Водопроницаемость грунтов

На улице идет дождь. Прохожие обходят большие и маленькие лужи. Детвора с криками носится босиком по воде, Но вот дождь закончился.  Выглянуло солнце. Через пару часов,  а то  и раньше все следы дождя исчезли. Только в некоторых местах еще поблескивают жалкие остатки дождевой воды, накопившиеся в углублениях поверхности. Куда же исчезла основная масса воды? На этот вопрос ответить не так-то просто.

Конечно, в городе устроена дождевая канализация, по которой вода устремляется в реки и моря. С асфальта она под жаркими лучами солнца также быстро испаряется. Но, например, за городом нет канализации, да и асфальт только на автомагистралях, а вода во время дождя даже не успевает образовать лужи. Дождь идет и идет, а луж нет. В чем же дело? Почему на одних участках луж нет, а на других есть?

Оказывается, все дело в водопроницаемости грунтов.Вспомним морской песчаный пляж. Набежит лениво волна, ее поток взберется по уклону, а вместо того, чтобы откатиться обратно, большая часть воды на наших глазах буквально проваливается в песок.

Мы уже знаем, что пески имеют крупные поры (размером более 0,01 мм), а это превосходный путь для движения воды. Поэтому песок, подобно ситу, не может удержать жидкости. Сложными путями она проникает все глубже и глубже (ученые говорят «инфильтруется»), пока не встретит другой грунт, не пропускающий воду, например глину. Дальше потоку пути нет. Глина почти не содержит крупных пор, а ее тонкая пористость не пропускает свободную воду. Конечно, очень медленно вода просачивается и в глину, но это движение происходит совершенно по-иному.

Специалисты способность грунтов пропускать воду называют водопроницаемостью. Ее оценивают показателем, получившим название коэффициента фильтрации кф.

Водопроницаемость — очень важная характеристика грунтов. Она прежде всего зависит от содержания крупных пор. Самый проницаемый для воды — крупноблочный грунт, состоящий из валунов, щебня, галечников и гравия. Вода течет по крупным трещинам скальных пород (граниты, гнейсы и др.), как по водопроводным трубам. Скорость ее движения, конечно, меньше, чем в поверхностных потоках. Но все же за сутки она может пробегать километровые расстояния.

Много больших пор и в крупнозернистых песках, содержащих зерна размером 0,5—2 мм, а иногда и гравийные частицы диаметром 2—40 мм. В таких грунтах водопроницаемость оказывается довольно большой. Их коэффициент фильтрации колеблется от 100 до 600 м/сут. Это означает, что при уклоне потока 45° вода может пробежать за сутки 100—600 м.

Чем меньше песчинка, тем тоньше становятся поры. Движение воды в грунтах замедляется. Так, в песках, состоящих из средних по размеру частиц (диаметром 0,25—0,5 мм), величина коэффициента фильтрации падает до 10—50 м/сут (при том же уклоне потока 45°). Если пески мелкие (диаметр частиц менее 0,25 мм), то вода движется совсем медленно — от 0,5 до 5 м/сут.

Рассмотрим глинистые грунты, состоящие в значительной степени из частиц размером менее 0,002 мм. Поры в таких глинах также очень малы (меньше 0,005 мм), поэтому движения свободной воды (или фильтрации) не происходит. Большая часть тонких пор глин заполнена в природе связанной водой. Когда в эти грунты поступают новые молекулы Н2О, то пленки, расположенные ближе к источнику, становятся толще. В этом случае начинается перемещение влаги от более крупных пленок к более тонким. Возникает так называемый пленочный ток воды.

Кроме того, в глинистых грунтах возможен осмотический ток влаги. Он возникает тогда, когда в различных участках глины присутствуют растворы с разной концентрацией солей. В этом случае ток влаги направлен к участкам с менее солоноватыми водами.

Наконец, на движение воды в подобных грунтах оказывает значительное влияние изменение температуры, особенно ее перепады в различных частях массива.

Несмотря на существование в глинах всех этих видов движения влаги, ее скорость оказывается в тысячи раз медленнее, чем фильтрация свободной воды. В лёссовых грунтах, как мы уже знаем, содержится много крупных пор. Вот поэтому они обладают довольно хорошей водопроницаемостью, которая достигает 2 м/сут.

Теперь понятно, что когда идет дождь, то на хорошо фильтрующихся грунтах вода не накапливается, а на водонепроницаемых образуются лужи. Вода, инфильтруясь в песчаные пласты и достигая, поверхности глин, дальше начинает двигаться вниз поуклону. Так возникает поток грунтовой воды.

Нетрудно понять, что водопроницаемость является важным свойством грунтов. Ее величину определяют либо в лаборатории на специальных фильтрационных приборах, либо в полевых условиях. В последнем случае о величине коэффициента фильтрации сухих грунтов судят по скорости впитывания воды, наливаемой в специальные стандартные кольца. При оценке водопроницаемости водонасыщенных грунтовых массивов используется метод откачки. Он заключается в определении коэффициента фильтрации по количеству извлекаемой воды при определенном понижении уровня — чем больше откачивается воды, тем значительнее водопроницаемость грунтов.

Знать величину водопроницаемости необходимо при создании водохранилищ, искусственных морей, плотин, каналов, оросительных систем и во многих других случаях. Она позволяет рассчитать водопотери из этих сооружений.