Водопроникність гірських порід.

Водопроникність. До числа основних водних властивостей гірських порід відноситься водопроникність, тобто здатність пропускати через себе воду під дією напору. Дані, що характеризують водопроникність пухких уламкових і глинистих порід, мають дуже широке застосування в практиці. Вони необхідні для визначення і оцінювання можливості додаткового зволоження гірських порід, для оцінки витрат води на фільтрацію, вирішення питань про способи збереження навколишнього середовища від підтоплення, просідання, забруднення, тошо.

Водопроникність пісків, галечників і інших пухких уламкових порід
залежить від їхньої пористості і шпаруватості. Глинисті породи при невеликих напорах дуже слабководопроникні чи практично водонепроникні, тому що розмір пір у них малий. Рух води, а також інших рідин і газів через пористі гірські породи називається фільтрацією. Отже, водопроникність піщаних і глинистих порід - це їхня фільтраційна здатність.

Водопроникність будь-яких гірських, порід тим більше, чим більше їхня
шпаруватість, тобто чим більше розмір пір, порожнеч і тріщин. Вона залежить також від напору, під впливом якого рухається вода. Наприклад, глинисті породи при невеликих напорах можуть не пропускати через себе воду, а при великих стають водопроникними. Водопроникними слід вважати такі породи, що при реально існуючих чи проектованих напорах пропускають чи будуть пропускати воду. До водонепроникних порід відносять такі, що при діючих напорах не пропускають воду.

У звичайних умовах сильно водопроникні крупноуламкові породи - галечники, щебінь, гравій, дресва, грубозернисті і крупнозернисті піски. Водопроникні піски средньо- і дрібнозернисті, а слабо водопроникні (напівпроникні) тонкозернисті піскі і супісі. Суглинки і глини звичайно слабо водопроникні або водотривкі. На водопроникність піщаних і інших уламкових порід суттєво впливає ступінь однорідності їх гранулометричного складу, а також домішки глинистих часток і добре розкладеної органічної речовини. Так, наприклад, чисті галечники можуть бути сильно водопроникними, а ті ж галечники з піщаним дрібнозернистим і тонкозернистим заповнювачем будуть слабо водопроникними. Якщо до чистого піску додати лише 10 % глинистих часток, то водопроникність його зменшиться на 73,6 %. Відомо, що при додаванні до кварцового піску 10 % бентоніту водопроникність його зменшується в 10000 разів. Неоднорідність гранулометричного складу й особливо мінеральний склад дуже впливають на водопроникність глинистих порід. Так, наприклад, монтморилонітові глинисті породи звичайно в сотні і тисячі разів менш водопроникні, ніж каолінітові. Значно на водопроникності глинистих порід позначається склад обмінних катіонів – Са-ґрунти, Аl-ґрунти і Fe-ґрунти мають відповідно в 95, 280 і 290 разів більшу водопроникність, ніж Na-ґрунти. Зниження водопроникності глинистих порід в присутності обмінного Na⁺ пояснюється його диспергуючою дією, у результаті чого зменшується розмір пор. Крім того, обмінний Na+ збільшує гідрофільність порід, тобто вміст фізично зв'язаної води, і істотно зменшує ефективну пористість, що ще більше зменшує їхню водопроникність. Істотно змінюється водопроникність порід при їхньому ущільненні під впливом тиску вище залягаючих мас гірських порід чи споруджень, а також при розущільненні і висиханні. Глинисті породи при висиханні дають велику усадку, розтріскуються, від чого водопроникність їх сильно підвищується.
Водопроникність глинистих порід може збільшуватися в десятки разів при розчиненні і вилуговуванні солей чи цементуючої речовини, що містяться в їхньому складі, а також при розтаванні льоду мерзлих порід. Слід помітити, що деякі глинисті породи у відношенні водопроникності мають яскраво виражену анізотропність. Так, наприклад, стрічкові глини в горизонтальному напрямку водопроникні, а у вертикальному - практично водотривкі. Лесові породи, навпаки, у вертикальному напрямку порівняно сильно водопроникні, а в горизонтальному слабо водопроникні.

Швидкість руху води через гірські породи, і в тому числі через піщані і
глинисті, до деякої міри залежить також від її температури, з підвищенням якої зменшується в'язкість води і підвищується рухливість. Тому при оцінці проникності таких порід для нафти і деяких інших рідин, а також при оцінці швидкості вижимання води з глинистих порід при ущільненні необхідно враховувати її в'язкість.

Таким чином, водопроникність піщаних і інших уламкових, а також
глинистих порід (як і будь-яких інших) залежить від їх гранулометричного і мінерального складу, його однорідності, складу обмінних катіонів, ступеня ущільненості, шпаруватості і розміру пор, гідродинамічних умов (діючий напір) і властивостей води (в'язкість).

Як відомо, рух води в піщаних і глинистих породах відбувається головним чином під дією напору. Напір виникає під впливом гідростатичного тиску при наступних умовах:

1) різниці рівнів води в різних перерізах горизонту ґрунтових вод;

2) різниці п'єзометричних рівнів води в різних точках напірного
водоносного горизонту;

3) при дії зовнішнього навантаження Р, тому що .

Однак необхідно враховувати, що рух води в піщаних і глинистих породах може відбуватися також під впливом наступних факторів:

1) капілярних сил, що розвиваються на поверхні розподілу повітря - вода;

2) сорбційних сил, що розвиваються на поверхні розподілу твердих часток і води;

3) осмотичних сил, обумовлених різницею концентрації розчинених у воді речовин;

4) електроосмотичних сил, що виникають при різниці потенціалів
постійного електричного струму;

5) температурних градієнтів, що викликають конвекційні струми,
термоосмотичний і капілярно-осмотичний рух;

6) промерзання порід, при якому відбуваються рух теплової енергії і
виникнення неврівноваженого стану замерзаючої породи, поява кристалів льоду і різниці осмотичного тиску у фізично зв'язаній воді, різниці вологості порід у різних крапках, різниці тиску усадки і т.д.;

7) випаровування води і різниці пружності пари;

8) тиску, створюваного газами і парою води, і т.д..

З викладеного випливає, що умови руху води в піщано-глинистих породах можуть бути складними, залежними від впливу різних сил. Якщо градієнти цих сил мають однаковий напрямок, то інтенсивність і швидкість пересування води може збільшуватися, а при протилежному напрямку послаблятися чи навіть припинятися. Тут важливо відзначити, що коли в породі всі пори заповнені водою або містять відносно невелику кількість повітря і газів, рух води в такій породі прийнято називати фільтрацією, а коли пори лише частково заповнені
водою, її пересування називають міграцією. Міграція води в породі може відбуватися як у рідкому, так і в пароподібному стані. Вивчення й оцінка фільтрації і міграції води в піщаних і глинистих породах мають дуже велике значення. Вони характеризують водопроникність, тобто найважливішу водну властивість порід, що впливає на зміну інших властивостей (міцність, деформованість і ін.), а також викликають розвиток різних процесів і явищ. Мірою водопроникності гірських порід служить коефіцієнт фільтрації. Крім того, для цих же цілей використовують коефіцієнт проникності і питоме водопоглинення. В інженерно-геологічній і гідрогеологічній практиці
користуються головним чином швидкісним вираженням коефіцієнта фільтрації:

Якщо I =1, то v = К_ф (см/добу, м/добу тощо).

Швидкість руху води пористих гірських породах прямо пропорційна
гідравлічному градієнту, тобто відношенню діючого напору до довжини шляху фільтрації. Це найважливіший закон водопроникності піщаних і глинистих порід закон ламінарної фільтрації. Швидкість руху води

де Q - кількість фільтрівної через породу води, м /добу;

F – площа поперечного перерізу породи (м²), крізь яку фільтрується вода.

Так як рух води відбувається тільки по порах, дійсна площа перетину
породи F_д < F, тому що частина площі F зайнята частками й агрегатами часток, що складають породу. Тому дійсна швидкість руху води дорівнює

Очевидно, що якщо F > F_д, то v_д > v. Для піщаних порід можна прийняти:

F_д= nF,

де: n - пористість у частках одиниці.

Тоді , a v = nv_д, звідки дійсний коефіцієнт фільтрації

Дійсний коефіцієнт фільтрації іноді називають коефіцієнтом швидкості
фільтрації. У піщаних породах він завжди більше коефіцієнта фільтрації, визначеного безпосередньо в лабораторних чи польових умовах за кількістю води, що профільтрувалася крізь даний поперечний переріз породи. У глинистих породах ефективна пористість завжди значно менша від загальної пористості і часто дорівнює нулю, так як поровий простір цих порід у значній мірі заповнений фізично
зв'язаною водою. Тому в них F_д < nF. Малий розмір пор у глинистих породах і їхня неефективність для руху води, рідин і газів визначають їхню слабку водопроникність або водонепроникність.

Деякі глинисті породи мають здатність до розмокання у водному середовищі, що призводить до втрати їхньої міцності. Швидкість розмокання різна. Дуже швидко розмокають пилуваті глинисті різновиди невеликої природної вологості і щільності.

Водопроникність гірських порід характеризує їхню здатність пропускати (фільтрувати) воду крізь порожнечі (пори, тріщини, карстові порожнини) під
напором. Більш загальним є поняття проникності, під яким розуміють
властивість гірських порід пропускати крізь себе рідини і гази під
тиском. Показник водопроникності — коефіцієнт фільтрації, який був
запропонований Ж. Дарсі в 1856 р. у вигляді:

;

де Q — кількість води (м³), що протікає за одиницю часу t (добу) крізь
одиничний перетин породи F (м²), при гідравлічному градієнті потоку ,

Н₁, Н₂ - напір водного потоку (м);

L - довжина шляху фільтрації (м).

Найбільш поширений так званий швидкісний вираз коефіцієнта фільтрації

Або при I = 1

де v - швидкість фільтрації.

Таким чином, коефіцієнт фільтрації гірської породи являє собою
швидкість фільтрації водного потоку, що міститься в цій породі при
градієнті, рівному одиниці.

Однак, швидкість фільтрації, визначена як v = k не є дійсною
швидкістю руху води в порах (порожнечах) породи. Невідповідність
полягає в тім, що прийнятий Дарсі перетин характеризує площу всієї породи, а не порового простору, заповненого водою, перетин якого
складає Fп (п —объем пір). Тому між двома швидкостями існує
залежність:

Коефіцієнт проникності К_п являє собою кількість рідини чи газу Q
у см³, що проходить через перетин P = 1 см² при перепаді тиску р = 1Па
і довжині шляху фільтрації L=l см, за час Т=1с при в'язкості флюїду
µ = 0,1 Па/с і визначається по формулі

Між двома коефіцієнтами існує наступна залежність:

 

 

де γ - щільність флюїду; к = 1 м/доба відповідає приблизно 1•10⁶м².
Коефіцієнт фільтрації являє собою важливий показник, що
використовується в розрахунках водоприпливів. Коефіцієнти фільтрації окремих порід наведені в табл.3.1.

Таблиця 3.1 Коефіцієнти фільтрації окремих порід

Назва порід	Кф, м/доба
Карстові вапняки (вивітрілі)
Сильно тріщинуваті скельні породи	100 – 200
Слабо тріщинуваті (тектонічна тріщинуватість) скельні породи	1-10
Галечник
Крупнозернисті піски	5 – 50
Дрібні піски (по В. Д. Ломтадзе)	1 – 5
Піщаниста глина	0,1- 0,01
Глина	0,001

 

Ф.П. Саваренський запропонував розрізняти 3 групи порід за ступенем їхньої водопроникності:

1) водопроникні (тріщинуваті і закарстовані скельні породи, уламкові
породи) з k = 1 м/добу;

2) напівпроникні (глинисті піски і слаботріщінуваті породи) з k = 1 - 0,001 м/добу;

3) водотривкі — практично водонепроникні (монолітні скельні
породи, щільні глини, аргіліти) з k 0,001 м/добу.