном вмешательстве, могут приводить к раз-
личным опасным экологическим последствиям. Угроза таких по-
следствий прежде всего связана с загрязнением, поэтому очень
актуальной является оценка защищенности подземных вод.
Под защищенностью подземных вод понимается оценка при-
родных и техногенных условий проникновения загрязняющих
веществ к подземным водам. В той или иной защищенности под-
земных вод от загрязнений проявляется геохимическое значение
эколого-геологической функции литосферы (см. гл. 1).
Общепризнано, что защищенность подземных вод зависит от:
1) природных факторов, среди которых на первом месте стоят
геологические и гидрогеологические условия; 2) конструкции и
режима функционирования источников загрязнения; 3) специ-
фических свойств веществ-загрязнителей (химической активно-
сти, времени распада, способности сорбироваться, миграцион-
ной способности и Т.Д.).
326
Если оценка условий защищенности проводится в связи с про-
ектированием конкретного объекта (шламохранилища, золоотва-
ла, полигона ТБО и др.), то используются количественные мето-
ды оценки и в расчет принимаются все три группы факторов.
В случае оценки больших территорий, на которых действуют
различные источники загрязнения (автотранспорт, промышлен-
ные предприятия, сельскохозяйственные объекты и др.), дается
качественная оценка, предполагающая учет только природных
факторов. Методы такой оценки разработаны В.М. Гольдбергом
и Н.В. Роговской.
Метод оценки защищенности, разработанный В.М. Гольдбергом
Исходным теоретическим положением этого метода служит
утверждение о том, что определяющим фактором защищенности
являются наличие в разрезе зоны аэрации слабопроницаемых
отложений и их фильтрационные свойства. Оценка производится
по сумме баллов исходя из глубины залегания уровня грунтовых
вод (мощности зоны аэрации), суммарной мощности слабопро-
ницаемых отложений и их литологии, через которую учитывают-
ся фильтрационные свойства.
Сумма баллов определяется по табл. 27.1, в которой указаны
градации глубин уровня грунтовых вод, мощностей слабопрони-
цаемых отложений и обобщенная литология последних.
Выделяются пять градаций глубин (Н) залегания грунтовых
вод (графы 1—5 табл. 27.1): <10 м, 10—20, 20—30 м и т.д. Первой
градации с минимальной глубиной залегания уровня грунтовых
Таблица 27.1
Глубина уровня грунтовых вод, мощность и литология слабонроницаемых
отложений зоны аэрации и соответствующие им баллы
(по В.М. Гольдбергу)
Глубина уровня грунтовых вод (Я), м Мощность (т,) и литология (а, б, в) слабопроницаемого слоя
О о гч V о 20<Я<30 О V о О wo<2 2<Wq<4 4<>ио<6 6</и0<8
а б в а б в а б в а б в
1 2 3 4 5 1 1 2 234 3 46 46 8
Мощность (mg) и литология (а, б, в) слабопроиицаемого слоя
8</Ио<10 10<wU2 12</Ио<14 14</Ио<16 16</ио< 18 18</Ио^20 /По>20
а б в а б в а б в а б в а б в а б в а б в
5 7 10 6 9 12 7 10 14 8 12 16 9 13 18 10 15 20 12 18 21
327
вод (ЖЮм) соответствует 1 балл, второй — 2балла и т.д. Эти
баллы устанавливаются при условии, что зона аэрации сложена
однородными песчаными породами.
Мощности слабопроницаемых отложений (/и0) подразделяются
на 11 градаций (графы 6—16 табл. 27.1): до 2 м, 2—4, ..., свыше 20 м.
По литологии, а следовательно, и по фильтрационным свой-
ствам слабопроницаемых пород выделяются три группы: груп-
па «а» — супеси, легкие суглинки (коэффициент фильтрации
0,1—0,01 м/сут); группа «в» — суглинки, песчанистые глины
(коэффициент фильтрации 0,01—0,001 м/сут); группа «в» — тяже-
лые суглинки, глины (коэффициент фильтрации менее 0,001 м/сут).
Сумма баллов, обусловленная градациями глубин залегания
уровня грунтовых вод, мощностями слабопроницаемых отложе-
ний и их литологией, определяет степень защищенности грунто-
вых вод. По сумме баллов выделяют шесть категорий защищен-
ности (табл. 27.2).
Наименее благоприятными по защищенности являются усло-
вия, соответствующие I категории, наиболее благоприятными —
VI (см. табл. 27.2).
Приведенная оценка является сравнительной, т.е. позволяет
определить, где условия защищенности лучше, а где хуже, по-
этому число категорий и размеры интервалов (по сумме баллов)
могут изменяться в зависимости от реальных условий.
Рассмотренная методика оценки защищенности грунтовых вод
достаточно широко используется на практике, хотя имеет ряд
недостатков. Предлагаем студентам самостоятельно выявить эти
недостатки и обсудить сделанные выводы с преподавателем.
Методика составления карты защищенности грунтовых вод
Фактический материал. Сведения о глубинах залегания уровня
грунтовых вод, мощностях слабопроницаемых отложений, их
литологии или фильтрационных свойствах могут быть получены:
1) из разрезов скважин, пробуренных в пределах картируемой
территории;
2) из разрезов обнажений, описанных в ходе маршрутных ис-
следований;
Таблица 27.2
Категории защищенности грунтовых вод по В.М. Гольдбергу
(по сумме баллов)
Категории условий защищенности I II III IV V VI
Сумма баллов, S S< 5 5<5<10 10<5<15 15<5<20 20<5<25 5>25
328
3) в результате выполнения ряда гидрогеологических, инже-
нерно-геологических и геофизических задач на участках де-
тальных работ.
Построение карты и способы отображения информации. Карта
защищенности подземных вод от загрязнений строится на каль-
ке, на которую с основной геолого-геоморфологической карты
переносятся границы картируемой территории (или ее части),
гидросеть и границы геолого-генетических комплексов четвер-
тичных отложений. Условными знаками показываются буровые
скважины, обнажения, шурфы, точки зондирования и т.д.
Основываясь на описаниях разрезов в этих точках, по методике
В.М. Гольдберга определяется сначала сумма баллов (табл. 27.1), а
затем категория защищенности (табл. 27.2). Эта оценка распрост-
раняется на весь контур. Если в пределы одного контура попадают
две, три и т.д. скважины (шурфы, обнажения) и разрезы их суще-
ственно отличаются, следует пунктирными границами разделить
этот контур на части и каждую оценить по защищенности.
В итоговые контура арабскими цифрами вписывается сумма
баллов, римской — степень защищенности (в соответствие с
выбранными градациями). В заключение проводится раскраска
контуров по светофорному принципу: наименее защищенные
участки — красными тонами (как самые опасные), наиболее за-
щищенные — зелеными, промежуточные — желтыми.
Легенда карты представляется в виде цветной таблицы с ука-
занием категорий защищенности и суммы баллов (табл. 27.2).
Естественно, она должна содержать только те градации, которые
выделены на картируемой территории. Цвета таблицы должны
соответствовать цветам, вынесенным на карту.
