E‑book do e‑materiału Otwory wiertnicze wykonywane dla działalności inżynierskiej i hydrogeologicznej
GIW.12. Wykonywanie prac wiertniczych – Wiertacz , Technik wiertnik
Rodzaje i warunki wykonywania przewiertów, otworów hydrogeologicznych, geotechnicznych i geoinżynierskich
E‑BOOK
Spis treści
Rodzaje i warunki wykonywania przewiertów, otworów hydrogeologicznych, geotechnicznych i geoinżynierskichRodzaje i warunki wykonywania przewiertów, otworów hydrogeologicznych, geotechnicznych i geoinżynierskich
Zakres prac wiertniczych podczas badań geotechnicznychZakres prac wiertniczych podczas badań geotechnicznych
Zakres prac wiertniczych wykonywanych podczas wierceń geoinżynieryjnychZakres prac wiertniczych wykonywanych podczas wierceń geoinżynieryjnych
Zakres prac wiertniczych przy wykonywaniu horyzontalnych przewiertów kierowanych, mikrotunelingu i metodzie Direct PipeZakres prac wiertniczych przy wykonywaniu horyzontalnych przewiertów kierowanych, mikrotunelingu i metodzie Direct Pipe
Zakres prac wiertniczych wykonywanych podczas wierceń hydrogeologicznychZakres prac wiertniczych wykonywanych podczas wierceń hydrogeologicznych
Technologia wiercenia otworów hydrogeologicznychTechnologia wiercenia otworów hydrogeologicznych
Konstrukcje otworów hydrogeologicznychKonstrukcje otworów hydrogeologicznych
Badania otworów hydrogeologicznychBadania otworów hydrogeologicznych
Netografia i bibliografiaNetografia i bibliografia
Otworem hydrogeologicznym nazywamy studnię wykonywaną metodami wiertniczymi w skałach budujących skorupę ziemską w celu udostępnienia do eksploatacji lub badania warstwy wodonośnej.
Ze względu na rozmiar pionowy wyróżnia się umownie studnie wiercone:
płytkie (do 25‑30 m),
głębokie.
Ze względu na średnicę studnie dzielimy na:
narmalnośrednicowe (umownie do 0,5 m),
wielkośrednicowe.
Ze względu na konstrukcję rozróżnia się studnie:
obudowane,
nieobudowane.
Ze względu na obecność filtra dzielmy studnie na:
filtrowe,
bezfiltrowe.
Ze względu na przeznaczenie wyróżnia się studnie:
eksploatacyjne (pobór wody do celów pitnych i gospodarczych),
inżynierskie (w tym: fundamentowe, odwodnieniowe i inne),
obserwacyjne (badawcze).
W pewnych przypadkach stosowane są studnie przystosowane do wtłaczania wody w środowisko skalne. Studnie takie nazywane są studniami chłonnymi. Natomiast otwory hydrogeologiczne rozpoznawcze są to otwory wiertnicze dochodzące do warstwy wodonośnej i przystosowane do przeprowadzenia różnych badań hydrogeologicznych, w tym badawczych pompowań dla oceny zasobów badanego ośrodka lub do rozpoznania jego wodoprzepuszczalności.
Głównym obiektem zainteresowań wiertnictwa hydrogeologicznego są wody podziemne, które dzieli się na przypowierzchniowe, freatyczne i głębinowe. Do wód przypowierzchniowych zalicza się wody zaskórne, wody błot itp. Wszystkie je cechuje występowanie w strefie saturacji. Wody freatyczne są to wody podziemne oddzielone od powierzchni strefą aeracji. Wodami głębinowymi nazywa się natomiast te wody podziemne, które zasilane są grawitacyjnie przez opady atmosferyczne i znajdują się w warstwach wodonośnych pokrytych utworami nieprzepuszczalnymi. Zasilanie wód głębinowych może odbywać się poprzez infiltrację opadów atmosferycznych na wychodnich warstwach wodonośnych lub za pośrednictwem innych warstw wodonośnych.
Określenie „warstwa wodonośna” używa się do takich ośrodków wodonośnych, w których nie występuje warstwowa niejednorodność właściwości filtracyjnych przy równoczesnym dużym rozprzestrzenieniu się ośrodka. Natomiast pod pojęciem „ośrodek wodonośny” rozumie się skałę o dowolnym rozprzestrzenieniu i miąższości wypełnioną wodą wolną do pełnej pojemności lub częściowo. Wody podziemne mogą mieć zwierciadło wody swobodne lub napięte. Wody o swobodnym zwierciadle charakteryzują się tym, iż linia ciśnienia hydrostatycznego przebiega w warstwie przepuszczalnej. Wody o napiętym zwierciadle natomiast cechują się tym, że linia ciśnienia hydrostatycznego znajduje się ponad warstwą wodonośną. Wówczas następuje samowypływ wody przez otwór. Wody o napiętym zwierciadle nazywane są wodami artezyjskimi. Zwierciadło wód podnosi się powyżej powierzchni terenu. Wody, których zwierciadło ustala się powyżej stropu warstwy wodonośnej, ale poniżej powierzchni terenu, to wody subartezyjskie.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Technologia wiercenia otworów hydrogeologicznych
Wiercenie obrotowe jest najczęściej stosowanym sposobem wiercenia studni. Przy użyciu tej metody można wykonywać otwory do dużych głębokości.
