Значение инженерной геологии для проектирования и строительства железных дорог, а также для их эксплуатации

Вопрос № 7. 

Приведите классификацию  подземных вод. Опишите фазовые  состояния воды в породах, а также  условия залегания и движения подземных вод (гигроскопическая, межпластовая напорная). 

Ответ: 

Воды, находящиеся  в верхней части земной коры, носят  название подземных вод. 

Классификации подземных вод. 

Классифицируют  подземные воды: по характеру их использования и по условиям залегания  в земной коре: 

Хозяйственно-питьевые воды – подземные воды широко используют для хозяйственно-питьевых целей, т. к. признаны лучшим источником питьевого  водоснабжения. Как правило, это  воды интенсивного водообмена (глубина  залегания обычно не более десятков метров). В последние годы для  хозяйственно-питьевого водоснабжения  начинают использовать также солоноватые  и соленые подземные воды после  их опреснения. 

Технические воды – это воды, которые используют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Требования к воде определяется производственным предприятием. 

Промышленные  воды содержат в растворе полезные элементы (бром, йод и др.) в количестве, имеющем промышленно сырьевое значение. Обычно залегают в зоне весьма замедленного водообмена. Обладают высокой минерализацией (от 20 до 600 г/л), состав хлористо-натриевый, температура нередко достигает 60-80 0С.  

Минеральными  называют подземные воды, которые  имеют повышенное содержание биологически активных микрокомпонентов, газов, радиоактивных  элементов. Они выходят на поверхность  земли или вскрываются буровыми скважинами. 

Термальные подземные  воды имеют температуру более 370С. Залегают повсеместно на глубинах от нескольких десятков метров (в горно-складчатых областях) до нескольких километров (на платформах) 

Подземные воды классифицируют по условиям их залегания  в земной коре.  

По степени  насыщения водой горных пород  верхняя часть земной коры делится  на верхнюю и нижнюю.  

Верхняя, зона аэрации, расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых  вод. В этой зоне наблюдается непосредственное просачивание атмосферных осадков  из поверхностных вод вглубь, в  сторону зоны насыщения.  

Зона насыщения  горных пород расположена ниже уровня грунтовых вод. В этой зоне все  поры, трещины, каверны и другие пустоты  заполнены гравитационной водой. 

Подземные воды в зоне насыщения циркулируют  в виде верховодок, грунтовых, артезианских, трещинных и вод вечной мерзлоты. 

Верховодки - это  временные скопления подземных  вод в зоне аэрации. Верховодки образуются над локальными водоупорами, например, линзы глин и суглинков в песке, прослойки более плотных пород. В периоды снеготаяния или  дождей вода временно задерживается  и образует сводообразные водоносные горизонты. Верховодки могут возникать  и при отсутствии водоупоров, например, при низкой водопроницаемости породы, в результате чего, в верхней части  толщи происходит задержка воды. В  сухое время года воды в верхней  части слоя, как правило, не бывает. 

Грунтовые воды. Грунтовыми называют постоянные во времени  и значительные по площади распространения  горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Грунтовые воды в силу наличия  свободной поверхности безнапорные. Иногда они могут проявить так  называемый местный напор, связанный  с залеганием линзы глины в  уровне зеркала. 

Межпластовые  подземные воды. Эти воды располагаются  в водоносных горизонтах между водоупорами. Они бывают напорные (артезианские) и ненапорные.  

Межпластовые  ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Они связаны с горизонтально  залегающими водоносными слоями, заполненные водой полностью  или частично.  

Напорные (артезианские) воды связаны с залеганием водоносных слоев на различных высотных отметках, что и создает напор подземных  вод.  

Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах.  

Трещинные воды – это подземные воды, циркулирующие  в трещиноватых горных породах. Перемещаются они по системе взаимосвязанных  трещин разного происхождения: тектоническим  разломам, трещинам отдельных магматических  массивов, трещинам выветривания и  образуют единую гидравлическую систему, напоминающую систему сообщающихся сосудов образуют единую гидравлическую систему.  

Классификация по условиям залегания: грунтовые, межпластовые, жильные. 

Трещинно-грунтовые  воды развиты в верхней трещиноватой зоне кристаллических массивов (до глубины 80-100 м) питание за счет инфильтрации атмосферных осадков. Площади их питания совпадают с площадью распространении. Водоупором трещинно-грунтовых  вод служат монолитные нетрещиноватые скальные породы. Водообильность трещинно-грунтовых  вод определяется условиями их питания  и степенью трещиноватости горных пород.  

Межпластовые  воды циркулируют в артезианских бассейнах, если водоносные слои их 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. Характерен напорный режим. Трещинно-жильные воды, как правило, водообильны, часто  разгружаются на поверхности земли, образую мощные родники. Трещинно-жильные  воды получают питание за счет трещинно-грунтовых  вод, разгрузки глубокозалегающих  напорных водоносных горизонтов и других источников.  

Химический состав как трещинно-жильных, так и карстовых  вод определяется составом вмещающих  их горных пород. В зоне интенсивного водообмена трещинно-жильные обычно пресные, гидрокарбонатные в (известняках) или жесткие сульфатные (в гипсах) 

Закарстованные  воды. Подземные воды, которые циркулируют  по трещинам и пустотам карстового происхождения. 

