Подземные воды и их влияние

1.

Подземные воды и
их влияние

2. Содержание

*Подземные воды
*Характер движения грунтовых вод
и методика расчета
*Влияние на инженерные
сооружения

3. Виды подземных вод

Подземные воды — воды, находящиеся в толще горных пород
верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном
состоянии.
По условиям залегания подземные воды подразделяются на:
почвенные;
грунтовые;
межпластовые;
артезианские;
минеральные.

4.

5.

6. Характер движения грунтовых вод и методика расчета

Грунтовые воды - это
подземные воды первого от
поверхности земли
постоянного водоносного
горизонта. Они образуются за
счет насыщения
атмосферными осадками,
водами рек и озер, притоком
поверхностных вод. Из всех
видов грунтовых вод особое
место занимает так
называемая "верховодка" сезонное скопление вод в
верхнем водонасыщенном
слое грунта над
водоупорными глинистыми
или суглинистыми породами

7.

* Верховодка - временное скопление подземных вод в
близповерхностном слое вводоносных отложений в пределах зоны
аэрации, лежащих на линзовидном, выклинивающемся водоупоре.
* Верховодка - безнапорные подземные воды, залегающие наиболее
близко к земной поверхности и не имеющие сплошного
распространения. Образуются за счёт инфильтрации атмосферных и
поверхностных вод, задержанных непроницаемыми или слабо
проницаемыми выклинивающимися пластами и линзами, а также в
результате конденсации водяных паров в горных породах.
Характеризуются сезонностью существования: в засушливое время
они нередко исчезают, а в периоды дождей и интенсивного
снеготаяния возникают вновь. Подвержены резким колебаниям в
зависимости от гидрометеорологических условий (количества
атмосферных осадков, влажности воздуха, температуры и др.). К
верховодке относятся также воды, временно появляющиеся в
болотных образованиях вследствие избыточного питания болот.
Нередко верховодка возникает в результате утечек воды из
водопровода, канализации, бассейнов и др. водонесущих устройств,
следствием чего может быть заболачивание местности, подтопление
фундаментов и подвальных помещений.

8.

Грунтовые подземные воды заполняют пески разной зерности и цвета, и как
правило грунтовые воды залегают близко к поверхности. Выпадающие
атмосферные осадки благодаря лёгкой водопроницаемости песков свободно
просачиваются и накапливаются в их основании на глинистом ложе. Глубина
залегания воды в первых от поверхности песках весьма различна - от 2-3м до
20-25м от поверхности.
Грунтовые воды, в следствии изменчивости пород их вмещающих (пески и
супеси), а также выклинивания и замещения песков суглинистыми породами,
часто находятся в сложной взаимосвязи между собой и с водами рек и озёр.
Положение зеркала воды грунтовых вод полностью определяется рельефом
местности, количеством выпавших осадков и сезоном года. В весеннее и
осеннее время года уровень воды на 1-2м выше, чем в летние месяцы.
Значительное понижение уровня наблюдается также в зимний период, когда
инфильтрация атмосферных осадков почти прекращается. Установлена
одиннадцатилетняя цикличность колебания уровня грунтовых вод.
Зеркало грунтовых вод. Подземные воды, достигнув водоупорного
слоя, прекращают свое движение вглубь и, собираясь на поверхности
водоупорного слоя, образуют так называемый водоносный слой или
водоносный горизонт. Водоносный слой снизу ограничен поверхностью
водоупорного слоя, форма которой может быть весьма различна.
Верхняя поверхность водоносного слоя обычно бывает плоская и носит
название «зеркала» грунтовых вод. Это «зеркало» мы имеем
возможность видеть в любом колодце.

9.

Строго говоря, зеркало грунтовых вод имеет горизонтальную поверхность
только на небольших сравнительно однородных пространствах. На больших же
участках, при различии пород, различии геологического строения и рельефа
горизонтальность зеркала в большей или меньшей степени нарушается. Возьмем
простейший пример: ряд песчаных дюн, приблизительно однородных по своему
строению. Зеркало грунтовых вод здесь будет (несколько ослаблено) повторять
форму рельефа
Причины этого довольно сложны: большее уплотнение песков под гребнями дюн
создает иные условия капиллярности, что способствует более высокому стоянию
грунтовых вод; оказывает влияние также различная степень испаряемости и т. д.
Приблизительно то же, только в более сложных формах, мы можем видеть и на
других примерах (рис. 103). Последнее необходимо учитывать как при поисках
мест для рытья колодцев, так особенно при сооружении подземных хранилищ,
погребов, блиндажей и т. д.

