Воднофизические свойства грунтов

Гидрогеология

Ниже поверхности Земли, там, где нет испарения, в порах и трещинах почв и горных пород содержится большое количество воды. Она медленно просачивается из областей инфильтрации, где поступает в грунт в результате выпадения осадков и просачивания поверхностных вод, к областям разгрузки, где подземные воды выходят на дневную поверхность или дно морей, океанов, рек, озер. Реки, ручьи, родники, гейзеры, колодцы, карстовые пещеры во многом обязаны своим существованием подземным водам. Под землей находится примерно в 37 раз больше воды, чем во всех водоемах суши. Велика роль геологической деятельности подземных вод. С ними связаны карстовые процессы в растворимых горных породах, оползание земляных масс по склонам оврагов, разрушение берегов рек и морей, размывание месторождений полезных ископаемых и их образование в новых районах, вынос различных соединений и тепла из глубоких зон земной коры и т.д.

Изучение подземных вод, их происхождение, распространение, миграция, качественные и количественные изменения их характеристик во времени, и геологическая деятельность являются предметом одной из ветвей общей геологии – гидрогеологии. В этом разделе рассматриваются основные понятия гидрогеологии, характеризующие важную составляющую природных ресурсов, условия формирования и залегания подземных вод, их влияние на горные породы, в которых они заключены и через которые движутся, а также на антропогенную деятельность.

В формировании подземных вод большое значение имеет водопроницаемость грунтов, т.е. способность грунта пропускать воду.

По степени проницаемости грунты делятся на три группы:

1) водопроницаемые - пески, гравий, галечники, трещиноватые песчаники, конгломераты и другие скальные породы; трещиноватые и закарстованные известняки, доломиты и другие растворимые породы;

2) слабопроницаемые – супеси, легкие суглинки, лесс, неразложившийся торф;

3) относительно водонепроницаемые или водоупорные - глины, тяжелые суглинки, хорошо разложившийся торф и нетрещиноватые массивные горные породы.

Водопроницаемость грунта зависит от его пористости, влагоемкости, водоотдачи, гранулометрического состава, капиллярности. Заключенная внутри грунта вода заполняет крупные и мелкие трещины, зоны разломов, пустоты, образовавшиеся за счет растворения, межзерновое пространство, т.е. пустоты между отдельными минералами и зернами осадков, называемые порами. Общая пористость грунта или почв (n) – это отношение объема порового пространства (V_n) к общему объему материала (V), включая поры:

Таким образом, если в одном литре песка при полном насыщении водой содержится 0,3 л воды, то говорят, что пористость равна 30%, т.к. 0,3 общего объема приходится на пространство между зернами. У разных грунтов пористость различна: от менее 1% в нетрещиноватых гранитах до более 40% в слабо сцементированном песчанике. Выветрелые, сильно трещиноватые, слоистые осадочные породы обычно обладают большей пористостью, чем массивные магматические. Пористость осадочного материала зависит главным образом от формы и расположения слагающих его частиц, степени их сортировки, от цементации и уплотнения, которому подверглись отложения со времени их накопления, от выноса (выщелачивания) растворимых веществ, характера трещиноватости. Все эти факторы приводят к тому, что далеко не во все поры имеющиеся в грунтах может проникнуть вода.

Отношение сообщающихся между собой пор ко всему объему породы называется открытой пористостью (устанавливается методом насыщения). При определении открытой пористости не учитываются «закрытые» поры, а так же поры очень малого диаметра (просветы – субкапилляры тоньше 0,0002 мм), не заполняемые при насыщении водой при природных градиентах давления. Для зернистых несцементированных пород открытая пористость близка к общей. В сцементированных породах (особенно с карбонатным цементом) разница между общей пористостью и открытой очень существенна (известняки, туфы). От состава грунтов зависит и их влагоемкость и водоотдача.

Влагоемкость – способность грунтов вмещать и удерживать в себе то или иное количество воды.

Водоотдача – способность водонасыщенных грунтов отдавать воду путем свободного стекания под действием силы тяжести.

Гранулометрический (механический) состав – процентное содержание (по массе) в рыхлых грунтах групп частиц (фракций) различного размера.

Капиллярность. В пористой среде над уровнем подземных вод за счет сил поверхностного натяжения образуются капиллярные воды. Капиллярные поры грунтов образуют сложную сеть, в которых проявляется действие сил поверхностного натяжения и избирательного смачивания. Высота капиллярного поднятия определяется диаметром пор и до определенного предела тем больше, чем тоньше поры. На капиллярное поднятие оказывают влияние температура воды, концентрация и состав солей в воде. Высота капиллярного поднятия Н_к для некоторых разностей пород приведена в таблице 3.1.

Следует отметить, что время капиллярного поднятия до предельной высоты для различных пород неодинаково. В крупнозернистых песках с диаметром зерен 2 мм это время составляет 80 суток, а в глинах – от 350 до 475 суток. Во влажных породах скорость капиллярного поднятия больше, в сухих меньше. Таким образом, под действием капиллярных сил грунты активно впитывают воду, удерживают ее в порах и противодействуют движению.

Таблица 3.1 – Высота капиллярного поднятия

Название грунта	Высота капиллярного поднятия (Н_к), см
Крупнозернистый песок	2-15
Среднезернистый песок	15-35
Мелкозернистый песок	35-100
Супесь	100-150
Суглинок мелкий	150-200
Суглинок средний	200-300
Суглинок тяжелый	300-400
Глина	400-500