Задача 4.2.5_2 - Чувашский государственный университет

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»
Гидравлика и гидрогеология транспортных сооружений
Методические указания для самостоятельной работы студентов
Чебоксары 2013
УДК 624.131.54
Составители: Н.С. Соколов
Гидравлика и гидрогеология транспортных сооружений: Метод. указания к
курсовому проекту/ Сост. Соколов Н.С. Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2013. с.
Составлены в соответствии с программой курса «Гидравлика и гидрогеология
транспортных сооружений» по направлению Строительство профилю «Автомобильные
дороги»
Предложены задания и методические указания по выполнению лабораторных и
практических работ, приведены сведения из теории, правила текстового и графического
оформления материалов.
Отв. редактор доцент С.М. Ушков
Утверждено Учебно-методическим советом университета в рамках реализации
проекта Министерства образования и науки Российской Федерации «Кадры для
регионов».
Работа № 1
ПОСТРОЕНИЕ КАРТЫ ГИДРОИЗОГИПС
ПО ДАННЫМ БУРЕНИЯ
' При обработке результатов исследований на местности, в дополнение к
геологическим
картам
и
инженерно-геологическим
разрезам,
составляют
гидрогеологические карты. Их содержание зависит от сложности природной обстановки
и целей исследований:
• определить направление движения потоков подземных вод, их скорости;
• определить приток подземных вод к пониженным территориям;
• наметить участки расположения дренажей;
• оценить условия водоснабжения и расположение водозаборных скважин.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Различают гидрогеологические карты основных типов: гидроизо-гипс,
гидроизобат, гидроизопьез, изопахит (мощностей водоносных слоев, горизонтов),
гидрохимические и т.д.
Гидроизогипсы - линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными
отметками уровней залегагош грунтовых вод УГВ («зеркало грунтовых вод»). От
горизонталей поверхности земли они отличаются более плавными очертаниями,
постепенными переходами, отсутствием пережимов и резких изгибов. Гидроизогипсы
нередко на равнинных территориях повторяют очертания горизонталей.
Гидроизобаты - линии, соединяющие точки с одинаковой глубиной залегания
от поверхности земли уровней УГВ. Возможно выделение участков или зон с одинаковой
глубиной залегания вод, по интервалам: до 0,5 м глубины; 0,5-1,0 м; 1,0-2,0 м и т.д.
Гидроизопъезы - линии, соединяющие точки с одинаковыми глубинами
уровней напора межпластовых подземных вод. Возможно оконту-ривание участков с
одинаковым местным напором грунтовых вод.
Направление движения потоков подземных ненапорных грунтовых вод
определяется по нормали к касательной в каждой точке гидроизогипсы, в сторону
уменьшения абсолютных отметок.
Характер потока определяют по расположению гидроизогипс относительно
друг друга (рис. 1, 2):
плоский поток - стрелки направления движения вод параллельны друг другу;
расходящийся поток-по мере уменьшения абсолютных отметок гидроизогипс
стрелки направления потока удаляются друг от друга;
сходящийся поток - стрелки направления движения вод сближаются по мере
уменьшения отметок;
радиальный поток - нормали (перпендикуляры) к гидроизогипсам стремятся в
одну точку, что характерно при понижении уровня подземных вод вокруг водозабора
(воронка депрессии, или понижения).
Напорный (гидравлический) градиент I - уклон поверхности ненапорных
подземных вод по отношению к горизонтальной плоскости на единицу пути фильтрации,
или скорость изменения разности напоров на участке потока.
Скорость фильтрации V, м/сут, - количество воды, проходящей через
единицу площади поперечного сечения водоносного пласта в единицу времени.
Действительная скорость фильтрации к ф м/сут, - определяют с учетом
пористости грунтов, в долях единицы.
Коэффициент фильтрации к, м/сут, - скорость фильтрации при напорном
градиенте, равном единице.
Коэффициент водопроеодимости Т, м?/сут, - произведение коэффициента
фильтрации на мощность водоносного пласта.
Водоносный пласт - слой грунта одного наименования и одного возраста, поры
которого заполнены водой.
Водоносный горизонт - несколько слоев грунтов разного состава и возраста,
водонасыщенных и взаимодействующих, без расчленения водоупорными слоями.
Водоупор - пласт породы скальной или связной, глинистой, не пропускающий
воду.
