Межпластовые подземные воды

Межпластовыми водами называют водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорными слоями.

В зависимости от условий залегания они могут иметь свободную поверхность или обладать напором.

Межпластовые ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Уровень этих вод располагается ниже кровли первого водоупора, т.е. водопроницаемый слой не имеет полного заполнения.

По условиям передвижения и характеру напоров эти воды аналогичны грунтовым водам.

Однако область питания межпластовых вод не совпадает с областью ихраспространения.

Питание вод происходит на участках выхода водоносного пласта на дневную поверхность или путем фильтрации из рек и других поверхностных водотоков и водоемов.

Рис. 37. Артезианский бассейн области:

а — питания напорных вод; б — напора; в — разгрузки; 1 — уровень грунтовых вод; 2 — пьезометрический уровень напорных вод; 3 — водоносный напорный пласт; 4 — водоупоры; 5—скважины; Н — величина пьезометрического напора

Межпластовыми напорными или артезианскими называют воды, залегающие между двумя водоупорными слоями и обладающие гидростатическим напором.

При вскрытии напорного водоносного пласта скважинами вода поднимается выше его водоупорной кровли, а при сильном напоре и низких абсолютных отметках земной поверхности может самоизливаться на поверхность с высотой фонтанирования до нескольких десятков метров.

Артезианские воды обычно залегают на большой глубине и приурочены к синклинальным (прогнутым) геологическим структурам.

При синклинальном залегании пластов создаются наиболее благоприятные условия для образования гидростатического напора. Напорные воды встречаются и при моноклинальном (односклоновом) залегании водоносных пластов, если последние резко изменяют свою водопроницаемость или выклиниваются.

Область питания распространена в приподнятой части артезианского бассейна, в месте выхода водопроницаемых слоев на поверхность.

Движение подземного потока в пористых породах (песок, супесь, суглинок) имеет параллельно-струйчатый, или ламинарный, характер, т. е. без разрывов и пульсаций, с плавным изменением скорости и подчиняемости закону Дарси.

Фильтрация в полностью водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме движения выражается уравнением:

где Q — расход воды или количество фильтрующей воды через поперечное сечение F в единицу времени, м3/сут;

kф — коэффициент фильтрации, м/сут;

F— площадь поперечного сечения потока воды или водоносного пласта, м2;

∆Н — разность напоров, м;

l — длина пути фильтрации, м;

I — напорный градиент.

Контрольные вопросы:

1. Классификация подземных вод по условиям залегания.

2. Условия залегания водоносных горизонтов и их режим.

3. Круговорот воды в природе.

4. Охарактеризуйте верховодку, грунтовые воды, артезианские воды.

5. Основные законы движения подземных вод.

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ

Инженерно-геологические изыскания являются обязательными при проектировании и строительстве всех объектов: железных и автомобильных дорог, жилых и промышленных зданий, гидротехнических сооружений, горных предприятий, карьеров по добыче полезных ископаемых и др.

Это обусловливается тем, что инженерно-геологические условия оказывают в большинстве случаев решающее влияние на размещение и конструкцию проектируемых сооружений, технологию производства строительных работ и стоимость строительства.

В соответствии со СНиП 11.02-96 инженерно-геологические изыскания должны обеспечить изучение инженерно-геологических условий района или участка строительства:

определение геологического строения (литологии, тектоники, возраста пород, степени их выветрелости), геоморфологии,изучение гидрогеологии, выявление неблагоприятных физико-геологических процессов и явлений, определение физико-механических свойств грунтов, составление прогноза изменения инженерно-геологических условий района (участка) строительства при возведении и эксплуатации зданий и сооружений.

В состав инженерно-геологических изысканий входят следующие их виды: сбор, изучение и обобщение материалов о природных условиях района строительства по изысканиям прошлых лет, инженерно-геологические рекогносцировка, съемка и разведка.

Последовательность, состав, объемы и детальность отдельных видовработ применительно к основным стадиям проектирования определяются нормативными документами по инженерным изысканиям для конкретных видов строительства (дорожного, гражданских и промышленных зданий и сооружений, гидротехнического и др.) и устанавливаются проектом и программой работ, составляемых на основе технического задания, выдаваемого проектной изыскательской организацией.