Кроме табл. 27.2, в легенду выносятся обозначения:
г-—I — границы геолого-генетических комплексов;
Г-',1 — границы участков с различными типами разрезов;
О 21 — буровые скважины и их номера;
□ 14 — шурфы и их номера и т.д.;
12 — сумма баллов по шкале В.М. Гольдберга;
IV — категория защищенности грунтовых вод.
Задача 28
ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ
И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Теоретическое обоснование
Многие эколого-геологические задачи, в частности поиск и
оценка миграции загрязнений поверхностных и подземных вод,
329
могут решаться с использованием различных геофизических ме
тодов наземных наблюдений.
Целью проводимых исследований является изучение условий
загрязнения подземных вод вблизи бассейнов-отстойников очи
стных сооружений, прослеживание лент тока загрязненных вод в
толще водопроводящих аллювиальных отложений и определение
мест их разгрузки в русле реки.
При значительных утечках сточных вод из бассейнов-отстой-
ников поток их будет искажать природное поле фильтрации грун-
товых вод, для которых река является естественной дреной, и
формировать водотоки, транспортирующие загрязненную воду от
бассейнов очистных сооружений к месту их разгрузки в русло реки.
Определение участков разгрузки и трассирование лент тока
загрязненных подземных вод осуществляется комплексом акваль-
ных и наземных геофизических методов. Аквальный комплекс
включает водную модификацию метода естественного электри-
ческого поля (ЕП), метод придонной резистивиметрии (РМ) и
термометрию придонных отложений (ТМ), объединенных под
общим названием «русловая геофизика». Наземные наблюдения
осуществляются методом сопротивлений с помощью установок
симметричного электропрофилирования на переменном токе
низкой частоты или на постоянном токе.
Использование метода ЕП с целью выявления участков раз-
грузки загрязненных подземных вод сводится к выявлению ано-
малий потенциала естественного электрического поля, форми-
рующихся при фильтрации воды через проницаемые участки в
дне реки.
Величина электрического фильтрационного потенциала в про-
ницаемой среде определяется характером смещения подвижной
части двойного электрического слоя на контакте твердой и жид-
кой фаз. При этом в направлении движения фильтрационного
потока происходит вынос положительных ионов, тогда как от-
рицательные ионы остаются, удерживаемые положительными
ионами твердой фазы. Таким образом, места водопритоков (раз-
грузки) отображаются положительными аномалиями потенциа-
ла естественного электрического поля.
Применение резистивиметрии и термометрии для выявления
участков разгрузки загрязненных подземных вод основано на от-
личии их по величине удельного электрического сопротивления
и температуры от аналогичных параметров воды, текущих в реке.
Загрязненные воды очистных сооружений, как правило, име-
ют более высокую по сравнению с речной водой минерализацию
и температуру (в летнее время), поэтому места их разгрузки ото-
бражаются уменьшением удельного электрического сопротивле-
ния и увеличением температуры воды по сравнению с фоновы-
ми значениями этих параметров.
ззо
Техногенное загрязнение подземных вод фильтратом из очист-
ных сооружений существенным образом изменяет их минерали-
зацию, что приводит к уменьшению удельного электрического
сопротивления водопроводящих пород. Поэтому ленты тока мо-
гут выделяться в виде аномалий пониженных значений кажуще-
гося сопротивления на графиках электропрофилирования.
Аппаратура и методика проведения наблюдений
Измерения в методе ЕП осуществляются с использованием се-
рийного электроразведочного прибора АЭ-72 или его аналогов и
неполяризующихся электродов, конструкция которых была раз-
работана на кафедре геофизики геологического факультета МГУ.
Автокомпенсатор электроразведочный АЭ-72 представляет
собой универсальный прибор, позволяющий измерять разность
потенциалов в диапазоне от 0,01 до 1000 мВ.
Неполяризующиеся электроды выполнены в виде полых ци-
линдров из изолирующего материала, закрытых сверху завинчи-
вающейся крышкой из такого же материала и снизу заткнутых
пористой пробкой из мягких пород дерева (осина, клен, липа).
Внутри цилиндра налит перенасыщенный раствор медного ку-
пороса CuSO4, в который помещена свернутая спиралью толстая
медная проволока. Через герметизированное отверстие в крышке
цилиндра спираль соединяется с проводом, идущим к клемме из-
мерительного прибора (рис. 6.1). Электрический контакт электрода
А Б
Рис. 6.1. Конструкция геофизических датчиков:
А — неполяризуюшийся электрод; 1 — медный проводник в виде спирали; 2 — раствор
медного купороса; 3 — пористая деревянная пробка; 4 — корпус электрода; 5 — резиновая
пробка; 6 — место соединения кабеля и медного проводника; 7 — кабель; 8 — крепеж.
Б — резистивиметр: 1 — пластмассовый корпус; 2 — электроды в виде колец из латуни; 3 —
кабель; 4 — места присоединения электродов к кабелю; 5 — крепеж резистивиметра
В — датчик температуры придонных отложений: 1 — стальная трубка; 2 — рукоятка; 3 —
контейнер из латуни или бронзы; 4 — подводящие провода; 5 — терморезистор; 6 — термо-
гермоизолятор; 7 — вилка для подключения к измерительному прибору
331
с водой осуществляется через фильтрующийся сквозь тонкие поры
деревянной пробки раствор медного купороса. Благодаря этому
собственная поляризация рабочей пары электродов не превыша
ет 12 мВ и очень мало изменяется в течение всего времени провс
дения наблюдений. Для удобства проведения измерений один ич
электродов имеет длинный соединительный провод, который
наматывается на напоминающую удилище тонкую металличес
кую трубку. Такое приспособление позволяет опускать электрод
в воду с высокого берега не подходя близко к воде.
Резистивиметрия, или измерение, удельного электрического
сопротивления воды осуществляется с использованием специ-
ального датчика (резистивиметра) и прибора, позволяющего из-
мерять удельное электрическое сопротивление.
В качестве измерительного прибора может быть использован
измеритель сопротивления типа ПР-1, ТИС-2, М-416 и другие
или автокомпенсатор электроразведочный АЭ-72. При работе с
прибором АЭ-72 проводятся раздельные измерения разности по-
тенциалов U и силы тока I, а величина сопротивления RB вычис-
ляется по формуле закона Ома:
Re-kU/I,
где к — коэффициент резистивиметра, величина которого зави-
сит от конструкции последнего.
Резистивиметр представляет собой полый цилиндр из изоли-
рующего материала, внутри которого помещены четыре изготов-
ленных из латуни кольцеобразных электрода, соединенных в сим-
метричную измерительную установку типа [АО, 02М0, 02N0, 02В]
(см. рис. 6.1). Резистивиметр соединяется с измерительным при-
бором длинным проводом, что позволяет, как и в методе ЕП,
проводить измерения не подходя близко к урезу воды в реке.
Измерение температуры придонного слоя грунта проводится
с использованием специальных датчиков, сконструированных на
базе терморезисторов и смонтированных на длинных штангах,
позволяющих внедрять датчики в грунт на глубину до 0,5 м (см.
