Студопедия — ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ИНЖЕНЕРНОЙ ГИДРОГЕОЛОГИИ
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ИНЖЕНЕРНОЙ ГИДРОГЕОЛОГИИ

Раздел гидрогеологии, изучающий закономерности движения подземных вод, называется динамикой подземных вод.

Подземные воды - воды, находящиеся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и парообразном состоянии.

Вода в грунтах:

· парообразная;

· связанная – прочносвязанная (гигроскопическая), рыхлосвязанная;

· свободная – капиллярная, гравитационная

· в твердом состоянии (лед);

· кристаллизационная и химически связанная.

Вода в пылевато-глинистых грунтах в значительной степени предопределяет свойства грунта, которые зависят в первую очередь от ее относительного содержания. Это объясняется взаимодействием молекул воды вследствие наличия электромолекулярных сил с поверхностями коллоидных и глинистых частиц грунта. Твердые частицы грунта, состоящие из тех или иных обычно кристаллических минералов, имеют на поверхности заряд статического электричества, чаще всего отрицательный. Молекулы же воды, являясь диполями, и ионы различных веществ противоположного заряда, растворенных в грунтовой воде, попадая в поле заряда частицы грунта, ориентируются определенным образом и притягиваются к поверхности этой частицы. В результате поверхность твердой частицы покрывается монослоем молекул воды. Этот первый слой молекул воды, адсорбированных на поверхности твердой частицы с ее наружной стороны, будет иметь заряд, аналогичный заряду поверхности твердой частицы, и, следовательно, станет воздействовать на близко расположенные другие молекулы воды. Таким образом возникают достаточно стройные цепочки молекул воды (рис. 1.2).

Электромолекулярные удельные силы взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды у самой поверхности достигают 1000 МПа. По мере удаления от нее удельные силы взаимодействия быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля. Вне пределов, ограниченных этим расстоянием, вода обладает свойствами, присущими ей в открытых сосудах, и ее молекулы не притягиваются к поверхности твердой частицы. Эту воду принято называть свободной (она свободна от сил взаимодействия с твердыми частицами). Свободной является гравитационная вода, перемещающаяся под действием силы тяжести, и капиллярная. Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной (она связана с твердыми частицами). Эта вода создает гидратные пленки вокруг твердых частиц и ее часто называют пленочной. Поскольку в пределах слоя адсорбированной воды удельные силы взаимодействия изменяются от очень больших величин до нуля, такой слой принято условно делить на слои прочносвязанной и рыхлосвязанной воды.

Прочносвязанная вода, слой которой состоит из одного или нескольких слоев молекул, обладает свойствами, существенно отличающимися от свойств свободной воды. По свойствам прочносвязанная вода скорее соответствует твердому, а не жидкому телу. Она не отделяется от твердых частиц при воздействии сил, в тысячи раз превышающих силы земного притяжения, замерзает при температуре значительно ниже 0°С, имеет большую, чем свободная вода, плотность, обладает ползучестью; такую воду можно отделять от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше 100 °С.

Рыхлосвязанная вода представляет собой диффузный переходный слой от прочносвязанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, однако они выражены слабее. Это обусловлено резким уменьшением в слое рыхлосвязанной воды удельных сил взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды (см. рис. 1.2, б).

Так как в пределах слоя связанной воды удельные силы взаимодействия резко меняются, свойства пылевато-глинистых грунтов в значительной степени будут зависеть от толщины пленок рыхлосвязанной воды. При этом чем больше дисперсность грунта, тем в большей степени будет проявляться эта зависимость, поскольку при большей дисперсности грунта, содержащего глинистые и особенно коллоидные частицы, удельная площадь их поверхности, т. е. суммарная площадь поверхности частиц глин и суглинков, больше, чем у песков, в тысячи раз. Кроме того, она зависит от минералогического состава глинистых частиц. Таким образом, минеральный состав и удельная площадь поверхности частиц пылевато-глинистых грунтов обусловливают их специфические свойства.