Грунтовый водоносный горизонт обычно представляет собой первый от
поверхности подземный поток, движущийся от области питания (междуречье, верховое
болото) к области дренирования, или разгрузки (долина реки, овраг, котлован или
траншея, колодец, скважина), т.е. к самому низкому участку рельефа. Между двумя
дреками (оврагами, долинами рек, канавами) поверхность зеркала вод выпуклая, ее
высшей отметке соответствует водораздел грунтовых вод.
Природный водный баланс - количественное соотношение вод за принятый
интервал времени между приходными и расходными элементами за определенное время
(декада, месяц, сезон, год, несколько лет и т.д.).
УРАВНЕНИЕ ВОДНОГО БАЛАНСА
где ΔW - изменение запасов грунтовых вод за зремя I;
приходная часть баланса - х - инфильтрация атмосферных осадков,
конденсация водяных паров, подземный приток от других водоносных горизонтов;
расходная часть баланса - у - испарение;
Z - подземный сток или отток к другая горизонтам.
Гидрогеологический год - период с I октября, когда отмечается минимальная
водообильность пластов пород неповерхностных водоемов.
Задания
1.1. Построить карту гидроизогипс в масштабе 1:5000, сечением 5 или 10 м, по
данным бурового журнала (табл. 1).
1.2. Показать
стрелками
направления
грунтовых
потоков.
(перпендикуляры к гидроизогипсам) в разных частях карты и определить их характер.
1.3. Определить напорные градиенты и скорости фильтрации грунтовых потоков
на участках с наибольшим и наименьшим сгущением гидроизогипс.
1.4. Построить гидрогеологический разрез на участке сгущения гидроизогипс и
рассчятать единичный расход плоского потока на выбранном участке карты.
1.5. Наметить участки расположения дренажных устройств и водозаборных
скважин.
1.6. Составить пояснительную записку или заключение. Исходные материалы:
схема расположения буровых скважин и таблица абсолютных отметок уровней
залегания грунтовых вод (см. табл.1).
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
1.1. Порядок построения карты гидроизогипс
1.1.1. Карты гидроизогипс строят по результатам бурения скважин (см. табл. 1),, которые
располагаются на исследуемом участке тремя горизонтальными рядами по пять скважин в
каждом ряду. Данные по абсолютным отметкам уровней грунтовых вод представлены в 10вариантах. Расстояние между скважинами нажинами «А» и между рядами «В» принимают в
масштабе 1:5000 (в 1 см- 50 метров).
Скважины обозначают кружками диаметром 2 мм с точкой по центру. Справа от
скважины указывают в виде дроби ее номер и абсолютную отметку уровня грунтовых вод.
1.1.2 Сечение гидроизогипс для каждого варианта, кратное 5 или 10 метров
выбирают в зависимости от разности максимальной и минимальной отметок по 15-ти
скважинам: разность более 60 - сечение карты 10 м, а менее 60 - сечение 5 м..
Таблица1
Уровни залегания грунтовых вод по данным бурения
1.1.3. Гидроизогипсы строят методом интерполяции, или «методом треугольников»,
т.е. получают промежуточные значения при делении отрезков между скважинами с
известными данными на равные участки. Главное направление интерполяции выбирают по
линиям наибольшего изменения уровней грунтовых вод. Расстояния между каждыми двумя
соседними скважинами на схеме разделяют по горизонтали, вертикали и одной из диагоналей
квадрата из четырех скважин. Направление диагонали выбирают по наибольшей разнице
отметок в скважинах, в соответствии с наибольшим уклоном потока. Если направление
потока четко выражено относительно сторон квадрата скважин, то интерполяцией во
диагонали можно пренебречь, тем более, если расстояние по диагонали велико.
1.1.4. Расстояние по карте между скважинами в миллиметрах делят на разность
абсолютных отметок между этими же скважинами в метрах. Получают величину отрезка в
миллиметрах по горизонтали при изменении абсолютных отметок поверхности потока на
один метр.
1.1.5. Расстояния между гидроизогипсами при рисовке следует выдерживать
одинаковыми в каждом квадрате, линии должны быть плавными, без пережимов и резких
изгибов. Из интерполяции исключаются зоны раздела потоков разного направления. Рассматривая абсолютные отметки по всем 15-ти скважинам, отмечают зоны низких отметок —
возможных подземных рек или высоких отметок -подземных водоразделов. Через эти зоны
интерполяция между скважинами не допускается, а линии гидроизопшс проводят параллель-
но основным изолиниям каждого потока.
