Агрессивность подземных вод.

Тема 5.

Изучение гидрогеоло­гических условий местности.

Общие сведения.

Воды, находящиеся в верхней части земной коры и залегающие ниже поверхности земли, называются подземными.

Наука, занимающаяся изучением подземных вод, их происхождением, условиям залегания, закона движения, физических и химических свойств, связях с атмосферными и поверхностными водами, называется гидрогеологией.

Подземные воды – один из существующих и перспективных источников водоснабжения. В сравнении с поверхностными водами (реки, озёра, водохранилища), они обладают более высоким качеством, не требуют дорогостоящей очистки, лучше защищены от поверхностных загрязнений и широко распространены. Однако подземные воды не только источник водоснабжения, но и фактор, усложняющий строительство. Особенно сложным является производство земляных и горных работ в условиях притока подземных вод, затапливающих котлованы, карьеры, траншеи. Подземные воды ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых грунтов, могут быть агрессивной средой для металлических и бетонных сооружений, вызывают растворение многих горных пород (гипс, известняк и др.) с образованием пустот, способствуют образованию неблагоприятных инженерно-геологических процессов.

Строители должны изучать подземные воды и использовать их в производственных целях, уметь сопротивляться их негативному воздействию при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

 

Виды воды в грунтах.

Вода в условиях земной поверхности находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности морей, океанов и суши, она в парообразном состоянии поступает в атмосферу. На основании экспериментальных исследований, создана классификация видов воды в рыхлых горных породах. В настоящее время выделяют шесть видов воды:

1. Вода в форме пара содержится в воздухе, занимающем свободные от жидкой воды поры и тещины в горных породах.

2. Связанная вода. Различают два вида связанной воды.

Прочносвязанная вода (гигроскопическая) образуется путём адсорбции (поглощения) молекул парообразной воды на поверхности минеральных частиц горных пород. Прочносвязанная вода чаще присутствует в тонкодисперсных грунтах – суглинках и глинах.

Рыхлосвязанная вода (плёночная) располагается на поверхности частиц породы поверх прочносвязанной.

3. Капиллярная вода заполняет частично или полностью капиллярные трубки, узкие поры и трещинки горных пород и почв. Различают два основных вида капиллярных вод.

Капиллярно подвешенная вода, не связанная с уровнем подземных вод. Обычно образуется в верхней части почв и песчано-суглинистых грунтов зоны аэрации за счёт инфильтрации атмосферных осадков.

Капиллярно-подтянутая вода располагается над уровнем грунтовых вод, от которого она поднимается снизу вверх. Высота поднятия зависит от состава горных пород и колеблется:

· в крупнозернистых отложениях – несколько сантиметров;

· в суглинках – 2-3 м и более.

4. Гравитационная вода (свободная) свободно перемещается по порам, трещинам и другим пустотам под влиянием силы тяжести или гидродинамического напора. Подразделяется:

· вода, полностью заполняющая все поры и тещины в водопроницаемых горных породах;

· вода, просачивающаяся сверху вниз в зоне аэрации.

5. Вода в твёрдом состоянии в виде кристалликов, прослоек и линз льда. Образуется при сезонном промерзании водонасыщенных горных пород.

6. Кристаллизационная вода (химически связанная) входит в состав минералов и принимает участие в их кристаллической решётке.

 

Водные свойства грунтов.

Важнейшими свойствами грунтов по отношению к воде являются:

· влагоёмкость;

· водоотдача;

· водопроницаемость.

Показатели этих свойств используются при различных гидрогеологических расчётах.

Влагоёмкость – способность грунтов вмещать и удерживать определённое количество воды.

По степени влагоёмкости грунты подразделяют:

· сильно влагоёмкие – торф, глины, суглинки;

· слабовлагоёмкие – мел, мергель, супеси;

· невлагоёмкие – скальные грунты, пески, галечники.

В том случае, когда все поры заполнены водой, грунт находится в состоянии полного насыщения. Влажность, отвечающая этому состоянию, называется полной влагоёмкостью – W_п.в.

W_п.в. =

W_п.в. – полная влагоёмкость;

- пористость;

- плотность скелета грунта;

Водоотдача W_в – способность грунтов, насыщенных водой, отдавать гравитационную воду в виде свободного стока. Водоотдача песчаных грунтов определяется:

W_в = W_п.в. – W_м.м.в.

