Практикум. Гидрогеология

Определяют минимальные и максимальные значения суточных,

декадных, месячных, весенних, летних, зимних, годовых, многолетних амплитуд, подъемов, спадов (для уровней), температур, минерализации воды и других показателей режима. За эти интервалы времени вычисляют средние значения показателей:

где П.i – значение показателя; n – число имеющихся показателей за рассматриваемый интервал времени.

К экстремальным точкам графиков относят максимум и минимум уровня,

температуры, минерализации и соответственно дату его наступления (см. рис. 2.1). Амплитуды характеризуют разность между максимальным Пmax и

минимальным П.min значениям каждого из этих показателей за выделенный период времени

А= Пmax - П.min

При нарушенном режиме вычисляют характерные показатели от действия техногенных факторов, например, амплитуду многолетнего подъема уровня воды под влиянием орошения или амплитуду снижения уровня воды под влиянием откачки и т. п.

Период колебаний Т характеризует интервал времени между двумя значениями какого-либо показателя режима

Т= t2 - t1

Чаще всего это интервал между временем наступления максимального и минимального значений показателя.

Задача. В предгорной части долины реки в толще аллювиальных песчано-

глинистых отложений оборудованы створ наблюдательных скважин и гидрометрический пост на реке (рис.2.2). Провести первичную обработку

12

наблюдений, пользуясь фактическими данными (таблица 2.1). Для этого

выполнить следующее:

1)построить хронологические графики колебаний уровня воды в реке и скважинах; предварительно вычислить отметки уровня воды, зная,

что отметки устьев скважины равны: скв.1 – 211,7 м, скв.2 – 211,65 м,

скв 3. – 211,63 м, отметка “0” на гидропосте равна 209,5 м;

2)по графикам определить основные параметры режима подземных вод;

3)установить наличие и характер связи с рекой, для этого нанести на геологический разрез (рис. 2.2) положение уровня грунтовых вод на минимальные и максимальные даты.

Рис. 2.2. Гидрогеологический створ в предгорной части

долины р. Терека (alQ4): 1 – супесчаный почвенный слой; 2 – гравийно-

галечниковые отложения; ГМП – гидрометрический створ

13

3.Водные свойства горных пород

3.1.Определение влагоемкости, капиллярных свойств и

водоотдачи песчаных пород

Влагоемкость – способность пород вмещать в порах и удерживать в себе то или иное количество воды. В зависимости от вида воды различают влагоемкость: полную Wt , капиллярную Wk и максимально молекулярную Wm.

Два первых вида определяют количество свободной воды, последний – физически связанной. Породы разделяются на весьма влагоемкие (торф, глины,

суглинки), слабо влагоемкие (мел, рыхлые песчаники) и невлагоемкие

14

(скальные породы, пески, галечники).

Полной влагоемкостью Wt называется максимальное количество воды,

заключенное в породе при полном насыщении ее водой. Для песков она обычно равна пористости, если в них нет защемленного воздуха. Полная влагоемкость песков определяется методом насыщения. Величина Wt зависит от механического состава породы и ее структуры.

Капиллярной влагоемкостью Wk называется максимальное количество воды, удерживаемое в капиллярных порах в результате капиллярных сил.

Максимальной молекулярной влагоемкостью породы Wm называют максимальное количество воды (гигроскопической и пленочной),

удерживаемой частицами грунта силами молекулярного притяжения. Величина

Wm зависит от состава породы и ее удельной поверхности и для каждой

(данной) породы является постоянной. Величина Wm характеризует влажность границы перехода связанной воды в свободную и используется для вычисления величины водоотдачи.

Максимальной гигроскопической влагоемкостью Wг называется предельное количество парообразной воды, которое может быть поглощено породой из воздуха при относительной его влажности 94 %. Для данной породы эта величина является постоянной. Чем больше суммарная поверхность частиц,

тем больше гигроскопичность породы.

Водоотдачей породы (μ) называют количество воды, которое отдает единица объема породы при стоке из нее гравитационной воды. Водоотдачу вычисляют по разности полной влагоемкости и максимальной молекулярной влагоемкости:

μ = Wt - Wm

Величина водоотдачи зависит от величины пор и трещин в породе, их структуры и т. п. Породы с крупными порами обладают хорошей водоотдачей,

супеси, суглинки, тонкотрещиноватые породы плохо отдают воду и

15

характеризуются весьма малой величиной μ.

