32-тб 20.10 Урок 13-14. Розділ ІІ. ОСНОВИ ГІДРОГЕОЛОГІЇ.

Тема: Характеристика окремих типів підземних вод.

Тема уроку: Зона аерації. Верховодка. Водоносний шар, його характеристика.

Мета уроку: вивчити що таке зона аерації, область живлення і область поширення. Умови виникнення верховодки. Небезпека для будівництва при виникненні верховодки. Водоносний шар, водо утворене ложе, потужність водоносного шару, капілярні води. Форми залягання грунтових вод. Боротьба з грунтовими водами.

 

План

1. Зона аерації, область живлення і область поширення.

2. Умови виникнення верховодки. Небезпека для будівництва при виникненні верховодки.

3. Водоносний шар, водо утворене ложе, потужність водоносного шару, капілярні води. Форми залягання грунтових вод.

4. Боротьба з грунтовими водами.

 

1.  Зона аерації, область живлення і область поширення

У гірських породах вода знаходиться в порах та пустотах (порожнинах) у таких агрегатних станах: у вигляді пари (пароподібна), рідини та твердого тіла (лід).

Пароподібна вода розташовується у верхній товщі земної кори. У цій зоні постійно і поступово здійснюється обмін між повітрям та парою атмосфери, між повітрям та парою пустот і пор гірських порід. Тому ця зона одержала назву зони аерації. Потужність її неоднакова і залежить від типу порід, кліматичних умов місцевості і досягає інколи 12 ― 16 м від поверхні Землі.

 

2. Умови виникнення верховодки. Небезпека для будівництва при виникненні верховодки.

 

За умовами залягання підземні води підрозділяються на: поверхневогрунтові, верховодку, грунтові та міжпластові.

Верховодка утворюється в зоні аерації за рахунок інфільтрації та конденсації. Обов'язковою умовою її утворення є наявність місцевих або локальних водоупорів. Локальними водоупорами можуть бути льодовикові глини або суглинки (морени) та інші водонепроникні гірські породи (рис. 5.3). Верховодка характеризується виключно нестійким режимом, виникає головним чином у періоди дощів та розтавання снігу і зникає з наступом засушливих періодів. Як правило, вона існує з березня до липня. Потужність її невелика і не перевищує 1 ― 2 м.

 

Рисунок 5.3 ―Ґрунтові води

 Верховодка створює труднощі при будівництві та експлуатації споруд, оскільки не завжди може бути виявлена при інженерно-геологічних вишукуваннях і стає причиною затоплення підвалів та інженерних комунікацій.

 3. Водоносний шар, водо утворене ложе, потужність водоносного шару, капілярні води. Форми залягання грунтових вод.

За умовами залягання підземні води підрозділяються на: поверхневогрунтові, верховодку, грунтові та міжпластові.

Поверхневоґрунтові води залягають безпосередньо біля земної поверхні і не мають свого водоупору. Характерними властивостями цих вод є їх сезонний характер, різкі коливання температури, наявність мікроорганізмів та органічних речовин. Взагалі це капілярні води. Коли рівень підземних вод підіймається, то відбувається їх змикання з водоносним горизонтом і місцевість заболочується.

Ґрунтові води ― це перший від поверхні Землі постійно діючий водоносний горизонт, який залягає на витриманому водоупорі. Такою водонепроникною породою може бути нетріщинувата скельна порода або шар глини. Живлення ґрунтових вод відбувається у значній мірі за рахунок інфільтрації опадів та просочення води із поверхневих водоймищ.

Верхня поверхня водоносного горизонту називається дзеркалом або рівнем ґрунтових вод і позначається як WL (англ. "water level" ― рівень води). Відстань від рівня ґрунтових вод до земної поверхні називається глибиною залягання, а найкоротша відстань від дзеркала до водоупору є потужність водоносного горизонту. Глибина залягання та потужність ґрунтових вод можуть істотно змінюватись у залежності від кількості опадів та наявності поверхневих водоймищ. Так, в одних місцях глибина залягання досягає 100 м і більше, в інших ґрунтові води виходять на поверхню Землі, утворюючи болота.

Рідка вода, або вода у вигляді рідини, підрозділяється на два типи: вільну, або гравітаційну, та капілярну.

Капілярна вода міститься в гірських породах з капілярними порами та тріщинами, ширина (розкриття) яких менше 0,25 мм, а діаметр пор менше 1 мм. Утримується капілярна вода за рахунок капілярних (меніскових) сил.

Формується вона за рахунок атмосферних опадів та розтавання снігу, а також за рахунок підняття за законами капілярного руху від нижніх водонасичених гірських порід.

