Грунтовая вода

Грунтовая вода залегает в первом от поверхности земли водопроницаемом слое, т.е. это вода первого от поверхности земли постоянного водоносного горизонта. Грунтовые воды достаточно постоянны, обычно занимают значительные площади и пополняются водой в основном за счёт атмосферных осадков (рис. 36). Грунтовые воды напором не обладают.

Рис. 36. Схема залегания грунтовых вод:

1 – уровень (зеркало) грунтовой воды, 2 – зона аэрации, 3 – зона насыщения водой,

4 – кровля водоупорного слоя

Поверхность слоя грунтовой воды называется зеркалом. Это зеркало в какой-то мере отвечает рельефу данной местности. Зеркало в разрезе, именуется уровнем грунтовой воды (УГВ) и на чертеже обозначается знаком перевернутого треугольника. Глубина залегания грунтовых вод от поверхности земли колеблется от 0 до 50 м и более. Ноль метров указывает, что зеркало соприкасается с поверхностью земли. Грунтовая вода лежит на поверхности водоупора, которая называется ложем. Расстояние между уровнем и ложем характеризует мощность слоя грунтовой воды, которая бывает от нескольких сантиметров до многих метров.

Глубины залегания и мощности слоёв грунтовых вод находятся в зависимости от климата и геологического строения данной местности.

Зональность грунтовых вод – это закономерное изменение глубин залегания, количества и качества грунтовых вод в связи с зональностью климата и ландшафта.

В европейской части России зоны с характерными природными условиями простираются в направлении с северо-запада на юго-восток, а в азиатской части – севера на юг (с различными отклонениями в зависимости от местных условий). В этих направлениях уменьшается количество атмосферных осадков, повышается сухость воздуха и в связи с этим увеличивается глубина залегания грунтовых вод и их минерализация.

Кроме зональных вод имеются азональные воды, не связанные с зональностью климата. К таким водам относятся грунтовые воды пойм речных долин, воды трещин скальных пород, карстовых районов, болот, солончаков, сельскохозяйственных орошаемых районов и вечной мерзлоты. Дадим некоторым из них краткую характеристику.

Трещинные воды – циркулируют в трещинах горных пород, образуя единую гидравлическую систему.

В зависимости от условий залегания они бывают, как грунтовыми, так и межпластовыми.

Трещинно-грунтовые воды развиты в верхней зоне земной коры (до глубины 80-100 м), сложенной скальными и полускальными породами, питаются атмосферными водами, имеют большие колебания уровней во времени.

Водоупором этих вод являются монолитные скальные массивы. В большинстве случаев это пресные воды гидрокарбонатно-кальциевого состава.

Карстовые воды циркулируют по трещинам и пустотам в массивах известняков, гипсов, солей и мергелей.

Количество этих вод определяется степенью развития карстовых пустот, отличаются интенсивным движением, особенно в верхней части карстовых массивов, непостоянством химического состава.

Грунтовые воды вечной мерзлоты.

В вечной (многолетней) мерзлоте содержится два вида вод: 1) надмерзлотные (грунтовые воды) и 2) межмерзлотные и подмерзлотные (межпластовые).

Надмерзлотные воды – это безнапорные водоносные горизонты типа верховодок и грунтовых вод, которые располагаются в верхней части вечномёрзлой толщи в так называемом деятельном слое.

Водоупором для них служит собственно вечная мерзлота. Питание эти воды получают за счёт атмосферных осадков, таяния снега и льда.

Воды деятельного слоя зимой промерзают, летом оттаивают и могут использоваться для водоснабжения, но количество их бывает незначительным и качество не всегда бывает хорошим. Лучшими качествами обладают надмерзлотные воды участков таликов, которые зимой не замерзают. Вода на этих участках имеет постоянный сток, пресная и очень холодная (до 0,5^оС). Она может активно использоваться для водоснабжения.

Межпластовая вода. Эта вода заключена в водоносных горизонтах, расположенных между двух водоупоров.

В количественном отношении её гораздо больше, чем грунтовой воды, однако она, как правило, залегает на значительных глубинах и в зону влияния зданий и сооружений попадает редко. Межпластовая вода в земной коре может быть безнапорной и напорной.

Безнапорные межпластовые воды встречаются редко. Они связаны с горизонтальным залеганием водоносных горизонтов, заполненных водой частично или полностью.

Напорные (артезианские) воды обязаны своим происхождением синклинальному (вогнутому) или моноклинальному (наклонному) характеру залегания водоносных слоёв. В этом случае отдельные части водоносного горизонта располагаются на различных высотных отметках, что и создаёт напор подземных вод.

Геологические структуры синклинального типа, содержащие один или несколько напорных водоносных горизонтов и занимающие значительные площади, называют артезианскими бассейнами. Так, Московский артезианский бассейн включает в себя 15 водоносных горизонтов и занимает площадь около 500 тысяч км². При моноклинальном залегании водоносных слоёв образуется артезианский склон.

