Предмет и задачи инженерной геологии

Дополнительно, методами математической статистики доказывают статистическую однородность выделенных ИГ-элементов.

 

Однако ИГЭ может и не совпадать  с литологическими границами  и, более того, в одном литологически однородном пласте, например в суглинках большой мощности, может быть несколько ИГЭ.

5.-7. ГИДРОГЕОЛОГИЯ

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ И ИХ ОХРАНА

ОБРАЗОВАНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ  ВОД

  Вода, испаряется с поверхности  и снова выпадает в виде  осадков на землю и в море.

Часть воды:   -стекает    -испаряется    -просачивается в почвы и ГП

Подземные воды движутся в порах, полостях и трещинах ГП.

 

Подземные воды образуются

 

--путем инфильтрации дождевых, талых вод в поры и трещины  горных пород. 

---конденсируется из воздуха,  и частично стекает в землю,  почву и нижние слои. 

---виде туманов, инея, изморози

---отжимается из морских, лагун,  лиманных и озерных илов, 

-  поступает в породы из  магмы и лавы.

                           

В горных породах вода присутствует в разных состояниях:

1) пары воды; движутся от большего  парциального давления к меньшему 

2) конституционная вода  - в составе  минералов пород   например в гипсе, лимоните, опале и других минералах. Удаляется при 105^оС.

З) связанная – пленочная - вокруг минералов слоем от нескольких до десятков молекул. Движется от толстых пленок к тонким под действием электрических сил;

4) капиллярная вода. движется под действием сил поверхностного натяжения.

5) свободная капельно-жидкая вода, передвигается под действием силы тяжести (гравитационная вода),

6)Лед.

 

Формирование состава  подземных вод

Зональность: вертикальная и географическая

 

Подземные растворяют минералы и продукты их разрушения.

Подземные  воды  разделяют   по  минерализации   и составу:

 

пресные   <1 г/л,    слабо солоноватые  1-3 г/л,   солноватые   3-10 г/л,      соленые   >10 г/л,                       рассолы   > 50 г/л

Состав поземных вод описывают  содержанием ионов K, Са, Na, SO₄, Cl …

 

Грунтовые воды  (первый от поверхности в/горизонт, залегающий на постоянном водоупоре) закономерно меняют минерализацию, условия залегания, питания, режим, и химический состав.

Их состав изменяется в меридиональном и широтном  направлениях в зависимости  от  климата, ландшафта, характера  выветривания…

 

Географическая зональность с  севера на юг:

---в тундре П/В залегают у поверхности,  (< 0,2 г/л).

               Состав HCOз---SiOз.

---в средней полосе М= 0,2-0,5г/л, 

               Состав HCOз--Ca+,     реже- SO₄- и Cl-.

---южные лесостепи М >1 г/л 

               Состав воды Cl- SO₄,  за счет роста S⁶⁺ и Сl-.

---в Причерноморье, Крыму, Средней  Азии М=3-8 г/л и залегают на  больших глубинах.

                Состав SO₄—Cl.

 

 Состав и обилие подземных  вод (ПВ) зависит от

 климата<>пересеченности рельефа<>типа  вмещающих пород 

 

Он имеет еще и   вертикальную  зональность в горах:

-верхняя зона пресных вод  <1 г/л     НСОз-Са+

-средняя зона солоноватых вод  1-10 г/л преобл SO₄ и Cl-

-нижняя зона соленых вод >10 г/л преобл Сl-Na+

формирование  и распространение ПВ

 

==Область питания п/в -  территория, на которой поверхностные воды просачиваются в землю.

==Область распространения  п/в - площадь, в пределах  которой они залегают.

==областью разгрузки п/в   (дренажа или дренирования) -  местность, где       подземные воды    выходят на поверхность земли.

==Зона аэрации  - поверхностные слои пород, не  содержащие свободных       капиллярных и гравитационных  вод.

 

Водоносный пласт – пласт горной породы, содержащий свободную (гравитационную) воду. Он обладает однородным литологическим составом и постоянной водопроницаемостью.

 

Водоупор -  водонепроницаемый пласт горной породы.

Водоупорная кровля, ложе – относительно В-непроницаемый пласт, покрывающий (подстилающий) водовме-щающие породы.

---Водоносные пласты могут объединяться  в водоносные горизонты.

 

Водоносный горизонт –близкие по составу и фильтрационным свойствам пласты водонасыщенных ГП.

 

Подземные воды классифицируют по следующим признакам:

 

условиям залегания  грунтовые <> верховодка <> мжпластовые

по напорному режиму-  напорные <> безнапорные

по режиму движения -          поток <> бассейн

по форме потока –             плоский <> радиальный

Верховые воды (почвенные) – подземные воды, залегающие спорадически в виде линз на местных водоупорах или находящиеся в подвешенном состоянии в зоне аэрации. Они постепенно опускаются вниз и пополняют собственно грунтовые воды, частично испаряются в атмосферу, или перемерзают.

Грунтовыми водами называют подземные воды со свободной поверхностью, накапливающиеся на первом от поверхности земли водоупоре.

Грунтовые воды отличаются от верховодки (почвенных вод) наличием постоянного  водоупора и сплошностью занимаемого объема.

Они питаются атмосферными осадками, “верховодкой” и др. источников.

 Площади питания и распространения грунтовых вод, как правило, совпадают.

-Грунтовые воды в отличие  от  верховодки существуют длительное  время.

 

Свободную поверхность грунтовых  вод называют депрессионной поверхностью  или  «зеркалом грунтовых вод».

 

Над депрессионной поверхностью располагаются  капиллярные воды, называемые капиллярной  каймой.  Средние значения h_k  составляют в крупных песках до 0,15м, средних 0,15—0,35м, мелких 0,35м— суглинках и лёссах 3—4м. В глинах иногда достигают 8 м.

Глубина залегания грунтовых вод - расстояние между поверхностью земли и зеркалом.

Мощность водоносного  пласта  - расстояние между зеркалом грунтовых вод и водоупорным ложем.

Межпластовые подземные  воды залегают   между   двумя водоупорными пластами.  Их поверхность может быть свободна, либо  ограничена водонепроницаемым пластом кровли.

 

Напорный режим формируется  только в межпластовых подземных  водах,

безнапорный – в грунтовых и  межпластовых.

 

Типизация  подземных  вод по  режиму движения

Бассейн грунтовых вод – водонасыщенные породы, грунтовая вода которых не движется и имеет горизонтальное зеркало. Располагаются в понижениях водоупорного ложа. Вода неподвижна.

 

 При наклоне зеркала грунтовых  вод образуется поток грунтовых   вод;

 

Грунтовые воды  испытывают  трение о минеральные частицы. Поэтому скорость их меньше, чем  открытых наземных вод.

С ростом водопроницаемости  и  уклона зеркала ПВ, растет скорость потока.

 

гидростатический  напор «Н»

 

«Н» - характеризует полную энергию  потока в сечении.

Она складывается из    1)Кинетической энергии, которая   =>… 0,0

                                        2)Потенциальной энергии 

 

В частном случае Гидростатический напор равен абсолютной отметке УГВ над уровнем моря.

 

В общем случае «Н» определяется суммой

1)высотного положения точки  над плоскостью сравнения- z   и 2)гидростатическим давлением вышележащей жидкости(h_p), выраженным «метрах:

S = H = h_p + z = p/(m*g) +z

 

p =m*g*h = часть потенциальной энергии жидкости, обусловленная гидростатическим давлением. Н - измеряется в метрах.

 

Выбор плоскости сравнения произволен: уровень моря или подошва  водоносного  пласта.

 

Режим движения подземных  вод

Водоносные пласты в этом аспекте  делятся на напорные и безнапорные.

 

Рассмотрим межпластовые подземные  воды. Они заключены между 2-мя водоупорами.

 

верхней границей водонасыщенных пластов является водоупор (например, глина)

 

Признак   напорного водоносного  пласта - свободный уровень подземных  вод поднимется выше  кровли пласта. В безнапорном – нет.

 

Основной закон  движения подземных вод

Движение подземных вод происходит при наличии разности гидростатических напоров (уровней свободной поверхности подземн. вод).

Фильтрация в водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме движения подчиняется закону Дарси:

 

Q = Кф х F х dH / L = Кф х F х I             или     V= Кф х I

 

Напорный( гидравлический) градиент I = dH/L, безразмерный

Cкорость фильтрации пропорциональна напорному градиенту в первой степени (при ламинарном движении).

Коэффициент фильтрации — это скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице, [м/сут]

 

Для определения градиента  напора удобна  карта гидроизогипс.  Гидроизогипсой называют линию равных отметок уровня подземных вод (или равных гиростатических напоров).

