Отметки устья скважин и шурфов

А.Л. Кукуй

А.Р. Надершина

ОБРАБОТКА ДАННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ

И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ

 

Методические указания

по выполнению расчетно-графических работ

 

Санкт-Петербург

Изд-во ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова

2019

 

 

УДК: 624.131

ББК

 

А.Л. Кукуй, А.Р. Надершина Обработка данных гидрогеологических и инженерно-геологических изысканий: Методические указания по выполнению расчетно-графических работ. — СПБ.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2019. — 36 с.

 

 

Методические указания содержат рекомендации по выполнению расчетно-графических работ по дисциплине: «Основы геологии» для студентов очной и заочной формы обучения по направлению 08.03.01 «Строительство», профиль «Гидротехническое строительство», а также по дисциплине «Гидрогеология и основы геологии» для студентов очной и заочной формы обучения по направлению 20.03.02 «Природообустройство и водопользование», профиль «Комплексное использование и охрана водных ресурсов».

 

 

Рецензент:

Доктор технических наук, профессор

…………….

 

 

                      © ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»,

                          2019

                         © А.Л. Кукуй, А.Р. Надершина, 2019

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания составлены в соответствии с программой подготовки бакалавров по направлению 08.03.01 «Строительство», профиль «Гидротехническое строительство», а также в соответствии с программой подготовки бакалавров по направлению 20.03.02 «Природообустройство и водопользование», профиль «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» и предназначены студентам очного и заочного отделения для выполнения курсовой и расчетно-графических работ при изучении дисциплин «Основы геологии» и «Гидрогеология и основы геологии».

ГИДРОГЕОЛОГИЯ

1.1. Целевая установка

Данная работа посвящена одному из важнейших разделов гидрогеологии - динамике грунтовых вод и включает построение карты гидроизогипс и гидрогеологических разрезов по карте в горизонталях (топографическая карта), результаты наблюдений за уровнем грунтовых вод в сети выработок (наблюдательных скважин, шурфов и колодцев) и уровни воды в реке по данным гидрометрических наблюдений. Кроме того, в состав курсовой работы входит определение дебита эксплуатационной (водоснабженческой) скважины из дренирующего слоя, гидравлически связанного с рекой.

 

1.2. Исходные данные

Исходные данные включают единую для всех вариантов карту в горизонталях (масштаб I:10000, сечение горизонталей через I м), приведённую на рис. 1.1.

На карте изображен участок реки с прилегающей местностью, с сетью выработок для наблюдения за уровнем грунтовых вод (УГВ) -наблюдательных скважин, обозначенных на плане символами c1, c2,..., c20; колодцев, обозначенных к1, к2,..,, к6, и шурфов, обозначенных ш1, ш2, шЗ, ш4.

Отметки дневной поверхности около указанных выработок приведены в прил.1 (единые для всех вариантов). В этом же приложении приведены

Рис. 1.1. План (карта) в горизонталях. М1:10000

 

данные наблюдений за УГВ в виде глубины залегания УГВ в метрах относительно дневной поверхности (поверхности земли) около устья выработок. Эти данные берутся в соответствии с последней цифрой шифра (номера зачетной книжки).

Индивидуализированы также данные гидрометрических наблюде­ний за уровнем воды в реке по гидрометрическим постам УВI, УВ2,..., УВ6, положение которых указано на топографической карте. Эти данные в виде абсолютных отметок в метрах приведены в приложении 2 и берутся в соответствии с предпоследней цифрой шифра.

Кроме того, в приложениях 1 и 2 приведены необходимые данные для расчета дебита эксплуатационной скважины: коэффициент фильтрации и мощность дренирующего слоя (по последней цифре шифра), наружный диаметр фильтра скважины и ее удаление от берега реки (по предпоследней цифре шифра).