Влияние различных видов подземных вод (верховодки, грунтовых и межпластовых вод) на условия возведения и дальнейшую эксплуатацию различных инженерных сооружений различно.

Верховодки, прежде всего, влияют на свойства горных пород и могут вызывать специфические процессы и явления в грунтах, такие, например, как набухание и морозное пучение.

Влияние грунтовых вод более многообразно в силу их более широкого распространения и постоянного присутствия в горных породах. С ними связано не только изменение свойств грунтов, но и многочисленные отрицательные процессы и явления, о которых будет сказано ниже.

Межпластовые подземные воды, на первый взгляд, в меньшей степени влияют на условия возведения и эксплуатации инженерных сооружений. Однако, если эти воды залегают относительно неглубоко, то могут быть вскрыты выемками или котлованами различных сооружений и в этом случае могут вызвать проблемы, значительно превышающие трудности, связанные с верховодками или грунтовыми водами. В частности, даже сравнительно глубокозалегающие напорные межпластовые воды являются, по существу, основным препятствием при возведении и эксплуатации подземных сооружений.

Глава 8. Закономерности движения подземных вод.

Глава 8. Закономерности движения подземных вод.

Гравитационная вода, заключённая в порах и пустотах горных пород передвигается в них под действием силы тяжести по определенным законам, обусловленным физическим состоянием самой воды, разностью уровней (напоров) в разных точках потока, свойствами горных пород, размерами пустот. Закономерности этого движения и их прикладные аспекты изучаются одним из разделов гидрогеологии – динамикой подземных вод. Основные положения этого раздела науки о подземных водах следует знать и учитывать при решении вопросов, связанных, прежде всего, с понижением уровня подземных вод или их полным отводом от различных сооружений, а также при планировании водоснабжения.

Следует отметить, что подземные воды в горных породах могут передвигаться, как путём инфильтрации, так и фильтрации.

Инфильтрация – нисходящее движение свободной (гравитационной) подземной воды в ненасыщенных ею горных породах по порам и трещинам.

Таким образом, при инфильтрации передвижение воды происходит при частичном заполнении пор пород водой или водяными парами. Это типично для зоны аэрации.

Фильтрация – движение подземных вод, других жидкостей, а также газов сквозь пористые или трещиноватые горные породы.

Причём, при фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор (или трещин) водой. Это создает фильтрационный поток. Фильтрационные потоки по характеру движения воды подчиняются двум законам – ламинарному и турбулентному. При ламинарном движении воды передвигаются в виде параллельных струй. Это движение свойственно водам, перемещающимся в песках, супесях и суглинках. Движение воды в виде вихревых струй происходит по турбулентному закону. Такое движение типично для течения вод в галечниках, по большим трещинам и пустотам скальных пород.

При решении вопросов движения грунтовых вод следует сказать, что движение может быть установившимся и неустановившимся. При установившемся движении все элементы фильтрационного потока (направление, скорость и др.) практически не изменяются во времени. При неустановившемся потоке эти основные элементы во времени колеблются, т.е. движение имеет переменный характер. Это связано с неравномерной инфильтрацией атмосферных осадков, искусственной откачкой вод и т.д.

Движение потока безнапорных подземных вод осуществляется за счёт разности гидравлических уровней, т.е. от мест более высоких к местам более низких уровней. Это можно видеть на рис. 37, где?Н = Н₁ - Н₂. отношение величины?Н к длине пути фильтрации L называется гидравлическим уклоном (или гидравлическим градиентом J), т.е. J =?H/L.

Гидравлический градиент – Частное от деления разности напоров в двух точках, расположенных по направлению течения, на длину пути фильтрации

Рис. 37. Формы залегания грунтовых вод:

1 – грунтовые воды, 2 – водоупор.

При ламинарном движении потока количество подземных вод, протекающее (фильтрующееся) через поперечное сечение породы в единицу времени, прямо пропорционально гидравлическому (напорному) градиенту, площади поперечного сечения потока и зависит от коэффициента фильтрации. Математически эта зависимость выражается формулой:

,

где Q – расход воды или количество фильтрующейся воды в единицу времени, м³/сут; К_ф – коэффициент фильтрации, м/сут, F – площадь поперечного сечения потока воды, м²;?Н разность уровней, м, L – длина пути фильтрации воды, м.

Приведённая зависимость получила название основного закона фильтрации или закона Дарси, названного так по имени французского инженера, впервые сформулировавшего её в 1856 г.

Вместе с тем, если принять площадь поперечного сечения потока подземных вод равной единице, т.е. разделить обе части равенства на величину площади (F), то мы получим величину удельного расхода воды:

или .

При этом, величина q имеет двойной физический смысл – удельный расход и одновременно скорость фильтрации воды через данную породу. Следовательно, закон Дарси можно выразить формулой:

,

где: V_ф – скорость фильтрации или приведённая скорость.

Нетрудно видеть, что если V_ф представляет собой величину скорости, а величина J безразмерна, то V_ф и k_ф имеют одинаковую размерность – размерность скорости (см/сек, м/сутки и т.д.), а величина коэффициента фильтрации (К_ф) будет численно равна величине скорости фильтрации (V_ф) при гидравлическом градиенте (J) равном единице.