1.2. Определение характера потоков
1.2.1. Перпендикуляры к гидроизогипсам на участках с разной рисовкой изолиний
и определяют характер потоков. Стрелки направления потоков обращены к линиям с
низкими отметками, а характер потоков определяют в зависимости от рисовки изолиний и
изменения расстояний между стрелками потоков (рис. 1). На отдельных участках
направление потока можно определить графически, по треугольнику скважин (рис. 2).
Рис. 1. Карта гидроизогипс и характер потоков:
------ ►- - линии направления движения потоков;
_.10__- гидроизопшса, абсолютная отметка; потоки:
1 - плоский; 2 - расходящейся; 3 - сходящийся; 4 - радиальный
Рис. 2. Определение направления движения подземного потока по
треугольнику буровых скважин: - скважина, ее номер и абсолютная отметка устья; 1 гидроизогипса; 2 - направление потока.
1.2.2. Взаимосвязь потоков подземных вод с рекой, оврагом устанавливают
по вогнутой или выпуклой форме гидроизогипсы, направленной по течению реки (рис 3,
4). верховое болото
Рис. 3. Схема питания и движения грунтовых вод от болота
(область питания за счет атмосферных осадков) к реке (область разгрузки
водоносного горизонта).
Рис. 4. Положение гидроизогипс при различном характере связей грунтовых
вод и реки:
а - грунтовые воды питают реку; б - река подпитывает грунтовый
горизонт; в - в пределах правого берега грунтовые воды питают реку,
а в пределах левого берега река подпитывает грунтовые воды
1.3. Определение гидрогеологических характеристик потока
Бассейны грунтовых вод выделяют при одинаковых абсолютных отметках
гидроизогипс на обширном участке. Для бассейнов характерна горизонтальная
поверхность уровня залегания подземных вод, собственно зеркало грунтовых вод.
Потоки грунтовых вод, направленные в сторону дрен (долин рек, оврагов,
траншей, котлованов), становятся более крутыми и изображаются на разрезах как
яепрессионные кривые, характеризуются напорным градиентом I и скоростью течения V.
1.3.1. Определение напорного градиента I. . Вычисляют напорный градиент по
формуле
Н1 - отметка зеркала вод в сечении потока в верхней точке, м;
Н2 - отметка зеркала вод в сечении потока ниже по течению, м;
l - путь фильтрации, м (замеряют по карте в сантиметрах и умножают на
масштабную единицу).
1.3.2.
Величина напорного градиента изменяется в зависимости
от состава и плотности грунтов.
В галечниках и рыхлых песках она составляет тысячные доли единицы, а
кривая зеркала на разрезе выглядит плоской, расстояние между гидроизогипсами
значительное.
В суглинках и плотных песках течение подземных. вод проявляется при
больших уклонах, напорный градиент равен сотым и десятым долям единицы.
Минимальные напорные градиенты обычны при равнинном рельефе
поверхности земли.
1.3.3.
Скорость фильтрации, рассчитанную по основному закону
фильтрации А. Дарси, называют кажущейся vю м/сут (без учета объема пор) и определяют
по формуле
где Q_ количество воды, проходящей через грунт;
к - коэффициент фильтрации (водопроницаемости);
р - площадь поперечного сечения потока;
I- напорный градиент. Действительная скорость фильтрации vд, м/сут, определяют с учетом пористости грунта n, в долях единицы:
1.4. Определение единичного расхода плоского потока
1.4.1. Единичный расход плоского потока q - количество воды, движущейся
через поры и трещины пород при ширине потока в один метр. Между двумя скважинами
на выбранном участке его определяют при горизонтальном или наклонном водоупоре
(рис.5).
Рис. 5. Расчет расхода потоков при разном положении поверхности
водоупоров:
а - горизонтальный водоупор; б - наклонный водоупор
1.4.2. Горизонтальный водоупор - кровля пласта водонепроницаемой породы,
подстилающей водоносный горизонт, залегает на уровне одной абсолютной отметки
(рис. 5,а). Единичный расход, м3/сут, определяют по формуле
1.4.3. Наклонный водоупор - кровля пласта водонепроницаемой породы залегает на разных абсолютных отметках (рис. 5,6). Единичный расход, м3/сут,
определяют по формуле
где Н1 и Н2 _ абсолютные отметки зеркала грунтовых вод по выбранным для
расчета скважинам, м;
h 1 и h 2 - мощности водоносного горизонта по двум скважинам, м;
к - коэффициент фильтрации водовмещающего грунта, м/сут;
l - расстояние между скважинами, м.
