Файл: Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов.pdf

бариновой-Кочшюй, Н. К- Гиринского, Ф. Б. Нельсон-Скорнякова, С. Н. Нумерова, С. К. Абрамова, М. Е. Альтовского, В. Н. Щелкачева, Б. Б. Лапука, А. И. Силина-Бекчурина, H. Н. Веригина,

В.М. Шестакова и многих других исследователей.

Впредвоенный период продолжалось развитие теоретических основ динамики подземных вод в основном применительно к зада­ чам гидротехнического строительства (В. И. Аравин [11], Н. К. Гиринский [40], П. Я- Полубаринова-Кочина [90] и др.) ; большое зна­ чение имело также предложение Г. Н. Каменского об использовании для расчетов нестационарной фильтрации метода конечных разно­

стей [55]. Развиваются методы моделирования на моделях ЭГДА [47] и гидравлическом интеграторе (В. С. Лукьянов).

Послевоенный период в развитии динамики подземных вод ха­ рактеризуется комплексным применением теоретических и экспери­ ментальных методов исследования движения подземных вод и бо­ лее широким привлечением математики и математической физики. В это время Н. К. Гиринский [41] и А. Н. Митяев [81] опубликовали основы теории взаимодействия водоносных горизонтов; П. Я. Полу­ баринова-Кочина [90] и А. И. Силин-Бекчурин [94] закладывают основы динамики подземных вод переменной плотности воды; В. И. Аравин и С. Н. Нумеров [11—13], а затем P. Р. Чугаев [1056], H. Н. Веригин [33], В. П. Недрига [83], Ф. М. Бочевер [27] и другие развивают современную теорию установившейся фильтрации в рай­ онах гидротехнических сооружений; С. Ф. Аверьянов [7], H. Н. Биндеман [22], H. Н. Веригин [5, 33], И. А. Скабалланович [95], П. Я- По­ лубаринова-Кочина [90] разработали основы современной теории неустановившейся в плане фильтрации применительно к прогнозам фильтрации воды в районе каналов и водохранилищ; С. К. Абрамов [1—4], С. Ф. Аверьянов [7], H. Н. Веригин [32], С. Н. Нумеров,

B.М. Шестаков [106] и другие развивают и совершенствуют методи­ ку фильтрационных расчетов для целей водопонижения и дренажа;

C.К. Абрамовым, В. Д. Бабушкиным, H. Н. Веригиным, Н. К. Гиринским, И. А. Скабаллановичей и другими [2, 16, 17, 23, 34, 96] установлена теория откачек и методика выполнения опытно-фильт­ рационных полевых работ; дальнейшее развитие получает теория упругого режима, разработанная впервые В. Н. Щелкачевым [109]; развиваются и совершенствуются методы оценки эксплуатационных запасов подземных вод (Н. А. Плотников, Ф. М. Бочевер, H. Н. Биндеман, Н. И. Плотников и др. [24, 28, 30, 88 и др.]).

Кособенностям современного периода развития динамики под­ земных вод относятся: комплексное применение методов гидрогео­

логических расчетов практически во всех областях гидрогеологии; разработка и дальнейшее совершенствование новых методов гид­ рогеологических расчетов по количественной оценке и прогнозу ус­ ловий и закономерностей движения подземных вод при решении самых разнообразных задач и особенно в связи с инженерной и хозяйственной деятельностью человека; широкое привлечение и ис­ пользование в динамике подземных вод передовых достижений нефтяной подземной гидравлики и других смежных наук, а также

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.