Коэффициент фильтрации является одним из важнейших показателей для грунтов, используемых в строительстве. Он определяет водопроницаемость грунтов и, следовательно, их дренирующую способность. По величине Кф породы разделяют: 1) на высоководопроницаемые (более 1 м/сут) – галечники, гравий, пески, трещиноватые породы и др.; 2) слабопроницаемые (1-0,001 м/сут) – глинистые пески, торф, пористые известняки, суглинки и др. и 3) непроницаемые (меньше 0,001 м/сут) – глины, мёрзлые породы, массивные скальные породы и др.

Величина К_ф в породах определяется в грунтоведческих лабораториях с помощью приборов, может также устанавливаться в полевых условиях в массивах ненарушенных грунтов. В таблице 13 приводятся ориентировочные значения коэффициента фильтрации в различных горных породах.

Коэффициент фильтрации, по существу, является численным выражением скорости фильтрации, которая характерна для той или иной породы. Однако не следует смешивать скорость фильтрации со скоростью движения частиц воды в горных породах. Первую иногда называют кажущейся или приведённой скоростью, а вторую действительной или истинной скоростью. Среднюю скорость движения частиц воды можно получить, если расход воды отнести не к площади сечения потока подземных вод, а к сумме площадей отверстий (пор), по которым движется вода в породе, т.е. к пористости породы:

,

где пористость (n) выражается не в процентах, а в долях единицы.

Для установления границ применимости закона Дарси используется также понятие критической скорости фильтрации. Критическая скорость (V_кр) – скорость при которой движение воды от ламинарного переходит в турбулентное и закон Дарси перестаёт действовать.

Закономерность турбулентного движения воды выражается формулой Шези:

,

где: V – средняя скорость движения воды, см/сек,

C – коэффициент Шези, зависящий от шероховатости стенок и некоторых других условий;

R_r – гидравлический радиус, равный площади сечения потока, поделенной на смоченный периметр, см;

I – гидравлический градиент(гидравлический уклон).

По данным Г.Н. Каменского, линейный закон фильтрации (закон Дарси) справедлив при действительной средней скорости движения подземных вод до 1000 м/сут или при скорости фильтрации до 400 м/сут. Эти величины значительно превышают скорости естественных потоков подземных вод в супесях, песках и даже крупнообломочных породах и могут встречаться только в крупных трещинах и пустотах. В связи с этим в современной теории движения подземных вод, как правило, рассматривается только ламинарная (линейная) фильтрация. В подавляющем большинстве случаев строители и эксплуатационники сталкиваются с ламинарной фильтрацией в грунтовых водоносных горизонтах, т.е. с грунтовыми водами, которые имеют свои характерные черты и особенности.

Так, форма залегания грунтовых вод практически ограничивается двумя видами. Это грунтовый поток и грунтовый бассейн (рис.37). В грунтовом потоке происходит определённая фильтрация воды, а в грунтовом бассейне вода находится в практически неподвижном состоянии.

Направление движения потоков грунтовых вод зависит от местных геологических условий, рельефа местности и других факторов. Направление и характер движений необходимо знать при устройстве дренажей и для водоснабжения. Потоки (рис. 38) бывают плоские (1), радиальные расходящиеся (2), радиальные сходящиеся (3) и криволинейные (4). При определении направления потоков следует помнить, что установленное направление может отвечать только сравнительно ограниченной территории (или участка).

Рис. 38. Формы потоков грунтовых вод

Направление потока можно установить по карте гидроизогипс. Эта карта характеризует поверхность (зеркало) слоя воды, т.е. рельеф зеркала. Гидроизгипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровней зеркала безнапорных подземных вод.

Для построения карты выполняют буровые скважины, замеряют в них уровни грунтовой воды. Полученные абсолютные отметки методом интерполяции соединяют в линии, т.е. в гидроизогипсы.

Карты гидроизогипс совмещают с топографическими картами. Это видно на рис. 39, где показаны горизонтали (сплошные линии) и гидроизогипсы (пунктирные линии). По такой карте можно установить направление и скорость движения потоков грунтовых вод, а также глубину их залегания по разности отметок горизонталей и гидроизогипс.

Рис. 39. Карта гидроизогипс

Карты гидроизогипс позволяют установить характер связи грунтовых вод с поверхностными водами (рек, водохранилищ и т.д.). Они необходимы при проектировании водозаборов, в борьбе с процессом подтопления и др.

Более точное направление движения грунтовых вод для отдельного участка можно получить по трём буровым скважинам (рис. 40), в которых определяют абсолютные высотные отметки грунтовой воды. Перпендикуляр, показанный на рисунке, отвечает направлению потока. Иногда применяют метод красителей. Для этого надо иметь несколько скважин. В центральную скважину вводят краситель, и появление красителя в одной из скважин указывает направление потока воды.

Рис. 40. Определение направления потока грунтовой воды по трём буровым скважинам