Водные свойства горных пород

И ВИДЫ ВОДЫ В ПОРОДАХ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ

 

Под водными свойствами горных пород понимаются те, которые проявляются в них при взаимодействии с водой: водопроницаемость, капиллярные явления, влагоемкость, водоотдача, влажность, растворимость, набухание, размокание, усадка, пластичность и консистенция. Некоторые из этих свойств (растворимость, набухание и последующие) одновременно характеризуют и физико-механические свойства пород и поэтому будут рассмотрены ниже, в главе 6. Рассматриваемые в данном параграфе водные свойства пород обусловливаются их скважностью или пористостью.

Скважность и пористость. Горные породы по условиям происхождения и вследствие вторичных процессов (выветривание, растворение и выщелачивание, тектонические движения и пр,) не являются абсолютно монолитными и содержат пустоты самых различных размеров и формы. В зависимости от вида и размера пустот различают: скважность, обусловленную крупными порами (более 1 мм), ноздреватостью, крупной трещиноватостью и закарстованностью; пористость, когда в горных породах имеются поры диаметром менее 1 мм, а трещины шириной менее 0,25 мм.

Скважность и пористость определяют гидрогеологические свойства горных пород по их площади и глубине. В горных породах, которым присуща скважность, подземная вода передвигается только под действием силы тяжести, а в породах пористых — под действием сил тяжести, поверхностного натяжения и других факторов.

В строительстве, горной промышленности и других отраслях пустоты в горных породах называются преимущественно пористостью. Определение пористости имеет существенное значение при решении ряда практических задач в строительстве, водоснабже­нии, горном деле и т.п.

Количественно пористость выражается отношением объема пустот ко всему объему породы:                 ,

где n- пористость;

Vп – объем пустот в грунте;

V – объем грунта.

В породах осадочного происхождения (гравий, песок, щебень и т. п.) величина пористости зависит от размера, формы и взаимного расположения частиц, слагающих породу.

На рис. 1 показано, как изменяется пористость гипотетической породы, состоящей из частиц шаровидной формы одинакового диаметра, в зависимости от их расположения.

Водоотдача и водопроницаемость пород, обладающих различной пористостью, зависят не только от общей пористости и величины отдельных пор, но также и от расположения этих пор в породе и их взаимной связи. При неоднородном плохо отсортированном материале, из которого сложены рыхлые осадочные породы, пустоты между крупными частицами заполнены частицами более мелкими, что уменьшает объем пустот, а, следовательно, и пористость.

Среди скальных пород наименьшую пористость имеют изверженные, у которых она обычно не превышает долей процента, за исключением некоторых (например, пористость артикского туфа в Армении достигает 55—60%).

Пористость глинистых пород, несмотря на очень малую величину отдельных пор, в большинстве случаев превосходит пористость песков и нередко достигает 50—60% и более; поры в этих породах обычно имеют щелевидную форму. Пористость глинистых пород не постоянна и изменяется в зависимости от степени их увлажнения, а также под влиянием внешнего давления.

Коэффициент фильтрации некоторых пород

Водопроницаемость — свойство пород пропускать под действием тяжести

воду, что обусловливается их скважностью и пористостью, Однако не все породы способны пропускать через себя воду. Глинистые породы, пористость которых почти всегда превосходит пористость раздельнозернистых пород (песков и др.), практически не пропускают воду; это обусловливается тем, что поры в глинистых породах очень мелкие, а находящаяся в них вода физически связанная (см. ниже), не подверженная силам гравитации.

Водопроницаемость пород характеризуется коэффициентом фильтрации, который представляет собой скорость движения воды в единицу времени при гидравлическом градиенте, равном единице; размерность его - см/сек, м/ч, м/сутки. Примерные величины коэффициентов фильтрации различных осадочных пород приведены в табл. 1Таблица 1

ПОРОДА	Коэффициент фильтрации, м\сутки
Глины………………………………………………………	< 0,001
Суглинки…………………………………………………..	0,01 – 0,001
Супесь плотная……………………………………………	0,1 – 0,01
Супесь рыхлая…………………………………………….	1 – 0,1
Песок мелкозернистый…………………………………..	1 – 6
Песок средне- и крупнозернистый………………………	6 – 60
Бурые угли Днепровского бассейна…………………….	0,0001 – 0,46
Бурые угли других бассейнов……………………………	0,5 – 14
Галечник с песком………………………………………..	20 – 100
Галечник отсортированный………………………………	> 100

Гидравлическим, или напорным, градиентом называется отношение разности напоров в двух точках гидростатической поверхности к расстоянию между ними, считая по горизонтали.