W_м.м.в. – максимально молекулярная влагоёмкость

Водопроницаемость – способность грунтов пропускать гравитационную воду через поры (рыхлые грунты) и трещины (плотные грунты).

Водопроницаемость грунтов характеризуется коэффициентом фильтрации – k_ф, представляющим собой скорость движения подземной воды при гидравлическом градиенте, равном 1 имеет размерность скорости (м/сут, м/час).

По величине k_ф грунты разделяют на три группы:

1. водопроницаемые – k_ф 1 м/сут (галечник, гравий, песок, трещиноватые грунты);

2. полупроницаемые – k_ф = 1 – 0,001 м/сут (глинистые пески, лёсс, торф, рыхлые песчаники);

3. непроницаемые – k_ф 0,001 м/сут (массивные грунты, глины).

Непроницаемые грунты называют – водоупорами.

Полупроницаемые и водопроницаемые называют – водоносными горизонтами.

 

4. Классификация подземных вод.

Существует целый ряд различных классификаций, но главные из них две. Подземные воды подразделяют:

- по характеру использования;

- по условиям залегания в земной коре.

 

По характеру использования подземных вод:

1. Хозяйственно-питьевые воды – подземные воды используют для хозяйственно-питьевых целей.

2. Технические воды – воды, которые используют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

3. Промышленные воды – содержат в растворе полезные элементы в количестве, имеющем промышленное сырьевое значение.

4. Минеральные воды – подземные воды, которые имеют повышенное содержание биологически активных микрокомпонентов, газов, радиоактивных элементов и т.д.

5. Термальные подземные воды – имеют температуру более 37ºС.

 

По условиям залегания в земной коре:

1. Верховодки;

2. Грунтовые воды;

3. Межпластовые воды.

На рисунке 1 изображена классификация подземных вод по условиям залегания. Верхняя часть земной коры в зависимости от степени насыщения водой пор грунтов делится на две зоны: верхнюю – зону аэрации и нижнюю – зону насыщения.

 

 

Рис. 1. Подземные воды по условиям залегания

Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. В этой зоне атмосферные осадки просачиваются из поверхности вод вглубь, в сторону зоны насыщения. Поры грунтов в этой зоне лишь частично заполнены водой, остальная их часть занята воздухом.

Зона насыщения расположена ниже уровня грунтовых вод. В этой зоне все поры заполнены гравитационной водой.

Верховодки – это временные скопления подземных вод в зоне аэрации на небольшой глубине от поверхности земли в результате инфильтрации атмосферных осадков. Наибольшая мощность и водообильность наблюдается весной (в период снеготаяния) и осенью (в период обильного выпадения осадков). Для верховодки характерны: временный сезонный характер, небольшая площадь распространения, малая мощность и безнапорность. Верховодка представляет значительную опасность для строительства. Залегая в пределах подземных частей зданий и сооружений (подвалы, котельные и др.), они могут вызвать их подтопление, если заранее не было предусмотрено дренирование или гидроизоляция.

Грунтовые воды – постоянные во времени и значительные по площади распространения, горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности выдержанном водоупоре (водонепроницаемом слое).

В грунтовых водах различают верхнюю поверхность (уровень грунтовых вод – УГВ) или зеркало и водоупорное ложе.

Водоупор, на котором лежит водоносный слой, называют ложем.

Расстояние от водоупора до уровня подземных вод называется мощностью водоносного слоя.

 

Грунтовые воды характеризуются следующими признаками:

 

· грунтовые воды имеют свободную поверхность, т.е. сверху они не перекрыты водоупорными слоями, а следовательно являются безнапорными;

· питание грунтовых вод происходит за счёт атмосферных осадков, поступления воды из поверхностных водоёмов и рек;

· грунтовые воды находятся в непрерывном движении и образуют потоки, направленные в сторону общего уклона водоупора;

· количество, качество и глубина залегания грунтовых вод зависят от геологических условий местности и климатических факторов.

 

Межпластовые подземные воды – располагаются в водоносных горизонтах между водоупорами и бывают безнапорными и напорными.

Межпластовые безнапорные воды находятся между двумя водоупорными слоями и связаны с горизонтально залегающими водоносными слоями, заполненными водой частично или полностью.

