ПОЧВЕННЫЕ И ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ

Вода в почвогрунтах может находиться в твердом, жидком и парообразном состоянии. Основы классификации видов воды в почве были предложены А.Ф.Лебедевым [13]. Почвенная влага детально изучена А.А.Роде [26]. Существенным качеством почвы и почвогрунта является пористость (порозность), характеризующая суммарный объем всех пор в единице объема грунта:

(73)

где - порозность; - объем всех пор в единице грунта; - общий объем единицы грунта.

Размер пор колеблется от долей микрона до 2-5 см. Величина пористости выражается в процентах от общего объема почвы и может варьировать от 30-35 % в глинах до 90-98 % в крупнозернистых песках и торфах. Почвенная вода заполняет поры почвы, находясь в них в парообразном или жидком состоянии.

Виды воды в почве

Влага в почве подразделяется на парообразную, связную и свободную.

Парообразная влага заполняет свободные пустоты (поры) грунта в форме пара, передвигаясь из областей с повышенной упругостью в места с более низкой.

Связная влага подразделяется на гигроскопическую и пленочную. Гигроскопическая влага накапливается в почве за счет сорбционных сил почвенных частиц и удерживается молекулярными силами. Содержание гигроскопической влаги зависит от количества парообразной влаги в воздухе. Высший предел гигроскопической влаги, сорбированной почвой, соответствует максимальной гигроскопичности. Пленочная вода, удерживаемая молекулярными силами почвенных частиц и воды, может увеличиваться до максимальной молекулярной влагоемкости. Передвижение такой воды возможно только путем перетекания от частиц почвы с толстыми пленками влаги к частицам с тонкими пленками. Перемещение влаги идет очень медленно без участия силы тяжести.

Свободная влага удерживается в почве за счет сорбционных сил и капиллярных свойств почв или грунтов. Она подразделяется на стыковую, капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую. Максимальное содержание капиллярно-подвешенной влаги в почве соответствует полевой влагоемкости (наименьшей влагоемкости). Под полевой влагоемкостью понимают способность почвы удерживать в капиллярах максимально возможное количество воды без стекания вниз. Передвижение воды в таком состоянии возможно только при увеличении увлажнения, проявляясь путем увеличения слоя промачивания. Свободной фильтрации воды нет. Максимально возможное содержание воды в почвогрунтах, когда происходит полное заполнение всех пор влагой, определяет понятие полная влагоемкость. Вода, заполняющая поры почвы и передвигающаяся под влиянием сил тяжести, называется гравитационной. При полном насыщении водой почвогрунтов, когда заполнены все поры, движение воды происходит вследствие гидродинамического давления. Гравитационную воду часто называют грунтовой водой. Движение грунтовой (или гравитационной) воды в пористой среде называется фильтрацией, измеряемой скоростью и количеством расхода воды, протекающей в единицу времени через единицу площади, выделенную в пористой среде. Закономерности движения жидкости в пористой среде установлены в середине прошлого века французским инженером Дарси.

Закон Дарси

В пористой среде, каковой является почва, фильтрующаяся вода вследствие вязкости испытывает большое сопротивление. Движение воды может происходить только при наличии определенного уклона, изменяющегося в зависимости от водно-физических свойств почв и, прежде всего, пористости грунта.

Рассмотрим такой опыт. Соединим два цилиндра трубкой. Трубку длиной l (рис. 22) заполним песком, удерживая его от размыва на концах трубки сеткой. Затем заполним водой левое колено. При поступлении фильтрующейся воды из левого в правое колено она образует напор h₂, меньший напора h₁ в левом колене.

Рис. 22. Схема опыта по проверке закона Дарси

Гидравлический уклон i принимается равным отношению разности напоров h₁ – h₂ = Н к длине пути фильтрации l. Скорость фильтрации можно определить по формуле

(74)

Для многих грунтов (песка, глины, торфяных почв и т.д.), где происходит ламинарное движение воды, скорость фильтрации очень мала и гидравлический уклон равен пьезометрическому. Наблюдается линейная зависимость скорости фильтрации от пьезометрического уклона:

V = Ki, (75)

где К - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом фильтрации; он равен скорости фильтрации при уклоне, равном единице.

Равенство (75), установленное в 1856 г. французским гидротехником Дарси, называется законом Дарси.

В гидравлике величину i, определяющую уменьшение полной энергии потока на единицу длины, называют гидравлическим уклоном, или градиентом напора, определяя ее как отношение потерь напора , к пути . В грунтах и почвах, где вода содержится в молекулярно связанном состоянии, явление фильтрации возникает лишь тогда, когда величина градиента напора превышает некоторое значение i₀, называемое начальным градиентом. В этом случае

V=K (i –i₀) (76)

Для очень плотных глин i₀ = 20-30.

В порах крупнозернистых грунтов (гравий, галька, щебень и др.) скорость фильтрации может быть очень большой и не зависеть от пористости; в таком случае вода движется как в открытом потоке и ее движение не подчиняется закону Дарси, что является верхней границей применения уравнения Дарси.

К грунтовой следует относить гравитационную воду, движение которой в почве подчиняется закону Дарси независимо от глубины залегания в почве или грунте. Существующие в почвоведении понятия «верховодка», «почвенная вода», «грунтовая вода» - суть разновидности грунтовой воды.

Раздел II