1

TIPURI DE FORMAIUNI ACVIFERE TRAVERSATE PRIN LUCRRI DE FORAJ HIDROGEOLOGICE

Mihai BARAC, Mateiu CODREANU, Dnu MARIA

Traversarea formaiunilor acvifere constituie o problem care apare n numeroase cazuri, atunci

cnd se execut lucrri de construcii, de excavaii, de foraj pentru captarea sau evacuarea apelor subterane, miniere, ecrane de izolare sau protecie etc. n funcie de scopul acestor lucrri, apa cantonat n formaiunile acvifere traversate va fi captat sau ndeprtat prin diferite metode i tehnologii. Alegerea acestor metode difer foarte mult de la un caz la altul, acestea depinznd - n afara scopului lucrrii - de caracteristicile formaiunii acvifere.

Aceste msuri pot consta - n funcie de complexitatea i anvergura lucrrilor, precum i n funcie de natura acviferului interceptat -, n executarea unor drenaje simple realizate prin pomparea apei din spaiul excavat, pn la realizarea unor lucrri complexe cum ar fi o linie/baterie de foraje prin care s se realizeze coborrea nivelului hidrostatic al acviferului traversat, pn la o cot convenabila care s asigure executarea lucrrilor n siguran.

Clasificarea formaiunilor acvifere

n literatura de specialitate, pe baza unor criterii de ordin fizic i chimic se fac o serie de clasificri ale apelor subterane. Aceste clasificri au rolul de a stabili metoda de studiu i tehnica de captare, drenare sau asecare a apelor subterane.

Criteriile principale de clasificare ale apelor subterane sunt: starea hidraulic, natura i caracterul golurilor prin care circul apa, temperatura, originea apei, structura geologic i chimismul.

Tipuri de formaiuni acvifere

n funcie de starea hidraulic, n natur se deosebsc dou categorii de ape subterane: cu nivel liber i sub presiune. Apa subteran cu nivel liber nu satureaz ntregul strat permeabil, iar la suprafaa ei acioneaz presiunea atmosferic, formnd nivelul hidrostatic. Apa subteran sub presiune satureaz ntregul strat permeabil avnd, att n acoperi, ct i n culcu strate impermeabile.

Dup natura i caracterul rocilor prin care circul apa se pot defini mai multe categorii de ape subterane: ape interstiiale, fisurale, fisurale filoniene, carstice, fisurale - carstice. Sunt considerate roci permeabile, rocile care prezint goluri comunicante, suficient de mari pentru a permite trecerea unui fluid.

n cazul n care roca permeabil are o extindere n spaiu relativ mare poate constitui o roc colector sau magazin. n natur se cunosc dou tipuri principale de roci colectoare: roci granulare, poroase i roci compacte, fisurate. Uneori apare i un tip de roc cu structur intermediar, aa cum este creta.

Dup temperatur, apele subterane au fost clasificate de diveri autori astfel: ape termale, ortotermice i hipotermice.

Dup originea apei se pot clasifica n: ape de infiltraie, juvenile, mixte. n cadrul structurii geologice se pot clasifica ape cu caracter regional, care au rspndire pe

ntreaga formaiune permeabil i ape cu caracter local care, din anumite cauze, au o rspndire limitat n cadrul formaiunii permeabile.

Roci granulare

Rocile granulare care cantoneaz formaiuni acvifere sunt n cea mai mare parte de origine sedimentar i sunt constituite din granule de minerale i roci, cu forme i dimensiuni foarte variate, care

2

nchid goluri mai mari sau mai mici (interstiii sau pori). Rocile poroase sunt fie slab cimentate (conglomerate, brecii, aglomerate vulcanice, gresii, loessuri, tufuri vulcanice), fie mobile rmase nediagenizate, n stadiul de sedimente (grohotiuri, bolovniuri, pietriuri, gruss granitic, nisipuri) sau avnd cimentul splat total sau parial (nisipurile de Butenari). Dimensiunea porilor depinde de mrimea, gradul de neuniformitate, dispoziia i gradul de cimentare al granulelor constituente ale rocilor.

n cadrul rocilor granulare pot fi ncadrate i mediile fisurate, cu o fisuraie bine dezvoltat, care prezint o uniformitate evident la scar mare, ceea ce le apropie foarte mult de acviferele din mediile poroase (ca de exemplu orizonturile acvifere din Sarmaian, Barremian i din Jurasicul din Platforma Sud-Dobrogean).

Un mediu poros permeabil este caracterizat n principal prin porozitate, capacitate de filtrare, permeabilitate i coeficient de nmagazinare.

