Лекция 3
Классификация и состав подземных вод
1. Классификация подземных вод
2. Состав подземных вод
3. Водопонижение уровней грунтовых вод
4. Охрана подземных вод
Литература:
1. В.П. Ананьев, А.Д. Потапов. Инженерная геология, М., «Высшая школа», 2002
2. Л.Д. Белый, В.В. Попов. Инженерная геология, М. Стройиздат, 2005
3. Л.М. Пешковский, Г.М. Перескотова, Инженерная геология, М. Недра, 2002
Классификация подземных вод
Вода в природе имеет широкое распространение. Она содержится в атмосфере, гидросфере и биосфере. Горные породы по своему происхождению и вследствие вторичных процессов (выветривания, выщелачивания, тектонические подвижек и др.) не являются монолитными, а содержат в себе поры, пустоты и трещины самых различных форм и размеров. Это облегчает инфильтрацию атмосферных осадков и конденсацию паров воды в коре вы- ветривания, способствуя образованию в ней водоносных горизонтов. Воды могут стекать по уклону кровли водоупорных плотных невыветрелых или слабо затронутых выветриванием пород. Воды, находящиеся в верхней части литосферы называют подземными. Подземные воды играют большую роль в жизни и хозяйственной деятельности человека. Для строителей подземные воды служат либо источником водоснабжения, или выступают как фактор, затрудняющий строительство.
Особенно сложно производство земляных и горных работ в условиях притока подземных вод, затапливающих котлованы, карьеры, и другие виды выработок. Появление подземных вод в рыхлых породах ведет к ухудшению их физико-механических свойств. В глинистых породах насыщение водой, как правило, приводит к текучести, а в песчаных – к плывучести. В известняках, гипсах, каменной соли подземные воды вызывают растворение вещества с образованием крупных пустот. Виды воды 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. Наряду с другими компонентами в состав грунтовой атмосферы входит водяной пар. Обычно 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 (что отличает его от всех других видов воды в грунтах), а также потому, что при конденсации пара на поверхности грунтовых частиц образуются другие виды воды. Парообразная вода в грунте находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды, например, с гигроскопической и с водяным паром в атмосфере. Парообразная вода способна при определенных условиях конденсироваться. Возможность образования из парообразной воды других видов связана со способностью и интенсивностью адсорбции парообразной воды минеральными частицами. Около 50 % конденсационной воды адсорбируется поверхностью грунтовых частиц, а оставшаяся часть конденсируется в микропорах грунта, где она переходит в связанную воду. Подвижность парообразной влаги в определенных условиях влияет на свойства грунтов, особенно глинистых, лессовых, где она воздействует на их естественную влажность.
Связанная вода. Еще в начале нашего века специалистами, изучавшими поведение почв и грунтов, установлено, что минеральные частицы в них 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. Современные исследования подтвердили изложенные предположения, и было установлено, что связь между пленками воды и минеральными частицами обусловлена молекулярными силами. Связанная вода составляет более 40 % всей воды, содержащейся в глинистых породах. Присутствие различных категорий связанной воды в грунтах любого состава резко изменяет их состояние и свойства. По своим характеристикам связанная вода существенно отличается от свободной воды (в частности, от той, которую мы знаем в обыденной жизни). Связанная вода перемещается в грунтах в сторону падения электрического потенциала, увеличения дисперсности грунта, большего содержания глинистых минералов, в сторону падения температур грунта. Связанная вода замерзает при температуре, близкой к -40С. Связанную воду принято подразделять на прочносвязанную и рыхлосвязанную.
Прочносвязанная вода. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах примерно соответствует максимальной гигроскопичности, т.е. той влажности грунта, которая образуется при адсорбции грунтовыми частицами парообразной влаги при относительной ее упругости, равной 100%. Сама прочносвязанная вода имеет несколько разновидностей, каждая из которых существенно влияет на свойства пород; например, так называемая вода базальных поверхностей глинистых минералов (поверхности, перпендикулярные ребрам и сколам их кристаллической решетки) образует вокруг глинистых частиц сплошные пленки воды, вследствие этого величина связи между отдельными частицами уменьшается, что ведет к снижению прочности глинистых грунтов. Содержание прочносвязанной воды в дисперсных грунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности минеральных частиц, а также составом обменных катионов в них.
