ТЕМА 7. Подземные воды (классификация, законы движения).
Образование подземных вод, их классификация по условиям залегания, виды подземных вод, химический состав.
Динамика подземных вод. Основной закон движения подземных вод (закон Дарси).
Расход потока грунтовых вод и расчеты притока воды к различным выработкам (водозаборам).
Борьба с грунтовыми водами, виды дренажей.
Инженерно-геологические процессы, связанные с грунтовыми водами (плывуны, карст, суффозия, оползни).
Образование подземных вод, их классификация по условиям залегания, виды подземных вод, химический состав
Подземные воды находятся в верхней части земной коры (литосферы). Наука о подземных водах называется гидрогеология. Она изучает распространение, происхождение, физические и химические свойства, законы движения подземных вод. В природе наблюдается малый и большой круговорот воды. Малый круговорот происходит по схеме – море-атмосфера-море; большой круговорот: море – атмосфера – суша - море.
Осадки, выпавшие на сушу, делятся на три части: 1) испарение, 2) сток и 3) просачивание (инфильтрация) в почву. Образование подземных вод возможно четырьмя способами:
1) за счет инфильтрации осадков в литосферу образуется основная часть подземных вод (в том числе, минеральные воды КМВ),
2) за счет конденсации паров в порах грунта (подземная роса ночью в пустынях),
3) седиментационная вода одновременно с отложением морских осадков (например, остаток морской воды в глинистых толщах сармата и майкопа г. Ставрополя),
4) т.н. ювенильные воды, выделяемые магмой.
Классификация подземных вод по условиям залегания. В геологическом разрезе по условиям залегания можно выделить следующие подземные воды:
1) почвенные воды, находящиеся в почвенном слое,
2) верховодка образуется над местным водоупором весной или за счет техногенной утечки воды,
3) грунтовые воды на первом от поверхности водоупоре, безнапорные, могут быть загрязнены,
4) межпластовые (ненапорные и напорные- артезианские) воды.
Виды подземных вод. В зависимости от состояния в грунтах выделяют следующие виды воды:
1) Парообразная вода - водяной пар в порах грунта с относительной влажностью W=100%, движение происходит в сторону падения температуры. Таким путем летом в подпольях может быть накопление влаги.
2) Прочносвязанная (адсорбированная, гигроскопическая) вода. Это слой до 10-15 молекул Н2О толщиной 0,1 микрона, покрывающий грунтовые (глинистые) частицы, не растворяет соли, неэлектропроводна, не замерзает при 0оС, а при отрицательных температурах около минус 100оС, имеет высокую вязкость, удаляется при Т≥105о. Содержание прочносвязанной воды зависит в основном от количества глинистых частиц: в песках – 1-2%, в суглинках – 5-10 %, в глинах – 10-25%, в высокодисперсных монтмориллонитовых глинах – до 30 %.
3) Рыхлосвязанная (пленочная) вода удерживается электрическими силами до Р=70000g, имеет плотность=1,0, температуру замерзания минус 1-3-5оС, слабо растворяет соли, перетекает от толстых к тонким пленкам. Обладает большим расклинивающим действием (Рраскл), вызывает набухание глинистых грунтов при увеличении толщины пленок этой связанной воды, при ее удалении (сушке) происходит усадка глинистого грунта, обеспечивает пластичность глин. Для определения количества пленочной влаги разработаны специальные методы (центрифуги, влагоемких сред, высоких колонн).
4) Свободная вода – капиллярная и гравитационная. Капиллярная вода удерживается в порах капиллярными силами, перемещается за счет разности капиллярных давлений, растворяет соли, замерзает при температуре ниже 0ºС. Высота капиллярного поднятия в глинах достигает 3-4 м, в песках – несколько дм.
Гравитационная вода перемещается под действием силы тяжести (разности напоров).
5) Вода в твердом состоянии (лед), замерзает сначала свободная вода, а затем последовательно все остальные виды воды.
6) Кристаллизационная вода участвует в построении кристаллической решетки минералов (гипс CaSO4∙2H2O). Химически связанная вода входит в состав минералов (лимонит Fe2O3·nH2O, опал SiO2∙H2O, гидроксид CaО·Н2O). Эти формы влаги удаляются при Т>100оС.
Химический состав. В подземных водах присутствуют растворенные соли и газы. Основные соли хлориды и сульфаты Na, K, Ca, Mg. В воде растворены газы – О2, Н2, СО2. Именно эти ионы предопределяют многие свойства воды: жесткость, щелочность, соленость, агрессивность. По величине сухого остатка различают воды: 1) пресные - <1 г/л, 2) соленые – 1-30 г/л, 3) рассолы - >30г/л.
Щелочность воды устанавливается по величине рН, т.е. по содержанию ионов Н. Жесткость воды внешне проявляется по накипи в котлах (и чайниках), жесткая вода плохо мылится. Порождается присутствием сернокислых и хлористых солей Ca и Мg. Различают временную и постоянную жесткость. Временная жесткость обусловлена присутствием бикарбонатов и устраняется кипячением. Постоянная жесткость – за счет карбонатов и хлоридов Ca и Мg. Общая жесткость равна сумме временной и постоянной. За 1-цу жесткости принят 1 мг-экв/л Ca, или 20,04 мг/л, для Мg – 12,16 мг/л. Мягкая вода имеет (Ca + Mg) < 4 мг-экв/л, вода средней жесткости - 4-8 мг-экв/л, жесткая вода – 8-12 мг-экв/л, очень жесткая - >12 мг-экв/л. Раньше жесткость характеризовали градусами жесткости: 1о=10мг СаО/л. Для питья пригодна вода с жесткостью = 2,5-11 мг-экв/л.
Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии на цемент, растворение его, что опасно для фундаментов и различных подземных сооружений. Агрессивность зависит от кислотности подземных вод и скорости их движения. В песчаных грунтах агрессивность проявляется уже при рН<7, в глинистых грунтах – при рН<5. Виды агрессивности:
1) сульфатная – по содержанию SO4: для песков при SO4>1г/л, в суглинках - >1,5 г/л. При этих концентрациях необходимы специальные сульфатостойкие цементы;
2) магнезиальная – при Mg> 2 г/л (в песках) и >5 г/л (в суглинках);
3) карбонатная - обусловлена только растворенной углекислотой. Действует только в песках, в глинистых грунтах ею можно пренебречь.