Материал: подземных вод

СПБГУАП группа 4736

высушивания.

Влажность почв часто выражают в миллиметрах слоя воды А,

содержащейся в почве:

(2.4)

где - удельный вес почвы; Н - мощность почвенного слоя в сантиметрах. Объем воды слоем 1 мм на площади 1 гектар составит 10 м3.

Водоотдача - способность породы, насыщенной водой, отдавать путем свободного стенания то или иное количество воды. Характеризуется коэффициентом водоотдачи, т. е. отношением объема стекающей из насыщенной породы воды к объему всей породы, и выражается либо в долях от единицы, либо в процентах.

Водопроницаемость - способность породы пропускать через себя воду.

Водопроницаемость и водоотдача зависят от пористости, от размера и формы пор породы. Чем больше диаметр пор, тем лучшей водопроницаемостью и большей водоотдачей обладают породы.

Водопроницаемость почв, помимо их природных свойств, зависит также от степени их окультуренности. На водопроницаемость почв оказывает влияние наличие в них защемленного воздуха. Изолированные скопления последнего в порах почвы сокращают живое сечение пор, через которое может просачиваться вода. Водопроницаемость почв не остается постоянной:

сухая почва обладает большей водопроницаемостью, при насыщении почвы водой происходит набухание почвенных коллоидов, что приводит к сужению почвенных пор, разрушению структурных отдельностей и как следствие к уменьшению водопроницаемости.

По степени водопроницаемости породы подразделяются на две основные группы: водопроницаемые и водонепроницаемые, или водоупорные. К водопроницаемым относятся грубозернистые или

СПБГУАП группа 4736

грубообломочные породы (галечник, гравий, песок) и массивные трещиноватые породы (мрамор, гранит, известняк).

Водоупорными называются такие породы, которые практически через себя воду не пропускают или пропускают очень медленно. Это плотные массивные монолитные породы (мрамор, гранит, базальт) или осадочные мелкозернистые породы (глины, глинистые сланцы). Их водопроницаемость в естественных условиях настолько мала, что ею можно пренебречь, а

коэффициент водоотдачи близок к нулю. Большая группа пород относится к полупроницаемым породам (глинистые пески, лёсс, торф, песчаники,

пористые известняки, мергели и др.).

При изучении водных свойств зернистых пород и почв необходимо иметь представление о размере зерен. С этой целью производят механический, или так называемый гранулометрический, анализ пород.

Сущность этого анализа заключается в разделении образца породы на порции

(фракции определенных диаметров зерен) и в перечислении фракций в процентные отношения к весу всего образца. По данным механического анализа в неоднородной породе, состоящей из частиц различного диаметра,

выделяют действующую (эффективную) величину зерен. Считается, что просачивание воды через фракции данного диаметра соответствует просачиванию воды в природной смеси данной пробы.

СПБГУАП группа 4736

Рис. 2.1 Типовой график сжимаемости порового пространства песчаной

(1) и глинистой (2) породы под влиянием приложенного к ней давления ε = f(р)

Упругость горных пород. Размеры пор зависят от укладки минеральных зерен, а размеры трещин - от их раскрытости. Под влиянием внешней нагрузки и с ростом глубины залегания пород скважность

(пустотность) пород снижается главным образом за счет более плотной укладки минеральных зерен и уменьшения раскрытие трещин, т. е.

сокращения объема пустотности, и в меньшей степени под влиянием упругого сжатия, вязко-пластических и других деформаций скелета породы.

Пески, галечники, аргиллиты, песчаники и карбонатные породы обычно рассматриваются как упругодеформируемое (или линейно деформируемое)

тело, способное после снятия нагрузки восстанавливать первоначальную структуру порово-трещинного пространства. Глины и суглинки при небольших изменениях давления Рс на породу ведут себя как условно упругодеформируемое тело, а при значительных - в них проявляются пластические и другие деформации. Характер изменения пустотного пространства под влиянием эффективных давлений рс на скелет породы оценивается экспериментальной кривой зависимости ε=f(рс), которая называется компрессионной кривой. На рис. 2.1. показаны типовые кривые для упругодеформируемой и условно упругодеформируемой сред. Уклон кривых характеризует величину коэффициента сжимаемости ас. Часто

СПБГУАП группа 4736

пользуются показателем удельного сжатия (расширения) скелета породы βс.

Минеральный скелет породы сжимается очень слабо, и для базальтов,

кварцитов, аргиллитов, песчаников и известняков величина βс имеет порядок

(0,8-5)10-11 Па-1, что на порядок меньше, чем для воды.

Закон Гука для линейно деформируемой породы можно записать в виде

(2.5)

где учтено, что е связано с п зависимостью; Vп=Vn - объем порового пространства в деформируемом объеме V; Vn=V(1-n) - объем минерального скелета породы в заданном объеме V (принимается неизменным).

Виды воды и взаимодействия в системе «горная порода - подземные воды»

Для задач динамики подземных вод зоны активного водообмена интерес, представляют свободная и физически связанная вода. В качестве критерия для оценки количества связанной воды в поровом пространстве используются максимальная молекулярная (для песков) и наименьшая полевая (для суглинков и глин) влагоемкости. Для песков изменяется от первых до 12 %, а для глин составляет 20-25 % и более, что существенно уменьшает живое сечение пор, так как связанную воду считают неподвижной.

Молекулярные взаимодействия. Вода в порово-трещинном пространстве находится под влиянием молекулярных взаимодействий,

возникающих между минеральным скелетом и поровым раствором

(диссоциированными молекулами воды, ионами, коллоидными частицами,

органическими комплексами и т. п.). Влияние этих взаимодействий существенно снижается с удалением от поверхности минерального скелета.

СПБГУАП группа 4736

Оно максимально в тонкодисперсных (глинистых) породах и мало - в песках с крупными порами. Взаимодействие проявляется в определенной ориентировке дипольных молекул воды и других заряженных частиц раствора около отрицательно заряженных минеральных частиц. Образуются слои или зоны с разными структурой и интенсивностью молекулярной связи

(рис. 2.2). Наиболее прочные связи существуют во внутреннем слое и межпакетном пространстве глинистых минералов.

Рис. 2.2 Схема молекулярных взаимодействий в поровом пространстве:

а - сечение условной поры со слоями структурированных частиц порового раствора; в - график изменения энергии связи частиц раствора с поверхностью минерального скелета; 4 - кривая потенциальной энергии молекулы воды при ее взаимодействии с соседними частицами. 1 -

отрицательно заряженная минеральная частица; 2 - молекула воды; 3 -

катион; 4 - условные границы слоев. Стрелками дано направление потоков частиц между слоями.

В следующем, адсорбционном слое (слой Гельмгольца) ближайшие к твердой поверхности частицы раствора прочно связаны с ней, а другие, более удаленные, строго ориентированы. Энергия связей здесь тоже очень высока.

В третьем (диффузном) слое толщиной 1-10 нм молекулы и ионы менее ориентированы (менее структурированы). Энергия их связи с минеральной частицей невелика. В четвертом слое имеется зона свободной воды, где молекулярные взаимодействия практически равны нулю. С ростом