Метод индикаторов

Метод индикаторов предназначен для исследования фильтрации в гидротехнических сооружениях и грунтах. Для изучения движения фильт­рационных потоков эффективным является метод радиоактивных инди­каторов - меченых атомов. Этот метод заключаетсяв определении ос­новных закономерностей движения фильтрационного потока по движению индикатора - радиоактивного химического соединения, введенного в дви­жущийся поток. Радиоактивный индикатор и его концентрация в фильтра­ционном потоке обнаруживаются по радиоактивному излучению при по­мощи радиоизотопных измерительных устройств.

Радиоактивные индикаторы имеют ряд преимуществперед таки­ми индикаторами, как соли или красители, так как они обладают:

- способностью при чрезвычайно малых массовых концентрациях индикатора быть обнаруживаемыми в фильтрационном потоке, благодаря чему раствор индикатора не меняет своей плотности;

- легкостью обнаружения и измерения концентрации непосредст­венно в потоке благодаря наличию проникающего радиоактивного излуче­ния; большим разнообразием радиоактивных соединений с различными физико-химическими свойствами;

- большим количеством короткоживущих радиоактивных изотопов, распадающихся через малые промежутки времени.

Преимущества метода радиоактивных индикаторов проявляются при изучении движения окрашенных, сильно минерализованных потоков, передвигающихся с большими скоростями при неоднородном строении пласта, т. е. тогда, когда применение других методов результата не дает. Оказывается возможным установить направление фильтрационного потока, пути фильтрации, скорость фильтрации и среднюю скорость движения во­ды в порах грунта, расход воды и коэффициент фильтрации.

Параметры фильтрационного потока могут быть определены в береговых сопряжениях, в основании и в самом теле гидротехнических со­оружений. При помощи индикаторов можно оценить режим работы дре­нажных систем и систем водопонижения, установить наличие сосре­доточенной фильтрации в железобетонных элементах сооружений, искус­ственных противофильтрационных завесах, экранах и шпунтовых стенках.

Для проведения исследований используется либо куст скважин, либо одна скважина (рис.7.10).

В пусковую скважину погружается индикатор при помощи специ­ального устройства, взрывающего ампулу с индикатором и обеспечиваю­щего мгновенное распространение радиоактивного вещества в рабочей по­лости скважины. Затем в пусковую или наблюдательные скважины опуска­ют детектор, измеряющий изменение концентрации радиоактивного ве­щества в различных точках скважины по высоте, что позволяет установить скорости фильтрации в разных частях основания или сооружения и выявить зону распространения вещества.

Концентрация радиоактивного индикатора и ее изменение опреде­ляются по изменению интенсивности радиоактивного излучения в скважи­не в отобранной пробе воды (количества импульсов N, зарегистрированных в единицу времени). Для определения направления потока ведется наблю­дение за изменением концентрации индикатора в наблюдательных скважи­нах. Сложные задачи по определению путей сосредоточенной фильтрации могут решаться, если производить запуск в нескольких пусковых скважи­нах радиоактивных индикаторов, отличающихся видом или энергией излу­чения. В этом случае концентрация различных индикаторов в наблюдатель­ных скважинах определяется раздельно для каждого индикатора.

Скорость движения воды в порах грунта определяется по наблюда­тельным скважинам. Значение действительной скорости движения потока И определяется по формуле:

В качестве индикаторов применяютхимические соединения ра­диоактивного трития, натрия - 24, серы - 35, железа - 59, брома - 82, руби­дия - 86 и иода -131. Следует по возможности выбирать соединения и изо­топы, слабо сорбирующиеся на грунтах данного состава, с тем, чтобы уменьшить потери индикатора.

Заслуживает особого внимания методика использования природ­ных радиоактивных индикаторов для изучения различных форм движения влаги в природе. Природными индикаторами являются стабильные изото­пы (дейтерий и кислород-18), а также радиоактивные изотопы, непрерывно образующиеся в верхних слоях атмосферы в результате ядерных реакций частиц космического происхождения с атомами элементов, составляющих атмосферу. Вместе с атмосферной влагой в почве и грунте природные ин­дикаторы образуют радиоактивные метки. Если систематически определять содержание радиоактивных изотопов космического происхождения в выпа­дающих осадках, а также фиксировать количество выпавших осадков, то дальнейшее движение выпавшей влаги можно наблюдать во времени и про­странстве.

Космогенные индикаторы (тритий, бериллий - 7; бериллий - 10, углерод - 14, натрий - 22, кремний - 32, фосфор - 32, сера - 35, хлор - 36) обладают различными периодами полураспада. Особенный интерес пред­ставляет тритий, который по своим свойствам практически не отличается от водорода. При миграции влаги тритий в результате изотопного обмена три­тия и водорода распределяется между различными формами влаги в мате­риале - кристаллической, капиллярной и жидкой. Использование тритиевой метки позволило доказать изотопообменную подвижность связанной воды в пористых материалах и грунтах.

Использование способа вытеснения водородаобычной воды три­тием позволило изучить формы связи влаги со скелетом грунта (рис.7.11). Изотопное равновесие, то есть равное количество уходящих и приходящих атомов трития, наступает сначала в свободной влаге, затем - в механически связанной, а далее в зоне физико-химических связей и, наконец, в скелете грунта. Наблюдения за темпом уменьшения концентрации исходного рас­твора трития, в который помещена проба грунта, позволяют количественно оценить соотношение форм связи влаги со скелетом.

Пробы грунта погружаются в тритиевую воду, затем строятся зави­симости изменения концентрации трития во времени в полулогарифмиче­ском масштабе. Характерные участки полученной зависимости (рис.7.II) позволяют судить о характере связи со скелетом материала. 1, 2, 3, 4 - ин­тервалы, которые характеризуют изотопный обмен с различными фазами.