Porozitatea reprezint proprietatea unui corp solid de a prezenta goluri. Este caracterizat prin coeficientul de porozitate

100tVgV

m = [%], (1.1) n care: Vg reprezint volumul golurilor; Vt - volumul total sau brut al probei. Porozitatea este absolut dac Vg reprezint volumul total al golurilor aflate n volumul total Vt i efectiv, dac volumul Vg este dat numai de volumul golurilor intercomunicante. Se mai utilizeaz i noiunea de porozitate eficace, me pentru raportul dintre volumul de ap Ve i volumul total al masivului de roc Vt exprimat n procente:

100tVeV

em = , (1.2) Mediile poroase naturale sunt constituite din granule diferite ca form i mrime, prezint o structur complicat, granulele mari gsindu-se de obicei ntr-o matrice de granule mai mici, de multe ori cimentate mpreun cu un liant calcaros, silicios, feruginos, gipsos etc. n tabelul 1 sunt prezentate cteva valori orientative ale porozitii totale pentru diferite tipuri de roci granulare care cantoneaz formaiuni acvifere.

Tabelul 1 Tip roc Porozitate, % Nisipuri neconsolidate 2545 Nisip cu pietri 2530 Gresii 426 Calcare cu fisuraie uniform 0,5...17 Argile, marne 4450

Dei au o porozitate mare, care poate ajunge pn la 50%, argilele i marnele sunt considerate mai ales n stare saturat, ca impermeabile (datorit dimensiunilor foarte reduse ale porilor, micorai i mai mult n timpul procesului de diagenez, de tasare sub greutatea depozitelor acoperitoare), care nu permit circulaia fluidelor prin roc.

n acviferele cantonate n rocile granulare curenii de fluid sunt considerai continui numai n porii comunicani i mrginii de perei impermeabili.

Capacitatea de filtrare reprezint capacitatea mediului poros de a fi strbtut de un fluid, fiind caracterizat de coeficientul de filtrare kf care, definit cu ajutorul ecuaiei Darcy reprezint volumul de fluid liber care strbate n unitatea de timp unitatea de suprafa a unei seciuni totale a stratului colector, sub un gradient hidraulic egal cu unitatea, la o temperatur de 20o C. Kf are dimensiunile unei viteze, se exprim n m/zi, m/s, cm/s i depinde att de proprietile mediului poros, ct i de proprietile fluidului filtrat prin acest mediu.

Pentru caracterizarea din punct de vedere hidrodinamic numai a mediului poros se utilizeaz o alt constant denumit coeficient de permeabilitate sau permeabilitatea rocii notat cu k sau kp.

Permeabilitatea se poate defini ca volumul de fluid etalon (cu vscozitate egal cu unitatea) care trece n unitatea de timp printr-o seciune egal cu unitatea sub aciunea unui gradient de presiune egal cu unitatea. Permeabilitatea depinde numai de structura mediului poros i este independent de natura fluidului care l tranziteaz. Are dimensiunile unei suprafee, exprimndu-se n m2 sau cm2.

n cazul formaiunilor acvifere la care vscozitatea - fcnd abstracie de variaiile mici de temperatur - se poate considera constant, se utilizeaz coeficientul de filtrare k = kf pentru caracterizarea

3

permeabilitii mediului filtrant (kf ap = kp ap). n acest caz 1 cm/s = 1040 darcy (coloan de ap la 20o C).

n situaia acviferelor din zonele mai profunde ale scoarei nu se mai poate neglija influena variaiilor de temperatur i vscozitate, ceea ce impune utilizarea coeficientului de permeabilitate k = kp. n acest caz ecuaia Darcy devine

dl

dppkv = , (1.3)

n care: v reprezint viteza de filtrare a apei; - coeficientul de vscozitate dinamic a apei; dp/dl - modulul gradientului de presiune.

Transmisivitatea - exprimat pentru o seciune a curentului de lime unitar - este egal cu produsul dintre coeficientul de filtrare kf, i grosimea normal Gn a stratului acvifer, liber sau captiv (T = kfGn); se exprim n cm2/s, m2/s, m2/h, m2/zi. Transmisivitatea indic capacitatea unei prisme din roca magazin de lime unitar de a permite trecerea unui fluid n unitatea de timp.

