757

Впериод межени, наоборот, река питается за счет притока грунтовых вод.

Установление характера взаимосвязи поверхностных и грунтовых воднеобходимопри определенииводопритоковкводозаборам,расположеннымвблизиповерхностныхводоемов, оценкивозможности загрязнения подземных вод состороны реки, содержащей вредныевещества.

Грунтовые воды широко используются для водоснабжения, т.е. являются полезными ископаемыми. Вместе с тем они создают большие трудности при производстве строительных работ (заливают котлованы) и осложняют эксплуатацию инженерных сооружений.

Винженерной практике чаще всего приходится принимать меры борьбы именно с грунтовыми водами.

Карты гидроизогипс составляют для определения характера по- верхности(зеркала)грунтовыхвод.Гидроизогипсы—линиинакарте, соединяющие точки одинаковых отметок (абсолютных или относительных) уровня грунтовых вод. Карта гидроизогипс отражает «рельеф»зеркалагрунтовыхвод, кактопографическиегоризонталиотражают рельеф поверхности Земли.

Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых водвскважинах,расположенныхпосеткеинанесенныхнатопографи-

ческую карту. Отметки уровня подземныхводНв в скважинахопределяют по формуле

Нв = Нт – h,

где Нт — отметка топографической поверхности Земли; h — глубина залегания подземных вод от поверхности Земли в данной точке.

Полученные отметки надписывают над каждой скважиной, затем соединяют равные плавными кривыми и получают карту гидроизогипс (рис. 48). По карте гидроизогипс можноопределить направления движения грунтового потока в любой точке местности. Для определения направления в точке к гидроизогипсе проводят касательную прямую, к ней восстанавливают перпендикулярв сторонуменьших отметок, это и будет направлением движения грунтового потока.

Уклон поверхности грунтового потока определяется на карте по разности отметок в двух точках и делением ее на расстояние между ними в соответствии с горизонтальным масштабом карты.

По высоте горы различают на высокие с абсолютными отметками более 2000 м, средневысокие — 700–2 000 м и низкие с отметками от

150 до 450 м.

Рис. 45. Горный рельеф

Значениерельефаместностиприоценкеусловийдлястроительства неоценимо. Уклоны поверхности Земли, характер рельефа (горный, равнинный, овражный)имеютособеннобольшоезначениепри строительстве линейных транспортных сооружений.

В рельефе местности отражается ее геологическое строение — различныегеоморфологическиеэлементырельефа, сложенныеиз разных по физико-механическим свойствам грунтов.

Большоевлияние рельеф имеет на формированиеподземных вод и глубину их залегания. В районах с рельефом, сильно расчлененным овражно-балочной сетью, подземныеводы залегают на глубинеболее 20 м, а в районах сослаборасчлененным рельефом глубина залегания грунтовых вод составляет 1–2 м.

С особенностями рельефа связано формированиешироко распространенных оползневых, карстовых, суффозионных процессов, осложняющих инженерно-геологические условия местности.

Результаты геоморфологического изучения местности представляют обычно в виде геоморфологических, топографических карт, профилейисхемсоотношенияразличныхэлементоврельефа.Этиматери-

152

141

алы являются основой при инженерно-геологическом районировании территории строительства. В зависимости от геоморфологических условий определяется категория сложности инженерно-геологичес- ких условий территории.

Глава 11. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ, ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ

Изучением подземных вод занимается наука гидрогеология. Она изучаетпроисхождение,закономерности распространенияподземных вод, их химический состав, решает проблемы использования подземных вод для водоснабжения.

Подземныеводыявляютсянетолькоценнейшимисточникомводоснабжения, онимогутстатьфактором,осложняющимстроительствои эксплуатацию инженерных сооружений.

11.1. Виды воды в грунтах. Водные свойства грунтов

Вода вгрунтах находится в порах, пустотах, трещинах. Различают следующие виды воды:

—парообразная — вода в виде пара, характеризуется большой подвижностью, перемещается из мест большей упругости в области малой упругости. Проникает из атмосферы в грунт, а при испарении влаги из грунтов перемещается в атмосферу;

