Лекция 5. Основы гидрогеологии: подземные воды, их виды, состав, свойства. Режим подземных вод, закономерности их движения

5.1.Общие сведения и значение подземных вод (пв)

Поры, трещины, полости различных размеров в породах ЗК полностью или частично заполнены гравитационной водой, перемещающейся под действием разности напоров в сторону их уменьшения. Движение свободной (подземной) воды в условиях полного заполнения пор или трещин пород называется фильтрацией.

Слой или несколько слоев пород, содержащих воду, образуют водоносный горизонт. Для него выделяют области питания, распространения и разгрузки.

ПВ имеют большое значение. Они широко используются для водоснабжения, в различных областях промышленности, энергетики, медицины и др. Не менее важно, что ПВ влияют на все геологические процессы, в том числе опасные. Примером служат прорывы ПВ и плывунов в котлованы и другие выработки, оползни, пучение при промерзании, наледи и др. Охрана ПВ от истощения и загрязнения – важнейшая задача экологии.

5.2. Физические свойства и химический состав пв

К основным физическим свойствам относятся температура, цвет, прозрачность, мутность, вкус и запах.

Показателями химического состава являются:

1. Водородный показатель pH; при pH = 7 вода нейтральная, при pH < 7 кислая и при pH >7 щелочная.

2. Общая минерализация воды, оцениваемая по сухому остатку после выпаривания. Выделяют воды пресные (сухой остаток меньше 1 г/л), солоноватые (1…10), соленые (10…50) и рассолы при большем содержании.

3. Содержание катионов и анионов. По катионному составу различают воды кальциевые, магниевые и натриевые; по анионному – гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные.

4. Содержание сероводорода, углекислоты и других газов.

Анализ химического состава позволяет установить вид и степень агрессивности ПВ по отношению к строительным конструкциям, а также жесткость воды.

В изменении химического состава ПВ установлена зональность по распространению в плане и по глубине: с севера на юг и сверху вниз состав меняется от пресных гидрокарбонатно-кальциевых к сульфатным и наконец, хлоридным. Исключением являются азональные воды – болотные, речных долин, карстовые.

По характеру заполняемого водой пространства выделяют поровые, трещинные и карстовые подземные воды.

5.3. Виды пв по условиям залегания

По условиям залегания выделяют следующие основные виды ПВ: верховодка, грунтовые, межпластовые.

Верховодкой называются временные скопления ПВ в зоне аэрации (рис.5.1), приуроченные к линзам и прослойкам малопроницаемых пород в общей водопроницаемой толще. Питание за счет атмосферных осадков. Возможно образование куполов верховодки в лессах при значительных утечках из сетей водоснабжения и водоотведения. В сухой период верховодка может полностью исчезать. Воды ненапорные, легко загрязняются с поверхности. Верховодка может вызвать неожиданное затопление котлованов, подвалов зданий, хотя в период изысканий она могла и отсутствовать.

Рис. 5.1. Типы подземных вод по условиям залегания:

1 – верховодка; 2 – грунтовые; 3 – межпластовые;

4 – линза глины; 5,6 - водоупоры

Грунтовые воды – постоянный и значительный по площади горизонт ПВ, залегающий на первом от поверхности грунта водоупоре. Характеризуются следующими свойствами:

- питание за счет атмосферных осадков, иногда также за счет поверхностных вод;

- области питания и распространения совпадают;

- воды ненапорные;

- связь с поверхностными водами;

- легкая загрязняемость.

Обобщая последние свойства, можно заметить, что для грунтовых вод характерна изменчивость их режима – положения зеркала или уровня (УГВ), направления и скорости движения, химического состава, температуры и других физических свойств. УГВ может меняться в зависимости от многих природных и техногенных факторов: метеорологических, гидрологических, тектонических, техногенных. Действие первых двух очевидно. Тектонические движения в виде длительных поднятий приводят к углублению эрозионных врезов (овраги, лога, русла рек) и следовательно, к понижению УГВ.

Деятельность человека может приводить как к повышению УГВ (создание водохранилищ, утечки из инженерных сетей и др.), так и к понижению – при осушении болот, длительных откачках и т.д.