Межпластовые напорные (артезианские) воды – подземные воды водоносных горизонтов, перекрытых и подстилающихся водонепроницаемыми пластами горных пород. Они связаны с залеганием водоносных слоёв в виде синклиналей или моноклиналей.

Площадь распространения напорных водоносных горизонтов называют артезианским бассейном.

Напорные воды встречаются не только в слоях, залегающих между двумя водоупорами, но и в массивах скальных, трещиноватых пород, а также в карстовых пустотах и в вечной мерзлоте. Отдельные части водоносных слоёв залегают на различных высотных отметках, что и создаёт напор подземных вод. Напорность вод характеризуется пьезометрическим уровнем.

Уровень напорных вод называется пьезометрическим уровнем.

В артезианских бассейнах выделяют три области: питания, напора (распространения) и разгрузки.

Областью питания напорных вод является площадь выхода на дневную поверхность водоносного слоя. Атмосферные осадки движутся по уклону водопроницаемых слоёв к центральным частям бассейнов, заполняют весь слой и приобретают гидростатический напор.

Областью разгрузки называют участки выходов напорных подземных вод на поверхность.

Область напора – это основная площадь распространения артезианских вод, расположенная между областями питания и разгрузки.

 

Режим подземных вод.

Режим подземных вод – это изменение во времени их уровня, химического состава, температуры и расхода.

Изучение режима грунтовых вод сказывается на условиях строительства и эксплуатации зданий и сооружений и должно учитываться при проектировании. Подъём уровня воды может привести к подтоплению подвальных помещений, разрушению строительных конструкций, понижению прочности грунтов оснований. Основные причины колебания уровня грунтовых вод:

1. метеорологические факторы;

2. гидрологические условия;

3. колебания земной коры;

4. антропогенная деятельность человека.

Метеорологические факторы – количество атмосферных осадков, интенсивность испарения воды, величина атмосферного давления. Эти факторы вызывают сезонные и годовые (многолетние) колебания уровня.

Гидрологические условия – влияние на грунтовые воды рек и водохранилищ. Паводки на реках вызывают временный подъём уровней грунтовых вод. устройство водохранилищ приводит к постоянному поднятию уровней рек и грунтовых вод. Уровни сохраняются на протяжении всего времени существования водохранилищ.

Колебания земной коры – опускание или поднятие отдельных участков суши. Поднятие суши приводит к снижению уровня грунтовых вод, т.к. породы лучше дренируются. При опускании грунтовые воды слабо фильтруются, накапливаются, уровень их повышается.

Антропогенная деятельность человека существенно сказывается на положении уровня грунтовых вод. Водохранилища, пруды, системы орошения, судоходные каналы и многие другие сооружения приводят к повышению уровня грунтовых вод и образованию верховодок. При проектировании таких сооружений необходимо предусматривать влияние подземных вод на ранее построенные сооружения.

Понижение уровня грунтовых вод вызывают откачки из колодцев, скважин, шахт и т.д.

В областях распространения лёссовых пород на площадках жилых районов и особенно на участках промышленных сооружений, уровень грунтовых вод с течением времени повышается. Это связано с утечками воды из водопроводных и канализационных систем, уменьшением испарения воды в результате застройки территорий. В тех случаях, когда лёссовые основания подстилаются хорошо проницаемыми породами (пески, галечник и др.), накопления грунтовых вод не происходит, однако в верхней части лёссовой толщи возможно формирование верховодок.

 

Движение подземных вод.

Подземные воды в большинстве случаев находятся в движении. Законы движения подземных вод используются при гидрогеологических расчётах водозаборов, дренажей, определения запасов подземных вод и т.д. Движение подземных вод может быть установившимся и неустановившимся.

При установившемся движении скорость, расход, направление потока не изменяются во времени.

При неустановившемся движении все элементы изменяются не только в пространстве, но и во времени.

Подземный поток становится переменным, т.е. приобретает неустановившийся характер движения под действием различных естественных и искусственных факторов (неравномерная инфильтрация атмосферных осадков, откачка воды из скважины, сброс сточных вод).

Фильтрационные подземные потоки как в плане, так и в разрезе имеют естественные границы.

Границами напорного потока в разрезе служат верхний и нижний водоупор, а безнапорного – водоупор (снизу) и свободная поверхность (сверху). Границей потока в разрезе может быть также плоскость раздела пород с различной водопроницаемостью.

