Материал: подземных вод
СПБГУАП группа 4736
Рис. 1.2 Схема водоносности трещиноватых пород в условиях Забайкалья (по Н. И. Толстихину)- зона аэрации; II - зона постоянно циркулирующих вод; III - зона вод замедленной циркуляции; 1 - делювий; 2-
коренные породы с интенсивной трещиноватостью; 3 - коренные породы с ослабленной трещиноватостью; 4 - источник.
Условия питания подземных вод, развитых в трещиноватых породах,
зависят в основном от рельефа, характера покровных образований и количества выпадающих осадков. Наибольшее количество открытых трещин приурочено к более крутым склонам, где под влиянием силы тяжести продукты физического и химического выветривания перемещаются вниз.
Здесь при большом уклоне зеркала грунтовых вод происходит лучшее вымывание обломочного материала. На холмистых обнаженных водоразделах по трещинам легко может происходить инфильтрация.
Наибольшее значение инфильтрация приобретает на более пологой нижней части склонов, перекрытых с поверхности грубообломочным материалом.
СПБГУАП группа 4736
Глава 2. Водно-физические свойства горных пород и почв
2.1 Геометрия и свойства порово-трещинного пространства
Горные породы и почвы содержат различные виды воды. Ее свойства и способы передвижения определяются сочетанием гравитационных и молекулярных сил, действующих между частицами воды и породы. Условия залегания подземной воды, ее запасы и качество в значительной степени определяются водно-физическими свойствами горных пород.
Одними из главных свойств породы, определяющими ее отношение к воде, являются пористость и скважность. Под пористостью понимают наличие в породах малых пустот - капиллярных пор, под скважностью -
наличие в породах более крупных, некапиллярных промежутков - скважин различного происхождения и формы. Иногда совокупность всех пустот объединяют в понятие общей пористости.
Особенности порово-трещинного пространства. Выделяют следующие виды скважности: 1) пористость осадочных не сцементированных (пески,
галечники, суглинки, глины) и слабо сцементированных (песчаники, опоки)
пород; 2) структурную пористость осадочных пород, связанную с наличием слоистости, структурных трещин и т.п.; 3) относительно равномерную трещиноватость выветривания и лито-генетическую; 4) трещиноватость тектоническую (крупные трещины) и кавернозность (полости разной формы в известняках).
По размерам пор или трещин скважность подразделяется на не капиллярную (более 0,5 мм), капиллярную (от 0,5 до 0,0001 мм),
субкапиллярную (менее 0,0001 мм). В первой и второй содержится свободная вода, в третьей - только физически связанная вода. Выделяют четыре типа порово-трещинного пространства и соответственно геологической среды: а)
пористую, б) с двойной пористостью, в) трещиноватую, г) с двойной трещиноватостью. Первый тип, несмотря на наличие пор разных размеров и
СПБГУАП группа 4736
формы, статистически характеризуется как достаточно однородная для движения воды среда. Второй тип отличается тем, что наряду с пористостью имеются трещины, которыми толща слабо сцементированных пористых пород разбивается на многочисленные блоки разных размеров. В этом случае среда считается гетерогенной. Третий тип похож на первый и характеризуется наличием незакономерно расположенных небольших трещин, которые образуют достаточно однородную для движения воды среду. Четвертый тип похож на второй, но отличается тем, что в массиве имеются системы крупных трещин или каналов, разбивающие среду на разной крупности трещиноватые блоки. Тем самым создается гетерогенно-
блоковая структура трещинного пространства.
Показатели порово-трещинного пространства. К ним относят пористость n, трещиноватость nт, удельную поверхность пустотного пространства S, коэффициент извилистости χ. Пористость характеризует долю порового пространства Vп в общем объеме V горной породы:
=Vп/V (2.1)
а трещиноватость - относительный объем трещин. Кроме того,
используется понятие приведенной пористости, представляющее собой отношение Vп объему скелета Vc породы. В этом случае коэффициент приведенной пористости ε равен
ε=n/(1-n) (2.2)
Средние значения пористости для некоторых пород следующие (в %):
пески 35-45, глины 45-60, песчаники, опоки, карбонатные породы 5-3,
кристаллические метаморфические и изверженные породы- 1-2 и менее.