Процесс поднятия УГВ называется подтоплением. Он распространен во многих городах, особенно юга РФ. Например, в Ростове за 45 лет УГВ на территории завода Россельмаш поднялся на 18…20 м. Следствием явились просадки в лессах и повреждения некоторых зданий.

Грунтовые воды широко используются для водоснабжения.

Межпластовые подземные воды – это более глубокие водоносные горизонты между водоупорами. В редких случаях они бывают ненапорными, но обычно обладают напором. Напорные межпластовые воды называются артезианскими (рис.5.2).

Рис. 5.2. Межпластовые артезианские воды:

1 – водоносный слой; 2 – водоупоры; 3 – пьезометрический уровень;

4 – поверхность земли; 5,6 – скважины.

Области: О₁ – питания; О₂ – напора; О₃ – разгрузки;

О₁+О₂+О₃ – распространения

В отличие от грунтовых, у артезианских вод область распространения не совпадает с областью питания, а область разгрузки может отсутствовать. При вскрытии водоносного слоя скважиной уровень воды установится выше кровли слоя – на пьезометрическом уровне. Если последний выше поверхности грунта в данном месте, скважина будет самоизливающейся. Режим артезианских вод более постоянный, с поверхности воды не загрязняются.

Геологические структуры синклинального типа, содержащие несколько водоносных горизонтов и занимающие большие площади, называются артезианскими бассейнами.

5.4.Закономерности движения подземных вод

Основной закономерностью является приведенный ранее закон Дарси, который можно записать также в объемной форме:

Q = k A I. (1)

С использованием зависимости (1) решаются разнообразные задачи – определение расхода потока, дебита скважин, притока воды в котлованы и к водозаборам и др.

Например, определим расход потока Q, т.е. объем воды, переносимый им в единицу времени. Пусть вода фильтрует на расстояние L в слое шириной В (см. рис. 4.1). Подставляя в формулу для Q выражения A = (H + h)B/2 и I = (H – -h)/L, получаем нужную формулу:

Q = k (H² – h²)B/2L. (2)

При решении практических задач используют удельный расход – расход в единицу времени на единицу ширины потока, то есть Q₁ = k (H² – h²)/2L.

Рассмотрим определение притока к водозаборам. Они могут быть горизонтальными (канава, водосборная галерея) и вертикальными (скважина, колодец). Если водозабор вскрывает водоносный слой на всю его мощность, он называется совершенным; в противном случае – несовершенным.

Откачка воды сопровождается понижением уровня воды в скважине, распространяющимся на некоторое расстояние – радиус влияния R. Вокруг скважины образуется депрессионная воронка. Примерные значения радиуса влияния: для гравия 1км, крупного песка 0,5 км, мелкого 100…200м, для суглинка 50 м.

Определим приток к совершенному горизонтальному водозабору – канаве, пройденной вдоль потока, с шириной 2а и длиной L (рис. 5.3).

Рассматриваем установившийся режим, когда с каждой стороны поток фильтрует через поперечное сечение A = y L при градиенте напора I = dy/dx. Подставляя эти выражения в формулу (1), разделяя переменные, интегрируя и разрешая относительно q, получаем:

Q = k L (H² – h²)/ (R – a).

Поскольку a<<R, поправка на полуширину практического значения не имеет и можно принять

Q = k L (H² – h²)/ R и соответственно Q₁ = k (H² – h²)/R.

В таком виде формула непосредственно следует из (2) при замене B на L и удвоении притока.

Точно также получается решение для вертикального водозабора – скважины диаметром 2а. Согласно схеме на рис.5.3, в этом случае площадь будет A = 2π xy. Проводя далее решение аналогично предыдущему, получаем формулу Дюпюи:

Q = πk(H² – h²)/(lnR – lna).

Для напорных подземных вод порядок вывода формул расхода аналогичен.

