Образование подземных вод, их классификация по условиям залегания, виды подземных вод, химический состав

Подземные воды находятся в верхней части земной коры (литосферы). Наука о подземных водах называется гидрогеология. Она изучает распространение, происхождение, физические и химические свойства, законы движения подземных вод. В природе наблюдается малый и большой круговорот воды. Малый круговорот происходит по схеме – море-атмосфера-море; большой круговорот: море – атмосфера – суша - море.

Осадки, выпавшие на сушу, делятся на три части: 1) испарение, 2) сток и 3) просачивание (инфильтрация) в почву. Образование подземных вод возможно четырьмя способами:

1) за счет инфильтрации осадков в литосферу образуется основная часть подземных вод (в том числе, минеральные воды КМВ),

2) за счет конденсации паров в порах грунта (подземная роса ночью в пустынях),

3) седиментационная вода одновременно с отложением морских осадков (например, остаток морской воды в глинистых толщах сармата и майкопа г. Ставрополя),

4) т.н. ювенильные воды, выделяемые магмой.

^ Классификация подземных вод по условиям залегания. В геологическом разрезе по условиям залегания можно выделить следующие подземные воды:

1.
почвенные воды, находящиеся в почвенном слое,

2) верховодка образуется над местным водоупором весной или за счет техногенной утечки воды,

3) грунтовые воды на первом от поверхности водоупоре, безнапорные, могут быть загрязнены,

4) межпластовые (ненапорные и напорные- артезианские) воды.

Виды подземных вод. В зависимости от состояния в грунтах выделяют следующие виды воды:

1) ^ Парообразная вода - водяной пар в порах грунта с относительной влажностью W=100%, движение происходит в сторону падения температуры. Таким путем летом в подпольях может быть накопление влаги.

2) Прочносвязанная (адсорбированная, гигроскопическая) вода. Это слой до 10-15 молекул Н₂О толщиной 0,1 микрона, покрывающий грунтовые (глинистые) частицы, не растворяет соли, неэлектропроводна, не замерзает при 0^оС, а при отрицательных температурах около минус 100^оС, имеет высокую вязкость, удаляется при Т≥105^о. Содержание прочносвязанной воды зависит в основном от количества глинистых частиц: в песках – 1-2%, в суглинках – 5-10 %, в глинах – 10-25%, в высокодисперсных монтмориллонитовых глинах – до 30 %.

3) Рыхлосвязанная (пленочная) вода удерживается электрическими силами до Р=70000g, имеет плотность=1,0, температуру замерзания минус 1-3-5^оС, слабо растворяет соли, перетекает от толстых к тонким пленкам. Обладает большим расклинивающим действием (Р_раскл), вызывает набухание глинистых грунтов при увеличении толщины пленок этой связанной воды, при ее удалении (сушке) происходит усадка глинистого грунта, обеспечивает пластичность глин. Для определения количества пленочной влаги разработаны специальные методы (центрифуги, влагоемких сред, высоких колонн).

4) ^ Свободная вода – капиллярная и гравитационная. Капиллярная вода удерживается в порах капиллярными силами, перемещается за счет разности капиллярных давлений, растворяет соли, замерзает при температуре ниже 0ºС. Высота капиллярного поднятия в глинах достигает 3-4 м, в песках – несколько дм.

^ Гравитационная вода перемещается под действием силы тяжести (разности напоров).

5) Вода в твердом состоянии (лед), замерзает сначала свободная вода, а затем последовательно все остальные виды воды.

6) Кристаллизационная вода участвует в построении кристаллической решетки минералов (гипс CaSO₄∙2H₂O). ^ Химически связанная водавходит в состав минералов (лимонит Fe₂O₃·nH₂O, опал SiO₂∙H₂O, гидроксид CaО·Н₂O). Эти формы влаги удаляются при Т>100^оС.

^ Химический состав. В подземных водах присутствуют растворенные соли и газы. Основные соли хлориды и сульфаты Na, K, Ca, Mg. В воде растворены газы – О₂, Н₂, СО₂. Именно эти ионы предопределяют многие свойства воды: жесткость, щелочность, соленость, агрессивность. По величине сухого остатка различают воды: 1) пресные - <1 г/л, 2) соленые – 1-30 г/л, 3) рассолы - >30г/л.

