Методические указания. Гидрогеология – наука о подземных водах

Гидрогеология – наука о подземных водах. Необходимо подчеркнуть, что подземные воды находятся в круговороте вод, который происходит в природе. Но они отличаются от поверхностных тем, что наряду со «свободной» (гравитационной) водой в грунтах бывает и «связная» вода. Необходимо знать классификацию подземных вод по происхождению и условиям залегания в слоях грунтов. Что касается динамики подземных вод, необходимо, прежде всего, усвоить закон Дарси для ламинарного движения подземных вод. На основании этого закона разработаны методы расчета водопритока в строительные котлованы.

Грунтовыми называют постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, замыкающиеся на первом от поверхности водоупоре. Они характеризуются рядом признаков:

1.Грунтовые воды имеют свободную поверхность, т.е. сверху они не перекрыты водоупорными слоями. Свободная поверхность грунтовых вод называется зеркалом. Его положение в какой-то мере отвечает рельефу данной местности. Глубина залегания уровня от поверхности различна – от 1м до 50м и более, положение по ряду причин непостоянно. Водоупор, на котором лежит водоносный слой, называют ложем, а расстояние от водоупора до уровня подземных вод – мощностью водоносного слоя.

2.Питание грунтовых вод происходит главным образом за счет атмосферных осадков, а также поступления воды из поверхностных водоемов и рек.

3.Грунтовые воды находятся в непрерывном движении и, как правило, образуют потоки, которые направлены в сторону общего уклона водоупора. В отдельных случаях их залегание имеет форму грунтовых бассейнов, т.е. вода находится в неподвижном состоянии. Грунтовые потоки нередко выходят на поверхность, образуя родники или создавая локальную по площади заболоченность.

4.Количество и глубина залегания грунтовых вод зависят от геологических условий местности и климатических факторов. По степени минерализации воды преимущественно пресные, реже – солоноватые и соленые.

В практике строительства чаще всего приходится встречаться именно с грунтовыми водами. Они создают большие трудности при производстве строительных работ (заливают котлованы, траншеи и т.д.) и мешают нормально эксплуатировать здания и сооружения.

Подземные воды по происхождению разделяют на 5 групп и по условию залегания на 4 группы.

По происхождению подземные воды подразделяются на:

1) Инфильтрационные воды: образуются в результате просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков или вод рек, озёр по порам и трещинам горных пород. 2/3 их испаряется, 1/3 формирует поверхностный сток.

2) Конденсационные воды: образуются конденсацией атмосферной влаги в порах и трещинах пород в условиях резких суточных колебаний температуры пустынь.

3) Седиметационные (реликтовые) воды: образуются за счёт захоронения вод древних бассейнов с накопившимися в них осадками (они бывают сингенетичные и эпигенетичные).

4) Магматогенные (ювенильные) воды: поступают из глубины недр земной коры, их происхождение связано с конденсацией из расплавленной магмы при её остывании.

5) Подземные воды смешанного происхождения: перечисленные типы вод могут образовываться в одних и тех же участках земной коры, но на разных уровнях, естественно, что на сложных путях миграции, они обычно смешиваются и дают начало подземным водам смешанного происхождения.

По условиям залегания выделяют следующие типы вод:

1.Почвенные воды - вода, расположенная у поверхности и заполняющая пустоты в почве. Она находится в гигроскопической плёночной и капиллярной формах.

2.Воды верховодки - вода, залегающая на небольшой глубине, в зоне аэрации – зоне свободного проникновения воздуха (образуют небольшие линзы). Здесь вода находится уже в гравитационной форме.

3.Грунтовые воды. Осадки проникают вглубь земной коры, пока вода не достигнет кровли первого водоупорного пласта. Грунтовые воды характеризуются наличием свободной водной поверхности уровня, наличием одного подстилающего водоупора и отсутствием напора.

4.Межпластовые (пластовые) воды. Они заключены между двумя водоупорами, ограничены ими сверху и снизу. Они характеризуются обширной площадью распространения.

По степени минерализации: пресные, солоноватые, солёные, рассолы (по Вернадскому).

Напорные (артезианские) воды связаны с залеганием водоносных слоев в виде синклиналей или моноклиналей. Они встречаются не только в слоях, залегающих между двумя водоупорами, но и в массивах скальных трещиноватых пород (трещинные воды), а также в карстовых пустотах (карстовые воды) и в вечной мерзлоте. Артезианские воды обычно залегают на большой глубине и приурочены к синклинальным геологическим структурам. При синклинальном залегании пластов создаются наиболее благоприятные условия для образования гидростатического напора. Напорные воды встречаются и при односклоновом залегании водоносных пластов, если последние резко изменяют свою водопроницаемость.