Наличие между частицами пылевато-глинистого грунта связанной (пленочной) воды определяет его пластичность. При этом чем толще пленки воды, тем меньше прочность грунта, и наоборот. Изменение толщины пленок воды, окружающих частицы пылевато-глинистого грунта, приводит к изменению его состояния от почти жидкого до твердого. При малой толщине пленок воды пылевато-глинистые грунты обладают сцеплением. Поскольку сцепление в значительной степени обусловлено наличием связанной воды, такие грунты обладают присущей этой воде ползучестью.

Увлажнение пылевато-глинистого грунта приводит к увеличению толщины пленок воды между частицами и сопровождается увеличением объема грунта, т. е. грунт набухает. Наоборот, при высыхании пылевато-глинистые грунты уменьшаются в объеме вследствие утончения пленок воды (грунт получает усадку). Когда связность грунта обусловлена наличием пленочной воды или растворимых солей, увлажнение грунта может приводить к полному его размоканию.

Если пылевато-глинистый грунт содержит небольшое количество рыхлосвязанной воды и при этом все его поры заполнены водой, фильтрация ее практически невозможна. В связи с этим строители используют перемятую глину в качестве гидроизоляционного материала.

Связность (прочность) грунта, зависящая от толщины слоя рыхлосвязанной воды, может резко снижаться при нарушении определенного расположения молекул воды и частиц (например, при динамических воздействиях или перемятии). Со временем возможно восстановление прочности (явление тиксотропии).

Cлои горных пород, насыщенные гравитационной водой, образуют водоносные горизонты, или пласты, составляющие водоносные комплексы.

Подземные воды - природные растворы, содержащие свыше 60 хим. элементов (в наибольших кол-вах - K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, C, Si, N, O, H), a также микроорганизмы (окисляющие и восстанавливающие различные вещества). Kак правило, подземные воды насыщены газами (CO2, O2, N2, C2H2 и др.). Пo степени минерализации подземные воды подразделяют (по B. И. Bернадскому) на пресные (до 1 г/л), солоноватые (от 1 до 10 г/л), солёные (от 10 до 50 г/л) и подземные рассолы (свыше 50 г/л); в более поздних классификациях к подземным рассолам относят воды c минерализацией свыше 36 г/л.

B зависимости от температуры (°C) различают: переохлаждённые (ниже 0), холодные (от 0 до 20), тёплые (от 20 до 37), горячие (от 37 до 50), весьма горячие (от 50 до 100) и перегретые подземные воды (свыше 100).

Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающих земную кору, зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы: водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные.

К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески, трещиноватые породы и т.д. К водонепроницаемым породам – массивно- кристаллические породы (гранит, мрамор), имеющие минимальную впитывать в себя влагу, и глины. Последние, пропитавшись водой, в дальнейшем ее не пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, рыхлые песчаники, рыхловатые мергели и т.п.

По происхождению выделяется несколько типов подземных вод.

Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсоносных пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных — хлоридно-натриевые воды.

Конденсационные подземные воды образуются в результате конденсации водяных паров в порах или трещинах пород.

Седиментационные воды формируются в процессе геологического осадкообразования и обычно представляют собой измененные захороненные воды морского происхождения — хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др. К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях.

Воды, образующиеся из магмы при её кристаллизации и вулканическом метаморфизме горных пород, называются магматогенными, или ювенильными (по терминологии Э. Зюсса).

Грунтовые воды могут образовываться за счет искусственных гидротехнических сооружений например таких, как оросительные каналы.

По условиям движения в водоносных слоях различают подземные воды, циркулирующие в рыхлых (песчаных, гравийных и галечниковых) слоях и в трещиноватых скальных породах.

Подземные воды, перемещающиеся под влиянием силы тяжести, называются гравитационными, или свободными, в отличие от вод, связанных, удерживаемых молекулярными силами, — гигроскопических, плёночных, капиллярных и кристаллизационных.

В зависимости от характера пустот водовмещающих пород подземные воды делятся на:

· поровые — в песках, галечниках и др. обломочных породах;

· трещинные (жильные) — в скальных породах (гранитах, песчаниках);

· карстовые (трещинно-карстовые) — в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

По условиям залегания выделяют три типа подземных вод: верховодку, грунтовы е и напорные, или артезианские.