рис. 6.1). Датчики соединяются проводами с регистрирующими
приборами.
В качестве регистратора могут быть использованы приборы типа
ЭТП-М, УЭТ или ТЭТ, позволяющие измерять температуру с
точностью до 0,1 °C, а также мосты для измерения сопротивле-
ний любых типов.
Электропрофилирование проводится симметричной четырех-
электродной установкой AMNB. В качестве измерительного при-
бора используется комплект аппаратуры низкой частоты АНЧ-3 или
электроразведочный автокомпенсатор АЭ-72. Преимуществом
использования низкочастотной аппаратуры АНЧ-3 является воз-
332
можность работать в условиях интенсивных промышленных элект-
рических помех. Для заземлений используются стальные (токо-
вые) и латунные (потенциальные) электроды. При работе с ап-
паратурой АНЧ-3 латунные электроды можно заменить стальны-
ми, поскольку использование переменного тока низкой частоты
исключает поляризацию потенциальных электродов, наблюдаю-
щуюся при работе с постоянным током.
Перед началом наблюдений на участке работ прокладывается
профиль вдоль самого берега реки с расстоянием между пикета-
ми 10 м (рис. 6.2). При необходимости детализации в окрестнос-
тях выделенных в процессе работы аномалий шаг наблюдений
может быть уменьшен до 2,5—5,0 м. Измерения осуществляются в
русле реки вблизи уреза воды. Датчики измерительной аппарату-
ры размещаются на каждом пикете в одном месте (см. рис. 6.2).
При этом температурный датчик заглубляется в дно на 0,05—
0,10 м, а резистивиметр и подвижный электрод М укладываются
на дно реки. Все измерения проводятся одновременно или с не-
большими временными интервалами. Следует иметь в виду, что
использование в методе резистивиметрии прибора АЭ-72 может
создавать электрические помехи при измерении потенциала ЕП.
Чтобы избежать этого, не следует проводить измерения потенци-
ала ЕП в момент включения автокомпенсатора.
При наблюдениях методом ЕП осуществляются измерения по-
тенциала естественного электрического поля. При этом один элек-
трод N устанавливается в воде в начале профиля (на пикете 0) и
остается неподвижным в течение всего процесса измерений. Дру-
гой электрод М перемещается вдоль профиля (см. рис. 6.2). Для
измерения величины потенциала оба электрода подсоединяются к
Расположение
РИо™ датчиков
. _________»®М
Р- - -fTS—__________
г Г
н 1 Береговой профиль
О >—>
Направление движения
--РПК
К
Рис. 6.2. Расположение геофизических датчиков в русле реки при определении
участков разгрузки подземных вод:
N — неподвижный электрод в методе ЕП; М — подвижный электрод в методе ЕП; ТМ —
термодатчик; РМ — резистивиметр
333
прибору: электрод М — непосредственно к клемме М прибора,
электрод N — через удлинительный провод, намотанный на ка-
тушку и разматываемый по мере продвижения вдоль профиля.
Перед началом работы методом ЕП и по окончании ее необхо-
димо измерить так называемую «собственную электродную раз-
ность потенциалов» UMN между электродами М и N, поместив их
рядом на пк 0. Это необходимо делать для того, чтобы скомпенси-
ровать возможные плавные изменения поляризации электродов.
Измерение удельного электрического сопротивления воды
проводится при погруженном резистивиметре. Кольцевые элект-
роды при этом должны находиться в придонном слое воды тол-
щиной 0,05—0,10 м. Допускается опускание резистивиметра не-
посредственно на дно, но при этом следует следить за чистотой
датчика, поскольку внутри полого цилиндра, представляющего
его корпус, может скапливаться песок, ил и т.п., что приводит к
снижению точности измерений.
Измерение температуры проводится в придонном слое грунта.
С этой целью датчик заглубляется в дно на 0,05—0,10 м. Учитывая
некоторую инерционность температурного датчика, измерения
температуры на каждой точке следует начинать спустя 3—4 мину-
ты после установки измерительного устройства.
Электропрофилирование проводится на участке между очист-
ными сооружениями и берегом реки по двум профилям, ориен-
тированным параллельно береговой линии реки. Установка при
работе перемещается вдоль профилей с шагом 5 м.
Все геофизические профили, аквальные и наземные, увязы-
ваются между собой.
Данные измерений заносятся в соответствующие графы поле-
вого журнала (табл. 28.1). При работе четырьмя бригадами по числу
методов допускается ведение отдельных журналов регистрации
по каждому виду работ с последующим обобщением всех резуль-
татов измерений.
Камеральная обработка и интерпретация результатов
При камеральной обработке результатов наблюдений методом
ЕП в измеренную величину Umu вводится поправка за собствен-
ную поляризацию электродов UMN. Обычно эта поправка равна
средней арифметической величине измеренных значений соб-
ственной поляризации электродов в начале и в конце работы:
Un = (UMNH+ UMNk)/2. (28.1)
Если собственная электродная разность потенциалов UMN за
время работы изменилась не более чем на 12 мВ, величина по-
334
Таблица 28.1
ЖУРНАЛ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ
Задача................................................................
Дата................................................................
Участок.............................................................
Бригада.............................................................
Бригадир............................................................
правки принимается одинаковой для всех измеренных значений
потенциала UMN. В противном случае вводится дифференциро-
ванная поправка. Для этой цели длина профиля разбивается ус-
ловно на три примерно равных отрезка. Для первого от начала
отрезка профиля в качестве поправки берется величина Un = UMN„
собственной электродной разности потенциалов, измеренной
перед началом работы, для последнего отрезка поправкой слу-
жит измеренная в конце работы величина электродной разности
потенциалов Un = UMNh, а для среднего отрезка профиля поправ-
ка определяется как среднее арифметическое измеренных в на-
чале и в конце работы величин собственной электродной разно-
сти потенциалов UMNh и UMNk.
Приведенное значение потенциала ЕП в каждой точке про-
филя относительно нулевой точки N определяется посредством
алгебраического вычитания величины поправки из измеренной
величины потенциала ЕП по формуле:
= £4зм - ип. (28.2)
Обработка результатов резистивиметрии сводится к определе-
нию величины удельного электрического сопротивления воды.
При работе с измерителями сопротивления различных типов ве-
личина удельного электрического сопротивления воды УЭС воды
определяется непосредственно в ходе проведения измерений. При
335
использовании в качестве измерительного прибора электрора <
ведочного автокомпенсатора АЭ-72 вычисление УЭС воды про
водится по формуле закона Ома.
При обработке результатов термометрии определяется темпе-
ратура придонных осадков. Если при измерении температуры ис-
пользуются ртутные или терморезисторные датчики, температура
Рис. 6.3. Тарировочные графики для оп-
ределения абсолютных значений тем-
пературы /"„pg (1245 и 1246 — номера
измерительных приборов)
донных отложений определяе т-
ся непосредственно в процессе
работы на профиле. В том слу-
чае, если в качестве измерите-
ля используется мост или иное
устройство, требующее калиб-
ровки измеряемой величины по
температуре, то во время ка-
меральной обработки опреде-
ляются истинные или приве-
денные значения температуры
Гпрв. Для этого используются
эмпирические графики зависи-
мости сопротивления термо-
резистора R от температуры Т
(рис. 6.3).
