5. О напряженном состоянии горных пород в фильтрационном потоке (гидродинамическое давление)

Так как горная порода оказывает сопротивление дви­жению воды, то последняя, в свою очередь, должна вызы­вать ответную реакцию в виде дополнительных эффек­тивных напряжений, возникающих в фильтрующей сре­де: в фильтрационном потоке, наряду с гидростатическим взвешиванием, порода испытывает гидроди­намическое давление, направленное в каж­дой точке вдоль линий тока; оно обусловлено тем, что на каждую единицу объема гор­ных пород воздейству­ет фильтрационная си­ла

-Л

^фо=Уо‘¹-(1Л1)

Формула (1.71) с очевидность следует из зависимости (1.48), но она может быть легко получена и непосред­ственно из условия равновесия элемен­тарного объема гопной Р^ис' 7.24. Схема опыта с образцами

S ^г песка в компрессионном приборе:

ПОрОДЫ, ОрИеНТИрО- j _ образец; 2 - проницаемые прокладки; 3 - ваННОГО ВДОЛЬ ЛИНИИ краны; 4 - дырчатый поршень, передающий ТОКа. внешнюю нагрузку на образец; 5 - камеры с^:

водой под напором

ЗАДАЧА. На рис. 1.24 изображен образец из песка в компресси­онном приборе. Что можно сказать о компрессии образца при мед­ленном увеличении давления воды до одного и того же значения: а) в нижней камере — при открытом верхнем кране, б) в обеих камерах? Не противоречат ли результаты опыта в первом случае концепции нейтральных напряжений (см. раздел 1.3)? (кстати, такого рода утвер­ждения можно найти в специальной литературе [ 18 ]).

Так как максимальные градиенты, при прочих равных условиях, отмечаются в глинистых породах, то именно в них гидродинамическое давление может оказывать наиболее сильное влияние на напряженное состояние. Однаковаж- ное значение оно может иметь и в хорошо фильтрующих породах, вызывая, в частности, процессы суффозии или кольматажа (см. раздел 8.1).

5. Общая физическая характеристика

гидрогеологических условий движения подземных вод

Рассмотренные в этой главе основные физико-меха­нические закономерности, управляющие движением под­земных вод, реализуются в самых разнообразных гидро­геологических условиях*, представления о которых чита­тель, очевидно, уже получил в рамках курса «Общая гид­рогеология». Если мы попытаемся охарактеризовать эти условия наиболее широкими понятийными категориями, то мы должны принять во внимание прежде всего три главные группы факторов:

Ш литолого-фациальное строение и условия залега­ния водоносных и водоупорных комплексов;

|~2| условия питания и разгрузки приуроченных к ним подземных вод (как в естественном, так и в возму­щенном состоянии);

3 фильтрационные свойства этих комплексов (с учетом пространственной из изменчивости).

Совокупность всех этих факторов находит свое отра­жение в структуре движения и баланса подземных вод, а через них — в синтезирующем понятии (Г.Н.Каменский, И.К.Гавич) потока Подземных вод (геофильтрационно- го потока [34]).

Относительно первой из упомянутых здесь групп фак­торов полезно подчеркнуть следующие моменты, во мно­гом вполне очевидные из общих геологических соображе­ний:

|Т] раздельнозернистые и мягкие глинистые породы характеризуются порово-пластовым типом вод, причем в первых, образующих водоносные пласты, преобладает гравитационная вода, а во-вторых, слагающих относи­тельно водоупорные пласты, преобладает связанная и, в какой-то мере, иммобилизованная вода;

|~2~ в скальных и полускальных изверженных поро­дах, а также в некоторых сильно метаморфизованных

* Для того, чтобы более четко отразить это важнейшее обстоятельство уже в исходной терминологической основе, В.М.Шестаков предложил пользоваться вместо традиционного понятия «фильтрация» термином «геофильтрация».

породах осадочного генезиса основное значение имеет трещинно-жильный тип вод с преобладанием свободных их разностей;

|з] в умеренно метаморфизованных породах пре­имущественно осадочного происхождения представлены пластовые воды порово-трещинного типа, причем в пори­стых блоках преобладают связанные и иммобилизованная разности воды;

[~4~| профильными границами водоносных комплек­сов служат контакты с водоупорными породами¹ или по­верхность уровня (депрессионная поверхность) грунто­вых вод - для безнапорных систем; для напорных систем, наряду с положением верхней водоупорной границы, важной характеристикой условий залегания подземных вод является положение пьезометрической поверхности (более точно, поверхности напоров, средневзвешенных по мощности пласта);

[5J плановые границы определяются геологически­ми границами водоносной структуры (выход на поверх­ность, контакт с водоупорными породами и т.п.), положе­нием элементов орогидрографической сети и, наконец, положением контуров естественных образований или ин­женерных сооружений, подпитывающих или дренирую­щих подземные воды;

|~6~ строение водоносных комплексов и соответст­венно структура фильтрационных потоков могут сущест­венно усложняться диъюнктивными тектоничскими нару­шениями как ввиду резкой смены фициально-литологи- ческих характеристик, так и вследствие интенсификации трещиноватости в прилежащих к нарушению зонах; поэ­тому тектонические нарушения часто необходимо рас­сматривать как границы водоносных комплексов -- внеш­ние или внутренние;

