книги из ГПНТБ / Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов

методов гидрогеологического моделирования и электронной вычис­ лительной техники; всесторонний учет факторов и явлений, сопро­ вождающих и предопределяющих процессы фильтрации, и в связи с этим, необходимость решения сложных, комплексных гидрогеоло­ гических задач.

Современное состояние динамики подземных вод и история раз­ вития теории фильтрации в СССР обстоятельно освещены во мно­ гих работах [43, 67, 91, 107]. Успехи развития динамики подземных вод за рубежом обобщены в работе ,[30а].

Развитие динамики подземных вод тесно связано с ее ролью и значением в теории и практике народнохозяйственного строитель­ ства. В настоящее время перед специалистами-гидрогеологами сто­ ят грандиозные задачи, поставленные партией и правительством. В соответствии с решениями XXII, XXIII и XXIV съездов КПСС и программой построения коммунистического общества гидрогеоло­ гии, как научной и прикладной отрасли геологии, наряду с другими науками геологического цикла отводится существенная роль в обес­ печении минерально-сырьевой базы страны, повышении благососто­ яния трудящихся и ускорении научно-технического прогресса, в развитии гидротехнического, гражданского и промышленного строи­ тельства; в сфере рациональной организации, ведения и охраны водного хозяйства; неуклонного развития и повышения эффектив­ ности сельскохозяйственного производства на базе широкого раз­ вития инженерных мелиораций.

ВИДЫ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ

ВГОРНЫХ ПОРОДАХ

ИОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ФИЛЬТРАЦИИ

ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

В горных породах отмечаются различные виды воды в зависимости от ее состояния, степени взаимодействия с горными породами, влажности и других факторов. Впервые основные виды воды в горных породах были выделены и обстоятельно изучены А. Ф. Лебедевым [74]. В последующем классификация А. Ф. Лебе­ дева получила дальнейшее развитие, но принципиальных изменений не претерпела.

Основные виды воды в горных породах следующие: 1) парооб­ разная, 2) гигроскопическая, 3) пленочная, 4) гравитационная, 5) капиллярная, 6) химически связанная и 7) вода в твердом состо­ янии [69].

Парообразная вода в виде водяного пара заполняет вместе с воздухом все не занятые водой поры и трещины в горных породах. Пары воды, заключенные в воздухе зоны аэрации, находятся в сос­ тоянии, близком к насыщению, за исключением верхних слоев, под­ верженных периодическому иссушению. Количество паров в горных породах обычно не превышает нескольких тысячных долей процен­ та от веса пород. В определенных условиях пары воды могут кон­ денсироваться и переходить в жидкое состояние [69].

Гигроскопическая вода образуется на поверхности частиц гор­ ных пород за счет конденсации и адсорбции парообразной почвен­ ной воды. Эта вода прочно удерживается на поверхности частиц молекулярными и электрическими силами и может быть удалена только при температуре 105—110° С. Передвижение гигроскопичес­ кой воды возможно лишь при ее предварительном переходе в паро­ образное состояние.

Если высушенную горную породу поместить во влажный воздух, то ее минеральные частицы будут адсорбировать пары воды, вслед­ ствие чего вес ее будет увеличиваться, пока не достигнет некоторой величины, соответствующей максимальной гигроскопичности, при которой вся поверхность частиц горной породы имеет адсорбирован­ ный слой влаги (рис. 1, б). Если же при этом относительная влаж­ ность воздуха будет ниже 100%, гигроскопическая вода не покроет всей поверхности частиц (рис. 1, а), что соответствует неполной гигроскопичности.

Наличие гигроскопической воды в породе незаметно для глаз. Вместе с тем максимальная гигроскопичность тонкозернистых и гли­ нистых пород может достигать 15—18%, в более крупнозернистых породах она падает до 1 % от веса сухого вещества.

молекулярная влагоемкость Wx :г) составляет для песков 1—7%, для супесей 9—13%, Для суглинков 15—23% и для глин 25—45%.