 

1.3. Состав и оформление раздела I

Курсовая работа выполняется в виде пояснительной записки, содержащей следующие графические иллюстрации, выполненные на листах кальки или миллиметровой бумаги стандартного формата:

- карту в горизонталях;

- карту гидроизогипс с указанием направления движения грунто­вых вод по всей площади карты;

- два гидрогеологических разреза (при отсутствии специальных указаний руководителя гидрогеологические разрезы выполняются по направлениям с2-с8-к2-УВ2-с14-с18 и с5-с11-УВ5-к5-ш1-шЗ);

- графики зависимости расхода эксплуатационной скважины от величины расчетного понижения уровня.

На карте в горизонталях, кроме исходных контуров (реки, горизонталей), необходимо указать сети наблюдательных, выработок с абсолютными отметками дневной поверхности около устьев выра­боток. Карта в горизонталях выполняется черной тушью, тонким фломастером или шариковой ручкой. Копирование карты необходимо производить без искажений исходных контуров и положения наблю­дательных выработок. Рекомендуется горизонтали, соответствующие отметкам кратным 5, показывать более жирными линиями. Цифровые наименования горизонталей показывать только за пределами карты.

Карта гидроизогипс выполняется в том же масштабе, что и топографическая карта, синей или фиолетовой тушью (чернилами), тонким фломастером или шариковой ручкой соответствующего цвета. Тем же цветом за контуром карты выносятся и цифровые наименова­ния гидроизогипс. Скважины и прочие наблюдательные выработки показываются без обозначений (с5, ш1 и т.д.), но с цифрой, пока­зывающей отметку УГВ. Гидрометрические посты на реке обознача­ются точками с цифрами - отметками УВ. На карте гидроизогипс должны быть показаны (пунктиром) перпендикулярные гидроизогипсам линии тока (направление движений грунтовых вод).

Гидрогеологические разрезы выполняются в искаженном масшта­бе: горизонтальный соответствует масштабу карты 1:10000, вер­тикальный - 1:200.

В пояснительной записке приводятся комментарии к карте гидроизогипс, а также расчет дебита эксплуатационной скважины.

Комментарии к карте охватывают следующие вопросы:

- характеристику направления грунтового потока в правобереж­ной и левобережной частях карты;

- количественное определение напорных градиентов грунтового потока: среднего, максимального и минимального;

- характеристику взаимодействия грунтового и открытого потока (реки) по правому и левому берегам на всем протяжении реки;

- определение глубины залегания уровня грунтовых вод в любой точке карты (конкретная точка А может быть указана преподавателем).

 

1.4. Построение карты гидроизогипс

Гидроизогипса — это линия пересечения зеркала грунтовых вод горизонтальной поверхностью, то есть понятие, идентичное понятию горизонтали, но относящееся не к дневной поверхности, а к поверх­ности (зеркалу) грунтовых вод. По плану (карте) гидроизогипс можно установить направление и скорость движения грунтовых вод, дать рекомендации о рациональном расположении источников водо­снабжения, различных производственных объектов, в том числе воз­можных загрязнителей грунтовых вод, откорректировать положение и очертание строительных котлованов, карьеров для добычи инертных материалов и т.д.

Построение карты (плана) гидроизогипс (прил. 3) производится приемами, аналогичными приемам построения плана в горизонталях. Исходными данными для построения карты гидроизогипс является топографическая карта с нанесенной на ней сетью наблюдательных выработок (скважин, колодцев и т.д.) и данными наблюдений за УГВ по этим выработкам. Абсолютная отметка УГВ в каждой точке наблюдательной сети определяется вычитанием из абсолютной отметки дневной поверхности около устья конкретной выработки глубины залегания УГВ в данной точке (см. прил. 1). Кроме того, при гидравлической связи грунтовых вод с открытым водным потоком (рекой) используются данные гидрометрических измерений уровня воды в реке (УВ), приведенные в прил. 2.