[Г] в большинстве своем положение границ водонос­ного комплекса может считаться априорно заданным, од­нако возможны ситуации, когда по мере фильтрационного процесса и изменения напоров происходит изменение по­ложения этих границ; наиболее типичные примеры — изменение верхней границы обводненности безнапорного пласта или постепенное плановое распространение искус­ственно создаваемой водоносной линзы;

[~8~| в подавляющем большинстве случаев протяжен­ность водоносной структуры в плане многократно превы­шает ее мощность: для большей части структуры это пред­определяет преобладающее направление траекторий движения частиц жидкости — вдоль напластования, параллельно профильным водоупорным границам водо­носного комплекса.

, Перейдем в общей гиофилътрационной характеристи­ке условий питания и разгрузки подземных вод — процес­сов, которые могут быть приуроченными к фиксирован­ным плановым границам (внешним или внутренним) во­доносной структуры или же носить рассредоточенный площадный характер. В первом случае важнейшими мо­ментами являются:

[~1~~| топологическая характеристика (пространствен­ное положение) границы;

|2~| наличие или отсутствие вблизи границы комп­лексов пород со специфическими фильтрационными свойствами, не характерными для пласта в целом;

[~3~| гидродинамический тип условий на границе.

Из топологических аспектов необходимо особо выде­лить степень совершенства граничного контура,т.е. сте­пень его заглубления в водоносный пласт; при малом заглублении (существенно несовершенная граница) тра­ектории движения частиц жидкости по водоносному пла­сту заметно отклоняются вблизи границы от плоскостей, параллельных напластованию.

Важное значение может иметь наличие вблизи грани­цы специфических геологических или техногенных обра­зования, таких как покровные отложения на участках выхода водоносного пласта к дневной поверхности, поро­ды с повышенной степенью трещиноватости в долинах рек, слабопроницаемые донные отложения (так называе­мые кольматационные слои) в руслах рек или техниче­ских водоемах и др. Несмотря на ничтожно малое распро­странение этих образований в сравнении с общим масш­табом водоносного комплекса, их значение может ока­заться решающим для всей геофильтрационной картины.

Наконец, гидродинамический тип условия на границе определяется заданными здесь характеристиками фильт­рационного потока. Например, на контурах рек и повер­хностных водоемов заданным обчно является распределе­ние напоров, отвечающих уровням в реке (водоеме). Ана­логичное типовое условие часто имеет место на контурах разгрузки, приуроченных к техногенным границам пласта — к горным выработкам (напор на контуре выработки отвечает отметке нижнего водоупора вскрытого ею водо­носного пласта или отметке дна выработки), а также к скважинам некоторых видов (например, к свободно само- изливающим). В то же время на контурах скважин, обо­рудованных погружными насосами, чаще фиксируются значения скоростей (расходов) потока.

Процессы питания (разгрузки), имеющие рассредото­ченный, площадный характер, связываются с инфильтра­цией (испарением) и перетеканием.

Инфильтрационное питание (или испарение) на по­верхностях уровней безнапорных горизонтов — важней­ший фактор их питания (разгрузки). Процесс этот идет через породы зоны аэрации и требует, следовательно, для своего отражения в расчетах совместного рассмотрения геофильтрации и влагопереноса в зоне аэрации (т.е. в условиях неполного водонасыщения). На практике, одна­ко, чаще принято задавать интенсивность инфильтраци- онного питания (испарения) показателями,не зависящи­ми от хода геофильтрационного процесса (например, по­казателями естественного инфильтрационного питания на единицу площади пласта в единицу времени или ана­логичными показателями для участков искусственных поливов). Более того, так как естественная инфильтрация находит отражение в исходных уровнях подземного пото­ка, то в ряде случаев при неизменной инфильтрации не­обходимость в этих показателях вообще отпадает.

Для напорных пластов питание (разгрузка) по площа­ди их распространения носит характер перетекания через слабопроницаемые — разделяющие — пласты . Процесс этот может иметь место на больших площадях, и поэтому значение его иногда оказывается определяющим даже при очень малой проницаемости пород разделяющих слоев (порядка 10'⁴-И0‘⁶ м/сут). Так как вода стремится пройти через слабопроницаемый пласт кратчайшим путем, то перетекание идет по траекториям, ориентированным примерно нормально к напластованию (в отличие от водоносных пластов). Понятно также, что интенсивность перетекания зависит от перепада напоров между двумя взаимодействующими пластами и не может быть поэтому априорно охарактеризована непосредственным количест­венным показателем; она увязывается с некоторыми обобщенными параметрами, отражающими соотношение фильтрационных свойств водоносных и разделяющих пластов.

Любые сколько-нибудь существенные изменения в условиях питания и стока водоносного комплекса в срав­нении с исходными, фоновыми, условиями вызывают пространственно-временное перераспределение напоров (возмущение) в нем, интенсивность которого можно оце­нивать величиной и скоростью понижения или повыше­ния уровней подземных вод. Эти возмущения могут но­сить как естественный, так и техногенный характер, при­чем в последнем варианте они могут быть связаны не только с изменением условий на естественных границах пласта, но и с возникновением новых — техногенных — границ (скважин, горных выработок, технических водо­емов и т.п.).