При увеличении толщины пленки до размеров, не обеспечиваю­ щих удерживание внешних ее слоев, пленочная вода может пере­ ходить в свободную, которая под действием силы тяжести будет стекать с частиц породы, являясь источником пополнения гравита­ ционных подземных вод (рис. 1, д).

Гравитационная вода — вода свободная, не подверженная дейст­ вию сил притяжения к поверхности частиц горных пород. Она под­ чиняется действию силы тяжести и способна передавать гидроста­ тическое давление. Передвижение свободной гравитационной воды происходит через пористое пространство и трещины горных пород, как в ненасыщенных горных породах (в зоне аэрации), так и в зоне насыщения. В зоне аэрации гравитационная вода образуется за счет проникновения атмосферных осадков, поверхностных вод, а также за счет перехода в капельно-жидкое состояние других видов

воды (парообразной, пленочной, капиллярной, твердой). В зоне на­ сыщения гравитационные воды образуют водоносные горизонты, характеризующиеся определенными гидродинамическими особенно­ стями, о чем подробно излагается ниже.

Капиллярная вода заполняет капиллярные поры, стыки и тонкие трещины в горных породах и удерживается силами поверхностного натяжения. В зависимости от расположения и связи капиллярных вод с гравитационными водами зоны насыщения выделяются сле­ дующие три их вида: подвешенные, стыковые и капиллярной каймы.

Подвешенные капиллярные воды — это воды, удерживаемые в капиллярных породах и трещинах силами поверхностного натяже­ ния и не имеющие связи с уровнем грунтовых вод зоны насыщения. Они могут, например, образоваться в условиях неоднородного строения зоны аэрации, когда мелкозернистые породы подстилают­ ся крупнозернистыми (рис. 2).

Стыковые капиллярные воды образуются в углах пор и стыках минеральных частиц под влиянием капиллярных (менисковых) сил (рис. 3).

Воды капиллярной каймы образуются в условиях непосредствен­ ной связи с грунтовыми водами зоны насыщения за счет капилляр­ ного поднятия подземных вод. При этом верхняя поверхность ка­ пиллярных вод (бахрома) подвержена колебаниям в соответствии с изменениями уровня грунтовых вод.

Химически связанная вода принимает участие в строении кри­ сталлической решетки минералов. Она обстоятельно изучается в курсах минералогии и гидрогеохимии.

Вода в твердом состоянии в виде кристаллов, прослоек и линз льда имеет широкое распространение в области развития многолет­ немерзлых горных пород [68, 69].

Наличие в горных породах тех или иных видов воды во многом предопределяет как основные водные свойства горных пород (влаж­ ность, влагоемкость, водопроницаемость и водоотдачу), так и усло­ вия движения подземных вод. В соответствии с этим ниже рассмот­ рены условия и особенности движения воды в ненасыщенных водою горных породах (зона аэрации) и в насыщенных водою горных по­ родах (зона насыщения или зона фильтрации).

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ В ЗОНЕ АЭРАЦИИ

Изучение видов и закономерностей перемещения влаги в зоне аэрации имеет большое значение для решения многих разно­ образных гидрогеологических задач (оценка условий атмосферного питания подземных вод, возможностей их искусственного пополне­ ния и охраны от загрязнения, прогноз режима грунтовых вод и про­ цессов засоления почв при орошении и др.). Поэтому изучению закономерностей движения воды в зоне аэрации в настоящее время уделяется особое внимание.