Они могут быть приурочены также и к зонам тектонических нарушений и разломов.

При использовании артезианских вод для водоснабжения наиболее перспективным считается верхний напорный горизонт, где обычно залегают слабоминерализованные (пресные) воды. Химический состав и минерализация артезианских вод изменяется с глубиной.

Движение воды в грунтах называется фильтрацией. Оно возможно только в том случае, когда имеется разность столбов воды (напора) на определенном участке. При одинаковых абсолютных уровнях воды в скважинах фильтрации воды не наблюдается.

Передвижение воды в грунтах зависит, в основном, от водных свойств грунта и полного заполнения пор водой. Почти во все формулы, используемые в гидрогеологии, входит коэффициент фильтрации. Характер фильтрации зависит от скорости движения грунтового потока, площади поперечного сечения потока воды, расхода воды или количества воды, фильтрующейся в единицу времени, длины пути фильтрации.

Движение грунтового потока в водоносных слоях (галечнике, песке, супеси, суглинке) имеет параллельно-струйчатый ламинарный характер. Такой же характер наблюдается в трещиноватых породах, но при скорости движения не более 300-400 метров в сутки.

При наличии крупных пустот и трещин движение воды в породах может носить турбулентный характер, но это наблюдается редко.

Изучая фильтрацию воды в песках, французский ученый Дарси установил, что расход воды, протекающей через сечение прямо пропорционален коэффициенту фильтрации и гидравлическому (напорному) градиенту:

Q = К_ф· W· i,

если разделить обе составляющие на W – площадь сечения, то выражение можно представить, как V-скорость. Приравняв напорный градиент I = 1, видим, что К_ф – это скорость фильтрации воды. Обычно он измеряется в м/сут.

Ненапорные подземные воды, в условиях полного насыщения передвигаются при наличии разности гидравлических напоров от мест с более высоким напором к местам с низким. Скорость движения воды зависит от разности напора (чем больше разность, тем больше скорость) и длины пути фильтрации. Отношение разности напора ∆ Н к длине пути фильтрации L называется гидравлическим градиентом (гидравлическим уклоном).

I = ∆Н / L.

В песчаных грунтах вода находится в свободном виде. При этом выделяют гравитационную и капиллярную. Движение начинается сразу же при наличии гидравлического градиента.

Глина является водоупорной породой и коэффициент фильтрации у нее К ‹ 0,001 м/сут, так как вода в глинистых грунтах находится в прочно связанных состояниях. Каждая твердая частица отрицательна, а молекула воды – диполь, т.е. имеет + и -. В результате формируется:

1) прочно связанная вода и

2) рыхло связанная вода.

Поэтому фильтрация воды в глинистых грунтах, где нет свободной воды, а вода только связанная, происходит только при наличии внешнего давления (гидравлического градиента). Причем в глинистых грунтах она происходит за счет движения молекул воды от одной глинистой частицы к другой. Согласно исследованиям, фильтрация воды в вязких (тугопластичных) глинистых грунтах начинается только лишь при достижении градиентов напора некоторого начального значения, преодолевающего внутреннее сопротивление движению, оказываемое водно-коллоидными пленками.

Коэффициент фильтрации приближенно можно определить по формуле Маслова:

К_ф = 1000 d² ₁₀м/сут.,

где d₁₀ - диаметр частиц песка, меньше которого в совокупности исследуемой массы содержится 10%.

Более точно определяется в лаборатории на приборе по зависимости:

К_ф = м/сут, где

Q – количество воды, протекающей через грунт, см³; F – сечение фильтрующей трубки (потока), см²; T – время протекания объема воды Q, сут.; I – гидравлический градиент; R – температурная поправка R = 0,7+0,03*t (t – температура воды, град.С).

В полевых условиях К_ф определяют методом налива воды в скважину, если нет в ней воды, или методом откачки, если в скважине есть уровень.

При откачке воды из скважины понижается статический уровень до динамического. В результате вокруг скважины формируется депрессионная воронка, параметры которой для совершенной скважины рассчитывают по зависимости:

Q =

где Н – высота статического уровня, м; h – высота динамического уровня, м; R – радиус депрессионной воронки, м; r – радиус скважины, м.

R = 1,95 (Н – h) , м.

Приведенные расчеты можно использовать для откачки водопритоков в строительные котлованы, а также для водопонижения уровня грунтовых вод при сооружении строительных конструкций ниже этого уровня (подземные переходы, колодцы очистных сооружений, проходка траншей и т.п.).