Порядок построения карты гидроизогипс:  

- скопировать топографическую карту на кальку или миллиметровую бумагу;

- обозначить, на карте все наблюдательные выработки и показать
мелкими цифрами абсолютную отметку устья каждой наблюдательной
выработки;             

- определить абсолютные отметки УГВ для каждой выработки и оформить результаты в виде таблицы;

- наложить на топографическую карту лист кальки и перенести на него контур реки и сетку наблюдательных выработок точками без условных обозначений (наименований) этих выработок. Около каждой точки мелкими цифрами выписать значения УГВ, (расчетной таб­лицы). У точек расположения гидрометрических постов на реке выписать значения абсолютных отметок уровня воды в реке;

- пользуясь приемами линейной интерполяции, по сторонам квад­ратной сетки и дополнительным точкам на фарватере реки (УВ1, УВ2 и т.д.) нанести на кальку очертания гидроизогипс. Сначала реко­мендуется нанести очертания "опорных" гидроизогипс, соответствую­щих отметкам кратным 5 (55, 60, 65 и т.д.), затем - заполнить пространство между "опорными" гидроизогипсами, то есть нанести на кальку гидроизогипсы через один метр (56, 57, 58 и т.д.). Очертания всех гидроиэогипс наносятся сначала тонкими карандаш­ными линиями, а затем, после проверки их соответствия отметкам уровня грунтовых вод в сети наблюдательных выработок (УГВ) и уровня воды в реке подданным гидрометрических постов (УВ), от­корректированное очертание гидроизогипс фиксируется тушью, фло­мастером или шариковой ручкой синего (фиолетового) цвета -"опорные" гидроизогипсы - более жирными линиями, остальные - более тонкими. Следует обратить внимание на тщательное исполнение гидроизогипс, особенно в зоне примыкания их к береговым линиям реки. Острый угол пересечения гидроизогипсы с касательной к береговой линии сверху-вниз свидетельствует о том, что грунтовые воды питают реку, тупой - о том, что река питает грунтовые воды, прямой - о независимости (параллельном течении) грунтового и открытого, потока (реки). Между тем, установление характера взаимо­действия грунтового и открытого потока является одной из практи­чески важных задач гидрогеологии. При обводке гидроизогипс можно пользоваться лекалами. Цифровые обозначения гидроизогипс нано­сятся около их контуров за пределами карты; - нанести на карту направление движения грунтовых вод - перпендикулярных гидроизогипсам линии тока. Исходными данными для построения линий тока является только очертание гидроизогипс: каждую линию тока строят последовательно, начиная с наиболее высоких отметок, пересекая встречающиеся ей гидроизогипсы строго под прямым углом. Линии тока должны покрыть всю карту при общем их количестве от восьми до десяти.

В зонах, где гидроизогипсы образуют острые углы с касатель­ной к береговой линии (сверху-вниз от точки пересечения), линии тока "входят" в реку (рис. 1.2а), в зонах тупых углов - линии тока «выходят» из реки (рис. 1.2б).

Это обстоятельство должно найти отражение в текстовой части записки (комментарии к карте) приблизительно в следующем виде (для какого-то конкретного случая): «… По правому берегу на всем протяжении рассматриваемого участка реки грунтовый поток питает реку, по левому - от УВ1 до УВ3 грунтовый поток питает реку, от УВ3 до УВ4 грунтовый поток параллелен реке, от УВ4 до УВ6 - река питает грунтовый поток".

Линии тока выполняются пунктиром и снабжаются в нескольких местах графическими обозначениями направления движения грунтовых вод (- - - - - -).

 

 

Рис. 1.2. Схемы взаимодействия открытого водного потока

(реки) и грунтового потока:

а) грунтовые воды питают реку;

б) река питает грунтовый поток

 

1.5. Построение гидрогеологических разрезов

В настоящей работе предусмотрено выполнение гидрогеологиче­ских разрезов упрощенного типа. На этих разрезах необходимо показать только дневную поверхность, переходящую в пределах русла реки в ее дно (глубину реки можно принять условно равной 2 м.) и депрессионную поверхность - зеркало грунтовых вод, сопряженное с горизонтом воды в реке. Грунтовые напластования на разрезе наносятся лишь при наличии дополнительных данных (наиме­нования грунтов, отметки границ слоев) по указанию руководителя. Гидрогеологические разрезы выполняются на миллиметровке или на кальке в искаженном масштабе.

При построении гидрогеологического разреза (прил. 4) на левой стороне листа наносится шкала в выбранном масштабе, охватывающая с некоторым запасом (2-3 м.) вверх и вниз весь диапазон отметок дневной поверхности, УГВ, УВ, дна реки. К нижней отметке шкалы пристраивают три горизонтальных графы, в которых показывают абсолютные отметки устьев выработок, расстояния между выработками и обозначения (шифры) выработок. Затем отмечают на вертикалях - осях выработок точками отметки дневной поверхности и УГВ. Также показывают поперечник русла реки с соответствующей отметкой горизонта воды в реке (УВ) с которым сопрягается депрессионная поверхность (УГВ). Таким образом, на вертикалях, соответствующих берегам реки, отметки дневной поверхности, уровня воды в реке и УГВ совпадают.

Для самоконтроля напоминаем, что очертание депрессионной поверхности должно соответствовать характеру взаимодействия грунтового и открытого потока, выявленного при построении карты гидроизогипс: при питании грунтовыми водами реки отметки депрессионной поверхности должны понижаться по направление к реке, при питании рекой грунтовых вод - отметки депрессионной поверхности должны понижаться по направлению от реки, при независимом (параллельном) движении грунтовых вод и открытых – линия, обозначающая на разрезе поверхность грунтовых вод, должна быть горизонтальной.

Депрессионная поверхность обозначается на гидрогеологических разрезах пунктирной линией, проходящей на расчетных вертикалях (оси наблюдательных выработок, берега реки) через точки, соответствующие расчетным отметкам УГВ и УВ.

 

1.6. Определение дебита эксплуатационной скважины

Дебит (расход в единицу времени) эксплуатационной совершенной скважины, расположенной в дренирующем слое, имеющем гидравлическую связь с открытым водоемом (рекой), определяется по формуле Ф. Форхгеймера:

                             ,

где Н_l - напор грунтового потока в естественном состоя­нии, м;

  S - величина понижения уровня, м;

 l - расстояние скважины до берега реки, м;

 r - радиус скважины, м;

 k_ф - коэффициент фильтрации грунта, м/сут.

Необходимо определить дебит эксплуатационной скважины, работающей в установившемся режиме при различных расчетных значениях понижения уровня S.  Исходные данные приведены в прил. 1 и 2.

Величина Н_l принимается равной мощности дренирующего слоя (см. прил. 1). Значения S принимаются в соответствии со следующими рекомендациями: S_min=1м, S_max=0,5 Н_l

Кроме того, определяется дебит скважины еще при трех – четырех промежуточных значениях S.

По результатам расчетов необходимо построить кривую Q(S).

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ

2.1. Целевая установка

Выполнение инженерно-геологического раздела курсовой работы направлено на приобретение студентами основных практических навыков по камеральной обработке данных некоторых видов полевых инженерно-геологических исследований.

По результатам буровых изысканий, проведенных на участке
исследований (прил. 5), составлена сводная таблица исходных данных
геологической изученности (прил. 6). Используя эти данные, а также данные, приведенные и других приложениях, необходимо построить заданный инженерно-геологический разрез и колонку.

 

2.2. Исходные данные

Исходные данные, необходимые для построения инженерно-геологического­ разреза и колонки, приведены в прил. 6. В зави­симости от заданного номера (варианта) створа плотины, приведен­ного в прил. 5, в начале необходимо построить топографиче­ский профиль по нему, используя данные этого приложения, по схеме, указанной в прил. 7.