Щелочность воды устанавливается по величине рН, т.е. по содержанию ионов Н. Жесткость воды внешне проявляется по накипи в котлах (ичайниках), жесткая вода плохо мылится. Порождается присутствием сернокислых и хлористых солей Ca и Мg. Различают временную и постоянную жесткость. Временная жесткость обусловлена присутствием бикарбонатов и устраняется кипячением. Постоянная жесткость – за счет карбонатов и хлоридов Ca и Мg. Общая жесткость равна сумме временной и постоянной. За 1-цу жесткости принят 1 мг-экв/л Ca, или 20,04 мг/л, для Мg – 12,16 мг/л. Мягкая вода имеет (Ca + Mg) < 4 мг-экв/л, вода средней жесткости - 4-8 мг-экв/л, жесткая вода – 8-12 мг-экв/л, очень жесткая - >12 мг-экв/л. Раньше жесткость характеризовали градусами жесткости: 1^о=10мг СаО/л. Для питья пригодна вода с жесткостью = 2,5-11 мг-экв/л.

^ Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии на цемент, растворение его, что опасно для фундаментов и различных подземных сооружений. Агрессивность зависит от кислотности подземных вод и скорости их движения. В песчаных грунтах агрессивность проявляется уже при рН<7, в глинистых грунтах – при рН<5. Виды агрессивности:

1) сульфатная – по содержанию SO₄: для песков при SO₄>1г/л, в суглинках - >1,5 г/л. При этих концентрациях необходимы специальные сульфатостойкие цементы;

2) магнезиальная – при Mg> 2 г/л (в песках) и >5 г/л (в суглинках);

3) карбонатная - обусловлена только растворенной углекислотой. Действует только в песках, в глинистых грунтах ею можно пренебречь.

2. Динамика подземных вод. Основной закон движения подземных вод (закон Дарси).
Подземные воды в большинстве случаев находятся в движении. Потоки грунтовых вод могут быть плоскими, радиально расходящимися и сходящимися, криволинейными. Направление потока грунтовых вод можно определить методом трех скважин или по карте гидроизогипс – линий с равными абсолютными отметками зеркала грунтовых вод (аналогично горизонталям рельефа). Карта гидроизогипс позволяет решить следующие вопросы: 1) определить направление и уклон грунтовых вод, 2) установить связь грунтовых и поверхностных вод, 3) выбрать площадку для строительства и дренажа.
Скорость движения (фильтрации) подземных вод характеризуется законом Дарси (1856 г.), который проводил свои опыты в трубке, заполненной песком и установил, что «Количество воды Q, прошедшее через какое-либо сечение F в единицу времени, пропорционально площади сечения и гидравлическому градиенту I, равному разности напоров ΔH = Н₁ –Н₂, отнесенной к длине пути L»:

Q = К_фF ΔH / L = К_фF I,

где Q – расход воды или количество фильтрующей воды в единицу времени, м³/ сут; К_ф – коэффициент фильтрации, м/сут; F – площадь поперечного сечения потока, м²; ΔH – разность напоров, м; L – длина пути фильтрации, м.

По этой же формуле можно определить приток воды к реке.

Закон Дарси действует только при ламинарном движении грунтовых вод в суглинках, песках, галечниках, где турбулентный (вихревой) характер наблюдается редко.

Разделив обе части уравнения на площадь F и обозначив Q/F=V – скорость фильтрации, м/сутки, получаем: V=K_фI, при I=1,0, К_ф= V м/сутки.

Эта скорость движения воды фиктивная, т.к. отнесена ко всему сечению потока. Фактически движение воды происходит только через поровое пространство. Действительная скорость V_д определяется по формуле: V_д=Q/F·n, где n – пористость в д.е. V_д=V/n.

3. Расход потока грунтовых вод и расчеты притока воды к различным выработкам (водозаборам).

Расход – количество воды через 1-цу площади за 1-цу времени (F=1 м², t=сутки, мин, сек).

1. Расход плоского равномерного потока с постоянной мощностью h при наклонном водоупоре определяется по формуле: Q=K_фВh(H₁-H₂)/L, где В – ширина потока, Н₁-Н₂ – разность напора,L –расстояние.

2. Расход потока при горизонтальном водоупоре. Расход на 1-цу ширины называется единичным расходом: q=Q/B. Его величина по закону Дарси равна q=KhI, где I – гидравлический уклон. При неравномерном течении гидравлический уклон является переменным: I=-dh/dx. Таким образом, q=-Khdh/dx. Разделив переменные, получим q/K dx=-h dh. Откуда после интегрирования: qx=-Kh²/2+C. Для исключения С, уравнение решают для 2-х точек. При изменении х от 0 до L и от h₁ до h₂, получим q=K(h₁²-h₂²)/2L. Это – уравнение Дюпюи. Расход всего потока: Q=KB(h₁²-h₂²)/2L.