Капиллярные свойства пород. Рыхлые горные породы имеют большое количество мелких пустот и канальцев, обладающих свойствами капилляров, которые разветвляются в разных направлениях, образуя тончайшую капиллярную сетку. Поднятие или опускание жидкости в капиллярах называется капиллярным явлением. Капиллярные явления объясняются действием сил поверхностного натяжения, проявляющихся между молекулами воды и стенками капилляра на границе раздела воды и воздуха; это обусловливает поднятие воды по капиллярным трубкам на ту или иную высоту.

Результаты лабораторных и полевых исследований показывают такие величины предельной высоты капиллярного поднятия (в см):

песок крупнозернистый 12—15

среднезернистый 40—50

мелкозернистый 90—110

Супесь 175 – 200

суглинок легкий 225 – 250

суглинок 350 – 650

Глина до 12 м

Показатели капиллярного поднятия воды в породах используются:

1) для оценки возможности увлажнения нижней части фундаментов зданий, насыпей железных дорог и автострад, силосных ям и др. Это увлажнение создает излишнюю сырость в помещениях, а также снижает прочность грунтов оснований фундаментов, дорожных насыпей и пр.;

2) для оценки возможности заболачивания территорий, а в засушливых районах — засоления грунтов;

3) для расчета необходимой глубины понижения уровня грунтовых вод при строительстве инженерных сооружений, осушении заболоченных территорий и борьбе с засолением почв на орошаемых территориях.

Влагоемкость — способность горных пород вмещать в своих пустотах и удерживать определенное количество воды при возможности свободного ее вытекания под действием силы тяжести. Различают следующие виды влагоемкости: полную — максимальное количество воды, удерживаемой породой при полном насыщении всех пустот водой; капиллярную — максимальное количество воды, удерживаемое в капиллярных порах; пленочную, или максимальную молекулярную,— максимальное количество физически связанной воды, удерживаемой частицами породы; гигроскопическую — соответствует количеству прочно связанной (адсорбированной) воды. По степени влагоемкости горные породы подразделяются на следующие виды: очень влагоемкие (торф, ил, глина, суглинки); слабо влагоемкие (мел, мергель, лёссовые породы, супеси, мелкозернистые пески); невлагоемкие (скальные породы, галечники, гравий, крупнозернистые пески).

Водоотдача — свойство пород, насыщенных водой, свободно отдавать гравитационную воду. Количественно характеризуется коэффициентом водоотдачи — отношением объема свободно вытекающей из породы воды (при полном заполнении пор или трещин) к объему всей породы, или удельной водоотдачей — количеством воды в литрах, вытекающей из 1 м3 породы. Для крупнозернистых песков, гравия и других подобных пород коэффициент водоотдачи равен их пористости или полной влагоемкости. Водоотдача мелкозернистых песков, супесей и суглинков значительно меньше и равна разности между полной влагоемкостью и максимальной молекулярной влагоемкостью. Величина водоотдачи используется при осушении заболоченных территорий, дренировании выемок, определении притоков воды в котлованы и горные выработки и для решения ряда других задач.

Влажность — содержание в породах в условиях их естественного залегания воды, удаляемой высушиванием при температуре 105-107 С до постоянного веса образца породы. Выражается в процентах к весу сухой твердой части образца. Определяют влажность ПО ГОСТ 5179—64 [10]. В зоне аэрации и капиллярного насыщения влажность пород в течение года меняется в зависимости от сезонных изменений температуры, давления, влажности воздуха, осадков, испарения и других факторов.

 

ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

 

В порах и трещинах горных пород всегда содержится вода в парообразном, жидком или твердом состоянии. Существуют различные классификации видов воды в горных породах.

В гидрогеологии и инженерной геологии принята классификация, которая была предложена А. Ф. Лебедевым (1930 г.), а затем уточнена в соответствии с новейшими представлениями о природе воды, строении ее молекулы и характере физико-химического взаимодействия воды с минеральными частицами пород:

1. Вода в состоянии пара.