В зоне аэрации могут иметь место все отмеченные в предыдущем параграфе виды воды. Однако при изучении процессов влагоперено­ са существенное значение имеют лишь процессы движения парооб­ разной, пленочной, капиллярной и гравитационной воды. Интенсив­ ность подвижности воды и условия ее передвижения зависят от характера связи воды с твердой фазой горных пород, а также и от их влажности, пористости и трещиноватости. Движение воды про­ исходит под действием молекулярных, капиллярных или гравитаци­ онных сил. В зависимости от конкретных природных условий дейст­ вие этих сил может проявляться одновременно или преобладающее значение будут иметь две или одна из указанных сил. Так, если влажность пород зоны аэрации W не превышает их максимальной гигроскопичности WT то влага может передвигаться только в виде паров воды под действием их упругости. При влажности пород от максимальной гигроскопичности WT до максимальной молекуляр­ ной влагоемкости ТГмаКс образуется пленочная вода, которая пере­ двигается под действием молекулярных сил от частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей толщиной пленки (рис. 1, 0, г). При влажности в пределах от максимальной гигроскопичности Wv до наименьшей (полевой) влагоемкости Wn возникает движение пленочной и капиллярной вод: в глинистых породах оно происходит под влиянием преобладающих молекулярных сил, в песчаных — капиллярных (менисковых) сил [69].

При влажности пород, превышающей полевую влагоемкость W > W n, вода передвигается под влиянием капиллярных сил и силы тяжести; молекулярные силы при этом виде движения оказывают незначительное влияние.

Наиболее резко степень влажности пород изменяется в самых верхних слоях зоны аэрации. Это явление связано с процессами ис­ парения и инфильтрации атмосферных осадков. При испарении верхние слои зоны аэрации сильно иссушаются и в них нередко остается только гигроскопическая влага. При таком состоянии влажности пород происходит передвижение снизу вверх пленочной воды, а в некоторых случаях (если этот процесс протекает в зоне капиллярного поднятия) — и капилллярной воды.

Во время выпадения атмосферных осадков часть инфильтрующейся воды расходуется на «смачивание» высушенных верхних сло­ ев горной породы, где происходит как бы восстановление гигроско­ пической, пленочной и капиллярной воды. Избыток воды, оставший­ ся после «смачивания» частиц породы, просачивается под действием силы тяжести вниз.

Ниже рассмотрены основные закономерности передвижения во­ ды в горных породах зоны аэрации.

Парообразное движение воды осуществляется от участков с большей упругостью пара к участкам с меньшей упругостью пара (соответственно от участков с большей влажностью к участкам с меньшей влажностью при условии, что эта влажность не превышает максимальную гигроскопичность). При влажности пород, превы­ шающей их максимальную гигроскопичность {W~>WT), упругость водяных паров зависит от температуры, в соответствии с чем пары воды передвигаются от более нагретых пород к менее нагретым: ле­ том — сверху вниз, зимой •— снизу вверх.

Пары воды в зоне аэрации находятся в постоянном взаимодей­ ствии с водяными парами атмосферы: при повышении упругости паров зоны аэрации происходит их перемещение в атмосферу, при понижении упругости паров — переход паров воды из атмосферы в зону аэрации и их конденсация.

Перемещение паров воды в зоне аэрации наблюдается и в гори­ зонтальном направлении, подчиняясь отмеченным закономер­ ностям.

В слои пород зоны аэрации парообразная влага проникает из атмосферы и из слоев ниже пояса постоянной температуры. Она может также образовываться и при испарении влаги в самой почве. В случае охлаждения почвы и почвенного воздуха до точки росы

иниже парообразная вода может конденсироваться. Испаряясь на одних участках и конденсируясь на других, парообразная вода ока­ зывает существенное влияние на перераспределение влаги в почве

ислоях горных пород.

Движение гигроскопической воды может происходить только в условиях ее перехода в парообразное состояние (при нагревании свыше 100° С) и оно подчиняется тем же закономерностям, что и па­ рообразное движение.

Движение пленочных вод происходит под действием молекуляр­ ных сил от частиц с большей толщиной пленки к частицам с мень­ шей ее толщиной (см. рис. 1, в, г). Такое движение возникает в тех

условиях, когда на участке пород зоны аэрации, влажность кото­ рых меньше максимальной молекулярной влагоемкости (IF< Немане). существует градиент влажности. При этом движение пленочной воды происходит от более влажных участков к менее влажным. Если влажность пород на участке одна и та же, движе­ ние пленочных вод отсутствует. Работы последних лет показывают, что движение пленочной воды тесно связано с движением капил­ лярной воды, поэтому при исследованиях их следует изучать сов­ местно.