Coeficientul de nmagazinare este volumul de fluid eliberat de o prism vertical din stratul acvifer, cu seciunea egal cu unitatea, pentru o scdere unitar a nivelului piezometric sau a sarcinii hidraulice. Acesta se exprim n procente i depinde n mare masur de caracteristicile fizice ale rocii magazin, n special de porozitatea efectiv.

innd seama de caracteristicile fizice i hidraulice ale mediului filtrant (porozitate, permeabilitate i capacitate de filtrare) i de variaia spaial a acestora, mediul poros poate fi omogen sau neomogen, izotrop sau anizotrop. Astfel, din punct de vedere al capacitii de filtrare, mediul omogen presupune c n oricare punct al mediului poros dat, pe aceeai direcie luat n considerare, valoarea lui kf este constant. n caz contrar, mediul poros este neomogen.

n cazul mediului poros izotrop din acelai punct de vedere kf are aceeai valoare pe toate direciile care pornesc dintr-un punct dat al mediului considerat. n caz contrar, mediul poros este anizotrop.

Majoritatea rocilor poroase sunt de origine sedimentar fiindu-le caracteristic textura stratificat. De cele mai multe ori, la rocile stratificate se disting dou permeabiliti: una pe direia stratului i alta pe direcia normal. Astfel, n cazul rocilor stratificate, nederanjate din poziia lor primar, orizontal sau suborizontal (roci i sedimente cuaternare), se distinge capacitatea de filtrare vertical, care carcterizeaz curgerea apelor subterane de sus n jos i capacitatea de filtrare orizontal, care guverneaz curgerea lateral a apelor subterane. Valorile celor dou capaciti de filtrare nu sunt egale din cauza anizotropiei mediului poros.

Roci fisurate

Aceste roci, numite i stncoase, sunt roci compacte, ale cror goluri mai importante sunt reprezentate prin fisuri deschise cu forme i origini foarte diferite. n aceast categorie sunt ncadrate: rocile sedimentare (calcare, dolomite, menilite, gresii, brecii i conglomerate foarte puternic cimentate); magmatice (intrusive, filoniene, paleo- sau neovulcanice); metamorfice (corneene, skarne sau isturi cristaline). Caracterul golurilor poart amprenta naturii i evoluiei rocilor n care se gsesc.

Dimensiunile discontinuitilor sau accidentelor prezente ntr-o roc masiv variaz de la zecimi de mm pn la zeci de mm. (vezi tab. 2.).

Tabelul 2. Tipul discontinuitii Dimensiuni, mm Clivaje < 0,15 Fisuri 0,1530 Dislocaii, falii > 30

n aglomeratele vulcanice (tufuri i lave) golurile au mrimi variabile (de regul dimensiuni submilimetrice pn la centimetrice).

Rocile sedimentare detritice sunt afectate de sisteme de fisuri i fracturi transversale pe stratificaie. n plus n rocile strns cutate pot aprea n bolile anticlinalelor i n axele sinclinalelor, desprinderi ntre strate i clivaje radiale.

Rocile organogene sau de precipitaie chimic (calcare, dolomite, marne cu sare sau gips, tufuri calcaroase i travertine) prezint adesea goluri sub form de canale, canalicule, caverne ce pot ajunge la suprafee de civa metrii ptrai i lungimi foarte mari.

4

Existena apei n rocile fisurate prezint unele diferene fa de cea ntlnit n rocile granulare, poroase. n acestea pot aprea: circulaia apei n medii poroase, circulaia apei n spaii interstiiale sau circulaia apei pe fisuri prin condiii naturale; aceast delimitare nu are dect o coresponden parial. Astfel, depozitele aluvionare prezint ci de circulaie ale apei similare cu cele existente n rocile masive fisurate, iar acestea din urm conin, i goluri sub form de pori. Circulaia apei ntr-un masiv de roc fisurat are un caracter complex, fiecare fractur putnd avea un regim de curgere particular. Nu se poate vorbi de un zcmnt continuu de fluid n roci fisurate. Un rol important n curgerea fisural l are frecvena discontinuitilor din rocile masive, adic distana dintre acestea, care variaz considerabil. Distana dintre accidentele rupturale este proporional cu dimensiunea acestora; cele cu dimensiuni mici se ntlnesc la distane foarte mici, cele cu dimensiuni mari se ntlnesc la distane care pot fi de ordinul kilometrilor.

Metodologia de studiu a condiiilor hidrogeologice ale masivelor de roci fisurate se deosebete substanial de cea a rocilor granulare dei se aplic aceleai legi i principii, dar cu adaptrile necesare. De regul, n rocile puternic fisurate legea lui Darcy nu mai este respectat i se trece n domeniul curgerii nelaminare. Experienele dovedesc c n acest caz micarea fluidelor se face dup legea neliniar de filtrare:

nkIv = , (1.4.) n care: v este viteza apei; k - coeficientul de filtraie; I - gradientul hidraulic;

n coeficient care variaz ntre 10,5; n cazul curgerii laminare n = 1, iar n cazul curgerii turbulente cu viteze relativ mari, prin medii poroase macrogranulare sau puternic fisurate se recomand n = 0,5.