Верховодкой называются подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных или слабо проницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами.

Верховодка занимает ограниченные территории, это явление – временное, и происходит оно в период достаточного увлажнения; в засушливое время гола верховодка исчезает. Верховодка относится к первому от поверхности земли водоупорному пласту. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, в дождливые сезоны развивается заболачивание.

Грунтовые воды. Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Обычно они относятся к водонепроницаемому пласту и характеризуются более или менее постоянным притоком воды. Грунтовые воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность, повторяющую, как правило, неровности рельефа в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше.

Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям - на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое. Выходы подземных вод на поверхность называются родниками, или ключами.

Напорные, или артезианские воды. Напорными называют такие воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в месте питания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Если в центре такой чаши заложить артезианскую скважину, то вода из нее будет вытекать в виде фонтана по закону сообщающихся сосудов.

Размеры артезианских бассейнов бывают весьма значительными – до сотен и даже тысяч километров. Области питания таких бассейнов зачастую значительно удалены от мест извлечения воды. Артезианские воды характеризуются постоянством воды и хорошим качеством, что немаловажно для её практического использования.

Многие качественные и количественные показатели параметров подземных вод (уровня, напора, расходов, хим. и газового составов, температуры и др.) подвергаются кратковременным, многолетним и вековым изменениям, которые определяют режим подземных вод. Режим подземных вод - закономерное изменение во времени уровня, температуры, химического и газового составов подземных вод под влиянием естественных и искусственных факторов. Наибольшие колебания показателей режима происходят при неглубоком залегании подземных вод.

Гидрогеологическая карта - карта, отображающая распространение и условия залегания водоносных горизонтов. Содержат данные о качестве и производительности водоносных горизонтов, размерах, форме, положении древнего фундамента водонапорных систем, о взаимоотношении геологической структуры, рельефа и подземных вод. Составляются по результатам гидрогеологической съёмки с учётом геологических и тектонических карт. На картах отражается распространение различных водоносных горизонтов и их комплексов, источники и их дебит, колодцы, буровые скважины, карстовые воронки, кровля или подошва водоносной толщи, глубина залегания подземных вод и их химический состав. Гидрогеологические карты сопровождаются разрезами, на которых отражается геологическое строение района — литологический состав водоносных горизонтов, фациальные изменения, водоупорные толщи, глубины залегания и величина напоров водоносных горизонтов, положение свободной и пьезометрической поверхности подземных вод, их минерализация и дебит. К карте обычно прилагается пояснительный текст с характеристикой гидрогеологических условий района. Обычно гидрогеологический разрез совмещается с геол. разрезом и является составной частью плана развития горных работ на обводнённых шахтах или карьерах.

Подземные воды могут передвигаться путем фильтрации и инфильтрации.

Фильтрационные потоки подземных вод различаются по характеру движения и подчиняются двум законам: ламинарный - движение грунтового потока имеет параллельно-струйчатый характер, подчиняется закону Дарси; турбулентный – вихревой, более сложный характер.

Движение подземных вод может быть установившимся и неустановившимся, напорным и безнапорным.

При установившемся движении все элементы фильтрационного потока (скорость, расход, направление) не изменяются во времени или очень малы.

Неустановившимся называется поток, основные элементы которого изменяются во времени. Причиной может быть откачка воды из скважины, сброс сточных вод и т.п.

Напорные воды – имеют нижний и верхний водоупор. Характеризуются полным заполнением поперечного сечения водопроницаемого пласта водой. Образуются при откачке воды из скважин.

Ненапорные грунтовые воды имеют водоупор снизу и свободную поверхность сверху. Передвигаются при наличии разности гидравлических напоров (уровней):

H=H1-H2

Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (H) и длины пути фильтрации (L). Отношение разности напора к длине пути фильтрации называют гидравлическим уклоном (гидравлическим градиентом):

I=H/L

Теория движения подземных вод основывается на законе Дарси:

Q=kф*F*H/L=kф*F*I,

Q- расход воды (кол-во фильтрующейся воды в единицу времени), м3/сут;

kф - коэффициент фильтрации, м/сут;

F- площадь поперечного сечения потока воды, м2;

H - разность напоров, м;

L - длина пути фильтрации, м.

Скорость фильтрации v=Q/F или v=kф*I, м/сут, см/сут. Это кажущаяся скорость.

Действительная скорость vд=Q/F*n, n – пористость, выраженная в долях единицы.

В глинистых породах часть пор закрыта, поэтому вводят nакт – активную пористость.

kф – это скорость фильтрации при напорном градиенте равном 1. Определяется размерами и формой пор, плотностью воды, минеральным составом грунтов и др.

Методы определения: приближенная оценка возможна по табличным данным. Также могут применяться расчетные, лабораторные и полевые методы.

Водозаборы – это сооружения, с помощью которых производится захват подземных вод для водоснабжения:

-вертикальные – буровые скважины и шахтовые колодцы;

-горизонтальные – траншеи, штольни;

-лучевые – водосборные колодцы с лучами-фильтрами.

Приток воды – дебит – максимальное количество воды, которое дает водозаборное сооружение в единицу времени при постоянном уровне воды.

Временный отвод воды называют строительным водозабором, на весь период эксплуатации объекта – дренаж.

Ориентировочные значения коэффициентов фильтрации для разных грунтов м/сут:

Галечниковый 200

Гравийный 100 – 200

Крупнообломочный с песчаным заполнителем 100 – 150

Гравелистый песок 50 – 100

Крупный песок 25 – 75

Средней крупности песок 10 – 25

Мелкий песок 2 – 10

Пылеватый песок 0,1 – 2

Супесь 0,1 – 0,7

Суглинок 0,005 – 0,4

Глина 0,005

 

Торф:

Слаборазложившийся 1 – 4

Среднеразложившийся 0,15 – 1

Сильноразложившийся 0,01 – 0,15

Скорость движения воды в глинистых грунтах невелика из-за внутреннего сопротивления, создающегося из-за малых размеров пор и водно-коллоидных пленок. В отличие от песчаных, в глинистых грунтах фильтрация возможна лишь при достижении определенного градиента напора, способствующего преодолению водой внутреннего сопротивления.

 




<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Физические свойства подземных вод | П О Д З Е М Н Ы Й К Ё Н И Г

Дата добавления: 2015-08-12; просмотров: 1158. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Шрифт зодчего Шрифт зодчего состоит из прописных (заглавных), строчных букв и цифр...

Картограммы и картодиаграммы Картограммы и картодиаграммы применяются для изображения географической характеристики изучаемых явлений...

Практические расчеты на срез и смятие При изучении темы обратите внимание на основные расчетные предпосылки и условности расчета...

Функция спроса населения на данный товар Функция спроса населения на данный товар: Qd=7-Р. Функция предложения: Qs= -5+2Р,где...

Оценка качества Анализ документации. Имеющийся рецепт, паспорт письменного контроля и номер лекарственной формы соответствуют друг другу. Ингредиенты совместимы, расчеты сделаны верно, паспорт письменного контроля выписан верно. Правильность упаковки и оформления....

БИОХИМИЯ ТКАНЕЙ ЗУБА В составе зуба выделяют минерализованные и неминерализованные ткани...

Типология суицида. Феномен суицида (самоубийство или попытка самоубийства) чаще всего связывается с представлением о психологическом кризисе личности...

Тема: Изучение приспособленности организмов к среде обитания Цель:выяснить механизм образования приспособлений к среде обитания и их относительный характер, сделать вывод о том, что приспособленность – результат действия естественного отбора...

Тема: Изучение фенотипов местных сортов растений Цель: расширить знания о задачах современной селекции. Оборудование:пакетики семян различных сортов томатов...

Тема: Составление цепи питания Цель: расширить знания о биотических факторах среды. Оборудование:гербарные растения...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.016 сек.) русская версия | украинская версия