1.4.4. Для расчета расхода потока на участке карты гидроизогипс (при их
максимальном сгущении или разрежении) строят поперечный
профиль
(рис.6):
вертикальный масштаб 1:500, горизонтальный масштаб - по карте 1:5000.
Рис. б. Схема для расчета расхода плоского потока
Предлагается сравнить расходы потоков на различных участках и в разных
грунтах (по данным нескольких исполнителей), сделать выводы о водообильности.
1.5. Примеры написания пояснительной записки.
Анализ расположения изолиний на картах гидроизогипс позволяет сделать
следующие ВЫВОДЫ
Пример I. Все линии гидроизогипс параллельны и располагаются примерно на
одинаковом расстоянии друг от друга, перпендикуляры к ним примерно параллельны,
т.е. поток плоский. Уменьшение абсолютных отметок гидроизогипс наблюдается в одном
направлении - с севера ка юг. Вывод: поток грунтовых вод плоский, напорные градиенты
незначительные (/=0,02-0,06), гидродинамическое давление на грунты слабое.
Следовательно, опасные процессы в виде суффозии и плывунов не наблюдаются.
Дренирование горизонта возможно в виде нагорной канавы, расположенной
вдоль гидроизогипс с самыми высокими абсолютными отметками. Водозабор
рационально располагать в квадрате скважин с минимальными абсолютными отметками
гидроизогипс, предпочтительно на участке сходящегося потока. Единичный расход
потока составляет q= 2 м3/сут.
Пример 2. На карте выделяются участки с разным направлением потоков.
Раздел выражен полосой высоких абсолютных отметок по центру карты - подземный
водораздел. Зона низких отметок, к которой абсолютные отметки гидроизогипс
уменьшаются с разных сторон, - подземная река. По величине напорных градиентов для
разных потоков можно сделать заключение, что наибольший приток подземных вод
наблюдается с юго-востока на северо-запад, в южной части карты.
При наличии водораздела потоки являются расходящимися и водообилъность
грунтовых вод низкая. Однако на склоне водораздела, где гидроизогипсы близко
расположены друг к другу, могут наблюдаться гидродинамические процессы з грунтах. В
этом случае дренажные системы должны располагаться по обеим сторонам подземной
реки. При таком варианте расход потока следует считать для двух разных участков
карты. В заключении приводят данные расчетов.
Экологическое обоснование. Дренирование подземных вод и организация
поверхностного стока обеспечивают благоприятную экологическую обстановку.
Для охраны подземных вод от загрязнения необходимо соблюдение
традиционных мероприятий при ведении строительных работ: ограничение объемов
земляных работ, складирования различных материалов и запрещение свалок. Для
грунтовых водозаборов зона строгого режима составляет 50 м, для артезианских - 30 м.
Зона ограничений - ВСЯ территория жилого района. Зона собственно санитарной охраны
- зеленый пояс города, при усиленном санитарно-эпидемиологическом наблюдении за
поверхностными водотоками и родниками.
Для предупреждения подтопления территорий проектируют дренаж.
Горизонтальный дренаж открытого (канавы, прорези, лотки) и закрытого
(трубы, галереи, тоннели) типов. По расположению различают дренажи: кольцевой
(контурный), пристенный и пластовый (фильтрующая постель из песка), головной
(нагорные канавы).
Вертикальный дренаж — это скважины, используемые для откачки воды, так
называемые дренажные завесы.
Комбинированный дренаж - сочетание слабонаклонных горизонтальных и
вертикальных дрен, когда устья колодцев располагаются ниже общего уровня подземных
вод и происходит самоизлияние.
Электродренаж - основан на электроосмосе - движении вод к электродам трубам при чередовании плюса и минуса.
Работа 2
1.
Определите дебит совершенной скважины, заложенной
в водоносном
аллювиальном пласте. Воды грунтовые (варианты I, 2, 3, 4; табл 3).
2.
Определите дебит совершенной скважины, заложенной
в водоносном
аллювиальном пласте. Воды нагорные (варианты 5, б, 7; табл3).
3 Определите расход единичный и расход грунтового потока шириной lm,
перемещающегося в мелко- к среднезернистых аллювиальных песках, залегающих на
горизонтальном водоупоре (табл,2).