Все приведенные значения
потенциала ЕП, удельного элект-
рического сопротивления воды
и температуры придонных отло-
жений заносятся в соответствующие графы журнала геофизичес-
ких наблюдений (табл. 28.1). Там же должны быть и результаты
электропрофилирования по обоим наземным профилям.
Полученные приведенные значения геофизических парамет-
ров используются для построения графиков их изменения вдоль
линии профиля. Все графики приведенного значения потенциала
ЕП, удельного электрического сопротивления воды, температуры
придонных отложений и кажущегося сопротивления строятся в
одной системе координат. На оси абсцисс указываются номера
пикетов, а на оси ординат в соответствующих масштабах указыва-
ются величины потенциала ЕП в милливольтах, удельного элект-
рического сопротивления воды и кажущегося сопротивления в Омах
и температуры донных отложений в градусах Цельсия. Интерпре-
тация результатов геофизических наблюдений осуществляется ком-
плексно с учетом данных каждого метода. При сопоставлении ре-
зультатов наземных и аквальных наблюдений необходимо учиты-
вать пространственную корреляцию геофизических аномалий между
собой, а также их соотношение с местоположением очистных со-
оружений.
336
Зоны разгрузки загрязненных вод отмечаются положительны-
ми аномалиями значений потенциала относительно фонового
уровня, выделяемыми на основании критерия
U^U^+3/D^, (28.3)
где Do — общая дисперсия, определяемая по формуле:
Iя 1
(28.4)
где п — число измерений, a t/n_B — приведенные значения по-
тенциала. Фоновое значение 6^он потенциала ЕП определяется
как средняя арифметическая величина приведенных значений
потенциала вдоль профиля во всех точках за исключением ано-
мальных:
^фон — (^прв1 + Цдрв2 *" ^првЗ+••+ ^гтрвп)/^-
При разгрузке загрязненных подземных вод, характеризую-
щихся повышенной минерализацией и более высокой темпера-
турой, чем вода в реке, положительным аномалиям потенциала
ЕП будут соответствовать зоны пониженных значений удельного
электрического сопротивления воды и повышенных значений тем-
пературы донных отложений.
Графики (/прв, УЭС воды и Т вычерчиваются над абрисом рус-
ла реки. Местоположение определенных по результатам геофи-
зических исследований участков разгрузки загрязненных подзем-
ных вод указывается непосредственно на абрисе русла реки. При
анализе результатов «русловой геофизики» необходимо учиты-
вать то обстоятельство, что разгрузка техногенных вод может
происходить на фоне мощной региональной разгрузки подзем-
ных вод, которые летом имеют значительно меньшую, чем по-
верхностные воды температуру, но более высокую минерализа-
цию. Графики рк поданным электропрофилирования вычерчива-
ются с учетом их планового положения на местности между
очистными сооружениями и берегом реки. Ленты тока загряз-
ненных вод, фильтрующихся из очистных сооружений, трасси-
руются по участкам, отмечаемым пониженными значениями ве-
личины кажущегося сопротивления на графиках рк. Независи-
мые данные для контроля результатов геофизических наблюдений
могут быть получены проведением гидрогеохимического опробо-
вания посредством отбора проб воды на участке геофизического
профиля. Образец оформления результатов геофизических наблю-
дений приведен на рис. 6.4.
337
ПРЦ,ЛРЦ\7
| ЖГ |7
Рис. 6.4. Представление результатов наземных и аквальных геофизических на-
блюдений вблизи очистных сооружений:
1 — профиль наблюдений методами «русловой геофизики» вдоль русла реки; 2 — профили
наблюдений методом электропрофилирования; 3 — местоположение неподвижного элект-
рода при работе методом ЕП в русле реки; 4 — загрязненные ленты тока, выделяемые по
данным электропрофилирования; 5 — участки разгрузки загрязненных вод в русле р. Моск-
вы; 6 — места утечки из бассейнов-отстойников; 7 — бассейны-отстойники очистных со-
оружений
ЧАСТЬ III
Составление отчета
по практике
ГЛАВА 7
Содержание и оформление отчета
7.1. Общие требования к содержанию и оформлению отчета
В процессе прохождения практики каждая бригада проводит
ежедневную камеральную обработку полученных результатов и,
в конечном итоге оформляет их в виде единого отчета по практи-
ке. После завершения всех опытных работ программой практики
предусмотрено 2-3 дня для окончательного оформления отчета
и его защиты на специальной комиссии, состоящей из препода-
вателей, проводивших практику.
К защите бригада допускается только в том случае, если все ее
члены полностью выполнили программу практики и предоставили
комиссии отчет, оформленный в соответствии с изложенными ниже
требованиями. Защита отчета проводится в виде опроса каждого
члена бригады по всем разделам программы практики, в ходе кото-
рого оцениваются знания по геологическому строению территории
практики, владение техникой и методикой проведения опытных
работ, умение обработать полученные данные, грамотно их интер-
претировать и составить заключение по проведенным исследовани-
ям. Практика считается завершенной только после успешной защи-
ты отчета и получения каждым студентом индивидуально зачета (с
оценкой) по выполненной в ходе практики работе.
Представляемый на защиту бригадный отчет должен состоять
из введения, двух частей, заключения и приложений (табл. 7.1).
Во введении отмечаются место, время прохождения прак-
тики и ее главные цели. Далее указывается характер выполнен-
ных исследований, распределение обязанностей среди членов
бригады и материалы, которые легли в основу написания отчета.
Содержание и порядок написания общегеологических и спе-
циальных глав (ч. 1, гл. 1—6) излагаются ниже. Написание этих
339
Таблица / /
Структура отчета по практике
Глава Название глав Примерный объем, с. Графические материалы и иллюстрации
1 2 3 4
1 Введение ЧАСТЬ 1. Геологическое строение и инженерно- геологические условия района Геологическое строение 10-15 карта четвертичных отло-
2 Геоморфологическое стро- 5-8 жений с элементами гео- морфологии, стратиграфи- ческие колонки, разрезы скважин, зарисовки и фото опорных разрезов схема соотношения четвер-
3 ение Гидрогеологические уело- 5-8 тичных отложений, фото- графии характерных форм рельефа схематический гидрогео-
4 ВИЯ Инженерно-геологическая 5-10 логический разрез, зари- совки и фото мест разгруз- ки подземных вод инженерно-геологический
5 характеристика пород Современные геологичес- 4-6 разрез, сводная таблица инженерно-геологической классификации и свойств грунтов зарисовки и фото совре-
6 7 кие процессы и явления Ландшафтное районирова- ние и геокриологическая характеристика Эколого-геологические 4-6 4-6 менных процессов карта ландшафтного райо- нирования и таблица с характеристикой ландшаф- тов карта техногенной нагруз-
8 условия ЧАСТЬ П. Инженерно- геологические (гидрогеоло- гические или эколого- геологические) условия участка проведения опыт- ных работ Инженерно-геологическая 10-20 ки, эколого-геологическая карта а) инженерно-геологичес-
(или гидрогеологическая, или эколого-геологичес- кая) характеристика участ- ка проведения опытных работ кая колонка, таблицы основных свойств выде- ленных ИГЭ и их норма- тивные значения;
340
Продолжение табл. 7.1
Глава Название глав Примерный объем, с. Графические материалы и иллюстрации
1 2 3 4
9 Заключение: а) об инженерно-геологи- ческих условиях возведе- ния сооружения на участ- ке проведения опытных работ б) о возможности исполь- зования подземных вод на участке опытных работ для водоснабжения в) об эколого-геологи- ческих условиях участка Приложения Приложение 1. Определе- ние гидрогеологических параметров отложений в зоне аэрации (задача № ). Приложение 2 Приложение 3 и т.д. Заключение 5-10 всего 110-130 1 б) геолого-гидрогеологи- ческие разрезы, гидроди- намические схемы, ре- жимные графики в) схематическая карта хозяйственного освоения территории а) сводная таблица норма- тивных показателей свойств пород б) схема типовой конст- рукции водозабора, рас- четная фильтрационная схема в) схематическая эколого- геологическая карта уча- стка схемы и фото установок, таблицы с эксперименталь- ными результатами опы- тов, графики То же
глав ведется на основании материалов маршрутных исследова-
ний бригады с привлечением количественных данных опытных
работ, проводимых на опорных участках.