Касаясь, наконец, третьей из упомянутых в начале этого раздела групп основных факторов, а именно — фильтрационных свойств водоносных систем, необходи­мо подчеркнуть всегда свойственную им пространствен­ную неоднородность и анизотропию, что является отра­жением литолого-фациальной изменчивости водовмеща­ющих горных пород в плане и в разрезе, а для трещино­ватых пород — также отражением неоднородности и ани­зотропии трещиноватости. При этом, например, проница­емость пород даже в пределах одного литологического комплекса может изменяться на несколько порядков. По­этому, в частности, внутри водоносных комплексов может потребоваться выделение дополнительных границ разде­ла , вдоль которых фильтрационные свойства претерпе­вают резкие изменения и соответственно часто сущест­венно меняются структура и преобладающее направление фильтрационного потока. Например, как уже отмечено, при перславивании водоносных и относительно водо­упорных пород фильтрация по первым идет преимущест­венно вдоль напластования, а по вторым — вскрест него. Особого отражения в расчетной схеме требуют показате­ли проницаемости специфический образований, часто ха­рактерных для приграничных зон водоносных комплек- сов-

Относительно показателей емкостных свойств изуча­емых систем уместно особо упомянуть три важных мо­мента:

Ш емкость пористых пород обычно заметно выше, чем трещиноватых; соответственно в трещиновато-пори­стых породах основная доля емкости чаще связана с по­ристыми блоками;

[~2~ для одних и тех же водоносных пористых пород гравитационная емкость обычно превалирует над упру­гой:

3 емкость относительно водоупорных пластов иногда может быть вполне соизмеримой с емкостью соб­ственно врдоносных комплексов. ;

В целом рассмотренные здесь основные группы фак­торов должны быть прямо или косвенно представлены в любой расчетной модели, претендующей на более или менее адекватное описание реальных условий геофильт­рации, причем такое представление должно, в конечном счете, выражаться некоторыми числовыми или топологи­ческими показателями. Последние могут касаться поло­жения внешних или внутренних геологических границ водоносных и водоупорных комплексов в плане и разре­зе , а также положения контуров их питания и стока — как естественных, так и техногенного характера. Число­вые показатели могут относиться:

|Т| непосредственно к характеристикам фильтраци­онного потока — напорам, расходам, скоростям и т.п.;

[~2~| к свойствам фильтрующей среды, иногда говорят о фильтрационных параметрах, т.е. о показателях емко­сти и проницаемости водоносных или относительно водо­упорных комплексов;

к характеристикам питания или разгрузки под­

земных вод, среди которых фигурируют параметр ин- фильтрационного питания, параметры перетекания и па­раметры связи подземных вод с поверхностными (отра­жающие соотношение фильтрационных свойств упомя­нутых выше специфических приграничных образований и собственно водоносного комплекса). Заметим, что в более общем случае расчетные показатели могут быть представлены не единичными числовыми значениями, а некоторыми функциональными связями.

Перечисленные здесь топологические и числовые по­казатели составляют необходимый, а в идеальном вари­анте изученности объекта — и достаточный комплекс исходных данных для геофильтрационных прогнозов. Од­нако особенность реальных гидрогеологических ситуаций в том, что идеал в этом смысле никогда не достигается, и гидрогеологу приходится на деле сталкиваться с хрониче­ским дефицитом качественной исходной информации. Обусловлено это и ограниченностью числа точек (боль­шей частью — скважин), где производятся замеры или определения исходных величин, и погрешностями этих замеров (определений) и, наконец, всегда лишь ориенти­ровочным характером наших физических представлений

Эти границы Moiyr располагаться и внутри тех илииных элементов геологической структуры, отделяя, например, в пределах одного и того же литологического комплекса участки пород с различными фильтрационными свойствами.

о геофильтрационных процессах, протекающих в конк­ретной ситуации. В результате мы всегда описываем эту ситуацию некоторой схематизированной расчетной мо­делью геофильтрационного потока степень приближе­ния которой к реальности зависит от всех только что от­меченных обстоятельств, да еще и от субъективного фак­тора — квалификации гидрогеолога. Значение послед­него фактора при такой —.геофильтрационной — схема­тизации [7, 34] исключительно велико, и в то же время именно данное направление гидрогеологических исследо­ваний труднее всего ввести в рамки учебного процесса. Эта важнейшая проблема, касающаяся геофильтрацион­ной схематизации, по причинам, уже отмеченным ранее, выходит за пределы нашего курса, хотя мы и будем к ней возвращаться по мере необходимости.

Вместе с тем, нужно сразу подчеркнуть, что даже в своем схематизированном представлении геофильтраци- онные потоки остаются весьма сложными физическими системами; поэтому адекватное аналитическое описание расчетной модели геофильтрационного потока часто ока­зывается задачей, практически невыполнимой. Это за­ставляет обращаться к моделированию геофильтрацион­ных процессов.