8
9
10
32
95
82
24
85
76
800
240
110
Скв2
12
25
30
12
40
28
Ширина
потока l,м
Скв1
Коэфф.Фильт
К,м\сут
Абсолютная
отметка кровли
водоупора
Расстояние
между
скважинами
Абсолютная
отметка
уровня воды в
скважине 2
Вариант
Абсолютная
отметка
уровня воды в
скважине 1
Табл.2
8
7,5
6
160
120
100
Табл.3
Вариант
1
2
3
4
5
6
7
Мощность
водоносного
пласта,Н,м
8
14
10
12
10
16
8
Диаметр
скважины
d, мм
Понижение
Коэффициент
уровня воды фильтрации,
в скважине
Кф , м\сут
∆ Н,м
5
10
8
5
6
30
5
4
4
4,5
5
8
7
4
210
210
320
210
156
300
210
Радиус
влияния
скважины
R,м
120
210
350
200
160
130
350
Работа 3
При бурении трех скважин, расположенных (в плане) углах равностороннего
треугольника со стороной 160 м, встречены водоносные пески, подстилаемые
водоупорными глинами. Используя приведенные ниже данные, постройте колонку одной
из скважин и определите направление, скорость фильтрации и действительную скорость
потока грунтовых вод1. Вычислите единичный расход грунтового потока.
Таблица 4
Данные для расчета
№ скважины
№ скважины
№ скважины
1 | 2 | 3
1 | 2 | 3 1 | 2 | 3
Варианты
Абсолютная отметка, м:
устья скважины
уровня воды
кровли водоупора
Мощность Н водоносного пласта, м
Глубина d залегания уровня воды, м
Коэффициент фильтрации k, м/сут
Пористость n песка, %
24,3
22,4
19,5
3,4
38
1
2
22,1
19,9
16,7
29,4 37,0 39,5 44,7 61,3
27,3
24,1 30,6 34,0 36,5
4,6 3,7 5,1 9,0
1,5
3,4 5,8 5,8 5,8 4,6
38 42 42 42 41
3,4
38
3
67,0 59,2
12,4
2,3
4,6
41
8,2
1,9
4,6
41
Пропущенные в таблице значения в случае необходимости могут быть вычислены по
имеющимся.
Решение: Колонка скважины приведена на рис. 1, а. Для определения направления потока
составляют (в масштабе) план расположения скважин (рис. 1, б), указывают их номера и
абсолютные отметки уровня грунтовых вод (УГВ) в каждой скважине. Направление
потока в плане перпендикулярно гидроизогипсам (или их касательным в отдельных
точках, если поток криволинейный). При наличии только трех скважин криволинейность
потока не может быть учтена, и все гидроизогипсы (линии, соединяющие точки с
равными абсолютными отметками УГВ) будут параллельны, поэтому достаточно
провести одну из них. С этой целью между скважинами с максимальной (27,3 м) и
минимальной (19,9 м) отметками УГВ путем линейной интерполяции находят точку с
отметкой, равной 22,4 м (точка А на рис. 1, б). Через точку А и скважину 1 проводят
гидроизогипсу (жирная линия). Направление потока перпендикулярно гидроизогипсе и
направлено в сторону понижения уровня грунтовых вод (показано стрелкой).
Скорость фильтрации вычисляют между любыми двумя точками, расположенными по
направлению потока по формуле v = ki, где i = (Н1—Н2)/l гидравлический уклон; H1 и H2
—соответственно напоры в двух точках, расположенных по направлению течения воды; l
— расстояние между точками, в которых определялись напоры Н1—Н2. Для вычисления
скорости фильтрации опускают перпендикуляр на гидроизогипсу (рис. 1, б) и определяют
(по масштабу) расстояние от скважины 3 до точки Б; l=104 м. Напор в любой точке
измерят от условной горизонтальной линии, следовательно, в скважине 3 и точке Б их
можно принять равными абсолютным отметкам уровня грунтовых вод, т. е. Н1 = 27,3 м;
Н2 = 22,4 м, тогда v = 3,4(27,3—22,4)/104≈ 0,16м/сут ≈ 4,8∙10-4 см/с.
Действительная скорость потока u = v/n = 0,16/0,38 ≈ 4,8∙10-4 см/с ≈ 0,42м/сут.
Расход вычисляем по закону Дарси q=kih, где h —средняя мощность водоносного
горизонта.
