Основы общей и инженерной геологии. Лекции

ТЕМА  7. Подземные воды (классификация, законы движения). 

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

7.2. Динамика подземных вод. Основной закон движения подземных вод (закон Дарси).

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

7.4. Борьба  с   грунтовыми водами, виды дренажей.

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

7.1. 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 вода входит 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 (и чайниках), 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.  

7.2. 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.  

7.3. 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. 

7.4. 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;