Водонасыщенная горная порода является двухфазной системой, состоящей из твердой фазы и воды, заполняющей поры и трещины. Поровые каналы и водоносные трещины в горных породах исключительно разнообразны по размерам и конфигурации, поэтому и реально и разумно в практической гидрогеологии оперировать некоторыми усредненными показателями геометрии порового пространства.
Напряжение в водонасыщенных горных породах
Мерой внутренних сил, действующих в горной породе, является напряжение. В водонасыщенной горной породе имеем дело с двумя категориями напряжений, действующих в минеральном скелете и во внутрипоровой жидкости.
Все механические характеристики горной породы определяются первой системой напряжений, которые принято называть эффективными.
Напряжения второй системы, отвечающие гидростатическому давлению в жидкости, принято называть нейтральными.
Для дальнейших выкладок введем понятие “полное общее давление” pn. Рассмотрим столбик водонасыщенной горной породы: (20). Очевидно, полное давление и полное напряжение будет равно весу пород в этом столбике вместе с заключенной в них водой.
(20)
Напряжения в минеральном скелете могут меняться не только при изменении внешнего полного давления на водоносный пласт, но и при изменении напора воды. Основной закон подземной гидростатики:
(21)
Например, понижение напоров воды на каждые 10м приводит к росту напряжений в минеральном скелете на 0.1 МПа.
ТЕМА 2. ЕМКОСТНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
Параметры порового пространства
Наиболее понятным из параметров порового пространства является общая пористость n, которая характеризует долю порового пространства в общем объеме горной породы. Некоторые характерные значения общей пористости:
Пески 35-50%, глины 40-60%, песчаники и осадочно-карбонатные породы 5-20%, гнейсы и кварциты менее 1%.
Важно также отметить, что вода движется не по всем порам, а лишь по связанным друг с другом достаточно крупным порам, которые образуют так называемое эффективное поровое пространство nэ. Понятие эффективной пористости широко используется нефтяниками. Эффективная пористость связывается с сорбционными свойствами горных пород, т.е. с гидрогеохимией. Для оценки проницаемости Шестаков предлагает использовать понятие активная пористость na.
С позиции гидрогеодинамики рассматривают связанную воду, связанную с минеральным скелетом, и свободную воду, связанную с минеральным скелетом.
Свободная вода делится на гравитационную, капиллярную и иммобилизованную.
В дальнейшем все наши выкладки будем рассматривать относительно гравитационной воды, которая обладает всеми свойствами капиллярно-жидкой воды, а именно непрерывно передает гидростатическое давление и приходит в движение под влиянием перепада гидростатического напора.
Водонасыщенные горные породы как сплошная среда
В гидрогеодинамике реальная горная порода представляется как некая условная сплошная среда с равномерно распределенными по объему характеристиками. Предполагается, что любой малый элемент этой среды обладает свойствами, характерными для нее в целом. Экспериментально доказано, что малый объем должен иметь диаметр, в 7-10 раз превышающий диаметр слагающих породу частиц. Например, если диаметр частиц 1мм, то минимальный представительный объем для такой среды всего лишь 1 см3.
Способность горных пород отдавать воду связывают с их емкостными свойствами. Различают гравитационную емкость и упругую емкость.
Гравитационная емкость
Рассмотрим схему следующего эксперимента р 1
Если засыпать в трубку песок, затем заполним трубку водой до отметки 1, откроем кран, сольем воду, то уровень воды снизится до отметки 2.
Величина гравитационной водоотдачи определяется как отношение объема вытекшей воды к осушенному объему породы.
(22)
Далее введем понятие единичный объем
(23)
Через единичный объем можем записать коэффициент гравитационной водоотдачи как
(24)
Характерные величины коэффициента гравитационной водоотдачи таковы:
Для крупнозернистых песков 0.25-0.3, для мелко- и среднезернистых песков 0.15-0.2, для супесчаных грунтов 0.05-0.1, для суглинков 0.01, для скальных и полускальных пород в зависимости от степени трещиноватости изменяются от тысячных долей до 0.02. В природных условиях происходит не только снижение, но и повышение уровня грунтовых вод. Аналогом коэффициента гравитационной водоотдачи при подъеме уровня подземных вод служит коэффициент недостатка насыщения.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.