1
Рис. 1. Колонка буровой скважины № 1 и план-схема определения направления потока
Задача 2. Тремя буровыми скважинами вскрыты напорные воды, залегающие в гравийногалечниковых отложениях под слоем водоупорных суглинков. Используя приведенные
ниже данные, постройте схематическую колонку одной из скважин и определите
направление, скорость фильтрации и действительную скорость потока напорных вод,
если скважины расположены в плане в углах равностороннего треугольника со стороной
120 м. Вычислите единичный расход потока напорных вод.
Таблица 5
Данные для расчета
1
№ скважины
2
3
Абсолютные отметки, м:
устья скважины
73,6
пьезометрического уровня
82,1
подошвы верхнего водоупора
Напор Н над подошвой
верхнего водоупора, м
1
73,2
83,4
1
№ скважины
2
3
Варианты
2
73,5 94,4 94,9 93,1
86,7
18,5 17,8 19,3
40,3 42,2 37,9
1
№ скважины
2
3
3
81,7 84,4
82,8
Глубина
залегания
пьезометрического уровня, м
Коэффициент фильтрации k, 37,6
м/сут
Пористость n, %
46
Мощность
водоносного 10,2
горизонта, м
Глубина до нижнего водоупора
7,7
13,3
12,0
37,6
37,6 16,4 16,4 16,4
28,2 28,2
28,2
46
10,2
46
43
10,2
47
47
21,0 21,0
47
21,0
43
43
86,0 87,2 83,9
Решение: Решается аналогично задаче 1, только вместо гидроизогипсы следует
использовать гидроизопьезу. Формулы для расчета остаются те же.
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ
Различают;
- большой круговорот воды –испарившаяся с поверхности Мирового океана влага
переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан
в виде поверхностного и подземного стока;
- малый круговорот- испарение влаги с поверхности океана и выпадением ее в виде
осадков на ту же водную поверхность.
1. ВИДЫ ВОДЫ В ГРУНТАХ.
Виды воды в грунтах в зависимости от того в каком состоянии в грунтах она
находится, классифицируются на:
- парообразную; Она находится в динамическом равновесии с другими видами
воды и с парами воды в атмосфере и обладает большой подвижностью. Последнее
связано с неодинаковой упругостью паров в различных слоях пород и в атмосфере.
- связную (прочносвязную – располагается на поверхности минеральных частиц
слоем толщиной до 15-20 молекул свойственна тонкодисперсным породам — суглинкам
и глинам., рыхлосвязную);
- Свободную (капиллярную- вода, поднявшаяся по тонким порам или трещинам
выше уровня грунтовых вод или часть инфильтрующейся воды, удерживаемая в горных
породах силами поверхностного натяжения, гравитационную);
- в твердом состоянии лед;
- кристаллизационную- участвуя в построение кристаллизческой решетки
минералов, сохраняет свою молекулярную форму; В качестве примера можно привести
гипс CaSO4 • 2Н2О (содержит 20,9 % воды по массе), лимонит Fe2O3 • пН2О, опал SiO2 •
Н2О. Удаление этой воды возможно при нагревании до 100°С и выше.
- химически связную воду – не сохраняет своего молекулярного единства, но
более прочно по сравнению с кристаллизационной связана с другими молекулами
кристаллических решеток.
2.ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
По
происхождению
выделяют
несколько
типов
подземных
инфильтрационные, конденсационные, седиментогенные и ювенильные.
вод:
3. ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
Водопроницаемость горных пород. Водопроницаемость — способность пород
пропускать гравитационную воду через поры и трещины, характеризуется
коэффициентом фильтрации — скорость движения подземных вод при гидравлическом
градиенте равном единице (см/сек, м/ч, м/сут). В формировании подземных вод, а также
скорости их движения большое значение имеют степень и характер водопроницаемости
пород.
По степени водопроницаемости все горные породы подразделяются на три группы:
1) водопроницаемые (К более 1 м/сут) — пески, гравий, галечники, трещиноватые
песчаники, конгломераты и другие скальные породы, трещиноватые и закарстованные
известняки, доломиты;
2) слабопроницаемые (Кф от 1 до 0,001 м/сут) — супеси, легкие суглинки, лесс,
неразложившийся торф и др.;
3) водоупорные (К, менее 0,001 м/сут) — глины, тяжелые суглинки,
разложившийся торф, не трещиноватые массивные кристаллические и сцементированные
осадочные породы.
