Основные типы, классификация и бонитировка почв; основной закон фильтрации - закон Дарси

ВВЕДЕНИЕ
Геология – наука о строении Земли, ее происхождении и истории развития, о формировании месторождений полезных ископаемых и их освоении. Геология в современном понимании – это развивающаяся система знаний (комплекс наук) о вещественном составе, строении, происхождении и эволюции геологических объектов, о процессах, происходящих на поверхности и в глубинах Земли. Она является теоретической базой для прикладной науки инженерной геологии, которая направлена на изучение природных и техногенных геологических процессов, происходящих в верхней части земной коры, применительно к инженерно-строительной деятельности человека, а также исследованию свойств горных пород (грунтов), как оснований зданий и сооружений или строительных материалов [2].
Главная цель дисциплин геологического цикла – это обучение методам исследований для оценки геологических условий на территории будущего строительства, прогнозирования изменений геологической среды, которые произойдут в процессе строительства, после его завершения, а также при дальнейшей эксплуатации строительных объектов. В целом геология является наукой комплексной, она тесно связана с такими науками как почвоведенье, гидромеханика, биология и др.
Цель работы – охарактеризовать такие важные вопросы как основные тип, классификация и бонитировка почв, основной закон фильтрации – закон Дарси, понятие о коэффициенте фильтрации и методах его определения, а также гравитационные процессы на склонах и в бортах строительных выемок (обвалы, осыпи, оползни, селевые потоки, снежные лавины).
1.Основные типы, классификация и бонитировка почв
Почвы рассматриваются как природные (или природно-антропогенные) тела и группируются по принципу их сходств и различий независимо от возможностей их использования для каких-либо определенных целей. Среди общих классификаций выделяются петрографические, химические, литологические, биологические и др., учитывающие максимальное количество свойств почв. В эту группу входят и генетические классификации, в которых учет максимального количества свойств почв соединяется с их генетической интерпретацией (рис.1).
Рисунок 1 – Схема группировки почвенных классификаций [8]
Естественные, особенно одна из их групп – генетические классификационные системы, представляют важный механизм дальнейшего развития науки, который действует всякий раз, когда необходимо найти в них место новым объектам, новым фактам. Прикладные классификации (прикладные группировки). Почвы рассматриваются с точки зрения возможности их использования для определенных целей, а также способов их изменения. Эти классификации объединяют результаты научных исследований почв и практический опыт их многообразного использования.
Современная схема классификации почв, разработанная Почвенным институтом им.В.В.Докучаева («Указания по классификации и диагностике почв», 1977), более полно учитывает морфологическое строение почвенного профиля, состав и свойства почв, основные процессы и режимы почвообразования. Эта генетическая классификация почв, отражающая их морфологические, экологические и эволюционные особенности. Она построена на логической системе таксономических единиц, где типы почв сгруппированы по зонально-экологическим сочетаниям, каждая из которых характеризуется типом растительности, суммой температур почвы на глубине 20 см отповерхности, длительностью замерзания почвы, коэффициентом увлажнения.
Основная таксономическая единица классификации – генетический почвенный тип, объединяет почвы, развивающиеся в однотипных условиях почвообразования (однотипность поступления и трансформации органического вещества, минеральной массы, характера миграции и аккумуляции вещества, сходство строения профиля и др.) в течение длительного времени, а поэтому имеющие одинаковые наиболее существенные и характерные черты. Например, подзолистый тип формируется в результате длительного нахождения почв под хвойной древесной растительностью на бескарбонатной породе в условия промывного водного режима, черноземный тип – под влиянием травянистой растительности в условиях непромывного водного режима на карбонатных породах. Генетические типы почв включают: подтипы, роды, виды, разновидности, разряды. Распространение основных типов почв на суше подчинено определенной закономерности. Впервые закономерности географического размещения почв выявлены В.В.Докучаевым при изучении широтного распределения почв Русской равнины, на основании которых он сформулировал закон горизонтальной зональности. Согласно этому закону, зональность факторов почвообразования (увеличение количества тепла и уменьшение коэффициента увлажнения с севера на юг) влечет за собой определенное, тоже зональное, распределение почв на материках Земного шара. Следовательно, каждый почвенный тип преобладает на определенной территории и образует почвенную зону (ареал зонального почвенного типа и сопутствующих ему интразональных и азональных почв). Они представляют собой полосы неодинаковой ширины, закономерно сменяющие друг друга с севера на юг, могут распадаться на отдельные островки и т.п. В Южной Америке, Австралии наблюдается меридианальное размещение почв.
Бонитировка почв (или оценка плодородия почв, или качественная, сравнительная или относительная оценка) – это специализированная классификация почв по их продуктивности, построенная на объективных признаках и свойствах самих почв, наиболее важных (ведущих) для роста и развития сельскохозяйственных культур и коррелирующих со средней многолетней урожайностью последних. Иными словами, бонитировка почв – это учет качества почв по их плодородию, выраженная в относительных единицах – баллах

