Элементы гидрогеодинамики

Любая горная порода состоит из твердых минеральных зерен и пространства, не занятого ими. Если объем свободного пространства в некотором объеме породы V обозначить через Vn, то величина, равная их отношению:

будет характеризовать степень пустотности горной породы.

В породах типа песков, слабосцементированных песчаников, глин, суглинков и др. свободное пространство образует пóры. Для этих пород степень пустотности характеризует общую пористость. Для монолитных пород типа гранитов, базальтов, сиенитов и им подобных пустотность в основном связана с трещинами. Параметр n в этом случае отражает общую трещинную пустотность. У некоторых горных пород (трещиноватых известняков, доломитов, прочно сцементированных песчаников) возможно совместное нахождение пустот различного морфологического типа, такие породы называют породами с двойной пустотностью.

Рассмотрим второй элемент системы вода-порода — подземные воды. Основным объектом изучения гидрогеологов являются капельно-жидкие (гравитационные) воды.

Движение капельно-жидких вод подчинено действию гравитационных и компрессионных сил. По этим причинам движение подземных вод может идти в любом направлении — вниз, вверх, по пласту, через пласты в соответствии с направлением передачи энергии в сторону падения напоров. В верхней части разреза ведущая роль принадлежит гравитационным силам (рис. 86) и соответственно нисходящему движению вод. С глубиной возрастает роль компрессионных сил, и потому становится ведущим восходящее движение подземных вод.

Рис. 1. Формирование гидростатических напоров в водоносном горизонте: 1 — граниты; 2 — пески; 3 — глины; 4 — уровень подземных вод; 5 — источник (выход подземных вод на поверхность); 6 — пьезометрический уровень (уровень напоров подземных вод); 7 — направление движения подземных вод; 0–0 — плоскость сравнения

При движении капельно-жидкой воды различают два режима течения: ламинарный и турбулентный. Ламинарный (параллельно-струйный) режим наблюдается при малых скоростях течения; для него характерно движение потока отдельными, не перемешивающимися между собой струйками. Турбулентный (вихревой) режим наблюдается при сравнительно больших скоростях течения; для него характерно активное проявление внутренней пульсации частиц потока, обуславливающее активное перемешивание между отдельными струйками (образование вихрей).

При ламинарном режиме течения сопротивление движущегося потока полностью определяется силами вязкого трения между отдельными струйками.

При рассмотрении системы вода-порода важное значение имеют так называемые емкостные свойства пород. Под емкостными свойствами понимают способность горных пород вмещать, удерживать и отдавать заключенную в них подземную воду.

где и V — объемы вытекающей воды и осушенной горной породы.

где — активная пористость; Wмм — максимальная молекулярная влагоемкость.

Этот коэффициент характеризует объем воды, необходимый для насыщения единицы объема породы. Численно коэффициент недостатка насыщения несколько меньше коэффициента водоотдачи. Предельное значение коэффициента недостатка:

где Wв — объемное относительное содержание защемленного воздуха.

Процессы осушения и насыщения горных пород протекают с конечными скоростями, и поэтому величины указанных коэффициентов изменяются во времени. В целом коэффициенты гравитационной водоотдачи и недостатка насыщения постепенно увеличиваются от некоторых относительно небольших значений до продельных, оцениваемых зависимостями (1) и (2). Отмеченный эффект получил название «растянутости» водоотдачи во времени.