Инженерно-геологические исследования в стадии проектного задания выполняются в пределах выбранных участков и имеют целью выбора конкретной площадки для строительства данного объекта; полученные сведения позволяют проектировщикам обосновать компоновку основных и вспомогательных сооружений, выбрать тип и конструкцию основаниясооружений, разработать наиболее рациональную технологию производстваземляных работ и решить ряд других вопросов.

В полевой период производят все инженерно-геологические работы, предусмотренные проектом для данного участка:

• инженерно-геологическую съемку;

• разведочные (буровые и горно-проходческие) работы и геофизические исследования;

• опытные полевые исследования грунтов;

• изучение подземных вод;

• анализ опыта местного строительства и т. д.

Инженерно-геологическая съемка. Представляет собой комплекс работ по изучению геологического строения территории — стратиграфии, литологии,трещиноватости, степени выветрелости горных пород; геоморфологических особенностей изучаемой площади; гидрогеологических условий территории — наличия водоносных горизонтов, условий их залегания, характера движения подземных вод, их химического состава и т. д.; физико-геологическихпроцессов и явлений.

Дается прогноз инженерно-геологических процессов и явлений, которые могут возникнуть в результате взаимодействия построенных сооружений с окружающей средой.

В случае вероятности неблагоприятного воздействия природных условий на строительство и эксплуатацию проектируиемых сооруженийпредусматриваются профилактические мероприятия, выполнение которых позволит обеспечить прочность и надежность сооружений в эксплуатации.

При отборе монолитов для лабораторного определения физико-механических свойств грунтов необходимо, чтобы каждая литолого-генетическая разновидность грунта была изучена не менее чем на шести образцах на участке проектирования сооружения или их комплекса и на нужную глубину (в пределах сжимаемой или активной зоны).

Отчет обязательно должен иметь приложение, в котором дается различный графический материал (карты, разрезы, колонки скважин и др.), а также таблицы свойств грунтов, химических анализов воды, каталог геологических выработок и др.

Инженерно-геологический отчет должен давать ответы на всевопросы, которые стоят перед строителем.

Основными требованиями к инженерно-геологическим изысканиямявляются:

1) оценка общих условий территории;

2) обеспечение геологическими данными для выбора типа основания и конструкций фундамента;

3) определение характера воздействия на грунты динамических нагрузок;

4) возможное влияние на устойчивость объекта инженерно-геологических процессов;

Буровые и горнопроходческие разведочные работы являются существенной частью инженерно-геологических и гидрогеологических полевых исследований.

С помощью буровых скважин и горных выработок (шурфов, штолен и др.) (рис. 175) выясняют геологическое строение и гидрогеологические условия строительной площадки на необходимую глубину, отбирают пробы грунтов и подземных вод, проводят опытные работы и стационарные наблюдения.

К главнейшим разведочным выработкам относят расчистки, канавы, штольни, шурфы и буровые скважины.

Расчистки, канавы и штольни относят к горизонтальным выработкам. Их целесообразно применять на участках, сложенных крутопадающими слоями.

При слабонаклонноми горизонтальном залегании слоев следует проходить шурфы и буровые скважины.

Расчистки — выработки, применяемые для снятия слоя рыхлогоделювия или элювия с наклонных поверхностей естественных обнажений горных пород.

Канавы (траншеи) — узкие (до 0, 8 м) и неглубокие (до 2 м) выработки, выполняемые вручную или с помощью техники с целью обнажения коренных пород, лежащих под наносами.

Штольни — подземные горизонтальные выработки, закладываемые на склонах рельефа и вскрывающие толщи горных породв глубине массива. Стены штольни, как правило, крепятся, если их проходят в нескальных породах.

Шурфы — колодцеобразные вертикальные выработки прямоугольного (или квадратного) сечения. Шурф круглого сечения

Шурфы помогают детально изучать геологическое строение участка, производить отбор любых по размеру образцов с сохранением ихструктуры и природной влажности.

Недостатком является высокая стоимость и трудоемкость работ по отрывке шурфов, особенно в водонасыщенных породах.

Следует отметить, что за последнее время появились специальные шурфокопательные машины, позволяющие проходить шурфы круглого сечения. Размер шурфов в плане зависит от их предполагаемой глубины. Чаще всего это 1 х 1 м; 1 х 1, 5 м; 1, 5 х 1, 5 м и т. д. Диаметр дудок не превышает 1 м. Обычно глубина шурфа бывает 2—3 м, максимально до 4—5 м.

