40. Общие сведения о движении подземных вод.

Подземные воды находятся в постоянном движении. Существует раздел гидрогеологии, изучающий закономерности движения подземных вод, который называется "Динамика подземных вод".Законы движения подземных вод используются при гидрогеологичеких инженерных расчетах водозаборов, дренажей, определении притоков воды к строительным котлованам.Подземные воды передвигаются в основном путем инфильтрации и фильтрации.Под инфильтрацией понимают движение воды при частичном заполнении пор воздухом либо водяными парами.При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор(трещин) водой. Масса этой движущей воды создает фильтрационный поток.Фильтрационные потоки различают по характеру движения (установившийся и неустановившийся), гидравлическому состоянию (безнапорные, напорные и напорно-безнапорные). Движение потоков в основном ламинарное (параллельным) , в крупных трещинах и пустотах может быть турбулентным (завихряющемся). В плане фильтрационные потоки можно рассматривать как плоские и радиальные (сходящиеся (например к колодцу) и расходящиеся).Основной закон фильтрации подземных вод - Закон фильтрации ДарсиДвижение подземных вод происходит при наличии разности гидравлических уровней (напоров). Воды двигаются от мест с высокими уровнями к местам с низкими уровнями. Отношение разности напоров к длине пути фильтрации называется гидравлическим (напорным) градиентом. Чем градиент выше, тем больше скорость движения.I = ΔH/l,где ΔG = H1-H2 - разность напоров (H);l - длина пути фильтрации.Фильтрация в полностью водонасыщенных водах при ламинарном (параллельном, спокойном, без завихрений) движении воды подчиняется закону Дарси.Q = КфFI,где Q - расход воды (кол-во фильтрующей воды через поперечное сечение F в единицу времени);Кф - коэффициент фильтрации;F - площадь поперечного сечения потока воды (водоносного пласта);I - Гидравлический градиент.Введем понятие скорость фильтрации (v) - отношение расхода воды к площади поперечного сечения потока (v = Q/F). Таким образом сформулировать закон Дарси можно как "Скорость фильтрации пропорциональна напорному градиенту"v = КфIКоэффициент фильтрации можно таким образом можно выразить как скорость фильтрации при напорном градиенте равном единице.Скорость фильтрации воды по представленной выше формуле не отвечает действительной скорости движения воды в породе. Это связано с тем что вода двигается не по всему сечению, а только через его часть, равную площади пор и трещин породы. Действительную скорость движения воды (vд) определить можно как vд = v/n,где n - пористость породы, выраженная в долях единицы.Коэффициент фильтрации определяется в основном геометрией пор, а также свойствами самой воды и пр.

41. Методы расчета притока вод к водозаборным сооружениям

Среди водозаборных сооружений мы будем рассматривать такие горные выработки, как дрены (канавы) и скважины. В гидрогеологии горные выработки разделяют на совершенные и несовершенныеГидродинамически совершенной называется горная выработка, вскрывающая водоносный горизонт от кровли до подошвы.Приток воды к ней происходит по всей поверхности соприкосновения стенок выработки с водоносным горизонтом . Если же выработка не доходит до водоупора, она называется несовершенной по степени вскрытия водоносного горизонта.Зачастую выработки закрепляются от обрушения, цементируются скважины оборудуются обсадными трубами, фильтрами и т. п. Естественно, что приток воды в такие выработки затруднен и их называют несовершенными по характеру вскрытия водоносного горизонта.Основные уравнения притока воды к водозаборам (скважинам и дренам) будем выводить при условии совершенства выработок.Представим себе плоский поток грунтовых вод. Гидравлический градиент I в данном случае равенгде х — расстояние между сечениями h1 и h2Если мы будем сближать сечения h1 и h2 так, чтобы расстояние между ними стало равно нулю, то получим уклон (гидравлический градиент) в точке а, который равен тангенсу угла наклона зеркала грунтовых вод или первой производнойПодставив полученное выражение гидравлического уклона в выражение закона Дарси (21), получим для безнапорных воддля напорных водгде H —напор, отсчитываемый от подошвы водоносного пласта до его пьезометрического уровня.

42. Методы борьбы с грунтовыми водами.