У практиці будівництва велике значення має висота капілярного підняття та час капілярного водонасичення. Висотою капілярного підняття називається відстань по вертикалі, на яку підіймається вода по капілярах від підземного водоносного горизонту. Висота цього підняття Нк  залежить від літологічного та гранулометричного складу гірських порід і може бути визначена експериментально або за формулою французького вченого Жюрена:

 Нк = Ск/d,                                         (5.1)

 де Ск ― 0,3 ― постійна капілярного змочування при температурі 0°С;

d ― діаметр пор або розкриття тріщин, мм.

Час капілярного підняття ― це час, протягом якого відбувається повне заповнення капілярів водою. Він неоднаковий для різних гірських порід: у пісках біля 80, у глинистих ґрунтах ― 350÷475 діб.

Вільна або гравітаційна вода. Ця вода не пов'язана з поверхнею частинок і не утримується менісковими силами. Вона здатна переміщуватись під впливом сили тяжіння, тобто під впливом різниці напорів. Така вода використовується для водопостачання, і якраз вона створює труднощі при проходці котлованів та будівництві підземних споруд. Гравітаційна вода є основним предметом нашого розгляду.

Фізичнозв'язна вода утворюється за рахунок адсорбції поверхнею породних частинок у процесі конденсації водяної пари і утримується за рахунок електромолекулярних сил. Цей перший на поверхні частинок шар води називається гігроскопічною, або міцнозв'язною, водою. Вона випаровується при температурі 105―110°С, не передає гігростатичного тиску та замерзає при температурі  ―70―80°С.

Молекули води за своєю природою є диполями, тобто мають орієнтацію полюсів. Тому перший від поверхні частинок шар води ― гігроскопічна вода утримує другий та послідовні шари орієнтованих молекул, але зі значно меншою силою (рис. 5.2). Другий та подальші шари називаються плівковою або крихкотілою водою. Вони зникають при температурі до 105°С, а замерзає плівкова вода при температурі ―17―18°С. Плівкова вода рухається від частинок з товстішою плівкою до частинок з меншою товщиною плівки.

 

 

Рисунок 4.2 ― Водяні оболонки навколо мінеральної частинки:

1 – мінеральна частинка; 2 – гігроскопічна вода; 3 – плівкова вода;4 – диполі води

Кількість фізичнозв’язної води більша там, де більша питома поверхня частинок. Наприклад, у монтморілонітової глини в 1 см³ міститься понад 25 млрд частинок, і при зволоженні вона має фізичнозв’язної води більше 100% об’єму самих частинок. У піщаних породах всього 1―2% фізичнозв’язної води.

Хімічнозв'язна вода входить до складу кристалічної решітки і вилучається при її руйнуванні. Наприклад, у гіпсі CaSO4·2H2О. Перша молекула води вилучається при температурі 118°С, друга ― при І40°С. Таким чином утворюється ангідрит (алебастр). З цим явищем пов'язаний ефект приготування в'яжучих (дегідратація―гідратація).

Вода у твердому стані має місце у гірських породах при від’ємних температурах до певної глибини від денної поверхні. У твердий стан переходить гравітаційна та частково плівкова вода. Це явище носить сезонний характер, а глибина промерзання залежить від кліматичних умов місцевості. Так, в Україні вона складає 70― 110 см, а на півночі таких країн, як Канада, Росія, на деякій глибині зберігається постійно. Це зона вічної мерзлоти.

При замерзанні води утворюється кристалічний лід, і при цьому об’єм збільшується на 8 ― 9%, а в умовах обмеження деформації розвивається великий тиск (до 1 ГПа), руйнуючи будь-які матеріали та гірські породи. Тому підошви фундаментів завжди закладають нижче глибини промерзання.

 

4. Боротьба з грунтовими водами при зведенні та експлуатації споруд

При високому рівні ґрунтових вод, у період будівництва та експлуатації споруд застосовують штучне водозниження. Вибір раціонального способу водозниження залежить від характеру споруджуваного або побудованого об'єкта, геологічної будови та гідрогеологічних умов будівельного майданчика.

Тимчасове зниження рівня ґрунтових вод застосовують на період будівництва і називають будівельним водозниженням, а довгочасне ― на період експлуатації споруд, і його називають дренажем.

Залежно від призначення та геологічних умов застосовують горизонтальні, вертикальні та комбіновані дренажні системи.

Горизонтальний дренаж забезпечує водозниження за допомогою канав, траншей та підземних галерей, які мають певний нахил у сторону їх підведення до відкритих водоймищ або у мережу зливової каналізації.

Горизонтальний дренаж може бути відкритим (тимчасове водозниження) та закритим (рис. 5.15). Найбільш простим та дешевим способом зниження рівня ґрунтових вод є відкритий дренаж. Але при ньому ґрунтові води можуть викликати обвалювання стінок канав, обпливання укосів котлованів та інші небажані явища.

   

 

Рисунок 5.15 ― Дренажні траншеї: а – відкриті; б – закриті

 При закритому дренажі на дно траншеї кладуть перфоровані труби різного діаметра в залежності віт дебіту водоносного горизонту. При цьому живий перетин труби, тобто рівень води, що заповнює трубу, не повинен перебільшувати 2/3 її діаметра. Для запобігання замуленню її обсипають декількома шарами піску та гравію. Глибина горизонтальних дрен не більше 5 ― 6 м.

Вертикальний дренаж забезпечує зниження рівня ґрунтових вод за допомогою водознижуючих свердловин, відкачуванням насосами або водоскидом у нижчі водопроникні ненасичені водою гірські породи.

Найбільш розповсюдженим способом водозниження є система голкофільтрів з тонких металевих труб, які занурюють навколо котловану або по лінії, перпендикулярній течії ґрунтових вод. Нижні кінці труб обладнані фільтрами, а верхні приєднують до усмоктувального колектора. Легкий голкофільтровий пристрій знижує рівень ґрунтових вод на 4,5 ― 5 м у піщаних породах з коефіцієнтом фільтрації від 1 – 2 до 40 ÷ 50 м/добу. Для зниження рівня води у пилуватих пісках та супісках з kf = 0,01 ÷ 1,0 м/добу застосовують ежекторні голкофільтри, за допомогою яких у водонасичених ґрунтах утворюється вакуум, покращується водовіддача та посилюється ефект водозниження.

Якщо відстань між свердловинами менша двох радіусів депресії, то при одночасному відкачуванні води такі свердловини взаємодіють. Це призводить до змикання кривих депресії, утворення загальної зони зниження рівня підземних вод (рис. 5.16).

 

Рисунок 5.16 ― Осушення будівельного котловану голкофільтрами: 1 – будівельний котлован; 2 – голкофільтри

 

Сумарний дебіт взаємодіючих свердловин при одному і тому ж рівні зниження завжди менше, ніж сума дебітів поодиноких свердловин. Зменшення дебіту взаємодіючих свердловин викликано тим, що у кожній з них при одночасному відкачуванні води відбувається зниження загального рівня підземних вод.

Інтенсивність взаємодії водозабірних свердловин залежить від відстані між ними, параметрів водоносного шару, дебіту окремої свердловини тощо. Чим ближче розташовані свердловини, тим більший ефект взаємодії, тобто тим більше знижується рівень підземних вод.

Залежно від конфігурації в плані споруд застосовують лінійні, кільцеві (контурні) та площинні водознижуючі системи.

Лінійні системи водознижуючих установок використовують для захисту витягнутих в плані виробок типу траншей.

Кільцеві (або контурні) установки використовують при значних розмірах осушуваної зони, коли лінійні системи не можуть осушити водоносний пласт. Залежно від потрібної глибини зниження і складності гідрогеологічних умов використовують один або декілька контурів водознижуючих установок.

Площинні системи водознижуючих установок застосовують для зниження рівня підземних вод в межах усієї осушуваної зони.

При тривалому водозниженні (дренаж) застосовують головний береговий (лінійні системи), кільцевий (контурні системи) та систематичний (площинні системи) дренажі.

Головний дренаж використовують для зниження рівня ґрунтових вод, живлення яких відбувається зі сторони. Ґрунтові води перехоплюються горизонтальними або вертикальними дренами, які закладають вище осушуваної дільниці (рис. 5.17).

Береговий дренаж застосовують для перехоплення підземних вод, розташованих поблизу відкритих водоймищ. За його допомогою відводять фільтраційний потік, який рухається у берегову зону ріки у період повені при підвищенні рівня води у водоймищі.

Кільцевий дренаж проектують для боротьби з підтопленням окремих споруд з глибокими фундаментами, наприклад підземних ємностей і резервуарів (рис. 5.18).

 

Рисунок 5.17 ― Головний дренаж (план і розріз):

1 – котлован; 2 – вертикальні дрени; Н – потужність водоносного горизонту; S – величина зниження рівня ґрунтової води; h – висота зниженого рівня води; WL – рівень ґрунтових вод

 
Рисунок 5.18 ― Кільцевий дренаж горизонтального типу:

1 – кільцева дрена; 2 – знижений рівень ґрунтових вод; 3 – резервуари

 Він може забезпечити повне перехоплення води по контуру осушуваної дільниці, знизити напори та рівні підземних вод і тим самим запобігти спливанню підземних ємностей при їх спорожненні.

Систематичний дренаж доцільний для осушення рівнинної дільниці з неглибоким заляганням підземних вод. Дренаж складається з окремих дрен, які забирають воду з ґрунту, та колектора, який відводить воду за межі дренованої зони.

 Контрольні питання.

1.    Що таке верховодка?

2.    Де знаходиться вода у гірських породах?

3.    У якому стані знаходиться вода у гірських породах?

4.    Які процеси відбуваються у зоні аерації?

5.    Яка потужність зони аерації?

6.    Як поділяються підземні води за умовами залягання?

7.    Які бувають дренажні системи залежно від геологічних умов і призначення?

8.     В чому полягає горизонтальний дренаж?