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

ристость, или вернее активная (динамическая) пористость. Под по­ ристостью горной породы понимается наличие в ней пустот, не за­

обусловлено следующими факторами: минеральным составом и структурой, формой и величиной зерен, степенью их отсортирован­ ное™, и сцементированности, геологическим возрастом, глубиной

залегания и др.

Обломочные породы, сложенные окатанными зернами одинако­ вой формы, обладают наименьшей пористостью; породы, сложен­ ные угловатыми того же размера обломками, — наибольшей. Вели­ чина пористости возрастает с уменьшением величины зерен и об­ ломков, слагающих породу. Экспериментально установлено, что пористость уменьшается также при увеличении неоднородности по­ род по размеру зерен (по гранулометрическому составу). Так, на­ личие глинистой фракции в песчаных породах приводит к сущест­ венному снижению их пористости, особенно активной.

Величина пористости горных пород характеризуется коэффици­ ентом пористости, значение которого для различных пород изме­ няется в широких пределах: от долей процента до нескольких де­ сятков процентов [69]. Наиболее вероятные значения коэффициента общей пористости для основных типов горных пород следующие: пески 20—35%, песчаники 5—30%, алевролиты 3—25%, аргиллиты 5—20%, известняки 1,5—15%, доломиты 3—20%, мел 40—50%, гли­ ны'20—50%, лёссы 40—55%, или 50—70%, магматические породы 0,5—10% (по данным В. Н. Кобрановой [8]).

По происхождению поры подразделяются на первичные, обра­ зующиеся при формировании пород, и вторичные — в результате последующих процессов (уплотнение, цементация, выщелачивание и др.); по размеру: на сверхкапиллярные, капиллярные и субкапил­ лярные. К сверхкапиллярным относятся поры размером свыше 0,1 мм; к капиллярным — от 0,0002 до 0,1 мм, к субкапиллярным — менее 0,0002 мм.

Движение воды в сверхкапиллярных порах происходит свобод­ но и подчиняется известным законам гидравлики. В капиллярных порах движение жидкости встречает противодействие капиллярных сил и фильтрация возможна лишь тогда, когда силы тяжести или напора превышают молекулярные поверхностные силы. В субка­ пиллярных порах вследствие больших сил молекулярного сцепле­ ния воды со стенками пор, движения воды в природных условиях практически не происходит. Примером пород с субкапиллярной по­ ристостью являются глины, которые хотя и обладают высокой об­ щей пористостью, но оказываются практически слабо водопрони­ цаемыми, вследствие их низкой активной (динамической) порис­ тости.

Под активной пористостью понимается объем пор, через кото­ рый осуществляется движение воды. Активная пористость может быть определена как разность между общей пористостью и макси­ мальной молекулярной влагоемкостью в объемном выражении [24].

Она, следовательно, всегда меньше полной и открытой пористости, поскольку движение воды возможно не по всем открытым порам по причине их малого размера. Для песчаных горных пород значения полной, открытой и активной пористостей близки между собой. Так, для песков, при полной их пористости п = 0,35—0,40, величина ак­ тивной пористости tta= 0,34—0,35. В песчаниках и алевролитах бла­ годаря цементации некоторое количество пор оказывается изолиро­ ванным. Особенно много замкнутых (закрытых) пор встречается в известняках и туфах, вследствие чего их активная пористость мо­ жет быть значительно меньше полной пористости [8].

Движение воды в реальной пористой среде происходит через систему открытых и сообщающихся между собой пористых каналов и трещин, которые имеют самые разные размеры, форму и располо­ жение относительно одна другой. Вследствие исключительно слож­ ного характера изменчивости путей и скорости движения воды в пористой среде невозможно точное изучение процессов фильтрации через отдельные поровые каналы и трещины. Поэтому движение воды в пористой среде рассматривается обобщенно и его характе­ ристики получают не для отдельных точек порового пространства или каналов, а для всего поперечного сечения фильтрующей среды в целом. При этом важнейшей характеристикой движения воды в пористой среде является скорость фильтрации.

Скорость фильтрации может быть охарактеризована количест­ вом воды (объемным расходом), которое протекает в единицу вре­ мени через единицу площади поперечного сечения пористой среды. Обозначив объемный расход воды, фильтрующейся в единицу вре­ мени, через Q, а площадь поперечного сечения пористой среды, че­ рез которую протекает эта вода — F, получим следующее выраже­ ние для скорости фильтрации ѵ:

Размерность скорости фильтрации может быть получена из вы­

из условия, будто движение воды осуществляется через полное се­ чение пористой среды F, включая и площадь, занимаемую мине­ ральным скелетом породы. Следовательно, с физической точки зре­ ния скорость фильтрации представляет собой фиктивную среднюю скорость, с которой бы двигалась вода в аналогичных условиях при отсутствии скелета породы. Подобное отвлечение от истинной кар­ тины фильтрации позволяет тем не менее решать все гидрогеоло­

гические задачи за исключением тех, в которых представляет инте­ рес определение действительной скорости движения подземных вод (вопросы перемещения контуров, прогнозы развития загрязнения

ираспространения ореолов и др.).

Вреальных условиях в каждом сечении пористой среды движе­ ние воды происходит только по пустотам между отдельными части­ цами пористой среды (рис. 11). Реальная площадь пор, через ко­ торую осуществляется фильтрация воды, характеризуется значени­ ем поверхностной пористости. Поверхностная пористость может

быть неодинаковой для разных сечений пори­ Частицы породы стой среды, но в среднем для того или иного

объема горной породы она остается постоян­ ной и принимается равной значению активной пористости на. Для любого из сечений порис­ той среды поверхностная пористость может быть определена следующим выражением:

где F i— действительная площадь сечения пор, Рис. П. Схема сече­ через которые происходит движение воды; F — ния пористой среды общая площадь сечения пористой среды.

Таким образом, истинная средняя скорость движения воды ѵд может быть получена, если объемный расход фильтрующейся в единицу времени воды Q отнести к'действитель­ ной площади пористой среды Л , через которую происходит движе­ ние воды:

Если учесть из формулы (11,5), что действительная площадь се­ чения пор, через которую происходит движение воды, равна Fг — = naF, то можно найти соотношение между действительной скоро­ стью движения подземных вод ѵД и скоростью фильтрации ѵ, ис­ пользуя для этого выражения (11,4) и (11,6).

Формула (П,7) показывает, что средняя действительная ско­ рость движения воды в пористой среде всегда значительно больше средней скорости фильтрации, поскольку величина активной порис­ тости па всегда меньше единицы. Так, например, при значении активной пористости па= 0,1 действительная скорость движения подземных вод будет в 10 раз больше скорости фильтрации. По отдельным пористым каналам и трещинам большего сечения дейст­ вительная скорость движения подземных вод значительно выше ее средней величины, что следует учитывать при решении практиче­ ских задач.