На строительных площадках при решении практических задач по водоснабжению или устройству дренажей, необходимо знать направление движения потоков воды. Ниже рассматривается один из способов (метод трёх скважин) определения направления движения грунтовых вод. На вершинах равностороннего треугольника расположены буровые скважины с отметками уровней воды (рис 2).

 

Рис.2

1,2,3 – буровые скважины с отметками уровней воды;

4 – гидроизогипса

Между наибольшей и наименьшей отметками (125 и 130) путём линейной интерполяции находят точку с отметкой воды – 128 м. Две одинаковые отметки соединяют прямой линией. На эту линию с наибольшей отметки опускают перпендикуляр, который указывает направление потока воды.

Движение подземных вод происходит при наличии разности гидравлических напоров (уровней). Воды движутся с мест с более высоким напором к местам с низким напором. Чем больше разность напоров, тем скорость движения подземных вод будет выше. Наибольшая скорость движения подземных вод наблюдается в галечниках и сильно закарстованных породах.

Отвод грунтовых вод со строительной площадки или снижение их уровней может производится временно, только на период производства строительных работ или практически на весь период эксплуатации объекта.

Временный отвод воды – снижение уровня называют строительным водозабором.

Отвод воды на весь период эксплуатации называют дренажами.

Водозаборы – это сооружения, с помощью которых происходит забор подземных вод для водоснабжения, отвод их с территории строительства и в целях понижения уровня грунтовых вод.

Существуют различные типы подземных водозаборных сооружений. Для водоснабжения и водопонижения чаще всего используют колодцы и буровые скважины. При откачке воды из колодца возникает депрессионная воронка (рис.3), уровень воды в колодце понижается. Производительность колодца определяется величиной дебита (рис.4).

Рис. 3

Депрессионная воронка

1 – уровень грунтовых вод;

2 – депрессионная кривая;

S – понижение уровня воды в скважине при откачке;

R –радиус воронки.

Дебет колодца – это максимальное количество воды, которое он может дать в единицу времени при постоянстве уровня воды в колодце.

 

Q =

 

Q – расход воды (м/сут.);

k_ф – коэффициент фильтрации;

Н – мощность слоя грунтовой воды;

S – понижение уровня грунтовой воды;

R – радиус влияния депрессионной воронки;

r – радиус колодца.

 

Рис.4

Агрессивность подземных вод.

Воды определённого химического состава могут оказывать разрушающее действие на бетонные и металлические конструкции, фильтры скважин, обсадные трубы, насосы и т.д. Подземная вода, разрушающая бетон и металл, считается агрессивной.

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворённых в воде солей на строительные материалы, в частности на портландцемент. Поэтому при возведении фундаментов и строительстве различных сооружений необходимо оценивать агрессивность подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивных вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это связано с различной скоростью движения воды – чем она выше, тем больше объёмов воды войдёт в контакт с поверхностью бетона, а следовательно, агрессивность будет выше. Для защиты бетонов от агрессивных вод используют специальные цементы, производят гидроизоляцию подземных частей зданий и сооружений, понижают уровень грунтовых вод и т.д.

Подземная вода с растворёнными в ней солями и газами обладает коррозийной активностью по отношению к железу и другим металлам. Коррозии способствует повышение температуры подземной воды, увеличение скорости её движения, электрические поля в грунтовых толщах.

Оценка коррозийной активности вод по отношении к некоторым металлам производится по действующему ГОСТу. После этого, согласно СНиПу, выбирают мероприятия по предотвращению возможной коррозии.

 

Вопросы для самопроверки:

1. Дайте характеристику видам воды в грунтах.

2. Перечислите важнейшими свойства грунтов по отношению к воде.

3. Что такое влагоёмкость?

4. Что такое водоотдача?

5. Что такое водопроницаемость?

6. Классификация подземных вод по характеру использования.

7. Классификация подземных вод поусловиям залегания в земной коре.

8. Дайте характеристику верховодкам.

9. Дайте характеристику грунтовым водам.

10. Дайте характеристику межпластовым подземным водам.

11. Охарактеризуйте основные причины колебания уровня грунтовых вод.

12. Каким может быть движение подземных вод?

13. Как производится отвод грунтовых вод со строительной площадки?