.
При бонитировке почв выявляется относительное достоинство почв, определяется, во сколько раз данная почва лучше (хуже) другой по свойствам и урожайности. Естественно, под бонитировкой почв понимается сравнительная оценка качества почв по их плодородию при сопоставимых уровнях агротехники. В переводе с латинского bonitas означает добротность. Цель бонитировки почв – провести оценку почвы как естественноисторического тела, обладаю щ его плодородием, что вынуждает исследователя абстрагироваться от конкретных организационно-хозяйственных условий и проводить оценку почв на основе тех свойств и признаков, которые почва приобрела в процессе как естественноисторического, так и социально-экономического развития общества [1].
2. Основной закон фильтрации – закон Дарси
Первые исследования по движению жидкости в пористых телах были произведены в середине девятнадцатого века французским инженером-гидравликом Анри Дарси (Darcy), который наблюдал течение воды в песчаных фильтрах водоочистных сооружений в связи с водоснабжением города Дижона.
В своих опытах Дарси применял прибор, состоящий из вертикального цилиндрического сосуда, заполненного слоем песка, через который при различных давлениях между входом и выходом пропускался поток воды в направлении сверху в низ (рис.2 ).
Рисунок 2 – Схема опыта Дарси [4]
 
В 1856г. французским инженером Дарси был установлен основной закон фильтрации – закон Дарси или линейный закон фильтрации, устанавливающий линейную связь между потерей напора Н1-Н2 и объёмным расходом жидкости Q, текущей в трубке с площадью поперечного сечения F ,заполненной пористой средой. Закон Дарси имеет вид , где с – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом фильтрации и имеющий размерность скорости; – гидравлический напор при пренебрежении скоростным напором; р/ – пьезометрическая высота.
Запишем закон Дарси в дифференциальной форме, учитывая соотношение u=Q/F, или в векторной форме ,
где s – расстояние вдоль оси криволинейной трубки тока.
Коэффициент фильтрации «с» характеризует среду и жидкость одновременно. Этот коэффициент обычно используется в гидротехнических расчетах, где приходится иметь дело с одной жидкостью – водой. При наличии различных жидкостей, что чаще бывает в подземной гидромеханике, использовать его неудобно. Поэтому закон Дарси записывается обычно в несколько ином виде
или
.
откуда
.
Закон Дарси справедлив при соблюдении следующих условий:
скорость фильтрации и градиент давления малы;
изменение скорости фильтрации и градиента давления малы.
При повышении скорости движения жидкости, закон Дарси нарушается из-за увеличения потерь давления на эффекты, связанные с инерционными силами: образование вихрей, зон срыва потока с поверхности частиц, гидравлический удар о частицы и т.д. Это так называемая верхняя граница. Закон Дарси может нарушаться и при очень малых скоростях фильтрации в процессе начала движения жидкости из-за проявления неньютоновских реологических свойств жидкости и её взаимодействия с твёрдым скелетом пористой среды. Это нижняя граница.
Критерием верхней границы справедливости закона Дарси обычно служит сопоставление числа Рейнольдса Re=wa/μ с его критическим значением Reкр, после которого линейная связь между потерей напора и расходом нарушается. В выражении для числа Re: w –характерная скорость течения: а – характерный геометрический размер пористой среды; – плотность жидкости. Имеется ряд представлений чисел Рейнольдса, полученных различными авторами при том или ином обосновании характерных параметров. Наиболее часто в нефтегазопромысловой практике применяется зависимость Щелкачёва:
где
Критическое число Рейнольдса Reкр=1–12.
Скорость фильтрации uкр, при которой нарушается закон Дарси, называется критической скоростью фильтрации.
Нарушение скорости фильтрации не означает перехода от ламинарного движения к турбулентному, а вызвано тем, что силы инерции, возникающие в жидкости за счёт извилистости каналов и изменения площади сечения, становятся при uuкр соизмеримы с силами трения.
При обработке экспериментальных данных для определения критической скорости пользуются безразмерным параметром Дарси
, представляющим собой отношение сил вязкого трения к силе давления. В области действия закона Дарси данный параметр равен 1 и уменьшается при превышении числа Re критического значения.
При очень малых скоростях с ростом градиента давления изменение скорости фильтрации не подчиняется закону Дарси. Данное явление объясняется тем, что при малых скоростях становится существенным силовое взаимодействие между твердым скелетом и жидкостью за счет образования аномальных, неньютоновских систем, например, устойчивые коллоидные растворы в виде студнеобразных плёнок, перекрывающих поры и разрушающихся при некотором градиенте давления н , называемого начальным и зависящим от доли глинистого материала и величины остаточной водонасыщенности. От точности используемого закона фильтрации зависит достоверность данных исследования скважин и определение параметров пласта. В связи с этим, в области нарушения действия закона Дарси необходимоВведение

нелинейных законов фильтрации. Глобально можно выделить две причины нарушения классического закона Дарси. Первая причина - большие величины скоростей движения жидкости (газа) внутри пор. При таком движении пренебрежение инерционными членами приводит к существенному искажению результатов, что неоднократно подтверждалось экспериментально. Вторая причина - неньютоновское поведение жидкости внутри пористой среды, ввиду которого классический закон Навье-Стокса теряет свою справедливость.
Для случая течений жидкостей сквозь пористые среды, для которых неприменим классический закон Дарси, было предложено несколько модификаций закона, позволяющих в той или иной мере обойти вышеуказанные трудности [3].
3