Во второй части отчета (гл. 7—8) дается инженерно-геологи-
ческая (или гидрогеологическая, или эколого-геологическая)
характеристика участка детальных исследований по данным опыт-
ных работ. Конечным результатом исследований должно быть
составление заключения об инженерно-геологических условиях
возведения сооружения на участке изысканий или заключение о
возможности использования подземных вод для водоснабжения,
или заключение об эколого-геологических условиях участка.
Весь фактический материал и данные его обработки, полу-
ченные при опытных работах, сводятся в третью часть отчета в
виде отдельных приложений по каждой выполненной задаче. В
качестве приложений к отчету даются также соответствующие
карты и разрезы.
341
Объем отдельных глав и перечень необходимого графического
материала, прилагаемого к каждой главе, указаны в табл. 7.1. От
чет представляется бригадой в рукописном виде. Текст отчета со-
провождается зарисовками, схемами, фотографиями (по возмож-
ности). Все страницы отчета нумеруются сквозной нумерацией и
подшиваются в папку скоросшивателя. На лицевой стороне папки
наклеивается титульный лист отчета, на котором указываются на-
звание практики, место ее проведения, год и состав бригады, фа-
милия руководителя. Графические материалы (карта четвертичных
отложений с элементами геоморфологии, разрезы и другие) по-
мещаются в кармашек, приклеиваемый на внутренней стороне
скоросшивателя. Общий объем отчета не должен превышать 200 ру-
кописных страниц, из которых немного меньше половины дол-
жен составлять сам отчет, а остальное — приложения к нему.
7.2. Первая часть отчета
Первая часть отчета посвящается описанию геологического
строения и инженерно-геологических условий района. Она вклю-
чает следующие главы:
1. «Геологическое строение»;
2. «Геоморфологическое строение»;
3. «Гидрогеологические условия»;
4. «Инженерно-геологическая характеристика пород»;
5. «Современные геологические процессы и явления»;
6. «Ландшафтное районирование и геокриологическая харак-
теристика»;
7. «Эколого-геологические условия (для студентов — экогео-
логов)».
Главы первая, вторая и пятая пишутся главным образом по
материалам маршрутных исследований, а остальные — по дан-
ным, полученным в ходе маршрутов и опытных работ на пло-
щадках. При этом допускается взаимный обмен информацией
между отдельными бригадами для получения наибольшего объе-
ма фактического материала и его обобщения при характеристике
всего района практики. Поскольку программа практики строится
с учетом специализации студентов, то в отчетах возможно ак-
центирование внимания на главах, отвечающих профессиональ-
ной ориентации студентов. В связи с этим первая часть отчета
студентов инженеров-геологов и геокриологов называется «Гео-
логическое строение и инженерно-геологические условия райо-
на», у студентов гидрогеологов — «Геологическое строение и
гидрогеологические условия района», а у студентов, обучающих -
ся по специальности экологическая геология, — «Геологическое
строение и эколого-геологические условия района».
342
Первая глава отчета посвящается описанию геологического
строения района практики. Она включает в себя разделы: I. До-
четвертичные отложения; 2. Четвертичные отложения; 3. Текто-
ника и история геологического развития района.
Здесь дается подробное описание всех стратиграфических комп-
лексов пород, распространенных в районе. Комплексы описыва-
ются снизу вверх. При описании указывается генезис, возраст,
распространение каждого стратиграфического комплекса, усло-
вия его залегания и взаимоотношение с подстилающими и пере-
крывающими породами, выраженность в рельефе, литологичес-
кий состав, мощность отложений. Приводятся характерные разре-
зы, вскрываемые в районе обнажениями или буровыми скважинами.
В заключение главы описывается тектоника и история геологичес-
кого развития района в дочетвертичное и четвертичное время.
Во второй главе дается описание геоморфологического строе-
ния района. Описание включает выделение и характеристику ти-
пов и подтипов рельефа по генезису (рельефообразующим про-
цессам) и возрасту. В пределах каждого подтипа рельефа выделя-
ются и детально описываются встречающиеся в районе формы
рельефа. В конце главы излагается история формирования релье-
фа и развития современной долины р. Москвы.
В третьей главе приводится выделение и описание водоносных
комплексов и горизонтов в районе практики. При описании ука-
зываются водовмещающие породы и водоупоры, площади распро-
странения, тип вод, области питания, пьезометрические уровни,
движение и разгрузка вод, тип разгрузки, состав вод, физические
свойства, их агрессивность и т.д. Описание ведется от более моло-
дых водоносных комплексов (горизонтов) к более древним.
Четвертая глава содержит инженерно-геологическую класси-
фикацию геолого-стратиграфических комплексов пород района
и их характеристику. Для отдельных типов грунтов, выделяемых
в пределах каждого комплекса, дается описание их состава, стро-
ения, физических, водно-физических и физико-механических
свойств (последние определяются несколькими методами, что
позволяет проводить их сравнительную оценку). При характерис-
тике каменноугольных известняков особое внимание обращает-
ся на их трещиноватость и сохранность по глубине. При наличии
выборки из частных значений какого-либо показателя проводит-
ся их статистическая обработка и определение средних (норма-
тивных) значений исследуемого параметра. Полученные значе-
ния физических и физико-механических свойств грунтов сводят-
ся в общую таблицу и показываются на инженерно-геологическом
разрезе. Одновременно на разрез выносятся данные по обвод-
ненности пород, показатели их водопроницаемости, химическо-
му составу подземных вод и т.д.
343
В пятой главе приводятся классификация и описание совре-
менных геологических процессов и явлений, развитых в районе.