По мере проходки шурфа непрерывно ведут геологическую документацию — записывают данные о вскрываемых породах, условиях их залегания, появлении грунтовых вод; производят отбор образцов.

По всем четырем стенкам и дну делают зарисовку и составляют развертку шурфа. Это позволяет более точно определить мощность слоев и элементы их залегания в пространстве.

По окончании разведочных работ шурфы тщательно засыпают, грунт утрамбовывают, а поверхность земли выравнивают.

Буровые скважины представляют собой круглые вертикальные или наклонные выработки малого диаметра, выполняемые специальным буровым инструментом.

В буровых скважинах различают устье, стенки и забой (рис. 177).

Рис. 177. Буровая скважина: 1 — устье; 2 — стенки; 3 — забой

Бурение является одним из главнейших видов разведочных работ, применяется в основном для исследования горизонтальных или пологопадающих пластов.

К преимуществам бурения относят: скорость выполнения скважин, возможность достижения больших глубин, высокую механизацию производства работ, мобильность буровых установок.

Бурение имеет свои недостатки: малый диаметр скважин не позволяет производить непосредственный осмотр стенок, размер образцов ограничивается диаметром скважины, по одной скважине нельзя определить элементы залегания слоев.

Диаметр скважин, используемых в практике инженерно-геологических исследований, обычно находится в пределах 100—150 мм.

При отборе образцов на лабораторные испытания скважины следует бурить диаметром не менее 100 мм. Глубина скважин определяетсязадачами строительства и может составлять десятки метров; при гидротехническом строительстве достигает сотен метров, при поисках нефти и газа — нескольких километров.

При инженерно-геологических исследованиях применяют такие виды бурения, которые позволяют получать образцы пород.

Проходка скважин в слабых и водонасыщенных породах бывает затруднена вследствие обваливания и оплывания стенок. Для их крепления применяют стальные обсадные трубы, которые опускают в скважины и продолжают бурение.

По мере проходки буровой скважины оформляется ее геологическая документация в виде геолого-литологической колонки, на которой видно, как залегают слои, их мощность, литологический тип, глубина залегания уровня грунтовых вод, места отбора образцов пород в виде керна, возраст пород в индексах (рис. 179).

Рис. 179. Геолого-литологическая колонка буровой скважины

 

Буровые колонки составляют в масштабе 1: 100—1: 500. После завершения бурения скважина засыпается.

Отбор образцов пород и проб воды.

Отбор образцов производят из обнажений, буровых скважин, шурфов и других выработок. Пробы отбирают послойно, на всю глубину выработки, но не реже чем через каждые 0, 5—1, 0 м.

Наиболее детально опробуется слой, который будет несущим основанием сооружений. Из всех образцов, полученных при инженерно-геологических исследованиях, 5—10 % отбирают для последующих лабораторных анализов.

Для инженерно-геологических работ обязателен отбор монолитов, т. е. образцов с сохранением их структуры. Особенно это важно при отборе образцов из слоев связных дисперсных пород(глины, суглинки), в которых кроме структуры необходимо сохранить природную влажность.

В шурфах и обнажениях отбирают монолиты в форме, близкой к кубу, с размерами от 10 х 10 х 10 см до 30 х 30 х 30 см. Из буровых скважин с помощью грунтоносов отбирают цилиндрические монолиты высотой 20—30 мм.

Монолиты немедленно парафинируют для сохранения их естественной влажности, т. е. обматывают слоем марли, пропитанной парафиногудронной смесью, подогретой до 60—65⁰С. Монолиты предохраняют от сотрясения и промерзания и хранят обычно не более 1, 5 месяцев.

Помимо монолитов, отбирают образцы нарушенной структуры и образцы рыхлых пород. Вес каждой такой пробы составляет до 0, 5 кг.

Пробы подземной воды берут из каждого водоносного горизонта в количестве от 0, 5 до 2 л.

Геофизические методы исследования обычно сопутствуют разведочным работам и в ряде случаев позволяют значительно сократить объем шурфования и бурения. В большинстве случаев они применяются параллельно с другими исследованиями. С их помощью с определенной степенью достоверности можно изучать физические и химические свойства пород и подземных вод, условия залегания, движение подземных вод, физико-геологические и инженерно-геологические явления и процессы.

