В отдельных случаях такие скважины целесообразно также оборудовать электрическими преобразователями (датчиками) интенсивности суффозии - суффозиометрами конструкции которых разработаны i лаборатории фильтрационных исследований ОАО "ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева" [3].
Для наблюдений за термостратифицированными фильтрационными потоками обсадные трубы скважин рекомендуется оборудовать поперечными перегородками - диафрагмами выполненными в виде лепестков (секторов) из эластичного материала,, например, резины. Эти перегородки укреплены на разжимных кольцах внутри наблюдательной скважины (см рисунок) для предотвращения конвективного перемешивания находящейся в ней воды, при котором не обеспечивается соответствие между температурой снаружи и внутри скважины в точках ее измерения. Такое обустройство наблюдательных скважин было признано изобретением [4].
Напорные пьезометры должны оборудоваться защитными оголовками с отводом (трубой диаметром 12 мм), на котором монтируется манометр или пьезодинамометр (ПДС), и устанавливаются краны для отключения манометра, измерения расхода и температуры воды, отбора проб на анализ и т.п. Температура воды может измеряться также в пьезометрах телетермометрами, ПТС и др. Такая конструкция позволяет использовать пьезометр как в безнапорном режиме (в пусковой период эксплуатации сооружений), так и в напорном ( в период дальнейшей эксплуатации при расчетных параметрах), а также для дистанционного измерения при автоматизации наблюдений.
Схема обустройства наблюдательных скважин эластичными лепестковыми диафрагмами для термокаротажа фильтрационных потоков
1 - обсадная труба скважины; 2 - эластичные диафрагмы; 3 - разжимное кольцо, на котором крепится диафрагма.
4.3. Измерения расходов фильтрации в отдельных зонах вмещающего скального массива, расходов дренажных систем, протечек через неплотности и трещины в обделке подземных помещений и общих водопритоков в отдельные части подземного комплекса могут производиться различными средствами, описанными ниже в п. 5.6 и размещаемыми в водоотводных, дренажных, подходных штольнях, водосборных канавках подземных помещений, водоотводящих лотках насосных откачки дренажных вод и т.п.
4.4. Для наблюдения за силовым воздействием подземных вод на бетонные обделки подземных выработок следует использовать закладные пьезодинамометрические датчики (ДДС, ДДСП), размещаемые на стадии строительства на наиболее ответственных участках, а также короткие заоблицовочные пьезометры, оборудованные манометрами или преобразователями давления (струнными, резистивными). Такие короткие пьезометры могут быть пройдены с шагом 3 - 5 м между основными створами и включены в состав наблюдательной сети, что резко повысит разрешающую способность измерительной системы.
4.5. Наблюдения за температурами мерзлых, промерзающих, протаивающих зон массива, вмещающего подземные сооружения, рекомендуется вести с использованием скважин, шпуров, оборудованных герметичным стаканом обсадных труб из малотеплопроводных материалов (пластмасс, полиуретана и др.). Во избежание существенного влияния конвекции воздуха на показания термодатчиков скважина закрывается плотной пробкой (обычно металлической, завинчивающейся), а по длине скважины устраивается несколько эластичных перегородок, перекрывающих обсадную трубу, либо после помещения в трубу термодатчиков она заполняется сухим песком, быстротвердеющими пенами и др. В качестве термодатчиков рекомендуется использовать закладные "гирлянды" телетермометров (ПТС и др.), электротермометров сопротивления, термотранзисторов и терморезисторов, прошедших "режим закаливания", предварительно отградуированных в диапазоне прогнозируемых температур с устойчивыми во времени тарировочными коэффициентами [5]. При размещении термогирлянд в восстающие выработки (в сводах, стенах подземных сооружений) они монтируются на жестком стержне, поэтапно наращиваемом при внедрении в скважину, шпур.
5. КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА (КИА), ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ДЛЯ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ТЕРМИЧЕСКИМ И ФИЛЬТРАЦИОННЫМ СОСТОЯНИЕМ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ И СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ
5.1. Контрольно-измерительная аппаратура, применяемая при натурных наблюдениях за термическим и фильтрационным режимом скальных массивов на участках эксплуатируемых подземных сооружений, по своему основному назначению подразделяется на три группы. К первой группе относятся преобразователи, пьезометры и устройства, являющиеся источниками информации и устанавливаемые в контролируемых зонах (первичная КИА). По своим эксплуатационным свойствам первичная КИА делится на временную, устанавливаемую без возможности замены, со сроком службы не более 10 - 15 лет, и долговременную, имеющую срок службы, сопоставимый со сроком эксплуатации сооружений, или устанавливаемую с возможностью ремонта или замены при выходе ее из строя. К временной первичной КИА относятся преобразователи давления струнные с пористой насадкой (ПДСП) и преобразователи температуры струнные (ПТС), терморезисторы, термотранзисторы и др. Долговременной первичной КИА являются все виды пьезометров: опускные безнапорные (ПОБ), опускные напорные (ПОН), двухтрубные (ДП), закладные (ПЗ), контактные (ПК), все средства измерения расходов, а также преобразователи струнные, установка которых предусматривает их замену в период эксплуатации.
Ко второй группе относятся измерительные устройства, выполняющие промежуточные функции: коммутационные щиты, насосные установки.
К третьей группе относятся стационарные и переносные приборы, необходимые для производства измерений (вторичная КИА): манометры, уровнемеры (механические, электрические, пневматические, акустические), мосты электросопротивлений типа R-333 и модернизированные аналоги, периодомеры цифровые портативные (ПЦП), расходомеры, шпитц-масштабы, термометры и другая аппаратура.
Аппаратура должна быть работоспособной в большом диапазоне изменения температур( от -40 до +40°С), при воздействии резких перепадов температуры (термоудар) и давления, пылевлагонепроницаемой и рассчитанной на длительный срок работы в агрессивных средах (например, соленых водах и рассолах).
5.2. Термометрические приборы, применяемые при наблюдениях, по принципу действия подразделяются на ртутные и электрические, а по способу использования могут быть стационарные (постоянные) или переносные (периодически опускаться в скважины).
Из ртутных термометров используются:
простые (для источников), показания которых снимаются без извлечения термометра из воды;
специальные (для зумпфов и скважин), сохраняющие показания в течение некоторого времени после извлечения из воды.
К специальным термометрам относятся: максимальные и минимальные (фиксирующие наивысшую или наинизшую температуру), ленивые (с увеличенным ртутным шариком или теплоизоляцией из резины, пробки, войлока и т.п.), черпательные ( с шариком в открытом сосуде, заполняющемся водой) и другие.
5.3. Обычные ртутные термометры обеспечивают измерение температуры воды с точностью ±0,5 -1,0°С. Более предпочтительны срочные термометры (марки ТМ-10, почвенно-глубинные, родниковые) с разницей в отсчетах -0,02°С, что достигается использованием оптической насадки и обеспечивает точность измерения температуры -0,1 °С.
Основными недостатками ртутных термометров являются:
невозможность дистанционного измерения;
необходимость заленивливания для сохранения показателей на время извлечения из скважины;
частые повреждения при работе с ними;
невысокая точность более удобных в обращении и высокая стоимость высокоточных термометров;
необходимость экспериментального определения времени выдержки, по истечении которого показания термометра не изменяются.
Для предохранения ртутных термометров от повреждения используются стандартные защитные гильзы ОТ-1, гильзы-наконечники, стаканы и ДР-
5.4. Электротермометры, применяемые при наблюдениях, по принципу действия являются терморезисторами, позволяющими выполнять дистанционное измерение температур. Обычно используются терморезисторы марок ММТ, КМТ и др. с мостом МО-62 с классом точности ³0,2. Термисторные датчики практически безынерционны, высоко чувствительны и позволяют измерять температуру с точностью до 0,1°С. Для измерений в скважинах термометры собираются в связки или "косы" (не более 5-и ртутных в связке и любое число электрических термометров в одной "косе"). Такая "коса" может использоваться для периодического термокаротажа скважин и устанавливается в скважине для постоянных наблюдений.
Все термометры должны регулярно проверяться (не реже одного раза в год и после любого ремонта). Для проверки и тарировки термометрических приборов рекомендуется применять образцовые равноделенные термометры марки TP с ценой деления 0,01 - 0,05°С. Общие правила подготовки измерительной аппаратуры и производства измерений изложены в руководствах, например [5], и других источниках [7].
5.5. Для определения напоров подземного потока в скальном массиве используются все виды пьезометров, а также струнные и резистивные преобразователи (датчики) давления. Каждый из установленных приборов контролирует пьезометрические уровни в определенной зоне скального массива (например, на подходе фильтрационного потока к цементационной или дренажной завесе, непосредственно перед завесой, далее - за нею, перед фронтом обделки подземного помещения). В напорных пьезометрах струнный датчик давления типа ПДС устанавливается в оголовке, а в безнапорном - ПДСП подвешивается на электрокабеле внутри водоприемника.
