Fizicko-mehanicka i Hidrogeoloska Svojstva Stena

Osnovi hidrogeologije

III POGLAVLJE

FIZIČKA I HIDROGEOLOŠKA SVOJSTVA STENA

POJAM I VIDOVI STENA Stena predstavlja sistem koji se sastoji od: ¾ ¾

¾

¾

čvrstih mineralnih čestica koje izgrađuju skelet stene, međuprostora između čestica skeleta različitih veličina i geneze (pore, prsline, pukotine, kaverne), vodenog rastvora u međuprostorima između čvrstih čestica koji su u različitim agregatnim stanjima (tečnom, čvrstom, fizički vezanom), u uzajamnom dejstvu sa česticama skeleta i vodene pare i gasova u međuprostorima koji nisu zauzeti vodom (slika III-1).

Po svojim mehaničkim svojstvima sve stene se mogu podeliti na tri grupe: čvrsto vezane, slabo vezane i nevezane (rastresite). Slika III-1. Šema rasporeda vode i vazduha u porama krupnozrne stene 1 - vodeni rastvor; 2 - vodena para i gasovi; 3 - čvrste mineralne čestice

Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

FIZIČKA SVOJSTVA STENSKIH MASA Osnovna hidrogeološka svojstva stena (vlažnost, kapilarnost, vodopropusnost i izdašnost) zavise od mnogih faktora, pre svega od fizičkih svojstava stena kao što su: ¾ ¾

¾

granulometrijski sastav, gustina čvrstih čestica, gustina stena i poroznost stenskih masa.

GRANULOMETRIJSKI SASTAV Za određivanje granulometrijskog sastava, u zavisnosti od vrste stena, koriste se sledeće metode: metoda prosejavanja, metoda sedimentacije (metoda hidrometrisanja, metoda centrifuge, metoda pipete) i kombinovana metoda. Metoda prosejavanja. Primenjuje se za određivanje granulometrijskog sastava rastresitih zrnastih stena, tj. stena većih od 0.06 mm.

Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

Postupak hidrometrisanja zasniva se na određivanju brzine padanja čestica raznih veličina kroz mirnu vodu. Rezultati granulometrijskih analiza mogu se izraziti tabelarno, težinskim ili procentualnim sadržajem odgovarajućih frakcija (tabela III-1), i grafički - u vidu histograma (slika III-2), integralnim krivama granulometrijskog sastava, odnosno granulometrijskim krivama u običnoj, a najčešće u semilogaritamskoj podeli (slika III-3) i trokomponentnog (trouglog) dijagrama (slika III-4).

Slika III-2. Histogram granulometrijskog sastava (Castany, 1967) d (mm) - prečnik zrna; q (%) - procenat učešća frakcije Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

Tabela III-1. Proračun frakcija na osnovu prosejavanja preko USA sita (Stojadinović, 1984)

Broj USA stand. sita

Otvor okca

Ukupna masa

Zadržano na situ

Ukupno zadržano

Ukupno prošlo

mm

ms= 2 kg

kg

%

kg

%

kg

%

ms

msi

-

msi

-

ms-msi

%

0.00

2.000

100

4

4.76

0.00

0.00

0.00

10

2.00

0.0284

1.42

0.0284

1.42 1.4716 98.50

20

0.84

0.0566

2.83

0.0850

4.25 1.9150 95.78

40

0.42

0.4604 33.02

0.5451

27.27 1.4846 78.18

60

0.25

0.4400 21.00

0.9854

48.21 1.0146 50.73

100

0.147

0.2364 11.82

1.1218

63.09 0.7782 39.01

140

0.105

0.1126

5.63

1.3344

66.78 1.6656 13.28

200

0.074

0.6316 31.58

1.9640

98.30 0.0340 1.70

0.0340 0.017

2.000

100.00

dno

Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

Slika III-3. Integralna kriva granulometrijskog sastava u semi-logaritamskoj podeli (Filipović, 1980) Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

Slika III-4. Trokomponentni dijagram granulometrijskog sastava Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

Za ocenu raspodele čestica u steni koriste se karakteristični prečnici zrna na krivoj granulometrijskog sastava (d10 i d60 ). Na osnovu njih može se odrediti koeficijent jednorodnosti ili uniformnosti, a služe i za određivanje koeficijenta filtracije. Podela rastresitih sedimenata na osnovu franulometrijskog sastava: a) Stene krupnozrnog sastava,

Blokovi 2000 mm

Šljunkovi

Drobina 200mm

krupan

srednji

sitan

60 mm

20 mm

6 - 2 mm

b) Stene sitnozrnog sastava,

Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

GUSTINA ČVRSTIH ČESTICA Gustina čvrstih čestica stene (ρs) predstavlja masu čvrstih čestica u jedinici njihove zapremine bez pora. Gustina čvrstih čestica stena direktno zavisi od gustine pojedinih minerala koji izgrađuju stenu. Ona se izražava sledećim odnosom:

gde su: ms Vs

ms ρs = (g/cm3 ) Vs - masa čvrstih čestica (g) i - zapremina stene bez pora (cm3).

Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić))

GUSTINA STENA Gustina stene (ρ) predstavlja odnos mase stene u jedinici zapremine stene, pri čemu su pore u steni ispunjene vodom i vazduhom:

m ρ= V

3

(g / cm )

gde su: m masa stene u prirodnom stanju (g) i V zapremina stene zajedno s porama u prirodnom stanju (cm3).

Osnovi hidrogeologije Prof. Dr Veselin Dragišić))

Ako je stena u suvom stanju, gustina stene (ρd) predstavlja odnos mase uzorka suve stene i njene zapremine, pri čemu su pore u steni ispunjene samo vazduhom.

ms ρd = V gde su: ms V

(g / cm 3 )

- masa stene u suvom stanju (g) i - zapremina stene zajedno sa porama (cm3).

Gustina stene u zasićenom stanju (ρz) predstavlja odnos mase vlažne stene u jedinici zapremine stene, pri čemu su pore u steni ispunjene vodom:

mz ρz = (g / cm 3 ) V gde su: mz V

- masa vlažne stene (g) i - zapremina stene s porama ispunjenim vodom (cm3).

Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić))

POROZNOST STENA Pojam i vidovi poroznosti Stena, po svom nastanku i naknadnom dejstvu sekundarnih procesa (fizičkohemijsko raspadanje, tektonski pokreti i dr), obično ne predstavlja monolit, već u sebi sadrži određene međuprostore (pore, pukotine ili šupljine), različitog oblika i veličine. Svi međuprostori u steni koji nisu zauzeti čvrstom mineralnom materijom, bez obzira na način postanka, oblik, veličinu i međusobnu povezanost, predstavljaju ukupnu poroznost. Treba napomenuti da pod pojmom poroznosti velik broj autora podrazumeva pore, tj. prostore između zrna kod rastresitih sedimentnih stena (porna poroznost), a ostale vidove imenuje kao ispucalost i karstifikovanost.

Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić))

Pasivne pore su međusobno razdvojene u steni i nemaju uticaja na akumuliranje i kretanje podzemnih voda. Aktivne pore obuhvataju sve međuprostore u steni koji su povezani i sa atmosferom i koji omogućavaju kretanje i akumuliranje podzemnih voda. Od pojma ukupne poroznosti treba razlikovati pojam efektivne poroznosti, koja obuhvata one međuprostore u steni ispunjene samo slobodnom (gravitacionom) vodom, zanemarujući međuprostore zauzete fizički vezanim i kapilarnim vodama.

Oblik i veličina poroznosti Po svom obliku, međuprostori u steni mogu biti različitog, najčešće nepravilnog, oblika, tako da im je teško dati odgovarajući naziv. Najčešće se u stenskim masama sreću okruglaste, cevaste, crevaste, elipsoidne, izdužene, različito izdvojene i potpuno nepravilne pore.

Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić))

Slika III.5. Tipovi poroznosti po Meinzeru (Milojević, 1967) A - dobro sortiran aluvijalni materijal; B - loše sortiran aluvijalni materijal, mala poroznost; C dobro sortiran materijal od poroznih valutaka, vrlo velika poroznost; D - dobro sortiran materijal, ali je poroznost smanjena usled cementacije; E - stene sa kavernoznom poroznošću; F - stene sa pukotinskom poroznošću; A, B, C, D - primarna poroznost; E, F - sekundarna poroznost Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić))

Sve pore se mogu razvrstati prema veličini na makropore, koje se vide golim okom, i mikropore, koje se vide uvećane pod lupom ili mikroskopom. Osim ove, izvršena je podela prema prečniku pora i širini pukotina, na subkapilarne, kapilarne i superkapilarne pore i pukotine, odnosno na nekapilarnu (kaverne, pukotine, izuzetno krupnozrne rastresite stene i subkapilarnu i kapilarnu poroznost (kapilari i subkapilari) (tabela III-4). Tabela III-4. Podela pora u odnosu na veličinu

Razmera pora Prečnik okruglastih Širina pukotina pora (mm) (mm)

Vid poroznosti

Vrsta pora

Nekapilarna

Kaverne, pukotine, izuzetno krupnozrne rastresite stene Superkapilari

>2.0

>2.0

2.0-0.5

2.0-0.25

Kapilari Subkapilari

0.5-0.002