Приближенно водоотдачу песков определяют как разность между пористостью и максимальной молекулярной влагоемкостью.

Разность между полной влагоемкостью и данной естественной влажностью W, выраженную в процентах, именуют недостатком насыщения μн

μн = Wt – W.

3.1.1. Определение максимальной молекулярной и капиллярной

влагоемкости песков методом высоких колонн

Метод заключается в определении величины влажности в колонне породы над капиллярной зоной после полного стекания гравитационной воды.

В работе применяется прибор (рис. 3.1), состоящий из металлического цилиндра диаметром 4-5 см и высотой 90 – 100 см. Сбоку он должен иметь отверстия диаметром 2 см. В дно цилиндра впаяна трубка с сеткой.

Рис. 3.1. Схема прибора для определения влагоемкости методом высоких колонн: 1 – металлический цилиндр; 2 – боковые отверстия; 3 –

резиновые пробки; 4 – сетка; 5 –

напорный бак; 6 – резиновая трубка

Ход работы:

1.Закрыть резиновыми пробками боковые отверстия, заполнить цилиндр песком, песок слегка утрамбовать.

16

2.Насытить песок водой, подаваемой в цилиндр снизу по резиновой трубке из напорного бака, до появления пленки воды на поверхности песка за счет сил капиллярного всасывания.

3.Снять резиновую трубку со дна прибора и дать гравитационной воде свободно стечь.

4.По прекращении стока взять шпателем по 10-15 г песка из каждого бокового отверстия и определить влажность проб.

По полученным данным составить таблицу 3.1. и выделить 3 зоны влажности. Верхняя графа – зона постоянной минимальной влажности, в той зоне влажность наименьшая, т. е. эта влажность и есть максимальная молекулярная влажность грунта Wm.

Ниже располагается переходная зона с неустановившимися значениями влажности.

Ниже переходной зоны выделяется зона с наибольшими значениями влажности грунта, которая и соответствует капиллярной влагоемкости Wk.

Таблица 3.1

Журнал определения капиллярной и максимальной молекулярной влагоемкости

17

3.1.2. Определение полной влагоемкости песков

Производится методом насыщения.

Ход работы:

1. Сухой стаканчик фиксированного объема V наполнить песком с легкой трамбовкой. После наполнения подравнять поверхность песка линейкой вровень с краями стаканчика.

2. При помощи бюретки насытить песок в стаканчике водой до появления тонкой пленки воды на поверхности песка. Количество воды, израсходованной на насыщении песка, будет соответствовать объему его пор Vп.

3. Рассчитать пористость по формуле:

Эта пористость численно равна величине полной влагоемкости песка Wt.

3.1.3. Определение капиллярных свойств пород

Под капиллярными свойствами пород понимают высоту и скорость капиллярного поднятия в них воды.

Скорость капиллярного поднятия зависит от размеров пор, т. е.

гранулометрического состава пород, и имеет максимальные значения для крупнозернистых песков и минимальные – для суглинистых и глинистых пород. В песках быстро достигается предельная высота подъема. Для супесей и суглинков этот процесс растягивается во времени на год и более.

Высота капиллярного поднятия также зависит от гранулометрического состава пород: чем меньше поры породы, тем выше величина капиллярного поднятия.

Для песчаных пород капиллярные свойства определяются непосредственным наблюдением в трубках (рис. 3.2).

18

Рис. 3.2. Схема прибора для

визуального изучения капиллярных

свойств пород

Ход работы:

1.В стеклянную трубку диаметром 3-4 см, обвязанную с одного конца марлей, насыпать сухой песок, слегка утрамбовать его.

2.Конец трубки, укрепленной на штативе, погрузить в сосуд с водой на глубину 1-2 см и заметить время. Уровень воды в сосуде с водой должен быть постоянным.

3.Наблюдать за скоростью и высотой подъема по окраске песка.

4.Построить график изменения высоты во времени. Определить предельную высоту капиллярного поднятия.

3.2. Определение коэффициента фильтрации глинистых и песчаных горных пород

3.2.1. Водопроницаемость горных пород

Процесс фильтрации – это механическое движение свободной воды под действием градиента напора в порах и трещинах горных пород в условиях их полного заполнения этой водой. Водопроницаемость горных пород – это способность их пропускать через себя воду.

Водопроницаемость зависит от размера сообщающихся между собой пор и трещин в горных породах и характеризуется коэффициентом фильтрации,

19