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

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