Рыхлосвязанная вода по своим свойствам существенно отличается от прочносвязанной, например, имеет плотность, близкую к плотности свободной воды. Рыхлосвязанная вода подразделяется на пленочную и осмотическую. Пленочная влага как бы облекает собой прочносвязанную и удерживается молекулярными силами в значительно меньшей степени, хотя природа ее взаимодействия с частицами весьма близка к поведению прочносвязанной влаги, но она подвижнее и диполи молекул воды в водной оболочке сориентированы относительно частицы грунта в значительной мере хуже. Суммарное содержание всех видов прочносвязанной и пленочной воды составляет влажность, которая называется максимальной молекулярной влагоемкостью грунтов. 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 и по структуре и свойствам практически от нее не отличается. Наличие в грунтах осмотической влаги обусловливает, особенно в глинистых грунтах, их пластичность во вполне определенных для различных грунтов диапазонах влажности.
Свободная вода. Рассмотрим сначала капиллярную влагу. Капиллярную воду подразделяют на три вида:
1) вода углов пор;
2) подвешенная вода;
3) собственно капиллярная вода.
Первый вид воды (вода углов пор, или стыковая вода) иногда называют капиллярно-разобщенной водой или капиллярно-неподвижным состоянием свободной грунтовой воды. Этими названиями вполне четко характеризуется данный вид воды. Вода углов пор обычно образуется в местах соприкосновения – на контактах частиц – в виде отдельных капель, занимающих суженные части пор и ограниченных менисками воды. Содержание этого вида воды, например в песках, составляет 3-5 %, в супесях – 4-7 %. С ростом дисперсности количество воды до определенного предела растет. При увеличении влажности грунта капиллярные поры могут быть полностью заполнены водой, в этом случае капиллярную воду подразделяют на собственно капиллярную и подвешенную воду (в зависимости от того, соединяется она с уровнем грунтовых вод или нет). Собственно капиллярная вода формируется за счет поднятия воды вверх от уровня грунтовых вод, образуя под грунтовыми водами в массиве грунта капиллярную кайму. При уменьшении капиллярной воды в связи с высыханием грунта наблюдается ее восстановление благодаря подъему по капиллярным порам новых порций воды из водоносных горизонтов, подобно тому, как это происходит в капиллярной трубке, опущенной одним концом в воду. Вся влага, которая поступает в грунт сверх величины наименьшей влагоемкости, стекает по порам в нижележащие слои массива или слоистой толщи грунта.
Переходим к рассмотрению гравитационной воды, которую подразделяют на:
1) просачивающуюся воду
2) воду грунтового потока.
Первый вид воды преимущественно располагается в зоне аэрации (зона аэрации это часть грунтового массива, располагающегося между поверхностью земли и поверхностью грунтовых вод; в этой зоне грунт находится в трехфазном состоянии: минеральные частицы–воздух–вода) и перемещается под действием гравитационной силы сверху вниз. Это движение продолжается до тех пор, пока вода не встретит на своем пути слой грунта, обладающий малой водопроницаемостью, – фактически водонепроницаемый, водоупорный горизонт. После этого дальнейшее движение воды происходит под влиянием напора в виде потока грунтовых вод. Слой грунта, в котором движется вода грунтового потока, называют водоносным горизонтом. В различных по степени дисперсности и неоднородности грунтах количество гравитационной воды может быть различным: так, в крупнообломочных грунтах (гравий, галечник) и в крупнозернистых песках гравитационная вода преобладает над другими видами воды. Максимально возможное содержание в грунте связанной, капиллярной и гравитационной воды при полном заполнении его пор называют полной влагоемкостью грунта. Гравитационная вода обладает всеми свойствами обычной воды. Она содержит в себе растворенные соли и газы, а также вещества в коллоидальном состоянии. Минерализация подземных вод увеличивается с глубиной. Растворенные в воде соли находятся в подвижном равновесии с твердой составляющей грунтов и взаимодействуют с ней. Гравитационная вода практически всегда находится в движении. Проблемами динамики подземных вод и влиянием их на строительные свойства массивов и слоистых толщ грунтов занимается гидрогеология. Движущаяся вода способна к растворению горных пород, выносу из них частиц, т. е. к изменению структуры и состава грунтов, к образованию и активизации геологических процессов.