Рис. 5.3. Схема к определению притока к горизонтальному водозабору:

1 – УГВ; 2 – кривая депрессии; 3 - водоупор

Лекция 6. Экзогенные процессы. Основные генетические типы отложений, их строительная характеристика

(Выветривание и элювий. Геологическая работа атмосферных вод)

Совокупность процессов и порождаемых ими явлений характеризует геодинамическую обстановку территории, выявление которой - основная задача инженерной геодинамики. Поскольку эндогенные процессы ранее рассмотрены, перейдем к процессам внешней динамики земли – экзогенным. Их проявления разнообразны и мы сталкиваемся с ними буквально на каждом шагу.

6.1. Выветривание, его виды

Выветривание – это процесс разрушения и изменения состава пород вследствие колебаний температуры, замерзания и оттаивания воды, химического воздействия воды, растворенных в ней газов, кислот и щелочей, под действием ветра, растений и животных и др. Выветривание наиболее интенсивно протекает на поверхности земли, но распространяется и в глубину, особенно по зонам ослабления в породах – трещинам, разломам.

Различают выветривание физическое, химическое и биологическое или органическое. Физическое выветривание преобладает в условиях резко континентального или холодного климата и его значение состоит в раздроблении, дезинтеграции пород (см. обломочные ОГП). При химическом выветривании меняется минералогический состав пород. Активные реагенты при этом – вода, кислород, углекислота, органические кислоты. Наиболее общие процессы химического выветривания - растворение, гидратация, окисление, гидролиз; некоторые процессы называют по характеру образующихся при этом минералов: каолинизация, карбонизация, серпентинизация и др. Биологическое или органическое выветривание, связывая его с действием живых организмов; примеры биологического выветривания – действие корней растений, мхов и лишайников, животных - землероев, различных микроорганизмов.

В природе все виды выветривания протекают совместно, при определяющем влиянии того или другого, в зависимости от конкретных условий – климатических, геологических, гидрогеологических и др.

6.2. Кора выветривания и элювиальные отложения

В результате выветривания породы изменяются на некоторую глубину – обычно несколько метров, а в районах тропического климата до 100 метров. Эта зона сильно измененных пород вместе с почвой называется корой выветривания. Крупнообломочные и песчано-глинистые породы коры выветривания представляют собой элювиальные отложения или элювий. В общем случае кора выветривания имеет следующее строение (рис.6.1). Цифрами указаны:

1 – невыветрелая (материнская) порода; 2 – глыбовая зона, то есть выветрелая трещиноватая порода (вплоть до разборной скалы – рухляка); 3 – зона грубого дробления - крупнообломочный грунт (щебень, дресва с песчано-глинистым заполнителем); зона тонкого дробления: 4 – песок; 5 – глинистая порода; 6 – почва; 7 – уровень сноса пород (базис денудации а-а) или дно котлована; 8 – трещины выветривания; 9 – «острова» элювия среди разборной скалы.

Рис. 6.1. Кора выветривания:

1 – материнская порода; 2 – выветрилая скала; 3 – крупнообломочный грунт; 4 – песок; 5 – глинистая порода; 6 – почва; 7 – базис денудации;

8 – трещины выветривания; 9 – «острова» элювия среди скального грунта

Исходя из условий образования, элювиальные отложения представлены крупнообломочными, песчаными и глинистыми породами и характеризуются следующими свойствами:

- обломки имеют неокатанную, угловатую форму (щебень, дресва, хрящ); поверхность песчаных частиц шероховатая, что связано с отсутствием переноса материала;

- слоистость отсутствует, имеет место постепенный переход одной зоны в другую (рис.6.1);

- неоднородность механического состава;

- минералогический состав элювия связан с подстилающей материнской породой;

- наибольшее распространение и мощность элювия характерны для невысоких плоских водоразделов и отрицательных форм рельефа (понижений), где слабо проявляется денудация;

- нижняя граница элювия обычно неровная из-за разнообразия влияющих на выветривание факторов.