Электроразведка основана на исследовании искусственно создаваемого в массивах пород электрического поля. Каждые породы, в том числе сухие и насыщенные водой, характеризуются своим удельным электрическим сопротивлением. Чем больше разнятся эти удельные сопротивления между собой, тем точнее результаты электроразведки для данной строительной площадки.

Наибольшее применение при инженерно-геологических исследованиях нашло вертикальное электрозондирование.

Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) позволяет определять глубину залегания коренных пород и уровень подземных вод, дна речных долин, выделять слои различного литологического состава, в том числе водопроницаемые и водоупорные пласты и т. д.

Сущность этого метода заключается в том, что по мере увеличения расстояния между питающими электродами А и Б (рис. 181) линии токов перемещаются в глубину. Глубина электрического зондирования зависит от расстояния между точками А и Б и составляет в среднем 1/3 (или 1/4) этого расстояния. Измеряя силу тока между питающими электродами А и Б и разность потенциалов между приемными электродами В и Г, можно найти значения электрического сопротивления пород. По этим данным, например, можно уже построить геологический разрез. На рис. 182 показана кривая ВЭЗ в сопоставлении с данными бурения. Рисунок показывает, что ВЭЗ четко определяет геологическое строение данной толщи пород. *

Рис. 180. Электропрофилирование толщи пород:

2—5 — электроды

1 — измерительный прибор;

Рис. 181. Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) толщи пород:

1 — потенциометр; 2— источник питания; А, Б, В, Г—электроды; 3 — эквипотенциальные

линии; 4 — линии тока

Рис 182. Электроразведка толщи пород:

а — электропрофиль через карстовую полость, заполненную песком, б—карстовая полость с песком в известняках; в — буровая колонна; г — кривая ВЭЗ

Геологические карты и разрезы. После окончания работ по инженерно-геологической съемке и проходке буровых скважин и горно-проходческих выработок создаются геологические карты и разрезы, которые являются важнейшей и обязательной геологической документацией при решении вопросов строительства.

Карты составляются в основном для больших площадей, где намечается крупное строительство. Разрезы создаются во всех без исключения случаях строительства.

Геологические карты представляют собой проекцию геологических структур на горизонтальную плоскость.

По этим картам можно судить о площади распространения тех или иных пород, условиях их залегания, дислокациях и т. д.

Все карты подразделяют на карты коренных пород и четвертичных отложений.

Четвертичные отложения покрывают поверхность земли почти сплошным чехлом, скрывая от глаз человека коренные породы, или, иначе говоря, породы дочетвертичного возраста. На картах четвертичных отложений принято показывать расположение в плане пород различного происхождения (речные, ледниковые и т. п. ) и литологического состава, расположенных на поверхности земли.

Карты коренных пород показывают горные породы (характер залегания, литологический состав и т. д.), которые располагаются под четвертичными отложениями и скрыты от прямого наблюдения.

Среди геологических карт коренных пород выделяют несколько видов: стратиграфические, литологические и литолого-стратиграфические. Кроме того, для различных целей составляют карты специального назначения, среди которых основное место занимают инженерно-геологические, гидрогеологические и карты строительных материалов.

Рис. 183. Геологические карты: I—четвертичных отложений; II—коренных пород, П — поверхность земли

Стратиграфическая карта показывает границы распространения пород различного возраста. Породы одного и того же возраста на карте обозначают условными буквенными индексами и окрашивают одним цветом. Так, породы юрского периода — синим, мелового — зеленым и т. п. Стратиграфическая карта обычно сопровождается стратиграфической колонкой, которая отражает порядок напластования пород по их возрасту.

Литологическая карта отражает состав пород.

Каждую породу обозначают типовым условным знаком. В практике геологических исследований для строительства чаще составляют литолого-стратиграфические карты, на которых показаны возраст и состав пород.

Инженерно-геологические карты — это сведения о важнейших инженерно-геологических факторах в пределах изучаемой территории. Каждая инженерно-геологическая карта — понятие собирательное и состоит из собственно карты, условных обозначений, геологических разрезов и пояснительной записки.

Карты специального назначения составляют применительно к конкретным видам строительства или сооружения. Они содержат оценку инженерно-геологических условий территории строительства и прогноз инженерно-геологических явлений.