Podczas wiercenia otworu metodą obrotową narzędzie wiertnicze jest utrzymywane w ciągłym ruchu obrotowym, a nacisk na narzędzie wiertnicze jest dostosowywany do rodzaju przewiercanych skał.
Jednoczesne działanie siły nacisku i momentu obrotowego powoduje odrywanie z dna otworu okruchów skały.
Okruchy skały (zwane zwiercinami) są wynoszone za pomocą płuczki wiertniczej dostarczanej na dno przewodem wiertniczym.
Wykonując otwory hydrogeologiczne metodą obrotową z płuczką, można uzyskać duże prędkości wiercenia przy stosunkowo niewielkich nakładach pracy w przypadku przewiercania skał o niewielkiej wytrzymałości.
Alternatywą dla wierceń obrotowych jest wiercenie udarowo‑obrotowe z zastosowaniem młotka wgłębnego. Młotek wgłębny jest wiertniczym urządzeniem udarowym.
Młotek pracuje na dnie otworu na końcu przewodu wiertniczego, gdzie bijak wewnątrz młotka, który napędzany jest sprężonym powietrzem, uderza bezpośrednio w kowadło świdra.
Sprężone powietrze kieruje się do młotka ze sprężarki na powierzchni przez przewód wiertniczy. Wydmuch sprężonego powietrza z młotka następuje poprzez otwory w koronce. Używa się go do czyszczenia otworu ze zwiercin. Obroty mają źródło w mechanizmie obrotu, który umieszczony jest we wrzecionie wiertnicy, i są przekazywane do młotka za pomocą rur płuczkowych. Rury wiertnicze łączy się, używając połączeń zwornikowych, które pozwalają uzyskać odpowiednią szczelność. Siła nacisku na świder jest wywierana przez wrzeciono wiertnicy i rury płuczkowe. Jedną z najważniejszych zalet stosowania młotków wgłębnych jest zwiększony postęp wiercenia w skałach o wysokiej wytrzymałości. Możliwości wykorzystania młotków wgłębnych zmniejszają się wraz ze wzrastającym zawodnieniem otworu.
Podstawowymi zaletami stosowania młotków wgłębnych są:
niewielkie straty energii udaru ze względu na zamontowanie młotka tuż nad świdrem,
niewielkie odchylenie od pionu wykonywanego otworu,
dobre oczyszczanie dna otworu ze zwiercin,
wysoka stabilność ścian otworu.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Konstrukcje otworów hydrogeologicznych
Przez konstrukcje otworu należy rozumieć podziemną obudowę stałą lub tymczasową, umożliwiającą dowiercenie otworu do żądanej głębokości przy określonych warunkach geologicznych i hydrogeologicznych. Podstawowym elementem konstrukcyjnym otworu są rury okładzinowe.
Rury okładzinowe skręcone i zapuszczone do otworu tworzą kolumnę rur.
Kolumny rur okładzinowych oraz uszczelnienie przestrzeni pierścieniowej między rurami a ściana otworu tworzą obudowę otworu.
Zadaniem obudowy otworu wiertniczego jest:
zabezpieczenie ściany otworu przed obsypywaniem się warstw słabo zwięzłych i sypliwych w celu uniknięcia tworzenia kawern i przysypania świdra,
zabezpieczenia otworu przed zmniejszeniem jego średnicy, szczególnie w warstwach pęczniejących łupków lub iłów charakteryzujących się tendencją do plastycznego płynięcia,
zamknięcie nawierconych horyzontów wodonośnych nieprzeznaczonych do eksploatacji,
umożliwienie narzędziom wiertniczym oraz urządzeniom pompowym swobodnego poruszania się na całej długości otworu.
Na orurowanie otworów hydrogeologicznych składają się jedna lub kilka kolumn rur okładzinowych oraz kolumna filtrowa, której część robocza (filtr) pozwala na dopływ wody do jej wnętrza. Liczbę kolumn rur okładzinowych dostosowuje się do głębokości otworu, jego przeznaczenia, warunków geologicznych i hydrogeologicznych, metody wiercenia, rodzaju badań w otworze i sposobu eksploatacji wody. Niejednokrotnie funkcję rur okładzinowych przejmuje wyprowadzona do powierzchni rura nadfiltrowa.
Każda będąca w użytku studnia (otwór hydrogeologiczny) musi być wyposażona w obudowę, która jest zakończeniem jej górnej części, dzięki czemu jednocześnie zabezpiecza otwór przed zanieczyszczeniem lub uszkodzeniem oraz umożliwia instalację jego uzbrojenia, czyli zaworów, manometru, wodomierza itp.