5.6. Для измерения расходов притока подземных вод в подземные сооружения, а также для оценки расходов фильтрации в разных зонах вмещающего скального массива, рекомендуется использовать различные методы. Измерение расходов фильтрации можно выполнять в напорных пьезометрах, дренажных скважинах, родниках, на водосливах дренажных выработок и водоотводящих систем.
Расходы воды, изливающейся из напорных пьезометров, могут измеряться объемным способом (с использованием мерных сосудов), измерение дебитов фонтанирующих скважин с вертикально выбивающейся струей может производиться путем измерения высоты фонтана и отыскания значений расхода по соответствующим таблицам для определенного диаметра труб. Измерять расходы скважин с дебитом более 5 - 10 л/с можно также с помощью опускаемых в скважину микровертушек и посредством различных специальных водомерных устройств при выходе воды из скважины в водосборный лоток, колодец, трубопровод. При расходах более 10 л/с в лотках целесообразно использовать мерные водосливы (трапецеидальные, прямоугольные, треугольные).
Для определения расходов небольших потоков воды можно применять поплавковый метод, для более крупных - различные гидрометрические вертушки и другие водосчетчики.
Расходы горизонтальных дренажей, а также водоотводных, подходных, транспортных и др. штолен измеряются, как правило, с помощью мерных водосливов, устанавливаемых в специальных колодцах на водовыпусках. Целесообразно применять стандартные незатопленные водосливы с тонкой вертикальной стенкой (Чиполетти, Базена - Эгли, Томсона).
Конструкции и методика измерений на водосливах описаны в соответствующих руководствах [6]. В отдельных случаях представляется удобным измерять расход переносной водосливной рамкой или по истечении воды через круглые или квадратные отверстия в стенке, перегораживаю щей водоотводную канавку (лоток).
Если отвод воды осуществляется не по лотку, а по трубопроводу, то для измерения небольших дренажных расходов можно использовать специальные прозрачные вставки и определять скорость потока по данным наблюдений за прохождением вводимого в воду красителя. Можно также применять специально установленные диафрагмы, оборудованные дифференциальными манометрами и самопишущими приборами, и водомеры вертушками, типа ВВ или др.
Наиболее практичными следует считать электромагнитные расходомеры типа ИР-51, имеющие выход постоянного тока до 5 мА (соответствующий мгновенному расходу воды) и обеспечивающие использование аналоговых приборов Государственной системы средств автоматизации стандартных самопишущих миллиамперметров и потенциометров постоянного тока КС 2, КС 4 и др.
Для определения суммарного объемного количества жидкости расходомер может поставляться в комплекте с интегратором С-1М или С-1 AM Класс точности расходомера по токовому выходу 1,0. Питание осуществляется от сети переменного тока 50 Гц. Длина линии связи между преобразователем и измерительными устройствами не должна превышать 100 м Пределы измерения расходов - от 0,32 м3/час до 250 м3/час. Изготавливаются эти расходомеры в Эстонии (г. Таллинн).
5.7. Для контроля процессов растворения и выщелачивания (химической суффозии) в скальных массивах, сложенных растворимыми (карбонатными карстующимися, гипсоносными и соленосными) породами, можно использовать различные методы гидрохимических наблюдений, а так же отдельные виды инструментальных наблюдений, выполняемых с по
мощью специально сконструированной переносной или стационарной КИ/ например, ионоселективных датчиков-электродов и концентратомеров.
Платиновые черненые датчики-электроды с ресхордным мостом используются для контроля общей минерализации подземных вод, иногда они специально подбираются для контроля за содержанием конкретны ионов (например, кальция) в фильтрационном потоке. Кондуктометрические концентратомеры используются для контроля минерализации соленых вод и рассолов. Схема такого прибора приведена в Приложении на рис. П.1. Размещение приборов и периодичность или непрерывность съема информации обосновываются программой исследований в соответствии с характером решаемых задач.
6. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ТЕРМИЧЕСКИМ И ФИЛЬТРАЦИОННЫМ СОСТОЯНИЕМ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ РЕГИСТРАЦИЯ, ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ
6.1. Частота измерений в точках наблюдательной сети определяете периодом и видом наблюдений, конкретными задачами, скоростью развития и характером контролируемых температурных и фильтрационных процессов, общей гидрогеологической, инженерно-геокриологической обстановкой на участках подземных сооружений гидроузла, метеорологическими условиями, режимом эксплуатации объектов и другими факторами. 0бщим принципом определения необходимой периодичности наблюдений является их проведение через более короткие интервалы времени - в характерные периоды климатического, гидрологического, гидрогеологического эксплуатационного годовых циклов и более продолжительные интервалы в остальное время года.
В зависимости от конкретных условий и задач наблюдений пьезе метрические и температурные измерения в наблюдательных скважина) пьезометрах, снятие показаний контрольно-измерительных приборов (преобразователей давления и температуры), а также измерения расходов мс гут производиться от 1 - 2-х до 4 - 12-и раз в месяц. В ряде случаев их частей устанавливается в зависимости от режима горизонта водохранилища (более редкие наблюдения при стабильном УВБ и частые при подъеме ил спаде в среднем не реже 1 раза на каждые 2 - 4 м его изменения).
Химические анализы воды, как правило, выполняются 2 - 6 раз в год, а при сложных обстоятельствах (агрессивные воды, криопэги, быстро развивающиеся процессы растворения и выщелачивания и др.)- не реже одного раза в месяц.
6.2. При необходимости более частых пьезометрических, термометрических или гидрохимических наблюдений наблюдательные точки должны быть оборудованы дистанционной аппаратурой. Автоматизированная система опроса дистанционных датчиков может фиксировать информацию на носителе (перфоленте, магнитной ленте, дискете), обеспечивающем непосредственный ввод данных в ЭВМ, где они накапливаются и обрабатываются.
Режимные наблюдения могут осуществляться с помощью электронных средств измерения. Для этого используются специализированные системы для высокоточных автоматизированных измерений [7], передачи и регистрации поступающих данных на дистанционном аналоговом регистраторе в центральном пункте обработки. Если вся система полностью автоматизирована, обработанная и обобщенная информация выдается в виде компьютерных графических материалов (цветных карт пьезо- и гидроизогипс, изотерм, гидроизотерм, гидроконцентрат, схем, разрезов, графиков, диаграмм, эпюр и т.п.), а ее анализ осуществляется специалистами групп авторского надзора, геонадзора или привлеченных специализированных научно-исследовательских организаций. Опыт многолетней эксплуатации подобных систем за рубежом показал их высокую надежность и эффективность.
6.3. Систематизация и анализ результатов натурных наблюдений без использования ЭВМ включает:
первичную регистрацию, обработку и оценку качества полученных данных с составлением таблиц и графиков;
вторичную обработку с обобщением и группировкой по всем видам наблюдений, изучаемым параметрам, местоположению пунктов наблюдений с представлением результатов на картах, профилях, номограммах, диаграммах и составлением обобщенных графиков установленных зависимостей или описывающих их аналитических уравнений;
формулирование и оценку общих закономерностей геотермической, гидрогеологической обстановки на участке подземного объекта, анализ и оценку условий его эксплуатации в сопоставлении с проектными предположениями и критериальными значениями контролируемых параметров, а также с данными наблюдений предшествующего периода;
уточнение прогноза дальнейшего развития геотермической, гидрогеологической обстановки в зависимости от характера и интенсивности проявления тепловых, фильтрационных процессов (процессов растворения, выщелачивания, механической суффозии или кольматации во вмещающих породах и бетонных обделках, в зонах противофильтрационных и дренажных устройств), определение допустимых значений контролируемых параметров фильтрации, термического режима, разработку рекомендаций по мероприятиям для стабилизации или улучшения условий эксплуатации.
6.4. Основными принципами систематизации и анализа результатов наблюдений за температурой пород и фильтрацией в процессе эксплуатации подземных сооружений являются взаимоувязанность и комплексность обработки и интерпретации данных, полученных различными методами, их сопоставление, взаимопроверка и совместный анализ.
6.5. Первичная обработка и анализ данных режимных наблюдений производится по контролируемым параметрам, регистрируемым в отдельных наблюдательных пунктах и по группам таких пунктов, объединенных по принадлежности к определенным литолого-структурным элементам, температурным и гидродинамическим зонам вмещающего скального массива, а также общности местоположения (подземное здание станции, шахта водосброса, турбинные водоводы и т.п.). Данные наблюдений по каждому пункту наблюдательной сети регулярно наносятся на графики, на оси абсцисс которых откладывается время (дни, месяцы, годы), а на оси ординат - пьезометрические уровни, расходы, температура, химический состав по элементам (анионам, катионам, общей минерализации и др.). На те же графики выносятся данные об уровнях водохранилища (в случае необходимости - нижнего бьефа), атмосферных осадках, температуре воды, наружного воздуха и воздуха в подземных помещениях.