Подробно описываются донная и боковая эрозия, оврагообразо-
вание, заболачивание, оползневые и эоловые явления. Прово-
дится возрастное подразделение явлений, рассматриваются фак-
торы, их обусловливающие, отмечается интенсивность развития
тех или иных процессов, их масштабы, современное состояние,
дается прогнозная оценка развития процессов.
Шестая глава содержит изложение цели и принципа ланд-
шафтного районирования, обоснование выбора признаков (1,
2, 3 и т.д. ступеней) районирования. На основе данных марш-
рутных исследований, опытных работ и карты ландшафтного
районирования рассматриваются закономерности пространствен-
ного изменения состава и влажности пород верхней (1,5—2 м)
части разреза, глубины залегания грунтовых вод и верховодки,
вида растительных ассоциаций и др. Приводятся перечень полу-
ченных при геокриологических опытных исследованиях харак-
теристик, закономерности пространственной изменчивости их
значений. К этой- главе в качестве приложения даются «Карта
ландшафтного районирования» и таблица с характеристикой
выделенных районов.
Седьмая глава пишется студентами, специализирующимися по
экологической геологии. Она содержит общую характеристику
эколого-геологических условий района практики, экологическую
оценку геохимической, геодинамической и ресурсной функций
верхних горизонтов литосферы исследуемой территории. Глава
сопровождается картой-схемой техногенных воздействий на гео-
логическую среду и их источников, эколого-геологическими кар-
тами отдельных участков и т.д. При написании этой главы ис-
пользуются как материалы маршрутных исследований, так и дан-
ные, полученные на опытных участках.
Текст всех глав первой части отчета сопровождается зарисовка-
ми, схемами, фотографиями, включая сводную стратиграфичес-
кую колонку, схему соотношения четвертичных отложений, схе-
матические разрезы в отдельных точках наблюдений, сводную таб-
лицу, результаты обработки на ЭВМ и т.д. Кроме того, к тексту
прилагаются следующие графические приложения и таблицы.
1. Геолого-геоморфологическая карта в масштабе 1:10 000 и
условные обозначения к ней.
2. Схематический гидрогеологический разрез района в масш-
табе: горизонтальный 1:2500; вертикальный 1:500.
3. Инженерно-геологический разрез в масштабе: горизонталь-
ный 1:2500; вертикальный 1:500.
4. Сводная таблица: инженерно-геологическая классификация
и характеристика пород района практики.
344
5. Карта ландшафтного районирования в масштабе съемки на
полосу шириной 0,15 м вдоль линии инженерно-геологического
разреза.
Содержание всех перечисленных графических приложений и
таблиц, а также требования к их оформлению излагаются ниже.
7.3. Вторая часть отчета
Вторая часть посвящается изучению инженерно-геологичес-
ких (или гидрогеологических, или эколого-геологических) усло-
вий небольшого участка района, в пределах которого бригада
проводила опытные гидрогеологические, инженерно-геологичес-
кие, геокриологические, инженерно-геофизические работы и
эколого-геологические исследования.
Эта часть отчета составляется на заключительном камераль-
ном этапе практики на основе обобщения всех материалов мар-
шрутных и опытных работ.
Студенты специализации «инженерная геология и геокриоло-
гия» представляют во второй части две главы: главу 8 «Инженерно-
геологическая характеристика участка проведения опытных работ»;
и главу 9 «Заключение об инженерно-геологических условиях воз-
ведения сооружения на участке проведения опытных работ».
Студенты, специализирующиеся на гидрогеологии, представ-
ляют главу 8. Гидрогеологическая характеристика участка прове-
дения опытных работ с оценкой возможности использования
подземных вод для водоснабжения района, а студенты, специа-
лизирующиеся по экологической геологии, — следующие две
главы: глава 8 «Эколого-геологическая характеристика участка
проведения опытных работ»; глава 9 «Заключение об эколого-
геологических условиях участка проведения опытных работ».
Инженерно-геологическая (или гидрогеологическая,
или эколого-геологическая) характеристика участка
проведения опытных работ
Инженерно-геологическая (или гидрогеологическая, или эко-
лого-геологическая) характеристика участка исследований дается
в главе 8 отчета. Она включает географическую, топографическую
и геоморфологическую привязки участка, характеристику его ре-
льефа, подробное описание геолого-литологического разреза уча-
стка по данным бурения и его гидрогеологического и инженерно-
геологического расчленения на основе визуального описания кер-
на и его опробования, а также зондирования (статического и
динамического) и сейсмокаротажа. Проводится выделение (по
данным лабораторных и полевых исследований) петрографичес-
ких видов и разновидностей пород в разрезе. Описание разреза
345
сопровождается построением инженерно-геологических колош ч
или геолого-гидрогеологических разрезов для исследуемого y«im ।
ка в масштабе: горизонтальный 1:1 000, вертикальный 1:200.
Дальнейшая характеристика участка в отчетах у студентов р;п
личных специализаций будет несколько различаться. Студенты
специализации гидрогеология подробно характеризуют гидрогсо
логические условия участка. Эта характеристика включает в себя.
1. Гидрогеологическую стратификацию изученной части раз
реза и выделение основных водоносных горизонтов и слоев, раз
деляющих и покровных слабопроницаемых слоев, описание их
положения в разрезе, мощностей и т.д.
2. Характеристику водовмещающих отложений — сведения о
гранулометрическом составе, степени трещиноватости и кавер
нозности пород, об изменении этих характеристик в вертикаль
ном разрезе и по площади и др.
3. Описание гидродинамических условий участка — положение
пьезометрических поверхностей водоносных горизонтов относи-
тельно поверхности земли и их взаимоотношение, наличие и на-
правление взаимодействия водоносных горизонтов между собой,
наличие участков питания, характер и положение дрен, оценка
интенсивности питания и дренирования подземных вод и т.д.
4. Характеристику основных гидродинамических параметров
изученных водоносных горизонтов — сведения о величинах ко-
эффициента фильтрации, их распределении по площади и в верти-
кальном разрезе горизонтов, о величинах общей и послойной
водопроводимостй, о характере и величинах водоотдачи отложе-
ний, их активной (эффективной) пористости и т.д.
5. Характеристику уровенного режима изученной водоносной
системы — сведения об общей направленности режимных изме-
нений за период наблюдений, об относительных и абсолютных
амплитудах (суточных и за период наблюдений) изменение уров-
ней водоносных горизонтов и поверхностных водотоков, сообра-
жения о природе режимообразующих факторов и др.
6. Характеристику химического состава подземных вод — све-
дения об анионном и катионном составах, минерализации, об
изменении гидрогеохимических показателей в процессе опытных
работ, оценку качества воды, наличия или потенциальной воз-
можности загрязнения подземных вод в естественных условиях
фильтрации и при эксплуатации.
В заключение дается оценка возможности использования
подземных вод в соответствии с заданными местными потребно-
стями в водоснабжении. При этом обосновывается выбор источ-
ника водоснабжения и местоположения водозабора, оптималь-
ного в гидрогеологическом и технико-экономическом отноше-
нии, а также с точки зрения организации его санитарной охраны
и общей экологической обстановки района. Обоснование со-
346
провождается предварительным расчетом системы скважин, удов-
летворяющей заявленную потребность в воде.