3. Расход неравномерного плоского потока при наклонном водоупоре.

Принимают I_ср=(Н₁-Н₂)/L и h_ср =(h₁-h₂)/2. Тогда: Q=К_ф·В·(h₁ + h₂)/2·(H₁ –H₂)/L.

4. Расчет притока волы к траншее (канаве). Они могут быть совершенные (дошедшие до водоупора) и недошедшие до водоупора производится по формуле для двустороннего притока:

Q=К_фL(H² – h²)/L, где L – длина канавы.
4. Борьба с грунтовыми водами, виды дренажей.

При разработке котлованов и при подтоплении городских территорий применяют:

А. Открытый водоотлив,

Б. Горизонтальный дренаж в виде горизонтальных открытых и закрытых канав (траншей) глубиной до 5-6 м. Могут быть также дренажные прорези глубиной до 10-15 м и более, пройденные вдоль или поперек склона, заполненные дренажным материалом и вскрывающие водоносный слой. В дренажный материал помещают перфорированные трубы.

В. Подземные водосборные галереи чаще используют для осушения оползневых склонов.

Г. Вертикальный дренаж включает:

а) Водопонизительные скважины, вокруг которых при откачке воды образуются депрессионные воронки;

б) Иглофильтры, из которых откачивают воду насосами или применяют электроосмос. Их располагают рядами по периметру котлована;

в) Поглощающие скважины-колодцы. Может быть их засорение грязной фильтрующей водой.

Виды дренажей зависят от решаемых задач:

1. При близком расположении грунтовых вод применяют горизонтальный систематический дренаж, включающий дрены, дренажный коллектор и смотровой колодец;

2. Систематический дренаж вертикального типа, в котором вместо дрен применяют вертикальные поглощающие скважины, спускающие воду вниз в поглощающий слой;

3. Головной дренаж – горизонтальная дрена, перехватывающая грунтовые воды выше по течению грунтовых вод;

4. Береговые дренажи у водохранилищ и рек, аналогичны береговым головным дренажам для перехвата грунтовых вод, идущих от реки или водохранилища;

5. Кольцевой дренаж для защиты отдельных зданий и небольших участков;

6. Пластовый дренаж для защиты отдельных зданий;

7. Вентиляционный дренаж в грунтах – под фундаментами зданий укладывают дырчатые трубы, через которые постоянно движется воздух. В трубы можно поместить сухой хлористый кальций (предложил И.М.Литвинов для осушения лессовых грунтов).

5. Инженерно-геологические процессы, связанные с грунтовыми водами (плывуны, карст, суффозия, оползни).

Плывуны. Способность песков в водонасыщенном состоянии разжижаться, оплывать, засасывать в себя тяжелые предметы известна строителям очень давно (при вскрытии котлованов, бурении скважин и др. работах). Плывун – это не тип грунта, а его состояние. Выделяют два вида плывунов:

- ^ Ложные, пассивные, «псевдоплывуны». Их плывунность вызвана гидравлическим градиентом, взвешивающим действием воды при фильтрации. Ложными плывунами может быть гравий и галечник при восходящем движении подземных вод. Но они легко отдают воду и становятся нормальными грунтами при устранении градиента воды. Псевдоплывун характеризует простой опыт. Пятак, положенный на песок, при фильтрации воды снизу тонет при критическом значении гидравлического градиента I_кр = (ρ_s – 1)(1-n) где ρ_s – плотность частиц грунта (≈2,7 г/см3), n – пористость в д.е.

- ^ Истинные плывуны – это определенный тип грунтов – пылеватые пески и супеси, в которых кварцевые частицы окружены глинистой оболочкой. В замоченном состоянии они плохо отдают воду и не осушаются обычными способами (дренажом). Их коэффициент фильтрации мал (К_ф = доли м/сутки). Истинные плывуны обладают тиксотропией, т.е. разжижением при механическом воздействии и восстановлением прочности после прекращения воздействия.

^ Методы борьбы с плывунами:1) Шпунты; 2) Замораживание 9временная мера); 3) Иглофильтры; 4) Электроосмос и электрохимическое закрепление; 5) Силикатизация; 6) Различные конструктивные мероприятия (например, опускные колодцы)

Карст – это явление растворения некоторых горных пород (известняков- 14, мг/л, магнезита – 56 мг/л, гипса – 2 г/л, галита – поваренной соли). Карстовые пещеры известны в Абхазии, на Урале, в Карачаево-Черкесии, Мамонтова пещера в США длиной 250 км и высотой 30 м). Древний карст опасен провалами для всех видов строительства, особенно для гидротехнического строительства. Его изучают бурением и электроразведкой.

^ Борьба с карстом: 1) водоотвод поверхностных вод и дренажи; 2) нагнетание в карстовые полости цементных растворов и горячего битума.

Суффозия – (лат. – подкапывание): 1) химическая (карст), или растворение и вынос солей из горных пород и 2) механическая - вынос частиц грунта фильтрующейся водой с образованием подземных каналов, промоин и воронок.

Оползни – смещение горных пород на склонах по ясно выраженной поверхности скольжения под действием силы тяжести при участии поверхностных и подземных вод. Признаки оползневых процессов: 1) бугристая поверхность, 2) трещины отрыва в верхней части, 3) валы выдавливания в нижней части, 4) террасовидные уступы, 5) заболоченность склонов, 6) пьяный лес. В оползне выделяют следующие элементы (рис. 7.22): 1) оползневое тело, 2) поверхность скольжения, которая может быть цилиндрической, волнистой, плоской, 3) бровка срыва, там, где произошел отрыв оползневого тела от коренного массива пород, 4) террасовидные уступы или оползневые террасы, 5) вал выпучивания, разбитый трещинами, 6) подошва оползня – место выхода на поверхность плоскости скольжения, оно может быть выше, ниже или на уровне поверхности склона.

Факторы (причины и условия) образования оползней: 1) высота, крутизна и форма склона, 2) геологическое строение, свойства грунтов, 3) гидрогеологические условия (гидродинамическое давление).

Устойчивость оползневого склона определяется соотношением сил, стремящихся столкнуть массу пород вниз по склону, и сил, которые сопротивляются этому процессу. Степень устойчивости определятся коэффициентом устойчивости К_уст, который может быть меньше 1,0, равен 1,0 и более 1,0.

^ Классификация оползней: 1) собственно оползни – смещение земляных масс по поверхности скольжения глубиной многие метры, 2) сплывы – небольшие смещения переувлажненного грунта толщиной до 1 м; 2) оползни-обвалы – смещение по типу скольжения и обвала, типичны для крутых склонов.

Противооползневые мероприятия: 1) водозащитные – нагорные канавы, дренажные прорези, вертикальные дрены, штольни для осушения, планировка местности; 2) подпорные стенки, глубокие фундаменты, сваи, электрохимическое закрепление, 3) контрбанкеты, 4) съем (удаление) оползневых масс, 5) сохранение растительности.

1. ТЕМА 8. Инженерно-геологические изыскания для строительства.
   
   
   8.1. Цель и задачи изысканий.
   
   8.2. Состав, этапы и методика работ.
   
   8.3. Сбор, изучение и анализ имеющихся материалов. Инженерно-геологическая и гидрогеологическая съемка. Буровые и горно­проходческие разведочные работы.
   
   
   6. Цель и задачи изысканий
   В Градостроительном Кодексе (ст. 47) указано: «Инженерные изыскания выполняются для подготовки проектной документации, строительства, реконструкции объектов капитального строительства. Не допускаются подготовка и реализация проектной документации без выполнения соответствующих инженерных изысканий».
   
   На основе материалов изысканий осуществляется разработка предпроектной документации, в том числе градостроительной документации и обоснований инвестиций в строительство, проектов и рабочей документации строительства предприятий, зданий и сооружений, включая расширение, реконструкцию, техническое перевооружение, эксплуатацию и ликвидацию объектов, ведение государственных кадастров и информационных систем поселений, а также рекомендаций для принятия экономически, технически, социально и экологически обоснованных проектных решений.
   
   Инженерные изыскания нормируются федеральными строительными нормативами: СНиП, ГОСТами, Сводами Правил и др.
   
   СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства» (п. 4.1) указывает: «Инженерные изыскания для строительства являются видом строительной деятельности». СНиП 11-02-96, п. 4.3 дает следующие виды инженерных изысканий: инженерно-геодезические, инженерно-геологические, инженерно-гидрометеорологические, инженерно-экологические изыскания, изыскания грунтовых строительных материалов и источников водоснабжения на базе подземных вод. Кроме этого, к инженерным изысканиям относятся: геотехнический контроль, обследование оснований фундаментов зданий и сооружений, оценка опасности и риска от природных и техногенных процессов, обоснование мероприятий по инженерной защите территорий, локальный мониторинг компонентов окружающей среды, исследования в процессе строительства, эксплуатации и ликвидации объектов, научные исследования в процессе инженерных изысканий, авторский надзор за использованием изыскательской продукции в процессе строительства в составе комиссии (рабочей группы), инжиниринговые услуги по организации и проведению изысканий.
   