6.6. Вторичная обработка данных наблюдений заключается в построении гидродинамических сеток, гидрогеологических карт и профилей (гидроизогипс, пьезоизогипс, гидроизотерм, гидрохимических и др.); геотермических разрезов, планов-срезов, карт, отражающих выявленные закономерности распределения температур, напоров или уровней и других параметров потока подземных вод на участках размещения подземных сооружений в характерные периоды гидрологического, геотермического, гидрогеологического и эксплуатационного циклов. На картах, например, могут быть изображены поверхности подземных вод или приведены данные по их химическому составу при максимальных и минимальных уровнях водохранилища. Могут создаваться также другие специальные карты и разрезы. Сравнение карт и профилей, полученных в разные годы эксплуатации подземного комплекса при одних и тех же уровнях водохранилища, позволяет выявить основные тенденции развития геотермической и гидрогеологической обстановки во вмещающем скальном массиве.
Графики колебаний расходов дренажных устройств подземного комплекса (суммарных и на отдельных участках) могут характеризовать гак изменение водоудерживающей способности противофильтрационных цементационных завес и бетонных обделок помещений, так и характер работы дренажей (в одном годовом цикле - в зависимости от положения поверхности подземных вод во вмещающем скальном массиве, а при одинаковых напорах - за несколько лет).
6.7. Результаты режимных геотермических и гидрогеологических наблюдений должны подвергаться текущему, предварительному и полному анализу
Текущий анализ для оперативного контроля и оценки теплового состояния и гидрогеологической обстановки на участке подземных сооружений, с точки зрения безопасности их эксплуатации, следует производить непосредственно по данным каждого цикла наблюдений. Его основной задачей является оценка качества наблюдений и выявление признаков возможных неблагоприятных изменений силовых воздействий на сооружения, обусловленных трансформацией фильтрационного и температурного полей.
Предварительному анализу подлежат данные наблюдений за каждым из элементов режима (уровни, расходы, температура, химический состав подземных и поверхностных вод), полученные по каждому характерному периоду годового эксплуатационного цикла (например, в периоды предпаводковой сработки, заполнения, частичной сработки и последующей стабилизации уровня водохранилища, когда условия работы подземных сооружений гидроузла различны). По окончании каждого такого периода надо безотлагательно выполнять сопоставление результатов наблюдений с материалами прежних лет эксплуатации для выявления и оценки возможных отклонений температурного и фильтрационного режимов.
Полный анализ результатов натурных наблюдений производится после завершения каждого календарного года и основывается на взаимоувязанных материалах вторичной обработки данных, обеспечивающей выполнение поставленных программой задач.
При полном анализе производится построение геотермических полей и гидродинамических сеток фильтрации (в плане и по характерным сечениям), определяются параметры фильтрационного потока на разных участках, выделяются зоны сосредоточенной фильтрации и различные аномалии гидродинамического, температурного и гидрохимического полей, прослеживаются их границы и динамика развития, разрабатываются рекомендации по корректированию температурного поля и режима фильтрации на участках, где наблюдаются нежелательные его изменения, а также по улучшению работы противофильтрационных и дренажных устройств, предотвращению или ограничению развития неблагоприятных фильтрационных процессов. В случае необходимости даются рекомендации по проведению специальных исследований.
6.8. Заключительными этапами анализа результатов наблюдений являются:
проверка соответствия проектных (занесенных в паспорт гидроузла) и фактических данных о температурах массива, напорах, градиентах и расходах фильтрационного потока, давлениях на обделки подземных помещений и водопритоках в выработки;
составление (уточнение) прогноза дальнейшего развития геотермической и гидрогеологической обстановки и оценка его влияния на условия эксплуатации объектов;
разработка рекомендаций по дальнейшему температурному и фильтрационному контролю состояния системы сооружение - массив, определение допустимых пределов изменения контролируемых параметров, возможных мероприятий по стабилизации или улучшению условий эксплуатации, а также (в случае необходимости) неотложных мер по ремонту и реконструкции объектов.
