Полный текст

Введение Прямое вдавливание (Direct-Push, далее DP) - это метод создания скважины, которая формируется при помощи продвижения зонда (технологического инструмента) в нижний горизонт либо ударным воздействием, либо вдавливанием. Примером использования технологии прямого вдавливания является статическое зондирование грунтов (CPT) [1]. По данной технологии формируется скважина малого диаметра, которая позволяет отобрать пробы грунтовых вод, почвенного воздуха (паров), грунтов ненарушенной структуры и др. Отбор проб по технологии DP осуществляется, как правило, на небольших глубинах, глубина отбора проб может достигать 12 м и более. Скорость и глубина внедрения технологического инструмента в большинстве случаев зависит от прочностных характеристик грунта и его типа. Достоинством технологии прямого вдавливания является возможность, при значительном снижении стоимости и трудоемкости работ, выполнять инженерные-геологические и инженерно-гидрометеорологические изыскания без бурения скважины [2]. Оборудование для отбора проб по технологии DP делится на две группы: Первая группа - это оборудование для отбора проб в заданный момент времени (PT): данные устройства (приборы), называемые «черпаковыми пробоотборниками» или «временными пробоотборниками», используются с целью определения условий грунтовых вод, быстрого отбора проб во время одного прохода [3]. Такие пробоотборники изготавливаются из нержавеющей или углеродистой стали и имеют внешний диаметр, не превышающий 51 мм. Метод DP используется при продвижении пробоотборников в грунтах невысокой прочности и при постоянном уровне грунтовых вод. Под воздействием внешнего гидростатического давления грунтовые воды поступают в пробоотборник из незащищенного (открытого) фильтра. Образцы могут быть собраны из пробоотборника при помощи насоса или желонки (сосуд цилиндрической формы для подъема жидкости из скважин), или же можно поднять сам пробоотборник на поверхность для получения образца грунтовой воды. Вторая группа - оборудование для контроля за уровнем грунтовых вод (УГВ) при помощи мониторинговых скважин (MW). Данные скважины устанавливаются при помощи метода DP с целью обеспечения краткосрочного или долгосрочного наблюдения (мониторинга) за изменением уровня грунтовых вод, измерения порового давления, гидравлической проводимости грунта [3, 4]. Наружный диаметр таких скважин составляет менее 51 мм. Материал труб выполнен из нержавеющей стали и/или ПВХ. При долгосрочном мониторинге скважины устанавливаются на период от нескольких месяцев до нескольких лет, при этом кольцевое пространство вокруг скважины должно герметизироваться. Это необходимо с целью недопущения перемещения (миграции) загрязняющих веществ в водоносный горизонт, саму скважину надежно укрывают при помощи оголовков от случаев вандализма. Секция с фильтрующими (щелевидными) отверстиями позволяет грунтовым водам поступать в скважину под действием внешнего гидростатического давления. Грунтовые воды в такой скважине можно также отбирать при помощи различных насосов, желонок или при помощи пассивных устройств отбора проб. Для проведения инженерных изысканий, связанных с отбором проб, используется оборудование первой группы, такие устройства не применяются для мониторинга. Для определения изменения уровня грунтовых вод в течение длительного периода времени и для анализа изменения концентрации загрязняющих веществ применяют мониторинговые скважины. После завершения отбора проб и мониторинга скважины необходимо выводить из эксплуатации. Пробоотборники, работающие в заданный момент времени, также используют для определения границ загрязнения, критических участков [5]. Максимальная эффективность технологии DP осуществляется при использовании оборудования из второй группы. Она достигается за счет совместного использования мониторинговых скважин и DP-пробоотборников: как только информация с пробоотборников будет собрана, устанавливается оборудование мониторинга уровня грунтовых вод для получения остальных необходимых данных. Пробоотборники, работающие в заданный момент времени Существует три типа приборов для отбора проб грунтовых вод, работающих в заданный момент времени [6]: - пробоотборник с герметично закрытым фильтром (SSS); - многоуровневый пробоотборник (MLS); - пробоотборник открытого типа (OHS). Данные пробоотборники позволяют определить технические характеристики площадки за определенный промежуток времени. Время, которое необходимо для извлечения пробы грунтовых вод, зависит от гидравлической проводимости грунта. Отбор проб в мелкозернистых грунтах занимает от нескольких часов до суток и более, в то время как в крупнозернистых грунтах время отбора - несколько минут. В случае, когда восстановление УГВ происходит медленно, установленный пробоотборник можно оставить на месте, а оборудование DP перенести на новую точку исследования. Пробоотборники с герметично закрытым фильтром Данные пробоотборники имеют фильтр, длина которого составляет от 15 до 92 см, вложенный в герметичный, водонепроницаемый корпус (рис. 1). При таком устройстве фильтр пробоотборника не забивается и не повреждается. Объемы проб, собранных при помощи таких пробоотборников, ограничены объемом контейнера (например, 35-120 мл для одной пробирки в BAT; 1,2 л для Hydropunch II; 500 мл для Hydropunch I) [7-9]. Принцип работы герметично закрытого пробоотборника: пробоотборник в закрытом виде задавливается на требуемую глубину в массив грунта, после чего фильтр приводится в открытое положение и осуществляется отбор проб (рис. 1). Грунтовая вода поступает в пробоотборный контейнер под действием гидравлического напора. При помощи уплотнительных колец между передвигающейся частью и корпусом обеспечивается герметичность контейнера. В случаях, когда восстановление уровня грунтовых вод происходит медленно, отбор проб может быть затруднен из-за длительного времени. Например, в грунтах с низкой гидравлической проводимостью время отбора проб может превышать несколько часов, в то время как в грунтах с высокой и умеренной гидравлической проводимостью отбор образцов может осуществляться в течение нескольких минут или десятков минут. Чтобы избежать простоев, пробоотборник может быть оставлен в стволе скважины до пополнения запасов грунтовых вод, а оборудование DP может быть перенесено на следующую точку исследования. Одним из методов сокращения времени отбора проб является использование в пробоотборниках фильтров, длина которых составляет от 76 до 106 см, например Geoprobe® Screen Point 16 [10]. Отбор пробы воды из зоны исследования производится при помощи насоса или желонки. Рис. 1. Пробоотборник с герметично закрытым фильтром: а - задавливание пробоотборника DP на требуемую глубину в закрытом положении; б - фильтр в открытом положении, процесс отбора проб Fig. 1. Sealed-Screen Sampler: a - drive well point to desired depth in closed position; b - pull back DP rod to open intake for sampling Применение пробоотборника с герметично закрытым фильтром позволяет отобрать одну пробу за один проход, однако существует многоуровневый метод, который позволяет отбирать несколько проб за один проход. Многоуровневые пробоотборники Многоуровневые пробоотборники представляют собой оборудование DP, способное отбирать пробы грунтовых вод через несколько интервалов. Такие пробоотборники имеют открытый фильтр (подвергающийся воздействию окружающей среды). Наконечник многоуровневого пробоотборника, как правило, имеет фильтр длиной от 15 до 92 см, который состоит из тонкой сетки, небольших отверстий или узких прорезей. В то время как колонна продвигается на глубину, такой фильтр остается открытым для грунта и воды (рис. 2), что позволяет отбирать пробы либо периодически, либо непрерывно, пока инструмент достигает необходимой отметки. Рис. 2. Многоуровневый пробоотборник с открытым фильтром, размещенным ниже основания скважины Fig. 2. Exposed-Screen Sampler-Well Point Driven below the Base of Borehole Многоуровневые пробоотборники используются для измерения уровня грунтовых вод, а также могут применяться для определения возможных (предпочтительных) путей фильтрации и фильтрационных барьеров, для проведения гидравлических испытаний через определенные промежутки времени для характеристики гидравлической проводимости грунта [11]. Недостатком данного пробоотборника является возможное загрязнение фильтра из зон выше желаемого места исследования (перекрестное загрязнение). Однако пробоотборник Profiler Waterloo уменьшает вероятность возникновения перекрестного загрязнения [12]. Прибор такого пробоотборника состоит из 15-сантиметрового инструмента из нержавеющей стали, в котором имеется несколько отверстий (каналов), покрытых тонкой сеткой. По мере того как инструмент погружается, деионизированная или дистиллированная вода медленно закачивается вниз по трубе, проходящей внутри приводного штока, и попадает в каналы для отбора проб в инструменте (рис. 3). В результате этого подающаяся в скважину вода предотвращает поступление грунтовых вод внутрь колонны в процессе ее продвижения в грунт. Для отбора проб с глубины менее 7,5 м обычно используется рукавный (шланговый) насос, а для отбора с больших глубин - двухклапанный насос. При достижении первого целевого интервала поток насоса переключается на обратное направление работы насоса (с закачки на откачку), после чего осуществляется отбор проб грунтовых вод с горизонта. Как только отбор проб завершен, насос переключается на закачку, и деионизированная или дистиллированная вода снова пропускается через отверстия для отбора проб [13]. Затем прибор переходит к следующему целевому интервалу, где процесс повторяется (см. рис. 3). Рис. 3. Многоуровневый пробоотборник Profiler Waterloo. Принцип отбора проб: а - пробы отбираются из 1-й зоны исследования при помощи шлангового насоса; б - дистиллированная вода нагнетается во время продвижения колонны, с целью предотвращения закупоривания пробоотборных отверстий; в - пробы грунтовой воды отбираются во 2-й зоне исследования Fig. 3. Collecting Samples From Discrete Depths (Profiling) Using the Waterloo Drive-Point Profiler: a - groundwater sample collected from first target zone with peristaltic pump; b - deionized water injected while advancing tool to prevent sampling ports from becoming plugged; c - groundwater sample collected from second target zone with peristaltic pump Полевые исследования показали, что Profiler Waterloo способен обеспечить очень подробное обследование загрязняющих веществ, особенно в сложных грунтовых условиях - без перекрестного загрязнения образцов. Другой многоуровневый пробоотборник, ConeSipper®, прикрепляется непосредственно к стандартному конусообразному пенетрометру для сбора грунтовых вод [14]. Для контроля скорости сбора проб, а также для очистки и обеззараживания отверстия в ConeSipper® используется инертный газ. Данный пробоотборник оснащен двумя фильтрами - первичным и вторичным, с помощью которых достигается минимальная мутность в образцах. Первичный фильтр выполнен из нержавеющей стали, отверстия фильтра варьируются от 51 до 254 мкм. Вторичный фильтр изготавливается из спеченной нержавеющей стали, с размерами отверстий от 40 до 100 мкм, или из обычной нержавеющей стали, с размерами отверстий от 38 до 74 мкм. Пробоотборники открытого типа Отбор проб с открытым отверстием осуществляется путем продвижения штанг с наконечником на необходимую для отбора проб глубину. Как только требуемая глубина отбора проб будет достигнута, штанги незначительно извлекаются, в результате чего они отделяются от наконечника, и это дает возможность грунтовой воде поступать внутрь полых штанг. В данном случае отбор проб воды осуществляется при помощи насоса или при опускании желонки. Недостатком метода с открытой скважиной является возможность применения его только в связных грунтах, в противном случае грунт может попадать внутрь штанг при их извлечении (рассоединении) с наконечником, что, в свою очередь, затруднит отбор проб воды. Пробоотборники открытого типа бывают двух видов: с однотрубной и двухтрубной системой отбора проб [15]. При однотрубной системе отбор проб может проводиться только на одной глубине, так как скважина не может быть промыта для повторного отбора проб на другой глубине, при этом перекрестное загрязнение не исключено. Двухтрубные системы могут использоваться для проведения многоуровневого отбора проб в нескольких зонах исследования. Двухтрубные пробоотборники обычно погружаются в грунт для отбора сплошной пробы грунта, при