Водопроницаемость трещиноватых горных пород зависит от размера и характера
трещины, а в растворимых породах и от степени их закарстованности (наличия пещер и
других карстовых каналов).
От дисперсного состава рыхлых пород зависит их влагоемкостъ, т.е. способность
вмещать и удерживать в себе то или иное количество воды. Различают полную
влагоемкостъ, когда вода заполняет все поры (включая и капиллярные) горной породы,
и максимальную молекулярную влагоемкостъ, показывающую количество воды,
удерживаемой в породе силами молекулярного сцепления, после того как вся
гравитационная вода стечет из породы.
По степени влагоемкости породы подразделяют
- весьма влагоемкие — торф, суглинки, глины;
- слабовлагоемкие — лесс, мергель, мел, рыхлые песчанники;
невлагоемкие — галечник, гравий, песок.
Разность между полной и максимальной молекулярной влагоемкостью называют
водоотдачей горной породы. Для практических целей важно знать удельную водоотдачу
— количество свободной воды, которую можно получить из 1 м3 породы.
4.КЛАССИФИКУЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
- Подземные воды классифицируются также по условиям движения. Если
подземные воды движутся по порам в рыхлых горных породах, они называются
поровыми, по трещинам — трещинными, по карстовым пустотам — карстовыми.
- Подземные воды подразделяются по другим признакам: по температуре
(холодные до +20°С, теплые от 20 до 40°С, горячие — свыше 40°С ); по гидравлическому
признаку — напорные и безнапорные.
Суммарное содержание растворенных в воде минеральных веществ называют
общей минерализацией, о величине которой судят по сухому или плотному остатку (в
мг\л или г\л), получаемые после выпаривания определенного объема воды при
температуре 105-110 Со. Между общей минерализацией подземных вод и их химическим
составом существует зависимость. Это один из главных показателей качества подземных
вод.
Наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. -По общему
содержанию растворенных солей подземные воды разделяют на:
- пресные (до 1 г\л растворенных солей);
- солоноватые(до 1-10 г\л растворенных солей);
- соленые (10-50 г\л растворенных солей);
- рассолы (более 50 г\л растворенных солей).
Количество и состав солей устанавливается химическим анализом.
-Жесткость воды – совокупность свойств подземной воды, обусловленных
содержанием в ней ионов кальция и магния. Различают:
- общую – равную сумме катионов кальция и магния;
- временную (карбонатную) – эквивалентна содержанию в воде гидрокарбоната
иона и постоянную (не карбонатную) и может быть устранена кипячением.
Сумма временной и постоянной жесткости называют общей жесткостью.
Постоянная жесткость воды- разница между обшей и карбонатной жесткостью,
обусловлена сернокислыми и хлористыми солями, кипячением не устраняется
Интенсивность водообмена подземных вод (смена первоначально накопившихся
вод поступающими вновь);
- зона интенсивного водообмена (воды преимущественно пресные) расположены
преимущественно в верхней части земной коры до глубины 300-400 км;
замедленного водообмена (воды солоноватые и соленые) занимает
промежуточное положение до 600-2000км;
- весьма замедленного водообмена (рассолы) приурочены к глубоким зонам земной
коры и полностью изолированны от поверхностных вод и атмосферных осадков.
- По условиям залегания подземные воды верхней зоны земной коры
подразделяются на три типа: верховодка, грунтовые воды и межпластовые воды
Верховодка формируется в пределах зоны аэрации на сравнительно небольшой
глубине от поверхности Земли в результате инфильтрации атмосферных осадков. По
существу это временное скопление воды на отдельных линзах
Наибольшие мощность и водообильность наблюдаются весной, в период
интенсивного снеготаяния, и осенью, когда происходит обильное выпадение осадков. Для
верховодки характерно: временный сезонный характер, небольшая площадь
распространения, малая мощность и безнапорность. Верховодка представляет
значительную опасность для строительства. Залегая в пределах подземных частей зданий
и сооружений, она может вызвать их подтопление, если заранее не были предусмотрены
меры дренирования или гидроизоляции.
Грунтовыми водами называют постоянные по времени и значительные по
площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от
поверхности водоупоре и имеют широкое распространение
Третий тип подземных вод по условиям залегания — это межпластовые
безнапорные и напорные воды. Межпластовые безнапорные воды находятся между
двумя водоупорными слоями. Межпластовые безнапорные воды
встречаются
сравнительно редко, они связаны с горизонтально залегающими водоносными слоями,
заполненные водой полностью или частично. Напорные (артезианские воды) связаны с
залеганием водоносных слоев в воде синклиналей или моноклиналей..