10.

Причины этого довольно сложны: большее уплотнение песков под гребнями
дюн создает иные условия капиллярности, что способствует более высокому
стоянию грунтовых вод; оказывает влияние также различная степень
испаряемости и т. д. Приблизительно то же, только в более сложных формах,
мы можем видеть и на других примерах (рис. 103). Последнее необходимо
учитывать как при поисках мест для рытья колодцев, так особенно при
сооружении подземных хранилищ, погребов, блиндажей и т. д.

11.

Движение грунтовых вод. В тех случаях, когда водоупорный слой имеет форму обширного вогнутого
бассейна, грунтовая вода, заполняя бассейн, приобретает характер подземного озера. Понятно, что ряд
колодцев, вырытых в районе подобного озера, будет иметь зеркало на одном уровне (рис. 104). Но
значительно чаще водоупорный слой бывает наклонен в ту или другую сторону. При отмеченных нами
условиях грунтовые воды, подчиняясь силе тяжести, медленно движутся в сторону наклона, образуя
подземный поток (рис. 105). Ряд колодцев, вырытых вдоль потока, имеют зеркала на разных глубинах.
Понятно, что чем больше колодцев, тем точнее мы можем определить направление и характер
подземного потока. В местностях, где нет колодцев или количество их недостаточно, забивают буровые
скважины, опускают в скважины трубы и по высоте воды в трубах определяют характер подземного
потока.
При изучении подземных потоков важно бывает определить не только направление, но и скорость
потока. Для определения скорости течения потока применяется обыкновенная поваренная соль. Ее
бросают в колодец в верхней части подземного потока, а потом определяют, через сколько времени
соленая вода появляется в других, ниже расположенных колодцах. Раствор азотнокислого серебра
(АgNO3) позволяет заметить даже ничтожную примесь хлористого натрия в воде исследуемых колодцев
(получается ясный белый осадок хлористого серебра). Иногда для определения
скорости подземного потока вместо соли применяют бактерии, которые по своей малой величине легко
проходят через поры грунтов. Скорость течения подземных потоков зависит от угла наклона водоупорного
пласта и еще более от характера грунта. Так, в мелких песках скорость течения подземного потока
достигает приблизительно 1 м в сутки, в крупных песках 2—3 и даже 5 м. В толще галечника, щебня и по
трещинам твердых каменных пород подземные потоки движутся значительно быстрее, по нескольку
километров в сутки. В глинах, наоборот, скорость проникновения воды даже вглубь не превышает 20 см
в год, что и позволяет считать глину практически водонепроницаемой.

12.

Подземные воды в большинстве случаев находятся в движении. Потоки грунтовых вод
могут быть плоскими, радиально расходящимися и сходящимися, криволинейными.
Направление потока грунтовых вод можно определить методом трех скважин или по карте
гидроизогипс – линий с равными абсолютными отметками зеркала грунтовых вод
(аналогично горизонталям рельефа). Карта гидроизогипс позволяет решить следующие
вопросы: 1) определить направление и уклон грунтовых вод, 2) установить связь
грунтовых и поверхностных вод, 3) выбрать площадку для строительства и дренажа.
Скорость движения (фильтрации) подземных вод характеризуется законом Дарси (1856
г.), который проводил свои опыты в трубке, заполненной песком и установил, что
«Количество воды Q, прошедшее через какое-либо сечение F в единицу времени,
пропорционально площади сечения и гидравлическому градиенту I, равному разности
напоров ΔH = Н1 –Н2, отнесенной к длине пути L»:
Q = КфF ΔH / L = КфF I,
где Q – расход воды или количество фильтрующей воды в единицу времени, м3/ сут; Кф –
коэффициент фильтрации, м/сут; F – площадь поперечного сечения потока, м2; ΔH –
разность напоров, м; L – длина пути фильтрации, м.
По этой же формуле можно определить приток воды к реке.
Закон Дарси действует только при ламинарном движении грунтовых вод в суглинках,
песках, галечниках, где турбулентный (вихревой) характер наблюдается редко.
Разделив обе части уравнения на площадь F и обозначив Q/F=V – скорость фильтрации,
м/сутки, получаем: V=KфI, при I=1,0, Кф= V м/сутки.
Эта скорость движения воды фиктивная, т.к. отнесена ко всему сечению потока.
Фактически движение воды происходит только через поровое пространство.
Действительная скорость Vд определяется по формуле: Vд=Q/F·n, где n – пористость в
д.е. Vд=V/n.

