Способ определения параметров подземной полости

 

Использование: для изменения параметров подземных полостей естественного и искусственного происхождения при инженерных изысканиях в строительстве. Сущность изобретения: в качестве рабочей среды используют жидкость, при определении наличия подземных вод в полости в нее вводят средство контроля наличия подземных вод, чувствительный элемент которого располагают в самой низкой точке полости. Измеряют расход откачиваемых подземных вод или нагнетаемой жидкости, время перемещения их уровня на фиксированное значение, равное шагу послойной оценки поперечного сечения полости, время свободного восстановления уровня подземных вод или истечения жидкости и вычисляют объем полости. Затем находят уровень подземных вод, глубину залегания подземной полости и площади поперечных сечений каждого из слоев полости, по которым судят о ее форме. 4 ил.

Изобретение относится к измерению объемов (параметров) подземных полостей естественного и искусственного происхождения при инженерных изысканиях в строительстве.

Известен способ определения объема некоторой части подземной полости, вскрытой скважиной, оборудованной внешней и внутренней трубами, путем нагнетания через межтрубное пространство жидкости, многократного измерения объема поступившей в полость жидкости и давления в ней, установления линейной зависимости между этими величинами и вычисления по ней относительной сжимаемости жидкости, нагнетания другой, более легкой жидкости или газа с образованием поверхности раздела сред и измерения изменения давления в первой жидкости по мере перемещения поверхности раздела сверху-вниз. При этом расчет объема той части полости, через которую перемещается поверхность раздела, осуществляется по замеренным величинам [1].

Способ не позволяет определить глубину залегания полости. Кроме того, он не применим к негерметичным полостям, и с его помощью можно определить объем только той части полости, которая расположена ниже нижнего края внешней и выше нижнего края внутренней труб.

Наиболее близким техническим решением является способ определения объема негерметичной емкости, преимущественно подземной полости, путем закачки в нее по скважине газа до создания избыточного давления, перекрытия скважины и измерения изменения давления и расхода газа во времени при его закачке и свободном истечении его из емкости, принятый в качестве прототипа. При этом для расчета объема емкости кроме замеренных величин требуется знать удельную постоянную и температуру газа в полости и давление газа в окружающей среде [2].

Недостатками способа являются его неприменимость для определения объема емкости, частично или полностью заполненной подземными водами, и невозможность определения глубины залегания подземной полости.

Новым техническим результатом от использования изобретения является более высокая информативность за счет дополнительного определения глубины залегания подземной полости, уровня подземных вод в ней и послойной оценки поперечного сечения полости.

Технический результат достигается посредством того, что в способе определения параметров подземной полости, при котором производят бурение скважин, пронизывающей свод полости, погружают в скважину внешнюю трубу и внутреннюю трубу, наружный диаметр которой меньше внутреннего диаметра внешней трубы, в одной из труб устанавливают измерительное устройство, определяют наличие рабочей среды в полости, в процессе измерения ее содержания в полости и производят обработку результатов измерений, в качестве рабочей среды используют жидкость, при определении наличия подземных вод в полости в нее вводят средство контроля наличия подземных вод, чувствительный элемент которого располагают в самой низкой точке полости с предварительным фиксированием уровня подземных вод, в процессе измерения производят откачку подземных вод или нагнетание жидкости в полость и последовательно измеряют расход откачиваемых подземных вод или нагнетаемой жидкости Q_i, время Δ t_i перемещения уровня соответственно подземных вод или жидкости на фиксированное значение h_i, равное шагу послойной оценки поперечного сечения полости, и время, соответственно свободного восстановления уровня подземных вод или истечения жидкости из полости Δ t_i', а при обработке результатов измерений объем V полости вычисляют по формуле V =Q_iΔt_iΔt/Δt_i+Δt,, где n - число шагов послойной оценки поперечного сечения полости; i - порядковый номер слоя, дополнительно находят уровень подземных вод и глубину залегания подземной полости, а также площади поперечных сечений S_i каждого из слоев полости по формуле S_i = Q_i Δt_i Δ t_i'/h_i( Δ t_i+ Δ t_i'), по которым судят о форме подземной полости.

Объем герметичной емкости в форме прямого цилиндра при подаче в нее или отборе из нее жидкости с постоянным расходом рассчитывается умножением величины расхода на длительность подачи или отбора жидкости, обеспечивающих полное заполнение или опорожнение емкости. При заполнении жидкостью негерметичной емкости происходят неравномерные потери жидкости, размеры которых зависят от положения ее уровня. Отбор жидкости из негерметичной емкости, погруженной в более крупную емкость, заполненную той же жидкостью, сопровождается аналогичными неравномерными поступлениями жидкости в емкость, из которой производят ее отбор. Таким образом, объем "вырезанного" из негерметичной емкости любой формы элементарного, приведенного к форме прямого цилиндра слоя, ограниченного сверху и снизу горизонтальными плоскостями, высота которого равна шагу перемещения уровня жидкости определяется двумя формулами V_i = (Q_i q_i) Δt_i; V_i = q_i Δ t_i' , где q_i - расход потерь жидкости при ее подаче или поступлении подземных вод при их откачке, соответствующий положению уровня жидкости посредине шага его перемещения.

Приравнивая друг к другу правые части обеих формул, решая полученное уравнение относительно q_i и подставляя решение во вторую формулу, получаем выражение V_i = Q_i Δt_i Δt_i'/(Δt_i + Δt_i) на основе которого можно легко рассчитать общий объем негерметичной емкости и, в частности, подземной полости как сумму объемов элементарных слоев.

Естественная подземная полость с примыкающими к ней трещинами представляет собой открытую систему сообщающихся сосудов, в узких частях которой при изменении количества заполняющей ее жидкости наблюдается пьезометрический эффект. Благодаря этому в момент прохождения уровня жидкости через самую высокую точку полости во входящей в нее в любом месте скважине происходит резкое падение скорости его снижения или резкое возрастание скорости его подъема. В результате появляется возможность четкого определения глубины залегания верхней точки полости на основе последовательных замеров изменяющегося уровня жидкости.

На фиг.1 показана схема реализации способа в виде вертикального разреза грунтовой толщи при наличии в ней негерметичной полости, заполненной подземными водами; на фиг.2 - совмещенный график изменения во времени расхода откачки и уровня подземных вод при определении объема заполненной ими негерметичной полости; на фиг.3 - то же, при наличии в грунтовой толще негерметичной полости, незаполненной подземными водами; на фиг.4 - совмещенный график изменения во времени расхода и уровня наливаемой жидкости (воды) при определении объема незаполненной подземными водами негерметичной полости.

П р и м е р 1. Определяется объем обнаруженной в ходе инженерных изысканий полностью заполненной подземными водами карстовой полости (фиг.1). Для этой цели в грунтовой толще 1 бурят входящую в полость 2 скважину и погружают в нее колонну внешних (обсадных) труб 3, так чтобы ее нижний конец приподнимался над дном полости. Затем во внешние трубы 3 опускают колонну внутренних труб 4 приблизительно той же длины. В открытое межтрубное пространство помещают уровнемер 5, например, электроуровнемер, для слежения за перемещением уровня подземных вод.

Далее производят откачку подземных вод, например, с помощью поверхностного центробежного самовсасывающего насоса, предварительно погружая всасывающий шланг 6 с чувствительным элементом в полость 2 через колонну внутренних труб 4, так чтобы он несколько выступал из них, как это показано на фиг. 1. Начиная с определенного момента, уровень подземных вод опускается ниже конца шланга 6, и тогда его погружают все глубже в полость 2 вслед за снижающимся уровнем, определяя необходимость дальнейшего погружения по звуку "на храп" и увеличивая при этом водоотбор. По достижении концом всасывающего шланга 6 нижней точки полости 2 его дальнейшее продвижение не приводит к возобновлению поступления воды, и на этом откачку прекращают, отмечая момент остановки насоса.

В ходе откачки постоянно замеряют расход воды, например, с помощью водомера, глубину же уровня подземных вод в межтрубном пространстве замеряют уровнемером 5 до тех пор, пока он не достигает нижнего конца внешней трубы 3. По результатам замеров строят совмещенный график (фиг.2), на который наносят кривую 7 изменения во времени расхода откачки и кривую 8 снижения уровня подземных вод. В течение наступающего затем периода свободного восстановления уровня подземных вод в полости 2, также как и в ходе откачки, производят его замеры, по результатам которых строят кривую 9 подъема уровня подземных вод и наносят ее на график.

После этого осуществляют обработку полученных данных. Глубину залегания верхней точки полости 2 определяют на кривой 8 по первому резкому падению скорости снижения уровня подземных вод в межтрубном пространстве в период откачки. Она также фиксируется на кривой 9 по последнему резкому возрастанию скорости восстановления уровня подземных вод, но с меньшей четкостью. График (фиг.2), начиная с уровня верхней точки полости расчерчивают параллельными горизонтальными линиями, замеряя по расположенным между ними отрезкам кривых 8 и 9 парные интервалы времени Δt_i и Δ t_i ', а по кривой 7 определяют сооветствующие средние величины расхода откачки. На основе этих данных с учетом длительности снижения уровня подземных вод от конца внешней трубы 3 до нижней точки полости 2 Δ t_n и длительности восстановления уровня подземных вод в том же интервале Δ t_n' и вычисляют полный объем полости.