 

2.3. Построение инженерно-геологического разреза и колонки

Профиль по оси земляной плотины (прил. 7) в соответствии с масштабом (горизонтальный 1:5000, вертикальный 1:200) строится на листе миллиметровки. На построенный профиль наносятся устья скважины и шурфов, пройденных во время инженерно-геологических исследований. Затем отмечаются их номера и абсолютные отметки устьев. Тонкими вертикальными линиями ориентируются наполнения осей скважин и шурфов, затем жирной линией до глубины их проходки проводится ось скважины (шурфа), которая ограничивается со стороны их забоя.                                                              

На осевые линии скважин (шурфов) наносятся данные о пройденных при их проходке породах (прил. 6). Далее следует соста­вить общее представление о геологическом залегании вскрытых пород. Необходимо выяснить, какое залегание они имеют (горизон­тальное, наклонное или складчатое, нет ли в породах разрывных дислокаций). После этого аналогичные породы, пройденные соседними выработками, объединяют в инженерно-геологические элементы (слои), имеющие каждый свой номер.

Инженерно-геологический элемент (ИГЭ) — это инженерно-геологическое тело, представленное одной горной породой, статистически однородное по некоторым показателям свойств (согласно ГОСТ 25100-2011 и ГОСТ 20522-2012), выбираемому в каждом конкретном случае исходя из требований расчета того или иного инженерно-геологического процесса, который выполняют при проектировании сооружения.

При этом нужно иметь в виду, что объединять в один инженерно-геологический элемент можно породы одинаковые по составу (литологический признак) или по возрасту и происхождению (т.е. по генезису), а иногда только по возрасту. Тем не менее, чаще всего грунт объединяют в инженерно-геологический элемент согласно его физико-механическим свойствам, предварительно проведя необходимые расчеты по их усреднению (согласно ГОСТ 20522-2012).

В данной работе целесообразно вначале выделить все породы четвертичного возраста. При анализе условий залегания четвертичных отложений следует особое внимание обратить на рельеф местности. К примеру, мощность делювиальных отложений возрастает к основанию склона, для аллювиальных же характерно горизонтальное залегание слоев.

Если участок расположен в пределах платформы, то коренные породы морского происхождения обычно залегают горизонтально или же имеют слабый наклон. Если же участок расположен в пределах геосинклинальной области, то коренные породы часто смяты в складки и их оплошность нарушена различными дислокациями.

Нижняя граница геологического разреза определяется наиболее глубокой скважиной. Нельзя ограничивать разрез снизу линией, соединяющей забои скважин, т.к. при бурении порода могла быть пройдена не на всю мощность.

На разрез наносятся также данные о подземных водах, встре­ченных при бурении скважин. Если водоносный горизонт не обладает напором, то его депрессионная поверхность показывается на раз­резе пунктирной линией, соединяющей отметки уровней воды в выра­ботках.

Если отметки появления и установления уровня поверхности подземных вод не совпадают, то имеет место напорный водоносный горизонт. В этом случае величина его напора обозначается стрел­кой, направленной вверх параллельно оси скважины от отметки появления воды до отметки ее установления. Уровень поверхности такого напорного водоносного горизонта обозначается пунктирной линией с точкой между пунктирами.

При окончательном оформлении чертежа линии оси скважины от устья до забоя должны четко выделяться. Забой скважины подчерки­вается короткой (2-3мм.) горизонтальной линией.

Образец инженерно-геологического разреза показан в прил. 7.

Гра­ницы слоев проводятся жирными линиями. Можно закрасить слои пород на разрезе стандартными, соответствующими возрасту пород цветами, указанными в прил. 9. Однако следует от­метить, что цветовая окраска применяется в основном при оформле­нии геологических карт. В пределах выделенных слоев пород проставляются генетические и возрастные индексы, указанные в прил. 10 и ниже в разделе 2.4. Слои пород на разрезе штрихуются в соответствии с общепри­нятыми условными обозначениями, показанными в прил. 11.

Построенный разрез сопровождается условными обозначениями, принятыми при его построении. Условные обозначения различных пород располагаются в строгой возрастной последовательности (от более молодых к более древним породам, сверху вниз или слева направо) на этом же листе чертежа – прил. 9.