2. Физически связанная вода:

1) прочно связанная, или адсорбированная, вода;

2)рыхло или слабо связанная вода.

3. Свободная вода:

1) капиллярная;

2) гравитационная.

4. Вода в твердом состоянии.

5. Вода в кристаллической решетке минералов:

1) конституционная;

2) кристаллизационная;

3) цеолитная.

Вода в состоянии пара. Эта вода заполняет свободную часть пор в зоне аэрации. Под влиянием изменения температуры и давления парообразная влага может превращаться в капельножидкое состояние — конденсироваться или, наоборот, жидкая вода превращается в парообразное состояние. Тем самым парообразная влага в порах пород находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды и с парами воды в атмосфере. Физически связанная вода. Такая вода присуща преимущественно глинистым породам; в скальных и раздельнозернистых породах она практического значения не имеет. Подразделяется на прочно связанную, или адсорбированную, и рыхло или слабо связанную воду. Образование физически связанной воды обусловливается наличием у мелкодисперсных глинистых минералов, входящих в состав глинистых пород, поверхностной энергии, природа которой электростатическая. Электростатическое поле, образующееся на поверхности мелкодисперсных минералов, как правило, имеет отрицательный заряд. При взаимодействии мелкодисперсной частицы с водой молекулы воды, являясь жесткими диполями, притягиваются к поверхности частицы положительными концами. Помимо молекул воды к поверхности минеральной частицы притягиваются и катионы из поровой воды. Поровая вода — жидкая фаза, заполняющая поры породы; представляет собой водный раствор различных солей.

Молекулы воды и катионы, непосредственно ориентированные поверхностью частицы, прочно связаны с ней; эту воду нельзя отделить от частицы даже силами в несколько тысяч атмосфер, и она перемещается в порах породы только в виде пара. Ее называют прочно связанной, или адсорбированной. Наибольшее количество прочно связанной воды называется максимальной гидроскопической влагоемкостью; в песчаных грунтах она не превышает 1-2%, а в глинистых достигает 20%.

Если бы не проявлялось молекулярное тепловое (броуновское) движение, то около грунтовой частицы образовался бы неподвижный, адсорбционный слой катионов и молекул воды. Но тепловой эффект обусловливает образование около частиц слоя подвижных катионов, которые в совокупности с катионами неподвижного слоя гасят заряд частицы. Подвижный слой катионов называется диффузным; катионы диффузного слоя называются обменными, или поглощенными. Обменные катионы способны обмениваться с катионами порового раствора; этот процесс называется ионным обменом. Ионный обмен, широко распространенный и существенно влияющий на физико-механические свойства глинистых пород, имеет большое практическое значение. Общее количество ионов диффузного слоя глинистой тонкодисперсной частицы, способных к обмену с катионами порового раствора в данных условиях, называют емкостью обмена, или поглощения, породы. Количественно емкость обмена выражают в миллиграмм-эквивалентах на 100 г сухой породы.

От состава обменных катионов в значительной степени зависят физико-механические свойства глинистых пород и тем заметнее, чем больше емкость поглощения. Глины, насыщенные натрием, очень сильно набухают в воде, имеют малое сцепление, при действии внешней нагрузки сильно сжимаются; в сухом состоянии обладают значительной связностью и прочностью.

Глины, диффузный слой которых состоит из ионов кальция, слабее набухают в воде, под нагрузкой они меньше сжимаются и имеют ряд других удовлетворительных механических свойств.

Искусственно меняя состав обменных катионов, можно изменять физико-механические свойства глинистых пород в желаемом для практических целей направлении, что широко используется в практике мелиорации грунтов.

Катионы диффузного слоя также притягивают к себе диполи воды и около них в свою очередь образуется гидратная оболочка. Вода диффузного слоя называется рыхло связанной. Энергия связи между частицей и катионами диффузного слоя, а тем самым и рыхло связанной водой интенсивно убывает по мере удаления от поверхности частицы. Рыхло связанная вода называется также пленочной; вместе с прочно связанной она, по А. Ф. Лебедеву, называется молекулярной водой. Максимальное количество молекулярной воды, удерживаемой данной породой в данных условиях, А. Ф. Лебедев назвал максимальной молекулярной влагоемкостью.