—физически связанная вода — располагается на поверхности минеральных частиц, удерживается за счет молекулярных сил притяжения. Частицы грунта имеют отрицательный электростатический заряд, они притягивают молекулы воды, удерживают их на своей поверхности. Так возникает гигроскопическая — прочно связанная вода, расположенная непосредственно на поверхности частицы (рис. 46).Поверхслоягигроскопическойводыформируетсяпленочная вода в виде пленки толщиной до 0,1 мкм. Она также удерживается молекулярными силами притяжения. Пленочная вода, в отличие от гигроскопической, перемещается под действием сил молекулярного притяженияотчастицстолстойпленкойкчастицамстонкойпленкой. Она замерзаетпри отрицательнойтемпературе–3…–4°С, неподчиняется силе тяжести, не стекает в дренажные сооружения. Количество физически связанной воды зависит отсуммарной удельной поверхности частиц грунта. Максимальное содержание ее в глинах составляет до40%, в суглинках15–23 %, всупесях 9–13 % и песках менее7 %. С физически связанной водой связаны многиеважныесвойства глинис-

ла грунтовых вод располагается капиллярная кайма, образованная в результате поднятия влаги по капиллярам.

Грунтовые воды залегают обычно в виде грунтовых потоков. Поверхность их имеет некоторый уклон от водоразделов в сторону речных долин, озер и оврагов. В местах выхода грунтовых вод на поверхность образуются нисходящие (безнапорные) источники — родники (сосредоточенные) и мочажины (рассеянные, вызывающие заболоченность поверхности). Реже грунтовые воды имеют форму неподвижных бассейнов, залегающих в углублениях водоупорноголожа. В этом случае их поверхность горизонтальная.

Глубиназалеганиягрунтовыхвод,иххимическийсоставибактериальноезагрязнение зависят отмногих факторов:геологическогостроениярайона,рельефа,эрозионногорасчлененияповерхностииклиматических условий.

Максимальная глубина залегания грунтовых вод наблюдается на возвышенных формах рельефа, дренируемых глубокими речными долинами. Вприбрежныхзонахгородовна высокихтеррасахглубина залегания подземных вод составляет 15–20 м. С удалением от дренирующих долин на территории этих же городов наблюдаются подтопленные районы за счет потерь воды из водонесущих коммуникаций с глубиной залегания грунтовых вод 1,0–2,0 м. На равнинных территориях грунтовые воды залегают на глубине от 5,0 до 0,5 м.

Постепениминерализации грунтовыеводыпреимущественнопресные, гидрокарбонатного состава, в южных районах солоноватые и соленые, сульфатно-хлоридного типа.

Грунтовые воды хорошего качества и в больших объемах распространенывдолинахрек. Залегаютони вводопроницаемых отложениях русловогоаллювия, слагающих основания речных террас. При ширинеруслового потока реки 1–2 км поток грунтовых вод речной долины достигаетстаиболеекилометров. Грунтовыеводы,какправило,тесно связанысповерхностнымиводамирек,водохранилищ,каналов.Установлено,чтоизменениеуровняводывповерхностныхводоемахвызываетсоответствующиеизмененияуровней грунтовыхводи ихподпор. Так, в период паводков на реках уровень грунтовых вод в береговой зоне повышается, и они питаются со стороны реки (см. рис. 47). К

постоянному повышению уровня грунтовых вод приводит строительство водохранилищ в долинах рек.

142

151

11.4.1.Верховодка

Верховодка — подземные воды, приуроченные к поверхности линзыводонепроницаемыхпород, залегающей на небольшой глубине взонеаэрации.Верховодкаимеетвременныйхарактер,онапоявляется при обильном выпадении дождей и интенсивном таянии снега. В засушливое время года она может исчезать. Чаще всего верховодка наблюдается на равнинныхводораздельныхпространствахвпонижениях рельефа. По величине минерализации воды верховодки изменяютсяотпресныхвсеверныхрайонахдосолоноватыхвюжныхрайонах страны.

Близость верховодки к поверхности земли приводит к ее загрязнению органическими и химическими соединениями.

Водообильность незначительная, поэтому использование верховодки для водоснабжения ограничено.

Впределах городских территорий верховодка представляет значительную опасность для строительства и эксплуатации инженерных сооружений.

Врезультате значительных утечек воды из водонесущих коммуникаций(водопровод, канализация)происходитчастоепоявлениеверховодки на застроенных городских территориях.

Вода скапливается какна линзеводонепроницаемыхпород, так и в толще суглинков с низкой водопроницаемостью. В итоге происходит поднятие уровня воды верховодки и подтопление городской территории. Подвалы зданий затапливаются, в подъездах появляется повышенная влажность, грунты оснований сооружений снижают свою устойчивость, происходит деформация сооружения.

11.4.2. Грунтовые воды

Грунтовыеводы—водыпервогоотповерхностиЗемлипостоян- ного водоносного горизонта, залегающего на первом водонепроницаемом слое грунтов (водоупоре).

