- Водные свойства горных пород

Тема: Водные свойства горных пород.

1. Водные свойства горных пород и методы их определения.

2. Физические свойства подземных вод. Оценка физических свойств подземных вод.

1. Водные свойства горных пород и методы их определения.

Для характеристики горных пород по отношению к воде необходимо иметь представление о таких ее свойствах как гранулометрический состав, плотность и объемная масса, кроме порозности и пористости.

Гранулометрический состав - процентное содержание в рыхлой горной породе частиц различного размера. Гранулометрический состав служит классификационным признаком, позволяющим установить название грунта.

Плотность - масса единицы объема твердой фазы (минеральных частиц), породы, г/см³. Для большинства горных пород она изменяется от 2,6 до 2,7 г/см³. Плотность входит в ряд расчетных формул для определения физических и механических свойств пород.

Рекомендуемые материалы

Объемная масса - масса единицы объема породы (г/см³, т/м³).

К основным водным свойствам горных пород относят: влажность, влагоемкость, водопроницаемость, водоотдача и водоподъемная способность.

1. Влажность горных пород

Естественная влажность — отношение массы воды к массе минеральной части грунта (массовая влажность W_a.) или отношение объема воды к объему всей породы (объемная влажность W,) выражается в

процентах.

Объемная влажность равна

Wo = W *б

где б - объемная масса твердой фазы

W_d - массовая влажность в %.

Массовую влажность определяют взвешиванием образца до высушивания и после него. Полученную разность делят на массу высушенного образца. Для определения влажности применяют и другие методы - ядерные, тензометрические и другие.

2. Влагоемкость – это способность горных пород вмещать и удерживать в пустотах определенное количество воды. Выражается в процентах отношением массы воды, заключенной в пустотах, к массе сухой породы, или отношением объема воды, заключенной в пустотах, к общему объему породы.

Различают следующие виды влагоемкости:

1) гигроскопическую влагоемкость W_a - наибольшее количество прочно-связанной воды, которое порода может адсорбировать из воздуха, насыщенного водяными парами;

2) максимальную молекулярную влагоемкость W,

количество связанной воды, которое может быть удержано породой под воздействием поверхностных сил притяжения. Наибольшей максимальной молекулярной влагоемкостью обладают глинистые породы;

3) W - капиллярную влагоемкость - это наибольшее количество капиллярной влаги, которое может содержаться в породе при полном заполнении только капилляров. Величина переменная, зависит от высоты слоя, для которого она определяется над уровнем свободной воды.

4) W, (ПВ) - полная влагоемкость - наибольшее количество связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое может содержаться в породе при заполнении всех пор и пустот.

5) W, - (НВ, 111 IB) - наименьшая или 111 1В - наибольшее

количество подвешенной воды, которое может прочно удерживаться породой.

По степени влагоемкости выделяют 3 группы пород:

1. влагоемкие - торф, глина, суглинок;

2. слабовлагоемкие - глинистый песок, лёсс, мергель и др.;

3. невлагоемкие - песок, гравий, галечник, метаморфические горные породы.

4. Водопроницаемость – это способность горных пород пропускать через себя воду. Она обусловлена наличием в породе пустот.

Водопроницаемость зависит от особенностей структуры породы. Так у лессов, отличающихся макропористостью, она значительно уменьшается при разрушении естественной структуры и уплотнении при оптимальной влажности. Водопроницаемость лессовых пород в естественном залегании по вертикали выше, чем по горизонтали. Это объясняется тем, что поры ориентированы преимущественно по вертикали. В других породах может быть наоборот. Это характерно для глинистых, речных, озерных и морских отложений, если они содержат песчаные пропластки. Обменные катионы, содержащиеся главным образом в глинистых породах и в воде, также влияют на водопроницаемость. Са⁺ и Mg⁺² повышают ее, Na⁺ и К⁺ - уменьшают. Это влияние обменных катионов используется в мелиорации. Например для удаления из 1111К Na⁺ и замены его кальцием проводят гипсование солонцов, что существенно повышает водопроницаемость почв и соответственно улучшает их водный и солевой режим. Коэффициент увеличивается с повышением температуры.

Показателем водопроницаемости пород является коэффициент фильтрации. Коэффициент м/сут. Водопроницаемость скальных горных пород зависит от их трещиноватости. Вот примерно какие коэффициенты фильтрации м/сут:

Глина - менее 0,001 м/сут;

Лесс - 0,25 - 0,5 м/сут;

Песок пылеватый - 0,5 - 1 м/сут;

Песок крупнозернистый - 20 - 50 м/сут;

Гравий - 20 - 150 м/сут;

Галечник - 100 - 500 м/сут.

По-видимому водопроницаемость тем выше, чем больше площадь сечения пустот. Поэтому галечники, гравий, крупные и средние пески, трещиноватые скальные породы обладают хорошей водопроницаемостью. То есть горные породы обладают водопроницаемостью:

1. водопроницаемые - галечник, гравий, песок;

2. полуводопроницаемые - глинистый песок, супесь, суглинок легкий, лесс и т.д.;

3. практически водопроницаемые - глина, тяжелый суглинок, плотный хорошо разложившийся торф, осадочные нетрещиноватые горные породы и др.