13.

Водоотдача — свойство пород,
насыщенных водой, свободно
отдавать гравитационную воду.
Количественно объемная
водоотдача выражается
отношением объема свободно
вытекающей из породы воды
(при начальном полном
заполнении пор или трещин) к
объему всей породы. Для
крупнозернистых песков, гравия
и т. п. пород водоотдача равна
их пористости (объемная
водоотдача) или толпой
влагоемкости (весовая
водоотдача). Водоотдача
мелкозернистых песков, супесей
и суглинков значительно меньше
и равна разности между полной
влагоемкостью и максимальной
молекулярной влагоемкостью

14.

* Под водными свойствами горных пород понимаются те, которые
проявляются в них при взаимодействии с водой: водопроницаемость,
влагоемкость, водоотдача, естественная влажность, набухание,
размокание, усадка, липкость, капиллярность, водопоглощение,
пластичность и консистенция.
* Водопроницаемость — свойство пород пропускать воду, что
обусловливается их пористостью или трещиноватостью.
* Влагоемкость — способность горных пород вмещать в своих пустотах и
удерживать воду при возможности свободного ее вытекания под
действием силы тяжести. Различают следующие виды влагоемкости:
полную (соответствует полному насыщению всех пустот
водой),капиллярную (соответствует количеству воды, заполняющей
только капиллярные- поры),пленочную, или молекулярную
(соответствует количеству физически Связанной воды), и
гигроскопическую (соответствует количеству прочно связанной,
адсорбированной воды). По степени влагоемкости горные породы
разделяются на очень влагоемкие (торф, ил, глина, суглинки),
слабовлагоемкие (мел, мергели, Лёссовые породы, супеси) и
невлагоемкие (скальные породы, галечники, крупнозернистые пески).

15.

16.

17. Влияние на инженерные сооружения

В зависимости от уровня межпластовых вод пучинистые явления проявляются в течение
сезона в разной степени. Если водонасыщенные слои находятся высоко, то пучинистые явления
проявляются и зимой, и весной. В этом случае низкие зимние температуры и повышенная
влажность грунта усилят пучение грунта. Если же грунтовые воды залегают глубоко, то
увлажнение верхних слоев грунта "верховодкой " возникнет только при таянии снега весной,
когда температура воздуха не такая низкая, как зимой. При таких условиях пучение грунта не
будет столь значительным.
Те, кто занимается строительством, в большей степени интересуются именно верховодкой.
Высокий уровень грунтовых вод - весьма нежелательная характеристика грунта. Это
ограничивает возможности застройщиков в выборе фундамента, в принятии решения о наличии
подвала или цокольного этажа, в назначении сроков начала строительства. Устройство погреба
и септика канализационной системы также напрямую связаны с уровнем грунтовых вод.
Дорожная распутица - извечная проблема российских дорог - в большей степени также обязана
верховодке.
Высокий уровень грунтовых вод мешает и обустройству участка, его озеленению. Грядки
приходится поднимать, фруктовые деревья - высаживать на возвышении.
Высокий уровень грунтовых вод мешает строительству и эксплуатации сооружений. Если
подошва фундамента находится ниже уровня грунтовых вод, то в процессе выемки грунта он
начинает размываться, теряя свою несущую способность. При высоком уровне грунтовых вод
кессоны погребов или подвалов загружаются силами гидростатического давления, и весьма
значительными. От этих сил стенки и пол кессонов могут разрушиться, потеряв свою
герметичность. Кроме того, если вода в грунте стоит высоко, то Архимедовы выталкивающие
силы могут поднять герметичный кессон погреба, особенно, если он легкий.
Как возникают грунтовые воды, какова геология (гидрогеология) их появления?
Об осадках, о появлении воды в грунте всем всё ясно и понятно. Но как возникает расслоение
глинистого грунта?