Поверхность грунтовыхвод называютзеркалом(вразрезеуровнем грунтовых вод — УГВ). Слой грунтов, содержащий воду, именуют водоносным горизонтом. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупора называют мощностьюводоносногогоризонта (см. рис. 47). Питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, конденсации водяных паров и поступления воды из поверхностныхводоемов(рек,озер).Иногдагрунтовыеводыпополняются за счетнапорныхвод, залегающихнижеводоупора. Вышезерка-

тых грунтов: набухание, пластичность и такие явления, как плывунность грунтов, миграция воды к фронту промерзания при морозном пучении грунтов;

Рис. 46. Схема различных видов воды в грунте (по А.Ф. Лебедеву): 1 — частица грунта с неполной гигроскопической водой;

2 — частица с максимальной гигроскопичностью; 3 — частица с тонким слоем пленочной воды; 4 — частица с максимальной толщиной пленочной воды (максимальная молекулярная влагоемкость); 5 — частица с гравитационной водой

— капиллярнаявода—вода, удерживающаясяи передвигающаяся по порам и тонким трещинкам снизу от подземных вод вверх под влиянием сил поверхностного натяжения (за счет подъемной силы мениска).Высотакапиллярногоподъемаизменяетсяот3смукрупных песков, усупесей составляет 120–350 см, суглинков — 350–650см и у глин — до 1 200 см. В приповерхностном грунтовом слое (и почве) выделяетсякапиллярнаяподвешеннаявода, образующаясяприпросачивании атмосферных осадков с поверхности Земли. Капиллярная вода вызывает увлажнение фундаментов, нижней части стен, подвалов, земляного полотна дорог;

150

143

—гравитационная (свободная) вода заполняет крупные поры и трещины в грунтах. Передвигается под влиянием силы тяжести, растворяетгорныепороды,способнавыноситьчастицыгрунтаизмассива. Используется для целей водоснабжения;

—вода втвердомсостоянии —в видельда при температуре 0 °С

иниже находится в грунтах в виде кристаллов, прослоев и линзочек;

—кристаллизационная и химически связанная вода— входит в состав минералов (гипс, каолинит, лимонит), удаляется из них при высоких температурах.

Количествоводывовсехеевидах, содержащеесявгрунтах,определяется через показатель естественной влажности w — отношение массы воды к массе сухого грунта — и показатель коэффициента

водонасыщенияSr (степенизаполненияпоргрунтаводойсм.подразд. 2.3). По величине коэффициента водонасыщения грунты подразделяются: на маловлажные (Sr 0,5), влажные (0,5…0,8) и насыщенные водой

(Sr = 0,8…1,0).

К водным свойствам грунтов относятся:

—влагоемкость — способность грунтов поглощать и удерживать

всебе воду. Различают сильно влагоемкие (торф, глина, суглинок); слабо влагоемкие (супесь, мел) и невлагоемкие грунты (пески, галечники, скальные);

—водоотдача — способность водонасыщенных грунтов отдавать гравитационную воду в виде свободного стока, при изменении естественных условий залегания. Величина водоотдачи µ определяется, какразностьмеждуихполнойвлагоемкостьюиколичествомфизичес-

кисвязаннойводы: =wп.в. –wф.св.в.Наибольшейводоотдачейобладают обломочные и скальныетрещиноватые грунты, минимальная водоотдача — у глин и суглинков;

—водопроницаемость — способность грунтов пропускать через себя воду. Водопроницаемость грунтов зависит от размера сообщающихся между собой пор, трещин и от напора воды. Количественно водопроницаемость грунтов характеризуется коэффициентом фильтрации, имеющим размерность единицы скорости м/сут, м/с.

Водонепроницаемые и слабо водопроницаемые грунты принято называть водоупорами.

11.4. Классификация подземных вод по условиям залегания

Верхняя часть земной коры в зависимости от степени насыщения пор водой делится на две зоны: верхнюю — зону аэрации, и нижнюю — зону насыщения (рис. 47).

Рис. 47. Ненапорные подземные воды:

1 — песок; 2 — песок водонасыщенный; 3 — глина (водоупор); I — зона аэрации; II — зона насыщения; К — капиллярная вода; УГВ-1 — уровень грунтовых вод в период меженных вод (УМВ) в реке; УГВ-2 — уровень грунтовых вод в период половодья; Н — мощность водоносного горизонта

Зона аэрации расположена между поверхностью Земли и уровнем первого горизонта подземных вод. В этой зоне поры грунтов заняты воздухом и лишь частично водой, наблюдается просачивание атмосферных осадков вглубь разреза. Мощность зоны аэрации колеблется от нуля в заболоченных низинах до нескольких десятков метров в районах с положительными, сильно расчлененными формами рельефа. Зона насыщения расположена ниже, где все поры и трещины заполнены гравитационной водой.

По условиям залегания в горных породах подземные воды подразделяются на ненапорные — их уровень при вскрытии поверхности выработкой не изменяется (к ним относятся верховодка, грунтовые воды и межпластовые воды) и напорные воды — при вскрытии выработкой их уровень под напором поднимается, и они могут изливаться на поверхность.

144

149

разрушается. Вода считается агрессивной для обычных цементов при концентрации SO42– свыше 250 мг/л.

Углекислая (карбонатная) агрессивность возникает в результате действия агрессивной CO2 на бетон. В процессе воздействия CO2 с водой происходит разрушениебетона в результатевыщелачивания из него бикарбоната кальция. Агрессивными считаются воды с содержанием CO2 более 3 мг/л.

Магнезиальнаяагрессивность проявляетсявпроцессевоздействия воды с содержанием катиона Mg более 2000 мг/л.

Кислородная агрессивность вызывается воздействием кислорода, содержащегося в воде. Проявляется по отношению к металлическим строительным конструкциям.

Общекислотнаяагрессивностьобусловленакислойреакциейводы при pH менее5,0. Особенноагрессивны болотныеводы, укоторых pH менее 3,0, по отношению к металлическим конструкциям.

Интенсивность агрессивности подземных вод и коррозии строительных конструкций возрастает с увеличением температуры подземных вод и скорости их движения.

Агрессивность подземных вод устанавливается сопоставлением данных химическогоанализа воды с требованием нормативных документов, после чего определяют меры борьбы с ней: применение сульфатостойкихи другихспециальных цементов,гидроизоляцияподземных частей сооружений, дренаж и др.

Качествоподземных воддля целей водоснабженияоцениваетсяпо их органолептическим показателям, химическому составу и бактериальному загрязнению. Требования к качеству воды определяются государственными стандартами.

По органолептическим свойствам питьевая вода должна быть прозрачной, бесцветной, не иметь неприятного запаха и вкуса.

В химическом составе питьевой воды величина сухого остатка не должнапревышать1г/л,общаяжесткостьдолжнабытьдо7,0мг-экв/л, внейдолжносодержатьсянеболее0,1мг/лсвинца,0,05мг/лмышьяка, 1,5 мг/л фтора, 3 мг/л меди, 1 мг/л железа, 0,6 мг/л урана и 0,005 мг/л ртути.

Бактериальное загрязнение оценивается по содержанию бактерий и кишечных палочек в 1 л воды (коли-индексом). Вода является безвредной с коли-индексом не более трех.

11.2. Происхождение подземных вод

Существуют четыре теории происхождения подземных вод. Инфильтрационнаятеорияобъясняетобразованиеподземных вод

просачиванием (инфильтрацией) атмосферных осадков и вод поверхностных водоемов вглубь земной коры. Просачиваясь по порам и трещинам,воданакапливаетсяна водонепроницаемыхпородахи происходитформированиеподземныхвод.Интенсивностьинфильтрации зависит, прежде всего, от количества атмосферных осадков, водопроницаемости поверхностных грунтов и рельефа местности.

Конденсационнаятеорияобъясняетобразованиеподземныхводза счет конденсации водяных паров, проникающих из атмосферы в трещины и поры грунтов. Так образуются подземные воды в южных районах степей, где выпадает незначительное количество атмосферных осадков (юг Западной Сибири, Степной Алтай, Прикаспийская низменность).

Седементационная теория объясняет происхождение подземных вод интенсивным отложением обломочного материала в озерные водоемы. Наносы полностью заполняют озерную впадину, и вода озера оказывается подтолщей осадков. Таким образомбыли сформированы подземныеводыюжныхрайоновСибири(Чано-Кулундинскойвпади- ны), характеризующиеся повышенной соленостью.

С ювенильной теорией связывают образование подземных вод за счетвыделениякислорода, водорода, водяногопараизмагматических очагов.Ювенильныеводывыходятнаповерхностьземливвидепаров игорячихисточниковпри вулканическойдеятельности(долинагейзеров на Камчатке). Можно полагать, что в большинстве минеральных источников присутствуетювенильнаявода. Такиеисточникихарактеризуются обильным выделением газов, оригинальным химическим составом. Ювенильным происхождением следует объяснить радоновые воды гранитной интрузии Новосибирска, выходов палеозойских породТомскойобласти (долинырекиБасандайки, с. Заварзино,Семелужки)имногочисленныхисточников наГорномАлтае(Белокуриха). В чистом виде ювенильные воды не встречаются, они обычно разбавлены инфильтрационными и конденсационными водами.