Инженерно-геологическая колонка скважины строится по определенной форме, геологическое строение по скважине наносится
аналогично тому, каким образом это делалось при составлении инже­нерно-геологического разреза. Образец инженерно-геологической колонки показан в прил. 8. Следует учесть то обстоятельство, что при построении полной инженерно-геологической колонки в соответствующие графы таблицы, на которой она строится, вносятся данные полевого и лабораторного изучения физико-механических свойств пород.

 

2.4. Положения к пользованию таблицей исходных данных, необходимых для построения инженерно-геологического разреза и колонки

1. Номера инженерно-геологических выработок даны, начиная с правого берега реки. На каждом предполагаемом створе земляной плотины было пробурено по 7 скважин, причем скважины 3 и 4 были пробурены со дна шурфов буром "Геолог". В шурфах проводилось изучение физико – механических свойств аллювиальных отложений с помощью полевой лаборатории системы И.М. Литвинова (ПЛЛ-9). Из пробуренных скважин и пройденных шурфов были отобраны монолиты грунтов для их дальнейшего изучения в лабораторных условиях. Бурение 1-й и 6-й скважин проводили при помощи буровой установки УГБ-50М. Остальные скважины (2, 3, 4 и 5) проходили при помощи ручного бура "Геолог". Скважина 7 бурилась с плав - средств по центру реки с целью выявления геологического строения под поверхностью воды буровой ударно-канатной установкой БУКС-ЛГТ конструкции Ленгипротранса. Бурение скважин проводилось в точках пересечения горизонталей с линией створа плотины. В ниже приведенной таблице 1 указана абсолютная отметка устья скважин и шурфов:

Таблица 1

Отметки устья скважин и шурфов

№ выработок	Абсолютная отметка устья выработки, м.
1	2
скв. 1	10,0
скв. 2	6,0

 

Продолжение табл. 1

1	2
скв. 5	6,0
скв. 6	10,0
ш. 1 + скв.3	0,8 (в 2,4м. от уреза воды)
ш. 2 + скв. 4	0,5 (в 1,5м. от уреза воды)
скв. 7	0,0 (в центре реки)

2. Геологическое строение участка исследований представлено шестью инженерно-геологическими элементами:

ИГЭ№1 - почвенно-растительный слой (ПРС) – pdQ_IV;

ИГЭ№2 - моренный суглинок темно-коричневого цвета с включениями щебня и валунов – gQ_III;

ИГЭ№3 - песчаник темно-серого цвета, среднезернистый, очень слабо сцементированный, в нижней части водонасыщенный – Q_III;

ИГЭ№4 - глина зеленовато-голубая, встречаются включения пирита и марказита, в верхней части сильно выветренной - Є₂;

ИГЭ№5 - делювиальные песчано-глинистые отложения с многочислен­ными обломками темно-серого песчаника, плохо отсортированы - dQ_IV;

ИГЭ№6 - аллювиальные глинисто-песчаные отложения с включениями глин голубовато-зеленого цвета и многочисленными окатанными облом­ками песчаника - аQ_IV;

3. В прил. 6 указана мощность слоев (инженерно-геологических элементов) в метрах, у коренных глин мощность дана по данным бурения (т.е. неполная).

Геологическое строение изучалось до глубины залегания зеленовато-голубых глин (Є₂), являющихся естественным основанием проектируемой земляной плотины. Заглубление скважин в этих отложениях доходит до 5,0 м₁. Мощность выветренной зоны кембрийских глин находится в пределах 1,5 - 2,0 м.

4.  Геологическое строение участка исследований указано в
порядке очередности проходки слоев во время бурения, т.е. сверху
вниз.

5. При бурении скважин установлено, что подземные воды
являются безнапорными. Глубина появления УГВ совпадает с глубиной их установившегося уровня и указана в прил. 6 по каждой выработке.

6.  Проведенными по створу земляной плотины геофизическими
исследованиями (электропрофилирование) выявлено, что полная мощ­ность кембрийских глин на участке строительства находится в пределах 45-60 м.

Приложение 1