Трещиноватость всегда меньше пористости, часто она составляет менее 1 %
и редко превышает 5 %.
Выделяют общую n, открытую n0 и активную nа пористость
СПБГУАП группа 4736
(трещиноватость). Общая пористость характеризует весь объем порово-
трещинного пространства и не позволяет судить о пропускной и емкостной способностях породы, так как некоторые поры и трещины могут быть несообщающимися (тупиковыми) и содержать физически связанную воду,
что уменьшает объем порово-трещинного пространства, через которое движется свободная вода. Пропускная способность породы зависит от размеров пор и трещин. Открытая пористость (трещиноватость)
характеризует долю сообщающихся между собой пор и трещин, а активная -
дополнительно учитывает ту часть порово-трещинного пространства,
которая занята физически связанной водой и практически не принимает участия в механическом движении воды. Активная и открытая пористости в песках практически равны общей пористости, а в суглинках и глинах они существенно меньше нее и часто не превышают первых процентов.
Удельная поверхность порово-трещинного пространства (общая поверхность пор и трещин в 1 см3 породы) весьма значительна, особенно для глин, и может достигать 10 м2 и более. Поэтому вода, двигаясь в такой среде,
расходует дополнительную энергию на трение о стенки пор и трещин, и тем больше, чем меньше их размеры. Относительный характер геометрии порово-трещинного пространства оценивается коэффициентом извилистости
χ (коэффициент Клинкенберга, который ввел его при исследовании массопереноса в подземных водах). Он всегда меньше единицы, для рыхлых песков равен 0,5-0,7, а для сцементированных песков - 0,25-0,5.
Влагоемкость горных пород
Пористость почв и пород определяет важные водные свойства:
водопроницаемость, водоотдачу и водоудерживающую способность.
Последнее свойство характеризуется влагоемкостью, т. е. тем количеством воды, которое удерживается в почвах и горных породах при определенных условиях. Она выражается (в %) отношением веса или объема воды,
СПБГУАП группа 4736
содержащейся в породах, соответственно или к весу сухой породы, или к ее объему. В зависимости от степени насыщенности почв и пород водой и тех сил (капиллярных, адсорбционных), которые удерживают в них воду,
влагоемкость подразделяется на несколько категорий. Наиболее часто употребляются следующие понятия:
полная влагоемкость (ПВ), или водовместимость (по Н. А.
Качинскому), характеризуется наибольшим количеством влаги, которое может вмещать порода при полном заполнении всех пор;
капиллярная влагоемкость (KB) - наибольшее количество капиллярно-
подпертой влаги, которое может содержаться в породе. Это величина переменная, зависящая от высоты слоя, для которого она определяется, над уровнем свободной воды;
наименьшая влагоемкость (НВ), или полевая влагоемкость,
характеризуется количеством влаги, которое почва или грунт способны удержать в подвешенном состоянии силами капиллярного и адсорбционного действия; соответствует (по Качинскому) капиллярной подвешенной влаге.
Горные породы подразделяются на сильновлагоемкие,
слабовлагоемкие и невлагоемкие. К сильновлагоемким породам относятся торф, глина, суглинки; к слабовлагоемким породам - мергели, мел, рыхлые песчаники, глинистые мелкие пески, лёссы; к невлагоемким -
крупнообломочные породы: галька, гравий, песок и массивные изверженные и осадочные породы.
Содержание воды в почвах и породах в весовых или объемных единицах на какой-либо момент времени называется естественной влажностью. Обычно естественную влажность выражают отношением (в %)
веса воды к весу минеральной части породы:
(2.3)
где Р1 и Р2 - соответственно вес образца породы до и после