Возможность использования элювия в качестве основания сооружения зависит от мощности и вида грунта, его состава и состояния, а также от действующих нагрузок. Здания и сооружения с умеренными нагрузками успешно возводятся на элювиальных грунтах, особенно в районах широкого их распространения (Урал, Дальний восток). С другой стороны, для тяжелонагруженных особо ответственных сооружений (плотины, опоры мостов и др.) может потребоваться полное удаление выветрелых пород. Например, при возведении плотины Братской ГЭС снималось 1,5 метра верхней части слоя диабаза – основания плотины.

6.3. Геологическая работа атмосферных вод

Выпадающие на землю осадки частично инфильтруют в почву и затем в породы, частично испаряются. Наибольшую же геологическую работу производит часть осадков, стекающая на поверхности в направлении ее уклона. Она захватывает и переносит частицы пород, отлагая их затем в местах падения скорости стока. Разрушающая работа текущей воды называется эрозией. Применительно к стоку атмосферных вод различают поверхностную эрозию, или смыв и глубинную – размыв.

А) Смыв и делювиальные отложения.

При смыве сток равномерно распределен по поверхности склона, так что вниз по склону сносятся глинистые, пылеватые и мелкие песчаные частицы. Отлагаясь и накапливаясь у основания склона или в его неровностях (рис.6.2), они образуют делювиальные отложения (делювий ), представленные обычно супесями и суглинками, часто с включениями полуокатанных обломков. Мощность отложений обычно первые метры; в горных районах до десятков метров. Генетически делювий связан с вышележащими по склону породами, наследуя их минералогический состав и морфологию частиц. Слоистость прерывистая и слабовыраженная, сортировка и окатанность частиц незначительные из-за малого переноса, плотность невысокая.

Рис. 6.2. Смыв и образования делювия:

1 – первоначальная поверхность склона;

2 – поверхность после смыва; 3 – делювий

Для практики очень важным свойством делювия является неустойчивое положение его на склоне и опасность смещений вниз (оползни) под действием природных (подмыв, землетрясение и др.) и техногенных факторов (подрезка склона, пригрузка насыпью и т.д.)

Б) Размыв. Оврагообразование, селевые потоки (сели).

Глубинная эрозия связана с двумя неблагоприятными, а зачастую опасными природными явлениями – оврагообразованием и селями.

Рост оврага может начаться с небольшой рытвины, промоины, нарушения почвенного покрова. Овраг растет вершиной (рис.6.3) по мере углубления и приближения к профилю равновесия при данном базисе эрозии (БЭ). После этого рост оврага прекращается, склоны его выполаживаются, он зарастает, превращаясь в балку. Однако при понижении БЭ (например, при земляных работах в этой зоне) рост оврага возобновляется, размыв усиливается, особенно в приустьевой зоне и постепенно будет вырабатываться новый профиль равновесия. Такое развитие называют омоложением оврага.

Вынесенный временными потоками воды материал отлагается в устье оврага, образуя конус выноса. Оврагообразование сокращает посевные площади, усложняет строительство дорог, увеличивая количество искусственных сооружений. В борьбе с оврагами большое значение имеют профилактические меры – лесомелиорация и регулирование поверхностного стока.

Рис. 6.3. Схема роста оврага и изменение поперечного сечения:

1 – промоина; 2 – устье; 3 – вершина; 4 – ложе; 5 – направление роста оврага; 6 – профиль равновесия; 7 – базис эрозии; 8 – конус выноса

В) Сели и пролювиальные отложения

Сели – это водо- или грязекаменные потоки, периодически возникающие в горных и предгорных областях после ливневых дождей, интенсивного таяния снега или ледника. Стекающая со склонов вода захватывает и переносит самый различный обломочный материал – от валунов и глыб до мелкозема . Все это выносится и отлагается в долинах и на предгорных равнинах, образуя обширные конусы выноса. Сливаясь, они создают сплошные шлейфы пролювиальных отложений большой мощности (до 100…150 м). К пролювию относятся также отложения конусов выноса оврагов, имеющие меньшие распространение и мощность.

Сели представляют большую опасность для сооружений, повреждая дороги, разрушая искусственные сооружения. В РФ насчитывается около пяти тысяч селеопасных бассейнов – Кавказ, Саяны, Прибайкалье, горные хребты по трассе БАМ.