Движение капиллярных вод про­ исходит как в верхней части зоны аэрации, при просачивании поверх­ ностных вод и атмосферных осадков через породы, находящиеся в состоя­ нии полного смачивания пленочной водой, так и в зоне капиллярной каймы над уровнем грунтовых вод. Действующими силами при этом яв­ ляются капиллярные (менисковые) '

силы и силы тяжести. Капиллярные силы превышают силу тяжести, поэтому вода способна подниматься по капиллярам на определен­ ную высоту над уровнем гравитационных вод, называемую высотой капиллярного поднятия Нк.

Высота капиллярного поднятия зависит от гранулометрического состава горной породы; в мелкозернистых разностях пород она больше, в крупнозернистых породах — меньше. Это подтверждается как наблюдениями непосредственно в полевых условиях, так и опы­ тами в лабораториях. В тонких капиллярных трубочках вода подни­ мается на большую высоту, чем в трубочках с большим диаметром (рис. 4).

В капиллярных трубочках вследствие притяжения между зерна­ ми породы и частицами воды поверхность воды в них имеет вид ме­ ниска (см. рис. 4). Силы поверхностного натяжения b и Ь\ направ­ лены по касательным к шаровой поверхности мениска. Вертикаль­

ные составляющие с и с( суммируются и действуют с силой Р. Под влиянием последней силы подземная вода поднимается до высоты Як, создавая дополнительное гидростатическое давление над уров­ нем грунтовых вод.

Капиллярная вода подчиняется силе тяжести и передает гидро­ статическое давление. Капиллярные свойства воды можно иллю­ стрировать следующим опытом. Возьмем короткую стеклянную трубку, заполненную песком, и наполним ее водой до насыщения песка (рис. 5, а). В том случае, если высота трубки будет меньше высоты капиллярного поднятия для данного образца песка, то по прекращении подачи воды с поверхности истечение воды из трубки немедленно прекратится, и с этого момента в трубке будет нахо­ диться только вода, удерживаемая капиллярными силами.

Далее возьмем трубку, длина которой превышает высоту ка­ пиллярного поднятия, и также наполним ее песком и водой. Из этой трубки истечение воды будет продолжаться и тогда, когда по­ дача воды с поверхности прекратится. Истечение воды из такой трубки прекратится только после того, как уровень воды в ней понизится до высоты капиллярного поднятия (рис. 5, б). Следова­ тельно, верхняя часть песка в длинной трубке будет осушена. В нижней части трубки до высоты капиллярного поднятия будет на­ ходиться капиллярная вода, а выше песок содержит пленочную во­ ду. Если такую трубку защитить от испарения, то влажность песка в ней может сохраняться весьма продолжительное время.

Таким образом, наибольшую влажность песок имеет в нижней части трубки, в зоне капиллярного поднятия; кверху она быстро уменьшается, и зона капиллярного увлажнения переходит в зону с пленочной водой. В этой последней зоне после того, как вся грави­ тационная вода стечет, влажность будет соответствовать макси­ мальной молекулярной влагоемкости.

Если трубку с песком погрузить на некоторую глубину в сосуд с водой, то высота капиллярного поднятия будет замеряться от уровня воды в сосуде (рис. 5, в). Если при этом обозначить атмос­ ферное давление в порах песка через Ро, то давление на границе раздела вода — воздух в пористом пространстве Р будет меньше на величину капиллярного давления, т. е.

где Як — высота капиллярного подъема; у — объемный вес воды. Аналогичные явления капиллярного поднятия происходят непо­ средственно над уровнем грунтовых вод, в результате чего образу­ ется капиллярная кайма. Высота капиллярного поднятия Як в рых­ лых пористых горных породах зависит не только от диаметра ка­ пилляров, но также от формы частиц, плотности и однородности их сложения, удельного веса жидкости и ее температуры. Обычно она определяется экспериментально, либо непосредственными наблюде­ ниями в полевых условиях. Ниже приведены сведения о высоте ка­ пиллярного поднятия Як для основных литологических разновид-

ностей горных пород [98].

