Контрольная работа по "Геологии"

              В зависимости от условий залегания трещинные воды могут быть грунтовыми, межпластовыми, жильными.

              Трещинно-грунтовые воды развиты в верхней трещиноватой зоне кристаллических массивов (до глубины 80-100 м).  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Залегание трещинно- грунтовых  вод:

                  1 – скважины; 2 – трещины с  водой в скальных породах; 3 –  трещины, заполненные водой

 

Питаются они в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков  и отличаются значительными колебаниями уровня подземных вод во времени. Площади их питания совпадают с площадями распространения. Глубина залегания трещинно-грунтовых вод возрастает от долин к водоразделам (от нескольких метров до 80 м и более). Водоупором трещинно-грунтовых вод служат монолитные нетрещиноватые скальные породы. Водообильность трещинно-грунтовых вод определяется условиями их питания и степенью трещиноватости горных пород.

              Трещинно-грунтовые воды обычно  расположены в зоне активного  водообмена, поэтому в большинстве случаев они пресные, гидрокарбонатно-кальциевого состава.

              Межпластовые трещинные воды  циркулируют в артезианских бассейнах,  водоносные горизонты которых  представлены трещиноватыми горными  породами.

              Трещинно-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это линейно вытянутые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глубину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повышенную температуру. Для трещинно- жильных вод характерен напорный режим. Как правило, они отличаются значительной водообильностью, нередко разгружаются на поверхности земли и образуют мощные родники, которые используют для водоснабжения. Трещинно-жильные воды получают питание за счет трещинно-грунтовых вод, разгрузки глубокозалегающих напорных водоносных горизонтов и других источников.

              При строительстве подземных  водопроводно-канализационных сооружений  (трубопроводы, тоннели и др.) в горно-складчатых областях необходимо принимать меры, предотвращающие внезапный прорыв водообильных трещинно-жильных вод.

              Карстовые воды. Подземные воды, которые циркулируют по трещинам и пустотам карстового происхождения, называют карстовыми или трещинно-карстовыми.

              Подземные воды вечной мерзлоты. Подземные воды в районах многолетней мерзлоты контактируют или непосредственно содержатся в толще многолетнемерзлых пород. Подземные воды подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды.

              Надмерзлотные воды - воды, подстилающим водоупором для них служит многолетнемёрзлая толща, пустоты, трещины, поры которой постоянно заполнены льдом. Образуют безнапорные горизонты типа верховодки и грунтовых вод.

              Межмерзлотные воды – содержатся внутри толщи многолетней мерзлоты как в твердой (лед), так и в жидкой фазе (зона прерывистых и сквозных таликов). В жидкой фазе обычно напорные. Имеют связь с надмерзлотными и подмерзлотными водами.

              Подмерзлотные воды циркулируют ниже многолетнемерзлотной толщи, поэтому встречаются только в жидкой фазе. Воды напорны, величина напора может достигать до сотен метров. Используются в водоснабжении.

 

              Подземные воды не связаны  с веществом минералов и горных  пород. Они могут быть в парообразном, жидком и твердом состояниях, а также в виде льда. Чем выше температура и ниже давление, тем больше паров может содержать воздух, заполняющий пустоты горных пород. При понижении температуры пары переходят в жидкую воду. Соответственно сказанному можно выделить несколько типов таких вод: гигроскопическая, пленочная, капиллярная, гравитационная.

              Пленочная – в виде воды, образующей вокруг частицы породы сплошную пленку. Минимальная толщина пленки может быть равна сечению молекулы воды. Пленочная вода передвигается от частицы с толстой пленкой к частице с более тонкой пленкой в любом направлении, преодолевая гравитационные силы. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Сформулируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовите требования к питьевой воде. Объясните причины агрессивности воды к бетону и металлу.

 

              Движение жидкости в порах нескальных пород в основном происходит по типу ламинарного. Количество воды, протекающее (фильтрующееся) через данное поперечное сечение породы, в единицу времени пропорционально падению напора, обратно пропорционально длине фильтрации на данном участке потока и зависит от некоторой величины, называемой коэффициентом фильтрации. Эта закономерность получила название закона Дарси, по имени инженера Дарси, впервые открывшего ее в 1856 г.:

 

Q=k_фF∆H/l= k_фFI ,

 

где Q – расход воды или количество фильтрующейся воды в единицу времени, м³/сут;

       k_{ф –} коэффициент фильтрации, м/сут;

       F – площадь поперечного сечения потока воды, м²;

       ∆H – разность  напоров, м;

       l – длина пути фильтрации, м.

Отношение разности напора ∆H к длине  пути фильтрации l называют гидравлическим уклоном (или гидравлическим градиентом I) I=∆H/l.

Скорость фильтрации V=Q/F или V= k_фI. Скорость движения воды (фильтрации) измеряется м/сут или см/с. Эти формулы требуют уточнения в связи с тем, что в них входит величина F, отражающая все сечение фильтрующейся воды, а вода, как известно, течет лишь через часть сечения, равную площади пор и трещин породы. Поэтому величина V является кажущейся. Действительную скорость воды V_д определяют с учетом пористости породы

V_д =Q/Fn,

где n – пористость, выраженная в долях единицы.