   Цель инженерно-геологических изысканий – получение необходимых и достаточных данных для проектирования, строительства и эксплуатации объектов.
   
   Задачи изысканий: комплексное изучение природных и техногенных условий территории (региона, района, площадки, участка, трассы), включая: 1) рельеф, 2) геологическое строение, состав, состояние и свойства грунтов, 3) гидрогеологические условия, 4) геологические и инженерно-геологические процессы и прогноз их изменения на застроенных территориях для обоснования инженерной защиты и безопасных условий жизни населения.
   
   Цель и задачи изысканий изменяются в зависимости от вида строительства (промышленное, гражданское, гидротехническое, мелиоративное, дорожное, морское и др.).
   
   7. Состав, этапы и методика работ.
   
   
   В состав инженерно-геологических изысканий входят: сбор и обработка материалов изысканий прошлых лет, дешифрирование космо-, аэрофотоматериалов и аэровизуальные наблюдения, маршрутные наблюдения (рекогносцировочное обследование), проходка горных выработок, полевые исследования грунтов, гидрогеологические, геофизические, сейсмологические исследования, сейсмомикрорайонирование, стационарные наблюдения, лабораторные исследования грунтов и подземных вод, обследование грунтов оснований существующих зданий и сооружений, камеральная обработка материалов, составление прогноза изменений инженерно-геологических условий, оценка опасности и риска от геологических и инженерно-геологических условий, составление технического отчета.
   
   Этапы (стадии) изысканий. Проектирование ответственных и сложных объектов производится не сразу, а поэтапно, по стадиям. Свод Правил 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания», ч. 1 установил следующие стадии изысканий:
   
   1) изыскания для разработки предпроектной документации,
   
   2) изыскания для разработки проекта,
   
   3) изыскания для разработки рабочей документации.
   
   Предпроектные изыскания проводят для разработки проекта районной планировки, генерального плана города, проекта детальной планировки.
   
   Изыскания для проекта строительства предприятия, здания, сооружения выполняют для обоснования компоновки зданий и сооружений, конструктивных и объемно-планировочных решений, разработке мероприятий и сооружений по инженерной защите, охране геологической среды, проекта организации строительства.
   
   Изыскания для рабочей документации для обоснования окончательных проектных решений, расчетов оснований, фундаментов и конструкций зданий, производства земляных работ.
   
   Методика изысканий. Инженерно-геологические работы обычно проводят в три этапа: 1) подготовительный, 2) полевой и 3) камеральный.
   
   
   8. Сбор, изучение и анализ имеющихся материалов. Инженерно-геологическая и гидрогеологическая съемка. Буровые и горно­проходческие разведочные работы.
   
   
   В подготовительный этап изучают район по архивным, фондовым и литературным данным, готовят оборудование для полевых работ.
   
   В полевой период производят:
   
   Инженерно-геологическую съемку и картирование – основной вид комплексного изучения территорий, независимо от вида строительства. При этом составляют специальные карты (инженерно-геологических условий, районирования и др.), геологические разрезы, таблицы свойств и все данные, характеризующие территорию.
   
   Разведочные работы включают бурение скважин с отбором проб грунта и воды, проходку разведочных выработок – расчисток на склонах ступеньками глубиной до 1,5 м, канав глубиной до 3 м, шурфов и дудок глубиной до 20 м и даже штолен – подземных горизонтальных выработок (изучение береговых склонов при проектировании плотин. Их проходят с помощью техники или вручную.
   
   Основным видом разведочных работ являются скважины. По способам бурения различают: 1) ручное ударно-вращательное бурение, 2) колонковое вращательное, 3)ударно-канатное кольцевым забоем, 4) ударно-канатное сплошным забоем, 5) вибрационное, 6) шнековое бурение. Способ бурения зависит от вида грунта и решаемых задач. Строительные нормативы допускают любой вид бурения, который дешевле, быстрее и информативнее решает поставленные задачи. Главная задача – достоверное описание геологического разреза и отбор ненарушенных проб-монолитов с помощью специальных грунтоносов. Из обводненных плывунных и структурно-неустойчивых грунтов часто не удается отобрать монолиты естественного сложения. Буровики часто при отборе проб уплотняют просадочные лессы и этим занижают просадочность.