Капиллярное поднятие происходит с постепенно уменьшающей­ ся интенсивностью. Чем больше водопроницаемость пород, тем бы­ стрее происходит капиллярное поднятие и тем скорее оно заканчи­ вается. Тормозящее действие на капиллярный подъем воды оказы­ вает воздух, защемленный в порах горных пород. Повышение

температуры приводит к увеличению скорости капиллярного поднятия, но уменьшает его высоту. Высота капил­ лярного поднятия увеличивается с уве­ личением минерализации воды.

влаги через зону аэрации закона Дарси [105а].

В результате теоретических и лабораторных экспериментальных исследований было установлено, что капиллярные и пленочные во­ ды представляют единую гидродинамическую систему. Это положе­ ние подтверждено наблюдениями в полевых условиях и опытами по стеканию воды в сверхвысоких колоннах (высотой 10 м). На рис. 6 приведена экспериментально полученная кривая распреде­ ления влаги в зоне аэрации, соответствующая условию ее равно­ весного состояния (отсутствие движения жидкой воды через зону аэрации). Анализ кривой показывает, что в весьма большом диа­ пазоне влажности, включая и практически сухие породы, распреде­ ление влаги по высоте мощной (35 м) зоны аэрации находится в соответствии с действием силы тяжести, поскольку содержание вла­ ги убывает с высотой над уровнем грунтовых вод. Это позволяет рассматривать капиллярную и пленочную влагу как единое целое в гидродинамическом отношении. На приведенной кривой (рис. 6) можно условно выделить участок собственно капиллярной каймы (влажность>3%), участок пленочной влаги (влажность менее

1,5%) и переходный капиллярно-пленочный участок. В целом^все это предлагается рассматривать как капиллярно-пленочную кайму.

Гравитационное движение воды в зоне аэрации наблюдается при просачивании атмосферных осадков, а также оросительных и по­ верхностных вод через горные породы зоны аэрации. Этот процесс проникновения вод через зону аэрации носит название инфиль­

трации.

Условия и особенности проникновения воды через зону аэрации зависят от степени влажности ее горных пород. Если влажность горных пород меньше максимальной молекулярной влагоемкости, инфильтрующаяся с поверхности вода вначале идет на «смачивание» «су­ хих» или слабо увлажненных частиц породы. При небольшом количестве просачивающейся с поверхности во­ ды последняя может быть пол­ ностью израсходована на образова­ ние пленочной влаги. В породах, на­ ходящихся в состоянии насыщения пленочной водой, передвижение инфильтрующейся воды происходит как под влиянием силы тяжести, так и под действием сил поверхност­ ного натяжения. Одновременное дей­ ствие этих сил является характер­ ным для просачивания воды в нена­ сыщенных породах, т. е. для ин­ фильтрации.

Различают два вида инфильтра­ ции: свободное просачивание и нормальная инфильтрация.

При свободном просачивании движение воды происходит под действием силы тяжести и капиллярных сил в виде изолированных струек по капиллярным порам и отдельным канальцам, образую­ щимся в горных породах под влиянием жизнедеятельности земле­ ройных животных, червей, корневой системы растений и других факторов. При этом пористое пространство горных пород остается ненасыщенным водой и в нем сохраняется движение атмосферного воздуха, газов и паров воды, что исключает влияние гидростатиче­ ского давления на движение воды. Просачиваясь через поры и тре­ щинки, каждая струйка воды разветвляется на более тонкие, ко­ торые при дальнейшем движении вокруг частичек породы могут снова соединяться и разъединяться, аналогично тому, как это схе­ матично показано на рис. 7. Типичным примером просачивания, например, является инфильтрация атмосферных осадков через по­ роды зоны аэрации.

При нормальной инфильтрации движение воды через зону аэра­ ции происходит сплошным потоком (не считая сравнительно не­ больших участков с защемленным в породах воздухом) под дейст­