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, иногда значительной мощности, так и рассеянные в его толще отдельные кристаллы. Кристаллический лед в большинстве случаев играет роль природного цемента, скрепляющего минеральные частицы друг с другом. Присутствие льда резко изменяет свойства грунта. Свойства мерзлых рыхлых грунтов зависят от изменений температуры, особенно при колебаниях ее около 0 °С, так как вблизи этой границы резко меняется количество в грунте незамерзшей воды. Соотношение содержания незамерзшей воды и льда в грунте влияет на изменение большей части физических и химических свойств дисперсных мерзлых грунтов. Резкое изменение строения грунтов происходит при миграции влаги и льдовыделении в процессе промерзания дисперсных, особенно глинистых, грунтов. Эти изменения влекут за собой естественное изменение физических и механических свойств грунтов. Следует иметь в виду, что повторное замерзание и оттаивание дисперсных пород приводят к необратимым изменениям структуры (и в том числе степени дисперсности) и свойств этих пород, так, например, увеличивается количество свободной воды, возрастает фильтрационная способность, изменяются прочность, электрические и другие свойства. Влажные песчаные грунты при промерзании резко изменяют свои свойства уже при близких к нулю отрицательных температурах; глинистые же грунты при замерзании изменяют свои свойства более плавно, монотонно и в более значительном диапазоне отрицательных температур. Изучением свойств мерзлых грунтов занимается мерзлотоведение. Мерзлые грунты распространены в России широко, поэтому в строительстве их используют очень часто. Кроме того, значительные территории страны относятся к климатическим зонам, где грунты испытывают постоянное (ежегодное) сезонное промерзание–оттаивание.
Кристаллизационная и химически связанная вода. Кристаллизационная и химически связанная вода, часто называемая конституционной, участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов. Так, вода входит в состав таких минералов, как гипс и ряда других. Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической решетки минералов, сохраняет свою молекулярную форму. Химически связанная вода входит в состав таких соединений, как, например, лимонит. Эта вода не сохраняет своего молекулярного единства, однако более прочно, по сравнению с кристаллизационной, связана с другими молекулами кристаллических решеток. Для того чтобы удалить химически связанную воду из минерала, его нужно нагреть примерно до 200°С, а это может привести к распаду (разрушению) минерала. В химически связанной воде, в отличие от кристаллизационной, в некоторых случаях ион водорода может замещаться ионом металла (Са, Mg, Na, К, Fe). Химически связанная и кристаллизационная вода или одна из них присутствуют во вторичных минералах. Среди первичных минералов значительное количество безводных. Поэтому в глинистых грунтах вода, входящая в кристаллические решетки минералов, играет более значительную роль, чем в песчаных.
Состав подземных вод
Изучением происхождения подземных вод, движения, состава и их свойств занимается наука – гидрогеология. Подземные воды классифицируются по гидравлическим признакам, по температуре, по химическому составу и т.д.
По гидравлическому признаку делятся на: ненапорные, напорные.
Не напорные воды:
- Грунтовые воды – над первым от поверхности водоупором, различают: зону аэрации, зону насыщения, кона капиллярного поднятия (кайма).
- Верховодка – накапливается в зоне аэрации над ограниченными по площади водоупорами; носит сезонный характер и непостоянный химический состав;
- Межпластовые воды – залегают между двумя водоупорами, питание идет в местах выклинивания верхнего водоупора или его размыва.
Напорные воды. Условия залегания – наличие водоносного горизонта между двумя водоупорами при пликативных дислокациях – моноклинального или антиклинального залегания слоев, когда области питания по абсолютным отметкам выше областей дренирования.
При строительстве фундаментов и подземных сооружений в зоне влияния подземных вод последние анализируются на предмет их агрессивного воздействия на конструкции.
Виды агрессии: общекислотная, углекислая, сульфатная, магнезиальная, выщелачивающая. Расчеты проводят по нормативным документам. В зависимости от вида агрессивности грунтовых вод принимаются мероприятия по защите конструкций. Возраст грунтовых вод определяется по возрасту вмещающих пород. Местность, где грунтовые воды выходят на поверхность, называют областью дренажа. Поверхностные слои горных пород, не содержащие свободную воду, называют зоной аэрации. Уровень грунтовых вод не остается постоянным. Его колебания зависят от времени года, количества выпадающих осадков, расположения участка относительно поверхностных водоемов или постоянных водотоков. Кроме того, как показал опыт строительства во многих городах, уровень грунтовых вод значительно повышается в результате инфильтрации промышленных и питьевых вод при эксплуатации инженерных водоводов. Знание режима, направления движения и скорости движения потока грунтовых вод имеет важное значение для строительства. Например, по результатам изысканий, выполненных в засушливое время года, будет дано заключение о глубоком залегании грунтовых вод. Однако при таянии снегового покрова или в дождливый сезон уровень грунтовых вод резко повысится и может вызвать затруднения не только в период строительства, но и при эксплуатации сооружения. При утечке неочищенных сточных вод происходит загрязнение грунтового потока и очень важно, чтобы эти воды не проникали в санитарные зоны и области питания водозаборных скважин.
По температуре:
- холодные t < 20оС
- теплые t 20–40оС
- горячие t > 40оС