    

Форма потока грунтовых  вод.

 

Поток может быть плоским : линии тока воды параллельны друг другу, например движение подземных вод в сторону реки, траншеи;

-  радиальным: линии тока сходятся к точке или расходятся от нее, например приток воды к колодцу, скважине, котловану.

 

Расход плоского потока подземных вод

Пример: движение подземных вод  к траншеям, штольням и др.

 

Расход грунтового (безнапорного) потока в однородных пластах.

Условие: водоупор горизонтальный, пласт однородный.

Расход от сечения I к сечению II   определяется так:

 

Q =  К_ф* F*I = К_ф*B*hср*Iср

 

Q= К_ф*В*(H+h)/2* (H-h)/R,

Удвоим расход, поскольку вода течет  с 2-х сторон.

где R- радиус влияния дренажной траншеи. Его вычисляют так:                                               _______

R= 2S*\/(H*K_ф)

 

Q= К_ф*В*(H²-h²)/R,

где S –понижение уровня воды в дрене (скважине), Н-мощность водоносного пласта, h-мощность слоя воды в дрене

 

ПРИТОК ВОДЫ К ВОДОЗАБОРНЫМ СООРУЖЕНИЯМ

Водозаборное сооружение  производит захват (забор) подземных вод для  водоснабжения, и других целей (водоотведение…).

  

Существуют различные типы подземных водозаборных сооружений:  вертикальные <>  горизонтальные <> лучевые/

  

Вертикальные водозаборы: буровые скважины и шахтные колодцы,

    Горизонтальные водозаборы: — траншеи, галереи, штольни,    

    Лучевые — водосборные колодцы с водоприемными лучами-фильтрами.

 

Тип водозаборного сооружения  выбирают, исходя из

--глубины залегания водоносного  пласта,

--его мощности, состава ГП 

--производительности водозабора.

 

Водозаборы, состоящие из одной  скважины, колодца и т. д., называют одиночными, а из нескольких — групповыми.

 

Интенсивный водозабор из скважин, колодцев, шурфов и т. д.  называют  откачкой.

Понятие о депрессионной  воронке и радиусе влияния

При откачке воды из скважин вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня.  Образуется депрессионная воронка, имеющая в плане форму, близкую к кругу по вертикали – депрессионные кривые.

 

Знание размеров  депрессионной  воронки позволяет 

--оценить К_ф      -- выделить зоны санитарной охраны,

--определить причины загрязнения  источника водоснабжения и др.

 

Радиус депрессионной воронки  называется радиусом влияния (R).      зависит от водопроницаемости пород.

гравий и песок, имеют широкие  воронки,

суглинки  - имеют воронки с  небольшим R.

 

Определение радиуса  влияния (R).

В первом приближении используют формулу  Кусакина для определения R в безнапорном водоносном пласте при установившейся фильтрации:

                                                            ______

                                           R = 2*S o(H*K_ф)

Формула Зихардта применяется для напорных водоносных пластов

                                                      ____

R = 10*S*o(K_ф)                  

Достоверно радиус влияния определяется опытными откачками воды и моделированием.

 

Приток воды к водозаборным скважинам

Движение подземных вод к  ним в период откачки происходит в форме радиального потока. Объем воды, выдаваемой скважиной в ед. времени, наз. дебитом   л/с, м^з/сут.

 

Дебит : cовершенная скважина, безнапорные воды.

 

Изменение уровня воды в скважине при откачкеназывают S- называют понижением. При определении дебита совершенной скважины применяют закон Дарси                                     

Q=Kф*F*I   F=2*p*x*y,  

I =  dX / dY

подставляя  и интегрируя уравнение получим:

Q = 1,366*k_ф *[(2H – S)S / (lgR – lgr)] ,

где r-радиус скважины, R-радиус влияния скважины,         S- понижение уровня воды в скважине при откачке,           H-мощность водоносного слоя, К_ф- коэфф. фильтрации.

 

Решение  получено  французским  ученым Ж. Дюпюи и лежит в основе большинства гидрогеологических   расчетов.

 

Совершенная скважина, питаемая напорными водами.

Скважины, вскрывающие напорные воды, называют артезианскими

Напорные воды притекают к скважине со всех сторон в пределах мощности в/пласта  - m.

 При откачке воды из артезианской скважины ее уровень снижается  на величину S в  скважине. Образуется условная депрессионная воронка радиусом R.  Применяя подход  Дюпюи получаем