Wody i skały.

Woda wolna.
Przepuszczalne dla wody są skały masywne spękane oraz skały niespoiste. W szczelinach i porach tych skał występuje woda wolna. Gdy woda w warstwie wypełni pory między ziarnami tworzy się w niej poziom wodonośny o głębokości i rodzaju lustra wody zależnym od budowy geologicznej.

Lustro wody gruntowej

Sączenie wody z przewarstwienia piaszczystego w gruncie gliniastym

W jakich gruntach tworzą się poziomy wodonośne?
Jak wpływ na rodzaj zwierciadła mają warunki geologiczne?
Jak nazywają się poszczególne zwierciadła wody?

Woda wolna występuje od poziomu lustra do stropu warstwy nieprzepuszczalnej.

Podłoże poniżej powierzchni terenu można podzielić na dwie strefy:

1. strefa przypowierzchniowa, w której zachodzi przesączanie się wody opadowej wraz z zanieczyszczeniami, ługowanie, wymywanie, i okresowe przesuszanie.

2. strefa podwodna (nawodnienia - inaczej saturacji), w której zachodzi transportowanie rozpuszczonych składników zgodnie z kierunkiem przepływu.

Wody w przyrodzie:

• atmosferyczne

• powierzchniowe (oceany, morza, jeziora, rzeki)

• podziemne – w skałach

Pochodzenie wód podziemnych:

• infiltracyjne -

• kondensacyjne

• juwenilne

• reliktowe

Wody infiltracyjne – z opadów atmosferycznych Ilość zależy od: budowy geologicznej, morfologii terenu, szaty roślinnej, klimatu, zużycia przez ludzi.

Wody kondensacyjne zależą od klimatu
Wody juwenilne są produktem ubocznym procesów magmowych – wykazują wysoki stopień zmineralizowania.
Wody reliktowe pochodzą z dawnych epok geologicznych – występują w głębokich strukturach geologicznych.

Skały luźne

1. Niespoiste

   • Przepuszczalne, woda wolna

2. Spoiste

   • Nieprzepuszczalne, woda związana

Skały spoiste są nieprzepuszczalne lub słabo przepuszczalne a więc stanowią warstwy wodoszczelne.
Dlaczego tak się dzieje? Dlaczego grunty spoiste nie przepuszczają wody? Przecież porowatość niespoistych i spoistych jest podobna. Proszę porównać porowatości.

Woda związana występuje we wszystkich gruntach spoistych. Ilość tej wody zależy od zawartości frakcji iłowej w gruncie oraz od zawartości w tej frakcji minerałów ilastych.

Woda wolna i związana - schemat występowania.

1- cząstki gruntu 2 – woda wsiąkowa 3 – para wodna 4 – woda związana 5 – strefa wzniosu kapilarnego 6 – zwierciadło wody gruntowej

Nazwa gruntu	Wysokość podniesienia się Wody kapilarnej [m]
Żwir	<0,03
Piasek gruby	0,03-0,15
Piasek średni	0,15-0,3
Piasek drobny	0,3-1,0
Pył	1-10
Glina	10-30
Ił	>30

a. strefa aeracji, b. strefa saturacji, c- woda kapilarna

Co to jest strefa aeracji?

Strefa aeracji - (inaczej strefa napowietrzenia) strefa pomiędzy powierzchnią terenu a zwierciadłem wód podziemnych. Wolne przestrzenie pomiędzy skałami są częściowo wypełnione wodą lub powietrzem. Woda w postaci ciekłej może występować jako woda związana (higroskopijna, błonkowata lub kapilarna) lub jako woda wolna (wsiąkowa lub zawieszona). Woda w strefie aeracji może także występować w postaci pary wodnej. Wody w tej strefie pozostają w ścisłym kontakcie z powietrzem i nie tworzą ciągłego horyzontu.
Co to jest strefa saturacji?

Strefa saturacji - warstwa skalna, w której wolne przestrzenie (szczeliny, pory) są całkowicie wypełnione wodą. Od strefy aeracji oddzielona jest zwierciadłem wód podziemnych. Wody w strefie saturacji dzielimy na zaskórne, gruntowe, wgłębne i głębinowe.
Co to jest woda kapilarna?

Woda kapilarna - jest to woda występująca w drobnych porach, szczelinach i naczyniach włoskowatych produktów niezależnie od siły grawitacji, gdyż silniejsze od niej są siły napięcia powierzchniowego. Woda ta podlega zjawiskom kapilarnym.
W jakich gruntach występuje woda kapilarna i jaką odgrywa rolę w podłożu?

Wody kapilarne występują w strefie aeracji w porach i szczelinach o wymiarach kapilarnych. Poruszają się pod wpływem sił spójności i przylegania tworząc na granicy strefy saturacji i strefy aeracji strefę wzniosu kapilarnego. Wody kapilarne podlegają sile ciężkości, przekazują ciśnienie, mają zdolność rozpuszczania, zamarzają w temperaturze nieco niższej od .C. Wyróżnia się: wodę kapilarną właściwą - nieoderwaną od wody wolnej w strefie saturacji i wody kapilarne zawieszone - tworzące soczewki w strefie aeracji.

Zasilanie poziomu wodonośnego wodą atmosferyczną przez warstwę słaboprzepuszczalną.

Wpływ budowy geologicznej na występowanie zwierciadła wody.

Co to jest woda zawieszona?

Woda zawieszona rzadko spotykane soczewkowate zbiorowiska wolnej wody, tworzące się ponad niewielkimi wkładkami skał nieprzepuszczalnych, występującymi w podłożu, w warstwie aeracji.
W jaki sposób odbywa się zasilanie wodą warstw leżących na różnych głębokościach i w warunkach różnej budowy geologicznej?

Skały spoiste nie przepuszczają wody. Cecha ta wynika z ich specyficznej tekstury w której pory są zamknięte w wyniku sił wzajemnego przyciągania poszczególnych cząstek mineralnych.

W gruntach spoistych występuje tylko woda związana z powierzchnią cząstek.
Ta woda jest bardzo ważna gdyż wpływa na plastyczność i szereg innych cech fizycznych gruntu .

Cząstki minerałów iłowych mają ujemnie ładunki elektryczne na powierzchniach płaskich, a dodatnie na narożach i krawędziach. Dipolowe cząsteczki wody są przyciągane przez cząstki mineralne i w ten sposób tworzy się wokół nich woda związana.

Dlaczego w gruntach spoistych występuje tylko woda związana z powierzchniami poszczególnych cząstek?
Wyjaśnienie można znaleźć na następnych stronach.

Woda silnie związana i słabo związana.

Woda silnie związana jest wynikiem pierwszego stadium hydratacji. Składa się z trzech warstw.

1. Cząsteczki wody są wiązane na narożach i krawędziach siatki krystalicznej minerału. Woda ta wydziela się w temp. 150 – 300 ˚C

2. Woda uwadniająca kationy występujące w przestrzeni między pakietowej na skutek powstawania elektrostatycznych wiązań miedzy nimi a cząsteczkami wody.

Wodę tę można wydzielić w temp. 90 -1200 ˚C. Oba te rodzaje wody nie tworzą ciągłej warstwy wokół cząsteczki – nie wpływają na obniżenie własności wytrzymałościowych gruntów spoistych.

3. Woda uwadniająca płaskie powierzchnie siatek krystalicznych minerałów ilastych – głównie przez wiązania wodorowe ze strukturalnymi grupami OH znajdującymi się na tych powierzchniach

Woda ta pokrywa ciągłą warstwą minerały iłowe i wpływa na obniżenie ich własności wytrzymałościowych

Własności wody silnie związanej:

Temp. zamarzania – średnio -780 ˚C w kaolinicie cała woda zamarza przy -100 ˚C, a w montmorillonicie przy -700 ˚C część jeszcze nie jest zamarnięta. Gęstość właściwa, lepkość i sprężystość jest wyższa niż wody wolnej. Grunt spoisty powietrzno suchy zawiera tylko wodę silnie związaną. Woda ta nie przemieszcza się w porach, nie korzystają z niej rośliny. Woda słabo związana tworzy dwie warstwy wokół cząstek gruntu wraz z wodą silnie związaną. Uwaga ta woda nadaje gruntom plastyczność!!!

1. Woda poliwarstw (inaczej woda błonkowa) nadaje gruntom wilgotność odpowiadającą granicy plastyczności.

2. Woda higroskopijna -osmotyczna - maksymalna jej ilość odpowiada granicy płynności gruntu

Ilość wody słabo związanej zależy od:

• Zawartości frakcji iłowej

• Składu mineralogicznego tej frakcji

• Składu chemicznego roztworów między pakietami

• Zawartości substancji organicznej w gruncie

Woda kapilarna. Własności podobne do własności wody wolnej -zamarzanie, parowanie.
Różnica polega na zdolności przemieszczania się w gruncie we wszystkich kierunkach, także ku górze. Zasięg strefy wód kapilarnych zależy od rodzaju gruntu. Proszę spojrzeć do tabeli.

Przepływ wody w gruncie

v = k * i

V – szybkość przepływu wody k – współczynnik wodoprzepuszczalności i - spadek hydrauliczny

Współczynnik wodoprzepuszczalności k

Q – objętość wody, F- powierzchnia przekroju warstwy, i – spadek hydrauliczny, T – czas przepływu

Δh - różnica poziomu wody w warstwie

l - długość drogi przepływu