Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах

Трещинные воды – это подземные воды, циркулирующие в трещиноватых горных породах. Перемещаются они по системе взаимосвязанных трещин разного происхождения: тектоническим разломам, трещинам отдельных магматических массивов, трещинам выветривания и образуют единую гидравлическую систему, напоминающую систему сообщающихся сосудов образуют единую гидравлическую систему. Рисунок 1

 

Рисунок 2

 

Классификация по условиям залегания: грунтовые, межпластовые, жильные.

Трещинно-грунтовые воды развиты в верхней трещиноватой зоне кристаллических массивов (до глубины 80-100 м) питание за счет инфильтрации атмосферных осадков. Площади их питания совпадают с площадью распространении. Водоупором трещинно-грунтовых вод служат монолитные нетрещиноватые скальные породы. Водообильность трещинно-грунтовых вод определяется условиями их питания и степенью трещиноватости горных пород.

Межпластовые воды циркулируют в артезианских бассейнах, если водоносные слои их представлены трещиноватыми горными породами.

Трещинно-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это линейно вытянутые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глубину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повышенную температуру. Характерен напорный режим. Трещинно-жильные воды, как правило, водообильны, часто разгружаются на поверхности земли, образую мощные родники. Трещинно-жильные воды получают питание за счет трещинно-грунтовых вод, разгрузки глубокозалегающих напорных водоносных горизонтов и других источников.

Химический состав как трещинно-жильных, так и карстовых вод определяется составом вмещающих их горных пород. В зоне интенсивного водообмена трещинно-жильные обычно пресные, гидрокарбонатные в (известняках) или жесткие сульфатные (в гипсах)

Закарстованные воды. Подземные воды, которые циркулируют по трещинам и пустотам карстового происхождения.

Степень и характер закарстованности горных пород определяют глубину развития, интенсивность движения, гидравлическое состояние, водообильность карстовых вод.

Подземные воды вечной мерзлоты Подземные воды в районах многолетней мерзлоты контактируют или непосредственно содержатся в толще многомерзлых пород. Подразделяются надмерзлотными, межмерзлотными и подмерзлотными водами.

Надмерзлотные воды - воды, подстилающим Водоупором для них служит многолетнемёрзлая толща, пустоты, трещины, поры которой постоянно заполнены льдом. Образуют безнапорные горизонты типа верховодки и грунтовых вод.

Межмерзлотные воды – содержатся внутри толщи многолетней мерзлоты как в твердой (лед), так и в жидкой фазе (зона прерывистых и сквозных таликов). В жидкой фазе обычно напорные. Имеют связь с надмерзлотными и подмерзлотными водами.

Подмерзлотные воды циркулируют ниже многолетнемерзлотной толщи, поэтому встречаются только в жидкой фазе. Воды напорны, величина напора может достигать до сотен метров. Используются в водоснабжении.

В зависимости от того, в каком состоянии в грунтах находится вода, она классифицируется следующим образом: парообразная; связанная - прочносвязанная (гигроскопическая), рыхлосвязанная; свободная – капиллярная, гравитационная; в твердом состоянии (лед); кристаллизационная и химически связанная.

Парообразная вода.

Количество водяного пара в грунтах не превышает тысячных долей процента от общего веса грунта. Однако водяной пар играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, в силу того, что может свободно передвигаться в грунте при незначительной его влажности, а также потому, что при конденсации пара на поверхности грунтовых частиц образуются другие виды воды.

Связанная вода

Минеральные частицы окружены рядом концентрических слоев воды. Слои воды удерживаются частицами с различной силой, в зависимости от того, насколько данный слой воды близок к минеральной частице: чем ближе, тем прочнее он с ней связан. Установлено, что связь между пленками воды и минеральными частицами обусловлена молекулярными силами. Присутствие различных категорий связанной воды значительно меняет состояние и свойства грунтов

Прочносвязанная (гигроскопическая) вода. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая образуется при абсорбации грунтовыми частицами парообразной влаги при относительной ее упругости, равной 100%.

Сама прочносвязанная вода имеет несколько разновидностей. Вода базальных поверхностей глинистых минералов (поверхности, перпендикулярные ребрам и сколам их кристаллической решетки) образует вокруг глинистых частиц сплошные плёнки воды, из-за чего величина связи между отдельными частицами уменьшается, что ведет к снижению прочности глинистых грунтов. При полном содержании всех видов прочносвязанной воды, т. е. при влажности, близкой к максимальной гигроскопичности, эта потеря прочности весьма значительна.

Содержание прочносвязанной воды в дисперсных грунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности минеральных частиц. В зависимости от комплекса факторов содержание прочносвязанной воды лежит в пределах 0,2-30%

Рыхлосвязанная вода подразделяется на плёночную и осмотическую. Пленочная влага как бы облекает собой прочносвязанную и удерживается молекулярными силами в меньшей степени, хотя природа ее взаимодействия с частицами весь близка к поведению прочносвязанной влаги. Осмотическая вода образуется в результате проникновения молекул воды из грунтовых растворов. Этот вид воды весьма слабо связан с поверхностью грунтовых частиц, подвижность ее весьма близка к подвижности свободной воды.

Свободная вода

Капиллярная вода делится на три вида: 1) вода углов пор; 2) подвешенная вода; 3) собственно капиллярная вода. Вода углов образуется в местах соприкосновения на контактах частиц – в виде отдельных капель, занимающих суженные части пор и ограниченных менисками воды. Собственно капиллярная вода формируется за счет поднятия воды верх от уровня грунтовых вод, образуя под грунтовыми водами в массиве грунта капиллярную кайму. При промачивании грунтов сверху, например, при атмосферных осадках, при возведении грунтовых плотин гидромеханизацией или отсыпкой, при увлажнении и укатке грунта, в грунтах образуется подвешенная вода

Гравитационная вода. Делится на воду просачивания и воду грунтового потока. Первый тип воды преимущественно располагается в зоне аэрации и перемещается сверху вниз пока не достигнет водоупорный слой. После этого дальнейшее продвижение воды происходит под влиянием напора в виде грунтового потока.

