4. Емкостные свойства горных пород

Когда заходит речь о водообильности водоносных го­ризонтов, то обычно подразумевают не общий объем воды в порах или трещинах, а ту его часть, которая может быть извлечена из породы какими-либо водозаборными сооружениями. Эту способность горных пород отдавать воду и связывают с их емкостными свойствами. На прак­тике удаление воды из пород зоны насыщения в их есте­ственном залегании идет обычно двумя путями:

jJ свободным стеканием, обусловленным гравита­ционными силами;

отжатием под воздействием на породу дополни­

тельной нагрузки. Соответственно, в первом случае гово­рят о гравитационной емкости, а во втором — об упругой (так как предполагается, что процессы сжатия носят уп­ругий характер).

Емкостными свойствами горных пород характеризу­ются и аналогичные процессы противоположной направ­ленности, — когда порода принимает в себя дополнитель­но какой-то объем воды.

1. Гравитационная емкость

Засыпем песок в трубу, длина которой заметно пре­вышает высоту капиллярного поднятия в песках; затем заполним трубу водой до отметки I (рис. 1.17). Открывая кран внизу, будем сливать некоторый объем воды , заме­ряя соответствующее понижение уровня до отметки II. Для однородно уплотненного песка отношение

AV АК

co-АН АН (1.31)

окажется примерно постоянным, характеризуя, таким об­разом, относительный объем воды, отдаваемый песком с единичной площади колонны (со — площадь поперечного

сечения;

A V =—)

^уо (О ^}'

ВОПРОС. Почему требуемая высота колонны как-то связыва­ется с капиллярным поднятием в песках?

Проведенный эксперимент достаточно хорошо ими­тирует процесс отдачи влаги при снижении свободного уровня (депрессионной поверхности) безнапорного водо­носного горизонта. Величина//, которая определяется как отношение объема вытекшей воды к «осушенному» объе­му породы, называется коэффициентом гравитационной емкости (гравитационной водоотдачи) безнапорного го­ризонта. Понятие «осушенный» применено в данном слу­чае к объему породы, заключенному между исходным и

\

лУ

л!"

сниженным уровнями, лишь условно: на самом деле, по­сле стекания части гравита­ционной воды в нем остается вода на стыках отдельных пор («стыковая» вода, явля­ющаяся, по своей сути, так­же гравитационной) и иммо­билизованная вода.

Поэтому, в частности, прак­тикуемое иногда определение ве­личины /л по разности между по­ристостью и максимальной моле- „ . ~ кулярной влагоемкостью — не-

Характерные величины коэффициента гравитацион­ной водоотдачи таковы: 0,25-Ю,3 —- для крупнозернистых песков и гравия; 0,15-Ю,2 — для мелко- и среднезерни- стых песков; 0,5Ю,1 — для супесчаных грунтов, сотые доли —- для суглинков; в скальных и полускальных по­родах значения/i колеблются в соответствии со степенью трещиноватости от тысячных долей до 0,01-0,02 (послед­ние цифры встречаются сравнительно редко).

Аналогом коэффициента гравитационной водоотдачи при подъеме уровня подземных вод и заполнении пор водой служит коэффициент недостатка насыщения; од­нако численные значения его обычно несколько меньше, чем у коэффициента гравитационной водоотдачи, что объясняется сохранением в насыщающейся породе «за­щемленного» воздуха и рядом других причин, на которых мы остановимся позднее (см. раздел 6.8).

ВОПРОС. Почему после обильных дождей уровень воды в тре­щиноватых гранитах поднимается гораздо выше, чем в расположен­ных по соседству песчаных массивах?

В приведенном здесь понимании коэффициент ft ни­как не связывается со временем протекания процесса. Между тем, если, проводя описанный опыт с колонной песка, мы будем сливать воду (опускать уровень) с разной скоростью, то значения /* окажутся существенно различ­ными: они будут возрастать с уменьшением скорости опу­скания уровня и приближаться к практически постоянной величине лишь при достаточно длительных опытах (для песков — порядка десятков часов). Поэтому, принимая в дальнейшем показатели гравитационной емкости пород неизменными во времени, мы предполагаем, чтр изуча­ются какие-то длительные природные процессы. Позднее, в главах 5 и 6, мы вернемся е этому вопросу и выясним причины, по которым отдача породой гравитационной влаги растягивается во времени.