Некоторые сведения по гидрогеологии

Глава 4. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ГЕОЛОГИИ И ГИДРОГЕОЛОГИИ

17. Некоторые сведения по гидрогеологии

Гидрогеология изучает происхождение, состав, движение и распределение подземных вод в горных породах и взаимоотношение пород с этими водами, а также условия использования подземных вод, влияние их на возникновение природных процессов, а также на условия строительства и эксплуатации искусственных сооружений.

Горные породы по своему происхождению не являются абсолютно монолитными, они имеют поры, трещины самых различных форм и размеров, а также пустоты.

Пористость, трещиноватость и тектоническая нарушенность пород с учетом их литологических особенностей и динамики подземных вод определяют гидрогеологические свойства.

Трещинные воды - это подземные воды, залегающие в трещиноватых магматических, метаморфических и осадочных породах.

В горных породах различают (по происхождению) трещины трех видов: а) тектонические, образовавшиеся при формировании геологических структур; б) выветривания, возникающие при выветривании и размывании горных пород; в) литологические, связанные с формированием пород.

Водообильность трещиноватых горных пород в значительной степени зависит от типа развитых в них трещин и характера взаимосвязи последних между собой.

В зависимости от вида и размера пор, трещин и пустот в горных породах различают:

а) некапиллярную пористость (скважность, обусловленную крупными порами >1 мм, ноздреватостью, кавернозностью, крупной трещиноватостью и закарстованностью);

б) капиллярную пористость, когда в горных породах встречаются поры размером менее 1 мм, а трещины шириной менее 0,25 мм.

Водовмещающие породы представляют собой пористые среды. Основные свойства пористой среды, определяющие условия движения в ней воды, - пористость и проницаемость.

Пористость - это общий объем всех пустот в горной породе (табл. 13). Величина пористости горных пород характеризуется коэффициентом пористости n, который определяется отношением объема пор к объему всей породы в сухом состоянии и выражается в долях единицы или в процентах: 100% (где - объем пор; - объем породы).

Таблица 13

Пористость некоторых пород

Пористость водовмещающей горной породы - это часть ее объема, заполненная водой и выраженная как отношение объема пустот к общему объему породы.

Характеристикой емкостных свойств водовмещающей среды является не полная пористость, а коэффициент гравитационной водоотдачи породы, т.е. количество воды, которое может высвободиться из элементарного объема пласта при его осушении.

Под коэффициентом водоотдачи принято понимать разность между общей пористостью и максимальной молекулярной влагоемкостью с учетом объемных масс скелета и воды

Активная пористость - это совокупность пор и других пустот, по которым подземная вода может свободно передвигаться в горных породах, не испытывая заметного притяжения и трения со стороны стенок, так как эти стенки покрыты гигроскопической и пленочной водой. Активная пористость - это также объем пор, взаимосоединенных друг с другом.

При напорной фильтрации осушения породы не происходит и емкостные свойства водоносного горизонта определяются упругостью водовмещающих пород и заключенной в ней воды [4].

По аналогии со свободной водоотдачей при осушении пород для характеристики емкостных свойств напорного пласта Ф.М. Бочевер предложил понятие упругой водоотдачи характеризующей количество воды, которое может быть получено с единицы площади напорного пласта при понижении пьезометрического напора на 1 м.

Упругие свойства водоносного горизонта характеризуются, по предложению В.Н. Щелкачева, коэффициентом упругоемкости.

Коэффициент водоотдачи будет выражен

где - объемная масса пресной воды, приближенно равна единице; - мощность водоносного горизонта в м.

Тогда формула коэффициента водоотдачи (табл. 14) примет вид

Таблица 14

Средние значения коэффициента водоотдачи

Проницаемость - это свойство пористого материала пропускать через себя воду под действием приложенного градиента давления [4].

Согласно определению Р. Коллинза, проницаемость есть проводимость по отношению к воде.

К водопроницаемым породам относятся крупнозернистые пески, гравий, галечник, щебень, валуны, трещиноватые скальные породы, т.е. породы, в которых имеется достаточное количество крупных пустот для проникновения и движения воды.

Водоносным горизонтом называют пласт водопроницаемой породы, наполненный (насыщенный) водой и способный отдавать ее.

Водоносные горизонты всегда залегают на водоупорных или весьма слабопроницаемых для воды горных породах.

Водоупорными горными породами являются плотные тяжелые глины, плотные суглинки, а также различные изверженные и метаморфические породы, если они не трещиноваты.

Подошвой водоносного горизонта называют горные породы, подстилающие водоносный горизонт.

Движение подземных вод в водоносном горизонте, или так называемая фильтрация, происходит по порам и мелким трещинам горных пород. Отдельные струи движутся равномерно, без разрыва сплошного потока, с небольшими скоростями, параллельно одна другой. Такое движение подземной воды преобладает в природных условиях и называется ламинарным.

Закон ламинарного движения формулируется следующим образом: расход воды, фильтрующейся через определенную площадь (поперечное сечение) горной породы, прямо пропорционален этой площади, напору и обратно пропорционален длине пути фильтрации на данном участке потока. Он зависит от некоторой постоянной величины - коэффициента фильтрации, свойственного данной породе.

Коэффициент фильтрации представляет собой расход воды через единицу площади поперечного сечения пласта при напорном градиенте, равном единице, и численно равен скорости фильтрации при единичном градиенте. Коэффициент фильтрации измеряется в м/сут.

Поскольку при решении задач водоснабжения, как правило, рассматривается плановая фильтрация, обычно коэффициент фильтрации заменяется коэффициентом водопроводимости [14] - коэффициент фильтрации). Коэффициент водопроводимости представляет собой расход воды через единицу ширины подземного потока мощностью при единичном напорном градиенте и измеряется в м/сут.

Помимо коэффициентов фильтрации (водопроводимости) и водоотдачи в гидрогеологических расчетах широко используется комплексный параметр, в общем случае характеризующий скорость развития депрессии:

в безнапорном потоке - коэффициент уровнепроводимости;

в напорном потоке - коэффициент пьезопроводности (в м/сут)

На практике в качестве основных гидрогеологических параметров определяют коэффициент фильтрации (водопроводимости) и пьезопроводности (уровнепроводимости).

Расход подземных вод находят по следующей формуле: где - расход воды, м/сут; - площадь поперечного сечения потока (водоносного пласта); - напорный градиент или падение напора на единицу пути фильтрации, рассчитываемый по выражению и - пьезометрические напоры в двух сечениях потока; - расстояние между этими сечениями, м).

Средние значения коэффициента фильтрации, по Н.А. Плотникову, приведены в табл. 15.

Таблица 15

Значения коэффициента фильтрации

Коэффициент фильтрации на практике ориентировочно возможно определять по следующей формуле:

где 130 - переходный коэффициент; - удельный дебит скважины; - мощность водоносного горизонта, м.

Коэффициент фильтрации в полевых условиях находят при помощи откачек, а в лаборатории - по результатам анализа гранулометрического состава водоносной породы.

Отклонения от закона ламинарного движения происходят при скорости движения подземной воды свыше 1000 м/сут, что наблюдается только в карстовых районах и породах, имеющих большие трещины. Движение подземной воды переходит в вихреобразное, или турбулентное, при котором струи воды уже не движутся параллельно. В этом случае расход воды выражается уравнением _.

Таким образом, при вихреобразном движении воды скорость ее пропорциональна уклону не в первой степени, а в степени 1/2.