Текст главы 8 сопровождается геолого-гидрогеологическими
колонками, гидродинамическими схемами, режимными графи-
ками и другими иллюстрациями, повышающими наглядность
изложенного материала.
Студенты, специализирующиеся по инженерной геологии и гео-
криологии, после общей характеристики участка, включая деталь-
ное описание его геологического строения и геоморфологии, дают
всестороннюю оценку инженерно-геологических условий участка.
Эта оценка включает:
1. Выделение инженерно-геологических элементов в разрезе
пород и их подробную характеристику с использованием всех
данных по состоянию и физико-механическим свойствам пород
каждого элемента; проводится статистическая обработка имею-
щихся данных и находятся нормативные значения основных по-
казателей. Наименование грунтов приводится по ГОСТ 25100-95.
При этом используются материалы, полученные бригадой в ходе
опытных работ, а также данные исследований прошлых лет (да-
ются преподавателем). Результаты обработки представляются в
виде сводной таблицы.
2. Описание обводненности пород: наличие верховодки и под-
земных вод, тип подземных вод, условия их залегания, питание и
динамика, уровни вскрытия и установившиеся уровни, сезонные
колебания уровня, оценка водообильности и водопроводимости
для каждого инженерно-геологического элемента, химический
состав подземных вод, оценка качества воды и их агрессивности.
3. Описание современных геологических процессов в пределах
площадки и примыкающих к ней территорий в целях выявления
их значения для устойчивости территории и склонов. Рассматри-
ваются процессы подмыва, заболачивания, развития оползней,
карстовых явлений и т.д., оценивается вероятность активации или,
наоборот, затухание этих процессов при возведении сооружения.
4. Характеристику геокриологических условий площадки, теп-
лофизические свойства пород, температурный режим, глубины
сезонного промерзания, ориентировочный прогноз температур-
ных изменений при возведении сооружения.
5. Соображения об изменении состояния и свойств пород в
бортах, на дне котлована при длительном его стоянии откры-
тым, а также при замачивании, замораживании и последующем
оттаивании грунта в котловане.
6. Сведения о просадочности и набухании грунтов (СНиП
11-15-74).
7. Коррозионную активность грунтов по отношению к сталь-
ным конструкциям, а также свинцовой и алюминиевой оболоч-
кам кабеля (ГОСТ 9.015-74).
347
8. Сведения о подземных водах: тип вод, глубина залегания и
установившиеся уровни, амплитуда сезонного колебания урон
ня, водовмещающие породы, условия питания.
9. Прогноз изменения уровня подземных вод и рекомендации н<>
защите конструкций сооружения от их неблагоприятного влияния.
10. Нормативные значения коэффициентов фильтрации для
инженерно-геологических элементов, необходимые для расчета
водопонижения.
11. Химический состав вод и оценка их агрессивности, реко
мендации по защите конструкций от агрессивного действия вод
(СНиП П-28-73).
12. Нормативную глубину промерзания грунтов для района ис
следований (СНиП П-А. 6-72).
13. Классификацию грунтов по трудности разработки (СНиП
IY-10, т. II, гл. 10).
В приложении настоящего пособия в качестве примера дается
одно из типовых заключений при ведении изысканий под граж-
данский объект.
Студенты, специализирующиеся по экологической геологии, в
главе 8 после общей характеристики участка, включая детальное
описание его геологического строения и геоморфологии, дают
всестороннюю оценку эколого-геологических условий участка. Она
включает в себя:
1. Выявление на участке различных источников техногенных
воздействий (как благоприятных, так и не благоприятных) на
геологическую среду и их типизацию.
2. Характеристику источников техногенных воздействий, вклю-
чая возможную оценку их интенсивности, мощности, длительнос-
ти, режима функционирования, распространения на площади и т.д.
3. Оценку зон влияния источников техногенных воздействий
(как по площади, так, по возможности, и по разрезу) на геоло-
гическую среду и связанные с ней экосистемы.
4. Сведения о состоянии экосистем, связанных с геологичес-
кой средой.
5. Данные о техногенной измененности геологической среды
(по всем ее основным компонентам).
6. Данные о возможных прогнозных оценках техногенного из-
менения геологической среды и связанных с ней экосистем.
Заключение об эколого-геологических условиях участка
Глава 9 в отчетах студентов-экогеологов составляется в форме
заключения об эколого-геологическом состоянии определенного
участка территории (например, в районе очистных сооружений,
карьера, на урбанизированных или сельскохозяйственных тер-
риториях, в районах свалок ТБО и т.д.).
348
Эколого-геологическое заключение должно представлять со-
бой обоснование и рекомендации о возможности функциониро-
вания того или иного техногенного объекта (или ПТС), связан-
ного с геологической средой или расположенного в ее пределах,
на конкретной территории с точки зрения его экологической
опасности (безопасности) для биоты. В этом заключении должны
быть отражены в виде рекомендаций или экспертного заключе-
ния следующие положения:
1. Состояние геологической среды на участке данной ПТС (с
точки зрения выполнения геологической средой своих экологи-
ческих функций: геохимической, геодинамической и ресурсной).
2. Состояние экосистем на участке, связанных с геологичес-
кой средой.
3. Рекомендации по ликвидации негативных с экологической
точки зрения процессов и явлений в пределах геологической среды.
4. Рекомендации по возможному изменению режима функцио-
нирования данной ПТС.
7.4. Третья часть отчета
Все фактические данные, полученные при проведении опыт-
ных работ, оформляются в виде приложений и объединяются в
третьей части отчета (см. табл. 7.1). Материалы по каждой задаче
представляются как отдельное приложение. Задачи в приложени-
ях располагаются в той же последовательности, в какой они даны
в настоящем методическом пособии, т.е. начиная с первых номе-
ров и кончая последними. Каждая задача начинается с титульно-
го листа, на котором в правом углу указывается номер приложе-
ния (арабская цифра), далее пишется название задачи (согласно
настоящего методического пособия), дата проведения опыта,
фамилия преподавателя, проводившего задачу, и его подпись о
приеме задачи.
В приложении в сжатой форме излагаются: а) общие положе-
ния о задаче; б) краткое описание приборов и оборудования, при-
меняемых во время опыта; в) методика проведения испытаний;
г) обработка полученных данных и их интерпретация. Результаты
обработки фактического материала даются в виде таблиц и графи-
ков и оформляются карандашом, тушью или фломастерами на
специальных бланках, миллиметровке, ватмане или кальке. Все
изображения, входящие в состав одного приложения, последова-
тельно нумеруются арабскими цифрами с указанием порядковых
номеров приложения и рисунка — например, в приложении 5 по-
следовательность нумерации следующая: рис. 5.1, рис. 5.2 и т.д. Та-
кая же система нумерации соблюдается в приложении для таб-
лиц и формул. Каждая таблица и рисунок в приложениях имеют
349
название: название таблиц дается наверху (сразу под ее номером),
а название рисунков — под рисунком после его номера.