Przy wykonywaniu otworów hydrogeologicznych bardzo ważne jest izolowanie nawierconych warstw wodonośnych między sobą. Jedną z takich czynności jest zamykanie wód. Przeprowadza się je za pomocą rur okładzinowych, wypełniając przestrzeń między rurami a ścianą otworu materiałem nieprzepuszczalnym. Materiałem izolacyjnym może być cement lub ił.
Element wgłębny montowany w otworze, który służy do ujęcia wody z warstwy wodonośnej, nazywany jest filtrem. Filtr składa się z rury nadfiltrowej (rura nadfiltrowa może być również wprowadzona do wierzchu otworu), rury filtrowej (filtr właściwy) i rury podfiltrowej. Rura nadfiltrowa łączy filtr właściwy z rurami okładzinowymi, a jej zadaniem jest zabezpieczanie wnętrza studni przed przedostawaniem się cząstek skał z warstwy wodonośnej. Zabezpieczenie to uzyskuje się przez wydłużenie rury nadfiltrowej na odpowiednią wysokość (nie mniejszą niż wysokość dynamicznego zwierciadła wody) lub przez zastosowanie uszczelniaczy przestrzeni pierścieniowej między rurami okładzinowymi.
Wśród najbardziej popularnych filtrów można wyróżnić:
perforowane,
siatkowe,
żwirowe.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Badania otworów hydrogeologicznych
Celem badań hydrogeologicznych jest wyjaśnienie:
głębokości i sposobu zalegania warstwy wodonośnej,
miąższości warstwy,
kontaktów hydraulicznych warstwy, zasilania i odpływu,
ciśnienia piezometrycznego,
przepuszczalności warstwy,
chemii i biochemii wody.
Podstawowym środkiem do badania stosunków hydrogeologicznych są otwory wiertnicze. Wykorzystuje się je w zwykłych metodach pomiarowych hydrogeologicznych. Dodatkowo zastosowanie znajdują metody geofizyczne. Podstawowym badaniem otworu hydrogeologicznego jest pompowanie próbne. Wykonuje się je bezpośrednio po pompowaniu oczyszczającym, przeprowadzonym zwykle pompami powietrznymi (zwanymi też mamutami albo aerliftami). Z tego powodu pompowanie próbne przeprowadza się najczęściej tymi samymi pompami. Mogą być też stosowane pompy głębinowe i wodnostrumieniowe. Próbne pompowanie jest metodą określania właściwości filtracyjnych warstwy wodonośnej (wyrażonych przez współczynniki hydrauliczne: filtracji, odsączalności, piezoprzewodności) oraz jej wydajności na podstawie badania zależności między wydajnością studni a wywołaną przez nią depresją.
Badania przeprowadza się w warunkach ruchu ustalonego lub w warunkach ruchu nieustalonego.
W pierwszym przypadku pompuje się ze stałą wydajnością aż do ustalenia się zwierciadła dynamicznego wody gruntowej i określa związek między wydajnością i ustaloną depresją. W drugim natomiast, utrzymując stałą wydajność, obserwuje się zwierciadła wody w określonych odstępach czasu, a także wznoszenie się zwierciadła wody po ustaniu pompowania. Dla zbadania składu chemicznego wody pobiera się dwie próbki: pierwszą na początku pompowania, około 15 do 30 minut po jego rozpoczęciu, drugą w końcowym okresie pompowania przy depresji maksymalnej. Jeżeli pobiera się tylko jedną próbkę, należy ją brać w końcowym okresie pompowania. Próbne pompowanie wykonuje się dla trzech ustabilizowanych depresji, w każdym przypadku przynajmniej przez 24 godziny. Celowe jest, aby druga depresja odpowiadała projektowanemu wydatkowi. Po zakończeniu pompowania obserwuje się ustalanie zwierciadła wody w studni i w otworach badawczych, przy czym przez pierwsze 10 do 20 minut pomiary prowadzi się co 1 do 2 minut, a następnie co 2 do 3 minut, potem co 3 do 5 minut itd., przy czym odstępy między pomiarami zwiększa się tak, aby w okresie między pomiarami zwierciadło wody podniosło się co najmniej o 3 do 5 cm. Pomiary kończy się, gdy w ciągu 4–5 godzin zwierciadło wody nie podniosło się więcej niż 4 cm.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Powiązane materiały
Technologia wykonywania przewiertówTechnologia wykonywania przewiertów
Technologia wykonywania otworów hydrogeologicznychTechnologia wykonywania otworów hydrogeologicznych
Technologia wykonywania otworów geotechnicznychTechnologia wykonywania otworów geotechnicznych
Technologia wykonywania otworów geoinżynieryjnychTechnologia wykonywania otworów geoinżynieryjnych
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści