В. А. Мироненко динамика ползших поп московский

S' В

— Т^г*’"Т		—
	ч		.'■V-
1;	■ 1
	Л> 1
	4	-
'• 5-		■
	4
/ к:	• 1 ^:х	2

Hi
Ни
Т
<Г ио
а

Рис. 1.15. Схема, иллюстрирующая взаимодействие эффективных и нейтральных напряжений:
а - механическая модель; б - многопластовая напорная система (цифрами на рисунке даны номера отсеков слоев ).
1 - вода; 2 - поршень с пружиной; 3 - водоносный горизонт; 4 - слабопроницаемые слои
a, ^{= |}Pj - 'Р ¹ =°,-(1.28)
менении внешнего (полного) давления на водоносный пласт (дополнительная нагрузка на поверхности земли, выемка вышележащих пород и т.д.), но и при изменении напоров в нем в результате откачки или нагнетания воды.
Рассмотрим единичную горизонтальную площадку див пределах напорного водоносного горизонта 4 (см. рис. 1.15 б). При снижении напора на величину S общее давление на площадку (вес столба АВ) останется практи­чески неизменным (точнее, оно меняется лишь на неболь­шую величину, отвечающую отдаче воды самим напор­ным пластом; позднее мы оценим порядок этой величины и убедимся, что, пренебрегая ею, мы вносим погрешность, измеряемую долями процента). Так как Ао_п~ 0, то из формулы (1.28) следует
Ao₃~-Ao_H=y₀S (1.29)
Следовательно, понижение напоров на каждые 10 м должно приводить к росту напряжений в скелете на 0,1 МПа.
Итак, подземные воды являются важным силовым фактором, определяющим многие деформационные процессы в горных породах. Например, известны многочисленные случаи оседания земной по­верхности в районах интенсивного отбора воды или нефти. Так, в большом районе Калифорнии понижение напоров на 150 м привело к осадке поверхности на площади 5000 км , причем максимальное оседание превысило 12 м [44 [.
Аналогичное объяснение можно дать другому интересному явле­нию — возникновению землетрясений вблизи вновь создаваемых водохранилищ (в том числе и в доселе несейсмичных районах). Рас­смотрим для примера два тектонических блока, граничащие вдоль поверхности сброса АВ (рис. 1.16) и находящиеся первоначально в равновесном состоянии. Возникновение водохранилища и связанный с ним рост напоров Н вдоль поверхности сброса снижают действую­щие по этой поверхности силы трения и вызывают относительное смещение блоков, проявляющееся как землетрясение. И, наоборот, начало глубинные смещений породных масс, связанных с изменени­ями равновесного давления в горном массиве, может фиксироваться по аномальным изменениям нейтральных напряжений (т.е. напоров в наблюдательных скважинах) и тем самым служить индикатором надвигающегося землетрясения.

Рис. 1.16. Механизм влияния напорных водна сейсмическую устой­чивость массива горных пород:
1 - водоносный горизонт; 2 - водонепроницаемые породы
В заключение остановимся на напряжениях в преде­лах капиллярной каймы (см. раздел 1.2.2). Так как гид­ростатические давления здесь меньше атмосферного, то в каждой точке капиллярной каймы действуют нейтраль­ные напряжения (см. раздел 1.1.2):
^CT„(^Z) = -V^Z- (1.30)
где z — превышение точки относительно свободной по- верхности воды (0 < z < h_K);
h_K — высота капиллярного поднятия (мощность ка­пиллярной каймы).
Таким образом, согласно формуле (1.28), в пределах капиллярной каймы эффективные напряжения возраста­ют за счет капиллярных сил: к горной породе вдоль по­верхности менисков как бы приложена дополнительная внешняя нагрузка, равная о_э =y_Q'h_K.
Высота капиллярного поднятия в песках изменяется десятками сантиметров, а в глинах — метрами. Это обстоятельство имеет важ­ное значение при моделировании подземных вод в фильтрационных лотках: наличие капиллярной каймы, высота которой обычно соиз­мерима с высотой лотка, сильно затрудняет соблюдение условий подобия модели и натуры. Заметим попутно, что расчет по формуле (1.6) для капилляров с радиусом R - 0,1 мкм (характерный размер
пор в глинистых грунтах) дает значение h_K примерно 16 м. В реаль­ных грунтах величина h_K, однако, заметно меньше рассчитанных таким образом значений из-за неоднородности порового пространст­ва и наличия отдельных крупных пор — расширений в капиллярах.
Так как капиллярные силы возникают не только на контакте вода-воздух, но и на поверхности раздела жид­костей с различным поверхностным натяжением, то эти силы оказывают, например, заметное влияние на переме­щение водонефтяного контакта в задачах нефтепромыс­лового дела [36].

4. 
   Емкостные свойства горных пород
   

Когда заходит речь о водообильности водоносных го­ризонтов, то обычно подразумевают не общий объем воды в порах или трещинах, а ту его часть, которая может быть извлечена из породы какими-либо водозаборными сооружениями. Эту способность горных пород отдавать воду и связывают с их емкостными свойствами. На прак­тике удаление воды из пород зоны насыщения в их есте­ственном залегании идет обычно двумя путями:
jJ свободным стеканием, обусловленным гравита­ционными силами;
отжатием под воздействием на породу дополни­
тельной нагрузки. Соответственно, в первом случае гово­рят о гравитационной емкости, а во втором — об упругой (так как предполагается, что процессы сжатия носят уп­ругий характер).
Емкостными свойствами горных пород характеризу­ются и аналогичные процессы противоположной направ­ленности, — когда порода принимает в себя дополнитель­но какой-то объем воды.

1. 
   Гравитационная емкость
   

Засыпем песок в трубу, длина которой заметно пре­вышает высоту капиллярного поднятия в песках; затем заполним трубу водой до отметки I (рис. 1.17). Открывая кран внизу, будем сливать некоторый объем воды , заме­ряя соответствующее понижение уровня до отметки II. Для однородно уплотненного песка отношение
AV АК
co-АН АН (1.31)
окажется примерно постоянным, характеризуя, таким об­разом, относительный объем воды, отдаваемый песком с единичной площади колонны (со — площадь поперечного
сечения;
A V =—)
^уо (О ^}'
ВОПРОС. Почему требуемая высота колонны как-то связыва­ется с капиллярным поднятием в песках?
Проведенный эксперимент достаточно хорошо ими­тирует процесс отдачи влаги при снижении свободного уровня (депрессионной поверхности) безнапорного водо­носного горизонта. Величина//, которая определяется как отношение объема вытекшей воды к «осушенному» объе­му породы, называется коэффициентом гравитационной емкости (гравитационной водоотдачи) безнапорного го­ризонта. Понятие «осушенный» применено в данном слу­чае к объему породы, заключенному между исходным и
\
лУ