Вода в твердом состоянии. При температурах ниже нуля гравитационная вода замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед может формировать в грунте, как прослои различной толщины, так и рассеянные в его толще отдельные кристаллы. Кристаллический лед играет роль природного цемента. Присутствие льда резко изменяет свойства грунта.

Кристаллизационная и химически связанная вода. Кристаллизационная и химически связанная вода участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов. Вода входит в состав гипса (CaSO₄ ^. 2H₂O) и ряда других минералов. Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической решетки минералов, сохраняет свою структуру. Химически связанная вода (Fe₂O₃ ^. n H₂O) не сохраняет своего молекулярного единства, но более прочно, чем кристаллизационная, связана с другими молекулами кристалла.

Сформируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовите требование к питьевой воде. Объясните причины агрессии воды к бетону и металлу

Ненапорные подземные воды в зоне полного насыщения передвигаются при наличии разности гидравлических напоров (уровней) от мест с более высоким к местам с низким напором (уровнем). Разность напоров ∆H = H₁  - H₂ в сечениях I и II (Рисунок 3) обуславливает движение воды в направлении сечения II. Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (чем больше ∆H, тем больше скорость) и длины пути фильтрации.

 

Рисунок 3

1 – поверхность земли; 2 – песок (водовмещающая порода); 3 – поток грунтовой воды, 4 – водоупор; I – ось первой скважины; II – ось второй скважины; H₁ – высота (величина напора в первой скважине); H₂ – высота (величина напора во второй скважине); ∆H – падение напора грунтовой воды; l расстояние между скважинами

Отношение разности напора ∆H к длине пути l называют гидравлическим уклоном (градиентом)   I = ∆H/l

Основной закон фильтрации подземных вод. Современная теория движения подземных вод основывается на применении закона Дарси:

 

Q=kфF∆H/l= kфFI

 

Где Q – расход воды или количество фильтрующей воды в единицу времени, м³/сут; k_ф – коэффициент фильтрации, м/сут; F – площадь поперечного сечения потока воды, м²; ∆H – разность напоров, м; I – длина пути фильтрации, м.

Выведено это выражение для пород с ламинарным (параллельно, струйчатым, без пульсации) характером движения подземных вод, которое имеет место в песках, песчаниках и других породах. Позднее Н.Н. Павловским, Т.Н. Каменским и Н.К. Гиринским доказана правомерность этого закона и для гравелистых пород, где скорости достигают 125 м/сут.

 Эту скорость фильтрации называют кажущейся, поскольку расход потока отнесен ко всей площади поперечного сечения фильтрующей породы. Если принять напорный градиент за единицу, то коэффициент фильтрации можно рассматривать как кажущуюся скорость движения воды.

Действительную скорость (Vq) представляет собой отношение расхода воды к той части поперечного сечения, которая занята порами:

 

В глинистых породах, где много физически влаги, не участвующей в гравитационном движении воды и заполняющей поры, различают активную пористость (П_акт), показывающую какая часть сечения породы способна пропускать движущуюся воду

П_акт=П – W_ММВ ^. γ_ск

Где W_ММВ максимальная молекулярная влагоёмкость в долях единицы, γ_ск - объемный вес скелета породы

Методы определения коэффициента фильтрации.

Расчетным путем коэффициент фильтрации определяется преимущественно для песков и гравелистых пород. Эти методы являются приближенными и рекомендуются на начальных этапах исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью степенью однородности

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения во­ды через образец грунта при различ­ных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с посто­янным напором и с переменным. Рисунок 1

Принцип работы приборов: В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П₁ и П₂ помещают испытуемый грунт, через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I = ΔH/L) и измеряя расход профильтровавшейся воды Q, находим коэффициент фильтрации по формуле k_ф = QL/F(h1-h2),

Где h₁ и h₂ – показатели пьезометров; L – расстояние между точками их соединения

 

 

                       Рисунок 4                                                     Рисунок 5

 

Приборы, моделирующие посто­янство напорного градиента, т. е. ус­тановившееся движение, примени­мы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ (Рисунок 5), позволяющие определять коэффициент фильтрации образцов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение коэффициента фильтрации в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемо­стью.

Простота и дешевизна ла­бораторных методов позволя­ет широко их использовать для массовых определений коэф­фициента фильтрации.

Полевые методы позволя­ют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее до­стоверные результаты.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов – методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Наилучшим питьевым качеством обладают воды при pH = 6,5…8,5. Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают механические примеси. Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ: соленый – от хлористого натрия, горький – от сульфата магния и т. д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ.

Вода для питьевых целей должна быть бесцветна, прозрачна, не иметь запаха, быть приятной на вкус. Количество растворенных солей не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием, озонированием и кипячением.

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воз­действии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при строительстве фундамен­тов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды — чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.

По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:

Общекислотная – оценивается величиной pH.

Сульфатная – определяется по содержанию иона SO₄^2-

Магнезиальная – устанавливается по содержанию иона Mg²⁺

Карбонатная – связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты (возможен только в песчаных породах)

Агрессивноедействие подземных вод на металлы(коррозия металлов). Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозионной активностью по отношению к железу и другим металлам. Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода действует значительно агрессивней, чем жесткая. Влияние сильнокислых и сильно щелочных вод способствует наибольшему разъеданию металлов. Коррозии способствует повышение температуры воды, увеличение скорости ее движения, электрического поля в грунтовых толщах.