Просачивание и капиллярный подъем воды в песках

А. Газен делал опыты над скоростью вертикального просачивания воды через различные пески. Он экспериментировал как с песка­ми природными, представляющими естественные смесп разнородных зерен, так и с фракциями определенного диаметра, полученными отсеиванием и отмучиванием из естественных смесей. Газен пришел к заключению, что всякую естественную песчаную породу, состоящую из разно­образных зерен, можно заменить породой искусственной, состоящей из зерен одного определенного диаметра, причем скорость просачивания в этой последней будет такая же, как к в естественной породе. Если мы естественную породу разобьем на фракции при помощи сит и отметим диаметр того сита, которое задержало на себе 90% песчинок и про­пустило 10%. то через песок из зерен такого диаметра вода будет просачиваться так, как через всю природную смесь. Диаметр зерен, соответствующий диаметру сит, пропускающих только 10% породы, Газен назвал действую­щим (эффективным — d_ef) диаметром. Оказалось, что для расчетов значение действующего диаметра имеет огромное значение. Если пропускать воду через два сорта песка, из которых у одного действующий диаметр равен 0,1 мм, а у другого 0,2 мм, то скорость движения воды во втором случае будет в 4 раза большей, чем в первом; другими словами, скорости просачивапия относятся как квадраты действующих величин.

• Капиллярность. Многочисленные наблюдения показывают, что скорость и высота капиллярного поднятия находятся в зависимости от состава грунта -ц почвы, ее структуры, петрографического состава, содержания солей и,  наконец, от влажности и температуры, причем выясне­ны в общем следующие закономерные соотношения.Скорость капиллярного поднятия воды в грубозерни­стых породах больше, чем в мелкозернистых, но высота поднятия тем значительнее, чем мельче частица породы; поднятие воды идет тем медленнее, чем выше она подня­лась, и такое замедление в поднятии происходит тем ско­рее, чем грубее зерно породы.
• При диаметре зерен 2—2,5 мм капиллярное поднятие воды почти незаметно и даже совершенно отсутствует.
• При комковатой структуре почвы, в особенности рыхлой, скорость и высота поднятия понижаются по срав­нению с порошковатой почвой, и тем сильнее, чем крупнее комки; при плотном залегании комочков не происходит существенной разницы в окончательной высоте поднятия воды.
• Высота подъема воды увеличивается по мере уплотне­ния почвы. Высота капиллярного поднятия определяется по формуле:

где R — радиус капилляра; А — капиллярная постоян­ная жидкости, равная высоте подъема ее в смачивающейся трубке радиусом в 1 мм; р — плотность жидкости; g — ускорение силы тяжести.

Для воды А = 15,4 при 0° С. Поры определенной величины (вероятно, 0,005—0,1 мм) проводят воду скорее всего; при более узких капиллярных порах вследствие усиления трения и прилипания, а также при более широких порах вследствие уменьшения поверхност­ного натяжения капиллярное поднятие воды замедляется.

• Из составных частей почв и пород скорее всего подни­мает воду кварцевая пыль, затем гумус и, наконец, глина; зато присутствие гумуса и особенно тонких глинистых частиц значительно повышает высоту капиллярного подня­тия.
• Присутствие растворимых солей в почве замедляет поднятие воды; оно сильнее в том случае, если соли не поглощаются почвой (например, поваренная соль).
• Камни, находящиеся в породе или почве, замедляют капиллярное поднятие.
• При чередовании различных по механическому соста­ву горизонтов капиллярное поднятие идет гораздо быстрее из слоя крупнозернистого в мелкозернистый, чем в обрат­ном направлении. При расположении крупнозернистых слоев на мелкозернистых вода по капиллярам в первых будет подниматься только в том случае, если в мелкозерни­стой породе капиллярная вода поднимается выше контакта мелкозернистых слоев с крупнозернистыми; если же эти слои будут находиться выше, то вода в них не пойдет.
• На капиллярное поднятие воды в породе влияют также влажность и температура последней; так, поднятие воды по капиллярам из влажной породы в сухую может иметь место лишь в том случае, если влажность первой породы выше 50% ее полного насыщения. По мере увеличе­ния степени влажности породы вода поднимается быстрее. Даже небольшие дожди, смачивая сухую почву, повышают, по-видимому, быстроту поднятия воды, способствуя таким образом усиленному притоку ее снизу вверх. Верно ли последнее предположение, пока еще не проверено, но дей­ствительно нередко приходится наблюдать как бы оживле­ние растительности после незначительных дождей.

Из изложенного выше видно, что величины, найден­ные для капиллярного поднятия влаги в воздушно-сухой породе (как это обыкновенно практикуется в лаборатории), не применимы к полевым условиям, так как в последнем случае вода движется в более или менее увлажненной среде.

При повышении температуры породы скорость капил­лярного поднятия воды несколько возрастает, но оконча­тельная высота поднятия уменьшается. Это явление нахо­дится в зависимости от уменьшения удельной вязкости воды при повышении ее температуры.

Набор трубок для изучения капил­лярного поднятия воды

Глубина, с которой может подниматься вода, различна для разных грунтов, но в общем не превышает, по Ротми­строву, 1 м глубины. Атмосферные осадки, просочившиеся глубже этого предела, называемого Ротмистровым «крити­ческим горизонтом», уже не могут подняться вверх капил­лярным путем.

Найденная Ротмистровым величина, очевидно, относит­ся только к условиям одесского опытного поля, где работал этот исследователь. По данным других исследователей, капиллярная вода может подняться, хотя и очень медлен­но, до 2—3 м (в лессах) или не достигнуть высоты 1 м (например, в песке). Предел поднятия воды в наиболее мелкозернистых грунтах, по лабораторным исследованиям, лежит на высоте около 2 м. В естественных условиях, по наблюдениям Измаильского и Высоцкого, можно допустить, что в плотных мелкозернистых грунтах вода капиллярно может подняться (хотя и очень медленно) до высоты около б м.

В начале поднятия вода движется в почве (черноземе) со скоростью около 1—2 см/мин; высоты в 50 см вода достигает за 2—3 дня и движется па этой высоте со скоро­стью около 1 мм/ч; чтобы подняться воде до высоты 1 м, требуется уже 2—3 месяца при скорости движения в пос­леднее время менее 0,5 см/сут; наконец, для достижения высоты 2 м необходимо около года, причем скорость движе­ния воды на этой высоте менее 1 мм/сут. По скорости поднятия воды на различные высоты можно приблизитель­но определить количества воды, доставляемые почвами на ту или иную высоту, считая при этом, что для смачива­ния известного объема почвы (чем выше, тем меньше) требуется, по данным некоторых авторов, от 25 до 15% воды по объему.

Водные свойства глин и глинистых пород существенно отличаются от свойств песков. Уже при рассмотрении капиллярных свойств грунтов мы видели, насколько они разнятся в песках и глинах. Также отличны и другие свойства этих двух групп пород. Гидрогеологи и теорети­чески и практически занимаются преимущественно порода­ми группы песков. Гидродинамические явления в послед­них изучены уже довольно хорошо. Что же касается глини­стых грунтов, то гидрогеологическая практика в отноше­нии их крайне ограничена. В настоящее время водные свойства этих грунтов изучаются почти исключительно грунтоведами и почвоведами, у которых гидрогеологи и черпают свои сведения