Степень и характер закарстованности горных пород определяют глубину развития, интенсивность  движения, гидравлическое состояние, водообильность карстовых вод. 

Подземные воды вечной мерзлоты Подземные воды в  районах многолетней мерзлоты контактируют или непосредственно содержатся в толще многомерзлых пород. Подразделяются надмерзлотными, межмерзлотными и подмерзлотными водами. 

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. 

В зависимости  от того, в каком состоянии в  грунтах находится вода, она классифицируется следующим образом: парообразная; связанная - прочносвязанная (гигроскопическая), рыхлосвязанная; свободная – капиллярная, гравитационная; в твердом состоянии (лед); кристаллизационная и химически  связанная.  

Парообразная  вода.  

Количество водяного пара в грунтах не превышает тысячных долей процента от общего веса грунта. Однако водяной пар играет большую  роль в процессах, протекающих в  грунтах, в силу того, что может  свободно передвигаться в грунте при незначительной его влажности, а также потому, что при конденсации  пара на поверхности грунтовых частиц образуются другие виды воды. 

Связанная вода  

Минеральные частицы  окружены рядом концентрических  слоев воды. Слои воды удерживаются частицами с различной силой, в зависимости от того, насколько  данный слой воды близок к минеральной  частице: чем ближе, тем прочнее  он с ней связан. Установлено, что  связь между пленками воды и минеральными частицами обусловлена молекулярными  силами. Присутствие различных категорий  связанной воды значительно меняет состояние и свойства грунтов 

Прочносвязанная (гигроскопическая) вода. Максимальное количество прочносвязанной воды в  грунтах максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая  образуется при абсорбации грунтовыми частицами парообразной влаги при  относительной ее упругости, равной 100%. 

Сама прочносвязанная  вода имеет несколько разновидностей. Вода базальных поверхностей глинистых  минералов (поверхности, перпендикулярные ребрам и сколам их кристаллической  решетки) образует вокруг глинистых  частиц сплошные плёнки воды, из-за чего величина связи между отдельными частицами уменьшается, что ведет  к снижению прочности глинистых  грунтов. При полном содержании всех видов прочносвязанной воды, т. е. при влажности, близкой к максимальной гигроскопичности, эта потеря прочности  весьма значительна. 

Содержание прочносвязанной  воды в дисперсных грунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности минеральных частиц. В зависимости от комплекса факторов содержание прочносвязанной воды лежит  в пределах 0,2-30% 

Рыхлосвязанная  вода  подразделяется на плёночную  и осмотическую. Пленочная влага  как бы облекает собой прочносвязанную  и удерживается молекулярными силами в меньшей степени, хотя природа  ее взаимодействия с частицами весь близка к поведению прочносвязанной  влаги. Осмотическая вода образуется в  результате проникновения молекул  воды из грунтовых растворов. Этот вид  воды весьма слабо связан с поверхностью грунтовых частиц, подвижность ее весьма близка к подвижности свободной  воды. 

Свободная вода 

Капиллярная вода делится на три вида: 1) вода углов  пор; 2) подвешенная вода; 3) собственно капиллярная вода. Вода углов образуется в местах соприкосновения на контактах  частиц – в виде отдельных капель, занимающих суженные части пор и  ограниченных менисками воды. Собственно капиллярная вода формируется за счет поднятия воды верх от уровня грунтовых  вод, образуя под грунтовыми водами в массиве грунта капиллярную  кайму. При промачивании грунтов  сверху, например, при атмосферных  осадках, при возведении грунтовых  плотин гидромеханизацией или отсыпкой, при увлажнении и укатке грунта, в грунтах образуется подвешенная  вода 

Гравитационная  вода. Делится на воду просачивания и воду грунтового потока. Первый тип  воды преимущественно располагается  в зоне аэрации и перемещается сверху вниз пока не достигнет водоупорный  слой. После этого дальнейшее продвижение  воды происходит под влиянием напора в виде грунтового потока. 

Вода в твердом  состоянии. При температурах ниже нуля гравитационная вода замерзает и  содержится в грунте в виде льда. Лед может формировать в грунте, как прослои различной толщины, так и рассеянные в его толще  отдельные кристаллы. Кристаллический  лед играет роль природного цемента. Присутствие льда резко изменяет свойства грунта. 

Кристаллизационная  и химически связанная вода. Кристаллизационная и химически связанная вода участвует  в формировании кристаллических  решеток различных минералов. Вода входит в состав гипса (CaSO4 . 2H2O) и  ряда других минералов. Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической  решетки минералов, сохраняет свою структуру. Химически связанная  вода (Fe2O3 . nH2O) не сохраняет своего молекулярного  единства, но более прочно, чем кристаллизационная, связана с другими молекулами кристалла. 
 

Вопрос № 8. 

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

Ответ.  

Ненапорные подземные  воды в зоне полного насыщения  передвигаются при наличии разности гидравлических напоров (уровней) от мест с более высоким к местам с  низким напором (уровнем). Разность напоров  ∆H = H1 - H2 Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (чем больше ∆H, тем больше скорость) и длины пути фильтрации.