Эта влагоемкость примерно соответствует влажности нижнего предела пластичности.

Максимальное содержание связанной в глине воды, образующейся за счет различных видов взаимодействия диполей воды с поверхностью частиц, соответствует влажности верхнего предела пластичности и влажности набухания.

Характерными свойствами рыхло связанной воды являются: более медленное по сравнению со свободной водой передвижение (в основном она передвигается по породам от мест с большей толщиной пленок к местам с меньшей их толщиной); прямая зависимость скорости ее передвижения от температуры; пониженная способность растворять соли (растворенные в ней соли передвигаются независимо от передвижения самой воды); замерзание при температуре ниже нуля, причем температура замерзания понижается тем больше, чем более дисперсны частицы; гидростатического давления рыхло связанная вода не передает.

Наличие в глинистых породах рыхло связанной воды придает им ряд важных свойств: липкость, пластичность, набухание, усадку и др.; физико-механические свойства данных пород (сопротивление сжатию и сдвигу) изменяются в обратной зависимости от количества рыхло связанной воды.

Свободная вода. Капиллярная вода заполняет капиллярные пустоты в породах; она поднимается от уровня подземных вод вверх по капиллярным пустотам под действием силы поверхностного натяжения на границе раздела воды и воздуха, образуя выше уровня подземных вод зону капиллярного насыщения и отделяясь от зоны аэрации капиллярной каймой.

Гравитационная вода — подземная вода, движущаяся в порах и трещинах горных пород под действием силы тяжести. Гравитационная вода обладает всеми свойствами, присущими обычной воде: растворяющей способностью, передает гидростатическое давление, оказывает при движении механическое воздействие на породы. Гидростатическое давление воды, находящейся в порах пород, уменьшает вес скелета породы по закону Архимеда и оказывает взвешивающее давление на подошву сооружений, построенных на водопасыщенных породах. Механическое действие движущейся воды на породы проявляется в выносе мелких частиц из рыхлых несвязных пород на откосах выемок и котлованов — суффозии, что может вызвать неустойчивость откосов и последующую деформацию склонов. В зоне полного насыщения всех пустот в породе гравитационные воды образуют водоносные горизонты. Изучение гравитационных вод, их движения, физических свойств и химического состава является основной задачей гидрогеологических исследований.

Вода в твердом состоянии. При температуре пород ниже пуля гравитационная и часть связанной воды замерзает и содержится в породах в виде кристаллов льда или ледяных прослоев и жил. Кристаллы льда цементируют отдельные минеральные частицы, превращая рыхлые породы в твердые. Свойства пород, сцементированных льдом, резко отличны от свойств талых пород. Изучением свойств мерзлых пород занимается особая наука — мерзлотоведение.

Вода в кристаллической решетке минералов. Конституционная вода входит в состав кристаллической решетки минералов в виде ионов Н+ и ОН-, участвуя в их строении, например Са(ОН) . При разрушении кристаллической решетки минералов выделяются водород и гидроксил, которые связываются и образуют молекулы воды. Выделение конституционной воды при нагревании каждого минерала происходит в определенном температурном интервале (обычно выше 300° С) и сопровождается поглощением тепла. Это позволяет определять некоторые минералы при помощи термического анализа, для чего употребляются специальные приборы — термографы.

Кристаллизационная вода участвует в строении кристаллической решетки некоторых минералов в виде молекул воды в строго определенных количествах (например, в гипсе СаSO 2Н О, в мирабилите NаSО 10Н О). Эта вода, как и конституционная, выделяется из минералов при строго определенной для каждого минерала температуре (ниже 300° С) и сопровождается поглощением тепла, что и позволяет определять исследуемый минерал при помощи термического анализа. Выделение кристаллизационной воды обусловливает разрушение решетки минерала и ее перестройку (например, гипс превращается в ангидрит).

Цеолитная вода — часть кристаллизационной воды, которая может выделяться и вновь поглощаться без разрушения кристаллической решетки, входит в состав кристаллических решеток некоторых минералов — цеолитов, представляющих собой водные алюмосиликаты

 

 

ГЛАВА 2