П р и м е р 2. Определяется объем полости 2, незаполненной подземными водами (фиг.3). Также как и в первом примере, соблюдая те же требования, в полость опускают колонны внешних 3 и внутренних 4 труб, однако уровнемер 5 помещают во внутренние трубы и они таким образом играют роль пьезометрической колонны. Через межтрубное пространство осуществляют налив жидкости, например, воды, в полость 2, например, с помощью регулирующего устройства с вентилем и водомером, отмечая момент начала налива.

В ходе налива постоянно замеряют расход жидкости (воды) и глубину ее уровня во внутренних трубах 4 с момента появления в них жидкости (воды) до тех пор, пока не происходит резкий скачок уровня, что свидетельствует о достижении жидкостью (водой) верхней точки полости 2. На этом налив прекращают и опускают в межтрубное пространство прикрепленный к выходящему из скважины на поверхность шнуру поплавок 10 с чувствительным элементом. Затем ведут наблюдение за свободным спадом уровня жидкости (воды), замеряя его положение в колонне внутренних труб 4 до момента снижения уровня ниже ее нижнего конца. При этом шнур, к которому прикреплен поплавок 10, втягивается в скважину до момента полного осушения полости 2, который фиксируют чувствительным элементом и по прекращению движения шнура.

Результаты измерения наносят на совмещенный график (фиг.4) в виде кривой 7 расхода жидкости (воды), кривой 8 подъема ее уровня в процессе налива и кривой 9 его снижения в ходе свободного спада. Обработку полученных данных и расчет полного объема полости осуществляют также, как и в первом примере. При этом учитывают длительность подъема уровня жидкости (воды) от нижней точки полости 2 до нижнего конца внутренней трубы 4 Δ t_i и длительность спада уровня жидкости (воды) в том же интервале Δt_i .

Изобретение не требует применения высоких давлений и использования жидкостей или газов особого химического состава и свойств, что обеспечивает его экологическую чистоту и безопасность работы. В случае определения объема незаполненной подземными водами полости способ не налагает никаких требований на закачиваемую или наливаемую жидкость, а определение объема полости, заполненной подземными водами, вообще не требует доставки к месту испытаний каких-либо жидкостей. Это обеспечивает простоту реализации способа.

Способ не требует также никакого специфического оборудования, кроме стандартного, используемого при опытно-фильтрационных работах с незначительным дополнением. Для реализации способа могут использоваться уже существующие разведочные скважины, вскрывшие полость. Кроме того, сопоставление графиков изменения уровня подземных вод или нагнетаемой жидкости по нескольким скважинам, пробуренным на одной площадке, позволяет однозначно ответить на вопрос, вскрыта ли ими одна и та же полость или нет, что имеет очень большое значение при оценке геологического риска.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНОЙ ПОЛОСТИ, при котором производят бурение скважины, пронизывающей свод полости, погружают в скважину внешнюю трубу и внутреннюю трубу, наружный диаметр которой меньше внутреннего диаметра внешней трубы, в одной из труб устанавливают измерительное устройство, определяют наличие рабочей среды в полости, в процессе измерения через другую трубу осуществляют измерение содержания рабочей среды в полости, измеряют расход рабочей среды в течение времени изменения ее содержания в полости и производят обработку результатов измерений, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используют жидкость, перед определением наличия рабочей среды в полости определяют наличие в ней подземных вод путем введения в нее средства контроля наличия подземных вод, чувствительный элемент которого располагают в самой низкой точке полости с предварительным фиксированием уровня подземных вод, в процессе измерения производят откачку подземных вод или нагнетание жидкости в полость и последовательно измеряют расход Q_iоткачиваемых подземных вод или нагнетаемой жидкости, время Δt_iперемещения уровня соответственно подземных вод или жидкости на фиксированное значение h_i, равное шагу послойной оценки поперечного сечения полости, и время Δt_i соответственно свободного восстановления уровня подземных вод или истечения жидкости из полости, а при обработке результатов измерений объем полости V вычисляют по формуле V =Q_iΔt_iΔt/(Δt_i+Δt), где n - число шагов послойной оценки поперечного сечения полости;
i - порядковый номер слоя,
и дополнительно находят уровень подземных вод и глубину залегания подземной полости, а также площади S_i поперечных сечений каждого из слоев полости по формуле
S_i=Q_iΔt_iΔt/h_i(Δt_i+Δt),
по которым судят о форме подземной полости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4