Cadrul hidrodinamic

Aa cum s-a prezentat, n funcie de cadrul hidrodinamic n care are loc micarea apei subterane, acviferele se pot mpri n acvifere cu nivel liber (depletate) i acvifere sub presiune.

Acvifere cu nivel liber.

n micarea cu suprafa liber, curentul de ap subteran este limitat la partea sa superioar de o suprafa n punctele creia presiunea este constant (de regul egal cu cea atmosferic).

Suprafaa liber a curentului subteran se numete i oglinda apei subterane, iar intersecia acestei suprafee cu un plan vertical definete nivelul liber al apei subterane, denumit nivel hidrostatic subteran i notat cu NHs.

n cazul unui curent de ap subteran cu suprafa liber, NHs este reprezentat printr-o curb, mai rar printr-o linie dreapt i sub acest nivel se intr efectiv n stratul acvifer.

De regul, asemenea cureni se ntlnesc doar n zonele superficiale ale scoarei. Atunci cnd nivelul hidrostatic NHs, poate fi atins prin puuri, stratul acvifer cu suprafa liber se numete acvifer freatic.

n cazul acviferelor freatice, nlimea nivelului hidrostatic subteran fa de patul impermeabil al curentului de ap - variaz n funcie de condiiile climatice i de regimul de precipitaii, putnd cobor sau urca.

Acviferele cu nivel liber pot fi de mai multe tipuri (n funcie de relaia lor cu structura morfologic i geologic): suspendate, susinute, litorale.

Acvifere cu nivel liber, suspendate.

Acestea se gsesc la cote superioare fa de reeaua hidrografic i se descarc prin intermediul liniilor de izvoare i sunt de deversare sau de preaplin. n cazul acviferelor cu nivel liber, suspendate, de deversare, toate liniile de curent sunt la cote superioare fa de cota izvorului. Acviferele cu nivel liber,

5

suspendate, de preaplin, apar la intersecia curbei de depresiune cu patul impermeabil i cu suprafaa morfologic a terenului. n perioadele secetoase curba de depresiune coboar i izvoarele dispar.

Acvifere cu nivel liber, susinut.

Acviferele cu nivel liber, susinut, depind de raportul lor cu reeaua hidrografic. Sunt alimentate din reeaua hidrografic, dar la rndul lor o pot alimenta n perioadele secetoase.

Acvifere cu nivel liber litorale.

Aceste acvifere sunt n legatur hidraulic direct cu domeniul marin. Simultan cu descrcarea curentului de ap subteran apar procese fizico-chimice de echilibru de-a lungul unei suprafee ce delimiteaz n roca magazin domeniul cu ap dulce de domeniul cu ap srat.

Acvifere sub presiune.

Caracteristica acestora const n faptul c au toi porii rocii magazin saturai cu ap, aflat la o anumit presiune conform creia ntr-o sond care deschide stratul, apa se ridic la nlimea liniei piezometrice, Np, care coincide cu NHs, dar sub care nu se ntlnete efectiv fluidul respectiv, dect la lucrrile care strbat n ntregime acoperiul impermeabil al stratului colector. Astfel, n sond - dei aceasta a interceptat linia piezometric a acviferului sub presiue - nu exist ap, pe cnd n sonda imperfect care a deschis acviferul, apa se ridic n regim neinfluenat, pn la nlimea liniei piezometrice.

Acest tip de acvifer sub presiune la care nivelul liniei piezometrice se gsete ntre suprafaa morfologic a terenului i acoperiul impermeabil se numete acvifer ascensional.

Atunci cnd presiunea este att de mare nct linia piezometric este deasupra suprafeei morfologice se formeaz acviferele arteziene. Acestea pot fi legate de zone depresionare care se suprapun unor zone structurale sinclinale.

Uneori, datorit condiiilor litologice locale se pot ntlni i situaii mixte. Astfel, n conurile de dejecie caracterizate printr-o stratificaie ncruciat, n cuprinsul aceleiai roci magazin, pot fi ntlnite att acvifere cu nivel liber ct i sub presiune .

Cnd formaiunile acvifere au extindere regional, atunci pot fi ntlnite toate tipurile de acvifere.