Запасы подземных вод – это количество (объем) свободной воды, содержащейся в
водоносных слоях. Запасы подземных вод подразделяются на естественные и
эксплуатационные. Естественные запасы слагаются из статических, упругих и
динамических запасов. Статические запасы подземных вод – объем гравитационных вод,
заключенных в порах или трещинах рассматриваемого объема горных пород.
Под истощением запасов подземных вод следует понимать их сработку в процессе
отбора вод без восполнения. Признаком истощения является прогрессирующее снижение
динамических уровней эксплуатируемого водоносного горизонта, часто при постоянном
расходе. Динамический уровень – уровень подземных вод в скважине или колодце,
устанавливающийся во время откачки или при наливе воды. После прекращения откачки
(налива) динамический уровень постоянно изменяется до положения статического или
пьезометрического.
Под балансом подземных вод понимают соотношение между приходом и расходом
подземных вод на данном участке за определенное время.
С помощью баланса подземных вод характеризуют водообеспеченность района и
возможности ежегодного пополнения запасов подземных вод, изучают причины
подтопления территорий, прогнозируют изменения уровня подземных вод. Для решения
этих вопросов необходимы данные о составляющих баланса: приходных и расходных.
Балансовое уравнение грунтовых вод для данного участка за время t:
ΔW=A+K+П1 + П2 + П3 –И-С1 – С2
ΔW- изменение запасов грунтовых вод за время t;
Приходная часть слагается под влиянием естественных режимообразующих
факторов и состоит из:
А –инфильтрации атмосферных осадков;
К – конденсации водяных паров;
П – подземного притока, включающего;
П1 –бокового притока;
П2 – фильтрационные поступления из поверхностных водных источников (рек,
озер);
П3 – подток воды из нижележащего водоносного горизонта.
1. Движение грунтовых вод.
Фильтрационные потоки подземных вод различаются по характеру движения и
подчиняются 2 законам:
Если движение грунтового потока в водоносных слоях (галечнике, песке, супеси,
суглинках) имеет параллельно-струйчатый или, так называемый ламинарный характер, то
он подчиняется закону Дарси. Ламинарный характер движения воды наблюдается также
в трещиноватых породах, но при скорости движения не более 400 м\сут. При наличии
крупных пустот и трещин движение воды в породах носит вихревой или турбулентный
характер.
Подземные воды могут передвигаться в горных породах как путем инфильтрации,
так и фильтрации. При инфильтрации передвижение воды происходит при частичном
заполнении пор воздухом или водяными порами, что обычно наблюдается в зоне
аэрации. При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор или
трещин водой.
Наиболее часто при эксплуатации сооружений водоснабжение и канализации
встречается химическое и бактериальное загрязнения подземных вод. Значительно реже
радиоактивное, механическое и тепловое загрязнения.
Химическое загрязнение – наиболее распространенное, стойкое и далеко
распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтенные кислоты,
ядохимикаты) и неорганическими (соли, кислоты, щелочи), токсичными (мышьяк, соли
цинка, ртути, свинца) и нетоксичным. Вредные химические вещества при фильтрации в
пласте сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в
осадок, но полного очищения грунтовых вод не происходит.
К естественным источникам загрязнения относят сильно минерализованные
подземные и морские воды, которые могут внедряться в продуктивный пресный
водоносный горизонт при эксплуатации водозаборных сооружений.
Основными искусственными источниками загрязнения подземных вод,
возникающими в результате производственной и другой деятельности человека являются
бассейны бытовых и промышленных стоков, участки складирования отходов,
загрязненные воды поверхностных водоемов, неисправная канализационная сеть,
избыточное применение удобрений и ядохимикатов, несанкционированная закачка
стоков в водоносные горизонтов.
По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:
- общекислотная, оценивается величиной водородного показателя Рн, в песках вода
считается агрессивной при Рн<7, в глинах - Рн<5.
- сульфатная – определяется по содержанию ионов SO4 2- , при содержании их в
количестве более 200мг\л вода становится агрессивной;
- магнезиальная, устанавливается по содержанию ионов Mg2+;
- карбонатная – связанная с воздействием на бетон агрессивной углекислоты
(только в песчаных породах).