После оформления каждое приложение проверяется преподава-
телем, проводящим данную задачу с бригадой, и подписывается им.
7.5. Требования к оформлению графических материалов
и приложений к отчету
Общие требования к оформлению графических материалов и при-
ложений к отчету. Текст первой и второй частей отчета сопровож-
дается графическими материалами и приложениями, с помощью
которых в наглядной форме отображаются основные результаты
маршрутных и опытных работ. Необходимо, чтобы все графичес-
кие материалы и приложения в отчете были оформлены в еди-
ном стиле в соответствии с требованиями имеющихся инструк-
ций по оформлению геологических отчетов. Перечень графичес-
ких материалов и приложений по каждой главе отчета дается в
табл. 7.1.
Все мелкие графические материалы (зарисовки, схемы, колон-
ки скважин и шурфов, фотографии, таблицы) выполняются ка-
рандашом, тушью или фламастером, размещаются на стандарт-
ных листах писчей бумаги и подшиваются в текст отчета в каче-
стве рисунков и таблиц. Нумерация их идет в порядке размещения
в тексте. Полный номер составляется из цифры, отвечающей но-
меру главы, и через точку — цифры, отвечающей порядковому
номеру изображения в данной главе — например: рис. 2.1; рис. 3.2;
табл. 4.3 и т.д. Аналогичным образом нумеруются формулы.
Все графические материалы, превышающие размер отчета и
использующиеся как демонстрационная графика при защите от-
чета (карты, разрезы, сводные колонки и таблицы), идут в каче-
стве графических приложений, нумеруются по порядку: графи-
ческое приложение 1, 2 и т.д.
Графические приложения выполняются на бланковой основе
или на ватмане черной и цветнрй тушью; для площадной закрас-
ки используются цветные карандаши.
Каждый лист графического приложения должен иметь в ниж-
нем правом углу штамп, в котором указывается: название прак-
тики, год, № графического приложения по порядку и полное его
название, № и состав бригады, бригадир (Ф.Й.О. и подпись).
Все графические приложения складываются до стандартного
размера штампом наружу и помещаются в специальный карма-
шек, приклеиваемый ко внутренней стороне скоросшивателя в
конце отчета.
Ниже изложены требования к составлению основных графи-
ческих приложений.
350
Геолого-геоморфологическая карта составляется в масштабе
1:10 000 на условной топографической основе района Биостанции
МГУ, представляемой каждой бригаде. На карте отображаются:
а) основные литолого-стратиграфические комплексы четвер-
тичных отложений в соответствии с легендой, рекомендуе-
мой в первой главе настоящего пособия;
б) выходы подземных вод и другие водопроявления;
в) современные геологические процессы: эрозия, аккумуля-
ция, овраги (древние и растущие), конуса выносов (древ-
ние и молодые), оползни, заболачивание, эоловые процес-
сы и т.д.;
г) границы крутых склонов и уступы;
д) точки маршрутных наблюдений, а также места инженер-
но-геологического и гидрогеологического опробования
опорных разрезов;
ж) местоположение буровых скважин;
з) линия разреза.
Карта сопровождается легендой, в которой дается геоморфо-
логическая характеристика всех элементов рельефа, сложенных
определенными литолого-стратиграфическими комплексами, а
также символика всех прочих обозначений, применяемых на карте.
Все оформление карты выполняется тушью, раскраска — ка-
рандашами или красками.
Инженерно-геологический разрез составляется по одному из
топографических профилей, представленных каждой бригаде, в
масштабе: горизонтальный 1:2500, вертикальный 1:500. На раз-
резе отображаются:
1) литолого-стратиграфический комплексы пород (цветом);
2) литологический (петрографический) состав пород (услов-
ными знаками);
3) геоморфологические элементы рельефа и расстояние меж-
ду их границами;
4) уровень грунтовых вод;
5) пьезометрическая поверхность водоносного комплекса из-
вестняков мячковского горизонта;
6) химический состав подземных вод (в виде диаграмм в точ-
ках опробования состава вод);
7) состояние пород: плотность, влажность, трещиноватость,
выветрелость;
8) физико-механические и фильтрационные свойства пород:
угол внутреннего трения, сцепление, модуль деформации,
коэффициент фильтрации, удельное водопоглощение;
9) буровые скважины со вскрытыми и установившимися уров-
нями подземных вод.
I. Бирюков И.П. и др. Стратиграфия плейстоцена центра европейской части
СССР// Геология и полезные ископаемые Центральных районов Восточно-Ев-
ропейской платформы. М., 1986. С. 56—62.
2. Бреслав С.Л., Валуева М.Н., Маудина М.И. Новые данные по одинцовскому
разрезу//ДАН СССР, 1979. Т. 248. №1. С. 161-166.
3. Валуева М.Н., Цукурова А.М., Красненков Р.В. Древнейшая межледниковая
флора уд. Карамышево на Оке //ДАН СССР, 1983. Т. 273. № 1. С. 166—170.
4. Величкевич Ф.Ю. О семенной флоре разреза Акулово (Одинцово) // ДАН
БССР, 1979. Т. XXIII. № 6. С. 550-553.
5. Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ // Под ред. Р.С. Штенгелова. М., 1994.
6. ГОСТ 23061-78 Грунты. Методы радиоизотопного определения объемного
веса. М., 1979.
7. ГОСТ 19912-81 Грунты. Метод полевого испытания динамическим зонди-
рованием. М., 1982.
8. ГОСТ 20069-81 Грунты. Метод полевого испытания грунтов статическим
зондированием. М., 1982.
9. ГОСТ 20276-85 Грунты. Метод полевого определения характеристик де-
формируемости. М., 1986.
10. ГОСТ 20522-75 Грунты. Методы статистической обработки результатов
определений характеристик. М., 1987.
11. ГОСТ 21719-76 Грунты, Метод полевого испытания вращательным срезом.
М„ 1977.
12. ГОСТ 21719-80 Грунты. Методы полевых испытаний на срез в скважинах
и в массиве. М., 1981.
13. ГОСТ 24181-80 Грунты. Нейтронный метод определения влажности. М., 1981.
14. ГОСТ 12071-84 Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение
образцов. М., 1985.
15. КацД.М., Шестаков В.М. Мелиоративная гидрогеология, 2-е изд. М., 1992.
16. Кожевников А.В., Кожевникова И.А. Проблемы стратиграфии плиоцена и
плейстоцена Подмосковья // Геология и полезные ископаемые Центральных
районов Восточно-Европейской платформы. М., 1986. С. 63-73.
17. Маудина М.И. и др. Одинцовский стратотип и проблемы корреляции плей-
стоцена Подмосковья // Геология и полезные ископаемые Центральных райо-
нов Восточно-Европейской платформы. М., 1986. С. 73—84.
18. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных
пород, т. 1. М., 1984. 423 с.
19. Полевые методы геокриологических исследований // Под ред. Э.Д. Ершо-
ва и Г.И. Гордеевой. М., 1986. 142 с.
20. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП
2.02.01-83) / НИИОСП им. Герсеванова. М., 1986. 415 с.
21. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика, 3-е изд. М., 1995.