ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

ПАРАМЕТРЫ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПОТОКОВ I. Основные характеристики порового пространства

Главная особенность зоны аэрации — наличие в ней трех фаз. Твердая фаза может быть представлена минеральным скелетом породы или льдом. В качестве второй — жидкой фазы чаще всего выступает вода, а третьей фазой является воздух. Двухфазовая фильтрация может иметь место ниже свободной поверхности грун­товых вод, хотя и там в некоторых случаях наблюдается присут­ствие воздуха. Для количественной характеристики порового про­странства с учетом содержания в нем той или иной фазы исполь­зуются следующие показатели.

Пористость пористого материала т определяет долю его общего объема, занятую порами

(2.1)

Где Уп — объем пор, Vo — объем породы. Иногда пористость, опре­деленную согласно зависимости (2.1), называют абсолютной или общей в отличие от активной пористости. Под последней пони­мается отношение объема только сообщающихся между собой пор к общему объему.

Удельная поверхность П определяется как площадь внутренних поверхностей пор в единице массы материала.

В табл. 1 представлены типичные значения пористости для не­которых наиболее распространенных пород по данным А. К. Ла­рионова (1962 г.).

Агрегатный состав. Для многих тонкодисперсных пород характерно наличие агрегатов, образовавшихся при соединении первичных частиц. В зависимости от их размеров различают мик­роагрегаты (это агрегаты размером менее 0,25 мм) и макроагре­гаты. Содержание в породе агрегатов различных размеров характеризуется ее агрегатным составом. Агрегатный и грануломет­рический состав пород, особенно тонкодисперсных, может суще­ственно различаться. Это различие хорошо видно из табл. 2, где представлены характеристики для лессовидного суглинка по дан­ным работы [34].

Из этой таблицы видно, что глинистые частицы в суглинке в ос­новном были в агрегированном состоянии и образовывали микро­агрегаты размером 0,25—0,05 мм. При их разрушении эта фракция из агрегированного состояния перешла в несвязанное. Образование и разрушение агрегатов происходят главным образом при измене­нии водного режима породы, состава воды и механического воздей­ствия.

Для примера можно привести агрегатный состав чернозема из пахотного слоя в воздушно-сухом и влажном состояниях по дан­ным работы [34] (табл. 3).

Существенную роль в формирований агрегатного состава по­роды играют обменные катионы. В естественных условиях главным диспергатором, разрушающим агрегаты, является Na+, а коагуля­тором — Са+2.

Процесс изменения агрегатного состава пород часто наблю­дается при проведении мелиоративных мероприятий. Этот процесс

ТАБЛИЦА 3 Агрегатный состав чернозема

ТАБЛИЦА 4

Сравнительное содержание агрегатов (%) в дренированных и недренированных почвах

Почвы

Диаметр агрегатов, мм

Недренирован- ные

Ч2РС

0,25 47

1- 10 17,8

2- 5 4,1

Рис. 9. Распределение мак­ропористости Ре» и удель­ной поверхности макропор и трещин Sc в почвенном

Слое

Связан с изменениями как водного режима (в результате орошения или осушения), так и катионного состава воды. Так, исследования В. М. Позняк и А. М. Турус, проведенные на Ингулецкой системе орошения, показали, что после орошения повсеместно отмечается увеличение числа частиц размером менее 0,01 мм. Причем наиболь­шие изменения приурочены к интервалу глубины 40—70 см, где количество этих частиц увеличивается в 2.3—2.5 раза. Разрушение агрегатов здесь, по-видимому, связано с повышением содержания Na в обменном комплексе при орошении. Эта тенденция отмечается и для других массивов юга Украины, в частности Криворожского. Изменения свойств пород при орошении отмечаются Ю. А. Будзин - ским и В. М. Кошелевым (1977 г.) для условий Восточного Пред­кавказья. Ими, в частности, указывается изменение пористости от 47—49 до 43—44 % у суглинков и от 41—43 до 35—36 % у супе­сей, объемной массы супеси от 1,58—1,61 до 1,75—1,82 г/см3 и чи­сла пластичности от 9,4—9,8 до 10—12 % У суглинков и от 3,1—4,5 до 5,1—6,5 % у супесей.

Интересные данные о влиянии осушения на агрегатный состав приводятся в работе Е. Андрияуекайте (1961 г.). В табл. 4 пред­ставлены некоторые из них для глубины 0,8—0,9 м на расстоянии 8 м от дрены.

А. А. Бальчунас (1961 г.) отмечает значительное увеличение (на 20—35 %) агрегатов диаметром более 0,25 мм на кротованном участке по сравнению с некротованным. Все эти данные свидетель­ствуют о том, что дисперсные породы представляют собой слож­ную динамичную систему, внутренняя структура которой подвер­жена изменениям под действием различных естественных и искус­ственных факторов.

В связи со сложностью внутренней композиции элементов для дисперсных пород выделяют различные типы пористости [47]: внутриагрегатная, характеризующая поры внутри агрегатов; меж­
агрегатная, характеризующая пространство между агрегатами, и макропористость, связанная с деятельностью землеройных орга­низмов, отмершей корневой системой и другими процессами, при­водящими к образованию вторичной пористости пород.

Особый вид пористости связан с деформациями породы при ее уплотнении, разгрузке, изменении влажности и температуры пород. При уменьшении влажности пород помимо уменьшения пористости в набухающих породах происходит образование трещин. В связи с этим рядом исследователей [34] предложена следующая типиза­ция пор. 1. Микропоры, относящиеся к агрегатам и блокам по­роды. Эти поры относительно стабильны и характеризуются раз­мерами, меньшими чем 1 мм. В этих порах вода движется главным образом под действием капиллярных и сорбционных сил. 2. Отно­сительно стабильные макропоры размером более 1 мм. Эти поры связаны в основном с деятельностью землероев и отмершей кор­невой системой. Они образуют систему с водопроводимостью, на несколько порядков большей, чем водопроводимость микропор. 3. Трещины, возникающие при уменьшении влажности, образуют вторичную структуру пор, характеристики которой зависят от вла - госодержания и механического состава почв. Для более подробного описания порового пространства автором работы [47] предложено рассматривать не только межагрегатную пористость и макропори­стость (относительный объем трещин), но и относительную поверх­ность трещин и макропор, и разработаны методы определения этих характеристик. Из рис. 9, заимствованного из работы [47], видно, что макропористость достигает 10—20 %, что во всяком случае со­измеримо с общей пористостью m — 60 %. Среднее раскрытие тре­щин в данном случае составляет 2 мм.

Насыщенность породы S определяет долю порового про­странства, занятого жидкостью

(2-2)

Где VB — объем воды. В том случае, когда поровое пространство заполнено несколькими несмешиваюіцимися жидкостями, целесооб­разно рассматривать насыщенность пор каждой из них.

Влажность 0 определяет относительное содержание воды в единице объема породы

Помимо объемной влажности часто рассматривается массовая влажность 0В, определяемая отношением массы воды в определен­ном объеме породы к массе сухой породы. Для перехода от мас­совой влажности к объемной можно воспользоваться соотноше­нием 0 = 0В6, где б — объемная масса сухой породы. Для ориенти­ровочных расчетов можно пользоваться табл. 5, где представлены объемные массы некоторых типов пород по данным, приведенным в работе [35].

Влажность и насыщенность связаны простым соотношением т