этом пробы грунтовых вод можно отбирать в конце каждого рейса. Такие пробоотборники имеют наружный корпус, который приводится в движение на заданную глубину отбора проб грунта (рис. 4). Наружный корпус изолирует окружающие грунты и удерживает отверстие открытым, в то время как внутренний стержень (с пробоотборником для отбора пробы грунта) помещается внутрь наружного корпуса, и они оба опускаются в грунт на большую глубину [16]. После извлечения пробы грунта пробы грунтовых вод отбираются при помощи погружения насоса или желонки в наружный корпус скважины. Рис. 4. Двухтрубная система отбора проб: а - элементы фильтра для установки через двухтрубную систему для отбора проб и исследования скважины; б - после извлечения внутренних стержней в скважину опускается фильтр. При достижении фильтром основания внешних стержней они вытягиваются, в результате чего фильтр приходит в рабочее положение Fig. 4. Dual-tube system sampling: a - screen components for insertion through the dual-tube system for slug testing and sampling; b - the profiling screen is lowered through the outer rods after the inner rods are removed. Once the screen is at the base of the outer rods, they are retracted as the screen is held in position for accurate placement Для последующего погружения внутреннего и наружного стержней вся грунтовая вода должна быть удалена из трубы; это необходимо для того, чтобы грунтовые воды, которые залегают выше, не загрязняли новый образец. Количество воды, которую необходимо убрать, зависит от типа используемого оборудования для отбора проб. Например, для насосных систем можно использовать специальные процедуры продувки, похожие на процедуры продувки скважин. При использовании желонки важно удалить всю воду, содержащуюся во внешнем корпусе, что обеспечит получение незагрязненных образцов с глубины, представляющей интерес. Для завершенных скважин стандартная процедура при использовании желонки заключается в извлечении минимум трех проб воды и измерении их показателей качества (рН, удельная проводимость). Данная операция совершается до тех пор, пока показатели не стабилизируются. При использовании желонки сбор некоторых параметров невозможен, так как они могут быть чувствительными к железу наружного корпуса. Особенностью двухтрубных систем пробоотборников является возможность устройства простого фильтра через выступающую режущую кромку пробоотборника открытого типа. Эта система позволяет оператору отбирать пробы грунта, после чего вставлять фильтр через определенные промежутки времени, с целью отбора проб или же проведения испытаний путем мгновенного создания депрессии (Slug test) для определения предпочтительных путей миграции [17]. Заключение По итогам анализа различных пробоотборников выделены три метода отбора проб грунтовых вод, работающих в заданный период времени (point-in-time): - пробоотборник с герметично закрытым фильтром; - пробоотборник открытого типа. - многоуровневый пробоотборник. Данные методы позволяют отобрать пробы грунтовых вод без бурения скважин при значительном снижении стоимости и трудоемкости работ. Пробоотборники изготавливаются из углеродистой или нержавеющей стали при внешнем диаметре не более 51 мм. Скорость и глубина внедрения технологического инструмента в большинстве случаев зависит от прочностных характеристик грунта и его типа. Грунтовые воды поступают в пробоотборник под действием внешнего гидростатического давления и могут быть отобраны из пробоотборника при помощи насоса или желонки. Из трех методов наиболее предпочтительным является пробоотборник с герметично закрытым фильтром, в связи с тем что он позволяет отбирать пробы грунтовых вод на требуемой глубине без перекрестного загрязнения, отбор проб в таком случае возможен для грунтов с различной гидравлической проводимостью. Важными отличительными особенностями данного пробоотборника являются малый диаметр скважины (не более 30 мм), простота устройства, малая вероятность ошибки проведения отбора.

Об авторах

А. В Семёнов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

В. Г Офрихтер

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 207

Ссылки

• Ссылки не определены.