148

145

11.3. Химический состав подземных вод. Агрессивность, оценка качества подземных вод

Подземнаяводапредставляетсобойсложный раствор,содержащий более 60 химических элементов периодической таблицы Менделеева. Минеральные соли (минералы), растворяясь в воде, распадаются на анионы:Cl, SO4, CO3, HCO3, OH–, NO2– и катионы:Na+, Mg2+, Ca2+, K+, Fe2+, Mn2+. Эти ионы составляют более90 % всехрастворенных в воде солей. В воде присутствуют газы: O2, H, CO2, CH4, H2S, реже гелий, радон. Железо, нитраты, бром, йод, фтор, бор содержатся в меньшем количестве, но могут оказывать существенное влияние на оценку пригодности подземных вод для целей водоснабжения.

Химический состав подземных вод выражается в виде дроби Курлова:

	SO4 80Cl20
Sp M	2 Mg60Na10 t C10,

гдеSp —наименованиегаза илиспецифическогохимическогоэлемента, характерного для данной воды (для трещинных вод гранита Новосибирска — радон, Rn); M — общая минерализация — суммарное содержаниерастворенныхвводесолей. Оеевеличинесудятпосухому остатку, г/л, который получается после выпаривания одного литра воды.

Вчислителе указываются анионы в убывающем порядке в % — эквивалент, в знаменателе — содержание катионов (в формуле не записываются анионы и катионы, содержание которых менее10 % — экв.). В конце формулы указывается температура воды в градусах Цельсия.

Взависимости от величины сухого остатка и содержания анионов

икатионов различают следующие виды подземных вод (табл. 18). Температураподземныхводизменяетсявширокихпределах,зави-

ситотгеологическогостроения,климатическихи тектоническихусловий местности. По температуревыделяются следующиетипы подземных вод: холодные (0–20 °С), теплые (20–37 °С), термальные (37– 50 °С), горячие (50–100 °С), гейзеры (более 100 °С).

Жесткость подземных вод обусловлена присутствием в них катионов Ca и Mg. В зависимости от содержания Ca и Mg, выраженного в мг-экв./л, воды изменяются от очень мягких (до 1,5 мг-экв./л) до очень жестких (более 9,0 мг-экв./л).

Таблица 18

Классификация подземных вод по степени минерализации

	Сухойос-		Преобладаю-
Вид воды			щие анионы								Химический тип воды
	таток, г/л
				катионы
Пресная	До 1			HCO3,CO3							Гидрокарбонатно-
						Ca					кальциевый
Солоноватая (слабо	1–3				SO4, Cl						Сульфатно-хлоридно-
минерализованная)					Mg, Na						магниево-натриевый
Соленая (минерали-	3–35				SO4, Cl						Сульфатный и хлоридный
зованная)
Рассол	Более 35					Cl					Хлоридно-натриевый
						Na

Различают устранимую жесткость, исчезающую при кипячении воды, и неустранимую. При кипячении происходит выпадение в оса-

док карбоната Ca и Mg. Неустранимая (постоянная) жесткость

определяется вычитанием из общей жесткости устранимой. Жесткие воды непригодны для использования в отопительной системе. Для питьевоговодоснабжения разрешается использованиеподземных вод

собщей жесткостью до 7 мг-экв./л.

Взависимости от величины концентрации ионов водорода (pH) подземныеводыимеюткислуюреакцию(pH<7),нейтральную(pH = 7) и щелочную (pH > 7). Наилучшими питьевыми качествами обладает вода при pH = 6,5…8,5. Подземные воды с малыми значениями pH (кислые, болотные воды) вызывают коррозию труб и ухудшают питьевые качества.

Агрессивностьподземных вод— способность разрушать стро-

ительные конструкции путем воздействия химических соединений,

содержащихсявних. Взависимости отхимическогосоставаагрессивного вещества различают следующие виды агрессивности воды.

Сульфатная агрессивность — обусловлена присутствием в воде

аниона SO42–. Основой бетонных конструкций является портландцемент, состоящийиз карбонатакальция. Привзаимодействии карбона-

такальциясSO4 происходитзамещениеанионаCO3 наSO4,образуется сульфат кальция:

CaCO3 + H2O + SO4 = CaSO4·2H2O (гипс);

в итоге увеличивается в 2 раза объем вещества бетона, он становится рыхлым(образуется цементнаябацилла — сольДеваля), конструкция

146

147