18.

Главный зодчий такого процесса - пучение грунта. Верхние увлажненные слои
глинистого грунта (выше границы промерзания) в процессе промерзания увеличиваются в
объеме до 10%. Весной этот слой оттаивает, становясь пористым. Грунт ниже границы
промерзания уплотняется десятки и сотни лет весьма сильно, становясь
водонепроницаемым. Неравномерность промерзания грунта значительно усиливает
уплотнение грунта (см. раздел "Динамика пучинистых явлений"). Именно поэтому
возникли водоупорный и водонасыщенный слои и сама верховодка.
Ближе к лету верховодка уходит или через структуру грунта - вниз, сквозь водоупорный
слой, либо - по уклону водоупорного слоя. Часть влаги поднимается и уходит через
растительный слой, испаряясь и насыщая растительность влагой. В тех местах, где
грунтовые воды залегают неглубоко, как правило, зеленая растительность бывает сочнее
и ярче, чем в других местах. Строители, стремящиеся начать строительство как можно
раньше, пытаются побыстрее освободить грунт от верховодки. В отличие от строителей,
хлеборобы, заинтересованные в том, чтобы верховодка как можно дольше сохранялась в
верхнем водонасыщенном слое, делают снегозадержание, собирая снег в высокие гряды,
которые тают значительно дольше, чем ровный снеговой наст.
Если грунт песчаный, то проблем с верховодкой не возникнет - её просто не
существует. Другое дело, если дом строится на низком берегу реки или водохранилища.
Тогда и песчаный грунт не поможет. Вам придется считаться с законом сообщающихся
сосудов, который создаст под домом уровень грунтовых вод, соответствующий уровню
водоема.

19.

20. Борьба с грунтовыми водами, виды дренажей.

При разработке котлованов и при подтоплении городских территорий
применяют:
А. Открытый водоотлив,
Б. Горизонтальный дренаж в виде горизонтальных открытых и закрытых
канав (траншей) глубиной до 5-6 м. Могут быть также дренажные
прорези глубиной до 10-15 м и более, пройденные вдоль или поперек
склона, заполненные дренажным материалом и вскрывающие
водоносный слой. В дренажный материал помещают перфорированные
трубы.
В. Подземные водосборные галереи чаще используют для осушения
оползневых склонов.
Г. Вертикальный дренаж включает:
а) Водопонизительные скважины, вокруг которых при откачке воды
образуются депрессионные воронки;
б) Иглофильтры, из которых откачивают воду насосами или применяют
электроосмос. Их располагают рядами по периметру котлована;
в) Поглощающие скважины-колодцы. Может быть их засорение грязной
фильтрующей водой.

21.

Виды дренажей зависят от решаемых задач:
1. При близком расположении грунтовых вод применяют
горизонтальный систематический дренаж, включающий дрены,
дренажный коллектор и смотровой колодец;
2. Систематический дренаж вертикального типа, в котором вместо
дрен применяют вертикальные поглощающие скважины,
спускающие воду вниз в поглощающий слой;
3. Головной дренаж – горизонтальная дрена, перехватывающая
грунтовые воды выше по течению грунтовых вод;
4. Береговые дренажи у водохранилищ и рек, аналогичны
береговым головным дренажам для перехвата грунтовых вод,
идущих от реки или водохранилища;
5. Кольцевой дренаж для защиты отдельных зданий и небольших
участков;
6. Пластовый дренаж для защиты отдельных зданий;
7. Вентиляционный дренаж в грунтах – под фундаментами зданий
укладывают дырчатые трубы, через которые постоянно движется
воздух. В трубы можно поместить сухой хлористый кальций
(предложил И.М.Литвинов для осушения лессовых грунтов).