Искусственное понижение уровня подземных вод для осушения водоносных пластов широко применяют в период строительства и эксплуатации водопроводно-канализационных сооружений. Необходимость в защите от подземных вод возникает при откапывании котлованов в водонасыщенных грунтах, ликвидации аварий на действующих коллекторах, а так же при подтоплении уже застроенной территории.При выборе рационального способа водопонижения учитывают не только характер возводимого или уже построенного сооружения, размер осушаемой зоны, но и конкретное геологические и гидрогеологические условия.Временное понижение уровня подземных вод (на период строительства) называют строительным водопонижением, длительное водопонижение (несколько лёт и более) -дренажем. Различают естественный и искусственный дренаж. Осушение местности при естественном дренаже происходит путем естественного стока подземных вод в понижениях (долины, реки, впадины). При искусственном дренаже уровень подземных вод понижается путем сбора и отвода воды специально построенными дренами.Дрены, или каналы-осушители, не только собирают воду, но и транспортируют ее в сторону от дренирующей площади, т. е. от той, где обеспечено понижение уровня подземных вод. Водопонижающие дрены могут быть совершенными и несовершенными. В первом случае они прорезают весь водоносный пласт, во втором - до водоупора не доходят. В зависимости от конструкций водоприемных устройств и характера расположения их в толще грунтов различают горизонтальный, вертикальный и комбинированный дренажи.Горизонтальный дренаж обеспечивает понижение уровня отвода воды с помощью канав (траншей), подземных галерей и других горизонтальных дрен. Отток воды при горизонтальном расположении дрен происходит самотеком. Для этого дренам придают необходимый уклон. Глубина заложения горизонтальных дрен обычно не более 6 метров. Дренажные воды сбрасываются в открытые водные притоки или сеть ливневой канализации. Горизонтальный дренаж может быть открытым (осушительные каналы) и закрытым (трубчатые дрены в траншее). К разновидности горизонтального дренажа могут быть отнесены и лучевые водозаборы с горизонтальными лучами-дренами, которые применяют на крупных водопонижающих системах в условиях водообильного водоносного горизонта.Вертикальный дренаж обеспечивает понижение уровня подземных вод откачкой насосами или сбросом воды в нижележащие водопроницаемые породы. Вертикальный дренаж осуществляют с помощью водопонижающих скважин, иглофильтровых установок, поглощающих скважин и открытого водоотлива. Общей их чертой является вертикальное расположение водоприемных устройств.Осушение глинистых грунтов основано на электроосмотическом явлении. Под действием электротока вода вместе с положительно заряженными ионами перемещается от металлического штыря — анода к иглофильтру — катоду и затем откачивается. Поглощающие скважины устраивают для понижения уровня путем сброса воды верхних водоносных горизонтов в нижние. Принимающий пласт должен иметь уровни ниже подошвы осушаемого пласта и быть достаточно водообильным.водопонижающих установок и дренажей в зависимости от их расположения по отношению зданий и сооружений подразделяют на линейные, кольцевые (контурные) и площадные системы. Линейные системы водопонижающих установок используют для защиты вытянутых в плане выемок типа траншей. Кольцевые системы применяют при значительных размерах осушаемой зоны. Площадные системы применяют для понижения уровня подземных вод в пределах всего осушаемого участка.

43.механическое воздействие подземных вод на грунты.