              Сопоставив формулы V= k_ф и V_д =Q/F, можно установить, что V_д=V/n. Формула скорости воды V_д =Q/Fn в этом виде в свою очередь правомерна лишь для песков и крупнообломочных пород, где все поры открыты и вода имеет полную свободу движения. В глинистых породах часть пор закрыта и вода передвигается только через открытые поры, поэтому в формулу вводят не n, а n_акт (активную пористость), т.е. пористости, через которые проходит вода. Также следует помнить, что движение воды в породах происходит обычно с разной скоростью, поэтому при рассмотрении вопроса о движении воды в данной породе можно говорить лишь об ее средней скорости движения.

 

              Коэффициент фильтрации. Как следует из основного закона движения подземных вод, коэффициент фильтрации – это скорость фильтрации при напорном градиенте I= 1. Коэффициент фильтрации грунтов в основном определяется геометрией пор, т.е. их размерами и формой. На значение коэффициента фильтрации влияют также свойства фильтрующейся воды (вязкость, плотность), минеральный состав грунтов, степень засоленности и др.

              Методы определения. Для получения значений коэффициента фильтрации применяют расчетные, лабораторные и полевые методы.

              Расчетным путем коэффициент фильтрации определяют преимущественно для песков и гравелистых пород. Расчетные методы являются приближенными и рекомендуются лишь на первоначальных стадиях исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунтов с его гранулометрическим составом, пористостью, степенью однородности и т.д.

              Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным.  

              Приборы, моделирующие постоянство  напорного градиента, т.е. установившееся движение (приборы Тима, Тима-Каменского, трубка конструкции СПЕЦГЕО), применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Принцип работы приборов следующий. В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П₁ и П₂ помещают испытуемый грунт. Через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I=∆H/L) и измерив расход профильтровавшейся воды Q, находят коэффициент фильтрации по формуле Q=k_ф IF; k_ф=Q/FJ=QL/F(h₁-h₂), где h₁ и h₂ – показания пьезометров; L – расстояние между точками их присоединения. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ, позволяющие определять k_ф образцов с нарушенной и ненарушенной структурой.

              Приборы, моделирующие переменный  напор, характеризующий неустановившееся  движение, обычно используют для  определения коэффициента фильтрации  связных грунтов с малой водопроницаемостью. Это компрессионно-фильтрационные приборы типа Ф-1М. Они позволяют вести наблюдения при изменении напорного градиента от 50 до 0,1 в образцах, находящихся под определенным давлением. Основной частью прибора является одометр, с помощью которого на грунт передается давление. К одометру по трубкам подводится и после фильтрации отводится вода. Напор создается с помощью пьезометрических трубок.

              Простота и дешевизна  лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

              Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты. Вместе с тем полевые методы более трудоемкие и дорогие в сравнении с лабораторными.

              Коэффициент фильтрации водоносных  пород определяют с помощью  откачек воды из скважин, а  в случае неводоносных  грунтов  – методом налива воды в  шурфы и нагнетанием воды в  скважины.

 

              Расход плоского грунтового потока. Типичным примером плоского потока может служить движение подземных вод к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. Плоский поток может быть грунтом (безнапорным) и перемещаться в однородных и неоднородных пластах, при горизонтальных и наклонных водоупорах.

              Расход грунтового (безнапорного) потока в однородных слоях пород. Водоупор горизонтальный.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 Рис. 7. Схема для расчета расхода плоского потока грунтовых вод с горизонтальным водоупором

 

Согласно основному закону фильтрации – закону Дарси, в пределах рассматриваемого участка (рис.7) от сечения I до сечения II расход грунтового потока в однородных пластах может быть определен как

Q=k_ф/F= k_фI_срВh_ср ,

 

где k_{ф –} коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;

      I_ср – средний напорный градиент потока;

      В – ширина  потока, м;

      h_ср – средняя мощность потока, м;

 

Принимая h_ср = (h₁+ h₂)/2  и I_ср= (h₁- h₂)/l, расход грунтового потока можно выразить формулой

Q= {k_фВ(h₁+ h₂)/2}{(h₁- h₂)/l}= k_фВh(h₁²- h₂²)/2l.

Расход плоского потока удобнее  выражать на единицу его ширины, т.е. в виде единичного расхода q=Q/B, где q – единичный расход плоского потока, т.е. количество воды, протекающее в единицу времени через сечение потока шириной 1 м:

q= k_ф(h₁²- h₂²)/2l.

При значительной разности мощностей  m₁ и m₂ (рис. 8) для расчетов используют формулу Н.Н.Биндемана:

q= k_ф m₁+m₂   H₁-H₂

                                                                             ln m₂        l

                                                                                 m₁

Значительную трудность при  расчете притока воды к горизонтальным выработкам представляют условия неоднородной слоистой толщи горных пород.

              При движении подземных вод в неоднородных водоносных пластах, т.е. пластах, состоящих из ряда слоев с различной водопроницаемостью, для определения расхода потока подземных вод вводится средний коэффициент фильтрации пласта k_{ф. ср.}

              Водоупор наклонный (рис. 8).

 

 

 

 

 

 

 

 

                        Рис. 8. Схема для расчета расхода  плоского потока грунтовых вод  с наклонным водоупором

 

Единичный расход грунтового потока определяют также из закона Дарси:

q= {k_ф(h₁+ h₂)/2}{(H₁- H₂)/l},

где H₁ и H₂ – напоры воды в сечениях I и II, отсчитанные от условной плоскости сравнения (О-О) или уровня моря.

 

Требования  к питьевой воде. Вода считается пригодной для использования в качестве питьевой, если она удовлетворяет следующим требованиям: