Определение направления, скорости движения и расхода грунтовых вод. Запасы подземных вод. Геологическая деятельность подземных вод.

Гончаревич А. В.

2 курс ХТиТ  14 группа

Реферат№13

Определение направления, скорости движения

и расхода грунтовых  вод. Запасы подземных вод. Геологическая деятельность подземных вод.

При определенных видах инженерно-хозяйственной  деятельности, связанных с грунтовыми водами, необходимы сведения об их режиме (направлении и скорости движения, расходе).

Для определения направления движения грунтовых вод используется метод  треугольника. Сущность данного метода в следующем. На участке, где требуется  определить направление движения грунтового потока, намечаются три точки с  таким расчетом, чтобы они образовали равносторонний треугольник со сторонами 100–500 м.

Для одной из сторон треугольника геодезическим инструментом (буссолью, гониометром) измеряется азимут или  румб, что дает возможность после  камеральной обработки данных наблюдений наметить на местности направление  движения грунтового потока.

Расстояние между точками измеряется мерной лентой с точностью 1 см. Нивелировкой устанавливается взаимное превышение между точками. В каждой точке  пробуривается скважина с небольшим  заглублением в водоносный горизонт. После стабилизации зеркала грунтовых  вод, нарушенного при бурении  скважины, измеряется уровень грунтовых  вод, т.е. расстояние от дневной поверхности  до зеркала грунтовых вод.

Треугольник в выбранном масштабе наносят на план и возле каждой точки выписывают высоты зеркала  грунтовых вод(рис.1).

Рис. 1. Определение направления движения грунтового потока. Масштаб 1 : 5000. Гидроизогипсы проведены через 0,5 м. Расстояние между точками равно 500 м

На каждой стороне треугольника интерполяцией определяют точки  пересечения зеркала грунтовых  вод с плоскостями сечения. Точки  пересечения зеркала одноименными плоскостями соединяют прямыми  линиями, которые называются гидроизогипсами. Гидроизогипсы (от греч. hýdōr – вода; isos – равный, одинаковый; hýpsos – высота) – линии на плане или карте, соединяющие точки зеркала грунтовых вод с одинаковой высотой (абсолютной или относительной). Такие же линии напорных вод называются гидроизопьезами.

Сечение гидроизогипсов, т.е. расстояние между плоскостями сечения, может приниматься различным (0,1–1,0 м) в зависимости от уклона зеркала грунтовых вод. При малых уклонах зеркала принимается меньшее сечение гидроизогипсов и наоборот.

Движение грунтовых вод происходит по наикратчайшему пути, т. е. нормально  к гидроизогипсам. Поэтому на плане под углом 90° к гидроизогипсам проводим линию максимально возможной длины, но высоты зеркала грунтовых вод обоих концов линии должны быть известны. Поток грунтовых вод будет направлен в сторону гидроизогипсы с меньшей высотой. Направление движения грунтового потока указывается стрелкой.

По этой линии определяется уклон  грунтового потока по формуле 

і =  ,

где Δh – превышение зеркала грунтовых вод, м; l – длина линии, м, по концам которой определяется превышение Δh.

  В 1856 г. французский инженер  А. Дарси установил, что расход Q фильтрующейся через грунт воды прямо пропорционален площади фильтрации F и гидравлическому уклону i:

Q = k_фFi,                                                                                             (67)

где Q – расход грунтового потока, м³/с или м³/сут; k_ф – коэффициент фильтрации, м/с или м/сут; F – площадь фильтрации, м²; i – уклон зеркала грунтовых вод;

Площадь фильтрации потока F – произведение мощности (высоты) потока h и его ширины В.

Для определения коэффициента фильтрации существует ряд лабораторных и полевых  методов, сущность которых изложена в специальной литературе. В некоторых  случаях при  гидрогеологических расчетах можно использовать ориентировочные  значения коэффициентов фильтрации.

Если разделить правую и левую части формулы расхода, на площадь фильтрации F, получим формулу Дарси:

v = k_ф i,                                                                                               

где v – скорость движения грунтового потока.

Эта формула называется основным законом  ламинарной (параллельно-струйной) фильтрации, т. е. скорость движения грунтовых вод  прямо пропорциональна коэффициенту фильтрации и уклону грунтовых вод.

   Запасы подземных вод. При использовании подземных вод для водоснабжения и орошения необходимо знать их запасы. В связи с этим различают естественные запасы, естественные ресурсы и эксплуатационные запасы.

Естественные, или емкостные, запасы – это объем гравитационной воды в порах, трещинах и карстовых пустотах водовмещающих пород. Степень восстановления запасов характеризуют естественные ресурсы – питание водоносного горизонта в ненарушенных условиях, равное сумме всех приходных элементов баланса оцениваемого горизонта.

Под эксплуатационными запасами понимают объем подземных вод (м³/сут), который может быть получен рациональными в технико-экономическом отношении водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и качестве воды, удовлетворяющем требованиям в течение всего расчетного  срока водопотребления.

Забор подземных вод на водоснабжение  осуществляют преимущественно при  помощи буровых скважин. Буровая скважина – это вертикальная выработка в земной коре, закрепленная в рыхлых породах от обрушения трубами. Буровые скважины устраивают с помощью специальных буровых станков и установок.

Водозаборные скважины, вскрывающие  напорные водоносные горизонты с  пьезометрическим уровнем выше поверхности  земли, фонтанируют. Из нефонтанируюших скважин воду откачивают насосами. Количество воды, которое можно получить из скважины в единицу времени при откачке или самоизливе, называется расходом или дебитом скважины.

Разрушительная деятельность подземных вод. В отличие от поверхностных текучих вод разрушительная работа подземных вод проявляется больше в химическом разрушении и выщелачивании горных пород, чем в их механическом размыве. Особенно большой разлагающей и растворяющей силой обладают воды, обогащенные кислородом, СО₂, различными органическими и неорганическими веществами.

Совокупность геологических явлений, сопровождающихся частичным растворением и размывом горных пород с образованием в них крупных ходов и полостей, называют карстовыми явлениями.

Разрушительная деятельность подземных  вод выражается также в образовании  оплывин и оползней по склонам рек, озер и морей. Оплывины представляют собой мелкие смещения, захватывающие только поверхностную часть склонов. В результате оплывин нарушается целостность почвы, гибнут травяной покров и насаждения. Оплывают обычно суглинки и супеси по залегающим глубже глинам и тяжелым суглинкам, пески по глинам и суглинкам.

Оползни – это смещения более крупных по сравнению с оплывинами масштабов. Они возникают на склонах возвышенностей, по берегам рек, озер и морей, сложенных рыхлыми породами, слои которых залегают с наклоном в сторону откоса, и особенно часто при наличии в основании этих пород водоупорного слоя, обнажающегося на откосе. Гравитационная вода, просачиваясь до водоупорного слоя, начинает двигаться по нему вниз, происходит вынос мельчайших частиц грунта. Равновесие вышерасположенных пород нарушается. В верхней части склона образуется трещина, которая постепенно расширяется, и отделенная ею часть склона оползает по водоупору вниз.

Причиной оползня могут быть сильные дожди и интенсивное  снеготаяние, увеличивающие увлажнение водоупорного контакта и массу грунта выше контакта, подмыв склонов рекой  или прибоем, перегрузка склонов  тяжелыми строениями, подрезка склонов  при строительстве и др. Размеры  оползней могут быть значительными, протяженностью вдоль склона несколько  километров при ширине в сотни  метров. Вместе с участками суши оползают леса, сады, здания, железные и шоссейные дороги.

Основными предупредительными мероприятиями  по борьбе с оплывинами и оползнями являются перехват и отведение поверхностных и подземных вод от участков, подверженных этим явлениям, а также технически правильное проведение земляных работ, выполаживание подножия склонов, возведение подпорных стенок в сочетании с дренажом.

На участках интенсивного выноса подземными водами мелких частиц глин и лёсса  образуются пустоты, в которые обрушиваются вышележащие горные породы. В результате такого явления, называемого суффозией (от лат. suffossio – подкапывание), поверхность земли над этими участками оседает с образованием западин, небольших воронок и блюдец.

Различают механическую и химическую суффозию. Под механической суффозией подразумевают разрыхление горных пород и вынос из них мелких частиц фильтрующейся водой. При химической суффозии из горных пород выщелачиваются и выносятся фильтрующейся водой растворимые соли (гипс, галит и др.). Такая суффозия является одной из составных частей карстовых явлений.

Созидательная деятельность подземных вод. Подземные воды, растворяющие горные породы, насыщаются минеральными солями и теряют способность к дальнейшему растворению. Условия карстовых пещер способствуют выпадению бикарбоната кальция из просачивающихся в них подземных вод. На стенках пещер появляются натечные корки различной мощности, а посередине пещер – столбообразные натеки – сталактиты и сталагмиты. Первые из них напоминают ледяные сосульки, свисающие с потолка пещер. Сталагмиты растут с их дна. Сталактиты и сталагмиты срастаются в колонны, подпирающие потолок пещер.

Отложение минеральных солей в  трещинах и пустотах горных пород  может происходить и при понижении  температуры подземных вод в  результате перемещения их из глубоких недр Земли в верхние слои литосферы. Если такой процесс отложения  солей продолжается в течение  длительного промежутка времени, то все поры и пустоты в горных породах могут быть заполнены  минеральным веществом. При этом пески превращаются в песчаники.

Движущиеся в земной коре подземные  воды переносят разнообразные минеральные  соединения из одних участков в другие и тем самым способствуют миграции минеральных масс в земной коре.