К подземным водам относятся все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности грунта и дна поверхностных водоемов и водотоков В связи с неблагоприятным воздействием подземных вод на несущую способность грунтовых оснований и материалы подземных конструкций необходимо при проектировании и строительстве фундаментов учитывать возможность изменения гидрогеологических условий площадки в процессе строительства и эксплуатации объектов. В первую очередь к этим неблагоприятным факторам относятся следующие: естественные сезонные и многолетние колебания уровня подземных вод; возможное изменение уровня подземных вод по технологическим причинам; увеличение агрессивности подземных вод по отношению к материалам подземных конструкций и возрастание коррозионной активности грунтов, обусловливаемые технологическими особенностями производства. В грунтах содержится вода связанная, свободная, в виде пара, а при отрицательных температурах и в виде льда. Связанная вода (гигроскопическая и пленочная) удерживается в грунте силами притяжения молекул воды к частицам грунта. Эти силы, весьма значительные на поверхности частиц грунта, быстро убывают по мере удаления от нее и на расстоянии 0,5 мкм практически уже не действуют. Первые слои молекул, прочно удерживаемые на поверхности частиц грунта, образуют гигроскопическую воду. Предельная гигроскопическая влажность, т. е. наибольшая влажность грунта, содержащего только гигроскопическую воду, доходит в песках до 1 % (по массе) и в глинах до 17%. Дальнейшее увеличение объема воды в грунте приводит к образованию пленочной воды. При увеличении толщины пленки более 0,5 мкм образуется свободная вода. Различают два вида свободной воды: гравитационную и капиллярную. Гравитационная вода перемещается в грунте под действием силы тяжести. Обычно, когда упоминают подземные воды, имеют в виду именно гравитационную воду. Капиллярная вода поднимается по капиллярным порам грунта выше уровня гравитационной воды и удерживается там благодаря силам капиллярного натяжения. Высота подъема капиллярной воды зависит от диаметра поперечного сечения капилляров и от материала твердых частиц грунта; при малых диаметрах (порядка 0,005 мм) она достигает нескольких метров. Содержание в порах грунта водяного пара обусловлено испарением воды. Вода в виде льда заполняет поры грунта при отрицательных температурах и образует отдельные включения, прослойки, линзы.Свободная гравитационная вода перемещается в грунте из зоны с большим напором (давлением) в зону с меньшим напором. Условия, при которых происходит движение гравитационной воды, показаны на рис. 1.9. На участке длиной l, см, разность напоров составляет Н1 — Н2, см, а на единице длины участка падение напора определяется выражение i=(H1-H2)/ Величину i называют гидравлическим градиентом. Французский инженер А. Дарси на основе проведенных им исследований установил, что скорость v, см/с, ламинарного (происходящего параллельными струйками без завихрений) движения воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту i v=ki. Коэффициент пропорциональности k, см/с, в формуле называется коэффициентом фильтрации. Он численно равен скорости движения воды в грунте при гидравлическом градиенте i=1.Коэффициент фильтрации, k, см/с, являющийся характеристикой водопроницаемости грунта, имеет примерно следующие значения: Под скоростью фильтрации воды v, см/с, понимают отношение Q/A, где Q — расход воды, т. е. количество воды, см3, проходящей в единицу времени через сечение грунта A, см (площадь пор и частиц). Скорость фильтрации не равна действительной скорости движения воды, для вычисления которой расход следует относить к части сечения грунта, занятой только порами.Приток воды в грунт, ее сток и испарение меняются, в связи с чем не сохраняется постоянным и уровень подземных вод. На этот уровень оказывают влияние не только естественное изменение режима подземных вод, но и осуществление некоторых технических мероприятий, например, планировка территории, ее асфальтирование, устройство дренажей, ливневой канализации и т. п. Повышение уровня подземных вод ухудшает строительные свойства грунтов: влажность грунта увеличивается, его «скелет» оказывается взвешенным в воде, силы трения и сцепления между частицами грунта уменьшаются, пористость грунтов возрастает — глинистых вследствие их набухания, а песчаных из-за взрыхления под воздействием гидродинамического давления, возникающего при быстром подъеме воды. При подъеме воды выше отметки заложения подошвы фундамента давление последнего на основание уменьшается, что может привести к сдвигу или опрокидыванию фундамента. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании сооружений. Понижение уровня подземных вод, как правило, улучшает строительные свойства грунтов. Однако если оно происходит после возведения сооружений, то связанное с ним дополнительное уплотнение грунтов может повлечь за собой неравномерные их осадки. Понижение уровня подземных вод особенно опасно при фундаментах с деревянными сваями, которые не гниют, лишь целиком находясь в воде.можно наблюдать и при разработке котлованов, бурении, осуществлении дренажа. При скорости движения подземной воды, превышающей критическую, фильтрационным потоком вымываются частицы грунта (сначала самые мелкие, а потом и более крупные). Постепенный вынос таких частиц приводит к разрыхлению грунта. Это явление, называемое механической суффозией, часто наблюдается в основаниях гидротехнических сооружений, характеризуемых большими перепадами напоров воды. Механическую суффозиюПодземные воды, фильтруясь через грунт и растворяя различные соли и газы, иногда приобретают способность разрушать цементные растворы (вызывать коррозию бетона). Такие воды называются агрессивными. При одном и том же составе агрессивная вода разрушает бетон тем быстрее, чем с большей скоростью она движется; наиболее опасны агрессивные воды, фильтрующиеся под напором через бетон. Для устранения вредного действия агрессивных вод применяют специальные цементы (для бетона фундамента). При сооружении фундамента из металлических свай следует учитывать возможность коррозии металла, которая при определенном составе воды может существенно снизить несущую способность конструкции.

44. общие сведения о водных свойствах горных пород От пористости породы зависит ее влагоемкость: Влагоемкость —это свойство породы содержать в своих порах то или иное количество воды.Полная влагоемкость — количество воды, заполняющее все пустоты породы. Фактическая влагоемкость определяется количеством воды, действительно содержащимся в породе.Капиллярная влагоемкость составляет количество воды, удерживаемое горной породой в капиллярах при свободном стоке. Капиллярная влагоемкость тем меньше, чем больше водопроницаемость породы.Под водоотдачей понимается количество гравитационной воды, которое может содержаться в горной породе и которое она может отдать при откачке. Водоотдача может быть выражена процентным № отношением объема свободно вытекающей из породы воды к объему породы.Водонасыщенность пород представляет то количество воды, которое отдается породой. По степени водообильности породы делятся на сильноводообнльные с дебитом скважины больше 10 л/с, водо-обильные с дебитом скважины 1 - 10 л/с, слабоводообильные — 0,1 - 1л/с.Водонасосные породы, а также пласты, линзы и пр.— это такие, в которых поры, трещины и другие пустоты заполнены гравитационными водами — гравитационно-водоносными, водами капиллярными и пленочными водоносными.Водопроницаемость — свойство пород пропускать воду вследст¬вие наличия в них пор, трещин и других пустот. Величина водопроницаемости определяется коэффициентом водопроницаемости. По степени водопроницаемости породы могут быть разделены на водопроницаемые, полуводопроницаемые и водонепроницаемые.Водонепроницаемость — свойство горных пород не пропускать воду. К ним относятся, например, нетрещиноватые известняки, кристаллические сланцы и др.