Абсолютно водопроницаемых горных пород нет.

5. Водоотдача – это способность водонасыщенных горных пород отдавать воду путем свободного стекания под действием силы тяжести. Величина водоотдачи определяется отношением объема свободно стекающей воды к объему всей породы и выражается в долях единицы или в процентах. Водоотдача м равна разности полной и максимальной молекулярной влагоемкостями:

м = W_n – W_i .

Породы имеют различную водоотдачу. Такие, как глина и торф практически водоотдачей не обладают. Отличаются высокой водоотдачей пески, галечники и др.

6. Водоподъемная способность – это способность горных пород поднимать воду по капиллярам.

В мелких порах горных пород над УГВ под влиянием сил поверхностного натяжения образуется кайма капиллярной воды. Высота и скорость поднятия капиллярной воды зависит от гранулометрического состава, плотности, однородности сложения их, формы частиц, от температуры и минерализации воды. С повышением температуры высота капиллярного поднятия уменьшается, с увеличением минерализации - возрастает. Высоту капиллярного поднятия Н^ определяют прямыми наблюдениями в шурфах, углубленных до УГВ, а также в лабораторных условиях. Значение Н:

Например:

Глина - 500см;

Суглинок тяжелый - 300 - 400см;

Суглинок легкий - 200 - 300см;

Песок среднезернистый - 15 - 35см;

Песок мягкий - 35 - 100см;

Супесь - 100- 150см;

Суглинок легкий - 150 - 200см.

2. Физические свойства подземных вод. Оценка физических свойств подземных вод.

К физическим свойствам подземных вод относятся температура, прозрачность, цвет, запах, вкус и привкус, плотность, сжимаемость, вязкость, электропроводность и радиоактивность. (ГОСТ 18963 - 73)

1. Температура изменяется в широких пределах и зависит от геологического строения, физико-географических условий и режима питания их. Например, температура воды в многолетних мерзлых породах имеет величину -5° С и ниже. Температура неглубоких вод в средних широтах изменяется от 5°С до 15°С. В областях молодой вулканической деятельности, а так же на участках выхода воды на поверхность из глубоких частей земной коры известны источники с температурой воды более 100° С (гейзеры Камчатки, Исландии, Японии, Америки и др.)

Питьевая вода наиболее вкусная, если ее температура 7 - 11 °С.

2. Прозрачность зависит от количества растворенных в них минеральных веществ, содержания механических примесей, органических веществ.

По степени прозрачности подземные воды подразделяются на 4 категории:

а) прозрачные;

б) мутные;

в) слегка мутные;

г) очень мутные.

Определяют прозрачность на глаз. Для этого в полевых условиях воду наливают в цилиндр h = (30 - 40)см из бесцветного стекла с плоским дном. Сравнивают эту воду с дистиллированной водой, заполняющей такой же цилиндр. По ГОСТ 2874 - 73 мутность не должна превышать 1,5 мг/см.

3. Цвет зависит от химсостава и наличия примесей. Цвет воды определяют так же как и прозрачность в стеклянном цилиндре h = 30 - 40см, просматривая воду сверху. Полезно эту воду сравнить с дистиллированной водой налитой в такой же сосуд. Согласно нормам ГОСТ 2874 - 73 цветность по платинокобальтовой шкале допускается не более 20⁰.

4. Запах обычно в подземных водах отсутствует, но иногда ощущается. Так, например, сероводород придает запах тухлых яиц. Установлено, что запах воды чаще связан с деятельностью бактерий, разлагающих органическое вещество.

Для определения запаха воду подогревают до 40 - 60°, сильно встряхивают, а затем производят определение.

Согласно ГОСТ 2874 - 73 запах при 20° С и при нагревании воды до 60° С не более 2 баллов (всего 5 баллов), т.е. вода должна иметь слабый запах (с 1 по 5балл объясняется по книге).

5. Вкус и привкус придают воде растворенные в ней минеральные соединения, газы и посторонние примеси (здесь добавить по книге).

По ГОСТу 2874 - 73 привкус при температуре 20° С не более 2 баллов.

6. Плотность количественно определяется отношением ее массы к объему при определенной температуре. За единицу плотности принята плотность дистиллированной воды при температуре 4° С. Плотность зависит от температуры, количества солей, газов и взвешенных частиц. Изменяется от 1 до 1,4 г/см³. Изменяется с помощью ареометра или пикнометра.

             7. Сжимаемость показывает изменение объема воды под действием давления. Степень сжимаемости зависит от количества растворенного в ней газа, температуры, химического состава. Число, показывающее на какую долю первоначального объема жидкости уменьшается объем при увеличении давления на 10⁵ Па, называется коэффициентом сжимаемости.

, где

- изменение объема, соответствующее изменению давления .

7. Вязкость характеризует внутреннее сопротивление частиц жидкости ее движению. Она зависит от температуры и количества растворенных в ней солей.

Рекомендация для Вас - Диагностика ишемической болезни сердца.

8. Электропроводность.

9. Радиоактивность.

Контрольные вопросы:

1. Назовите водные свойства горных пород.

2. Назовите физические свойства подземных вод.